Podobnych przykładów można mnożyć bez końca, przy czym warto zwrócić uwagę na to, że marketing manipulacyjny jest narzędziem stosowanym głównie przez firmy o małej renomie, renomowani producenci LED nie pozwalają sobie na tego typu wybiegi. Przykładem definicji parametrów pozornie podobnej do przedstawionej na rysunku 4, ale bliższej rzeczywistości, jest wykres pokazany na rysunku 5.

Rys. 6. Po tym można poznać wysoką jakość oferowanych LED: wartości parametrów są definiowane dla realnej temperatury pracy złącza LED (LUXEON Z firmy Philips Lumileds)

Niektórzy producenci – jest to jednak niezwykle rzadkie zjawisko – podają parametry dla realnych warunków pracy LED (np. przy założeniu temperatury struktury wynoszącej +85^oC – rysunek 6 (Philips Lumileds) a nawet +100^oC (Osram) – rysunek 7), co jest dowodem nie tylko wysokiej kultury technicznej ale i zaawansowania technologicznego producenta.

Rys. 7. Kolejny przykład poważnego podejścia do odbiorców: producent nie boi się weryfikacji swoich LED w realnej temperaturze pracy (DURIS S8 firmy Osram)

Producenci dbający o przekazanie kompletnych merytorycznie danych technicznych należą na rynku – niestety – do mniejszości, co wynika zarówno z bardzo wysokich wymogów technologicznych stawianych nowoczesnym LED dużej i średniej mocy, jak i heroicznej walki o minimalizację cen podzespołów.

Standaryzacja parametrów LED zależnych od temperatury (czyli niemal wszystkich)

Minimalizację bałaganu i możliwości manipulowania publikowanymi parametrami LED średniej i dużej mocy podjęło kilka organizacji, ale obecnie najpopularniejszym standardem oceny trwałości LED jest przyjęty przez Illuminating Engineering Society of North America zestaw reguł oznaczony symbolem LM-80. Został on dokładnie zdefiniowany i – co ważne z punktu widzenia rzeczywistych aplikacji – bazuje na pomiarach w realnych warunkach.

Rys. 8. Uproszczone zależności pomiędzy parametrami LED, mającymi wpływ na emitowany strumień świetlny (temperatura złącza – pośrednio lub bezpośrednio – ma znaczenie zawsze)

Standard LM-80 określa trwałość wartości strumienia świetlnego emitowanego przez LED w zadanych warunkach, niezależnie od przyczyny jego degradacji. Ponieważ jego wartość jest zależna od temperatury struktury (choć nie tylko – rysunek 8), zestaw testów LM-80 jest dobrym wskaźnikiem oceny także termicznych warunków pracy struktury. Zgodnie z wymogami LM-80 6-krotnie, co 1000 h ciągłej pracy, wykonywany jest pomiar wartości strumienia świetlnego co pozwala uzyskać zestandaryzowane wyniki, jakich przykład pokazano na rysunku 9.

Rys. 9. Przykładowe wyniki pomiarów zgodne ze standardem LM-80

Widoczna na rysunku czerwona linia jest ekstrapolacją uzyskanych wyników pomiarów zgromadzonych w ciągu 6000 h testów, która pozwala statystycznie oszacować kolejny parametr powiązany z chłodzeniem LED – L70. Wartością tego parametru jest szacowana liczba godzin świecenia LED do chwili osiągnięcia strumienia świetlnego o wartości 70% początkowej. Metoda ekstrapolacji także została zestandaryzowana, nosi oznaczenie TM-21 i bazuje na równaniu Arrheniusa, które wiąże ze sobą częstość drgań cieplnych z energią aktywacji cząsteczek testowanego materiału oraz temperaturą, w której obserwujemy próbkę.

Rys. 10. Fragment raportu z pomiarów diod mocy firmy Edison, w którym wyraźnie zaznaczono temperatury pracy testowanych egzemplarzy

Pomiary wartości strumienia świetlnego są wykonywane dla trzech temperatur obudów: 55^oC, 85^oC oraz dowolnej wyższej, wybranej przez producenta. Na rysunku 10 pokazano fragment raportu z pomiarów diod mocy firmy Edison, w którym wyraźnie zaznaczono temperatury pracy testowanych egzemplarzy, przy czym podano zarówno temperatury punktów kontrolnych LED (zazwyczaj jedno, wyróżnione wyprowadzenie), jak i otoczenia.

Wspomaganie odprowadzenie ciepła ze struktur LED – eksperymenty

Po długawym wstępie, którego znaczenia nie należy jednak lekceważyć, zajmiemy się prezentacją najpopularniejszych sposobów wspomagania chłodzenia LED.

Fot. 11. Testom poddaliśmy trzy paski LED z 12 diodami Seoul Semiconductor STW9Q14C każdy. Zielona płytka jest wykonana z laminatu FR4, widoczne białe płytki mają rdzeń aluminiowy

Zaczniemy od przykładu analizowanego w redakcyjnym laboratorium: przygotowaliśmy trzy testowe paski laminatu, na każdym zamontowano 12 LED w obudowach 5630, produkowane przez firmę Seoul Semiconductor (STW9Q14C, charakteryzujące się emisją światła o dużej wierności reprodukcji kolorów i prądzie przewodzenia 100 mA) – fotografia 11. Jeden z przygotowanych pasków wykonano na laminacie FR4, pozostałe dwa na laminacie z rdzeniem aluminiowym (AlPCB). Pola montażowe PCB wszystkich LED zaprojektowano w taki sposób, że pocynowane pola miedzi spełniają rolę niewielkich, płaskich radiatorów (rysunek 12), które mają za zadanie ułatwić odprowadzanie ciepła z obudowy LED. Diody zostały połączone w cztery równoległe sekcje, każda składająca się z trzech szeregowo połączonych LED z rezystorami ograniczającymi prąd do wartości 80 mA (ważne: diody podczas testów pracują na zaledwie 80% swoich możliwości!).

Rys. 12. Render 3D projektu jednej sekcji testowanych PCB – footprinty LED mają niewielkie radiatory pokryte stopem lutowniczym, dołączone termicznie do radiatorów LED (ulokowanych w dolnej częściach obudów)

Rys. 13. Wynik bezstykowego pomiaru temperatury LED STW9Q14C zasilanej prądem 80 mA, zamontowanej na PCB wykonanej z laminatu FR4 (ok. +93oC)