Срок службы светодиодов и их надежность – ключ к успешной реализации светотехнических проектов

Из-за угрозы дальнейшего загрязнения окружающей среды во многих странах мира происходит замена стандартных ламп накаливания на энергоэффективные источники света. Несмотря на то, что системы освещения переходят на использование компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), содержащаяся в них ртуть, а также возможность дальнейшего снижения энергопотребления вынуждает задуматься о переходе к светодиодным светильникам. Новейшие образцы этих ламп потребляют примерно на 80% энергии меньше, чем лампы накаливания, и не содержат ядовитых материалов.

После того как лампы накаливания стали заменяться КЛЛ с электронным балластом, потребители обратили внимание на слишком частый выход из строя этих ламп. Причина отказа — появление электронных блоков в стандартных лампах.

Несмотря на то, что светодиодное освещение в состоянии обеспечить более продолжительный срок службы и большую надежность, вопрос в том, следует ли применять в новых системах освещения электронные блоки. Несмотря на то, что множество плохо спроектированных светодиодных изделий запятнало репутацию этого типа освещения, тщательно продуманная светодиодная система способна проработать до 50 тыс. ч. Однако до тех пор, пока блок управления светильника не обеспечит соответствующий срок службы и высокую надежность, это преимущество не будет реализовано.

Срок службы и надежность

Необходимо понять, что срок службы изделия и его надежность — два совершенно разных, но связанных друг с другом параметра. К сожалению, их нередко путают, т.к. они чаще всего выражаются в количестве часов.

Срок службы — это время, в течение которого изделие работает должным образом, прежде чем произойдет его износ и продукт станет невозможно использовать.

Понятие надежности связано с частотой (интенсивностью) случайных отказов некоторого количества изделий. Надежность выражается как частота отказов (Failures per Interval of Time, FIT), или как обратная величина — средняя наработка на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF).

Например, срок службы в 50 тыс. ч означает, что определенное изделие прослужит 50 тыс. ч, прежде чем выйдет из строя. Если MTBF = 50 тыс. ч, то для 1000 шт. изделий случайный отказ может происходить один раз за 50 ч эксплуатации. Оба понятия важны для понимания возможностей системы светодиодного освещения и ее успешной реализации.

Срок службы и конденсаторы

Оценка срока службы любого продукта, в основном, сводится к изучению всех известных механизмов износа и к определению самого критичного компонента системы, который делает ее неработоспособной. Для большинства источников питания электронных систем, включая драйверы светодиодов, таким компонентом является электролитический конденсатор. Скорость высыхания электролита зависит от рабочей температуры конденсатора. Она является функцией температуры корпуса компонента, а также внутреннего тепла, выделяемого при прохождении тока пульсаций по конденсатору. Выражение для срока службы электролитического конденсатора выглядит следующим образом:

Lx = k L0 2(Ts –Ta)/10, (1)

где Lx — срок службы; k — коэффициент, определяемый СКЗ тока пульсаций конденсатора и его рабочим напряжением; L0 — величина срока службы, определенная в стандартных условиях и приведенная в техническом описании компонента; Ts — номинальная температура корпуса; Ta — рабочая температура корпуса.

С помощью уравнения (1) достаточно просто оптимизировать разрабатываемую схему. Прежде всего, необходимо выбрать высококачественный конденсатор с продолжительным сроком службы. Затем разработчик должен постараться снизить СКЗ (среднеквадратичное значение) тока пульсаций и рабочее напряжение относительно его номинального значения. Повышение требований к характеристикам конденсатора ведет к удорожанию стоимости изделия, тогда как невнимание к этому вопросу может значительно сократить срок службы компонента.

Температура и КПД драйвера

Наиболее эффективным методом проектирования системы является снижение температуры корпуса конденсатора. Температура конденсатора зависит от температуры драйвера, его способности проводить или переносить тепло путем конвекции в окружающую среду, а также от количества тепла, рассеиваемого драйвером. Для конкретного корпуса и приложения основной вклад в рост температуры вносит рассеиваемая драйвером мощность, которая напрямую определяется КПД этого устройства. Другими словами, чем выше эффективность устройства и меньше его тепловое сопротивление, тем больше срок службы изделия.

КПД играет намного большую роль, чем многие полагают. Например, при его снижении с 95 до 85% рассеиваемая мощность уменьшается вовсе не на 10%. Напротив — количество рассеиваемого тепла увеличивается в 3,3 раза.

Компания Inventronics приложила немало усилий к тому, чтобы увеличить КПД светодиодных драйверов. Рассмотрим, например, серию популярных 150-Вт устройств EUC-150S с постоянным выходным током. Как видно из рисунка 1, если КПД при полной нагрузке и напряжении 220 В АС составляет 92%, величина рассеиваемой мощности равна 13 Вт. Изменение КПД всего лишь на 1% может привести к заметному изменению потерь мощности. Поскольку у разных моделей драйверов величина КПД может значительно варьировать, температура внутри корпусов устройств существенно различается.

Из уравнения (1) видно, что понижение температуры на 10° увеличивает срок службы в два раза. Даже если тепловой расчет для разных компонентов одинаков, т.е. тепловое сопротивление между конденсаторами и воздухом одинаково, из-за разных КПД драйверов рабочая температура корпуса Та окажется неодинаковой, что по-разному отразится на сроках службы устройств. На рисунке 2 показана зависимость КПД от срока службы для 150-Вт драйвера при температуре окружающей среды 45°C.

В отсутствие хорошей теплопроводности или конвекции рассеивание мощности может привести к повышению температуры внутри драйвера, даже если у него высокий КПД. С помощью хорошо проводящего герметизирующего компаунда, а также прочного алюминиевого корпуса с большой площадью поверхности можно существенно уменьшить тепловое сопротивление между устройством и окружающей средой. В результате, например, срок службы
150-Вт драйвера достигает 87 тыс. ч при температуре 45°С.

Надежность, MTBF и FIT

Надежность связана с частотой отказов определенного числа изделий, работающих при расчетных условиях в течение срока службы. Как правило, надежность продукта определяется с помощью показателя MTBF. Несмотря на то, что надежность и срок службы чаще выражаются в часах, это совершенно разные понятия. Уравнение (2) определяет MTBF следующим образом:

MTBF = Время службы/отказы

Например, время работы 1000 изделий, функционирующих 24 ч в сутки, составит 24 тыс. ч. Если это количество изделий работает один месяц, в течение которого происходит 4 отказа, величина MTBF составит: 1000 шт. ∙ 24 ч/день ∙
∙ 30 дней/4 отказа = 180 тыс. ч.

Другой пример. Если у изделия MTBF = 300 тыс. ч, то частота отказов 1000 шт. этих изделий в среднем составит 1 отказ через каждые 300 ч. Аналогично, у 10 тыс. таких изделий один отказ будет происходить в среднем каждые 30 ч.

Точнее говоря, если показатель MTBF какого-то продукта составляет 300 тыс. ч, это НЕ значит, что он прослужит заявленное время. MTBF определяет только математическое ожидание времени работы системы до отказа.

Возможно, чтобы лучше разобраться в понятии надежности, следует рассмотреть ее как частоту отказов. Уравнение (3) определяет эту величину как обратную к MTBF. Однако в силу того, что эта величина (которую еще называют FIT) может оказаться достаточно малой, ее обычно умножают на 109 ч:

Частота отказов = 1/MTBF

При определении срока службы изделия необходимо лишь рассчитать время эксплуатации самого критического компонента системы, тогда как при определении надежности изделия следует оценить частоту отказов каждого компонента и учесть результирующий показатель.

Немало времени затрачивается на оценку надежности электронного оборудования. Для такого расчета чаще всего используется военный стандарт MIL-HDBK-217 — прогностический метод определения надежности, применяемый компанией Inventronics. Еще одним достаточно известным методом является прогностическая модель определения надежности Telecordia SR-332, однако военный стандарт более консервативен и точен. Сравнение надежности двух изделий с помощью одной методологии считается правильным, тогда как сравнение показателей надежности изделий с помощью разных методов является бессмысленным занятием.

Обеспечение надежности

Для обеспечения максимальной надежности изделия необходимо учитывать следующие соображения. Во-первых, требуется сделать правильный выбор топологии силового каскада схемы. Надежность полупроводниковых устройств, как правило, зависит от рабочей температуры перехода. Такие топологии мягкой коммутации как обратноходовая с переключением при нуле тока (Zero Current Switching, ZCS) или полумостовая LLC позволяют свести к минимуму потери при переключении, улучшив тепловой режим полупроводников и собственно драйвера.

Во-вторых, следует выбрать компоненты высокого качества, обеспечивающие большую устойчивость к нагрузкам. Например, для надежно работающей схемы необходимо предусмотреть 20% от диапазона допустимых рабочих напряжений для электролитических конденсаторов и 10% — от допустимого рабочего напряжения для полупроводниковых устройств.

В-третьих, схемы защиты позволяют уберечь устройства от работы в ненормальных условиях, включая перегрузку по току, режимы повышенного или пониженного напряжения, перегрев и короткое замыкание. Кроме того, необходимо предусмотреть использование сетевых фильтров, предотвращающих разрушение драйвера.

В-четвертых, возвращаясь к вопросу о КПД и тепловом режиме, необходимо учесть, что рассеиваемое тепло имеет прямое и заметное воздействие на надежность работы таких полупроводников как МОП-транзисторы, микросхемы и оптопары.

Наконец, к вопросу о надежности относится понимание и исключение возможности ранних отказов, возникающих после того как изделие покинуло сборочную линию. Понятие надежности изделия распространяется только на фактический срок его службы и не применяется после износа. Аналогично, это понятие применимо только после начальной фазы эксплуатации, т.е. после этапа приработки.

На рисунке 3 показана U-образная кривая зависимости интенсивности отказов от времени. У большинства электронных изделий высока частота отказов на этапе приработки. Затем изделие эксплуатируется в течение определенного срока службы (горизонтальная часть кривой). Наконец, частота отказов возрастает, когда изделие изнашивается.

Перед производителем стоит задача не допустить того, чтобы изделия, отказавшие в период приработки, покинули стены производственных помещений. Для выявления брака компания Inventronics дважды проводит испытания на отказ всех без исключений изделий еще до их герметизации. После окончательной сборки все изделия подвергаются в процессе эксплуатации воздействию тяжелой нагрузки и высокой температуры в течение 4—12 ч. Далее продукция проходит комплексную функциональную проверку, цель которой в том, чтобы исключить ранние отказы в процессе эксплуатации.

Выводы

Понимание вопросов, связанных со сроком службы и надежности изделий, важно для обеспечения их безотказной работы в реальных условиях. Особенно важны эти вопросы в отношении светодиодных систем освещения, сроки окупаемости которых измеряются несколькими годами, а долгосрочные гарантии являются необходимостью, и снижение стоимости заметно повышает рентабельность инвестиций.

Таким образом, мы рассмотрели ключевой показатель светодиодного драйвера — его КПД, который определяет успешное проектирование системы. Несмотря на то, что данные устройства отвечают требованиям современных систем освещения, требуется немало внимания и усилий, чтобы реализовать проект с использованием этих компонентов.

Рис. 1. Зависимость потерь мощности от КПД для 150-Вт драйвера