Особенности импульсного питания светодиодов

 

Современный светодиодный элемент, это сложный полупроводниковый прибор в производстве которого участвуют специалисты из области электроники, физики и химии.

В основе светодиода заложен светодиодный чип, который часто называют «кристалл», однако это не отражает в полной мере всю сложность внутренней структуры чипа.

На первом этапе создания светодиодного чипа происходит послойное "выращивание" полупроводниковой гетероструктуры на основе выбранного базисного материала - подложки. Излучаемый светодиодом свет напрямую зависит от состава и физических свойств этой структуры. Поэтому важнейшими факторами определяющими эффективность и долговечность светодиода является физические качества гетероструктуры, отсутствие внутренних дефектов и примесей.

При больших объёмах производства, полупроводниковые гетероструктуры выращиваются методом осаждения металлоорганических соединений из газообразного состояния на основу. Производители светодиодных чипов хранят в секрете точные параметры этого технологического процесса.

Но для производства качественного и эффективного светодиодного чипа не достаточно высокого качества процесса выращивания эпитаксиальной структуры. Только соблюдение всех технологических шагов позволит создать из полупроводниковой пластины готовые к посадке в корпус светодиодные чипы. На этапе формирования чипа пластина проходит до пяти циклов фотолитографии, химического травления, нанесения буферных и защитных слоёв и электрических контактов. Высокая точность каждого процесса определяет конечное качество продукта.

После изготовления чипы подвергаются всевозможным тестам, которые должны выявить возможные оптические и электрические дефекты, после удачного прохождения которых чипы поступают на лазерную резку и финальный монтаж чипа с внешними контактами корпуса светодиода. Готовый светодиод заливается оптическим силиконом или композитным составом.

Точность соединения определяет качество отвода тепла и безотказность работы при заявленных электрических параметрах. Это напрямую влияет на скорость деградации светодиода и его долговечность. Заливка светодиода защищает поверхность чипа от механических повреждений и улучшает оптический выход света, её качество определяет цветовые параметры и равномерность распределения излучаемого светодиодом света.

 

Компания YAR-ART является поставщиком светодиодных элементов Osram, Cree и Optogan в России, мы можем предложить весь спектр продукции для удовлетворения разнообразных профессиональных отраслей. Мы гордимся тем, что предлагаем только продукцию самого высокого качества, которая будет производить яркие эффекты освещения, а также выдержит испытание временем. Наши сотрудники обладают опытом монтажа всевозможных конструкций с использованием светодиодных элементов.

Особенности импульсного питания светодиодов

В ряде случаев, например, при аварийном освещении транспортных средств, создании стробоскопического эффекта или импульсном управлении интенсивностью света через светодиод может протекать ток, превышающий допустимый, который обозначен в спецификации (сверхток). В статье рассмотрено действие трех видов тока: одиночных импульсов, периодически повторяющихся импульсов и пульсирующего тока.

ОДИНОЧНЫЕ ИМПУЛЬСЫ ТОКА
Одиночные импульсы тока, превышающего максимально допустимый, обычно представляют собой результат непреднамеренной перегрузки светодиода и приводят, как правило, к его выходу из строя (рисунок). Пороговый ток, который может выдержать светодиод, определяется перегрузочной способностью кристалла и внутренних межсоединений. Он не должен превышать значения, при котором плавятся соединенные с кристаллом провода или нарушается изоляция.
Локальное увеличение плотности тока, особенно вблизи контактов или через p-n -переход вызывает появление зон местного перегрева. В худшем случае это может привести к неконтролируемому разогреву и увеличению сопротивления проводника вокруг контакта. В результате возникает лавинообразный процесс, приводящий, в конечном счете, к обрыву соединения.
Необходимо также учитывать, что при большой плотности тока наблюдается такое явление, как электромиграция, т.е. перенос материала проводника под воздействием быстро движущихся электронов. Большой градиент плотности тока может привести к "выносу" ионов металла из областей с высокой плотностью тока и осаждению их в местах с малой плотностью тока. Это, в свою очередь, может вызвать образование небольших наплывов металла, которые могут стать причиной коротких замыканий.

а)    б)
Светодиод после действия тока, близкого
к максимально допустимому (а),
и тока, в 20 раз превышающего допустимый (б)
Предотвратить подобные явления можно, выбрав драйвер светодиодов, в котором исключена возможность возникновения сверхтоков.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСОВ ТОКА
Кроме увеличения вероятности преждевременного отказа светодиода периодически повторяющиеся импульсы сверхтока могут привести к сокращению срока его службы в несколько раз. Если через какой-либо светодиод протекают повторяющиеся импульсы тока амплитудой, превышающей на несколько процентов указанное в спецификации допустимое значение, но меньшей, чем амплитуда одиночного импульса, при которой наступает отказ, то этот светодиод также может выйти из строя. Причиной отказа, вероятнее всего, будет электромиграция. На срок службы влияет также перегрев p-n -перехода и уменьшение светового потока ниже 70% первоначального значения.

Компания YAR-ART провела проверку различных типов светодиодов серии Xlamp при их питании импульсным током различной амплитуды, в том числе намного превышающей допустимое значение постоянного тока. В ходе проверки выяснилось, что при токе, превышающем некоторую пороговую величину, наблюдается небольшое уменьшение КПД светодиода и его светоотдачи. Использовать светодиод при таком предельном токе неже-лательно.
Между светоотдачей и током через светодиод существует нелинейная зависимость, как и между прямым падением напряжения на светодиоде и током через него. Так, например, увеличение тока вдвое приведет к увеличению рассеиваемой мощности более чем в два раза. Нелинейная зависимость характерна и для светового потока. Удвоение тока не будет сопровождаться удвоением светоотдачи. Напротив, при возрастании тока выше некоторого предела светоотдача может даже уменьшиться из-за роста температуры кристалла светодиода.
Протекание больших токов через светодиод может также вызвать смещение длины волны излучения. С увеличением тока точка на цветовой диаграмме CIE 1931, обозначающая цвет излучения, сдвигается влево и вниз, что соответствует росту цветовой температуры.
Превышение допустимого тока оказывает также влияние на долговременную надежность светодиода. Причиной этого является повышение температуры p-n -перехода, особенно заметное при коэффициенте заполнения импульсной последовательности более 25%. Для определения температуры перехода Т. необходимо измерить амплитуду тока светодиода If и напряжения на нем Vf , а также температуру его корпуса Тс. При импульсном питании светодиода мощность пропорциональна коэффициенту заполнения D, поэтому для вычисления Т. можно использовать следующую формулу:
T j =Tc + D x If x Vf x Rth j-c.
Кроме того, следует учитывать температуру окружающей среды и тепловое сопротивление "корпус - окружающая среда" (Rth j-c ). Должен быть также обеспечен эффективный отвод тепла.


ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ТОК

Пульсирующий ток обычно протекает через светодиоды, установленные в осветительных устройствах, в которых используется неотфильтрованное выпрямленное напряжение сети. Если амплитуда пульсирующего тока не превышает максимально допустимого значения, указанного в спецификации на светодиоды, то проблем не возникает. Однако, если в схеме питания светодиодов установлены электролитические конденсаторы, то при больших пульсациях тока они могут перегреться и выйти из строя. Следствием этого станет резкое увеличение тока через светодиоды, что может привести к сокращению их срока службы или выходу из строя.
Питание светодиодов пульсирующим током неэффективно, так как при этом снижается светоотдача. К примеру, световой поток светодиода ХР-Е при питании его постоянным током величиной 500 мА составит 142 лм. Если же для питания использовать пульсирующий ток, изменяющийся от 200 до 800 мА, то световой поток будет меняться от 66 до 203 лм, т.е. его среднее значение составит 134.5 лм.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Хотя светодиоды Сrее серии XLamp могут выдерживать большие токи, протекающие через них во время переходных процессов, существуют пределы, которые не следует превышать, чтобы не сократить срок их службы и не ухудшить параметры. При питании светодиодов импульсным током, близким к максимально допустимому, следует учесть его влияние на светоотдачу, цвет излучения и долговременную надежность светодиода.
Иногда возникает ситуация, когда наиболее выгодным способом достижения необходимых характеристик является превышение максимально допустимых параметров светодиода. В этом случае компания Yar-art рекомендует потребителям провести собственные испытания с целью определения срока службы светодиодов и решить, насколько приемлем режим импульсного питания.