LED OLDAL

 

 

 

Miért hoztuk létre a LED labort?

 

1)     A LEDek előtt szó szerint fényes jövő áll.

2)     A felhasználóknak csak egy kis része számára kifizetődő főállású specialistát alkalmazni, drága mérőeszközöket beszerezni.

3)     Az ipar mai kiterjedt munkamegosztási rendszerébe jól beleillik egy eseti segítség nyújtására képes specialista megjelenése.

4)     Olyan cégnél is felmerülhet LED alkalmazás, ahol egészen más irányú képzettséggel rendelkező szakemberek tevékenykednek.

5)     A LEDet mint fontos építőelemet alkalmazó termék minőségbiztosításánál szükség lehet speciális célműszerekre, eljárásokra, eseti szakértőre.

6)     LEDet már sokan és sokféle célra gyártanak, gyakran igen szűkös, vagy nulla műszaki támogatást, háttér információt adva a felhasználónak. Igaz, cserébe igen alacsony árakkal kecsegtetnek az ilyen gyártók. Esetleg megéri helyben biztosítani a szük-séges hátteret.

7)      Tömeges meghibásodás esetén – bármilyen olcsó LEDről is legyen szó – a termékre vetített hatás jelentős lehet, vagy akár katasztrófális is. A hiba elemzése és a jövőbeni kiküszöbölése alapvető érdeke a gyártónak.

 

 

2008. Januárjától üzembe helyeztük az új ALI “B” mérő összeállítást, (ALI = Avarage Light Intensity)

A mérés a CIE127 előírása szerint történik, 100 mm távolságban elhelyezett 100 mm2 felületű érzékelővel.

A gyári candela adatokat is ilyen eljárással mérik. A szükséges etalonok beszerzése révén lehetővé vált abszolút mérések végzése is.

 

 

LEDes alap információk

 

Sok félreértés és téves hiedelem létezik a LEDekkel kapcsolatosan:

A legtöbb tévhit a LED és az izzólámpa alkalmazási területeinek átfedése miatt keletkezett. Sokan nem veszik figyelembe, hogy a LED egy alacsony záró irányú feszültséggel valamint a félvezető átmenet kémiai adalékolásától függő, viszonylag magas nyitó feszültséggel rendelkező DIÓDA.

Ezért körültekintően kell eljárni a meghajtását illetően. A legelterjedtebbek a 20mA ajánlott munkapontú LED-ek. A világítási célú LED-ek esetén nem ritka a 350mA, 700mA,  1,5 A ajánlott munkapont. Nem szabad tehát közvetlenül a tápfeszültségre kötni a LED-et mint egy izzót.

Másik fontos eltérés az izzóktól, hogy a LED-nek nincs akkora hő-tehetetlensége, mint egy izzólámpának. Ebből két dolog is következik: először is a LED fénye azonnal követi a gerjesztő áram változásait félhullámú, vagy impulzus meghajtás esetén.

Ugyancsak fontos következmény, hogy a LED érzékenyebb a túlhajtásra, még akkor is, ha az átlagos igénybevétel nem haladja meg az egyenáramú meghajtás esetére megadott névleges áram értéket. Az abszolút maximális áramra vonatkozó adatok többnyire szerepelnek ugyan a LED katalógus lapján, de az élettartam kihatásokról ritkán esik említés.

Biztonságos üzemeltetés csak a LED fényerő/nyitóáram karakterisztika viszonylag egyenes szakaszának közepén lehetséges. A túlhajtás a lankásabb szakaszra esik, ahol nagyobb áram növelésre is csak kis fényerő növekedés esik. Hőtermelés viszont annál inkább.

 

A katalógus:

 

A katalógus adatok az ajánlott munkapontra vonatkoznak, még a részletesebb katalógusok is csak tájékoztató jellegű görbét adnak meg a hullámhossz, fényerő értékek és a gerjesztő áram összefüggésére. Ha tehát az ajánlott gerjesztéstől eltérünk valamilyen okból, célszerű méréseket végezni a tényleges adatokra vonatkozóan. Egy-egy széria viselkedése ebből a szempontból homogén, elegendő néhány statisztikai alapon kiválasztott példány méretése.

Hasonlóan célszerű méréseket végez(tet)ni az impulzus üzemű meghajtás maximális áram értékénél. Ugyanígy az ajánlottnál sokkal alacsonyabb meghajtó áram esetére is mérés végzése célszerű, amennyiben fontosak a paraméterek.


Optikai tulajdonságok:

 

Az átlagos izzólámpa nagyjából gömbsugárzó. A LED chip legfeljebb 180 fokos szögben sugároz, a fény eloszlása jelentősen eltér az izzószálhoz képest. A chip kis mérete miatt a huzal-bekötés és az elvezetés árnyékoló hatása nem elhanyagolható.

A tokozás optikai tulajdonságai is jelentős minőségi eltéréseket eredményezhetnek. Az optikailag korrekt megoldású LED nem túl gyakori, a modellek többségénél takarékossági okok miatt nem törekednek homogén sugár-eloszlás megvalósítására.

A LED elé tartott matt fólián látható kép sokat elárul arról, figyelt-e a gyártó a sugár eloszlásra.

 

A LED világítás és a megszokott fényforrásaink:

 

Érdekes adatokhoz juthat az ember, ha figyelmesen áttanulmányozza az OSRAM cég honlapját. Az OSRAM a világítástechnika teljes palettájával foglalkozik, egy helyen megtalálható a hagyományos izzószálas lámpa, a halogén lámpa és a kompakt fénycső is.

*Egy kripton töltésű minőségi izzó 60W névleges teljesítmény esetén 710 lument ad le. Ez közel 12 lm/W hatékonyságú világítást jelent. Élettartama 1000 óra körüli.

*Hasonló teljesítményt felvevő 60W halogén már 820 lm leadására képes. Ez kereken 14 lm/W hatékonyságot jelent. Élettartama 2000 óra.

*Fénycső esetén, ha egy tartós és korszerű típust választunk, 70W felvett teljesítmény 6500 lm leadását teszi lehetővé. Ez kereken 93 lm/W hatékonyság, ami figyelemre méltó eredmény. Élettartama kb. 15000 óra.

*LED fényforrások még többnyire a néhány Watt teljesítmény tartományra készülnek. Egy 3,6W teljesítményt felvevő LEDes sugárzó eléri az 50-60 lm/W hatékonyságot, de már kaphatók 100 lm/W feletti értékkel rendelkező LED modulok is. Élettartamuk 50000 óra körül van.

 

Hosszú élettartama, hatékonysága, gyors működése és alacsony hő-kisugárzása miatt a LED igen előnyösen alkalmazható világítási célra.

A fénycső eszközök törékenyek, jelentős ultraibolya és infra tartományú kibocsátásuk van. Lassú a teljes fényerő elérése bekapcso-lás után.
A hagyományos izzók kisugárzott teljesítménye zömmel az infravörös tartományba esik, nagyon melegítenek. Ezek is törékenyek.
A halogén izzók a hagyományos izzók javított változatai, de hasonló gondokat okoznak.

Jelenleg a LED előretörésének idejét éljük. A miniatűr jelzőlámpa alkalmazásokból már szinte teljesen kiszorultak az izzók, egyre több SPOT alkalmazásban is bizonyítottak már a LEDek. A technológia fejlődése meghozta már az 50-100 W teljesítményt felhasználó LED modulokat is. Tömeges elterjedésük csak idő kérdése.

 

A LED világítási célú felhasználásának néhány fontos szempontja.

 

Vannak alkalmazások, amelyekben különösen előnyös LEDet alkalmazni.

Gyakori be és kikapcsolás esetén a LED nem károsodik, ellentétben az izzólámpával vagy fénycsővel.
A LED aktív felülete kicsi, könnyebb fókuszálni a fényét, kis méretű lámpák építhetők vele.
Alacsony hősugárzása miatt pl. bútorba építése egyszerűbb és veszélytelenebb. Nagy élettartama is előny ilyen esetekben.
Színes világítás esetén a monokromatikus LED fényforrás nem igényel színszűrőt, ellentétben az izzólámpával.

A megfelelő LEDes fényforrás kiviteli formájának kiválasztásakor érdemes megfontolni, hogy több kis teljesítményű LEDből álló csoportot, vagy nagy áramú LEDet előnyösebb alkalmaznunk.

A LED meghajtása szabályozott áramú, szinte kizárólag kapcsoló-üzemű tápegységekkel történik. A kapcsoló-üzemű szabályozók jelemzően 70-90 % hatásfokúak. Egy LEDes világító eszköz hatásfokának kiszámításakor figyelembe kell venni a meghajtó áramkör hatásfokát is!

A fényerő szabályozása LED esetén nem a meghajtó áram, hanem a bekapcsolt és kikapcsolt állapot közötti gyors váltások ütemé-nek módosításával célszerű. Ez az un. impulzus kitöltési tényezős szabályozás. Ma már erre szakosodott cégek kínálnak meghajtó áramköröket szabályozható, vagy fix kimeneti teljesítménnyel.

 

Power LED kiviteli példák:

 

                        

1.     ábra                           A Seoul Semiconductors 10W teljesítmény felvételű LEDje

 

Ez a LED 700-900 lm leadására képes, ami 70-90 lm/W hatékonyságot jelent. Összehasonlításul: egy közönséges 60W-os izzó mint azt már említettem, kb. 700lm fényt bocsájt ki. Persze ez a LED ujdonság, és csúcs terméknek számít. A Seoul az élmezőnybe tarto-zik, számos szabadalom birtokosa. Szorosan nyomulnak mögötte a második vonal cégei is. A HueyJann például erdményesen alkal-mazza saját fejlesztésű szerelési technológiáját 1-100W névleges teljesítményű Power LEDek előállítására. A chipek és az un. foszfor bevonat a legjobb háttéripari gyártóktól származnak.

 

2. ábra a HueyJann 100W-os LEDje

 

A 100W-os led fotója. Aluminium hordozóra szerelték, hogy a hűtése minél egyszerűbb legyen.
Kb 100W-nyi hő elvezetésére van szükség! Ez már komoly termikus tervezést igényel.
Az alu tartó
mérete 56 x 40 mm.

 
                                                               


 

 

 

 

 

A LED 35V nyitófeszültséget igényel és 2,8A árammal kell meghajtani. Kereken 6000lm a fény kimenete, ami 60lm/W hatékonyságot jelent.

Ugyanez a cég gyárt 1W-os LEDet is. 3,3 V nyitófeszültség és 0,35A meghajtó áram mellett 85lm leadását várhatjuk tőle.
Figyelemre méltó a hatásfoka: 85lm/W. 

 

                                                         

A jellegzetes csillagforma, amit a power LED gyártók előszeretettel alkalmaznak az 1-5 W névleges teljesítményű LEDek hordozó-jaként. Ez a csillag egy Al lemez alapú nyomtatott áramkör és a hő könnyebb elvezetése miatt alkalmazzák. Enélkül a technológiai újítás nélkül nem lett volna lehetséges a tejesítmény LEDek tömeges elterjedése.

 

Sok kisteljesítményű LED, vagy egy Power LED az előnyösebb?  Számoljunk!

 

Egy jó minőségű 5 mm átmérőjű fehér fényű LED 60-70 mW teljesítményt vesz fel nyitófeszültségtől függően.  3-4 lm fény kibocsájtással számolva 45-70 lm/W közötti hatásosságot kapunk. A minőségi 5 mm-es LED ára 20 Ft körül mozog nagy tételben.

Tizenhét darab minőségi 5 mm-es LED felel meg egy darab 1W-os Power LEDnek. 340 Ft áron kellene kapni az 1W-os LEDet, hogy ugyanannyit fizessünk Wattonként. Számolni kell a technológiai költségekkel is. (Nyomtatott áramkör kontra Al szerelő lemez.)

A meghajtásról mindkét esetben gondoskodni kell, ez a tétel kiesik az összehasonlításból. Úgy tűnik, jelenleg még a sok kicsi olcsóbb, ha nem kell ragaszkodni a kis mérethez. Ez a helyzet változni fog, amint javul a Power LEDek kihozatala és növekszik a gyártott mennyiség. A Power LEDekhez kevesebb műgyanta kell és jobban kézben tartható a sugáreloszlásuk.

A világításban előbb-utóbb a Power LED fog győzni.

 

Szín visszaadás a LED világítás fényében

 

A mesterséges világításnál érzékelt színeket a nappali fényben észlelt látványhoz hasonlítjuk. Akkor tekintjük egy munkafelület, vagy helyiség megvilágítását jónak, ha a lehető legjobban utánozza a nappali kürülményeket. A jelenleg kapható LED lámpák nem tűnnek ki ebből a szempontból. A fénycsőgyártók is hoszú idő alatt fejlesztették ki a speciális fényporokat, hogy elérjék a kívánt hatást. Ha egyáltalán nem lenne fénypor bevonat a fénycső belső falán, egy lilás kisülési nyalábot látnánk csak.

A LED világításnál van egy kiút ebből a problémából: a kevert fény előállítása. Bár ez a módszer költségesebb, de elegendő számú különféle hullámhosszon sugárzó LED fényének keverésével igen jó hatás érhető el. A megoldás akkor tekinthető korrektnek, ha a szín komponensek intenzitási viszonya állandó marad egy esetleges fényerő-szabályozás esetén is.
Véleményem szerint a színpadi világítás és az épületek dísz világítása lehet a kísérleti terepe ennek a megoldásnak. Itt már vezérlés technika kell, és a „végtermék” folyamatos ellenőrzése megfelelő szín-érzékelőkkel. A kísérletek harmadik terepe a videó megjelenítők, kijelzők ipara. A képernyők zöme már LCD technológán alapul. Mivel nincs saját fénye az LCD-nek, un. háttérvilágításra van szükség. Színes LCD esetén ismét felmerül a színhűség mint követelmény. Húzó iparágként a háttér-világítás fejlesztői tudják „kitenyészteni” az igényes munkavilágítások fényforrásait. A gépkocsi-ipar világítási beszállítói is komolyan foglalkoznak a kérdéssel, speciális szempontok alapján. (káprázás, színérzékelés, sötét környezet)

A HueyJann minták

 

A tesztelésre előkészített 20W-os Led hűtőbordára szerelve

1 W-os LED mérő adapterre szerelve

A minták beváltották a hozzájuk fűzött reményeket. Az 1W-os csillag formájú szerelvény könnyen rögzíthető, 9-10 cm2 felületű lemezre szerelve már nem melegszik túl.
A 20W-os LED komolyabb hűtést igényel. A fotón látható hűtőbordával tartósan üzemeltetve, a hűtőborda elérte a 60C0 hőmérsékletet. Ez azt jelenti, hogy konvekciós hűtés esetén nagyobb hőleadású borda szükséges. Forszírozott léghűtés (ventilátor ) esetén elegendő volt a LED fémlapjának 40 C0 fokon tartásához. A HueyJann LEDeket a Macro Budapest KFT (www.macrobudapest.hu ) forgalmazza.

 

 

Meghajtó áramkörök

 

1W-os LEDhez az LTC3490 típust próbáltam ki. Az SO8 tokozásu IC minden szükséges aktív elemet tartalmaz. Egy db 3,3 uH induktivitás 2,6 A maximális DC áram komponenshez méretezve, és 1db 4,7uF / 10V kerámia kondenzátor szükséges ezen kívül.

Ha az áramgenerátor szabályozása kívánatos, még egy ellenállás-osztó is szükséges. Az áramkör elfér a LED hűtőfelülete mögött.

 

 

elvi rajz

 

 

 

A példa áramkör alacsony feszültségű (telepes) táplálásra vonatkozik. A cells bemenet tápra kötve 2 cella, földre kötve 1 cella használatát teszi lehetővé. Ha a LED nyitófeszültségénél magasabb a táplálás, lefelé konvertáló áramkör szükséges

Ha hálózati feszültségről működtetjük a LEDet célszerű tanusítvánnyal rendelkező kész előtétet választani. A saját tanusíttatás költségei csak nagy darabszám gyártása esetén térülnek meg.

 

1W–10W  LED Power Supply

Hálózati adapter 1-10W LED számára

Az előtét áramkör két paramétere fontos: a meghajtó áram és a kimenő feszültség maximális értéke. Ez utóbbi dönti el, hány darab sorba kötött LED lehet az áramkörbe kapcsolva.

 

 

 

A világító diódák meghibásodásának mechanizmusa és okai

 

 

Meghibásodási típusok általában:

 

1. Korai meghibásodás

Ez az esemény bekövetkezhet hibás áramköri konstrukció, helytelen kezelés, gyártási hiba vagy a felhasznált alkatrész nem megfelelő minősége miatt.

 

2. Normál üzem közbeni meghibásodások

Jellemzően konstrukciós hibákra vezethetők vissza, melyek miatt valamelyik paraméter szempontjából túlterhelésnek van kitéve az alkatrész.

 

3. A berendezés specifikációját meghaladó igénybevétel, környezeti adatok okozta meghibásodások.

 

4. Kulcsfontosságú alkatrészek elöregedése miatti hibák

 

A világító diódák, továbbiakban LEDek sok alkalmazásban alárendelt szerepet játszanak, ilyenkor nem foglalkoznak az esetleges meghibásodásuk következményeivel. Vannak viszont olyan eszközök, melyekben kulcs szerepet szánnak a LEDnek. Ilyen esetekben fontos ismerni a LEDek meghibásodásával kapcsolatos jelenségeket.

 

A LEDek élettartamának végét a fényerő felére csökkenésében határozzák meg a gyártók.

Természetesen a világítás teljes hiánya mint ennek szélső esete szintén ide sorolható.

 

Az izzólámpák analógiájára gyakran beszélnek a LED „kiégéséről”. Ennek van némi alapja olyankor, ha szakadás jellegű meghibásodás  történik.

Ez a jelenség a bondoló huzal szakadása, a chipről való leválása eredményeként következhet be, amit áramlökés, és mechanikai stress egyaránt kiválthat. Mechanikai stress kialakulhat nagy hőingás esetén, például a nyomtatott áramkör és a LED tokozásának hőtágulása közötti jelentős eltérés miatt, vagy a LED epoxi kiöntő anyagának meglágyulásig hevülése révén. Katasztrofális áramlökés főleg ESD, de hibás áramköri méretezés miatt is bekövetkezhet. ESD-re a zafir alapú chipek fokozottan érzékenyek.(kék, kékeszöld, fehér)

 

Másik forma a vezet, de nem világít jellegű meghibásodás.

Előfordulhat ez a tünet, ha a záróirányu letörési feszültséget meghaladó igénybevételnek van kitéve a LED, illetve, ha elöregedett (élettartam vége). A záróirányú feszültség tűrése különösen a zafír alapú chipek esetén alacsony. (kék, kékeszöld, fehér). Fokozott öregedést válthat ki a tartósan a megengedett maximális hömérsékleten történő üzem is, a félvezető átmenet degradációjának önmagát erősítő folyamata miatt. Szélsőséges esetben a dióda viselkedés helyett ellenállásként működik a LED.

 

 

Megelőző intézkedések.

1)     A megfelelő minőségű és a célra alkalmas LED választása. (beépített védő zener)

2)     Szigorú minőségirányítás a beérkező alkatrészre és a gyártástechnológiára vonatkozóan. (pl.. ESD védelem, idegen áru ellenőrzés, stb.)

3)     Átgondolt, a LED fizikáját és a környezeti hatásokat figyelembe vevő konstrukció.

 

Ez a tömör megfogalmazás szerteágazó teendőket takar, de vannak példák arra, hogy megvalósításuk esetén elérhető a szakirodalomban szereplő, a technika jelenlegi állása szerinti maximális élettartam.

Kis áramú LED esetén 100.000 óra reális cél, nagy áramú power LEDek esetén a 10.000  óra körüli érték jellemző.

 

 

 

 

  

 

Felhasznált irodalom:

 

- OSRAM: ESD Protection while Handling LEDs

- Electronic Letters vol.36 Issue 10 May 2000, Hyunsoo Kim, Hyundoek Yang, Chul Huh, Sang-Woo Kim, Seong-Ju Park, Hyunsang Hwang: Electromigration-Induced failure of GaN multiquantum well LED

- Dfr Solutions White Paper, By Joelle Arnold: When the Lights Go Out: LED Failure Modes and Mechanisms

- Lighting Research Center, Nnarendran, Y. Gu, J.P. Freyssinier: Failure analysis of white LEDs

 

 

A Power LED hűtése

 

A teljesítmény LEDek teljes hőtermelését a tokozás és azon keresztül a hűtőfelület vezeti le. Ráadásul az izzólámpa izzószálának magas hőmérsékletével szemben a LED chip hőmérséklete nem lehet 125 C° felett, de inkább 100 C° alatt célszerű azt tartani. Ez egyértelműen gondosabb hűtés tervezést igényel. A hőátadás mérnöki kezelésekor a hőátadási együttható a legfontosabb paraméter.

A chip által termelt hőt a chip és a tokozás közötti hőellenálláson át lehet elvezetni. A hőátadási együtható C°/ W értéke megmutatja,

hogy adott hőteljesítmény mellett mekkora hőkülönbség lesz a hőellenállás két oldalán. Két kiinduló adatot kell felhasználni a méretezéskor:

A chipen megengedni szándékozott maximális hőmérséletet, mondjuk 100C° és

az előfordulható legmagasabb környezeti hőmérsékletet.

A lényeg az, hogy a tok külső felületét az átfolyó áram és a LED nyitófeszültségének szorzatával számolható W érték és az Rθct (chip-tok hőátadás) szorzata által meghatározott hőmérsékleten kell tartani. Hasonlóan kell eljárni a tok-hűtőfelület és a hűtőfelület-környezet közötti hőátadás esetén is.  A két pont közötti láncolatban a tok-hűtőfelület és a hűtőfelület-levegő közötti hőellenállásra van valódi befolyásunk. Ezeket kell az ésszerűség határai között a lehető legkisebb értéken tartani. Ez a gyakorlaban azt jelenti, hogy a hőellenállások összeadódnak, hasonlóan az elekromos ellenálláshoz. (Termikus Ohm törvény)

3 C°/W például 20W teljesítménynél azt jelenti, hogy a chipre megengedni szándékozott 100C° esetén 40C° értéket kell tartani a termikus láncolat másik végén. A LED tokja és a hűtőborda között a hagyományos szilikon pasztán kívül, már jobban kezelhető hőátadó fóliák és ragasztók is kaphatók. Egy részük elektromosan szigetel, más részük nem. A „hűtőborda” amin nem feltétlenül bordázott felületet értünk lehet természetes léghűtésű, ventillátoros és akár folyadék hűtőközeges kivitelű is. A PC alaplapok hűtőeszközei között találunk példát mindegyikre. Kisebb teljesítményű LEDek esetén a természetes áramlás elegendő. Az alábbi kép jól szemlélteti a természetes és a ventillátoros megoldás közöti jelentős méret eltérést. Ezen az oldalon már bemutattam egy passzív hűtőt, amit  a 20W-os HueyJann LED mérésekor használtam.

 Elkészült a ventillátoros változat, amelyik 30C°hőmérsékletű volt 22C° léghőmérséklet mellett, 20W terheléssel.  A 20mx20mm méretű LED méretéhez képest szerény az 55mm átmérő és 20mm magasság méretű aktív hűtésű borda hely igénye. Hasonló hűtőbordák kísérleti célra computer bontókból olcsón beszerezhetők.

 

Új kiviteli formák és alkalmazások.

 

Mint az várható volt, megjelentek a vonal izzók LEDes megfelelői a piacon.
2009 januárjától lesz kapható a HueyJann 15W és 30W névleges teljesítményű LED csíkja.

 

 

A hasznos világító felület mintegy 10cm hosszú és 1,2 cm széles. A modulon csatlakozók is vannak. Kiállításon már láttam a mintát, remélem hamarosan módom lesz tesztelni is.

 

A Citizen hasonló jellegű 25mm x 6mm méretű csík LEDjét viszont már teszteltem. Névleges teljesítménye 7W, 2900 K° színhőmérsékletű kellemes fénye van. A leadott fény mennyiség 330 lm. Ez 47 lm/W hatásosságot jelent.
Ami érdekes volt:  Csökkentve a teljesítmény,t a lm érték nem arányosan csökkent, hanem kisebb mértékben. Itt mérhető volt az a korábbi tapasztalatom, hogy javul a hatásfok, ha nem hajtjuk ki a LEDet a gyári maximumig. 1W esetén már 63 lm/W volt ez az érték.  2900 K°színhőmérséklet esetén ez igen jó adat.

 

Meghajtó áramkör 20W-os LEDhez

 

Az LM3406 –ra esett a választásom, 1,4A konstans áramot az Rsns segítségével lehet beállítani, a Vin bemeneti feszültséget 18-24V-ra választva, kényelmesen meghajtható 1 db HueyJann 20W LED. 2cmx 3,5 cm méretű NyÁKon elfér az egész. A méretezést és a tervezési szempontokat bőségesen tárgyalja az adatlap.

www.national.com 

 

Elvi rajz és megvalósítása kézi beültetéssel

Új kísérletek és eredmények.

 

Bútorlapba süllyeszthető LED világítás, tervezési példa.

 

15 mm magas, 30mm széles, 400mm hosszúságu alu U profilt alkalmaztam korábbi hőátadási kísérletek tapasztalatai alapján. A 24000 mm2 felületű U profil maximum 8 db 1W LED hűtésére alkalmas. A csillag formájú alu PCB-re szerelt LEDeket M3 műanyag csavarokkal rögzítettem, az alu profilba fúrt menetes furatsor segítségével. Alternatív megoldásként szigetelő alátét és önmetsző csavar is megfelel. Biztonsági okokból (túlméretezés) csak 6 db LED került beépítésre. 3 db HPD8-49KWG/WPCB (hidegfehér) és 3 db HPD8-49KYWG/WPCB (melegfehér) LEDet vásároltam a Macro Budapest KFT-től. A hideg fehér 105 lm/W a melegfehér 95 lm/W hatásfokú. Az átlagos hatásfok 100 lm/W, tehát 600 lm a lámpa fénykibocsájtása. Ez egy 50W-os  krypton tőltésű normál izzónak felel meg. A LEDek 40° -os  sugárnyalábot bocsájtanak ki, munkalap világításnál ez az optimális. Az alu profilt félopál plexi lap fedi, megszünteteve a kápráztatási hatást. Ajánlatos a lámpába sorkapcsot szerelni és soros diódát (1N4001) alkalmazni fordított bekötés elleni védelemként.  Tápegységként szintén a Macro Budapestnél vásárolt CC-80350C áramgenerátoros meghajtót használtam. Ez 22 db 1W LED meghajtására alkalmas, tehát akár három sorbakötött lámpát is meg tud hajtani. Tartós üzemeltetés alatt sem emelkedett a hűtőfelület hőmérséklete 45°C  fölé.

 

Figyelem! A szekunder oldalt nem szabad kapcsolni!

 

két sorbakötött lámpa fotója beépítés előtt

előzetes kísérletek 30mm x30mm x 400mm profillal, hidegfehér LEDek

 

 350 mA LED tápegység fotója

 Szalag LED mérése

 

További mérések

Egy mérés  2W-os „no name” LED-en önmagáért beszél: 700mA meghajtás esetén 98lm értéket mértem, majd ugyanezt a LEDet 350 mA meghajtással mértem, és 56 lm volt a kibocsájtott fény. 700 mA esetén 49 lm/W míg 350 mA esetén 56 lm/W  hatásosságot jelent ez az adatsor.

Már kaphatók a HueyJann 105 lm/W (hideg fehér) és 95 lm/W (meleg fehér) hatásosságú LEDjei 1W teljesítményre. Hamarosan megmérem ezeknél is a kisebb meghajtó áram és a hatékonyság összefüggését.

 

Az áramgenerátoros tápegységekről

 

Néhány eset nyomán úgy látom szólni kell a fix áramú meghajtókról. Ezek az eszközök a megadott értéken igyekeznek tartani a LED(ek)en átfolyó áramot.
A kimenten a specifikációban megadott maximális feszültség van üresjáratban, ez az un. generátorfeszültség. Ennek értéke akár 60V vagy több is lehet. Elképzelhető, hogy mi történik, ha a kimeneti szűrőkondenzátor 60V-ra fel van töltve és rákötjük a LEDet. Azonnal tönkremegy a LED. A LED tápegységek adatlapján mindíg szerepel, hogy csak terheléssel a kimenetén szabad bekapcsolni, és a sorrend mindíg a következő: LED rákapcsolása, majd a bemeneti pl. 220V táplálás rákapcsolása. Az ilyen világításokat mindíg a hálózati oldalon kell
kapcsolni, a fázis vezető megszakításával,  a villanyszerelésben előírtaknak megfelelően.

A kimenetre annyi sorba kötött LED kapcsolható, hogy azok nyitófeszültségének összege még ne érje el a generátor feszültséget. A LEDeken a névleges áram fog folyni. Ha bármilyen okból nem lehet a hálózatot kapcsolni, dimmelhető
táp vásárlásával oldható meg a feladat és a PWM bemenetet kell lehúzni nullára.
(kikapcsolás). Mivel a kapcsoló üzemű tápoknak is van készenléti áramfelvétele, ajánlott a hálózati oldal kapcsolása.



Alkalmazási példa

A  bútorba építésre egy példát mutatok be: 3 db 1W 6000K° é 3 db 1W 3300 K° színhőmérsékletű LED felhasználásával. Kb. 580 lm a fénykibocsájtása.
A konyhabútorba két ilyen lámpa került, közös tápegységgel. 15x30x400 mm méretű alumínium profil a hűtőfelület, félopál plexi búra zárja le a profilt.
A lámpa teljesen besüllyesztésre került a 20 mm vastag alsó bútorlapba.

 

Ez a kép bekerült a LED Konferencián elhangzott előadásom ábrái közé is.
Az alábbi ábrára kattinva megnyitható az előadás. Később kiegészítem az idő hiányában kihagyott témákkal is.

Ígéretemhez híven a kimarad témákat veszem sorra:

Megelőzhető e, hogy egy beépített, többszáz órát már üzemelt LED váratlanul megszünjön világítani? A rendelkezésemre álló szakirodalom tanlmányozása és saját tapasztalataim alapján azt állítom, hogy igen.

A témával foglakozó kutatók egybehangzó véleménye, hogy egy LED esetén  fényáramának részleges, vagy teljes elvesztése a jellemző meghibásodási mód.   Két ok miatt csökkenhet elfogadhatatlan mértékben egy LED fényárama:

a)     A tokozó víztiszta epoxi átlátszatlanná válása és

b)    a félvezető átmenet degradációja.

Az utóbbit tartom fontosabbnak, mert lehet más tokozó anyagot is használni, de a kristály hibák tova terjedése a nyitóáram és réteg hőmérséklet emelkedésével fokozottan várható.

Mit tehetünk e „rizikófaktor” ellen?

1)     A lehető legjobb minőségű LED használata ( kiinduló állapotban kevesebb kristály hiba)

2)     A réteghőmérséklet alacsonyan tartása, ami a gyártó által „beépített” Rtjc azaz réteg-tok termikus ellenállás minél alacsonyabb értéke és jó termikus tervezés révén érhető el.

3)     Nagyobb felületű chip használata, túlméretezett csatlakozási fémezésekkel.

 

Ezek voltak a LED-gyártó specifikus tényezők.

      4)  Ha túlméreteztük a betervezett LED-et ( mélyen a megengedett alatti
            nyitóáram)  és elégséges hűtést biztosítottunk, megtettük a tervezéskor
            szükséges óvintézkedéseket is.

Az eddig elmondottak arra az esetre igazak, ha minden szabályosan történik a LED beépítése és meghajtása során.

-Elektrosztatikus stressz például  degradációs foltokat idézhet elő a kristály szerkezetben, melyek rohamosan terjednek az első bekapcsolás után. Ez korai meghibásodás formájában jelentkezik próba járatás során.

-Az előírt forrasztási hőprofil be nem tartása a bondoló huzalok elszakadásához, vagy a termokompressziós kötés leválásához vezethet, főleg epoxi tokozás esetén. Hasonló követekzményekkel jár a mechaniakilag feszülő alkaltrész beforrasztása. Hideg-meleg klímakamrás vizsgálat leleplezi az ilyen hibákat.

-És végül, de nem utolsó sorban a hibás tervezésű meghajtó áramkör károsíthatja a LED-et, de önmaga is lehet hibaforrás. Elkerülhető ez a hiba gondos tervezéssel.

A LED élettartamát a fényáram 30 %-os csökkenéséig eltelt időben szabják meg. Tehát szó sincs más fajta tervezhető meghibásodásról egy már működő LED esetén.
Ez az összes világító állapotban eltöltött időtartamra vonatkozik. Napi 24 órát szinte soha nem kell világítania egy fényforrásnak. Amenyiben rendelkezik egy LED-es fényforrás fényáram tartalékkal (túlméretezés), csere nékül kompenzálható a fényáramvesztés karbantartási ciklusok beiktatásával, vagy automatikus beállítás alkalmazásával. Ez a lehetőség a LEDes lámpákat kiemelkedően hosszú ideig használhatóvá teszi szükség esetén. Egyetlen más fényforrás sem ad ilyen megoldásra lehetőséget.

 

Átverés!

Egy részletes példa arra, hogyan szabadna reklámozni és gyártani LEDes lámpát. Szinte az összes szokásos hiba előfordul a példánál.

 

A lámpa kevesebb mint 4000 órát üzemelt, azután egyre gyakrabban kialudt néhány másodpercre, majd újból világított. Nosza szétszedtem. Amit találtam, az ugyan nem lepett meg, de jellemző. A sorba kötött 38 LED mintegy 120 V DC feszültségen üzemel 20 mA áram esetén.
Az áram korlátot egy 330nF-os kondenzátor hivatott megvalósítani. Egy dióda híd és egy 4,7 uF 200V –os kondenzátor van a korlátozó impedancia és a dióda hálózat közé kötve, egy 100 Ohmos ellenálláson keresztül. A 4,7 uF át van hidalva egy 47Kohmos  kisütő elenállással, az érintkezőkön keresztüli áramütés ellen. (tárolt energia!) Az alkatrészek paraméter szórása miatt pontos áram beállításról szó sem lehet, a hálózati feszültség ingadozása megjelenik a LEDeken is. A hibát az elko okozta, át-át ütve időnként. Szinte egyidőben ment tönkre két egyszerre üzembe helyezett példány.

Ennyit a technikáról.

A csomagoláson azt állítja a gyártó, hogy 40W halogénnek felel meg a lámpa. Ez nem igaz.

A halogén izzó fénye kevésbé fókuszált, sokkal nagyobb területen nagyobb megvilágítást produkál.

A hátlapon azt állítja, hogy „ IC Chip kontrollirte Technik”. Nincs IC chip a lámpában!

Azt állítja, hogy az élettartam 11.000 óra. Ez sem igaz, bár jobb minőségű alkatrészekkel esetleg tartható lenne ez a paraméter.

A fentiekből adódóan az egész megtakarítási számításuk felejthető.

Most mit kezdek az 5 év garanciával? Kapok két másik ugyanilyen szemetet?

Ennyit a reklám etikáról.

Sajnos nem ez az egyetlen ilyen „takarékos” lámpa. Sajnos itt nem az energia takarékosság, hanem a felhasznált anyagokon történő spórolás a jellemzőbb. A használati értékeket összehasonlítva, az asztali lámpa és egy zseblámpa viszonya lenne a legtalálóbb. Mindkettővel lehet világítani, de micsoda különbség!

 

Tippek LED hűtéshez

 

Mint az látható volt a bútor világítási projectben, műanyag csavarokat és szilikon pasztát alkalmaztam a hűtőcsillagok rögzítésére. A II. LED konferencia kapcsán Dobai Albert úr a az amerikai Hernon cég üzletkötője  www.hernon.eu  lehetővé tette, hogy kipróbáljam a Dissipator 746 típusu hővezető adhéziós ragasztót.

Használata egyszerű és gyors. Egy folyékony aktivátort kell felhordani a hűtőbordára és agy paszta állgu ragasztót igen vékony rétegben a LED, vagy hűtőcsillag hőátadó felületére.

Egy perc rászorítás után már nem mozdul el a LED, öt perc után már megtörténik a kötés.

12 óra után teljes a mechanikai terhelhetőség. Ezt a típusu ragasztást hőlégfúvós hevítéssel el lehet távlítani. (65-93 C°). Létezik magasab hőmérsékleten is stabil kötést adó változat is, ami sorozatgyártáshoz inkább ajánlott. LED mérések céljára ez az anyag tűnt számomra célszerűbnek.

Fontos! Csak kifejezetten hővezető ragasztókat szabad használni, mert a más célra készült különféle ragasztó fóliák, szalagok nem bizosítanak megfelelő hőátadást illetve mechanikai kötést.

 

A képen látható hűtőbordán 10 db HueyJann gytm. 1W-os 4000K° színhőmérsékletű LED
található, egyenként 110 lm fényárammal. ( forrás
www.macrobudapest.hu)  Az alkalmazás munkaasztal világítása. A hűtőborda üzemi hőmérséklete 42 C°.

Fali világítótest

Új lámpát készítettem. Két darab 15W-os LED modult használtam fel: HPLB59K15YWG a
típusszáma és 980 lm fényáramot szolgáltatnak egyenként. A színhőmérséklet 3300 K°.
1400 mA a meghajtó árama, nyitófeszültsége 10,5 V a nyitófeszültség modulonként.

 

A LED modulokat ismét hővezető ragasztóval rögzítettem. Az alu tálca jégkockatartó volt előző életében. Méretre szabatott prizmás (katedrál) üveg előlapot kap, perforált fémburkolat gondoskodik a mechanikai védelemről.

 

 Új project: „UFÓ” lámpa

 

HPR8C-49KYWGA típusu  LEDből 10 db került beépítésre (Macro Budapest KFT). A meghajtó áramkört szintén a Macro Budapest-nél vásároltam. A LED-eket közvetlenül a lámpatestre ragsztással rögzítettem. A ragasztó a már ismertetett Hernon termék. A meghajtó áramkör a lámpatest belsejébe került. A fotón látható a megoldás lényege. A 10 db LED 1100 lm fényáramot szolgáltat. A lámpatestet barkács áruházban 900 Ft-ért vásároltam, a beépített foglalat eltávolítása után kijelöltem a LEDek helyét, majd lecsiszoltam 8 mm átmérőben a zománcot a lámpatestről mindegyik helyen. A meghajtó áramkör felerősítésére új furatokat kellett készíteni. A LEDek kivezetőit enyhén meghajlítva elérhető, hogy ne érjenek a lámpatesthez a ragasztás után.

 

 

 

TESZT

 

 

Az OSRAM cég jóvóltából  módomban állt megvizsgálni a GW P9LMS1.E1  jelű SMD LED-et.  Az eddig általam használt típusokkal ellentétben ez felület szerelt eszköz. 5mm x 5mm méretű lapkán 6 db chip világít. 200mA névleges meghajtó áram és 20V körüli nyitófeszültség jellemzi. A katalógus szerint 390 lm fényáram várható a fényforrástól.

A vizsgált példány 2700 K°  színhőmérsékletű foszforral van ellátva. 98 lm / W hatásosságot garantál az Osram. Ami kiemelkedő eredmény, a működési hőtartomány -40 és + 110 C° közé eshet.
Saját méréseim messzemenően alátámasztják a fentieket. A kitűnő termikus viselkedésnek betudhatóan jól hűthető az eszköz.  A teszt példányt hűtőcsillagra szerelték, a könnyebb kezelhetőség érdekében. Így használható volt a szabványos hűtőcsillaghoz készült mérő adapter. ( lásd fotó )

 

A spektrum:

390,75 lm értéket mértem, ami igen közel van a katalógus adathoz.

 

 

A CRI is a dokumentált értéknél jobb volt. 

A DURIS
TM  S8 LED család beltéri spot és általános világítási célra ideális választás. Legjobban ALU PCB-re szerelve használhatók ki előnyei. A forrasztási pad-ek egyben a hőátadási felületek. A ragasztás itt nem megoldás, viszont jó a hőátadás.