опис
Перш за все, слід віддати належне величезній різноманітності, відмінному дизайну, простоті, продуманості і низькою ціною виробів промисловості Піднебесної. Великий асортимент створених в Китаї промислових світлодіодних світильників тепер доступний на ринку СНД. Крім того, пропонується чимало світильників місцевого складання, але створених з китайських «конструкторів». Практично вся ця продукція визначається постачальниками як вкрай надійна, що працює в найскладніших кліматичних умовах, в широкому діапазоні живлячої напруги і, найчастіше, майже в астрономічному діапазоні температур.
Закономірним є питання, наскільки можна довіряти заявленим характеристикам і чи отримає підприємство, що використовує такі світильники, очікувану економію?
У нашій компанії була проведена велика робота по розробці, виготовленню та випробуванням світильників з модульними світлодіодами COB (Chip on Board - кристал на підкладці, читається КОБ). Основне завдання при цьому - визначення температурних режимів, що забезпечують тривалу експлуатацію в діапазоні впливу навколишнього середовища, які встановлені технічними умовами. Був розроблений математичний апарат розрахунку радіаторів охолодження. Температури готових виробів замірялися контактними і безконтактними вимірювачами, в тому числі тепловізором Fluke.
Зробимо невеликий відступ, щоб пояснити значимість температурних режимів для роботи освітлювальних світлодіодів.
На моделі десятіваттного світлодіодного модуля білого світла (Рис. 1) показано основні складові. Випромінюють синє світло кристали розміщуються на масивної, зазвичай мідної з покриттям сріблом, підкладці і залиті колоїдним розчином жовтого люмінофора. У світильнику модуль через тонкий шар теплопроводящей пасти монтується на радіаторі, розсіюється тепло в навколишнє середовище.
Мал. 1. Модель 10-ти ватного світлодіодного модуля.
Максимальна вказується розробниками неруйнівного температура функціонування кристалів зазвичай не перевищує 135 ° C. Але нагрів призводить до деградації структури напівпровідників і поступового зниження світлового потоку. Для збереження більшої частини потоку при тривалій експлуатації температура кристалів повинна бути багато нижче.
Так як безпосереднє вимірювання температури кристалів утруднено, прийнято нормувати температуру підкладки, з огляду на тепловий опір кристал-підкладка. Перепад температур між кристалами і підкладкою змінюється в залежності від потужності модуля, режимів охолодження і зовнішніх умов. В середньому перепад температур складає приблизно 20 ° C.
На Рис. 2 наведено графік працездатності світлодіодних модулів в залежності від робочої температури за даними тайванської компанії «Huey Jann Electronics Industry», що спеціалізується на випуску світлодіодних модулів COB. Збереження 70% світлового потоку після 50 тис. Годин експлуатації можливо, якщо температура підкладки складає не більше 60 ° C, а температура кристалів, відповідно, не перевищує 80 ° C.
Яким повинен бути охолоджувач, що забезпечує такий режим роботи? Мова, перш за все, про пасивних радіаторах, що розсіюють тепло за рахунок природної конвекції повітря і випромінювання.
На тепловідвід впливає багато факторів. Велике значення має температура навколишнього середовища. Але також важливі орієнтація радіатора в просторі, конфігурація, матеріал і властивості поверхні радіатора і багато іншого. Всі ці параметри будуть розглянуті в іншій раз. Поки обмежимося оцінкою розмірів радіатора щодо температури навколишнього середовища.
Мал. 2. Залежність працездатності світлодіодних модулів від температури.
Один з часто вживаних в китайських світильниках радіаторів показаний на малюнку 3. Такі охолоджувачі зазвичай поставляють зі світлодіодними модулями від 30 до 150 Вт. Висота радіатора при установці 50-ти ватного модуля - 100 мм, площа поверхні 3480 см2. Такі параметри даються більшістю виробників світильників і рекомендуються виробниками самих радіаторів.
Мал. 3. Екструдований алюмінієвий радіатор діаметром 160 мм.
Розрахунки показують, що на цьому радіаторі при 50-ти ватної навантаженні і температурі навколишнього середовища 40 ° C в найбільш сприятливому випадку температура підкладки досягне 100 ° C. Світильник буде працювати деякий час, але швидке зменшення світлового потоку зведе нанівець всі переваги світлодіодного освітлення. Забезпечити нормовані 50 тис. Годин роботи можливо тільки в умовах температури навколишнього середовища не вище 10-15 ° C. Очевидно, що такий режим експлуатації неприйнятний. Ще гірше йдуть справи з розсіюванням більшої потужності, так як рекомендуються і поставляються радіатори з меншим співвідношенням площі поверхні на ват відводиться потужності.
Світильники з великою кількістю малопотужних світлодіодів поверхневого монтажу тут не розглядаються. Їх застосування набагато важливіше не в промисловому, а в офісному або побутовому додатку. Можна тільки відзначити, що хоча вони мають дещо інші характеристики, проблеми тепловідведення і експлуатації на граничних температурах присутні і там, і часто в набагато більшому ступені.
Проблема високої експлуатаційної температури кристалів світлодіодів в освітлювальної техніки не залишилася непоміченою виробниками. Пропонується досить багато інших варіантів охолоджувачів, але практично завжди фінансова вигода переважає над показниками надійності.
На жаль, гранична економія на матеріалах у виробах китайської промисловості не обійшла стороною і область промислового освітлення. У споживача залишається право критично ставиться до пропонованої продукції і вимагати від постачальників обгрунтовані характеристики того чи іншого світлодіодного світильника.
Наше підприємство при розробці елементів охолодження виходило з вимог технічних умов, за якими максимальне значення температури навколишнього середовища 40 ° C не повинно впливати на працездатність і термін служби світильника.
Розраховані згідно з цими вимогами радіатори для 50 Вт потужності, що підводиться повинні мати охолоджувальну поверхню близько 21000 см2. Це майже в шість разів більше, ніж у китайських аналогів. Менша площа призводить до підвищення температури кристалів і скорочення терміну служби. Зокрема, на одному з дослідних зразків світильника з світлодіодом потужністю 50 Вт фірми «Edison», розміщеному на радіаторі площею 9000 см2, заміри температури показали наступну картину (Рис. 4). На малюнку вказана температура в градусах Цельсія. Максимальна температура кристалів при цьому вимірі 89,8 ° C, температура підкладки 60 ° C, температура навколишнього середовища під час вимірювання 22 ° C. І хоча цей режим можна визнати допустимим, будь-яке зростання температури навколишнього повітря або погіршення умов конвекції можуть привести до прискореного зниження світлового потоку.
Мал. 4. Зображення світлодіода 50 Вт, зроблене тепловізором Fluke.
Таким чином, слід дуже уважно ставитися до імпортної світлодіодної освітлювальної техніки з точки зору заявлених параметрів довговічності і умов функціонування, якщо від неї очікується суттєва економія ресурсів, як в плані зменшення енергоспоживання, так і в плані тривалого терміну експлуатації.
КОНСУЛЬТАЦІЯ ПО ОБЛАДНАННЮ Закономірним є питання, наскільки можна довіряти заявленим характеристикам і чи отримає підприємство, що використовує такі світильники, очікувану економію?Яким повинен бути охолоджувач, що забезпечує такий режим роботи?