درک کردنمقاومت حرارتی LEDو اتلاف حرارت

1. مقدمه

مقاومت حرارتی یک عامل مهم در عملکرد LED و طول عمر است. بر خلاف منابع نور سنتی، LED ها بیشتر انرژی خود را به تبدیل می کنندنور به جای گرما، اما گرمایی که تولید می کنند باید به طور موثر مدیریت شود تا از شکست جلوگیری شود. این مقاله توضیح می دهد:
✔ مقاومت حرارتی برای LED ها به چه معناست
✔ چگونه بر طول عمر و کارایی LED تأثیر می گذارد
✔ روش های موثر دفع گرما
✔ فن آوری های خنک کننده پیشرفته

2. مقاومت حرارتی در LED چیست؟

2.1 تعریف

مقاومت حرارتی (Rθ یا Rth) میزان مقاومت یک LED در برابر جریان گرما را اندازه گیری می کنداتصال (لایه-نور ساطع کننده)به محیط اطراف در بیان می شوددرجه / وات (درجه سانتیگراد بر وات).

Rθ پایین تر= اتلاف گرما بهتر.

Rθ بالاتر= گرما ایجاد می‌شود، کارایی و طول عمر را کاهش می‌دهد.

2.2 چرا مهم است؟

هر 10 درجه افزایش دمای محل اتصال (Tj)می تواند:

LED را کاهش دهیدطول عمر 50%(معادله آرنیوس).

کاهش دهدخروجی نور (نگهداری لومن)5-10٪.

شیفتدمای رنگ(CCT) وطول موج.

2.3 نقاط مقاومت حرارتی کلیدی در LED

3. چگونه گرما بر عملکرد LED تأثیر می گذارد

3.1 کاهش بهره وری

در دمای بالا، LEDبازده کوانتومی کاهش می یابد، برای روشنایی یکسان به قدرت بیشتری نیاز دارد.

مثال: یک LED 100W در 100 درجه ممکن است ساطع کند20% لومن کمترنسبت به 25 درجه

3.2 تغییر رنگ

ال‌ای‌دی‌های آبی/سفید با استفاده از پوشش‌های فسفری در اثر گرما سریع‌تر تخریب می‌شوند و باعث می‌شوندزرد شدن(تغییر CCT بالاتر).

3.3 شکست فاجعه بار

اگرTj بیش از 150 درجه است، LED می تواند آسیب ببیند:

لایه لایه شدن(تراشه از بستر جدا می شود).

ترک خوردگی مفصل لحیم کاری.

مهاجرت الکتریکی(یون های فلزی حرکت می کنند و باعث ایجاد شورت می شوند).

4. روش های دفع گرمای LED

4.1 خنک کننده غیرفعال (بدون قطعات متحرک)

هیت سینک ها

مواد: آلومینیوم (ارزان، سبک وزن) یا مس (رسانایی بهتر).

طراحی: باله ها مساحت سطح را افزایش می دهند (همرفت طبیعی).

مثال: یک LED 20W ممکن است نیاز به aهیت سینک آلومینیومی 100 گرمیبرای ماندن<85°C.

مواد رابط حرارتی (TIMs)

خمیر حرارتی / پدهای شکاف: شکاف های هوای میکروسکوپی بین LED و هیت سینک را پر کنید.

فاز-تغییر مواد: برای بهبود تماس کمی مایع کنید.

فلز- PCBهای هسته (MCPCB)

زیرلایه های آلومینیومی یا مسیانتقال گرما بهتر از فایبرگلاس

استفاده شده درنوارهای LED با قدرت-بالا و LEDهای COB.

4.2 خنک کننده فعال (هوای اجباری / مایع)

طرفداران

استفاده شده دروسایل LED لومن بالا-(به عنوان مثال، چراغ های استادیوم).

می تواند کاهش دهدRthSA 50٪اما نویز و مصرف برق را اضافه کنید.

لوله های حرارتی / محفظه های بخار

لوله های حرارتی: انتقال حرارت از طریق سیال تبخیر/تراکم (مورد استفاده در پروژکتورهای LED).

اتاق های بخار: خنک کننده مسطح،-دو فاز برای طراحی های فشرده.

خنک کننده مایع

کمیاب اما مورد استفاده درال ای دی های فوق-پرقدرت-(به عنوان مثال، چراغ های جلو اتومبیل).

4.3 تکنیک های پیشرفته

خنک کننده میکروکانال

کانال های سیال ریز حک شده در هیت سینک (مرحله تحقیق- برای LED).

پخش کننده های حرارتی گرافنی

رسانایی حرارتی 5 برابر بهتر از مس (تکنولوژی نوظهور).

خنک کننده ترموالکتریک (TEC)

ماژول های Peltier برایکنترل دقیق دما(در LED های درجه آزمایشگاهی- استفاده می شود).

5. محاسبه مقاومت حرارتی

5.1 فرمول پایه

Tj=Ta+(RθJA×Pdiss)Tj​=Ta​+(RθJA​×Pdiss​)

Tj= دمای محل اتصال (درجه)

تا= دمای محیط (درجه)

RthJA= مقاومت حرارتی کل (درجه / وات)

Pdiss= انرژی تلف شده به صورت گرما (W)

5.2 محاسبه مثال

برای یکLED 10Wبا:

RthJA=15 درجه /W

تا=25 درجه

Tj=25+(15×10)=175 درجه (ناامن! به خنک‌کننده بهتر نیاز دارد) Tj​=25+(15×10)=175 درجه (ناامن! به خنک‌کننده بهتر نیاز دارد)

راه حل: استفاده از aهیت سینک با RθSA=5 درجه /Wپایین آوردنRthJA تا 10 درجه / W:

Tj=25+(10×10)=125 درجه (قابل قبول برای برخی از LED ها)Tj​=25+(10×10)=125 درجه (قابل قبول برای برخی LED ها)

6. واقعی{1}}برنامه های جهانی

6.1 لامپ ال ای دی

لامپ های ارزان قیمت: به محفظه های پلاستیکی تکیه کنید (خنک کننده ضعیف، طول عمر کوتاه).

لامپ های درجه یک: از هیت سینک های آلومینیومی (مثلاً ال ای دی فیلیپس) استفاده کنید.

6.2 ال ای دی خودرو

چراغ های جلو: اغلب استفاده می شودلوله های حرارتی + فن(به عنوان مثال، آئودی ماتریکس LED).

6.3 چراغ های رشد

خنک کننده فعالمورد نیاز به دلیلقدرت بالا (500W+).

6.4 چراغ های خیابان

پره های آلومینیومی غیر فعالمسلط کردن (ب-رایگان نگهداری).

7. روندهای آینده

✔ خنک کننده یکپارچه(LED + هیت سینک به صورت یک واحد).
✔ مدیریت حرارتی هوشمند(حسگرها قدرت را برای محدود کردن Tj تنظیم می کنند).
✔ نانو مواد(به عنوان مثال، نانولوله‌های کربنی برای Rθ بسیار-کم).

8. نتیجه گیری

مقاومت حرارتی (Rθ) یک LED را دیکته می کندقابلیت اطمینان، روشنایی و ثبات رنگ. با استفاده ازهیت سینک های کارآمد، TIM ها و خنک کننده فعال، تولید کنندگان اطمینان حاصل می کنند که LED ها دوام دارند50،{1}} ساعت. پیشرفت های آینده درخنک کننده مایع و گرافنممکن است محدودیت ها را بیشتر کند.

خوراکی های کلیدی:

Tj < 85 درجه را نگه داریدبرای عمر مطلوب LED

RthJA پایین= عملکرد بهتر.

خنک کننده غیرفعالبرای اکثر برنامه ها کافی است.خنک کننده فعالبرای LED های پرقدرت- است.