LED apšvietimo efektyvumas labai priklauso nuo to, kaip gerai valdoma šiluma sistemos viduje. Nors šviesos diodai yra efektyvūs šviesos šaltiniai, dalis elektros energijos sankryžoje vis tiek virsta šiluma. Jei ši šiluma nėra efektyviai pašalinama, vidinė temperatūra pakyla ir našumas pradeda keistis. Šilumos valdymo supratimas padeda paaiškinti, kodėl ryškumo pokyčiai, spalvų kitimai ir ilgalaikis patikimumas yra tiesiogiai susiję su temperatūros valdymu visame šilumos kelyje.
Kas yra LED šilumos valdymas?
LED šiluminis valdymas yra konstrukcija ir metodai, naudojami šilumai perkelti iš šviesos diodo sankryžos į supančią aplinką, išlaikant šviesos diodą saugioje darbinėje temperatūroje. Jis apima visą šilumos kelią per LED paketą, plokštę ir visas šilumą skleidžiančias ar šilumą skleidžiančias dalis. Jo tikslas yra užkirsti kelią perkaitimui, kuris gali sumažinti šviesos srautą, pakeisti spalvą ir sutrumpinti tarnavimo laiką.
Tiesioginis padidėjusios sankryžos temperatūros poveikis įrenginio lygiui
Pakilus sankryžos temperatūrai, šviesos diodo vidinis efektyvumas keičiasi dėl puslaidininkių fizikos. Šis poveikis pasireiškia medžiagos ir nešiklio lygiu prietaiso viduje.
Įrenginio lygio šiluminiai efektai:
• Sumažintas kvantinis efektyvumas – padidėjusi grotelių vibracija padidina nespinduliuojančią rekombinaciją, sumažindama šviesos generavimo efektyvumą.
• Pirminis įtampos poslinkis – Vf mažėja didėjant sankryžos temperatūrai, keičiant elektrines charakteristikas.
• Laikinas šviesos srauto mažinimas – optinė galia mažėja mažėjant nešiklio rekombinacijos efektyvumui.
• Spektrinis poslinkis – emisijos bangos ilgis šiek tiek pasislenka dėl juostos tarpo susiaurėjimo aukštesnėje temperatūroje.
Šie pokyčiai įvyksta iškart kylant temperatūrai ir paprastai yra grįžtami, kai sankryža atvėsta. Šiame etape struktūriniai pažeidimai dar neįvyko. Tačiau nuolatinė aukšta temperatūra pagreitina ilgalaikius skilimo mechanizmus, aptartus vėliau.
LED sankryžos temperatūros supratimas
Kritiškiausia šviesos diodo temperatūra yra sankryžos temperatūra (Tj) – vidinė sritis, kurioje susidaro fotonai. Jis skiriasi nuo aplinkos ar korpuso temperatūros. Net esant vidutinėms aplinkos sąlygoms, sankryžos temperatūra gali žymiai pakilti, jei šiluminė varža šilumos kelyje yra didelė.
Dauguma LED sistemų yra skirtos palaikyti sankryžos temperatūrą nuo 85 ° C iki 105 ° C, priklausomai nuo eksploatavimo tikslų.
Laikui bėgant didėjant sankryžos temperatūrai:
• Ilgalaikis liumenų palaikymas mažėja greičiau
• Medžiagų senėjimas pagreitėja
• Vairuotojo komponentai patiria papildomą šiluminį įtempimą
• Mažėja patikimumo ribos
Skirtingai nuo 2 skirsnyje aprašyto grįžtamojo elektrinio poveikio, ilgalaikis didelis Tj lemia nuolatinį medžiagos irimą. Ilgo tarnavimo laiko tikslams, tokiems kaip L70, sankryžos temperatūros valdymas nustato, ar našumas išlieka nuspėjamas per daugelį eksploatavimo metų.
Kaip šiluma juda per LED sistemą
Norint kontroliuoti sankryžos temperatūrą, šiluma turi efektyviai nukeliauti nuo LED štampo ir patekti į aplinkinį orą. Aušinimo efektyvumas priklauso nuo silpniausio šio kelio sluoksnio.
Tipiškas šilumos kelias: LED jungtis, plokštė (MCPCB arba keraminis substratas), šiluminės sąsajos medžiaga (TIM), radiatorius ir aplinkos oras. Šio kelio efektyvumas lemia, kaip aukštai sankryžos temperatūra pakils esant elektros apkrovai.
Kiekvienas sluoksnis prideda šiluminę varžą (°C/W). Mažesnis pasipriešinimas leidžia šilumai judėti efektyviau. Prastas paviršiaus lygumas, netolygus TIM padengimas, įstrigę oro tarpai ar per maži radiatoriai padidina bendrą pasipriešinimą ir pakelia vidinę temperatūrą. Net nedidelis bendros šiluminės varžos padidėjimas didelės galios sistemose gali pakelti sankryžos temperatūrą dešimtimis laipsnių.
Šilumos valdymo metodai LED apšvietime
Dauguma šviestuvų remiasi pasyviu konstrukciniu aušinimu. Didesnės galios sistemoms gali prireikti patobulintų šiluminių strategijų.
Radiatorius
Radiatorius sugeria šilumą iš LED plokštės ir išleidžia ją į orą. Tiek medžiaga, tiek geometrija turi įtakos našumui.
Įprastos medžiagos:
• Aliuminis – stiprus laidumo, svorio ir kainos balansas
• Varis – didesnis laidumas, bet sunkesnis ir brangesnis
Pelekai padidina paviršiaus plotą, pagerina konvekciją ir šilumos išsklaidymą.
Šiluminės sąsajos medžiagos (TIM)
Net apdirbtuose metaliniuose paviršiuose yra mikroskopinių tarpų, kurie sulaiko orą. Oras sulėtina šilumos perdavimą. TIM užpildo šias spragas ir pagerina šiluminį kontaktą tarp LED plokštės ir radiatoriaus. Tinkamas montavimo slėgis ir švarūs kontaktiniai paviršiai pagerina nuoseklumą ir sumažina šiluminę varžą.
Vairuotojo atskyrimas ir vėdinimas
LED tvarkyklės yra jautrios karščiui. Atskyrus tvarkykles nuo pagrindinio LED šilumos šaltinio, sumažėja elektros įtampa ir padidėja patikimumas. Vėdinimo takai ir oro srauto kanalai neleidžia kauptis šilumai uždaruose įrenginiuose.
Aktyvus didelio našumo sistemų aušinimas
Kai pasyvus aušinimas negali palaikyti saugios sankryžos temperatūros, naudojami aktyvūs metodai:
• Ventiliatoriai
• Skysčio aušinimo sistemos
• Termoelektriniai moduliai
Šie metodai taikomi, kai elektros apkrova yra didelė ir oro srautas yra ribotas.
Aplinkos sąlygos, didinančios šiluminį stresą
Šiluminės savybės nepriklauso vien nuo armatūros konstrukcijos. Išorinės sąlygos tiesiogiai veikia šilumos atmetimo pajėgumą.
Aplinkos veiksniai, didinantys sankryžos temperatūrą:
• Aukšta aplinkos oro temperatūra
• Ribota konvekcija uždarose lubose ar ertmėse
• Tiesioginė saulės spinduliuotė
• Montavimas šalia izoliacijos
• Dulkių kaupimasis, mažinantis pelekų efektyvumą
Šios sąlygos sumažina temperatūros gradientą tarp radiatoriaus ir aplinkinio oro, todėl sumažėja šilumos perdavimo efektyvumas. 25 °C aplinkos šviestuvas gali veikti gerokai aukščiau numatytos sankryžos temperatūros, jei jis sumontuotas sandariame plenume arba blogai vėdinamame korpuse. Aplinkos įtaka turi įtakos šilumos atmetimo ribinei sąlygai - ne vidinei LED fizikai - bet rezultatas yra aukštesnė sankryžos temperatūra ir padidėjęs įtempis.
Lauko šiluminės perkrovos požymiai sumontuotuose LED šviestuvuose
Šiluminė perkrova lauke vystosi palaipsniui ir gali nesukelti greito išjungimo. Vietoj to, pasirodymo neatitikimai atsiranda per laiką arba tarp rungtynių.
Bendrieji lauko diagnostikos rodikliai:
• Laipsniškas pritemdymas per kelis mėnesius
• Protarpinis mirgėjimas po ilgesnio veikimo laiko
• Netolygus ryškumas tarp vienodų šviestuvų
• Spalvų neatitikimas tarp naujų ir senesnių įrenginių
• Padidėjęs vairuotojų gedimų skaičius šiltuoju metų laiku
• Šviestuvai, kurie stabilizuojasi po aušinimo laikotarpių
Skirtingai nuo grįžtamųjų sankryžos lygio pokyčių 2 skyriuje, šie požymiai rodo ilgalaikį šiluminį įtempį, paveikiantį medžiagas, litavimo jungtis ar vairuotojo komponentus. Jei simptomai sustiprėja esant aukštai aplinkos temperatūrai arba po ilgesnių veikimo ciklų, tikėtina, kad prie to prisideda padidėjusi jungties temperatūra.
Ilgalaikis medžiagų skilimas ir poveikis gyvavimo ciklui
Nors trumpalaikis perkaitimas turi įtakos našumui, nuolatinė aukšta sankryžos temperatūra lemia negrįžtamą medžiagos senėjimą ir konstrukcijos nusidėvėjimą sistemos viduje.
Padidėjusi temperatūra pagreitėja:
| Gedimo mechanizmas | Aprašymas |
|---|---|
| Fosforo skaidymas | Sumažėjęs šviesos konversijos stabilumas laikui bėgant |
| Spalvos pasikeitimas | Optinis aiškumas sumažėja dėl polimero senėjimo |
| Litavimo sąnario nuovargis | Pakartotinis terminis ciklas silpnina jungtis |
| Elektrolitinio kondensatoriaus susidėvėjimas tvarkyklėse | Šiluma sutrumpina kondensatoriaus tarnavimo laiką |
Šie degradacijos mechanizmai sumažina šviesos srauto palaikymą ir sutrumpina sistemos tarnavimo laiką. Aukštesnė sankryžos temperatūra tiesiogiai sumažina numatomą L70 arba L80 tarnavimo laiką ir padidina elektroninio gedimo tikimybę. Todėl šiluminė konstrukcija turi įtakos ne tik našumo stabilumui, bet ir techninės priežiūros intervalams, keitimo ciklams ir bendram sistemos patikimumui per eksploatavimo metus.
Geriausia įrenginių šiluminio projektavimo praktika
Dažniausios diegimo problemos, sukeliančios perkaitimą
Įleidžiamas šviestuvas izoliuotose lubose Sumontuotas be oro srauto tarpo, dėl kurio kaupiasi šiluma
Lauko šviestuvas tiesioginiuose saulės spinduliuose Veikiamas aukštesnės aplinkos temperatūros nei vardinės sąlygos
Sandarus dekoratyvinis korpusas Sumontuotas uždarame korpuse, kurio nenurodė gamintojas
Neteisinga montavimo orientacija Montuojama horizontaliai, kai buvo daroma prielaida, kad aušinimas yra vertikalus
Rekomenduojama diegimo praktika
| Įleidžiamas šviestuvas izoliuotose lubose | Sumontuotas be oro srauto tarpo, dėl kurio kaupiasi šiluma |
|---|---|
| Lauko šviestuvas tiesioginiuose saulės spinduliuose | Veikiami aukštesnės aplinkos temperatūros nei vardinės sąlygos |
| Sandarus dekoratyvinis korpusas | Sumontuotas uždarame korpuse, kurio nenurodė gamintojas |
| Neteisinga montavimo padėtis | Montuojama horizontaliai, kai daroma prielaida, kad aušinimas yra vertikalus |
| Rekomenduojama montavimo praktika | |
| Rungtynių aplinkos įvertinimas | Įsitikinkite, kad armatūros įvertinimas atitinka faktinę aplinkos temperatūrą |
| Išlaikyti atstumus | Laikykitės nurodytų atstumų, kad oro srautas būtų tinkamas |
| Išsaugoti vėdinimo takus | Neužblokuokite ir nekeiskite suprojektuotų aušinimo angų |
| Teisinga orientacija | Montavimas gamintojo nustatytoje padėtyje |
| Peržiūrėti Derating kreivės | Patikrinkite temperatūros mažinimo gaires, jei jos yra |
LED šiluminių savybių matavimas ir patvirtinimas
Šiluminės savybės turėtų būti tikrinamos atliekant bandymus ir matavimus lauke, kad būtų patvirtintas veikimas saugiose ribose.
Įprasti patvirtinimo metodai:
• Termovizorius – nustato karštuosius taškus ir netolygų šilumos pasiskirstymą
• Sankryžos temperatūros įvertinimas – apskaičiuojamas naudojant tiesioginės įtampos metodus arba šiluminės varžos modeliavimą
• LM-80 testavimas – matuoja LED paketų šviesos srauto palaikymą kontroliuojamos temperatūros sąlygomis
• TM-21 projekcija – naudoja LM-80 duomenis ilgalaikiam liumenų palaikymui įvertinti
Šie įrankiai patvirtina, ar šiluminis kelias veikia taip, kaip tikėtasi, ir ar gyvavimo trukmės prognozės sutampa su išmatuota temperatūra.
Išvada
LED šilumos valdymas neapsiriboja vien radiatoriais ar oro srautu. Tai apima visą šilumos kelią nuo sankryžos iki aplinkinio oro, kartu su montavimo sąlygomis ir ilgalaike eksploatavimo aplinka. Nors trumpalaikis temperatūros padidėjimas gali turėti įtakos tik elektriniam elgesiui, nuolatinė aukšta sankryžos temperatūra pagreitina medžiagų senėjimą ir sutrumpina sistemos tarnavimo laiką. Tinkamas šiluminis projektavimas, teisingas montavimas ir eksploatacinių savybių patvirtinimas kartu užtikrina stabilų šviesos srautą ir nuspėjamą patikimumą per daugelį eksploatavimo metų.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kas atsitiks, jei LED sankryžos temperatūra viršija vardinę ribą?
Kai sankryžos temperatūra pakyla virš vardinės ribos, degradacijos mechanizmai pagreitėja. Fosforo stabilumas mažėja, kapsuliatoriai greičiau keičia spalvą, o litavimo jungtys susilpnėja pakartotinai šiluminiu ciklu. Šviesos srautas mažėja greičiau, spalvų konsistencija laikui bėgant keičiasi, o bendra tarnavimo trukmė sutrumpėja. Net jei šviesos diodas nesugenda iš karto, ilgalaikės patikimumo ribos žymiai sumažėja.
Kaip šiluminė varža veikia LED ryškumą ir tarnavimo laiką?
Šiluminė varža (°C/W) lemia, kaip efektyviai šiluma juda iš LED sankryžos į aplinkos orą. Dėl didesnės bendros šiluminės varžos sankryžos temperatūra pakyla esant tokiai pačiai elektros apkrovai. Didėjant sandūros temperatūrai, šviesos srautas mažėja ir senėjimas pagreitėja. Sumažinus pasipriešinimą šilumos kelyje, tiesiogiai pagerėja ryškumo stabilumas ir ilgalaikis liumenų palaikymas.
Ar vien aplinkos temperatūra gali sukelti LED gedimą?
Aplinkos temperatūra tiesiogiai nepažeidžia šviesos diodo, tačiau sumažina temperatūros gradientą, reikalingą šilumai atmesti. Kai aplinkos temperatūra pakyla, radiatorius negali taip efektyviai išsklaidyti energijos, todėl jungties temperatūra pakyla. Uždaroje arba didelio karščio aplinkoje tai gali išstumti sistemą už šiluminės konstrukcijos ribų ir sutrumpinti tarnavimo laiką.
Kaip apskaičiuoti LED sankryžos temperatūrą realioje sistemoje?
LED sankryžos temperatūrą galima įvertinti pridedant su šiluma susijusį temperatūros kilimą prie aplinkos temperatūros. Padidėjimas yra galia (kaip šiluma), padauginta iš bendros sankryžos ir aplinkos šiluminės varžos, taigi Tj = Ta + (P × RθJA). Taip pat galite įvertinti Tj naudodami priekinės įtampos metodą, išmatuodami, kaip Vf keičiasi priklausomai nuo temperatūros.
Ar didesnės galios šviesos diodams visada reikalingas aktyvus aušinimas?
Ne visada. Aušinimo reikalavimai priklauso nuo bendro galios tankio, korpuso konstrukcijos, oro srauto ir šiluminės varžos, o ne tik nuo galios. Gerai suprojektuotas pasyvus radiatorius su pakankamu paviršiaus plotu ir oro srautu gali valdyti daugelį didelės galios sistemų. Aktyvus aušinimas tampa tinkamas, kai pasyviosios konstrukcijos negali palaikyti saugios sankryžos temperatūros numatomomis eksploatavimo sąlygomis.
