Максимальный импульсный ток светодиода

Светодиод в импульсном режиме

на страницах сайта

www.electrosad.ru

В статье «ИК светодиод в предельных режимах работы» описана работа конкретной модели светодиода. Но все светодиоды способны работать в импульсном режиме. В связи с тем что статья вызвала Ваш интерес, который по не вполне понятным причинам замкнулся на описанном ИК светодиоде АЛ106, я решил написать эту статью расширив ее на применение современных мощных светодиодов.

Области применения современных мощных светодиодов

Светодиоды большой мощности выпускаются в нескольких спектральных диапазонах со все более широкой номенклатуре мощности. Они все больше применяются в нашей жизни, от различных сигнальных устройств (в том числе и в автотехнике), технических подсветок до местного освещения и освещения открытых пространств.

В этих случаях условия применения полностью соответствуют рекомендациям производителей.

Для их питания применяются специальные источники питания (драйверы), которые позволяют преобразовать напряжение питающей сети переменного тока в низкое напряжения постоянного тока.

Импульсный режим режим работы мощных светодиодов

Для некоторых применений требуется использование светодиодов в импульсном режиме. Это:

• Стробоскопы,
• Датчики охранных систем,
• Специальные осветители,
• Импульсных осветителях (вспышках).

Импульсный режим (1, 2), позволяет выделить необходимый импульсный сигнал на фоне внешних засветок. Кроме того импульсный режим позволяет светодиоду выдать большую световую мощность или световой поток, чем в непрерывном режиме при той же мощностью тепловыделения.

1. Импульсные режимы работы источников света применяются в стробоскопических системах для подсветки при съемках и наблюдении быстрых циклических процессов.
2. В охранных системах, для увеличения их помехозащищенности в условиях внешних засветок и увеличения дальности работы.
3. В специальных осветителях для увеличения световой мощность на объекте наблюдаемом с помощью оптико-электронных устройств и их освещения синхронного с частотой работы съемочного оборудования (в том числе и ИК мощных осветителей).
4. В импульсных осветителях для фотосъемки (фото вспышках) для получения многократного превышения световой мощности на снимаемом удаленном объекте.

( В фотовспышках на светодиодах работающих в импульсном режиме возможно применение применение оптического формирование светового потока на удаленном объекте )

Особенности работы светодиода в импульсном режиме

В связи с тем, что наибольшее тепловыделение на любом коммутирующем электронном приборе работающем в импульсном режиме происходит на фронтах питающего тока, для заметного выигрыша при переходе в этот режим необходимо максимально снижать время переключения.

Не все светодиоды удовлетворяют этому требованию, прежде всего потому что применяемое параллельное их соединение приводит к суммированию их и так не малой емкости. А для питания устройств с собственной большой емкостью необходимо применять специальные схемы, способные работать на высокие емкости нагрузки . Поэтому выбирая светодиод для эксперимента с повышенным током питания в импульсном режиме необходимо проверить время переключения.

При большом времени переключения падает КПД системы СД + ключ управления (может достигать 50%), получаем дополнительное тепловыделение на управляющем ключе.

Применение мощного светодиода KPXX-080-5 в импульсном режиме

Рассмотрим применение мощного светодиода KPXX-080-5 (5Вт) в импульсном режиме. В паспортных характеристиках указывается, что данный светодиод работает в импульсном режиме при импульсном прямом токе 2000 мА и скважности 1/10 на частота 1 кГц. Его характеристики:

Абсолютные максимальные значения. Таблица 1.

Электрические характеристики (I_F=1500 мА, T_j=25°C). Таблица 2.

Как было написано выше, одним из ограничений рабочего тока светодиода является ограничение его мощности тепловыделения на уровне — P ср и* Q , что приводит к превышению допустимой температуры перехода. Для данного светодиода в связи с его большим тепловым сопротивлением (10°С/Вт) и одновременного с ростом тока — ростом напряжения на светодиоде предельная мощность достигается уже при токе 2 А. Прирост светового потока при этом токе может достигать 30%. Но экспериментальная оптимизация режима (отбор экземпляра, подбор максимального тока при соблюдении указанных выше ограничений, усиление охлаждения с помощью дополнительного теплоотвода) может позволить поднять рабочий ток до 3А и соответственно световой поток в 2 раза.

Можно предположить, что в режиме одиночного импульса (фото-вспышка) световой поток может достигать 600 — 1000 Лм, а при принятии оговоренных выше дополнительных мер возможно и до 3000 Лм.

Предельные характеристики мощных светодиодов на начало 2010 года

Не вдаваясь в конкретные конструкции светодиодов существующих в настоящее время можно отметить:

На рисунке 1 схематически изображена конструкция светодиодов SST-80 :

Необходимой принадлежностью мощных светодиодов является теплоотвод, поскольку тепловыделение достигает 40 Вт на кристалл (светодиод).

Другие характеристики светодиода приведены на рис. 2 — 5.

Заключение

Главным недостатком светодиодов является достаточно высокое падение напряжения на светодиоде, которое определяется физикой генерации света в p-n переходе любого светодиода. Для видимого света это напряжение составляет (для одного светодиода) около 3,2 — 3,8 В, и с ростом тока растет (см. рис. 3.). Это определяет высокое тепловыделение на светодиоде. Это с ростом мощности светодиода приведет к увеличению размера светильника.

Например — при мощности тепловыделения 10 Вт для отвода выделяемого тепла требуется порядка 200 см 2 площади теплоотвода, при естественном охлаждении.

Применение низкого напряжения и достаточно большого тока для питания мощного светодиода требует применение специального источника питания который еще увеличивает размеры осветительного устройства с применением мощного светодиода и одновременно снижает его КПД. И увеличивает тепловыделение.

Питание светодиодов «жестким» ШИМом

SHaDow » 16 дек 2012, 15:50

Если не ставить задачу точной стабилизации тока питания светодиодов, то можно собрать несложный ШИМ, скажем на 555 таймере и выбрать скважность, при которой ток через светодиод(ы) близок к номинальному. Теоретически. Фактически светодиод будет питаться очень короткими импульсами напряжения, уровень которого равен уровню входного, т.е. если на входе нашего эрзац-драйвера 12 вольт, то на выходе короткие импульсы с амплитудой все те же 12 вольт, т.е. в эти короткие промежутки времени ток через светодиод должен течь значительно более высокий, чем номинальный. Вопрос: не отразиться ли на «здоровье» светодиода питание пусть и очень короткими, но значительно превышающими номинальные импульсами тока?

Я конечно попробовал сделать это на практике, светодиод не сгорает по крайней мере сразу. Что смущает — что-то в схеме при подключении нагрузки «поет» с частотой ШИМа и сдается мне, что это сам светодиод, но чему там «петь»?

P.S. Можно частично решить проблему воткнув по выходу «эрзац-драйвера» конденсатор, но это создаст больше проблем, чем решит.

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

JackThePirate » 16 дек 2012, 17:02

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

ВикНик » 16 дек 2012, 17:24

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

pavel_1969 » 16 дек 2012, 17:57

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

изобретатель » 16 дек 2012, 18:05

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

Светочъ » 16 дек 2012, 18:21

А вот разрешите не согласиться, при питании импульсным током мы получаем такой же, или близкий к этому, световой поток, но имеем больший КПД(вспомним принцип РЛС) и меньший нагрев всей системы и значит меньшую площадь радиатора. Такой режим прописан во всех даташитах.

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

ВикНик » 16 дек 2012, 18:34

Я разрешаю не соглашаться;)
Измерения не разрешают , при вдвое меньшем номинала токе (самый плохой КПД) И ток и напряжение уменьшается, а ЛМ/вт-повышается. В результате, питание импульсами проигрывает, не очень

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

Светочъ » 16 дек 2012, 19:16

Я разрешаю не соглашаться;)
Измерения не разрешают , при вдвое меньшем номинала токе (самый плохой КПД) И ток и напряжение уменьшается, а ЛМ/вт-повышается. В результате, питание импульсами проигрывает, не очень

А измеряем чем? Может отсюда все выводы?

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

ВикНик » 16 дек 2012, 19:29

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

JackThePirate » 16 дек 2012, 21:32

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

nae » 16 дек 2012, 21:40

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

ВикНик » 16 дек 2012, 22:18

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

nae » 16 дек 2012, 22:33

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

ВикНик » 16 дек 2012, 22:50

А эффективность (лм/вт) от тока, которая на рисунке, не подходит

Сегодня принесли квитанцию на Эл-во.
КВТ=125, сумма 27гр +НДС 5,4гр ИТОГО 32гр 40коп
Тариф до 150КВТ=0,26гр
150—600квт=0,34гр
Выше 600КВТ=0,96гр
Тарифы без НДС, при оплате добавляйте 20%
То есть за 151квт пришлось бы платить 62гривны

Ни разу не вышел, из самого низкого тарифа, при постоянно включенном компе и телике (все соседи платят в 3-4 раза больше и выключают телик при перерыве в 10мин—-экономят, зато лампочки ЛН по 150вт—-другие не светят),
то есть за год экономлю не менее 800Гр или 80светиков (на 160вт) MX6S, которых хватит, не только для своей квартиры, но и на подарок родственникам

Re: Питание светодиодов «жестким» ШИМом

nae » 16 дек 2012, 23:08

Примерно оценить можно, представляя в уме ВАХ, но если делать нормально, то надо бы ВАХ знать, т.к. люмены делят на ватты, а ватты — это амперы на вольты, а вольты могут сильно нелинейно зависеть от ваттов или амперов )))))

Использование существующих систем регулировки яркости

Важным качеством, которое отличает светодиоды с ККМ-управлением от светодиодов, работающих в автономном режиме, и компактных люминесцентных ламп, является возможность использования существующих систем регулировки яркости на базе триака. Регулировка яркости достигается путем измерения характеристик переменного тока и преобразования полученного результата в эквивалент напряжения или тока. Значения напряжения или тока могут быть непосредственно заданы источником питания или преобразованы в ШИМ-сигнал, который позволяет регулировать время рабочего состояния светодиода, в результате чего и происходит регулировка его яркости. Чтобы диммер работал в проводящем режиме, необходимо обеспечить достаточную нагрузку и предотвратить пропуски запуска триака (мерцание). Переменный сигнал частотой 60 Гц может оказывать влияние на напряжение питания светодиода, поэтому обязательным условием является установка фильтра в цепи переменного тока. Фильтрация позволит также ограничить распространение кондуктивных ЭМП обратно в сеть переменного тока.

Наименее затратным способом регулировки яркости, который требует минимального числа компонентов, является использование аналогового напряжения или тока в цепи обратной связи драйвера. Однако у этого метода тоже имеется ряд недостатков:

• недостаточная стабильность замк­нутой цепи ШИМ-управления им­пульс­ного источника питания;
• осцилляции и звон во время переходных процессов по напряжению приводят к мерцанию светодиодов;
• аналоговая регулировка яркости снижает ток через светодиод, вызывая изменение цвета свечения в процессе регулировки яркости (например, светодиод сине-белого цвета при максимальном токе может поменять цвет на желто-белый при низких токах).

Сохранить постоянным цвет светодиода в диапазоне регулировки яркости можно с помощью цифрового метода диммирования (например, при ШИМ-регулировке). При таком методе ток светодиода остается постоянным, а изменение яркости свечения происходит потому, что светодиод включен ограниченное время. Это достигается путем коммутации цепочки светодиодов параллельно включенным FET или путем отсоединения светодиодов от потенциала земли с помощью включения токочувствительного резистора параллельно FET.

В заключение необходимо отметить, что высоковольтные светодиоды повышенной яркости с ККМ-управлением обеспечивают обосно­ванную альтернативу системам освещения на базе компактных люминесцентных ламп. Преимущества простой, компактной и эффективной системы с высоким коэффициентом мощности обеспечивают конкурентоспособность данного решения для систем освещения.

Драйверы MOSFET

Активный стабилизатор постоянного тока обычно используется для светодиодов высокой мощности, стабилизируя световой поток в широком диапазоне входных напряжений, что может увеличить срок службы батарей. Активный постоянный ток обычно регулируется с помощью MOSFET режима истощения ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), который является простейшим ограничителем тока. Стабилизаторы постоянного тока с малым падением напряжения (LDO) также позволяют общему напряжению светодиода быть более высокой долей напряжения источника питания.

Импульсные блоки питания используются в светодиодных фонариках и бытовых светодиодных лампах . Силовые МОП-транзисторы обычно используются для переключения драйверов светодиодов, что является эффективным решением для управления светодиодами высокой яркости. Микросхемы силовых интегральных схем (ИС), такие как Supertex HV9910B, широко используются для непосредственного управления полевыми МОП-транзисторами без необходимости в дополнительных схемах. Эти микросхемы Supertex IC на основе полевых МОП-транзисторов являются наиболее распространенными светодиодными драйверами для твердотельного освещения со светодиодными лампами. В 2008 году они использовались для управления твердотельным освещением в Пекинском национальном центре водных видов спорта во время летних Олимпийских игр 2008 года .

Контакты

г. Евпатория, ул. 9 Мая 67а

г. Саки, Прохорова 33

г. Симферополь , Пушкина 21

+7(978) 55-88-666 (волна)

+7(978) 85-69-222 (мтс)

Мы доставим и установим наши натяжные потолки и светодиодную подсветку в любую точку Крыма

Портфолио

Отзывы

Установили натяжные потолки, по договору, со сметой и всеми сопроводительными документами. Помогли согласовать сертификаты с проверяющими пожарниками.

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.

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.

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.

Заключение

Существует множество методов регулировки яркости светодиодов, управляемых от импульсных стабилизаторов. Два основных вида регулировки — аналоговая и ШИМ-регулировка — имеют свои преимущества и недостатки. ШИМ-регулировка существенно снижает отклонение цвета свечения светодиода при изменении яркости за счет применения дополнительной логики для формирования ШИМ-сигнала. Аналоговая регулировка может быть более простой в реализации, но она не подходит для приложений, в которых требуется постоянная цветовая температура светодиодов.

Литература

1. Rich Rosen. Dimming Techniques for Switched Mode LED Drivers//Power Designer, №126.

Принцип работ импульсных диодов

По принципу действия импульсный диод практически не отличается от самого простого – выпрямительного полупроводникового диода с p-n-переходом, при приложении прямого напряжения диод хорошо проводит электрический ток . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . . Он точно так же открывается при подаче прямого смещения и закрывается поле смены полярности входящего сигнала.

Существенное отличие в поведении импульсного диода состоит в том, что в отличие от обычного диода элемент этого типа не запирается сразу же после приложения обратной разности потенциалов, а в течение некоторого времени (тысячные доли секунды) остается открытым, закрываясь с некоторой задержкой. При смене полярности приложенного напряжения диод запирается. Запирание происходит не сразу, сначала происходит резкое увеличение обратного тока, затем, после рассасывания неосновных носителей, восстанавливается высокое сопротивление p-n-перехода и диод запирается.

Светодиод как датчик света

Помимо излучения, светодиод может использоваться как фотодиод в свет обнаружение. Эта возможность может использоваться в различных приложениях, включая окружающий свет обнаружение и двунаправленная связь. [12] [13] [14]

Как фотодиод, светодиод чувствителен к длинам волн, равных или короче преобладающей длины волны, которую он излучает. Например, зеленый светодиод чувствителен к синему свету и некоторому зеленому свету, но не к желтому или красному свету.

Эта реализация светодиодов может быть добавлена ​​в конструкции только с небольшими изменениями в схемах. [12] Светодиод может быть мультиплексированный в такой схеме, чтобы ее можно было использовать как для излучения, так и для измерения в разное время. [12] [14]