Правильно ли мы понимаем характеристики мощных светодиодов?

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2011

Rudi Hechfellner, Steve Landau

Philips Lumileds

Предположим, из нескольких светодиодов различных производителей вы хотите выбрать лучший. На первый взгляд, кажется, что нет ничего проще: берите справочные данные, сравнивайте параметры, характеризующие светоотдачу, эффективность и стабильность светового потока, и принимайте решение. К сожалению, любая покупка или конструкторское решение, базирующиеся на таком поверхностном взгляде на числа, приведенные на первых страницах документов, без анализа того, как поведет себя светодиод в реальных условиях эксплуатации, могут привести к неудовлетворительным результатам и существенным бизнес-рискам. В этой статье описывается, как информацию, содержащуюся в справочных данных изготовителей, превратить в инструмент, с помощью которого вы сможете адекватно оценить поведение светодиода в вашем изделии.

Светодиодная лампа

Использование этого инструмента лучше всего проиллюстрировать примером. Давайте представим, что вы намерены сконструировать настольную лампу с максимально возможным световым потоком с источником света на основе одного светодиода. По истечении 50,000 часов работы светоотдача, в среднем, не должна уменьшиться более чем до 70% от уровня новой лампы. Наиболее важным моментом в этом проекте будет выбор производителя, чей светодиод наиболее подходит для решения поставленной задачи.

В этом примере сравниваются высокоэффективные светодиоды четырех изготовителей, обозначенных ИЗГ1…ИЗГ4. Используются только общедоступные источники справочных данных, предоставляемые изготовителями. Пример списка основных параметров для каждого прибора показан в Таблице 1.

Произвести непосредственное сравнение светодиодов на основании этих данных невозможно, т.к. изготовитель ИЗГ3 специфицирует характеристики для прямого тока 700 мА. Однако нужно помнить, что целью проекта является создание лампы, светоотдача которой должна оставаться максимально возможной через 50,000 часов эксплуатации. При токе 350 мА (указанном у остальных изготовителей) говорить о максимальной светоотдаче нельзя, поэтому будем сравнивать все четыре светодиода при токе 700 мА (Таблица 2).

С этой целью необходимо в справочных материалах на три светодиода найти графики нормализованной зависимости светового потока от прямого тока, типичный пример которых показан на Рисунке 1. Графики позволят определить светоотдачу при токах, отличающихся от указанных в спецификациях.

Рисунок 1.	График нормализованной зависимости светового потока от прямого тока.

Как мы можем теперь увидеть в Таблице 2, ИЗГ3 перестал быть лидером по светоотдаче, однако исключать его из списка претендентов еще рано, т.к. сравнение параметров должно выполняться при сопоставимых условиях, а вопросов реальной рабочей температуры мы пока не касались.

Для этого нам понадобятся графики зависимости параметров от температуры для приборов всех изготовителей. Прежде всего, мы должны задать условия, в которых будут работать наши светодиоды: температуру окружающей среды и тепловое сопротивление излучателя. Сделав скромное допущение, что светодиоды, имея небольшие теплоотводы, будут работать при окружающей температуре 25 °C, и перенеся данные из графиков в Таблицу 3, мы обнаружим поразительное отличие новой таблицы от Таблицы 2.

Первый интересный момент, который мы должны отметить, заключается в том, что прибор ИЗГ3 вообще не может использоваться при этих условиях. Из-за высокого теплового сопротивления светодиода температура его перехода поднимается до 141 °C, что превышает максимально допустимую температуру на 16 °C. Интересно посмотреть и на то, с какого уровня при этих условиях начинает падать светоотдача ИЗГ1.

Теперь у нас есть намного более реалистичная основа для сравнения приборов различных изготовителей. Но мы пока не учитывали еще одно требование: спад светоотдачи до 70% после 50,000 часов работы.

И вновь, мы должны обратиться к справочной информации и найти зависимости интенсивности излучения от времени. При этом необходимо внимательно смотреть, для каких условий приводятся данные (см. Таблицу 4). Для излучателя ИЗГ4 условия эксплуатации не противоречат требованиям по ресурсу: устройство способно проработать 50,000 часов при температуре перехода 135 °C. (В примере с настольной лампой светодиод реально работает при температуре 130 °C). Таким образом, теперь мы знаем, что новый светодиод ИЗГ4 обеспечит световой поток не менее 133 лм, а через 50,000 часов эксплуатации от того же светодиода можно будет получить пиковую светоотдачу не менее 70% от первоначальной.

Из Таблицы 4 видно, также, при каких условиях прибор ИЗГ2 может обеспечить 70% светоотдачи по истечении 50,000 часов: температура самого светодиода должна быть не более 85 °C. Но в нашем примере, при прямом токе через светодиод равном 700 мА, температура ИЗГ2 достигнет значительно большего уровня – 128 °C.

Несложные сравнения

Простейший способ сопоставить характеристики ИЗГ2 и остальных излучателей по достижении срока службы 50,000 часов заключается в снижении прямого тока до значения, при котором температура перехода равна 85 °C. Для этого следует уменьшить ток до 407 мА, и при таком токе интенсивность излучения составит всего 107 лм, против 133 лм у излучателя ИЗГ4 при прямом токе 700 мА. Дополнительно надо учесть, что распространенные драйверы светодиодов выпускаются только на токи 350 или 700 мА. Поскольку 407 мА – значение нестандартное, придется использовать собственный драйвер, что, скорее всего, увеличит стоимость решения.

Предварительный перечень необработанных характеристик и условий их измерения, которые приводятся в типичных справочных данных на светодиоды, и, отчасти, собраны в Таблице 1, не соответствует условиям эксплуатации в реальных осветительных приборах. Принять правильное решение по выбору светодиодов можно только путем внимательного анализа характеристик, при обязательном учете реальных условий их использования.