Мощни светодиоди за осветителни приложения

Част II. Особености при експлоатацията, предпазване от свръхнапрежения и токове.

При разработката на нови модели мощни светодиоди (HPLED) производителите акцентират върху подобряването на техните спектрални характеристики и осигуряването на безопасна експлоатация. Сериозно внимание се обръща и на удължаването на експлоатационния им срок - вместо типичните 50 000 часа с намаляване на светлинния поток до 70% от първоначалния, вече се предлагат HPLED със 100 000 часа при намаляване до 90%.

В последните години производителите значително подобриха и херметичността на корпуса и затова повечето HPLED са с най-високия клас 1 на устойчивост на влага, който осигурява безотказната им работа неограничено дълго време при относителна влажност до 85%, съчетана с температура на въздуха до 30 °С.

Особености при експлоатацията на HPLED
При монтирането на мощните светодиоди в лампи трябва да се избягва зацапване или механична повреда на оптичната им система. Лещата е най-уязвимото място на светодиодите и нейното повреждане води до влошаване на оптическите параметри или по-сериозни усложнения. Поради това основен принцип е лещите да не се докосват. Обикновено, произвежданите HPLED са върху носещи пластини, между които при подреждане в кашони или складиране трябва да се оставя разстояние 1-2 cm. При монтирането в лампи HPLED трябва да се държат с пинсети за корпуса и да се избягват каквито и да е механични усилия върху лещите. В помощните материали за своите HPLED някои производители отбелязват от какви химични вещества те трябва да се предпазват, например вода, някои алкохоли и епоксидни лепила.

По отношение на запояването върху печатни платки, в техническата документация също се дават препоръки за всеки тип HPLED. Най-важните от тях са размерите на островчетата върху печатната платка, препоръчваните пасти и флюсове и профилът на запояване (подобно на други полупроводникови прибори).

При експлоатацията на белите мощни светодиоди трябва да се вземат предвид и някои особености на спектралната им характеристика. Белите мощни светодиоди съдържат синя светлина в спектъра си, която е вредна за очите и кожата подобно на ултравиолетовите и инфрачервените лъчи. Поради тази причина не се препоръчва непосредствено гледане в тях. Останалите цветове от видимия спектър не представляват опасност, но независимо от това общото правило е, че отблизо не трябва да се гледа пряко в HPLED. Това се отнася както за работещите в производството на LED лампи, така и за ползвателите им. Съществуват стандарти (IEC 60825 class 2, IEC62741-2006 и ANSI/IESNA RP-27.1-05 Photobiological Safety for Lamps and Lamp Systems-General Requirements), които определят условията за безопасно използване на LED осветление.

Предпазване от свръхнапрежения и токове
Както е известно, електростатичните разряди (ESD) са основната причина за появата на свръхнапрежения върху HPLED. Те могат да възникнат по време на производството, при транспортиране, монтаж или ремонт. Токове в права посока през мощните светодиоди над максимално допустимия обикновено са импулси с продължителност до 1 s поради процеси в захранването, от свръхнапрежения и при поставяне на LED лампа в осветително тяло при включено захранване. Тяхната амплитуда може да е над 10 пъти по-голяма от тока в нормален работен режим. Предизвиканите от въздействията повреди могат да са прекъснати свързващи проводници между полупроводниковия кристал и изводите на светодиодите или повреда на самия кристал около мястото на запояването им към него.

Защитата от свръхнапрежения в осветителни тела се прави чрез успоредно свързване към всеки HPLED на полупроводников прибор за потискане на отскоците на напрежение (TVS - Transient Voltage Suppressor). Осигуряваната защита обикновено е за напрежения от ESD между 2 и 4 kV.

За предпазване от големи токове се прилага пасивна и активна защита. Първата е по-проста и представлява последователно свързване към HPLED на термистор. Когато HPLED е част от осветително тяло, съдържащо и захранващ блок, се използват РТС (термистори с положителен температурен коефициент). При нагряването им (поради голям ток или висока околна температура) тяхното съпротивление нараства и ограничава IF, а когато причината изчезне съпротивлението им намалява, т. е. те действат като самовъзстановяващи се предпазители. Времето на задействане е от няколко стотици ms до 1 s и са най-ефективни, когато IF на HPLED е значително по-малък от техния максимален ток.

За случаите, когато LED лампите ще се включват към работещо захранване трябва да се използват нискоомни NTC (термистори с отрицателен температурен коефициент). В момента на включването те имат голямо съпротивление и ограничават тока, а при протичането му той ги нагрява и съпротивлението намалява до незначителна стойност. Важна особеност е, че времето за изстиване на нагретия NTC и, съответно, възстановяване на голямото му съпротивление е 30-120 s. Следователно, ако лампата се отстрани от захранването и веднага след това отново се включи, защитата няма да действа. Друга особеност е, че при нормалния IF съпротивлението на РТС и NTC е няколко W.

С помощта на TVS, допълнителни елементи и NMOS транзистор с индуциран канал се реализира активна защита вместо използването на NTC. По-сложната схема е за сметка на времето от няколко ms за възстановяване на голямото съпротивление и съпротивлението от няколко mW при номиналния IF.

Приложения на HPLED за осветление
Ползването на мощни светодиоди за вътрешно и външно осветление може да става чрез замяна на наличните лампи в съществуващите осветителни тела със светодиодни или разработване на нови осветителни тела с отчитане на особеностите на HPLED. Няма съмнение, че вторият начин е по-ефективен, като осигурява по-добри оптични и електрически параметри и по-добро охлаждане. Наличието в света на около 20 милиарда осветителни тела показва колко важни са техните подобрения и затова една от новите насоки в развитието на LED осветлението е разработването на специализирани осветителни тела.

Приложението на мощните светодиоди в интериорното осветление има много разновидности. В зависимост от конструкцията на ползващите ги осветителни тела може да се осигури насочена (Directional) и ненасочена (Non-Directional) светлина. На основата на HPLED се реализират вградени в тавана осветителни тела (Downlight), висящи осветителни тела, осветяване на части и на цели помещения. Също към вътрешното осветление се причислява това на закрити площи, свързани с транспорта, например гари, метростанции, тунели и др. Цветни HPLED в подходящи съчетания се използват за архитектурно осветление на помещения.

Светодиодите намират и множество приложения в екстериорното и архитектурно осветление също с възможност за ползване на цветни HPLED - фасади на сгради, стълбища, алеи (Path Lighting), дворове, градини, фонтани, басейни, паркинги, площади, улици и магистрали. Към него биха могли да се включат и всякакви преносими LED осветители.