Intégrez une protection pour éviter les pannes de LED dans vos conceptions

La diode électroluminescente (LED) semble être un travailleur infatigable et sa construction à semi-conducteurs promet une longue durée de vie. Avec la disponibilité croissante des luminaires à haute intensité, les LED deviennent rapidement le composant traditionnel de l'éclairage de zone. Alors que l'éclairage LED promet une plus grande durabilité que les anciennes technologies incandescentes et fluorescentes, une défaillance prématurée du luminaire peut décevoir les utilisateurs. Les avis en ligne et le bouche à oreille sont rapides pour indiquer au marché les performances des différentes marques en termes de fiabilité, et les fabricants courent un risque de réputation ainsi que le potentiel de baisse des ventes par rapport à la concurrence perçue.offre des produits plus performants.
Pourquoi les LED peuvent tomber en panne
Malgré leur fiabilité reconnue en tant que dispositifs à semi-conducteurs, les LED peuvent être fragiles et l'une des principales raisons d'une défaillance prématurée est l'endommagement des LED elles-mêmes causé par des surtensions transitoires pouvant provenir de diverses sources. Étant donné que les LED sont souvent utilisées dans des environnements à basse tension, tels que les indicateurs, et rencontrent rarement des surtensions dommageables, les concepteurs sous-estiment souvent les risques auxquels les LED sont confrontées lorsqu'elles sont utilisées dans des applications plus exigeantes ou des conditions plus difficiles, telles que l'éclairage public extérieur. Malgré leur fiabilité notoire, les LED ont des mécanismes de défaillance connus à la fois de nature mécanique et thermique. Par exemple, une LED fonctionnant à pleine puissance pendant de longues périodes générera de grandes quantités de chaleur qui finiront par endommager les joints des conducteurs reliant l'appareil à son boîtier. Au fur et à mesure que les conducteurs métalliques s'oxydent avec la chaleur, ils deviennent cassants avec le temps, augmentant le risque de défaillance des LED, en particulier dans les systèmes sujets aux vibrations.
Les autres causes de défaillance des LED, comme pour les autres semi-conducteurs, sont les décharges électrostatiques ou les surtensions induites par la foudre à proximité. Un autre défi lors de l'utilisation de conceptions d'éclairage à semi-conducteurs est qu'une bande entière de LED dans un luminaire peut tomber en panne en raison d'un problème avec une seule des LED de la matrice. Les LED sont généralement connectées en série et alimentées à partir d'une source de courant constant en fonction de la luminosité, de la couleur et de l'intensité souhaitées requises par l'application. Le câblage en série est privilégié car il offre un comportement plus cohérent sur toutes les LED de la bande, ce qui offre une luminosité plus uniforme. Un circuit ouvert dans une seule LED sur une bande, causé peut-être par la rupture d'un seul conducteur à la jonction, peut entraîner la défaillance de toute la bande.
Dans les applications d'éclairage public ou d'éclairage de piste d'aéroport, la perte de la bande peut atténuer ou éteindre la lumière, entraînant un risque pour la sécurité. L'utilisation dans les panneaux d'affichage utilisant des écrans LED est moins critique, mais les zones vides causées par une défaillance de la bande entraînent des plaintes et des pertes de profits potentielles ainsi que des coûts de maintenance plus fréquents. Dans les applications domestiques, les marques connues pour leur propension aux pannes prématurées trouveront des problèmes sur le marché.
Incorporer une protection dans la conception pour éviter les pannes courantes
La diligence dans les circuits permet cependant de réduire les pannes voire de les éviter. De nombreux systèmes auront un certain niveau de protection contre les décharges électrostatiques et les surtensions, mais se concentreront souvent sur l'entrée de l'alimentation. Naturellement, l'entrée CA est un domaine clé de protection, mais dans toutes les applications d'éclairage à LED, il existe trois domaines qui nécessitent une protection de circuit. En plus de l'entrée CA, la partie CC de l'alimentation et les LED elles-mêmes doivent être protégées, et les concepteurs doivent prendre en compte tous les différents types de protection nécessaires à chaque point du circuit.
Protégez la LED elle-même
Le problème d'une seule LED défaillante provoquant l'atténuation d'une bande entière peut être évité simplement en mettant un dispositif de protection LED ouvert en parallèle avec chaque LED sur la bande. Un type de composant qui peut agir comme un protecteur de LED ouvert est un shunt électronique qui agit comme un pont de courant pour le circuit qui a été laissé ouvert et permet à l'alimentation de circuler vers le reste des LED sur la bande. Le shunt est un dispositif à deux bornes qui se réinitialise automatiquement si la connexion LED ouverte se rétablit ou est remplacée. Une bonne conception pour un tel protecteur de shunt est un interrupteur activé par tension avec une fuite de microampères. Une fois que la LED est ouverte, il y aura suffisamment de tension dans le circuit pour activer le protecteur. Un avantage de ce type de protecteur est son immunité intégrée contre les surtensions, contournant la LED en cas de surtension qui pourrait être induite par la foudre ou une décharge électrostatique à proximité. Des exemples de tels shunts électroniques peuvent être trouvés dans la gamme PLED, dont les dispositifs protègent également les LED contre les inversions de tension accidentelles. Les PLED sont relativement faciles à spécifier. Avec des paramètres tels que la tension continue et le courant continu et le schéma de connexion utilisé dans les bandes de LED, il ne reste plus qu'à déterminer la taille de la LED et son coefficient de protection. Le courant de commutation PLED doit être inférieur à la valeur fournie par la source de courant constant et la tension d'allumage doit être inférieure à la tension de «conformité», qui est la tension de sortie maximale en circuit ouvert fournie par la source d'alimentation pour la bande LED . L'étape suivante consiste à déterminer le nombre de LED protégées par un seul PLED : un concepteur peut choisir de risquer une gradation causée par trois LED sans alimentation si une seule des LED du groupe tombe en panne. Typiquement, un PLED6, pilotant à 6 V, protège une LED ; un PLED9, qui pilote à 9 V, convient pour une utilisation avec deux LED ; et le PLED13 peut être utilisé avec un groupe de trois LED. D'autres composants susceptibles d'être utilisés pour fournir une protection LED ouverte présentent souvent des inconvénients.
Par exemple, les redresseurs contrôlés au silicium (SCR) et les diodes Zener ont tous deux des attributs qui pourraient vous faire penser qu'ils sont à la hauteur de la tâche. Une diode Zener offre une protection efficace contre les décharges électrostatiques et la foudre ainsi qu'une protection contre l'inversion de polarité. Cependant, il ne survivrait pas longtemps dans une application actuelle, car étant actif, le courant de bande surchargerait facilement la diode, diminuant sa durabilité. Un SCR protégera contre les conditions de LED ouvertes mais pas contre les décharges électrostatiques ou la foudre, et n'offrira pas non plus de détection de polarité inversée. Un SCR est également généralement un appareil plus grand qui ne sera pas facile à intégrer dans de nombreux luminaires à haute luminosité où les LED peuvent déjà être densément emballées.
Protection pour entrée AC
Lors de la sélection de la protection pour l'entrée CA, une considération clé est qu'il s'agit d'une zone très sensible aux surtensions de foudre. Les dispositifs de protection doivent être suffisamment solides pour répondre aux exigences des surtensions de foudre. Un minimum de 3 kA est requis mais il peut être important de garantir 6 kA. La réponse doit également être rapide pour limiter les dommages ultérieurs. Les critères de sélection de la ligne de fusibles pour l'entrée AC incluent la tension et le courant, ainsi que la valeur I2T. Le troisième paramètre fournit un indicateur de la quantité d'énergie que l'élément fusible peut supporter avant de s'ouvrir. Par conséquent, les fusibles temporisés ont des valeurs I2T plus élevées que les fusibles à action plus rapide. De plus, la valeur I2T augmente proportionnellement au courant nominal du fusible. Un autre composant clé de l'alimentation en courant alternatif est un suppresseur de surtension (TVS) ou une varistance à oxyde métallique (MOV), utilisé pour détourner les tensions des composants sensibles.
Protection pour entrée CC
Un composant crucial de la section DC est le fusible DC haute tension, conçu pour s'ouvrir lors de surintensités. Un TVS secondaire dans la section DC offre une protection supplémentaire contre les surtensions, évitant d'endommager l'électronique de commande du convertisseur de puissance et limitant la quantité de charge dommageable qui peut traverser les bandes LED elles-mêmes. En conclusion, bien que les LED puissent avoir un niveau de durabilité plus élevé que les solutions d'éclairage traditionnelles, elles nécessitent une protection de circuit adéquate pour tenir leurs promesses. En se concentrant sur les trois éléments principaux de la conception électrique d'un luminaire, les LED auront une plus grande durabilité et leur utilisation s'étendra à des environnements de plus en plus exigeants.