Факторы, влияющие на характеристики светодиодных источников света
Температура p-n-перехода, ток возбуждения (питания) светодиодов, характеристики линз, а также их старение, качество компонентов и конструкция устройств отвода тепла оказывают большое влияние на стабильность светового потока светодиодного источника света и коррелированную цветовую температуру.
Одной из важнейших характеристик светодиода является
температура p-n-перехода, которая часто обозначается как Tj. При увеличении температуры p-n-перехода световой поток и срок службы светодиода уменьшаются. На температуру p-n-перехода влияют три фактора: ток питания светодиодов, теплоотвод и окружающая температура. Чем выше ток питания, тем выше температура перехода. Количество тепла, которое может быть отведено, зависит от окружающей температуры и конструкции теплоотвода.
Производители измеряют световой поток выпускаемых ими светодиодов при использовании импульса тока 15-20 мс при фиксированной температуре перехода, равной 25 °С. Температура перехода светодиода в правильно сконструированном светодиодном световом приборе при нормальной работе, с установленными теплоотводящими устройствами, температуре окружающей среды 25°С - находится в диапазоне 60-75°С, так называемый установившийся режим работы. Так как рабочая температура перехода практически всегда больше 25°С, то установленные в световом приборе светодиоды излучают, как минимум, на 10-15% (для теплого белого света) и 5-10% (для холодного белого света) меньше света, чем указывают их производители, если дополнительно не предоставлены данные для более высоких температур перехода или для установившегося режима работы. Также происходит возрастание коррелированной цветовой температуры на 2,5-5% и индекса цветопередачи на 0,5-1%.
На рисунке показано, какое влияние оказывает повышение температуры перехода на световой поток светодиодов разных цветов.
Влияние Tj на уровень светового потока
Наиболее часто для определения рабочего ресурса светодиодов используют модель Аррениуса. В общем виде она описывает не только полупроводниковую светотехнику, но и многие процессы в химии и биологии. Модель показывает, насколько ускоряются химические реакции, в том числе процессы деградации в кристалле, при повышении температуры.
λ2 = λ1exp[Ea(1/T1 – 1/T2)/k], где λ1 – интенсивность отказов при температуре T1; λ2 — интенсивность отказов при температуре T2; T1 и T2 — температуры p-n перехода, выраженные в градусах Кельвина, Ea — энергия активации, выраженная в эВ (в полупроводниках равна ширине запрещенной зоны), k — постоянная Больцмана, равная 8,617x10-5 эВ/К.
Зная ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен кристалл, а также интенсивность отказов при повышенной температуре, можно определить интенсивность отказов при нормальной температуре, используя модель Аррениуса. Средняя наработка на отказ является величиной, обратной интенсивности отказов. Например для светильников повышение (понижение) Tj в установившемся режиме на 10°С уменьшает (увеличивает) срок службы в 2 раза.
Ещё одним важным параметром является
влияние светопропускающих материалов (поликарбонат, полиметилметакрилат и др.) светодиодных световых приборов (линзы, оптика, рассеиватели), изготовленных из синтетических материалов, у которых низкая устойчивость к УФ излучению и они подвержены старению. Под действием света большинство материалов желтеет и становится более хрупкими. Для повышения устойчивости к свету в полимеры вводят различные добавки, которые повышают стоимость материалов, а иногда снижают коэффициент пропускания. В настоящее время применяются почти исключительно светостабилизированные полимерные материалы. Другим общим свойством всех синтетических материалов служит их старение, то есть постепенное ухудшение светотехнических и механических параметров. Если стекло может сохранять свои параметры в течение столетий, то срок службы полимерных материалов редко превышает 5-10 лет.