Срок службы светодиодных ламп: сколько работает светодиод и как продлить время работы и увеличить ресурс LED светильника

Обновлено: 04.05.2024

Одним из аргументов продавцов светодиодной продукции является срок службы светодиодов. Приводятся весьма внушительные числа, однако способ их определения не сообщается. Как результат - недоверие потребителя. В конце концов, для оценки экономического эффекта использования светодиодов необходимо понимание того, сколько времени на самом деле будет работать устройство. Постараемся разобраться в этом вопросе.

Для начала поймем, что срок службы привычной лампы накаливания составляет, примерно, 1 000 часов. Это определяется законами физики. Та же физика определяет срок жизни люминесцентных ламп примерно в 5 000 часов.
Производители светодиодной продукции декларируют сроки в 50 000 - 100 000 часов. (Надо отметить, что есть производители, ограничивающиеся более скромными сроками: 35 000 часов.)
Насколько можно доверять этим данным?
Обычно под сроком службы понимается время наработки устройством до отказа. Причем - не обязательно полной неработоспособности устройства: это может быть и снижение показателей устройства ниже заявленного уровня. При определении срока службы светодиодного устройства принимается следующий параметр: падение светового потока ниже определенного значения. Как правило - это снижение светового потока на 30% (иногда - на 50%) от первоначального.
Эти параметры, чаще всего, не указаны в технической и сопроводительной документации, что может ввести в заблуждение потребителя.
Даже если ситуация с порогом уменьшения светового потока LED-устройства ясна, это вовсе не означает, что Вы получили исчерпывающую информацию об истинном сроке службы светодиодов. Наиболее распространенный срок жизни LED, который заявляется в рекламных материалах - 50000 часов, то есть более 5 лет при непрерывной работе. Понятно, что столь долгосрочных исследований никто не проводил: смена модельного ряда чипов происходит гораздо быстрее.
Как же были получены эти цифры? Производятся испытания светодиода в условиях, близких к экстремальным: сила тока, температура кристалла доводятся до максимальных допустимых расчетных значений. В течение относительно небольшого периода времени контролируются основные характеристики светодиода, точнее - их изменение во времени. Далее следует прогнозирование развития событий во времени на основе полученных результатов, проще говоря - экстраполяция.
На сегодняшний день отсутствует единый стандарт испытания и сертификации светодиодов.

Многие производители пользуются стандартом JESD, предложенным американской организацией JEDEC.Светодиоды тестируются в режиме максимального тока в течение 1008 часов.
При этом принимается, что светодиод вышел из строя, если:

изменение напряжения смещения превысило 200 мВ,
световой поток уменьшился более чем на 15 %,
произошло короткое замыкание в образце,
произошел разрыв цепи в образце.

Любое из указанных событий является достаточным для признания образца светодиода вышедшим из строя.

Современные методы позволяют с высокой точностью прогнозировать срок службы устройства. Однако практика может расходиться с теорией.

Дело в том, что срок службы светодиода определяется комбинацией следующих факторов:

деградация кристалла;
старение люминофора;
механические повреждения (как результат избыточного нагрева, деформации и т.д.);
изменение светопропускаемости (помутнение) оптики.

Деградация кристалла.

Для начала вспомним, что светодиод белого свечения - это кристалл синего излучения, покрытый соответствующим люминофором. Именно комбинация спектров этих компонентов воспринимается нами как белый свет.

Деградация кристалла приводит к уменьшению излучаемого им света. В основе этого - рост количества дефектов кристаллической решетки. При этом дефектные области, перестав излучать свет, продолжают потреблять энергию и выделять ее в виде тепла.
Кроме того, диффузию материала подложки в кристалл - под действием электричества - никто не отменял. Это - еще одна причина повреждения кристаллической структуры светодиода.
В результате деградации кристалла происходит следующее: ток начинает течь через те участки, которые не излучают свет, и, как следствие, уменьшаются напряжение, выделяемое на светодиоде, и мощность.
Скорость деградации кристалла очень сильно зависит от тока, пропускаемого через светодиод, и от температуры кристалла. При номинальных значениях этих параметров срок службы светодиодов достигает расчетных значений. Превышение хотя бы одного из них существенно ускоряет деградацию кристалла.
Кстати, превышение максимального тока дает еще и увеличение светового потока, что позволяет недобросовестным производителям предлагать продукцию с уникальными характеристиками по сравнительно низкой цене. А то, что светодиоды в их изделиях «умрут» достаточно быстро - так это проблема покупателя.

Старение люминофора.

Скорость старения люминофора зависит, в первую очередь, от его рабочей температуры. А поскольку люминофор наносится, как правило, на кристалл, то - от температуры, до которой он - кристалл - нагревается в процессе работы.
Таким образом, скорость старения люминофора напрямую зависит от качества теплоотведения от кристалла светодиода.
Старение люминофора приводит как к снижению яркости свечения, так и к смещению излучения светодиода в синюю часть спектра.

Механические повреждения.

В основе механических повреждений лежат, как правило, низкое качество технологического процесса и/или его несоблюдение, механические воздействия в процессе эксплуатации прибора.
Проявления: разрыв паяных и иных соединений, ведущие к обрыву цепи, нарушению механического контакта кристалла с теплоотводящей подложкой (повышение температуры кристалла и… см. выше).
Для защиты от деформаций, возникающих в процессе эксплуатации, многие производители стали заливать кристаллы силиконом. Его упругость позволяет равномерно распределить нагрузки на всю конструкцию и существенно снизить вероятность механического повреждения изделия, соединения кристалла и проводников.

Помутнение первичной оптики.

Оптика светодиодов, в том числе и первичная, изготавливается из полимеров: силикона, пластмасс.
Изменение ее оптических свойств связано с несколькими факторами:

воздействие ультрафиолета;
воздействие высокой температуры;

Воздействие ультрафиолета актуально только для светодиодов белого свечения, выполненных на базе ультрафиолетовых кристаллов, покрытых трехцветным люминофорам. Такие светодиоды, на данный момент, мало распространены. Воздействие внешнего ультрафиолета, при качественном проектировании светильника, незначительно.
Воздействие высокой температуры кристалла является основной причиной помутнения первичной оптики светодиода. Как видим, температура кристалла оказывает воздействие на несколько факторов, определяющих срок жизни светодиода.
Многие модели светодиодов вообще не имеют первичной оптики, что позволяет увеличить срок их жизни.

Светодиодные ленты - одна из наиболее популярных систем освещения, отличающаяся компактным размером, разнообразной конфигурацией и низким расходом электроэнергии. В связи с этим у многих пользователей Украины возникает вопрос, на какой срок эксплуатации рассчитаны диоды и можно ли его продлить.

От чего зависит срок службы светодиодной ленты?

Одним из факторов, влияющих на продолжительность работы светодиодов, является цвет. В каталоге Modern Light или любого другого сайта нет светильников с естественным белым светом. Естественным путем выращиваются только кристаллы желтого, зеленого, синего и красного цвета. Белый цвет получают из синего светодиода, внутрь которого помещают желтый люминофор. Из-за этого белые диоды считаются самыми недолговечными.

На продолжительность работы LED-устройства также влияет мощность, качество используемых материалов, технология производства.

Средний срок службы светодиодных лент

Для начала рассмотрим обычную лампу накаливания. Срок ее службы начинается в момент вкручивания в светильник и заканчивается перегоранием. Он может длиться как 15 минут, так и 15 лет. Но в среднем такой прибор рассчитан на 1000 часов работы.

В отличие от ламп накаливания диоды не перегорают, а тускнеют. С момента их подключения до полного затухания может пройти несколько лет. Это объясняется наличием примесей, которые изменяют структуру кристалла. В результате испускаемая им энергия преобразуется не в свет, а в тепло. Именно поэтому срок службы светодиодной ленты - это период, начинающийся в момент ее первого подключения и заканчивающийся снижением яркости на 30 %.

Тесты, проведенные на устройствах SMD 5050, показали, что:

срок службы белого светодиода - 50000 часов (через 15000 часов яркость падает на 35 %);
срок службы зеленого и синего светодиода - 70000 часов (через 25000 часов яркость падает на 15 %);
срок службы желтого и красного светодиода - 90000 часов.

Белые диоды служат гораздо меньше. Это обусловлено наличием все того же люминофора, который ухудшает тепловые характеристики светодиодных кристаллов.

Как увеличить срок службы светодиодов?

Производители гарантируют не менее 100000 часов работы светодиодной ленты. Чтобы продлить этот срок или хотя бы не уменьшить его, необходимо:

покупать исключительно сертифицированные LED-устройства;
обращать внимание на конструкцию и технологию изготовления;
правильно проектировать систему освещения;
соблюдать правила эксплуатации и рекомендации производителя.

Кроме того, в помещениях, в которых будут использоваться диоды, необходимо поддерживать оптимальную температуру, влажность, чистоту и вентиляцию воздуха.

Несмотря на бытующее мнение, светодиодные ленты - это не «вечный» источник света. Прежде чем заказать их, нужно понять, что ресурс у них ограничен. Поэтому чтобы сохранить или даже увеличить его, следует соблюдать правила эксплуатации и рекомендации производителя.

Предупреждение: Будет много букв, но вроде все по делу. Статья рассчитана на новичков, умеющих пользоваться паяльником.

Часть 1. Предисловие

Наверное, многие из вас меняли штатные лампы накаливания в плафонах салона, в подсветке номера, в габаритных огнях, в приборной панели и т.д., на светодиодные лампы.

Как правило, при подобных заменах используются уже готовые автомобильные светодиодные лампы, рассчитанные на напряжение 12 вольт.

По сравнению с лампами накаливания, преимущества светодиодных ламп известны, это малое энергопотребление, большой выбор цветов свечения, меньший нагрев, а также существенно больший срок службы.

Однако, для долгой и счастливой жизни светодиода весьма важно, чтобы протекающий через него ток не превышал заданных производителем величин. При превышении максимально допустимого тока, происходит быстрая деградация кристаллов светодиодов, и лампа выходит из строя.

Поэтому, в "правильные" светодиодные лампы уже встроен стабилизатор тока (драйвер). Но такие лампы, как правило, стоят недешево. В связи с этим, в автолюбительской среде гораздо большее распространение получили дешевые светодиодные лампы, не имеющие встроенного стабилизатора. Примеры таких ламп на фото 1:

Из-за отсутствия стабилизатора, такие лампы весьма чувствительны к скачкам напряжения в бортовой сети автомобиля. Кроме того, хитрые узкоглазые производители ламп рассчитывают их параметры, как правило, на максимальное напряжение 12В. Однако, как известно, при работе двигателя напряжение в бортсети составляет 13.5-14.5В. В итоге, светодиодные лампы, не имеющие стабилизатора, часто служат даже меньше, чем обычные лампы накаливания. Особенно это заметно при использовании светодиодных ламп в подсветке номера и в габаритных огнях, когда светодиоды работают в течение длительного времени. Месяц-другой, реже полгода, и лампа начинает мигать, а вскоре и совсем гаснет.

Один из способов продлить жизнь таким лампам — это подключение их через стабилизаторы тока (или напряжения), которые защитят лампы от скачков напряжения в бортовой сети автомобиля и обеспечат требуемый ток. Однако, такой способ имеет ряд существенных недостатков:

Недостаток 1. Для установки стабилизаторов требуется вмешательство в электропроводку автомобиля, на что пойдет не каждый автовладелец, особенно в гарантийный период.

Недостаток 2. По схемотехнике, стабилизаторы делятся на линейные и импульсные. Линейные довольно сильно греются при относительно небольших токах, а импульсные генерируют высокочастотные помехи, которые влияют на качество приема радио.

Недостаток 3. Ламп в автомобиле много, и на каждую (пусть даже группу ламп) поставить стабилизатор проблематично.

Недостаток 4. Возврат к штатным лампам накаливания может потребовать демонтажа ранее установленных стабилизаторов.

Поэтому, в данной статье я предлагаю способ, как существенно продлить срок службы светодиодных ламп, без использования стабилизаторов. Речь пойдет о простой доработке самих светодиодных ламп.

Часть 2. Немного теории

Мне приходилось разбирать множество автомобильных светодиодных ламп. Несмотря на разный внешний вид, тип цоколя и габаритные размеры, практически все недорогие лампы конструктивно похожи, с небольшими вариациями, которые я отмечу далее.

Итак, среднестатистическая автомобильная светодиодная лампа выполнена по типовой схеме, представленной на рис. 2 (приведен пример для 9 светодиодов):

Обозначение элементов на схеме, слева направо:

VDS1: Диодный мост. Так как для светодиодов важна полярность подключения, диодный мост позволяет подключать лампу как обычную лампу накаливания, не думая о полярности. Самые дешевые лампы не имеют диодного моста, но, в последнее время, он часто присутствует даже в малогабаритных бесцокольных лампах. Диодный мост установлен в лампу чисто для удобства пользователя.

R1-R3: Токоограничивающие резисторы для цепочек из трех светодиодов HL1.1-HL1.3 и т.д. Эти резисторы задают ток, протекающий через каждую из цепочек светодиодов. Чем больше сопротивление резистора, тем меньше ток через светодиоды.

HL1.1-HL1.3: Цепочка из трех светодиодов. В разных по конструкции светодиодных лампах, количество цепочек и количество светодиодов в цепочке может быть различным, но часто используются именно цепочки из трех светодиодов. На данной схеме для примера показана лампа с тремя цепочками по три светодиода в каждой. Есть лампы, состоящие вообще из одного светодиода, но схемотехника у них такая же.

I1-I3: ток через цепочки, например, I1 — ток через цепочку R1-HL1-HL2-HL3 и т.д. Суммарный ток, потребляемый лампой, равен сумме токов Iобщ=I0+I1+I2+I3.

Чтобы повысить надежность работы лампы, правильно ставить на каждую из цепочек отдельный токоограничивающий резистор R1-R3. В этом случае выход из строя светодиодов в одной из цепочек не повлияет на ток через другие цепочки. Однако, в целях экономии, производители дешевых ламп ставят один общий резистор на все цепочки. Такие лампы менее надежны, но выяснить это суждено уже покупателю. Упрощенная схема лампы с одним токоограничивающим резистором приведена на схеме на рис. 3:

От теории перейдем к практике. Я не буду грузить вас сложными расчетами, просто покажу, что и как делать.

Часть 3. Доработка автомобильных светодиодных ламп, не имеющих встроенного стабилизатора тока

Для доработки ламп понадобятся:

1. Паяльные принадлежности — паяльник на 25-40 Вт, флюс, припой.
2. Наличие мультиметра и паяльного фена приветствуется.
3. Набор резисторов требуемой мощности и номиналов. Возможно, для определения типа и номиналов резисторов, придется предварительно разобрать одну лампу для изучения.

Пример 1: Цилиндрические лампы типа C5W или C10W

Отпаиваем металлические контактные колпачки, нагревая их феном или паяльником сбоку, в месте соприкосновения с платой. Под одним из колпачков видим резистор-обманку R0, о нем поговорим в следующей записи (фото 4):

На фото 5 слева направо видим диодный мост VDS1, две цепочки светодиодов HL1-HL2 по три светодиода в каждой, и общий токоограничивающий резистор R1. Это означает, что данная лампа выполнена по упрощенной схеме с одним резистором (см. рис. 3).

Для сравнения, на фото 6 приведена более "правильная" лампа, где используются три токоограничивающих резистора, по одному на каждую цепочку:

На фото 7 показана светодиодная лампа со светодиодной матрицей (технология COB). Такие лампы легко отличить по внешнему виду, на них не видно отдельных светодиодов. Для матрицы COB используется один токоограничивающий резистор R1. В данном конкретном случае, это не удешевление:

Доработка лампы очень простая и сводится к замене токоограничивающих резисторов на резисторы большего номинала. Тем самым мы уменьшаем ток через светодиоды, в результате они меньше греются и дольше служат.

Я провел ряд измерений на различных светодиодных лампах, и для себя сделал следующие выводы:

Вывод 1: Большинство дешевых ламп рассчитаны производителем на максимальное напряжение 12В, не более. При работе в реальных условиях, при напряжении в бортсети порядка 13.5-14.5В, светодиоды работают с перегрузкой и быстро выходят из строя.

Вывод 2: Увеличение номинала токоограничивающего резистора в 2-3 раза не сильно сказывается на яркости свечения лампы, но пропорционально снижает ток через светодиоды, чем существенно продлевает их ресурс.

Вывод 3: Даже при уменьшении тока в 3-5 раз по сравнению с исходным, светодиодные лампы светят ярче, чем аналогичные лампы накаливания.

Отпаяв колпачки и получив доступ плате, выпаиваем заводской резистор и вместо него впаиваем свой, с увеличенным сопротивлением.

На фото 8 заводской резистор сопротивлением 22 Ом заменен на резистор сопротивлением 100 Ом (почти в 5 раз больше):

Подбором номинала резистора можно изготовить лампы для различных применений, например, для освещения салона сделать поярче, в подсветку номера — поменьше яркостью и т.д. Например, на фото 9, для подсветки номера, я поставил резисторы сопротивлением 150 Ом (в 7 раз больше штатного 22 Ом), яркость все равно осталась больше штатных ламп накаливания:

Пример 2. Бесцокольные лампы T10 W5W

Отгибаем контактные усики и разбираем лампу (фото 10):

Видим, что лампа имеет простейшую конструкцию, без диодного моста, питание на светодиоды подается через один токоограничивающий резистор (фото 11):

Еще одна распространенная разновидность лампы W5W, с одним мощным светодиодом. Разбирается аналогично предыдущему примеру (фото 12):

Здесь в конструкции питание подается через два последовательно включенных резистора. Это сделано для того, чтобы резисторы поменьше грелись (фото 13):

Пример 3. Малогабаритные лампы T5 для приборной панели

Как правило, из-за ограниченного размера, в конструкции таких ламп оставлен лишь один светодиод и один токоограничивающий резистор. Разбираются аналогично лампам W5W, путем отгибания усиков (фото 14-15):

Все рассмотренные лампы дорабатываем аналогично, просто заменяем штатные резисторы на свои, с увеличенным в 2-3-5 раз номиналом. Сопротивление резистора подбираем, в зависимости от требуемой яркости свечения.

Часть 4. Некоторые практические советы

Совет 1. В лампах различного размера и конструкции, могут использоваться различные по типу и размеру элементы. Как правило, компоновка деталей лампы довольно плотная, поэтому запаять вместо штатных другие типоразмеры часто бывает затруднительно, из-за ограниченного свободного места. Поэтому, заранее подбирайте подходящие детали, но при этом чтобы мощность нового резистора не была меньше мощности штатного (фото 16):

Совет 2. При работе с паяльным феном, легко повредить горячим воздухом соседние детали, например, светодиоды. Поэтому, перепаивая резисторы, закрывайте другие детали от воздействия горячего воздуха. Я, например, просто прикрывал светодиоды пинцетом (фото 17):

Совет 3. При выпаивании колпачков ламп C5W и C10W, часть припоя может вытечь. При сборке лампы, для надежной пайки колпачков, можно заранее добавить припоя на контактные пятачки платы, тогда при нагреве припой надежно соединит плату и колпачок.

Совет 4. Некоторые лампы со светодиодными матрицами COB, для красоты прикрыты декоративными пластиковыми стеклами. Эти стекла ухудшают теплоотвод, рекомендую их снять, на внешний вид подсветки по факту это никак не влияет, а охлаждаться лампа будет лучше (фото 19):

И в завершение, небольшой прикол. Интересно, откуда на лампе взялась надпись "КОЛЯ", нанесенная промышленным способом? (фото 20):

Данная простая доработка позволяет существенно продлить ресурс автомобильных светодиодных ламп, даже без использования стабилизаторов тока или напряжения.

Читайте также: