Температура светодиода

В общем температура светодиода, чем прохладнее окружающая среда, тем выше светоотдача светодиода. Более высокие температуры обычно уменьшают выход света. В более теплых условиях и при более высоких токах температура светодиода увеличивается. Светоизлучение светодиода для постоянного тока изменяется в зависимости от его температуры перехода . На рисунке 9 показан световой поток нескольких светодиодов в зависимости от температуры перехода. Температура светодиода намного меньше для светодиодов InGaN (например, синий, зеленый, белый), чем для светодиодов AlGaInP (например, красный и желтый).

Рисунок 9. Относительная светоотдача белых светодиодов красного, синего и люминофора в зависимости от температуры перехода.

Данные, основанные на литературе от LumiLeds

Данные нормализуются до 100% при температуре перехода 25 ° C. Температура светодиода.

Температура светодиода. Токовая зависимость.

Некоторые производители системы включают компенсационную схему, которая регулирует ток через светодиод, чтобы поддерживать постоянный световой поток при различных температурах окружающей среды. Это может привести к перегоранию светодиодов в некоторых системах в течение длительных периодов высокой температуры окружающей среды, что может сократить срок их службы.

Большинство производителей светодиодов публикуют кривые, подобные тем, которые показаны на рисунке 9 для своих продуктов, и точные отношения для разных продуктов будут разными. Важно отметить, что многие из этих графиков показывают выход света как функцию температуры перехода, а не температуры окружающей среды. Светодиод, работающий в окружающей среде при нормальной комнатной температуре (от 20 ° C до 25 ° C) и при рекомендованных производителем токах, может иметь гораздо более высокие температуры перехода, например, от 60 ° C до 80 ° C. Температура перехода зависит от:

• температура окружающей среды
• ток через светодиод
• количество теплоносителя внутри и вокруг светодиода

Как правило, спецификатор освещения не должен знать об этих отношениях; создатель светодиодной системы освещения должен включать соответствующие теплоотвод и другие компенсационные механизмы. Затем изготовитель системы должен предоставить диапазон допустимых рабочих температур, в пределах которых ожидается приемлемая работа.

Длительное тепло может значительно сократить срок службы многих светодиодных систем. Более высокая температура окружающей среды приводит к более высоким температурам перехода, что может увеличить скорость разложения элемента светодиодного соединения, что может привести к необратимому уменьшению светового выхода светодиода в течение длительного времени, чем при более низких температурах.

Таким образом, управление температурой светодиода является одним из наиболее важных аспектов оптимальной работы светодиодных систем.

Общепринято рассматривать светодиоды как «холодные» источники с точки зрения температуры. Это связано с тем, что спектральный выход светодиодов для освещения не содержит инфракрасного излучения, в отличие от ламп накаливания, которые производят большое количество инфракрасного излучения (конечно, некоторые светодиоды для производственных целей предназначены для производства инфракрасной энергии, но они не рассматриваются в этой публикации ). Светодиоды также часто считаются «холодными», потому что они генерируют свет через механизм, отличный от теплового возбуждения вещества, такого как вольфрамовая нить в лампе накаливания. Хотя светодиодные системы освещения не производят значительного количества излучаемого тепла, светодиоды все еще генерируют тепло в узле, которое должно рассеиваться посредством конвекции и проводимости . Извлечение тепла из устройства с использованием радиаторы и работающие светодиоды при более низких температурах окружающей среды обеспечивают более высокую светоотдачу и более длительный срок службы устройства.

Необходимость обеспечения теплоотвода со светодиодными системами также важна для рассмотрения, когда эти системы установлены в приложениях. Должны быть достаточные средства для отвода тепла от системы или вентиляции для охлаждения нагретых поверхностей путем конвекции. Расположение светодиодной системы освещения в изолированном и относительно небольшом пространстве, вероятно, приведет к быстрому увеличению температуры перехода и субоптимальной производительности.

По мере развития мощных светодиодных технологий инженеры собрали данные, которые количественно подтвердили, что чрезмерное тепло сократило срок службы полупроводникового освещения (SSL). Например, светодиод, который длился 60 000 часов при работе при температуре перехода 120 ° C, изо всех сил старался сиять более 10000 часов при работе при 150 ° C. Следовательно, тепловое управление быстро стало ключевой частью процесса разработки SSL.

Дизайнеры обычно используют пассивные методы для рассеивания тепла, зачастую температура светодиода не учитывается. Во время нормальной работы такие методы работают хорошо, но могут бороться, чтобы рассеять всю жару, когда SSL подвергается воздействию необычно теплых температур.

В последнее время производители светодиодного источника питания (светодиодные драйверы) добавили возможности ограничения тока на свои устройства, позволяющие инженерам определять температуру светодиодного перехода и отклонять фитиль, если ситуация становится слишком горячей. Защита от перегрева продлевает срок службы светодиодов и минимизирует катастрофический отказ. Активные методы защиты также способствуют использованию меньших радиаторов – экономии затрат и пространства – и обеспечивают большую степень контроля за максимальной рабочей температурой конкретного продукта. В этой статье рассматривается, как работают эти новые методы управления тепловым режимом.

Убийца Кельвина

Тепло является побочным продуктом электролюминесцентных процессов, которые позволяют светодиоду загораться. Рекомбинации дырок и электронов в полупроводнике приводят к тому, что некоторые фотоны выходят из светодиода и способствуют общему освещению, но другие реабсорбируются в кристалле, выделяя тепло. Крошечные вибрации кристаллической решетки светодиода, возникающие во время работы устройства, также повышают температуру. Несмотря на высокую эффективность светодиодов по сравнению с обычными источниками света, от 70 до 80 процентов электроэнергии, подаваемой на устройство, по-прежнему преобразуется в тепло, а не в свет.

Поскольку светодиодное соединение мало, плотность энергии высокая и температура быстро растет. Нередко температура перехода (T _J) современных чипов повышается до 140 ° C и выше. Пролонгированная работа при высоких температурах нежелательна, поскольку она приводит к дрейфу цветности и сокращает срок службы. (См. Статьи TechZone « Тепловые эффекты на белой светодиодной хроматичности » и « Понимание причины замирания в светодиодах высокой яркости »).

Температура светодиода Cree , Lumileds , OSRAM и Seoul Semiconductor

Производители светодиодов, таких как Cree , Lumileds , OSRAM и Seoul Semiconductor, предоставляют полезную информацию о влиянии температуры на срок службы, полученной за годы испытаний на надежность. На рисунке 1 показано, например, примерный срок службы белого светодиода Lumileds LUXEON C с увеличением температуры перехода. Левая ось представляет собой относительную яркость. Светодиодные индикаторы считают, что светодиод «провалился», когда его яркость падает ниже 70 процентов от выхода при использовании нового (L70). LUXEON C – это светодиод 118 лм, 120 лм / Вт (350 мА, 2,75 В), и из графика видно, что разница в 20 ° C может сократить срок службы светодиода примерно на 60 000 часов (с L70 80 000 часов при T _J= 115 ° C до 20 000 часов при T _J = 135 ° C). ¹

Рисунок 1: Влияние температуры перехода на светимость светодиодов LUXEON C. (Срок службы светодиода измеряется в точке, когда яркость падает до 70 процентов от этого при новом).

Учитывая важность термического управления при проектировании со светодиодами, мало что удивляет, что имеется много информации о дизайне по теме, доступной для сообщества разработчиков. Элементы светодиодного управления температурой в библиотеке статей Digi-Key включают « Понимание внутреннего термосопротивления светодиодов », « Тепловые соображения для светодиодных светильников » и « ABCs LED Thermal Management» . Кроме того, имеется множество светодиодных тепловых продуктов, доступных на сайт Digi-Key.

Пассивные методы теплового управления сыграли важную роль в цементировании светодиодного освещения в секторе основного освещения. Инженеры-проектировщики регулярно устанавливают светодиоды и подложки с низким тепловым сопротивлением, дополненные радиаторами, для удаления тепла от соединения устройства. Однако, хотя этот метод работает удовлетворительно, он имеет ряд недостатков, включая увеличение размера осветительной арматуры и добавление стоимости. Теплоотвод может составлять треть стоимости устройства SSL. Кроме того, в качестве пассивного метода механическое тепловое управление не может компенсировать большие колебания температуры окружающей среды, к которым, например, может относиться наружный SSL.

Активное тепловое управление

Совсем недавно дизайнеры сосредоточили свое внимание на дополнении пассивного теплового управления активными технологиями, чтобы удовлетворить «экстремальные» ситуации, когда время жизни светодиодов в противном случае было бы значительно сокращено или устройство могло бы даже катастрофически потерпеть неудачу. Самый простой способ защиты светодиода – выбрать драйвер светодиода с защитой от перегрева.

Многие современные светодиодные драйверы включают защиту от перегрева. Например, недавно представленный ADP8140 Analog Devices обладает такой особенностью. ADP8140 является линейным регулятором, который работает от входа 3 до 30 В и обеспечивает постоянный ток до 500 мА. Если температура кристалла светодиода превышает 150 ° C, ADP8140 выключает ступень мощности. Когда температура опускается ниже 130 ° C, ADP8140 отключает питание. Если неисправность или сильная диссипация сохраняется, последовательность повторяется. (Обратите внимание, что ADP8140 также может использоваться с внешним датчиком тепла для повышения тепловой защиты.)

Недостаток защиты от перегрева, который основан на измерении температуры светодиодного драйвера, а не самого светодиодного соединения, является недостатком точности. Даже если устройства находятся в непосредственной близости, светодиодный драйвер может быть на несколько градусов теплее, чем светодиод, что может вызвать остановку, когда это не является строго необходимым. Хуже того, может быть и наоборот, что приведет к повреждению светодиода до того, как светодиодный драйвер отключится. Второй недостаток заключается в том, что защита от перегрева многих светодиодных драйверов включает в себя полное снижение мощности при достижении пороговой температуры. Это вряд ли удобно, особенно если свет освещает общественное пространство. Следовательно, инженеры стремятся установить функцию выключения при очень высокой температуре.

Кроме того, многие драйверы светодиодов автоматически перезапускаются при охлаждении системы. Если чрезмерная температура является результатом неисправности или экстремальной ситуации, такой как необычно высокая температура окружающей среды, система, скорее всего, быстро отключится, что приведет к нарушающему мерцанию.

Более тонкая техника, чем просто переключение светодиодного драйвера при достижении заданной температуры, заключается в использовании контура обратной связи, который включает датчик тепла, расположенный очень близко к разъему LED. Добавляя термистор отрицательного температурного коэффициента (NTC), который обычно имеет небольшой размер упаковки и имеет хорошее соотношение цена / производительность, в схему освещения можно постепенно уменьшать ток вождения светодиода и, следовательно, уменьшать рассеивание мощности до предела температура перехода.

Хотя уменьшение тока уменьшает яркость, дизайнеры могут устанавливать минимальный ток, так что изменение яркости по мере того, как датчик NTC срабатывает, ниже порога, который может обнаружить потребитель. К счастью, человеческий глаз плохо обнаруживает изменения яркости в устройствах с высокой яркостью, поэтому существует разумная гибкость в балансе между управляющей температурой и заметно ухудшающей светимость. В любом случае более тоньше, чем выключение, а затем выключается.

Производители светодиодных драйверов упростили включение резистора NTC в электронику приборов, добавив выделенный штырь к своим микросхемам, чтобы принять вход резистора. Дублированный тепловой схемой возврата, термистор NTC расположен как можно ближе к разъему LED для повышения точности измерения температуры. По мере повышения температуры (выше установленного значения, определенного дизайнером) сопротивление термистора уменьшается, вызывая соответствующее уменьшение выходного тока, который приводит в действие светодиод. Производители светодиодных драйверов используют либо широтно-импульсную модуляцию (PWM), либо аналоговое затемнение для снижения выходного тока. (См. Статью TechZone « Как тепловой откат повышает надежность светодиодных светильников »).

Светодиодные драйверы обычно включают в себя схемы снижения тока, связанные с датчиком тепла в своих продуктах. Например, CAT4101 от Semiconductor  представляет собой линейный светодиодный драйвер с постоянным током 1 A с термоотверждением. Драйвер LED работает от входа 3 – 5,5 В и имеет выход 25 В на уровне до 1 А. Ток уменьшается, изменяя рабочий цикл ШИМ после того, как температура светодиодного перехода превышает 150 ° C. На рисунке 2 показано, как ток светодиодного привода (красный) изменяется с характеристикой сопротивления термистора NTC (синий). ²

Рисунок 2: Термовыходная характеристика драйвера светодиода CAT4101 от ON Semiconductor.

Texas Instruments (TI), среди прочего, также предлагает ряд светодиодных драйверов с тепловым откатом. LM3424 , например, понижающий / повышающий ( «доллар / импульс») светодиодный драйвер. Устройство может работать от входа от 4,5 до 75 В, обеспечивая постоянный ток до 5 А. Функция термоотвержения позволяет инженеру программировать как точку останова (температура, при которой начинается снижение тока), так и градиент текущего уменьшения склон.

Улучшение тепловой защиты светодиодов. Температура светодиода.

Хотя методы теплового управления на основе температурных датчиков работают достаточно хорошо, есть некоторые недостатки. Во-первых, добавление термистора NTC увеличивает сложность; и точность, отклик и градиент зависят от того, как устройство монтируется. Во-вторых, если не указано высокопроизводительное (и, следовательно, дорогое) устройство, наклон температуры / сопротивления не является линейным, что затрудняет точное регулирование тока. В-третьих, одновременное снижение тока иногда может быть недостаточным для ограничения температуры перехода в безопасную зону, заставляя инженера создавать резервные копии защиты с обычной защитой от перегрева.

Из-за недостатков технологии термического отгибания на основе термисторов на основе термисторов NTC некоторые производители светодиодных драйверов еще более подвергли тепловой защите. Infineon Technologies  внедрила запатентованную технику, благодаря которой сам светодиодный индикатор становится элементом, чувствительным к температуре, и вообще не использует термистор NTC. Компания реализовала эту технику в своей ИС-контроллере ILD6070 LED. ILD6070 представляет собой преобразователь напряжения питания, который может работать от входного напряжения от 4,5 до 60 В при подаче до 700 мА. Он поставляется в термически оптимизированной SOIC-8 упаковке.

Светодиодный драйвер герметично соединен со светодиодом и используется в качестве эталона температуры. Если температура светодиода превышает заданную максимальную температуру, ток уменьшается в соответствии с предварительно запрограммированной характеристикой уменьшения наклона. Компания утверждает, что этот непрерывный диапазон регулировки позволяет системе достичь точки равновесия, которая обеспечивает непрерывную работу источника света в стрессовых условиях – хотя и с уменьшенной светоотдачей.

Если тепловое равновесие нарушается дополнительной тепловой нагрузкой, постепенное уменьшение тока продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто не менее 25 процентов от целевого среднего тока, и источник света будет продолжать подавать световой поток с яркостью 25 процентов от целевого света вывод. Такая защита позволяет инженеру разрабатывать пассивно-тепловое управление с более низким запасом прочности при условии, что активная тепловая защита будет действовать, если температура повысится до чрезвычайного уровня.

Температурная ссылка ILD6070 определяет напряжение привода (V _DRIVE ) в соответствии с характеристикой уменьшения наклона (рис. 3). Напряжение привода в свою очередь определяет ток привода светодиода (i _L ), который пропорционален яркости светодиодов. Диммирование достигается путем сравнения сигнала V _DRIVE с внутренним генератором пилообразного сигнала, который, в свою очередь, генерирует импульсную последовательность PWM. (Поскольку не всегда возможно термически соединять светодиодный драйвер со светодиодом, ILD6070 можно использовать в обычной конфигурации с термистором NTC, сохраняя при этом преимущество характеристики уменьшения наклона.) ^[3]

Рисунок 3: ILD6070 от Infineon Technologies измеряет температуру светодиода и устанавливает напряжение на входе в соответствии с зависимой от температуры характеристикой наклона. 

Дизайнер может установить пороговую температуру соединения светодиодов (которая является точкой, когда начинается ограничение тока), используя внешний резистор по клеммам T _adj и GND ILD6070 . Это имеет то преимущество, что позволяет разработчику торговать негативными эффектами высокой температуры перехода от стоимости и размера системы. Установив пороговую температуру относительно низко, светодиоды продлятся дольше, но система потребует большего радиатора, чтобы обеспечить быстрое рассеивание тепла, так что прибор не будет повторно вводить диапазон ограничения тока в нормальных рабочих условиях. На рисунке 4 показано влияние различных значений резисторов на выходной выходной цикл ILD6070 (и, следовательно, его выходной ток).

Рисунок 4: Триггерная точка операции ограничения тока ILD6070 может быть изменена путем выбора другого значения сопротивления.   

Защитная сетка с перегревом

Пассивное тепловое управление будет и впредь играть ключевую роль в разработке SSL. Дизайнеры должны обеспечить, чтобы тепло, выделяемое светодиодом, рассеивалось через прибор, используя светодиоды и подложки с низким тепловым сопротивлением и радиатор достаточной мощности для отвода тепла в окружающую среду при всех ожидаемых условиях эксплуатации.

Когда активный температурный контроль вступает в игру, возникает непредвиденное событие, такое как отказ компонента или очень высокая температура окружающей среды. Такие условия могут термически напрягать светодиод и значительно сокращать его срок службы. В худшем случае термический стресс может привести к катастрофическому сбою. Использование контура обратной связи с температурным датчиком, который снижает ток возбуждения в случае чрезмерной температуры светодиода, устраняет термическую нагрузку и предотвращает отказ. Такая «защитная сетка» позволяет дизайнерам указывать более мелкие радиаторы с более низким коэффициентом безопасности и экономичности и безопасности – при условии, что условия перегрева будут поддерживаться активным контролем температуры.

Активный контроль температуры продолжает развиваться благодаря последним решениям светодиодных драйверов, которые предлагают упрощенные и гибкие решения для проектирования, устраняя внешний температурный датчик и позволяя дизайнеру выбирать температуру, с которой начинается ограничение тока.

Для получения дополнительной информации о деталях, обсуждаемых в этой статье, используйте ссылки для доступа к страницам продуктов

Рекомендации:

1. « Понимание анализа жизненного цикла светодиодов », технический документ Philips Lumileds.
2. « Thermal Foldback для CAT4101, светодиодное освещение» , «Замечание по применению полупроводников» AND9053 / D.
3. « Интеллектуальная защита от перегрева для приложений светодиодного освещения », Хакан Йилмазер и Бернд Пфлаум, технический документ Infineon Technologies, октябрь 2013 года.