Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2013 №5

Разработка надежных светодиодных источников освещения

Да Лаго Маттео (Matteo Dal Lago)

Занони Энрико (Enrico Zanoni)

Менжессо Гаудензио (Gaudenzio Meneghesso)

Менжини Маттео (Matteo Meneghini)

Тривеллин Никола (Nicola Trivellin)


Переход от обычных источников освещения к светодиодным системам диктует необходимость других принципов проектирования для достижения преимуществ светодиодного освещения. Основной способ основан на паралелльном планировании тепловых, электрических, оптических и спектральных свойств источника освещения. В статье объясняют этот способ важностью управления электропитанием светодиодов, сравнивая технологии модуляции с постоянным током, различая гибкость и эффективность.

Производственные показатели источников освещения, основанных на светодиодной технологии, улучшаются с каждым днем благодаря непрекращающимся стараниям разработчиков и исследователей этой технологии. В результате твердотельные источники света имеют большую эффективность и аналогичную цветопередачу по сравнению с обычными, а их цена быстро падает с развитием рынка сбыта. Несмотря на прекрасные характеристики современных светодиодных модулей, некоторые факторы затрудняют создание надежных и эффективных светодиодных приборов освещения, включая сложное терморегулирование, проблемы с химической совместимостью, необходимость подходящих оптических и механических конструкций, а также эффективных электрических схем.

Статья исследует основные проблемы, связанные с разработкой надежных светодиодных систем освещения, предоставляя общее описание самых важных аспектов и наиболее прогрессивных технологий, которые гарантируют долговечную работу этих инновационных источников освещения.

Термическая оценка

Терморегулирование — это, пожалуй, главная проблема, связанная с разработкой надежных твердотельных источников освещения. Фактически при неправильном теплоотводе LED-модули способны очень значительно нагреваться, что весьма сильно снижает продолжительность срока службы осветительного устройства — любая область взаимодействия в тепловом мосту между активной зоной светодиода и окружающей средой может оказаться «узким местом» для теплового потока. Кроме того, в высшей степени точная термическая оценка крайне важна в процессе проектирования осветительного устройства.

В дальнейшем мы обсудим самые общие методы, которые позволяют определять температурный режим источника освещения. Наиболее простой способ — измерить температуру различных частей осветительного устройства во время работы при помощи термопары или любого другого температурного датчика (в частности, NTC-термистора). Такой способ не позволяет видеть температуру p-n-перехода светодиодов, однако дает возможность получить информацию о температуре платы во время работы. Из-за этого данный метод полезен только для качественной оценки самонагревающихся устройств. Более точную температурную характеристику удается получить при помощи инфракрасной камеры — ИК-камера мгновенно предоставляет информацию о распределении тепла по монтажной плате или корпусу лампы. На рис. 1 показан пример инфракрасного изображения твердотельной лампы, где хорошо видно распределение тепла вокруг некоторых светодиодов и управляющей схемы.

Инфракрасное изображение LED-платы

Рис. 1. Инфракрасное изображение LED-платы во время работы

ИК-камера очень полезна для понимания температурного режима всей осветительной системы и нахождения потенциальных недоработок конструкций. Основной недостаток этого метода связан с различными материалами, используемыми для создания светодиода, — разные металлы и пластмассы имеют различные инфракрасные величины излучающей способности, вот почему очень сложно сравнивать температурные уровни, измеренные ИК-камерой на различных материалах. Другое ограничение ИК-изображения кроется в обнаружении только поверхностного ИК-излучения, что не соответствует температурным уровням, достигаемым на переходе светодиодов: например, инфракрасное измерение температуры светодиода отображает уровень нагрева линзы, которая его покрывает, но никак не температурный уровень активной зоны самого светодиода. Поскольку напрямую измерить температуру перехода невозможно, единственным способом полного определения термической характеристики осветительной системы становится применение непрямых электрических измерений. Хорошо известно, что прямое напряжение светодиода строго соответствует его температуре. Поэтому можно использовать информацию о прямом напряжении для точной оценки температуры, достигаемой чипом во время работы. Чтобы установить зависимость между прямым напряжением и температурой перехода, необходимо подать на светодиод импульсы тока, изменяя его температуру с помощью термостата или ячейки Пельтье. Длительность таких импульсов тока должна быть короткой для предотвращения перегрева устройства. На рис. 2а показан один пример этого калибровочного измерения, полученного на светодиоде с диапазоном температур +25...+90 °C при различных уровнях тока. Как только калибровочное измерение выполнено, достаточно измерить прямое напряжение устройства во время работы, чтобы определить температуру перехода.

Примеры

Рис. 2. Примеры: а) калибровочного измерения температуры светодиодного модуля; б) оценки теплового сопротивления

Благодаря этому способу можно оценить тепловое сопротивление одного светодиода или целого кластера, получаемое как угол наклона линейной зависимости между температурой перехода во время работы и выработанной тепловой энергией, как показано на рис. 2б.

Однако описанная методика требует получения сложного набора измерений и занимает больше времени по сравнению с ИК-исследованием, являясь при этом самым надежным способом получения абсолютных температур и теплового сопротивления для светодиодных источников освещения.

Влияние условий эксплуатации на производственные показатели светодиодов

Несмотря на прекрасные характеристики ультрасовременных светодиодов, нельзя пренебрегать ограничениями высококачественных конструкций осветительных устройств для получения максимального потенциала с точки зрения эффективности и надежности. В отличие от ламп накаливания, повышение температуры и рабочего тока в светодиодных источниках освещения ведет к ухудшению его электрических и оптических характеристик. Есть несколько исследований, которые соотносят между собой уменьшение оптической эффективности при высокой плотности тока и два различных физических механизма — один температурно-зависимый («температурный спад») и один, относящийся к рабочему току (если более точно, то к плотности тока, «спад эффективности»). На рис. 3 изображен спад мощности излучения, вызванный повышением температуры в различных светодиодных модулях с разной длиной излучаемых волн. Данная проблема явно выражена в красных светодиодах (по этой причине на высоких уровнях температуры носители могут легко покинуть квантовые ямы и высок шанс безызлучательной рекомбинации) и должна быть тщательно продумана, если красный светодиод будет использоваться со светодиодами, имеющими другие длины волн, в многоцветном источнике освещения.

Спад мощности излучения на различных температурных уровнях

Рис. 3. Спад мощности излучения на различных температурных уровнях для светодиодов разных цветов

С другой стороны, спад эффективности должен быть связан с рекомбинацией Оже и/или просачиванием основных носителей заряда. Рекомбинация Оже происходит в основном на высоких уровнях инжекции, когда электронно-дырочная рекомбинация передает энергию другому электрону. Этот возбужденный электрон теряет набранную энергию во время серии столкновений с кристаллической решеткой без излучения света. Как показано на рис. 3, данный тип процесса рекомбинации является одной из возможных причин энергетического спада, зависящего от тока. Такой спад имеет колоссальное воздействие на светодиодные источники освещения. На рис. 4 показана зависимость эффективности от плотности тока для современного светодиодного модуля: устройство, способное работать с токами до 1 А, теряет 20% от своей максимальной эффективности на более высоких значениях тока. Эта информация чрезвычайно важна при разработке светодиодных источников освещения, особенно для выбора подходящего рабочего тока, поскольку более высокая эффективность достигается на меньших уровнях тока, а единственным путем получения максимальной эффективности является понижение рабочего тока с последующим увеличением числа необходимых светодиодов.

Эффективность белого светодиодного модуля

Рис. 4. Эффективность белого светодиодного модуля при различных уровнях тока

Условия эксплуатации и надежность

Есть два важнейших фактора, которые ускоряют разрушение твердотельных источников освещения, — температура и ток. Как высокая температура, так и чрезмерное протекание тока становятся причинами долгосрочного ухудшения физической структуры светодиодного кристалла и герметизирующих материалов. Тесная взаимосвязь между обеими причинами означает, что подходящий рабочий ток не может быть выбран без точной термической оценки (как описано в первом разделе этой статьи).

Высокая плотность тока может вызвать различные типы долгосрочных изменений электрических свойств кристалла, таких как поколение дефектов кристаллической решетки. Подобные изменения серьезно влияют на электрические свойства светодиодов (например, вольт-амперные характеристики) и значительно ухудшают оптическую эффективность, как показано на рис. 5 (спад мощности излучения на светодиодах, настроенных на нагрузочные испытания с другими уровнями тока, работающих на постоянной температуре p-n-перехода).

Ухудшение оптической мощности белых светодиодов, настроенных на нагрузочные испытания с другими уровнями тока

Рис. 5. Ухудшение оптической мощности белых светодиодов, настроенных на нагрузочные испытания с другими уровнями тока, работающих на постоянной температуре р-n-перехода (Tj = 160 °C)

Другое важное последствие работы на высоких уровнях тока — сильный нагрев устройства. Высокая температура происходит из-за самонагрева устройства (или из-за высокой температуры окружающей среды) и имеет существенные последствия как для электрических, так и для оптических/механических характеристик всех материалов осветительной системы. В зависимости от электрических изменений высокие уровни температуры являются причиной некоторых механизмов деградации, таких как ухудшение гальванических контактов, и совпадают в поколениях дефектов, сформированных носителями потока. Так же как и материал полупроводника, пластмассы и металлы способны подвергаться воздействию высоких температур. В основном пластмассы, используемые в оптических устройствах и корпусах, могут темнеть после нескольких тысяч часов работы при высоких температурах, как показано на рис. 6 (пример потемнения пластмассовой отражающей чашки белого светодиода).

Потемнение корпуса после 64 часов работы на различных уровнях температуры

Рис. 6. Потемнение корпуса после 64 часов работы на различных уровнях температуры

Потемнение этого материала может уменьшить важную часть оптического излучения светодиода и привести к различным изменениям колориметрических характеристик устройства.

Другая проблема работы светодиодов на высоких температурах связана с тем, что у разных материалов различные механические коэффициенты теплового расширения, что может привести к разрушению линз и отсоединению некоторых технологических стыков. На рис. 7 показано сравнение четырех нагрузочных испытаний, проведенных при одинаковом токе и температуре p-n-перехода. Результаты ускоренных нагрузочных тестов, рассмотренных на рис. 5 и 7, показывают, что, даже не превышая заводских ограничений, срок службы современных светодиодов значительно снижается из-за некорректных проектных решений.

Уменьшение силы света белого светодиода под воздействием различных температур

Рис. 7. Уменьшение силы света белого светодиода под воздействием различных температур при заданной силе тока (I = 1 A)

Виды неудачных конструкций

В разработке светодиодных источников освещения необходимо знать, к каким последствиям могут приводить непригодные рабочие условия. Это нужно для того, чтобы полностью понимать ограничения существующей технологии. Перенапряжение и перегрузка по току часто ведут к расплавлению соединительных проводов, которые связывают кристалл. Данное явление крайне отрицательно сказывается на светодиодных системах, в которых светодиоды соединены последовательно, так как может привести к разрыву цепи и отключению осветительного устройства. Другой вариант отказа конструкции связан с химической совместимостью веществ, с которыми могут взаимодействовать материалы светодиода: на самом деле большое количество химических соединений (обычно описанных в специальной документации, предоставляемой производителем светодиода) способны нанести непоправимый вред устройству. На рис. 8 представлен пример силиконовых линз, загрязненных припоем, что привело к почернению уже в первые часы работы. А на рис. 9 изображены последствия попадания влаги на силиконовую линзу, что вызвало постепенное размытие оптической поверхности.

Силиконовые линзы, загрязненные припоем

Рис. 8. Силиконовые линзы, загрязненные припоем, после 24 часов работы
Последствия попадания влаги на линзы белого светодиода

Рис. 9. Последствия попадания влаги на линзы белого светодиода

Это лишь несколько примеров того, что может произойти, если при разработке светодиодов не были решены все проблемы надежности.

Мультисветодиодные системы

Один из лучших способов улучшения фотометрических и колориметрических характеристик твердотельных источников освещения — это смешивание устройств различных цветов для обогащения спектра излучения и повышения индекса цветопередачи. Многоцветные источники света также позволяют динамически изменять световые характеристики в зависимости от нужд. Свойства светодиодов с различной длиной волн излучения, с учетом надежности и производительности, приводят к серьезным проблемам в разработке многоцветного светодиодного источника освещения.

Фактически, как показано на рис. 3, светодиоды различных цветов имеют различные спады оптической эффективности с увеличением температуры. Более того, различные виды светодиодов обладают разной устойчивостью к условиям эксплуатации, как видно из графика (рис. 10), на котором показано ухудшение характеристик светодиодов различных цветов при одинаковых условиях эксплуатации. Из этого следует, что без динамического регулирования производительность многоцветных светодиодов не может быть постоянна из-за перепадов относительной интенсивности излучений различных цветов.

Ухудшение мощности излучения светодиодов разных цветов под воздействием нагрузочных характеристик

Рис. 10. Ухудшение мощности излучения светодиодов разных цветов под воздействием нагрузочных характеристик при одинаковых условиях работы (Tamb = 105 °C, I = 700 мА)

Лучший способ избежать колориметрического теплового дрейфа в данных источниках освещения — встроить температурный датчик в плату светодиода. Следовательно, достаточно при помощи подходящего алгоритма автоматически модифицировать конфигурацию электрического смещения цепочки разноцветных светодиодов согласно полученной температуре во время работы. В любом случае, этот способ не принимает во внимание ухудшение характеристик устройств во время длительного функционирования. По этой причине в многосветодиодных осветительных приборах часто бывает необходимо установить фотодиод (одно- или многоцветный) для распознавания и исправления колориметрических характеристик источника освещения.

Выводы

В этой статье описаны некоторые важные проблемы, связанные с разработкой твердотельного источника освещения, и отражены вопросы надежности ультрасовременной светодиодной технологии. Поскольку светодиодные источники — это будущее в области освещения, важно, чтобы разработчики данных систем расширили свои познания в сфере создания надежных и эффективных осветительных приборов. И хотя технологический прогресс приводит к появлению более надежных устройств, некоторые ограничения в разработке светодиодных систем остаются — ведь они являются неотъемлемой частью самих систем. Поэтому специалистам придется приложить больше усилий для достижения поставленных целей, однако надежная конструкция позволяет получить и больше преимуществ, таких как ремонтоспособность и долговечность, а кроме того, она обязательно привлечет внимание рынка к новым источникам освещения.

Оригинал статьи опубликован в «LED professional»

Литература

  1. Kim et al. "Origin of efficiency droop in GaN-based light-emitting diodes", Appl. Phys. Lett. 91, 183507. 2007.
  2. Bochkareva et al. "Defect-related tunneling mechanism of efficiency droop in III-nitride light-emitting diodes", Appl. Phys. Lett. 96, 133502. 2010.
  3. Kioupakis et al. "Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes", Appl. Phys. Lett. 98, 161107. 2011.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке