Влияние на температурата върху експлоатационните характеристики на мощни LED в осветителни системи

Светодиодите имат сериозни предимства спрямо останалите източници на светлина. Консумацията им на електроенергия е по-малка - например в масово разпространените LED с 60lm/W тя е с около 15% под тази на енергоспестяващите лампи (CFL), докато при тези със 130 lm/W е около 5 пъти по-ниска. Според прогнозите масовото въвеждане на LED лампите в САЩ ще намали през 2025 г. три пъти необходимата електроенергия за осветление, няма да е необходим строежът на 130 нови електроцентрали и във въздуха ще се изхвърлят 250 млн. тона по-малко въглеродни емисии годишно.

Средният експлоатационен срок на LED сега е 50 000 часа, а след няколко години се очаква да надхвърли 100 000 часа. Това прави светодиодното осветление практически вечно, което е особено сериозно предимство за постоянно светещи лампи и такива на трудно достъпни места. Цветовете на осветяваните от LED предмети са най-близки да естествените. Ако качеството на цвета при пряка слънчева светлина се приеме за 100, при белите LED е 92-94, а при енергоспестяващите лампи - 72. При светодиодите е възможно плавно и сравнително евтино регулиране на интензитета на светлината между 5% и 100% от максималния, което става по-трудно и в по-малки граници при останалите източници и дори е невъзможно за някои от тях.
Независимо от по-високата цена на LED осветителите, експлоатационните им разходи се по-ниски поради по-дългия срок на работа и по-малката консумирана мощност в сравнение.

Влияние на температурата върху параметрите на LED
Максималната температура на полупроводниковия кристал, от който се излъчва светлината при мощните LED е между 120°С и 135°С, докато за запазване на параметрите температурата на корпуса им трябва да е значително по-малка. В съответствие с действието на всеки LED, захранващият го източник му осигурява напрежение UF и ток IF, т.е. доставя мощност PF=UFIF, частта от която Popt=hPF (h e параметърът ефективност на преобразуването) се превръща в светлина, а останалата PD нагрява LED и температурата му зависи от околната температура и от тази мощност. Това означава, че осигуряването на по-голям интензитет на светлината чрез увеличаване на IF води до нарастване на PF и температурата на LED.
Светлинният поток и съответно интензитетът на излъчената светлина намаляват с увеличаване на температурата, един пример за което (в сила за определен тип LED) е даден на фиг. 1. Вижда се, че при най-често използваните за осветление бели LED двете величини при 120° С са с 25% по-малки, отколкото при температура 25°С (за която са даваните в каталога). При ниски температури (работа на открито) величините леко нарастват. При използваните за декоративно осветление червени и оранжеви LED изменението е значително по-голямо. Според масово възприетия принцип, че светлинният поток реално не се променя при намаляването му до 70% от каталожната стойност, това означава практически неизменен поток за белите LED, работа на червените до температура на кристала 70° С и на оранжевите до 45°С.
Цветът на излъчената светлина също се променя с температурата, като при повишаването й този на белите става леко синкав, а типичната промяна на цветните е по посока на червения цвят, т.е. дължината на вълната на светлината с максимална интензивност lpeak нараства с температурата.
Безспорно най-съществено е влиянието на температурата върху експлоатационния срок. При другите типове източници интензитетът на светлината реално не се променя през работния им живот, а при приключването му те изгарят. При LED интензитетът започва да намалява още в началото, което намаление е толкова по-значително, колкото по-голям е токът и по-висока температурата.
Немалко производители показват това графично за всеки от своите LED. Например интензитетът на един тип бял LED след 5000 часа работа при околна температура 85°С и ток 1,5 А намалява с 5%. За експлоатационен срок се приема времето на работа, след което интензитетът достига определен процент от първоначалния. Вече споменатото намаляване до 70% е известно като норма L70, която е в сила за източници с общо предназначение и е приета, защото средностатистическото човешко око реално не усеща тази промяна. Освен нея съществува норма L50 за намаляване на интензитета наполовина, използвана за лампи с насочена светлина и L90 за намаляване до 90% с приложение в специфични случаи. На практика, независимо от използваната норма, при достигане края на експлоатационния срок само част от светодиодите са с намалял в сравнение с нея интензитет. Когато тази част е 10%, се използва означението В10, например В10/L70 означава, че за експлоатационен срок се приема времето на работа, за което интензитетът на 10% от LED е намалял до 70% от началния. При В50 трябва да е намалял интензитетът на 50% от LED.
Особено важно е да се подчертае, че след изтичане на експлоатационния срок LED продължават да излъчват светлина, макар и с намален интензитет и все още могат да се използват. Част от производителите дават графики за определяне на експлоатационния срок в зависимост от условията на работа. Пример за единия тип такива графики е на фиг. 2, в сила за определен бял LED.
Вижда се, че при работа на LED с ток 0,35 А (най-горната графика) интензитетът на светлината остана непроменен до 100 000 часа работа (експлоатационният срок е по-голям), докато най-долната крива показва, че при ток 1,5 А експлоатационният срок за В10 е малко под 20 000 часа, а за В50 - малко над 30 000 часа. Другите две графики са за токове 0,7 А и 1 А.
Втори тип графики (фиг. 3) са за фиксиран IF и различни температури на кристала по време на работа. По подобен начин за В50 от горната графика (за температура 115°С) се определя експлоатационният срок от приблизително 80 000 часа, а от долната (за 135°С) - че той намалява на малко над 20 000 часа, т.е. четирикратно скъсяване при разлика в температурите от 20°С.
Трети тип графики са за фиксирана норма и процент от LED, които я достигат. Пример за В50, L70 и бял LED е показан на фиг. 4. Експлоатационинят срок от 60 000 часа се запазва до температура на кристала малко над 160°С при ток 350 mA, т.е. дори при много висока околна температура. Когато токът е 1,5 А експлоатационният срок се запазва до температура 120°С, намалява на 10 000 часа, когато тя стане 150°С и не е допустима работа на LED при по-високи температури.
Графиките на фиг. 2 - 4 са полезни на производителите на осветителни системи, които с тяхна помощ могат да създават конструкции,  осигуряващи желания експлоатационен срок на тялото. Те също така могат да ориентират потребителите на осветителни тела за това как работните условия (например начинът на монтаж и околната температура) влияят върху експлоатационния срок.

Конструктивни особености на мощни LED
Конструкциите на мощните светодиоди са твърде различни, но сред основните им цели е постигането на желаните параметри на излъчваната светлина и ефективното отвеждане на топлината от кристала за осигуряване на минимално възможната му температура.
Примерна конструкция е дадена на фиг. 5, като в много случаи вместо алуминиева подложка се използва керамична. Поради мощността PD кристалът се нагрява до температура TJ и през закрепването на кристала и през радиатора топлината достига до спойката, чиято температура TS е по-малко от TJ. Величината RthJS=(TJ-TS)/PD представлява топлинното съпротивление кристал-спойка, давано като параметър в някои каталози. По-нататък топлината преминава през изолатора и подложката, външният (долният на фиг. 5) край на която е с температура ТВ, по-малка от TS, а RthSВ=(TS-TB)/PD е топлинното съпротивление спойка-подложка. Чрез сумата RthJB на двете съпротивления и измерване на ТВ може да се изчисли температурата TJ = TB + RthJBPD на херметически затворения кристал. Производителите на мощни LED непрекъснато предлагат нови техни конструкции с основна цел намаляване на RthJS.

Топлопредаване при мощни LED
От съществено значение при всички осветителни тела с LED е рационалното предаване на топлината от подложката в околния въздух с температура ТА, с което да се осигури желаната температура на кристала. В осветителните тела един или повече LED се монтират върху платка с топлинно съпротивление RthBA=(TB-TА)/PD, което зависи от структурата на платката и намалява с увеличаване на площта й. Така предаването на топлината от кристала до околния въздух се определя от сумата RthJS+RthSB+RthBA, означавана с RthJA=(TJ-TA)/PD и представляваща топлинното съпротивление кристал-околна среда. При известна негова стойност може да се изчисли TJ=TA+RthJAPD при определена стойност на PD или максимално допустимата температура на въздуха TA за получаване на осигуряващата желан експлоатационен срок TJ. Възможен е и друг подход - при известни PD и максимални температури TJ и ТА да се избере осветително тяло с температурно съпротивление най-много (TJ-TA)/PD.
Токът на всеки от белите LED в едно осветително тяло е IF»0,29PD/n, където n е броят им. Например в тяло с мощност 9 W и три LED с графики на фиг. 4, токът им е:
 IF»0,29x9W:3=0,87A.
Като се използва графиката за 1А се оказва, че диодите имат експлоатационен срок от 60 000 часа при TJ»130°С, в края на който интензитетът на светлината на половината от тах ще е намалял на 70% от първоначалния. При топлинно съпротивление на тялото RthJA=8°C/W то ще може да работи при температура на въздуха до TA = TJ  - RthJAPD = 130°C - 8°C/Wx9W = 58°C.
Друг пример: експлоатационният срок на монтираните на тавана на спортна зала осветителни тела, всяко с мощност 14 W и седем LED, трябва да се определи при намаляване на интензитета на светлината на 10% от техните LED. Максималната температура на въздуха под тавана е 70°С. Търсим най-голямото допустимо температурно съпротивление на телата за работа на кристалите им до 125°С. Търсим и експлоатационния срок. Токът на всеки от диодите е IF»0,29x14W:7=0,58A. Графиките на фиг. 2 са за TJ=125°С и от тази за ток 0,7 А се определя експлоатационен срок около 45 000 часа - реално той е не по-малък от 50 000 часа, защото токът е 0,58 А, а не 0,7 А. Максимално допустимото топлинно съпротивление на телата е RthJA=(TJ - TA)/PD=(125°C - 70°C):14W»4°C/W.