ТОЧКА ОПОРЫ - световые решения, проекты освещения
 

События
Влияние величины прямого тока и температуры p-n-перехода в кристалле на срок службы неорганических светодиодов


[Журнал “Licht”, 2011, №11/12, с.76-80 – Gefärliche Mischung. Wirkungen von Strom und Temperatur auf die LED-Lebensdauer. Авторы статьи: проф., докт. Tran Quoc Khan; асп. Trinh Quang Vinh, Кафедра светотехники Технического университета (Дармштадт, Германия)]

Введение.
Сегодня на рынке уже имеются мощные белые светодиоды (СД), световая отдача которых (ηv) превышает 100 лм /Вт при типовых реальных условиях – прямой ток i = 350 мА и температура запорного слоя (p-n-перехода) tJ = 60°С.

По данным [1], у холодно-белых СД (Тц=5000 К) ηv=135 лм/Вт, у тёпло-белых (Тц=2700 К) – ηv=105 лм/Вт. Таким образом, по величине ηv белые СД становятся в один ряд с такими высокоэкономичными источниками света, как, например, натриевые лампы (освещение улиц) и люминесцентные лампы нового поколения типа Т16 (Т5). Очевидна также и дальнейшая тенденция к росту ηv у СД для целей освещения.

Весьма отрадно также, что, как показывают измерения [1], целый ряд типов СД с Тц=2700-3000 К и 4000-5000 К отличаются очень хорошей цветопередачей.
Таким образом, со светотехнической точки зрения, теперь на базе СД возможно создание качественных осветительных приборов – с высокой ηv и качественной цветопередачей.
Однако, пока еще имеется ряд факторов, замедляющих интенсивное внедрение СД-продуктов в практику освещения: это, прежде всего, цена СД и плохо прогнозируемый их реальный срок службы (τсд) при работе в светильниках.

Последний из названных факторов должен стать очень важной задачей для изготовителей СД, производителей светильников и других осветительных приборов. Следует чётко представлять себе, что путь к получению достоверных данных о реальных величинах полезного τсд – это весьма длительный процесс.

Поэтому сейчас абсолютно обязательными являются практические и лабораторные исследования этой проблемы и тщательный анализ данных о величине τсд белых и некоторых типах цветных СД.
Необходимо признать, что только очень небольшое число игроков рынка светодиодных технологий и исследовательских структур обладают сегодня надёжными данными о величине τсд.
Одни из них исследуют τсд как критерий надёжности оптоэлектронного прибора, другие подходят более комплексно: светильник со СД рассматривается и анализируется как сложная система, состоящая из излучающего кристалла, оптических элементов, электронной схемы, механических компонентов.

Весьма вероятно, что в том или ином случае оптические и электронные элементы системы могут быть более нестабильны и менее надёжны, чем сам СД-чип, и тогда именно они будут определять срок службы светильника или модуля.

В этой работе, посвященной изучению влияния токовых нагрузок и температуры нагрева на τсд и использующей результаты, полученные в собственной лаборатории (Дармштадский Технический университет), авторы попытались ответить на следующие вопросы:

  • насколько сильно влияние силы прямого i и температуры кристалла tJ на τсд (с тёпло-белым, холодно-белым и красным излучением)?
  • каков механизм старения СД (деградации излучающего кристалла)?
  • какие негативные последствия могут возникнуть при наличии в одном модуле или светильнике СД с различным цветом излучения?

Основы теплопроводности
Как известно, передача тепла от нагретого тела осуществляется за счет трёх физических процессов: излучения, конвенции и теплопроводности.



Рис. 1. Теплопроводность на примере плоскопараллельного тела


Причем последний из названных процессов является доминирующим фактором влияния на тепловой режим СД.
Под теплопроводностью понимается перенос тепла за счет разницы температур в нагретом твёрдом теле или в спокойной жидкости.
В соответствии со вторым законом термодинамики тепло переходит от более нагретой части тела к менее нагретой, причём по закону сохранения энергии потерь тепла не возникает.


Закон теплопроводности Фурье:

Pт = λт·А·(t1 – t2)/d (1)

где:
Pт – тепловая мощность, Вт;
λт – теплопроводность, Вт/(м·град);
А – площадь поверхности, проводящей тепло;
t1 – температура наиболее нагретой части;
t2 – температура наиболее холодной части;
d – толщина теплопроводящего тела.
Δt = t1 - t2

Тепловое сопротивление при этом определяется как

Rт = d/(λт∙А) = Δt/Pт (2)

Коэффициент теплопроводности λт определяет способность материалов (алюминий, медь, керамика и др.) проводить тепло. Величина λт для керамических элементов охлаждения – 180 Вт/(м·К), для алюминия – 237 Вт/(м·К), для меди – 380 Вт/(м·К), для алмаза – 2300 Вт/(м·К), для углеволокна – 6000 Вт/(м·К).

Температурные зависимости приводятся в настоящей статье по результатам лабораторных измерений.

Тепловое сопротивление светодиодной системы определяется комбинацией Rт ее отдельных компонентов: чипа (кристалла с контактными выводами, подложки, первичного узла теплоотвода, теплопроводной мастики, печатной платы и основного узла охлаждения).

Сегодня на практике для характеристики теплового режима СД используют величину температуры p-n-перехода (tJ – junction temperature), также как и температуру теплового сенсора (теплочувствительного элемента). Он располагается в определенном месте модуля (например, непосредственно под кристаллом СД, на печатной плате, в блоке теплоотвода).
Таким образом, можно определить:

  • Rт всего модуля, если известна величина tJ [соответствует t1 в формуле (1)] и температура сенсора tс [(соответствует t2 в формуле (1)];
  • тепловую мощность Pт.

Базовый анализ
При измерениях в лаборатории Технического университета Дармштадта применялся активно темперируемый держатель с элементом Пельтье (рис.2).



Рис.2. Светодиодный узел с элементом Пельтье и активно регулируемой температурой:
1 – светодиод;
2 – печатная плата с металлическим керном, служащим для эффективного и быстрого отвода тепла от кристалла;
3 – температурный сенсор;
4 – теплопоглотитель;
5 – элемент Пельтье (термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока);
6 – охлаждающее тело;
7 – вентилятор.




Температурный сенсор монтировался непосредственно под монтажной платой СД и его tс использовалась для управления температурным контроллером. Можно было изменять tс от 10 до 90°С с точностью до 0,1К.
Этот темперированный модуль располагался в отверстии фотометрической сферы (рис.3), которая была спектрофометрически отградуирована в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм. Так измерялась в абсолютных единицах мощность оптического излучения (Ропт).



Благодаря 4-проводной технологии измерялся прямой ток СД и прямое напряжение.
Разница между электрической мощностью Рэл и Ропт определяет тепловую мощность:

Pт = Рэл Ропт (3)

В соответствии со сделанными здесь выводами становятся известными величины Pт и tс = t2.

До последнего времени температура p-n-перехода – tJ в кристалле напрямую измерена быть не могла. Однако в последние годы были разработаны несколько методик для точного измерения этой температуры, в том числе и авторами этой работы [3, 4]. В процессе описываемых измерений по этому методу и были измерены величины tJ [3].
Соответственно, они стали известны для каждого СД и в каждой точке измерения.

До сих пор было невозможно достоверно установить соотношение между сроком службы СД – τсд и температурой p-n-перехода tJ. По сведениям, имевшимся у авторов, использовались только методы прогнозного моделирования.



На рис.4 приводятся такие кривые временного спада светового потока (Фсд, %) для четырёх значений tJ (55, 80, 100 и 125°С) по данным фирмы Seoul Semiconductor.
В контексте настоящей работы τсд оценивался тем суммарным временем наработки, по истечении которого Фсд снижался на 30%, т.е. до уровня 70% относительно первоначального максимума.



Аппроксимированная кривая на рис.5 математически иллюстрирует зависимость τсд = f (tJ); она построена с учётом четырёх кривых на рис.4 при дополнительной и достоверной предпосылке, что при tJ = 150°С происходит мгновенное разрушение СД (τсд = 0 ч при tJ = 150°С).


Результаты
В рамках наших исследований были измерены и проанализированы по 4 шт. СД с Тц= 2700 К и 5000 К, причём tJ, tс = t2, Рэл и Ропт измерялись при различной токовой нагрузке – от 10 до 1000 мА.
Усреднённые данные по четырём СД приводятся на рис.6.



При этом были получены следующие сведения:

  • температура p-n-перехода tJ при одинаковых температурах tс тем выше, чем больше сила тока i;
  • при равных величинах tс и одинаковых токах величина tJ у холодно-белых СД меньше, чем tJ у тёпло-белых.


Из графиков на рис.7, полученных на базе данных рис. 5 и 6, можно определить сроки службы τсд измеренных тёпло-белых и холодно-белых СД в функции температуры t2 при различных i = 10, 100, 350, 500,700 и 1000 мА.

Отсюда очевидно, что:
с) чем меньше t2 = tс , тем больше срок службы τсд;
d) при снижении токовой нагрузки τсд увеличивается;

e) при равных t2 = tс и одинаковых величинах i тёпло-белые СД имеют меньший срок службы τсд, чем холодно-белые СД.
Так, при t2 = 60°С и i = 1000 мА срок службы тёпло-белых СД – τсд= 10 000 ч, а у холодно-белых – 15 000 ч.

Итог, изложенный в п. e) очень важен как для учёта при конструировании светильников, так и для конечных потребителей.
Как показали опросы, во многих странах северной Европы население отдаёт предпочтение «тёплому» свету, в том числе и на улицах.
При оборудовании опытных осветительных установок со светодиодными светильниками было установлено, что жители жилых кварталов категорически отклоняют холодно-белый оттенок света.
Но ведь необходимо учитывать, что, как показано выше, холодно-белые СД имеют более высокую светоотдачу ηv и, согласно п. e), при равных условиях эксплуатации их срок службы τсд больше, чем у тёпло-белых СД. Эти параметры (ηv и τсд) имеют большое экономическое и экологическое значение, которое невозможно игнорировать.

Кроме того, на рынке уже есть светильники, в которых применяется комбинация тепло-белых и холодно-белых СД, смонтированных на единой плате (чтобы было можно осуществлять аддитивное смешение излучений различного спектрального состава).

Известно несколько моделей напольных и подвесных офисных светильников, в которых как прямая, так и отражённая компонента излучения создаются смешанным светом холодно-белых и тёпло-белых СД.

При равных условиях эксплуатации (i, температура платы) в таких светильниках тёпло-белые СД будут стареть значительно быстрее, чем холодно-белые.
Естественно, что после определенного времени наработки такие светильники уже не будут соответствовать требованиям оптимального цветосмешения (цветовая температура излучения будет отличаться от первоначально заданной).

На рис.6 показана взаимосвязь между температурой p-n-перехода tJ и t2 = tс при различных силах тока i = 10-1000 мА. Отсюда можно определить разность Δ t = tJ - t2(tс) и рассчитать для каждой точки измерения тепловую мощность Рт (Вт) по формуле (3).

Также можно определить и Рт по формуле (2) и представить это тепловое сопротивление в функции температуры tJ (рис.8).



На этом графике видна чёткая корреляция между Рт и tJ (тепловое сопротивление растёт с повышением температуры). Повышенная температура СД затрудняет теплопроводность.
Возникает локальная аккумуляция тепла, которая нагружает как сам чип, так и точки припоя выводов, теплопроводящие места с клеящим компаундом, переход между люминофором и кристаллом. Эта тепловая нагрузка ускоряет химические процессы в люминофорах и в силиконе (связке люминофора), а также убыстряет и окислительные процессы в подводящих металлических контактах. Подобные процессы ведут к старению СД – деградации излучающих свойств кристалла.



На рис.9 приведены усредненные значения лабораторных измерений четырёх белых СД с Тц= 2700 К и десяти красных СД при различных величинах i = 100, 350, 700 и 1000 мА.
При равных tс и одинаковых i температура tJ у красных СД намного выше, чем у тёпло-белых СД: при tс = 60°С и i = 700 мА температура tJ = 84°С – у белых СД с Тц=2700 К, а у красных СД она равна 99°С.



Как следствие этого – срок службы τсд красных СД при одинаковой токовой нагрузке и равных tс намного короче (рис.10):
При tс = 60°С и i = 700 мА: τсд у красных – 10 000 ч. а у тёпло-белых – 17 000 ч.

Эти данные чрезвычайно важны, так как некоторые производители для декоративных целей и осветительных эффектов в шоу-бизнесе используют светильники и прожекторы с разноцветными СД в одном модуле (RGB или RGBW).

Также и в тех случаях, когда требуется высокое качество цветопередачи или динамическое изменение цветовой температуры Тц (например, операционные, музейные залы, салоны авиалайнеров, круизных судов и т.д.) фирмы совмещают RGB-модули с белыми СД.
Целый ряд известных изготовителей “Retrofit LED”-ламп (для замены ламп накаливания) располагают на одной плате белые СД и красные СД с доминирующей длиной волны 600 или 625 нм. Этим самым они стараются максимально приблизить излучение этих светодиодных ламп к привычному свету ламп накаливания.

Для всех подобных производителей результаты излагаемых исследований весьма ценны: ведь они, очевидно, ставят перед собой задачу добиться достаточно высокого и равнозначного срока службы для всех комбинаций разноцветных СД.
Естественно, что величина тс на несущей плате должна быть поэтому как можно ниже, а прямые токи не должны превышать 500 мА (ни в коем случае они не быть равными 700 или 1000 мА!).

Для выполнения первого условия (теплоотвод) конструкторам светильников и модулей рекомендуется использовать для изготовления плат – вместо обычно применяемого материала FR4 (стеклоармированного эпоксидного ламината) – керамические или печатные платы с металлическим керном.

Конечно, пониженная токовая нагрузка потребует большего количества СД каждого цвета для того, чтобы получить необходимый суммарный световой поток.
По нашему мнению, это в недалёком будущем будет вполне доступно, так как в ближайшие годы прогнозируется заметное снижение стоимости СД.
Вот реальный путь для того, чтобы в одном световом приборе все типы СД имели бы одинаковую tс: для интенсивно стареющих красных и тепло-белых СД токовая нагрузка должна быть минимально допустимой, а при ШИМ-управлении желателен больший коэффициент регулирования.

Так как красные СД на базе AlGaAs или AlInGaP относительно нестабильны, целесообразно получать красное излучение с помощью голубого СД с нанесённым на него конверсионным красным люминофором. Эта идея, очевидно, ещё нова для изготовителей СД, однако для будущих вариантов применения разноцветных СД и конструкций светильников со СД её нельзя отбрасывать.
Все измерения и обработка их результатов в лаборатории Дармштадтского университета были проведены вполне корректно, с достаточной точностью для этой научной работы.
Смоделированные кривые на рис. 4 и 5 не могли быть представлены в абсолютных единицах, чтобы отобразить достоверную реальность для всех типов СД.
В соответствии с типовой тенденцией старения они вполне отражают реальность, так что все выводы, сделанные в настоящей статье качественно вполне корректны.
Авторы стремились к тому, чтобы с помощью гибридного анализа смоделированных кривых рис. 4 и 5 и данных лабораторных измерений показать воздействие токовых нагрузок и температур на срок службы СД.
Мы хотели бы этим обратить пристальное внимание на то, что в светильниках, где применяются различные типы СД – холодно-белые, тёпло-белые, трёхцветные (RGB) – могут возникнуть длительные и серьёзные проблемы относительно срока службы.

Последние сведения о тепловых свойствах светодиодов (обзор)
До сих пор производители удовлетворялись процессом «binning» – процедурой отбора, селекции серийных СД по координатам цветности излучения (на цветовом графике МКО), прямому напряжению и световому потоку.
Такая сортировка проводится, как правило, при типовых параметрах измерений (350 мА, 25°С, длительность токовой нагрузки 20 мс).

Однако полученные таким образом величины координат цветности излучения (х/y), светового потока или прямого напряжения справедливы только для начала жизненного цикла СД. Однако изменение этих параметров с течением времени сегодня исследуется только весьма ограниченным числом фирм и научных лабораторий.
Здесь необходимо осветить еще один очень важный аспект. При этих, еще несистематических исследованиях в светотехнической лаборатории университета Дармштадта были измерены тепловые сопротивления четырёх белых СД.


Измерения проводились при 60°С и токах равных 350 и 700 мА (см. табл. 1 и 2).

Таблица 1

    Светодиоды (СД)
    с Тц = 2700 К

СД1

СД2

СД3

СД 4

  Rт при i=350 мА и tJ=60°С

14,23

13,89

16,78

16,30

  Δ Rт, K/Вт

0,34

0

2,89

2,41

  Рт, Вт

0,86

0,84

0,85

0,83

  Δ tJ, К

0,29

0

2,44

1,99

Тепловые сопротивления и разница температур четырёх тепло-белых СД при 350 мА и tJ = 60°С

Таблица2

  Светодиоды (СД)
  с Тц =2700 К

СД1

СД2

СД3

СД 4

  Rт при i=700 мА и tJ=60°С

12,93

12,81

14,67

13,03

  Δ Rт, K/Вт

0,12

0

1,86

0,22

  Рт, Вт

1,92

1,88

1,89

1,84

  Δ tJ, К

0,23

0

3,52

0,41

Тепловые сопротивления и разница температур четырёх тепло-белых СД при 700 мА и tJ = 60°С

Из табличных данных видно, что 4 белых СД (например, в последовательной цепочке на единой печатной плате) при приблизительно одинаковых температурах tс и равных токах 350 или 700 мА могут отличаться друг от друга по температуре p-n-перехода: эта разница Δ tJ в данных измерениях была равной от 2,44 К (при токе 350 мА) до 3,52 К (700 мА).
Это различие температур Δ tJ, что при номинальной температуре tJ = 60°С и с учетом кривой на рис.5 величина срока службы τсд снизится с 47000 ч до 40 000 ч.

Такая разница в сроке службы (7000 ч) основывается, однако, на гипотетических расчетах, которые не идеально достоверны, но могут всё же иметь большое техническое и экономическое значение для внутренней политики фирмы-изготовителя.

Исследования процессов старения светодиодов, модулей и светильников – это очень длительный и трудоёмкий процесс и может дать результаты только через несколько лет, да и то, если будут вестись экстенсивные полевые испытания при реальных условиях эксплуатации.
Можно сказать, что фундаментальные исследования светодиодов и сама светодиодная отрасль пока еще только в начале этого пути, и упомянутые годы, необходимые для получения надёжных результатов, еще должны окончиться.

Поэтому приведенные в статье данные при определенных предпосылках можно принять в качестве ориентирующего прогноза срока службы. Эти результаты – пока еще единственный инструмент для оценки процесса старения светодиодов.
Как промышленности, так и исследователям предстоит еще кропотливая работа, чтобы собрать и обобщить надежные данные по описанной проблеме.

Послесловие.
Описанные исследования были проведены в рамках проекта "POL – Performance Quality Label", инициированного и поддержанного Федеральным Министерством хозяйства и технологий Германии (BMWi).
Авторы выражают сердечную благодарность за поддержку – ZVEI (Центральному Союзу электротехнической и электронной промышленности) и BMWi.

Литература:
[1] Tran Quoc Khanh, Peter Bodrogi: Farbwiedergabe und Helligkeit. Untersuchungen zu weissen leuchstofkonvertierten LEDs – Zeitschrift “Licht”, 2011, №10

[2] http://de.Wikipedia.org/wiki/Jean_Baptiste_Joseph_Fourier

[3] Tringh QuangVinh, Stefan Brűckner, Tran Quoc Khanh: Accurate measurement of the p-n-Junction Temperature of HP-LEDs – methods and results – Proceedings of the International Symposium forAutomotive Lighting(ISAL). Darmstadt, 28-29 Sept.,2011, p. 809-827.

[4] N.Narendran, Y Gu, R.Hosseinzdeh: Estimating junction temperature of high-flux white LEDs – Proceedings of SPIE, 2004, 158-160.

возврат к списку статей

версия для печати
 
© 2020 ЗАО "Точка Опоры Промэлектросвет"
музейное освещение, светильники музеи, свет в музее, галерея светильники, выставочное освещение, освещение выставок, освещение выставочных залов, освещение галереи, световые линии, световые короба, нестандартное осветительное оборудование, освещение экспозиции, подсветка картины, современный музей, эрарта, музей воды, музейные технологии, освещение метро, светильники метрополитен, люстры для метро, реконструкция освещения метро, тоннельные светильники, архитектурное освещение метро, реставрация светильников для метро