Wpływ temperatury na parametry użytkowe lamp HB-LED

Obecnie coraz popularniejsze w mieszkaniach, budynkach użyteczności publicznej oraz w przemyśle staje się oświetlenie HB-LED-owe (high brightness LED), w którym źródłem światła są złącza półprzewodnikowe. Od rozwoju technologii konstrukcji oraz produkcji lamp tego typu zależeć będzie, czy wskaźnik ich awaryjności będzie podobny, czy może większy lub mniejszy niż w przypadku świetlówek CFL.

Główne wskaźniki niezawodności HB-LED-ów

Podstawową informacją na temat oczekiwanej niezawodności HB-LED-ów, jaką można znaleźć w kartach katalogowych tych urządzeń, jest przewidywany czas świecenia. Wynosi on typowo 50, a nawet 100 tysięcy godzin. Nie jest to jednak do końca wiarygodny parametr, ponieważ diody z reguły nie przepalają się w sposób nagły jak żarówki, a raczej z upływem czasu ich wydajność świetlna stopniowo maleje.

Wówczas nawet jeżeli dioda wciąż świeci, może przestać spełniać swoją funkcję. Dlatego bardziej miarodajnym parametrem charakteryzującym trwałość diod jest czas, w którym producent gwarantuje, że wydajność świetlna nie spadnie poniżej na przykład 70% wartości początkowej. Z czasem może się też zmienić kolor światła emitowanego przez diodę.

W niektórych zastosowaniach może to mieć niewielkie znaczenie, w innych z kolei jest zjawiskiem bardzo niepożądanym. Na przykład w przypadku diod wykorzystywanych w zewnętrznym oświetleniu pojazdów zależy to od przepisów określających intensywność koloru lampy. Przeważnie dopuszczalne jest, by przykładowo barwa czerwonych lamp zmieniała się w większym stopniu niż tych o kolorze bursztynowym.

Wpływ temperatury złącza na pracę lamp ledowych

Czas świecenie, natężenie oraz kolor strumienia świetlnego LED-ów zależą przede wszystkim od temperatury złącza diody. Parametry te ulegają pogorszeniu, jeżeli wzrośnie ona powyżej dopuszczalnej maksymalnej wartości określonej dla danego komponentu. Na przykład strumień świetlny przy wzroście temperatury złącza o 50ºC może zmniejszyć się nawet o połowę.

Z kolei w przypadku koloru emitowanego światła długość fali promieniowania emitowanego przez diodę rośnie o 1nm przy wzroście temperatury złącza o każde kolejne 10ºC. Ponadto należy pamiętać, że LED-y zalewane są żywicą epoksydową. Jeżeli temperatura złącza lub wewnątrz oprawy lampy przekroczy określoną wartość progową, tzw. temperaturę zeszklenia, zmieniają się właściwości żywicy, a zwłaszcza jej rozszerzalność cieplna.

W takim wypadku obudowa łatwiej się odkształca. Jeżeli z kolei zmiany temperatury zachodzą często oraz gwałtownie, obudowa, która w efekcie naprzemiennie rozszerza się i kurczy, może popękać. Co gorsza, nawet gdy do widocznego uszkodzenia nie dojdzie, odkształcenia obudowy mogą spowodować przemieszczenie połączeń w obrębie struktury diody, a nawet ich przerwanie.

Wpływ temperatury w obudowie na sterowniki lamp

Wahania temperatury w obrębie obudowy wpływają też na komponenty sterowników LED-ów. Nadmiernie wysoka temperatura wewnątrz oprawy lampy LED powoduje na przykład przyspieszone starzenie się optoizolatorów oraz kondensatorów. Te ostatnie uważa się nawet za najsłabszy punkt oświetlenia SSL (solid state lighting).

Wiele jednak zależy od konstruktora - jeżeli dobierze je odpowiednio, mogą nie odbiegać pod względem żywotności od komponentów sąsiadujących. Ciepło, a zwłaszcza nagłe skoki temperatury, są też przyczyną osłabienia połączeń lutowanych, dlatego zaleca się, by w obrębie oprawy oświetleniowej występowało ich jak najmniej.

Niestety, aby ograniczyć liczbę połączeń lutowanych, wymagane jest zapewnienie dużego stopnia integracji, co jest osiągalne jedynie w drogich, specjalnie projektowanych oprawach. To z kolei stanowi barierę dla produkcji na masową skalę taniego oświetlenia ledowego, a tylko takie ma szansę stać się alternatywą dla tradycyjnych żarówek.

Jak zapobiegać przegrzewaniu HB-LED-ów?

Na temperaturę złącza diody wpływ mają głównie dwa czynniki: wahania temperatury w bezpośrednim otoczeniu diody oraz samonagrzewanie się złącza, które następuje w wyniku wydzielania ciepła przy przepływie prądu. Konstruktor lampy ma wpływ głównie na pierwszy czynnik.

By go wyeliminować lub przynajmniej w znacznym stopniu ograniczyć, dodatkowe podgrzewanie złącza p-n, projektując lampę HB-LED m.in. należy dążyć do zmniejszenia ilości ciepła wydzielanego w obrębie oprawy lampy. W tym celu ze względu na ciepło wydzielane przez komponenty elektroniczne sterownika należy w miarę możliwości izolować go od samych diod.

Od LED-ów oddzielać należy szczególnie rezystory, a jeżeli nie jest to możliwe, trzeba rozmieszczać je w równych odstępach, co zapewni równomierny rozkład ciepła. Zaleca się też, by ścieżki łączące rezystory z metalizowanymi obszarami otaczającymi wyprowadzenia diody były możliwe najcieńsze. W ten sposób można dodatkowo zapobiec bezpośredniemu nagrzewaniu przez rezystory sąsiadujących z nimi diod.

Rozmieszczenie diod, radiatory

Temperatura w oprawie lampy wzrasta też z powodu ciepła wydzielanego przez same diody. W związku z tym podobnie jak w przypadku rezystorów należy dążyć do uzyskania jego równomiernego rozkładu oraz zapewnienia swobodnego przepływu powietrza umożliwiającego samoistne chłodzenie konwekcyjne nagrzewających się komponentów.

Uzyskać to można, rozmieszczając LED-y w możliwe największych odstępach, na jakie tylko pozwalają ograniczenia wynikające z rozmiaru obudowy oraz właściwości optycznych. Obniżyć temperaturę wewnątrz obudowy można też, montując radiator.

Efektywność tego komponentu można poprawić, zwiększając przewodność cieplną między nim i diodą. Istotne jest też, odpowiednie ustawienie radiatora. Należy umieścić go tak, aby elementy lampy nie blokowały przepływu powietrznych prądów konwekcyjnych, co ograniczałoby możliwości chłodzenia.

Monika Jaworowska