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LED di potenza - efficienza ed affidabilità

LED di potenza – efficienza ed affidabilità

di Mauro Ceresa, [Assipe] , Future Electronics
Strumenti ed informazioni per semplificare la progettazione di prodotti basati su LED di potenza.

Nella moltitudine di parametri e curve che caratterizzano il comportamento di un LED, è necessario definire dei punti fermi dai quali estrapolare poi le altre grandezze per ottenere i risultati finali: la reale efficienza e la affidabilità nella nostra applicazione.

LED di potenza - La tecnologia
Innanzitutto bisogna definire il tipo e la tecnologia di LED adottati nella applicazione. Potrebbe sembrare una banalità, ma in realtà è la principale causa di fraintendimenti ed errori. Come è ovvio se consideriamo diversi costruttori c’è da aspettarsi che i parametri ottici, elettrici, termici e di affidabilità siano diversi ma anche parlando di prodotti delle stesso produttore esistono delle differenze anche marcate.

Parlando di tecnologia dei LED di potenza, s’intendono le tre possibili varianti di processo tecnologico che portano alla produzione di diverse famiglie di colori. La più datata, che non è ormai soggetta a grossi miglioramenti tecnologici, è quella utilizzata per realizzare i colori rosso (625nm), rosso arancio (617nm) ed ambra (590nm), identificata dalla formula chimica AlInGaP. Di più recente introduzione invece è la famiglia InGaN che permette di realizzare i colori verde(530nm), ciano(505nm), blu (470nm) e royal blu (455nm). Le tonalità di bianco si ottengono utilizzando un chip di tonalità blu che viene ricoperto da uno o più strati di fosforo che consentono l’illumino-conversione e la produzione di luce bianca. La famiglia dei LED bianchi segue quindi il comportamento di massima dei prodotti InGaN con alcune varianti legate alla presenza del fosforo.

Le altre grandezze fondamentali sono la corrente di pilotaggio e la temperatura di giunzione. Questa ultima in particolare è di difficile misurazione, ma è possibile ottenerne una stima con la seguente formula:

Tg = Tpcb + Rth • Pled • (1 – η)

Dove:
Tg è la temperatura di giunzione,
Tpcb è la temperatura del circuito stampato misurata il più possibile vicino al LED
Rth è la resistenza termica,
Pled è la potenza assorbita dal LED, e
η rappresenta l’efficienza quantica del LED.

Con l’efficienza quantica si tiene conto della quantità d’energia elettrica fornita al LED che si è trasformata in luce che quindi non produce calore. Questo parametro fino a poco tempo fa era trascurato dal momento che il suo valore si aggirava attorno al 10%. Con le ultime generazioni di LED con elevate efficienze ottiche questo parametro può raggiungere valori del 20% - 30% ed essere quindi determinante in questa valutazione. Determinare il valore dell’efficienza quantica può essere particolarmente complesso e laborioso ma Future Lighting Solutions, sul proprio sito web www.futurelightingsolutions.com, alla voce “development tools”, mette a disposizione uno strumento di calcolo - lo Usable Light Tool - che facilita il compito. Questo strumento permette di determinare la reale efficienza di LED installati in un’applicazione considerando tutti i parametri e le interazione tra di essi come mostrato in figura 1.

L’efficienza - LED di potenza
E’ uno dei parametri più interessanti per il mercato dell’illuminazione e, quando si parla di LED di alta potenza, può essere erroneamente stimata. Questo nasce dal fatto che questi LED, pilotati a 350mA, vengono considerati per semplicità da 1W ma così non è. La reale potenza è pari a 350mA moltiplicati per la tensione diretta del LED. Questa ultima cambia in modo significativo tra famiglie di LED dello stesso o di diversi costruttori, si può passare da 3,15V a 3,6V con una differenza del 15% a parità di flusso emesso; differenza assolutamente non trascurabile. Lo Usable Light Tool considera tutti questi aspetti dando un stima accurata dei parametri di lavoro del LED nelle condizioni specificate. La stessa considerazione vale per i LED definiti da 3 e 5 Watt.

LED di potenza - L’affidabilità
Un altro aspetto fondamentale che rende le soluzioni a LED particolarmente interessanti è la elevata affidabilità che si traduce in una durata (vita) superiore a qualsiasi altra sorgente luminosa con conseguenti minori costi di manutenzione. I parametri che influenzano la vita dei LED di potenza sono, ancora una volta, la tecnologia, la corrente e la temperatura di giunzione. Philips Lumileds Lighting Company rende disponibili sul proprio sito www.lumileds.com una documentazione molto accurata e completa riguardante l’affidabilità e il mantenimento del flusso luminoso. Il LED ha bassissime probabilità di rottura e quindi la vita è caratterizzata dal decadimento del flusso luminoso con il tempo.
Le curve riportate nel grafico di figura 2 si riferiscono a diverse correnti di pilotaggio e ad un mantenimento del flusso luminoso del 70% (L70) con riferimento al Luxeon® Rebel in tecnologia InGaN. Sui due assi sono riportate temperatura di giunzione ed ore di funzionamento e le curve mostrano il decadimento del flusso luminoso in funzione di corrente e temperatura di giunzione. Da questo tipo di grafici è possibile stimare la vita della nostra applicazione a seconda dei parametri operativi, oppure di dimensionarli in funzione del tempo di decadimento voluto nella nostra applicazione.

Prendiamo due esempi estremi: lampada da tavolo e lampione stradale.
Nel primo caso possiamo assumere un utilizzo medio di due ore al giorno che daranno luogo ad un utilizzo di circa 11K ore in 15 anni. Con questi parametri si vede che pilotando il Luxeon® Rebel con una corrente uguale o inferiore ad 1A e mantenendo una temperatura di giunzione al di sotto dei 150°C si avrà un mantenimento del 70% del flusso luminoso nei 15 anni di vita del nostro prodotto.

led luxeon

Nel secondo caso possiamo assumere un utilizzo di circa 4000 ore anno, avremo nuovamente un mantenimento del 70% del flusso luminoso in 15 anni (60Kore) se la corrente di pilotaggi non supererà 1A e la temperatura di giunzione sarà mantenuta al di sotto dei 132°C.

La dicitura B50 che si trova accanto a L70 significa che questo grafico è riferito al comportamento medio della produzione di LED di potenza di Philips Lumileds Lighting Company. Come in tutti i processi produttivi si hanno delle leggi statistiche che rispecchiano l’andamento della produzione, in questo caso la legge che ci interessa è una gaussiana. Il comportamento medio è sicuramente un’indicazione interessante ma è necessario avere almeno un altro riferimento per valutare la distribuzione e quindi la bontà del processo. Per questa ragione nella documentazione di cui sopra vengono forniti grafici relativi al parametro B10 che rappresenta il 10% peggiore della totale produzione. Ritornando agli esempi di prima si può verificare che con dieci gradi in meno di temperatura di giunzione e le stesse correnti solo il 10% dei LED avrà raggiunto la condizione di riduzione del flusso del 30%.

Post dal 23 aprile 2008

 

 

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