деградация светодиодов что это
Сага о светодиодных лампах. Деградация
Совсем небольшая статья, посвященная замерам характеристик светодиодных ламп после примерно четырнадцати месяцев работы оных в реальных условиях. Где-то в ноябре 2014 года я вкрутил дома четыре лампы Gauss LED 12W (три в комнате, одну на кухне) и сегодня наконец-то собрался произвести измерения повторно для оценки возможных изменений характеристик.
Из всех элементов светодиодной лампы старению более всего подвержены электролитические конденсаторы, а также собственно светодиоды. Применительно к общим характеристикам ухудшение параметров выражается в падении светового потока и росте коэффициента пульсаций.
Механизмов деградации светодиодов достаточно много, они хитры и интересны. Деградация конденсаторов в основном сводится к потере емкости вследствие испарения электролита — они «высыхают». С ростом температуры процессы ускоряются; при этом именно отведение тепла является самым больным местом светодиодных ламп, рассчитанных на замену ламп накаливания. В них ограничен размер теплоотвода, а электроника находится в самом неподходящем с точки зрения охлаждения месте.
Замеры
Год назад коэффициент пульсаций составлял порядка 1%, освещенность, создаваемая тремя лампами, — 146 лк сразу после старта, 137 лк после десятиминутного прогрева.
Сегодня я измерил коэффициент пульсаций лампы на кухне, работавшей в достаточно тяжелых условиях: светильник, не слишком способствующий конвекции, повышенная температура окружающего воздуха во время приготовления пищи. При этом свет на кухне горит часто и подолгу.
К моему изумлению, измеренный коэффициент пульсаций практически не изменился и все так же составляет около 1 — 2%, что является просто отличным результатом. Вот, для сравнения, осциллограмма для лампы накаливания (коэффициент пульсаций порядка 10%):
Освещенность измерялась тем же прибором в той же точке. Получилось 150 лк сразу после старта, 144 лк после десятиминутного прогрева. Измеренные значения также близки к изначальным; некоторая разница может объясняться тем, что совершенно точно повторить положение измерительной головки через год на глаз практически невозможно, а специальных отметок я не делал, так как и статьи на эту тему не предполагал. Тем не менее заметно, что разница стартовой освещенности и освещенности, создаваемой прогретой лампой, снизилась. Это косвенно свидетельствует о том, что деградация есть — характеристика стала более пологой, а в подобных случаях этому как правило сопутствует снижение среднего значения. Тем не менее, снижение светового потока если и есть, то не слишком велико.
В целом можно сказать, что все не так плохо, как я ожидал увидеть, а мои подозрения относительно конденсаторов марки Aishi не оправдались.
Что такое деградация светодиода
Чаще всего, говоря о деградации светодиода, имеют ввиду процесс постепенного снижения его яркости вследствие плохого охлаждения кристалла. Еще под понятием «деградация светодиода» может подразумеваться преждевременный приход полупроводникового источника света в непригодность или изменение первоначальной цветовой температуры.
Однако деградация бывает вызвана различными причинами, несмотря на то, что результат всегда выглядит одинаково — неприемлемое снижение яркости светодиода или вообще прекращение испускания им света в ответ на подачу питания.
Деградация светодиодов может стать настоящей проблемой там, где точность цветопередачи крайне важна, например в больницах, в выставочных залах и музеях. Давайте же рассмотрим причины деградации светодиода.
Итак, как мы уже выяснили, процесс старения светодиода называют деградацией. Прежде всего это выражается в снижении яркости испускаемого света (в уменьшении светового потока).
Кроме того проблемой становится так называемый цветовой сдвиг, который выражается в отклонении цветовой температуры от первоначально заявленной, и в ухудшении цветопередачи. Наконец все может закончиться полным выходом светодиода из строя. Но так или иначе светодиод к деградации могут привести различные факторы.
Одна из самых обычных причин ранней деградации кристалла — недоброкачественная сборка изделия. Желая сделать продукт как можно более дешевым, максимально понизить его себестоимость, изготовитель сильно откланяется от адекватных стандартов производства, например использует заведомо маленькие корпуса.
Современные модели мощных светодиодов требуют новых корпусов с большей площадью, нежели у тех корпусов, которые использовались ранее для чипов малой мощности.
Либо сами чипы могут быть изготовлены некачественно, с нарушением правильной технологии. Это однозначно становится причиной ранней деградации кристалла, светодиод выйдет из строя раньше срока гарантийной эксплуатации, заявляемого самонадеянным производителем.
Установка мощного современного светодиода на чип, который использовался в маломощных светодиодах более ранних моделей — ведет к гарантированному перегреву кристалла.
Механические повреждения — также приводят к ранней деградации светодиода. Размещение светодиодов под прямыми солнечными лучами либо перегрев во время пайки неопытным новичком — все это нарушение условий эксплуатации полупроводниковых источников света.
Перечисленные факторы имеют одну общую черту — они способствуют плохому отводу тепла от кристалла, приводят к его перегреву, что отнюдь не соответствует безопасным условиям эксплуатации.
Ток через переход может быть превышен вследствие одного из этих факторов, и диод просто сгорит, равно как при случайном перегреве паяльником. Превышение допустимой температуры внутри устройства — верный путь к быстрой деградации кристалла.
Но даже если светодиод эксплуатируется правильно, то через определенное время деградации кристалла все равно не избежать. Дело в том, что светодиоды сами по себе подвержены естественному старению. Особенно быстро стареют белые светодиоды. Цвет белого светодиода изначально имеет синий оттенок, который обычно выравнивается до белого при помощи подходящего люминофора.
Люминофор имеет свойство со временем свертываться, его слой в итоге разрушается, и цветовая температура ползет в направлении холодного голубого.
При другом способе производства светодиодов деградация происходит с цветовым сдвигом в сторону желтого цвета, поскольку высокие температуры вызывают появление воздушных зазоров между люминесцентным покрытием и светодиодным чипом, происходит попросту «расслаивание» светодиода.
Необходимо помнить, что спецификация изготовленного на заводе светодиода, включая показатели долговечности, составляется в лабораторных условиях, где соблюдены идеально корректные режимы питания, теплоотведения и влажности. При эксплуатации же в реальных условиях, долговечность, как правило, снижается.
Почему выходят из строя светодиоды
Светодиодные источники освещения с каждым днем завоевывают все большую популярность, быстро вытесняя старые лампы со спиралью накаливания. LED-лампы обладают рядом ощутимых преимуществ, главными из которых является долговечность и низкое энергопотребление. Срок службы светодиодов лучших мировых производителей уже способен достигать 12 лет! Тем не менее, автовладельцы, пользующиеся светодиодными лампами, время от времени сталкиваются с их преждевременным, причем иногда — еще и довольно быстрым, выходом из строя. Почему же так происходит?
Во время своей работы часть получаемой энергии диод преобразует в свет, а часть — в тепло. Тепловая составляющая, в случае светодиодов, является полностью паразитной. Более того, под воздействием повышенной температуры кристалл диода начинает деградировать. По мере ухудшения свойств все большее количество энергии превращается в тепло, деградация ускоряется, диод тускнеет — настоящий эффект снежного кома. Как и любой полупроводник, светодиод категорически не приемлет высокой температуры.
Борьба с перегревом
Для снижения рабочей температуры ведущие компании-производители светодиодной техники внедряют в свои готовые решения системы охлаждения. В качестве примера можно рассмотреть светодиодные лампы Philips для автомобильного транспорта. Поскольку речь всегда идет о компактных лампах, которые устанавливаются в блок-фары, часто — в непосредственной близости от моторного отсека, срок службы светодиодов будет напрямую зависеть от эффективности охлаждения. Для ламп различных типов и мощности Philips предлагает два типа охлаждения: пассивное и активное. Пассивное охлаждение, известное как технология Philips AirFlux, основано на использовании алюминиевого радиатора сложной формы и большой площади. Благодаря особой, рассчитанной компьютерами поверхности, при правильном ориентировании лампы инициируется самотек воздуха через радиатор, и он тем выше, чем выше поднимается температура.
Таким образом, система AirFlux способна поддерживать оптимальную температуру лампы, что в свою очередь обеспечивает ее долгую работу. Компактный радиатор подходит для охлаждения определенного типа ламп, в которых установлены не самые мощные светодиоды. Для ламп с более мощными светодиодами Philips использует технологию активного охлаждения AirCool. В целом система похожа на компактный кулер компьютерной техники: развитой радиатор охлаждается небольшим и маломощным вентилятором.
Светодиод не лампа накаливания: ток через диод для «вырабатывания» света необходимо пропускать в строго определенном (прямом) направлении. Кроме того, светодиоды чувствительны к повышению силы тока, для чего их всегда подключают к источнику тока, а не напряжения. Для правильной работы светодиод обязательно должен иметь схему управления.
Это очень важно в разрезе автомобильных светодиодов, поскольку повышение напряжения для диода смертельно. Стандартное напряжение, на которое рассчитаны эти источники света — 12,7 В. Любой автомобилист знает, что в машине это значение достигается только при работе электрики от аккумулятора, тогда как генератор современного авто часто поднимает напряжение до 14 и даже 15 В. Особенно часто это происходит после холодного пуска двигателя зимой в морозы. Эти скачки напряжения губительны для светодиодов, и зачастую именно они становятся причиной быстрого выхода диода из строя. Повышение напряжения ведет к повышению тока на светодиоде, что практически по экспоненте увеличивает тепловыделение и ограничивает световой поток. Диод начинает греть, а не светить, и очень быстро в прямом смысле слова перегорает.
Учитывать такую специфику работы и стабилизировать входное напряжение — задача управляющей микросхемы, которая обязательно должна входить в состав светодиодной лампы. Чем мощнее светодиод, тем более сложной является такая схема, которая при работе и сама выделяет тепло, что также необходимо учитывать. Наличие управляющей схемы с широтно-импульсной модуляцией также является показателем качества светодиодной лампы от серьезного производителя. В дешевых лампах на этом часто экономят: в итоге диоды при повышении напряжения в бортовой сети светят ярко, но, увы, недолго.
Ресурс светодиода также напрямую зависит от его качества. В современных SMD-диодах очень важно качество пайки чипа к подложке. При плохой пайке будет возрастать сопротивление, расти температура, то есть происходить все то, из-за чего светодиод быстро выходит из строя.
Кроме того, при неправильной установке светодиода на подложку не произойдет полный контакт теплоотвода, что не даст отвести достаточное количество тепла от кристалла. Казалось бы, нюансы. Однако работать так, чтобы все мелочи и детали были учтены, зачастую способен только крупный производитель, обладающий налаженной системой контроля качества.
Как же быть уверенным в том, что светодиодная лампа прослужит долго? Довериться крупному производителю и перестать покупать светодиоды сомнительного происхождения. В случае с продукцией под брендом Philips потребитель точно не ошибется и получит гарантированно проверенное и качественное решение. Автомобильные светодиодные лампы Philips обладают уникальными технологиями охлаждения и всегда комплектуются умными управляющими схемами. Именно это позволяет производителю с уверенностью заявлять о том, что автолампы Philips работают долго — вплоть до 12 лет!
Ответ на пост «Почему умирают светодиодные лампы»
Демонстрацию начнём с бытовой лампы. Я взял дешевую лампу за 50 рублей из эконом-магазина. Итак, осветительная лампа состоит из следующих важных узлов, которые могут сломаться. Многие уже это всё не раз видели:
I. Плата со светодиодами. Непосредственно сам светоизлучатель. В случае бытовой лампы выглядит так:
В телевизоре она же выглядит так:
И один рассмотрим поближе:
Вернёмся к обычной лампе. Внутри маленького корпуса мы можем увидеть: алюминиевую подложку, сами кристаллы светодиодов (чёрные прямоугольнички), и тончайшую золотую нить (маленькая перемычка, соединяющая их последовательно.
В один корпус множество светодиодов помещают для увеличения компактности схемы, удвоения или утроения светоотдачи из одной точки (важно для оптического тракта телевизоров), ускорения монтажа и сборки. Но, вне зависимости от компоновки и размещения светодиодов, схема этой платки всегда будет выглядеть так:
Что всё-таки происходит, когда перемычка порвалась? Внешне мы начинаем видеть «мерцание» лампы, либо её полное затухание. После долгого простоя лампа (или телевизор) может «включиться» на долю секунды, а затем свет снова пропадает. Происходит это потому, что разорванные концы нити могут соприкасаться друг с другом (в зависимости от вида деформации). Но сразу же после подачи тока начинается расширение проволоки, и контакт разрывается снова. Образуется автоколебательная система (смотрите опыт с пружиной и ртутью), такие колебания мы и видим как низкочастотное мерцание лампы. Светодиод вышел из строя и дальнейшей эксплуатации не подлежит.
Т.е. на светодиоды подаётся ток такого вида. Вот так выглядит драйвер с ШИМ модуляцией у лампы:
Пример выгорания светодиодов
Производители светодиодных ламп и светодиодов обещают большую длительность работы, обычно составляет от 20 тысяч часов для старых моделей, и 30-50 тысяч часов для последних популярных моделей, таких как SMD 5630 и SMD 5730. На самые современные диоды длительность может составлять уже до 100 тыс. часов.
Характеристики кукурузы
В качестве примера с большим временем эксплуатации будет рассмотрена кукуруза с цоколем Е27 и напряжением 220В. Примерное непрерывное время работы этой лампы составляет 2 года, то есть 17,000 – 20,000 часов.
Светодиодная лампочка на SMD 5630
Светодиодная лампа была куплена на Aliexpress, и была поставлена в коридор на лестничной площадке, из-за того, что я заказывал белого света, а одна а оказалась холодного свечения. Эксплуатировалась в замкнутом пространстве, в прозрачном рифленом плафоне, и плафон при этом был температуры окружающего воздуха. За это время пластик на кукурузе пожелтел и явно стали видны следы деградации люминофора на диодах, которые обнажили внутренности светодиодов SMD 5630 под силиконовой поверхностью.
В ней использованы диоды низкого качества от мелкокитайского производителя, которые включены на 30% от общепринятой мощности, на 0,15 Вт вместо 0,5 Ватт. Таким образом, производитель защищает его от преждевременного снижения характеристик и обеспечивает приемлемую длительность использования.
Диоды бюджетные китайские, на 0,15W, вместо положенных популярных 0,5W. Этим китайцы умело пользуются, то есть обманывают. Выдают их за полватные. Кто покупает первый раз и не разбирается в этом, не поймет что его обманули. Это я подробно описал в статье про выбор светодиодных лент, сравнивая цены, мощность и конечную выгоду.
Деградация
Пример, слева новый, справа старый (2 года работы)
По мере эксплуатации, светодиод подвергается воздействиям, которые негативно сказываются на его характеристиках.
Основные факторы:
Светодиод белого света изначально светит холодным синим цветом. Для получения нейтрального белого дневного света, кристалл покрывают люминофором, который преобразует синий в белый цвет.
Во время деградации кристалла, появляются дефекты, при которых участок кристалла перестает светить, но продолжает нагреваться. При этом начинает увеличиваться ток утечки, то есть ток проходит не излучая свет. Самым плохими катализаторами деградации являются ток выше номинального и повышенная температура. Поэтому надо быть осторожным при покупке сомнительных экземпляров, потому что наши китайские братья по разуму могут «разгонять» светодиоды, подавая ток выше номинального.
Ресурс
График деградации от температуры и времени
Что же будет, когда он отработает указанное производителем время?
Общепринятым стандартом считается, что за период указанной длительности работы яркость светодиода упадет на 30%.
Это правило в основном действует на именитых производителей, который соблюдают стандарты, а мелкие и неизвестные производители могут отходить от стандартных правил, с целью завышения параметров и технических характеристик светодиодных ламп. Они могут запросто указать стандартную длительность работы для модели, при этом умолчав, что при этом яркость упадет до 50%.
Во избежание различных неприятных сюрпизов, требуйте продавца настоящие сертификаты на продукцию. Если сертификатов нет, то подсунуть могут что угодно. Еще одна сопутствующая проблема, это будет непонятно, относится сертификат к этим диодам или он от другой партии.
Измеряем падение яркости через 2 года
На торце обеих установлено 8 штук
Выгорание люминофора и деградация налицо, но это лишь внешние признаки. Так как я покупал несколько одинаковых, из которых непрерывно в течение 2 лет работала одна, то сравним их яркость. Для теста берем такую же лампу с цоколем Е14 220В, которая практически не работала и отработавшую 17 – 20 тыс. часов.
Фото тестируемых кукуруз, одна в цилиндре
Для получения более точных результатов, будем сравнивать освещенность, создаваемую SMD 5630, которые находятся только на торце, в количестве 8 штук. Для исключения влияния боковых светодиодов, одеваем неё цилиндр из бумаги.
Измеряем освещенность новой лампочки
Измеряем освещенность старой
В результате тестирования получаем:
Разница между старой и новой составляет 24 люкса, получается, что яркость упала за время двухлетней непрерывной эксплуатации на 33%. Так как они неизвестного китайского производства и низкого качества, то можно сказать, что ресурс этих светодиодов составляет 20,000 часов.
Определяем режим работы
Чтобы определить светодиоды, которые не в номинальном режиме, а в заниженном или завышенном, то необходимо узнать тип диодов и вычислить суммарную потребляемую мощность и световой поток. Полученные данные сопоставляем с характеристиками светодиодной лампы, в результате чего делаем выводы. Основная проблема, это невозможность определить модель диода из-за наличия матовой колбы. Один из выходов, это найти такие же у другого продавца (например, если покупаете на Aliexpress), у которых указан тип диодов или есть фото без колбы.
существуют ли снипы и санпины разрешающие использование светодиодного освещения в д/садах и школах. какая ситуация поданному вопросу у наших зарубежных партнёров.
Если параметры светодиодных ламп соотвествуют требованиям санпина, то использовать можно. По уровню пульсаций и другим. Как дела с этим обстоят за рубежом, не интересовался.