Ako zabrániť zlyhaniu LED diód v LED svietidlách ešte pred ich koncom životnosti vplyvom prepätia

Ako zabrániť zlyhaniu LED diód v LED svietidlách ešte pred ich koncom životnosti vplyvom prepätia
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  497 zobrazení
5
 0
Rádioamatérov almanach

Technológia polovodičového osvetlenia, alebo zjednodušene LED osvetlenia je dôležitým hráčom v odvetví osvetlenia vďaka mnohým výhodám ich výkonu, ktoré LED diódy bez pochyby ponúkajú. Vylepšenia výkonu tejto technológie vychádzajúcej hviezdy – najmä jej výhody v oblasti účinnosti – viedli k mnohým novým aplikáciám a inováciám.

Šírenie využívania svetla v pevnej fáze vystavuje LED diódy celému radu nových a drsných pracovných podmienok a ukazuje, že ich deklarovanú teoretickú "vysokú životnosť" možno ľahko ohroziť rôznymi faktormi prostredia. Chemická nekompatibilita je jedným z prvých problémov, ktorým zákazníci čelia, ale našťastie sa tento problém vo väčšine prípadov prejaví pomerne rýchlo, najmä vtedy ak je chyba spôsobená v dizajne svietidla.

Rýchlosť, s akou sa tieto chyby stanú evidentnými, znamená, že priemysel si čoraz viac uvedomuje, že očakávaná životnosť LED by mohla byť vážne ohrozená, ak by boli vystavené prchavým látkam nekompatibilným s pevnými ľahkými konštrukčnými materiálmi. Bohužiaľ, nie všetky hrozby pre LED diódy sú dostatočne zrejmé, aby umožnili používateľom podniknúť potrebné kroky na vyriešenie problému skôr, ako dôjde k ich masívnemu zlyhaniu.

Najkritickejšia hrozba pochádza z rovnakého zdroja, ktorý napája LED diódy, a je známy ako "Electrical Over Stress" (EOS). EOS sa objaví vždy, keď budiaci prúd alebo napätie LED prekročí maximálne menovité hodnoty komponentu. Existuje mnoho rôznych typov EOS – niektoré sú generované počas procesu montáže alebo testovania LED, zatiaľ čo iné sú vyrábané napájaním alebo pochádzajú z prostredia indukovaného elektromagnetickým poľom.

EOS je najnebezpečnejšou hrozbou pre technológiu polovodičového osvetlenia, pretože využíva rovnakú cestu, aká sa používa na rozsvietenie LED. Navyše škody, ktoré spôsobí, často nie sú okamžité. V mnohých prípadoch môže LED prestať fungovať len niekoľko mesiacov alebo dokonca dní po ich inštalácii. Tieto dve charakteristiky EOS znamenajú, že môže byť neuveriteľne ťažké tomu zabrániť a jeho riešenie je aj pomerne finančne nákladné. Časový interval medzi objavením sa EOS a zlyhaním a detekcie chyby môže byť dosť dlhý a môže mať vážne následky, keďže sa môže vyrobiť a nainštalovať viac svietidiel, čím sa zvýšia náklady na ich  záručnú výmenu.

Prečo dochádza k nadmernému elektrickému stresu

Existuje mnoho rôznych dôvodov a spôsobov, ako by mohlo dôjsť k EOS, ale existuje len jeden výsledok: porucha LED. EOS poškodzuje samotnú štruktúru LED čipu, čo spôsobuje jeho zlyhávanie oveľa rýchlejšie, než je jeho predpokladaná životnosť.

EOS je spôsobený externými zdrojmi, ako je pracovné prostredie, testovací postup alebo ľudská interakcia, ako aj interná interakcia, ako je zlý alebo nesprávny zdroj napájania, rozloženie návrhu dosky plošných spojov alebo chybné komponenty, ktoré generujú napätie alebo prúd cez LED diódy presahujúce maximálne menovité napätie v údajovom liste.

Keď napätie alebo prúd prekročí maximálne menovité hodnoty komponentu, nazýva sa to "stres". Aby ste lepšie pochopili, prečo dochádza k EOS – pri prerušení alebo skrate – a ako dlho trvá, kým LED zlyhá, je dôležité zvážiť energetický obsah stresu. Zakaždým, keď sa na polovodičový svetelný produkt aplikuje napätie, vytvorí sa napätie a prúd, ktoré pretečú cez celú impedanciu obvodu (príslušenstvo plus prostredie). To znamená, že na LED diódy je aplikované určité namáhanie energiou.

Nízkoenergetické namáhanie generuje nevýznamné poškodenie – alebo niekedy vôbec žiadne – zatiaľ čo strednoenergetické namáhanie poškodzuje LED, ale k poruche dôjde až dlho potom. Na druhej strane, vysoké energetické namáhanie okamžite spôsobí poškodenie LED, a to buď prepálením drôtených spojov, alebo roztavením matrice pripevnenej k spájkovacím plôškam.

Je dôležité poznamenať, že aj bez poruchy po strese to neznamená, že LED nie je poškodená. Nízke a stredné energetické namáhanie môže viesť k mikropoškodeniam (obrázok 1), ktoré nie sú okamžite viditeľné (obrázok 3), ale po niekoľkých pracovných hodinách môžu skončiť katastrofálnym zlyhaním. Preto by každá LED, ktorá je vystavená elektrickému preťaženiu, mala byť považovaná za zariadenie s rizikom zlyhania.

Obrázok 1 Nízke a stredné energetické namáhanie generuje dlhodobé skratové zlyhanie v dôsledku mikropoškodení

Obrázok 2 Vysoké napätie (prepätie) spôsobuje okamžitú poruchu v obvode

Obrázok 3 LED s neviditeľnými mikro poškodeniami

Rôzne typy prepätia a ako predchádzať zlyhaniam

Existuje mnoho možných zdrojov EOS, ktoré by mohli byť generované problémami s dizajnom svietidiel, ľudskou chybou a dokonca aj obmedzeniami platných predpisov predtým, ako sa polovodičové svetelné technológie dostali do odvetvia osvetlenia.

Nasledujúce časti článku sa budú zaoberať všetkými možnými okolnosťami, ktoré môžu spôsobiť EOS, a poskytnú pokyny a odporúčania na predchádzanie problémom v teréne. V niektorých prípadoch sú riešenia silne ovplyvnené zákazníckym dizajnom, a preto je nevyhnutné, aby výrobcovia LED úzko spolupracovali so zákazníkmi, aby zabezpečili, že ich dizajn svietidiel bude odolný voči EOS.

Elektrostatický výboj

Prvý možný zdroj EOS je generovaný operátormi, ktorí manipulujú s LED alebo doskami plošných spojov. Tento typ EOS je generovaný elektrostatickým výbojom (ESD). ESD je nízkoenergetická udalosť s veľmi krátkym trvaním – trvá len niekoľko mikrosekúnd. ESD sa zvyčajne vytvára v pracovných prostrediach nechránených ESD. Napríklad telo operátora môže mať veľmi odlišný elektrický potenciál ako doska s LED a keď sa dostanú do kontaktu s LED, môže dôjsť k ESD.

Typicky však ESD nie sú problémom pre LED, pretože väčšina LED je vybavená ESD supresorom, ktorý chráni LED čip. Napriek tomu niektoré veľmi malé nové LED diódy, ktoré sú navrhnuté tak, aby maximalizovali hustotu svetla, nie sú vybavené ESD supresormi, a preto je potrebné použiť ESD supresor externe. Tieto dodatočné komponenty musia byť umiestnené veľmi blízko k LED, aby tá bola správne chránená. Tieto ESD supresory sa už desaťročia používajú na ochranu iných elektronických zariadení a v prípade potreby sa dajú použiť na vyriešenie tohto možného problému s EOS.

Zdroj napájania

Ďalší možný zdroj elektrického preťaženia pochádza z napájacieho zdroja použitého vo svietidle. Existuje niekoľko možných podmienok, ktoré by mohli poškodiť LED diódy aj v prípade, že používateľ nepracuje nesprávne. Zakaždým, keď sa vyberie nový zdroj konštantného prúdu, je povinnosťou skontrolovať výstupné tolerancie, zvlnenie prúdu, prechodové špičky počas fázy zapínania a vypínania a nakoniec aj odoberaný prúd. Tolerancie, zvlnenie a špičky môžu byť tichými ničiteľmi LED, ktoré narúšajú integritu komponentov bez zjavného náznaku. Obrázok 4 zobrazuje komerčný zdroj s konštantným prúdom 1050 mA, ktorý predstavuje mnoho možných zdrojov EOS.

Obrázok 4 Zvlnenie komerčného zdroja konštantného prúdu 1050 mA, ktorý predstavuje mnoho možných zdrojov EOS

Po prvé a predovšetkým, vždy, keď sa zapne polovodičové LED svietidlo, tento zdroj generuje prúdovú špičku 2 A po dobu niekoľko milisekúnd. Ak je tu použitý typ LED dimenzovaný na 2 A alebo viac, nemal by nastať žiaden problém. Ak však majú použité zariadenia maximálny odoberný menovitý prúd 1,2 A pri napájacom zdroji s konštantným prúdom 1,05 A, môže sa vystaviť veľkému riziku.

Ak sa zariadenie bude zapínať a vypínať raz alebo dvakrát denne, LED s najväčšou pravdepodobnosťou vydrží tak dlho, ako sa očakáva. Avšak v prípadoch, ak senzor prítomnosti alebo pohybu zapína a vypína naše svietidlo, mnoho krát za hodinu zaťažuje neúmerne našu LED, čím sa znašne zníži jej životnosť.

Ďalším kritickým aspektom tohto napájacieho zdroja je zvlnenie. Tu je zvlnenie približne ±40 %. Okrem niekoľkých potenciálnych nepríjemných efektov, ako je blikanie a redukcia prúdu, môže toto zvlnenie prinútiť LED pracovať mimo špecifikácie a pod stresom pre nepretržité, opakujúce sa cykly.

Ako bolo uvedené vyššie, ak použijete typ LED s menovitým prúdom 2 A alebo vyšším, nič sa nestane. Avšak so zariadením s maximálnym prúdom 1,2 A bude životnosť LED vážne ohrozená napájaním konštantným prúdom. Je tiež nevyhnutné zvážiť toleranciu priemerného výstupného prúdu, ktorý môže zhoršiť situáciu zvýšením všetkých týchto hodnôt o percento tolerancie.

Aby ste predišli zlyhaniu EOS vo vyššie opísaných scenároch, je dôležité používať napájacie zdroje s obmedzenou prechodovou špičkou počas fázy zapnutia a vypnutia. Tieto napájacie zdroje nesmú prekročiť maximálny menovitý prúd LED. Okrem toho typický prúd kombinovaný so zvlnením a kladnou toleranciou nesmie prekročiť maximálny menovitý prúd LED. Ak sú dodržané všetky tieto podmienky, napájanie nepovedie k žiadnemu EOS.

Ďalším možným zdrojom poruchy je prepólovanie napájacieho zdroja alebo záporné impulzy. Ak operátor vymení polaritu počas testovacej alebo výrobnej fázy, LED dióda sa týmto EOS vážne poškodí. Aby k tomu nedochádzalo, je dobrým zvykom použiť napájací zdroj s ochranou proti skratu a LED dosku vybaviť diódou paralelnou k LED reťazcu s obrátenou polaritou. Ak je napájací zdroj pripojený k LED doske konektorom, polarizovaný konektor je vždy najlepším riešením.

Posledný test – ktorý je vždy dobré spustiť – je to "deštruktívny test" na niekoľkých doskách LED na meranie odoberaného prúdu. Tento test pozostáva zo zapnutia napájacieho zdroja (bez pripojenia akýchkoľvek LED) a následného zapojenia do dosky LED. Týmto spôsobom je možné zmerať špičku prúdu  (obrázok 5), ktorá predstavuje možné elektrické preťaženie v prípade zlého alebo nesprávneho elektrického kontaktu počas montáže alebo testu svietidla. Vrchol, ako je vidieť na obrázku 5, je úmerný rozdielu medzi maximálnym výstupným napätím zdroja bez zaťaženia a celkovým priepustným napätím reťazca LED. To znamená, že čím väčšia je medzera, tým vyššia je pravdepodobnosť poškodenia LED spôsobeného nesprávnou prevádzkou alebo zlým elektrickým kontaktom.

Obrázok 5 Test „hot plug current peak“ predstavuje možné nadmerné napätie a možno odhadnúť pravdepodobnosť poškodenia LED spôsobeného nesprávnou prevádzkou

Aby ste predišli poruchám EOS spôsobeným takýmto spôsobom, je dôležité dodržiavať montážne postupy, ktoré vylučujú potenciálne scenáre pripojenia za horúca, a zvoliť vhodný zdroj napájania a konektory.

Počas procesu montáže nesmie byť napájací zdroj zapojený do elektriny, kým nie je LED doska pevne pripojená. Okrem toho doska LED nesmie byť odpojená od napájania pred vypnutím napájania. Použitie napájacieho zdroja so zabudovaným obmedzením prúdu by tiež zvýšilo bezpečnosť montáže a zároveň by predišlo prípadným ľudským chybám.

Napokon, kvalita konektora je rozhodujúca. Nekvalitné konektory s uvoľneným elektrickým kontaktom fungujú ako "horúca zástrčka" - aj keď je doska elektricky pripojená k zdroju napájania. Vo všeobecnosti, ak LED bliká  je pravdepodobné, že za tým bude prúdový impulz, čo môže byť znakom EOS a bude si to vyžadovať ďalšie skúmanie. Dodržiavaním týchto jednoduchých pravidiel sa možno vyhnúť akýmkoľvek možným EOS počas montážnych operácií.

Testy

Medzi ďalšie potenciálne problémy výrobnej prevádzky, ktoré môžu generovať elektrické prepätie, patria testy v obvode a laboratórne testy. Tieto testy predstavujú vysoký potenciál pre EOS – a najmä EOS s možnosťou výmeny za chodu.

Testy v obvode majú tendenciu byť automatizovanými procesmi a môžu byť užitočné, keď sa vykonávajú správne. Aby sa predišlo riziku EOS, je nevyhnutné, aby softvér stroja vykonávajúci test bol naprogramovaný tak, aby postupoval podľa tohto postupu krok za krokom: V prvom rade pripojte sondy; aplikujte napájanie; odstráňte napätie z obvodu a nakoniec odstráňte kontakt sondy. Dodržaním tohto procesu bude budiaci obvod úspešne testovať LED bez toho, aby spôsobil akékoľvek jeho poškodenie.

Aby sa zabezpečilo, že softvérová chyba nepoškodí LED, najlepšou možnosťou je použiť zdroj konštantného napätia s odporom v sérii na obmedzenie testovacieho prúdu. Tento typ testu nemožno vykonať pri meraní prúdu LED, CCT a Vf, pretože zmeny napätia v priepustnom smere od LED k LED by mohli ovplyvniť tieto parametre. Vo všetkých ostatných prípadoch je to však veľmi bezpečný spôsob testovania LED diód v obvode.

Laboratórne testy sú kritickejšie, pretože dosky sa zvyčajne testujú manuálne a potenciál ľudskej chyby je veľmi vysoký. V niektorých prípadoch sa používa napájanie konštantným prúdom, zatiaľ čo v iných je preferovanou zákazníckou voľbou je laboratórny zdroj s obmedzením prúdu – obe sú veľmi nebezpečné. V prípade napájania konštantným prúdom, ak sekvencia nie je vykonaná vždy dokonale, LED sa poškodí, zatiaľ čo v druhom prípade existuje množstvo variánt, ktoré by mohli poškodiť LED.

Pri použití zdroja konštantným prúdom sa odporúča umiestniť na kábel dve tlačidlá, ktoré pripájajú zdroj k zástrčke. Týmto spôsobom bude každý operátor – dokonca aj nevyškolený operátor – nútený najskôr pripojiť dosku LED k zdroju napájania a potom stlačiť dve tlačidlá.

Aj keď je napájací zdroj zapojený, primárny stupeň nie je elektrifikovaný dvomi tlačidlami, ktoré otvárajú obvod. Tento test by bolo možné spustiť iba jedným tlačidlom, ale inštalácia druhého efektívne zamedzuje operátorovi od stláčania tlačidla pri súčasnom pripájaní dosky k druhému čo zaisťuje bezpečnejší proces.

Pri použití laboratórneho napájacieho zdroja s obmedzením prúdu existujú dve hlavné riziká – prvým je jednoducho to, že niekto môže nedobrovoľne pohnúť jedným z gombíkov, čo spôsobí namáhanie LED v dôsledku zmeny nastavenia. Druhé riziko spočíva v tom, že napájací zdroj neustále beží a výstupný stupeň je pod napätím a ak je obvod obmedzenia prúdu umiestnený pred výstupnými kondenzátormi, obmedzenie prúdu začne fungovať, keď už sú LED diódy poškodené. Napriek tomu, že je to vnímané ako veľmi bezpečný testovací režim LED, nie je to tak.

Pole hot-plug a dlhé káble

Ale polovodičové svietidlá nie sú navrhnuté tak, aby boli len skladované, a mnohé riziká EOS existujú aj mimo výrobnej fázy. To je dôvod, prečo sa technici snažia predvídať potenciálne spúšťače EOS po inštalácii zariadenia. Pre vonkajšie aplikácie to znamená zváženie rôznych poveternostných podmienok a elektromagnetických polí, ako aj cyklov zapnutia/vypnutia a iných indukovaných magnetických polí pre vnútorné aplikácie.

V súčasnosti je väčšina LED svietidiel vybavená vstavaným ovládačom, ktorý chráni pred hot-plugingom počas fázy inštalácie. V ranej ére zavádzania LED boli tri LED lampy MR16 zničené počas fázy inštalácie zapojením za chodu. Mať ovládač na doske alebo spolu v kryte svietidla tiež zabraňuje EOS spôsobeným dlhými káblami, ktoré spájajú dosky LED so zdrojom napájania a fungujú ako antény. Spájajú všetky elektromagnetické polia produkované rádiovými systémami, výťahovými motormi atď.

V niektorých prípadoch zákazníci umiestnia na dosku LED supresor prechodného napätia (TVS), aby zabránili tomuto typu EOS a "horúcich zástrčiek", ale to nie je účinné z dvoch dôvodov. Po prvé, tieto EOS sú vysokofrekvenčné signály, ktoré obchádzajú tieto supresory, a po druhé, elektrické charakteristiky LED a TVS sa nezhodujú.

Obrázok 6 zobrazuje sériu 12 LED "typického" a "maximálneho" priepustnáho napätia. TVS by sa mal zvoliť s minimálnym prierazným napätím vyšším ako je maximálne priepustné napätie LED pri maximálnom jase. To je nevyhnutné, pretože TVS paralelne s LED reťazcom nesmie absorbovať žiadnu energiu v štandardných pracovných podmienkach.

Obrázok 6 Zle navrhnutý supresor prechodového napätia, ktorý nikdy nechráni LED, pretože nepretína krivky LED

Na obrázku 6 zelená krivka TVS nikdy nepretína krivky LED, čo znamená, že TVS nikdy nebude chrániť LED. Namiesto toho LED pohltí celý EOD.

Podrobne preskúmame, ako navrhnúť obvod na ochranu pred spoločným režimom alebo diferenciálnym režimom EOS, ale najskôr sa bude diskutovať o najlepšom návrhu PCB.

Dizajn PCB

Aby sa predišlo akejkoľvek potenciálnej nebezpečnej vodivej ceste medzi krytom svietidla alebo chladičom a  LED, je veľmi dôležité, aby doska s plošnými spojmi (PCB) bola navrhnutá tak, aby udržiavala vhodnú vzdialenosť od medených podložiek a okrajov iných kovových častí. pripojený k krytu. Na obrázku 7 musí byť medená dráha v blízkosti okraja ponechaná cez izolačnú vzdialenosť. Minimálna navrhovaná vzdialenosť je 3 mm, aj keď odporúčaná vzdialenosť je vo všeobecnosti od 5 do 7 mm, ak je to možné.

Ďalším kritickým aspektom návrhu PCB sú medené stopy v blízkosti skrutiek. Vzdialenosť musí byť vypočítaná s ohľadom na priemer hlavy skrutky a nie na otvor PCB. Keď sú vodiče prispájkované na doske plošných spojov namiesto použitia konektora, je veľmi dôležité, aby izolácia vodičov kábla zakrývala spájkovaciu podložku a neznižovala povrchovú vzdialenosť.

PCB používaná pre LED dosky je zvyčajne na báze hliníka. Hliník a meď sú oddelené dielektrickým materiálom, ktorý zabezpečuje elektrickú izoláciu medzi oboma kovmi. Toto dielektrikum by malo byť dostatočne tenké, aby zaručilo dobrý prenos tepla z LED do krytu svietidla, ale dostatočne hrubé, aby poskytovalo dostatočnú elektrickú izoláciu. Normálne je hliník PCB v priamom kontakte s chladičom zariadenia, takže jedinečnú izoláciu zaručuje dielektrikum PCB. Z tohto dôvodu je kľúčové, aby predajca DPS garantoval minimálnu hodnotu prierazného napätia DPS pre všetky dodávané DPS.

Ak niektorá z povrchových vzdialeností alebo prierazné napätie dosky plošných spojov nie sú dostatočné na to, aby odolali nárazom prostredia, existuje riziko vzniku elektrických oblúkov a výbojov a LED bude namáhaná a poškodená EOS (obrázok 7)

Obrázok 7: Ak niektorá z povrchových vzdialeností alebo prierazné napätie PCB nie je dostatočné, riziko poškodenia EOS je veľmi vysoké

Prepätie v spoločnom a diferenciálnom režime

Väčšina používateľov LED bude pravdepodobne oboznámená so scenármi načrtnutými vyššie. Pred skúmaním ďalších situácií spôsobujúcich EOS je dôležité porozumieť priemyselným predpisom a triedam ochrany.

Medzinárodná elektrotechnická komisia (IEC) a IEC61140:2016 definujú pravidlá ochrany ľudí pred úrazom elektrickým prúdom. V závislosti od krajiny a typu produktu existujú rôzne požiadavky na úroveň izolácie pre zariadenia predávané na každom trhu.

Najbežnejšie používané klasifikácie izolácie sú trieda I a trieda II. Svietidlá triedy I musia mať kryt pripojený k uzemneniu pomocou špeciálneho kábla. Na druhej strane svietidlá triedy II sú navrhnuté tak, aby poskytovali požadovanú úroveň bezpečnosti bez akéhokoľvek elektrického uzemnenia.

Tieto dve rôzne klasifikácie spôsobujú, že polovodičové svietidlo sa správa úplne iným spôsobom, keď je vystavené namáhaniu prostredia. Vo všeobecnosti, ak je elektrické uzemnenie vykonané efektívnym a spoľahlivým spôsobom, svietidlá triedy I menej trpia zlyhaním EOS, ale v skutočnosti musia byť oba typy svietidiel navrhnuté efektívne, aby sa predišlo poškodeniu EOS. Ďalším dôležitým predpisom, ktorý treba zvážiť, je IEC60598-1:2014, ktorý definuje všeobecné požiadavky a testy pre svietidlá vrátane polovodičových svietidiel. Toto vydanie z roku 2014 nahradilo verziu z roku 2008 a poskytuje relevantnú zmenu pre produkty triedy II.

Tieto komponenty musia vyhovovať príslušným predpisom IEC. Pri svietidlách triedy II je možné pridať špecifické komponenty spájajúce LED dosky s telom svietidla. To umožňuje analyzovať, ako vyzerá obvod LED počas rýchleho prechodného napätia. Obrázok 8 zobrazuje dve LED v sérii s jednoduchým modelom, ktorý zobrazuje LED a ESD ochranu zabudovanú v spoločnom púzdre. Tento model nezohľadňuje všetky parazitné komponenty ani vplyv tepelnej podložky LED. Tepelná podložka je životne dôležitá podložka, ktorá umožňuje LED efektívne prenášať teplo zo zdroja (spoja) do vzduchu prostredníctvom ďalších kovových častí.

Obrázok 8 Jednoduchý model dvoch LED v sérii s ESD ochranou

Pre veľmi dobrý prenos tepla by mala byť tepelná podložka pripojená k veľmi veľkej medenej ploche na doske plošných spojov. Teplo sa tak šíri horizontálne a vďaka veľkej prenosovej ploche ho následne efektívne prenáša vertikálne na hliníkovú vrstvu DPS. Dva kovy oddelené izolátorom vytvárajú kondenzátor, čo znamená, že PCB sú kondenzátory, ktoré by sa mali brať do úvahy pri tejto konkrétnej analýze. Táto parazitná kapacita môže byť veľká alebo malá v závislosti od dizajnu PCB a použitého materiálu. Nemožno ho ignorovať a je dôležité pochopiť, ako ho spravovať, aby ste sa vyhli problémom s EOS.

LED a TVS by sa dali modelovať veľmi komplexným spôsobom a pre ľudí, ktorí radi trávia hodiny pri simuláciách, je to skvelý spôsob, ako sa zabaviť. Na účely tohto článku sa používa iba zjednodušený model s kondenzátorom pripojeným elektronicky paralelne k ostatným komponentom, ako je znázornené na obrázku 9. Kvôli parazitnej kapacite medzi každou tepelnou podložkou k zemi je dôležité pochopiť, ako ich pripojte. Existujú dve možnosti: Nechajte ich oddelené alebo ich pripojte.

Obrázok 9 Zjednodušený model zapojenia LED a TVS s kondenzátorom

Existuje tiež možnosť nechať ich elektricky "plávať" alebo ich pripojiť na potenciál elektrického napätia. "Nechať ich plávať" je pomerne nebezpečná možnosť, pretože akékoľvek napätie v bežnom režime sa aplikuje priamo medzi tepelnú podložku a elektrické vývody LED - anódu a katódu. To vytvára fatálny EOS, akonáhle pokles napätia medzi bodmi označenými modrými šípkami (obrázok 10) presiahne izoláciu obalu LED. Pokiaľ ide o materiál obalu LED, keramika poskytuje oveľa lepšiu izoláciu ako plast a v závislosti od vzdialenosti medzi vývodmi je možné mať izolačné napätie obalu v rozmedzí od niekoľkých desiatok do stoviek voltov. V každom prípade by signály v bežnom režime mohli ľahko dosiahnuť tisíce voltov, čím by sa generovalo elektrické preťaženie LED.

Obrázok 10 Ponechanie plávajúcej LED a TVS je relatívne nebezpečná možnosť

Pripojenie tepelnej podložky LED k referencii napätia chráni LED pred EOS generovaným napätím v bežnom režime. Signál sleduje cestu smerom k zemi cez parazitnú kapacitu tepelnej podložky a napätie na púzdre LED je obmedzené. Teraz je potreba pripojiť tepelnú podložku k nejakému elektrickému potenciálu jasná, ale stále existuje možnosť nechať ich oddelené alebo ich všetky spojiť.

Obrázok 11 znázorňuje obvod svietidla namáhaného diferenciálnym režimom. Červená šípka ukazuje smer signálu stresu pri kladnom ráze, zatiaľ čo modrá šípka je pri zápornom ráze. Na účely tohto článku bude zahrnuté pripojenie tepelnej podložky k anóde, ako aj jej pripojenie ku katóde.

Obrázok 11 Napätie svietidla spôsobené diferenciálnym režimom (červená šípka ukazuje smer signálu napätia pri pozitívnom raze, zatiaľ čo modrá šípka je na negatívny nárast)

V prípade kladného rázu a tepelnej podložky je pripojená k anóde, napätie sa rozdelí medzi štandardnú cestu cez reťazec LED a parazitnú kapacitu medzi tepelnou podložkou a zemou. Deliaci pomer je určený pomerom impedancie dráhy LED smerom k zemi a prvou parazitnou kapacitou tepelnej podložky. Je zrejmé, že po pripojení tepelnej podložky je parazitná kapacita n-krát väčšia (kde n je počet LED) a impedancia je n-krát menšia – absorbuje veľkú časť napätia.

To znamená, že je lepšie spojiť všetky tepelné podložky, ako ich nechať oddelene. V prípade negatívneho stresového signálu bude celý signál prechádzať cez CLED, pričom LED bude polarizovaný opačným spôsobom. Impedancia CLED je pomerne vysoká – a preto bude aj spätný pokles napätia pomerne vysoký. ESD TVS prispieva k zachyteniu signálu, ale pretože napätie je viac v strednej energii, LED je EOS poškodená touto reverznou polarizáciou.

Keď sa signál objaví po prvej LED, nájdesi  parazitnú kapacitu tepelnej podložky, aby dosiahla elektrickú zem. Ostatné LED diódy na vetve sú namáhané, ale čoraz menej, pretože každá tepelná podložka C v sérii absorbuje časť stresového signálu.

Keď sú tepelné podložky pripojené ku katóde, kladné napätie úplne prechádza cez prvú LED, čím ju poškodzuje viac ako v predchádzajúcom prípade s anódovým pripojením. V prípade negatívneho namáhania je však posledná LED zo série namáhaná menej.

Vďaka tejto prvej analýze by mala byť tepelná podložka LED úplne spojená a potom pripojená na anódu pre kladné napätie a na katódu pre záporné napätie. Nie je možné vedieť, akému typu namáhania (pozitívnemu alebo negatívnemu) svietidlo čelí; preto najlepšia konfigurácia je symetrická, ktorá rozdeľuje reťazec LED na dve skupiny so zrkadlovou konfiguráciou (obrázok 12). Tepelná podložka LED na kladnej strane musí byť pripojená k anóde a tá na zápornej strane musí byť pripojená ku katóde.

Obrázok 12 Rozdelenie reťazca LED do dvoch skupín so zrkadlovou konfiguráciou je najlepšia konfigurácia, pretože človek nevie, aký typ napätia (pozitívne alebo negatívne) nastane

Na ďalšie zlepšenie ochrany tohto silného riešenia sú pridané dva dodatočné kondenzátory CP a CN na pozitívnych a negatívnych skupinách LED. Oblasti tepelnej podložky a CP a CN musia byť správne navrhnuté a zvolené, ale to je možné len pri práci na fyzickom okruhu zákazníka. Netreba zabúdať, že IEC 60598-1:2014 umožňuje použiť vhodné komponenty na pripojenie tela svietidla ku kladným alebo záporným svorkám výstupu napájacieho zdroja. To ďalej zníži potenciálne vplyvy EOS na LED diódy.

Záver

EOS môže generovať množstvo podmienok, a preto sú stále hlavnou príčinou zlyhania LED pred koncom očakávanej životnosti LED. Dôvody pre EOS sú zložité a operácie a premenlivé podmienky, ktoré môžu viesť k EOS, sú viaceré.

Vyššie uvedený článok skúma všetky možné škodlivé podmienky a sumarizuje opatrenia, ktoré je potrebné prijať počas procesu výroby svietidiel a na úrovni obvodu, aby bolo každé polovodičové svietidlo bezpečnejšie a malo dlhú životnosť.



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis