до какой температуры нагревается светодиодная лампа
Замер рабочей температуры светодиодных ламп H4 CL1.
Здравствуйте, дорогие читатели. Сегодня снова пойдет речь о температурном тесте светодиодных ламп.
Сегодня у нас снова на тесте лампы серии CL1, но на этот раз в цоколе H4.
Ну что же, приступим. Помещаем эти лампы в коробку и оставляем на 30 минут хорошенько прогреться.
Ну что же, лампы хорошенько прогрелись и можно устраивать замеры. Помещаем нашего подопытного вот таким способом:
Замеряем температуру радиатора:
75 градусов ровно — весьма достойный показатель. Ну что же, идем дальше и замеряем торец лампы, помещая её вот таким образом:
Меряем, получаем 76,1 градус Цельсия:
Возвращаем нашего подопытного в коробку и оставляем еще на 30 минут, что бы он не расслаблялся и не думал остыть 🙂
По прошествии времени достаем и начинаем замерять температуру радиатора, в непосредственной близости к плате с диодами. Меряем, пирометр показывает 34 градуса. Так, что-то маловато… Заставляем, нет, вежливо просим 🙂 нашего сотрудника дотронуться до исследуемого участка лампы. Там явно не 34 градуса. Ок, начинаем изменять коэффициент излучения на пирометре – без успешно. Все равно температуру выше 40 градусов не показывает.
Дело в том, что на лампе блестящее покрытие, из-за которого и происходит потеря точности измерений. Берем пару полосок полярного скотча и наклеиваем на исследуемую поверхность:
Оставляем лампу на 1,5 часа в нашей коробочке, что бы уж точно все хорошенько прогрелось.
И вот наконец закончилось томительное ожидание, можно наконец замерять температуру.
С начала непосредственно радиатор рядом с печатной платой:
Ох и раскочегарили мы её – 93,2. Это допустимая температура, для диодов.
Далее замеряем температуру печатной платы:
Здесь уже не так горячо – 90,7 градусов Цельсия. Собственно, это является комфортной рабочей температурой для данных диодов.
Теперь посмотрим как производителю удалось добиться этого. Разбираем лампу:
Как видно – радиатор состоит из двух частей. Первая отводит тепло от диодов, далее, через термопасту соединяется с основной частью радиатора, которая производит теплообмен с окружающей средой. Так же, элементы светодиодного «драйвера», которые нуждаются в охлаждении, тщательно промазаны термопастой, для отвода тепла.
Как показал результат теста – светодиодные лампы H4 CL1 имеют отличную продуманную систему охлаждения. Производитель позаботился о надежности светодиодных ламп. Мы проводили тест в максимально «жестких» условиях. Лампа продолжительное время работала в замкнутом не вентилируемом пространстве и не нагрелась до критического уровня. В реальных условиях все штатные фары автомобилей имеют систему вентиляции, что будет способствовать еще лучшему отводу тепла от лампы.
Приобрести данные лампы можно в нашем магазине:
carsled.ru/led/product/led_385.html
Так же, в нашем магазине вы можете подобрать лампы для своего автомобиля:
carsled.ru/
У нас есть подбор светодиодных ламп по марке и модели авто, а если у вас будут вопросы, то вы всегда можете связаться с нашими менеджерами.
Показатели температурной надёжности светодиодных светильников
Осторожно! Сделано в Китае
Прежде всего, следует отдать должное огромному разнообразию, отличному дизайну, простоте, продуманности и низкой цене изделий промышленности Поднебесной. Большой ассортимент созданных в Китае промышленных светодиодных светильников теперь доступен на рынке СНГ. Кроме того, предлагается немало светильников местной сборки, но созданных из китайских «конструкторов». Практически вся эта продукция определяется поставщиками как крайне надежная, работающая в самых сложных климатических условиях, в широком диапазоне питающих напряжений и, зачастую, почти в астрономическом диапазоне температур.
Закономерен вопрос, насколько можно доверять заявленным характеристикам и получит ли предприятие, использующее такие светильники, ожидаемую экономию?
В нашей компании была проведена большая работа по разработке, изготовлению и испытаниям светильников с модульными светодиодами COB (Chip on Board – кристалл на подложке, читается КОБ). Основная задача при этом – определение температурных режимов, обеспечивающих длительную эксплуатацию в диапазоне воздействия окружающей среды, которые установлены техническими условиями. Был разработан математический аппарат расчета радиаторов охлаждения. Температуры готовых изделий замерялись контактными и бесконтактными измерителями, в том числе тепловизором Fluke.
Сделаем небольшое отступление, чтобы пояснить значимость температурных режимов для работы осветительных светодиодов.
На модели десятиваттного светодиодного модуля белого света (Рис. 1) показаны основные составляющие. Излучающие синий свет кристаллы размещаются на массивной, обычно медной с покрытием серебром, подложке и залиты коллоидным раствором желтого люминофора. В светильнике модуль через тонкий слой теплопроводящей пасты монтируется на радиаторе, рассеивающем тепло в окружающую среду.
Рис. 1. Модель 10-ти ваттного светодиодного модуля
Максимальная указываемая разработчиками неразрушающая температура функционирования кристаллов обычно не превышает 135-150 °C. Но такой нагрев приводит к деградации структуры полупроводников и постепенному снижению светового потока. Для сохранения большей части потока при длительной эксплуатации температура кристаллов должна быть много ниже.
Так как непосредственное измерение температуры кристаллов затруднено, принято нормировать температуру подложки, учитывая тепловое сопротивление кристалл-подложка. Перепад температур между кристаллами и подложкой меняется в зависимости от мощности модуля, режимов охлаждения и внешних условий. В среднем перепад температур составляет примерно 20 °C.
На рисунке 2 приведен график работоспособности светодиодных модулей в зависимости от рабочей температуры по данным тайваньской компании «Huey Jann Electronics Industry», специализирующейся на выпуске светодиодных модулей COB. Сохранение 70% светового потока после 50 тыс. часов эксплуатации возможно, если температура подложки составляет не более 60 °C, а температура кристаллов, соответственно, не превышает 80 °C.
Каким должен быть охладитель, обеспечивающий такой режим работы? Речь, прежде всего, о пассивных радиаторах, рассеивающих тепло за счет естественной конвекции воздуха и излучения.
На теплоотвод влияет много факторов. Большое значение имеет температура окружающей среды. Но также важны ориентация радиатора в пространстве, конфигурация, материал и свойства поверхности радиатора и многое другое. Все эти параметры будут рассмотрены в другой раз. Пока ограничимся оценкой размеров радиатора относительно температуры окружающей среды.
Рис. 2. Зависимость работоспособности светодиодных модулей от температуры
Рис. 3. Экструдированный алюминиевый радиатор диаметром 160 мм
Расчеты показывают, что на этом радиаторе при 50-ти ваттной нагрузке и температуре окружающей среды 40 °C в наиболее благоприятном случае температура подложки достигнет 100 °C. Светильник будет работать некоторое время, но быстрое уменьшение светового потока сведет на нет все преимущества светодиодного освещения. Обеспечить нормируемые 50 тыс. часов работы возможно только в условиях температуры окружающей среды не выше 10-15 °C. Очевидно, что такой режим эксплуатации неприемлем. Еще хуже обстоят дела с рассеиванием большей мощности, так как рекомендуются и поставляются радиаторы с меньшим соотношением площади поверхности на ватт отводимой мощности.
Светильники с большим количеством маломощных светодиодов поверхностного монтажа здесь не рассматриваются. Их применение гораздо важнее не в промышленном, а в офисном или бытовом приложении. Можно только отметить, что хотя они имеют несколько иные характеристики, проблемы теплоотвода и эксплуатации на предельных температурах присутствуют и там, и зачастую в гораздо большей степени. Справедливости ради важно отметить, что по выкладкам компании-изготовителя осветительных светодиодов «Edison», требуемые для охлаждения площади могут быть меньше, чем при использовании светодиодных модулей. К сожалению, их расчеты слишком упрощены и не приводится подтверждающая информация из практики применения.
Проблема высокой эксплуатационной температуры кристаллов светодиодов в осветительной технике не осталась незамеченной изготовителями. Предлагается довольно много иных вариантов охладителей, но практически всегда финансовая выгода преобладает над показателями надежности.
Увы, предельная экономия на материалах в изделиях китайской промышленности не обошла стороной и область промышленного освещения. У потребителя остается право критически относится к предлагаемой продукции и требовать от поставщиков обоснованные характеристики того или иного светодиодного светильника.
Наше предприятие при разработке элементов охлаждения исходило из требований технических условий, по которым максимальное значение температуры окружающей среды 40 °C не должно влиять на работоспособность и срок службы светильника.
Рис. 4. Изображение светодиода 50 Вт, сделанное тепловизором Fluke
Таким образом, следует очень внимательно относиться к импортной светодиодной осветительной технике с точки зрения заявляемых параметров долговечности и условий функционирования, если от нее ожидается существенная экономия ресурсов, как в плане уменьшения энергопотребления, так и в плане длительного срока эксплуатации.
Нагреваются ли светодиодные лампы во время работы
Современные светодиодные лампы гарантируют высокий уровень освещенности и потребляют очень мало энергии. Достоинства осветителей бесспорны, но следует выяснить, нагреваются ли светодиодные лампочки в процессе длительной эксплуатации. Для этого потребуется разобраться с конструкцией приборов, после чего сделать соответствующие выводы о порядке пользования.
Особенности конструкции светодиодных ламп
Устройство светодиодной лампы
В основе конструкции изделий заложен принцип использования большого количества светодиодных чипов, размещенных на специальной теплоотводящей подложке. Все компоненты надежно укрыты под матовой светопроницаемой полусферой. Помимо основания, выполняющего функцию радиатора, в состав лампочки входят следующие обязательные узлы и элементы:
Чтобы ознакомиться с внутренними частями светодиодного осветительного прибора, потребуется полностью разобрать его, разделив полусферы колпака, скрепленные надежными защелками.
Откуда берется и куда расходуется тепловая энергия
Подобно большинству известных осветительных приборов, у светодиодных аналогов коэффициент преобразования энергии в полезную излучаемую мощность меньше 100 процентов – колеблется в пределах 30-40%. Причины этому скрыты в особенностях устройства и функционирования излучающих элементов этого класса. Чтобы разобраться, куда расходуется подавляющая часть энергии, следует ознакомиться с тонкостями происходящих внутри светодиодов преобразовательных процессов.
В основу их работы заложены физические принципы, сильно отличающиеся от тех процессов, что наблюдаются в люминесцентных или обычных лампах накаливания. LED лампочки не нагреваются в прямом смысле этого слова. Они не рассеивают тепловую энергию в окружающее пространство, так как расходуют ее на подогрев внутреннего кристалла излучателя.
Если целенаправленно не отводить тепло от полупроводникового перехода, кристалл элемента в определенных условиях рискует перегреться, а затем полностью выгореть. Поэтому приборы, входящие в состав мощных светодиодных изделий, нуждаются в специальном отводе тепла. Конструкцией LED светильников с размещенными в них отдельными лампочками предусматривается специальная подложка, выполняющая эту функцию. Такой прием позволяет с высокой степенью вероятности сохранить светодиоды в целостности и продлить время их службы.
Как сильно нагревается кристалл светодиодов
Обычно показатель температуры нагрева линзы у LED элементов, которые способны перегреться только из-за серьезной ошибки, не учитывается с той точностью, которая характерна для других осветителей. Объясняется это тем, что он зависит от целого ряда факторов. Важнейшие из них:
Среднее значение температуры в районе линзы лампочки колеблется в диапазоне от 65 до 70 градусов по стандартной шкале Цельсия.
Какая лампочка не нагревается
Светодиодная лампа на 15 Вт с цоколем Е14
Ламп, которые не продуцируют тепло, в природе не существует. Объясняется это физическим принципом формирования светового излучения. С точки зрения классической науки физики, любая лампочка представляет собой преобразователь электрической энергии в ее разновидность. При этом в световое излучение превращается не более 40 процентов забираемой от источника тока мощности. Ее остатки рассеиваются в виде тепла в окружающую среду тем больше, чем меньше КПД этого светового элемента.
В качестве примера рассматриваются и сравниваются три различных варианта:
Если рассматривать вопрос о тепловой отдаче ламп по их нагреву окружающего пространства – светодиоды не относятся к «холодным» светильникам, к которым в определенных ситуациях допускается прикасаться руками.
Достоинства щадящего температурного режима
Нагрев светодиодных ламп
Особенности отвода тепла от светодиодных ламп, не допускающие возможности нагреться ее рабочим частям выше 65-70 градусов, подчеркивают их преимущества перед другими излучающими изделиями. Отсутствие вредных для обитателей квартиры паров ртути, как это наблюдается в люминесцентных приборах, а также несравнимый с другими образцами осветителей срок службы превращают эти лампы в настоящий подарок для пользователя.
Достоинство светодиодных изделий состоит в том, что несмотря на внутренние потери тепла, они все равно гарантируют ощутимую экономию электроэнергии.
Светодиодные лампы лучше всего ведут себя в хорошо проветриваемых помещениях с искусственной (принудительной) вентиляцией. А ставить такие светильники в жарких и ограниченных по занимаемому пространству местах, не имеющих свободного доступа и циркуляции воздушных масс – значит подвергать изделия опасности.
Современные осветительные приборы, построенные на базе светодиодных ламп, относятся к категории относительно новой продукции, нуждающейся в постоянном контроле и доведении до кондиции. До тех пор, пока продолжается этот процесс – у каждого пользователя появляется возможность опробовать эту оригинальную новинку и испытать ее в различных режимах функционирования.
На вопросы о том, почему некоторая часть энергии ламп расходуется на тепло, и греются ли светодиодные лампы для дома, нельзя дать однозначного ответа. Все зависит от подхода к оценке процесса, который в этом случае в основном происходит внутри светодиодов и только отчасти распространяется на окружающее пространство.
Почему и как сильно нагреваются светодиодные лампы
Современные осветительные приборы заметно отличаются от привычных ламп накаливания по всем параметрам. Особенно заметна разница у светодиодных экземпляров, ставших наиболее популярными и востребованными благодаря удачному сочетанию свойств. Одним из преимуществ ЛЕД устройств считается практически полное отсутствие нагрева, но этого не подтверждает ни теория, ни практика. Рассмотрим, насколько сильно нагреваются светодиодные лампы, и откуда в них берутся излишки тепла.
Несколько слов о конструкции
Устройство светодиодной лампы значительно отличается от традиционных конструкций светильников. LED конструкции представляют собой полупроводниковые приборы, в которых происходит выработка света посредством рекомбинации электронов на границе p-n перехода. Источник света — кристалл, состоящий из трех сверхтонких пластин, образующих p-n-p переход. При контакте электрона с границей каждый раз появляется фотон света. Для получения ровного и стабильного излучения необходимо создавать максимально тонкий средний слой, способствующий возникновению туннельного эффекта. Один такой кристалл способен выдавать ограниченное количество светового потока, но при соединении нескольких элементов излучение заметно усиливается.
Каждая лампа содержит несколько кристаллов (чипов). Они устанавливаются на печатной плате, представляющей собой алюминиевую пластину. Плата крепится к радиатору, обеспечивающему отвод тепла от кристаллов. Внутри радиатора установлен драйвер — блок питания, преобразующий сетевые 220 В переменного тока в 12 В постоянного напряжения. Конструкция драйвера основана на ШИМ-модуляции, что позволяет сделать схему миниатюрной, умещающейся в колбе.
Между радиатором и цоколем устанавливается пластиковое основание из материала, обладающего высокими диэлектрическими показателями. Чипы и печатная плата накрыты прозрачным (чаще всего, матовым) пластиковым колпаком, защищающим чипы от механических воздействий. Большинство ЛЕД приборов изготавливают в традиционном формфакторе ламп накаливания, что позволяет устанавливать их в старые и привычные люстры.
Почему выделяется тепловая энергия
Если коротко, причиной выделения тепловой энергии является КПД лампы. Он находится в пределах 30-40%, именно такая часть затраченной энергии уходит на излучение света. Остальные 60-70% энергии идут на нагрев кристалла.
Выделение тепловой энергии является побочным эффектом от взаимодействия электронов с дырками в зоне p-n перехода. Причем, степень тепловыделения возрастает с увеличением мощности кристаллов. Если светильник состоит из большого количества чипов, то и греются они, соответственно, сильнее. Излишки тепла отрицательно влияют на состояние кристаллов — они выгорают, теряют яркость свечения и в конце концов перестают излучать свет.
Важно! Эффективность работы чипа зависит от состояния стенок слоев, составляющих p-n переход. Чем меньше они имеют изъянов — микроскопических ямок, выбоин, неровностей — тем больше возникнет фотонов. Каждая выбоина на поверхности полупроводника создает помеху правильному движению электрона. Вместо образования фотона света выделяется некоторое количество тепла. Отсюда можно сделать вывод о качестве чипа и лампы в целом — чем лучше отработана технология сборки кристаллов, тем ярче будет свечение и меньше нагрев.
Тепло от кристалла передается алюминиевой плате, которая, в свою очередь, отдает энергию радиатору. Это и дает некоторый нагрев, свойственный всем светодиодным осветительным приборам. Необходимо учитывать, что сравнивать температуры ЛЕД и ламп накаливания нецелесообразно, поскольку они работают на разном принципе. Для первых нагрев является следствием неудачного контакта электронов с границей p-n переходов, вторые работают на принципе свечения нагревающейся вольфрамовой нити. Это означает, что тепло светодиодов — побочный эффект, а для ламп накаливания это одно из условий функционирования. Чем массивнее радиатор и плотнее контакт с ним платы, тем эффективнее будет рассеиваться нагрев кристаллов ЛЕД устройства.
Какая температура нагрева считается нормальной
Говорить о норме нагрева светодиодных ламп сложно. Есть определенные пределы, которые принято считать рабочим диапазоном температуры ЛЕД конструкций — от 60° до 70°, хотя встречаются образцы с меньшим или большим нагревом. Показатели каждого вида светодиодов зависят от разных факторов:
Любая светодиодная лампа со временем теряет яркость свечения, или, как говорят, деградирует. Причиной этого явления считается перегрев всех чувствительных деталей. Важно, что проблемным узлом часто оказывается не чип, а другие элементы конструкции — например, детали драйвера. Нормой считается деградация в пределах 70%, большие показатели свидетельствуют о бракованной лампе или несоблюдении производителем требований технологии.
Примечательно, что разница рабочих температур двух светодиодов буквально в 5-10° вызовет ускорение деградации более нагретого прибора на 50-60%. Также необходимо знать, что существуют специальные модели светодиодных ламп, рабочая температура которых превышает 100°. Они используются в особых условиях и не продаются вместе с бытовыми типами светильников.
Есть ли лампочки, которые не нагреваются
Выбор лампы, которая гарантированно не перегреется и не доставит хлопот владельцу, является важной задачей. Если в квартире установлен натяжной потолок из ПВХ пленки, горячие поверхности светильников быстро выведут полотно из строя. Из всех существующих разновидностей светильников могут быть использованы только два типа:
Степень нагрева обоих видов ламп примерно одинакова и зависит от многих факторов. При этом, люминесцентные светильники греются преимущественно в районе цоколя, тогда как эпицентр нагрева светодиодных ламп находится в районе установки чипов, т.е. в центральной части колбы. Это обстоятельство, в сочетании с другими преимуществами, вывело ЛЕД лампы в уверенные лидеры среди всех альтернативных вариантов.
Интересно! Отыскать лампу, которая совершенно не нагревается, невозможно. Однако, можно выбрать светильник с наименьшим показателем рабочей температуры. Как правило, это лампы, изготовленные известными и надежными производителями, обычно из Европы. Стоимость таких приборов довольно высока, но и степень надежности гораздо выше, чем у продукции большинства китайских фирм.
Существуют филаментные светодиодныве конструкции, которые реалистично имитируют обычные лампы накаливания. Они нагреваются меньше — средняя температура колбы составляет 50—60°, что достигается с помощью заполнения корпуса специальными газами. Для тех пользователей, кому важно найти самые «холодные» светодиодные приборы, можно посоветовать использовать филаментные виды светодиодных ламп. Все остальные разновидности практически не отличаются друг от друга по степени нагрева. Изготовители не указывают значение рабочей температуры, поэтому рекомендовать определенные модели невозможно.
Основные выводы
Светодиодные лампы нагреваются во время работы, как и все остальные виды светильников. Однако, степень нагрева значительно ниже, чем у других конструкций. Она зависит от различных факторов:
Конструкций, совершенно не греющихся во время работы, не существует. КПД любого светильника наглядно демонстрирует соотношение светового потока и рассеивания приложенной энергии, которая рассеивается в виде тепла. Светодиодные приборы обычно греются до 60-70°, что не представляет пожарной опасности и не выводит из строя полотно натяжного потолка. Свое мнение о нагреве светодиодных ламп излагайте в комментариях.
Уместны ли светодиоды там, где жарко?
В современных условиях просто неудобно использовать в проектах освещения что-либо, кроме светодиодов — рискуешь прослыть ретроградом. Вот и ставят светодиодные светильники не только в прохладные кондиционируемые офисы, но и в литейные цеха, а то и в бани. И только печальный опыт эксплуатации способен научить некоторых потребителей, что светодиоды не любят высокие температуры. Неужели современные технологии так и не решили эту проблему?
Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор, который чувствителен к изменению температуры. При увеличении температуры происходит увеличение количества дефектов в кристаллической решетке, из-за чего падает КПД устройства. Выводы, через которые на светодиод подается питание, выполнены из металла. При повышении температуры увеличивается диффузия атомов металла в структуру полупроводника, что также ухудшает параметры светодиодов. Вот почему при увеличении температуры светодиода срок его службы снижается.
Используемые для освещения белые светодиоды имеют еще один «фактор риска». У них кристалл, дающий синее излучение, покрыт слоем люминофора, благодаря которому в итоге и получается белое свечение. При высоких температурах люминофор деградирует, что сопровождается не только снижением светового потока, но и изменением спектра, в частности, увеличением размера так называемого «синего пика» до опасных для здоровья значений.
Но каким образом определить температурный предел, до которого можно эксплуатировать светодиоды и светильники на их основе?
Температура внутри и снаружи
Заглянув в технические данные современного светодиода, вы обнаружите, что он, как правило, способен работать при температуре до +125°C. Для более дорогих и продвинутых моделей светодиодов верхний предел простирается еще выше. В то же время температура в русской бане не поднимается выше +70°C, в финской сауне — выше +110°С. В рабочей зоне литейного цеха температура в реальности не более +37,4°C. Правда, светильники устанавливаются там под потолком, где температура может достигать +60°С, но, все-равно, она значительно ниже предельно допустимой. Казалось бы, нет никаких проблем для внедрения светодиодов. Но это только на первый взгляд.
Галогенные лампы с цоколем G9 до сих пор разрешены в Евросоюзе
В технических данных на светодиод указываются номинальное и максимально допустимое значения температуры p-n-перехода. Если отбросить технические подробности, то этот показатель означает температуру внутри кристалла светодиода. Под максимально допустимой подразумевается такая температура, выше которой светодиод очень быстро выйдет из строя. Для номинальной температуры p-n-перехода производитель нормирует основные технические параметры. При более низких температурах, чем номинальная, светодиоды показывают характеристики лучше заявленных. При более высоких — резко уменьшается срок службы и падает энергоэффективность. У самых современных светодиодов значение номинальной температуры p-n-перехода составляет 85°C. То есть в финскую сауну светодиодные светильники точно поставить невозможно.
На интуитивном уровне можно вывести правило: внутри светодиода температура выше, чем на внешней поверхности его корпуса. В свою очередь, внешняя поверхность корпуса светильника нагревается до меньшей температуры, чем внешняя поверхность корпуса светодиода. Но как это можно описать в виде формул?
Для определения срока службы светодиодов полный прогон на протяжении заявленного времени не применяется, так как за 50 000 часов (более 5 лет) испытываемая модель светодиода просто устареет. Опытные образцы тестируются за более короткие сроки (порядка 2000 часов) при повышенной температуре, далее определяется степень деградации, исходя из которой по специальным формулам вычисляется срок службы при номинальной температуре.
Тепловое сопротивление
Отвод тепла от светодиода с помощью пассивной системы подчиняется закону теплопроводности Фурье: в установившемся режиме поток энергии, передающийся посредством теплопроводности, прямо пропорционален градиенту температуры T на единице пути x этого потока со знаком «минус». В рассматриваемом случае поток энергии равен мощности P, рассеиваемой светодиодом:
где λ — коэффициент теплопроводности материала.
Для практических целей удобно пользоваться понятием теплового сопротивления Rt. Тепловое сопротивление между двумя точками определяется как отношение разницы температур между ними к проходящему между ними тепловому потоку, в нашем случае — выделяемой светодиодом мощности:
Если мы имеем дело с однородной средой, то этот показатель связан с λ следующим соотношением:
где h — толщина слоя материала, через который проходит поток тепловой энергии, а S — площадь теплообмена.
Тепловое сопротивление в системе СИ выражается в кельвинах на ватт (K/Вт). Но поскольку в формуле (2) используется только разность двух температур, а
T, выраженные в K и °C численно равны, для инженерных целей используется также размерность °C/Вт.
Большинство правил, действующих для электрического сопротивления, точно так же действуют и для теплового сопротивления. В частности, при прохождении потока тепловой энергии через несколько элементов конструкции светильника их тепловые сопротивления суммируются. Исходя из (3), можно составить уравнение:
где Rd — тепловое сопротивление между p-n-пере-ходом и контактной площадкой корпуса светодиода, Rl — тепловое сопротивление между контактной площадкой корпуса светодиода и окружающей средой (включает в себя, при наличии, тепловое сопротивление монтажной платы, термопасты и радиатора), Tj — температура p-n-перехода светодиода, Tout — температура окружающей среды.
Отсюда следует, что значение температуры окружающей среды, при котором температура p-n-перехода будет иметь заданное значение, составит:
Устойчивость драйвера к высокой температуре
Надежность светодиодного светильника определяется не только источником света, но и драйвером. Современной тенденцией является использование в драйверах транзисторов на основе GaN. Максимальная температура p-n-перехода для них составляет около 200°C. Поскольку в современных драйверах транзисторы работают в ключевом режиме, характеризующемся минимальным нагревом, продолжительная работа GaN транзисторов при температуре окружающей среды около +70°C вполне возможна.
Наиболее уязвимыми элементами драйвера являются электролитические конденсаторы.
Теплоотвод для светодиодов, в котором используются трубки, заполненные жидкостью.
Для заводского цеха вполне нормально, но в тесной парилке такой не поставишь
Поскольку они практически не выделяют тепла, то будут работать при температуре окружающей среды. Для современных электролитических конденсаторов номинальной температурой является +85°C. То есть современный уровень развития технологий позволяет создать драйвер для светодиодного светильника, который может работать в русской бане или в литейном цеху. Но способны ли выдержать такие условия светодиоды?
Оценка для лучшего типа светодиодов
Для того, чтобы дать оценку верхнего предела температуры окружающей среды, при которой может работать светильник, оснащенный пассивным радиатором, рассмотрим конструкцию на основе одного светодиода, специально предназначенного для работы в сложных условиях. Выберем один из самых современных светодиодов Cree Xlamp XP-L2. Его отличительными особенностями являются номинальная температура p-n-перехода +85°С и малое тепловое сопротивление между p-n-переходом и контактной площадкой — всего 2,2°C/Вт.
Если вам предлагают приобрести светодиодные светильники, предназначенные для установки внутри сауны, это, скорее всего, обман. Современные светодиоды не могут стабильно работать при температуре, характерной для сауны.
При токе, протекающем через светодиод, 1 А, падение напряжения на нем составляет около 3 В. То есть светодиод в нормальном режиме работы потребляет мощность 1 A х 3 В = 3 Вт. Световой поток в таком режиме будет составлять около 500 лм. КПД данного светодиода составляет около 40%, отсюда следует, что примерно 60% потребляемой энергии уходит в нагрев устройства. Но компания Cree рекомендует при расчетах теплоотвода в светильниках на основе данной серии светодиодов принять, что в нагрев уходит 75% потребляемой мощности, тем самым обеспечивается необходимый «запас прочности». Таким образом, светодиод рассеивает мощность, равную 0,75 х 3 Вт = 2,25 Вт.
Конструкция светодиода Cree Xlamp XP-L2 требует установки его на монтажную плату, которая, в свою очередь, крепится к теплоотводу. Минимальное значение теплового сопротивления платы на металлической основе с конструкцией, рекомендованной Cree, составляет 3,5°C/Вт. Тепловое сопротивление термопасты примем за 1°C/Вт.
Запрет на галогенные лампы в Евросоюзе относится главным образом к лампам с цоколями E14 и E27 и GU10. Галогенные лампы с цоколем G9 до сих пор разрешены, что позволяет финнам париться в сауне с искусственным освещением, а китайским производителям — выпускать для них светильники с соответствующими патронами. Под запрет также не попадают галогенные лампы, питающиеся от сети через понижающий трансформатор, а именно они должны использоваться по нормам во влажных условиях русской бани. В общем, еврочиновники не обидели своим запретом любителей попариться.
Используем в данной конструкции один из лучших радиаторов в своем классе MechaTronics CoolStar Black 8630 с тепловым сопротивлением 2,1°C/Вт. Получаем Rl = 3,5°C/Вт + 1°C/Вт + 2,1°C/Вт = 6,6°C/Вт. Подставляя данные в формулу (5), получаем, что температура p-n-перехода не превысит номинального значения +85°C, если Tout не превысит 65°C. Разница между температурой p-n-перехода и окружающей средой составит не менее 20°C.
Из этого следует, что такой светильник может использоваться в горячих цехах на производстве.
В русской бане возможно применение светодиодного освещения,
но дорогостоящие светильники не окупятся за счет экономии электроэнергии
В русской бане температура p-n-перехода составит более +90°C, что приведет к уменьшению срока службы светодиода и падению его энергоэффективности. Наконец, в финской сауне температура p-n-перехода составит +130°C, что означает практически мгновенный выход светодиода из строя.
Несколько улучшить тепловые показатели можно, заменив простой радиатор на систему охлаждения с трубками, заполненными специальной жидкостью. Ее тепловая температура составляет около 0,5°C/Вт. Тогда Rl = 5°C/Вт. Согласно формуле, Tout не должна превышать +69°C. Да, если все идеально изготовлено, то такой светильник можно и поставить, с некоторым допущением, в русскую баню. Только вот стоимость его будет настолько велика, что никогда не окупится выигрыш от замены галогенных ламп на светодиоды. А вот на производстве снижение температуры p-n-перехода даже на несколько градусов позволяет получить ощутимую выгоду за счет увеличения срока службы и повышения энергоэффективности светильника.
Выводы
Современные светодиоды и драйверы, специально разработанные для использования при высоких температурах, позволяют создавать светодиодные светильники, надежно работающие на производстве в горячих цехах при условии, что температура в месте их установки не превышает +60°C.
Использование светодиодных светильников в русской бане в случае применения теплоотвода с трубками, заполненными жидкостью, возможно, но с точки зрения экономии в настоящее время нецелесообразно.
Применение светодиодов для внутреннего освещения в финской сауне недопустимо.
Для того, чтобы правильно выбрать светодиодный светильник для работы в условиях высоких температур, следует ознакомиться с техническими характеристиками применяемых в нем светодиодов и драйвера. Их параметры должны нормироваться при высокой температуре (около +85°C). Без этих данных высокая предельная температура ничего не означает, поскольку при приближении к ней технические характеристики могут значительно снижаться.
И, самое главное, помните, что применение именно светодиодов не может быть самоцелью. В том случае, если температура в освещаемом помещении слишком высока для нормальной работы светодиодов, применение традиционных источников света (например, галогенных ламп) оказывается более выгодным.
Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок» № 3 май-июнь 2019