Hvordan påvirker varmeafledning LED'er med høj-lysstyrke?

LED varmeafledning er blevet en nøglefaktor, der direkte påvirker ydeevne, levetid og pålidelighed. Effektiv termisk styring sikrer, at overdreven varme fjernes fra chippen i tide, hvilket forhindrer effektivitetstab og for tidlig fejl. Denne artikel analyserer vigtigheden af ​​LED-varmeafledning ved at undersøge temperaturens indvirkning på LED-ydeevne og de almindelige metoder, der anvendes til termisk styring.

 

1. Temperaturens indvirkning på LED-ydelse, levetid og pålidelighed

LED-armaturer er typisk sammensat af LED-chips,-varmeafledningsstrukturer, drivere og optiske linser. Blandt disse komponenter spiller det termiske styringssystem en afgørende rolle. Hvis varme genereret af LED'en ikke kan afledes effektivt, vil chippens driftstemperatur stige, hvilket kan forkorte levetiden for hele belysningsarmaturen markant.

 

Termisk styring: En stor udfordring for lysdioder med høj-lysstyrke

Termisk styring er et af de mest kritiske problemer i LED-applikationer med høj-lysstyrke.

 

På grund af begrænsningerne af p-type-doping i III-nitridmaterialer, især den begrænsede opløselighed af Mg-acceptorer og den relativt høje aktiveringsenergi af huller, har varme tendens til at akkumulere i enhedens p-type-område. Denne varme skal rejse gennem hele enhedens struktur, før den spredes gennem kølepladen.

 

I LED-enheder overføres varme hovedsageligt gennem termisk ledning og konvektion. Imidlertid kan den lave termiske ledningsevne af nogle substratmaterialer øge enhedens termiske modstand betydeligt, hvilket fører til en stærk selvopvarmningseffekt. Denne overdrevne varme kan have alvorlige negative konsekvenser for LED-ydeevne, stabilitet og langsigtet-pålidelighed.

 

 

Varmens indvirkning på lysdioder med høj-lysstyrke

Fordi varmen er koncentreret inden for et meget lille spånområde, kan en stigning i spåntemperaturen føre til ujævn termisk spændingsfordeling, reduceret lyseffektivitet og lavere phosphor-excitationseffektivitet. Når temperaturen overstiger en vis tærskel, stiger fejlfrekvensen for enheden eksponentielt.

 

Statistiske data viser, at for hver stigning på 2 grader i komponenttemperatur falder pålideligheden med omkring 10 %. Når flere LED'er er tæt arrangeret for at danne et hvidt-lysbelysningssystem, bliver varmeafledningsudfordringen endnu mere alvorlig. Derfor er effektiv termisk styring blevet en forudsætning for den praktiske anvendelse af LED'er med høj-lysstyrke.

 

 

Forholdet mellem spånstørrelse og varmeafledning

Den mest direkte måde at øge lysstyrken på en høj-LED-skærm på er at øge inputeffekten. For at forhindre mætning i det aktive lag skal størrelsen af ​​PN-forbindelsen dog også øges tilsvarende. Mens øget inputeffekt kan øge lysstyrken, hæver det uundgåeligt overgangstemperaturen, hvilket igen reducerer kvanteeffektiviteten.

 

Evnen til at øge effekten af ​​en enkelt LED-enhed afhænger i høj grad af dens kapacitet til at overføre varme væk fra PN-forbindelsen. Hvis spånmaterialet, enhedsstrukturen, emballeringsproces, strømtæthed og varmeafledningsbetingelser forbliver uændrede, vil blot en forøgelse af spånstørrelsen stadig føre til en kontinuerlig stigning i overgangstemperaturen inden for krydsningsområdet.

 

2. Almindelige LED-varmeafledningsmetoder

For at opretholde en stabil ydeevne og forlænge levetiden for LED'er med høj-lysstyrke, bruges forskellige termiske styringsløsninger almindeligvis i LED-belysningsdesign.

 

Kølefinner af aluminium

Dette er den mest udbredte varmeafledningsmetode. Aluminiums køleprofiler er integreret i lampehuset for at øge overfladearealet til varmeafledning, hvilket gør det muligt at overføre varme mere effektivt til den omgivende luft. Som f.eksfølgende high bay lysdesign:

 

 

Termisk ledende plasthus

Termisk ledende plast kan bruges som et alternativ til aluminiumslegeringer til kølepladestrukturen. Dette materiale tilbyder elektrisk isolering og forbedrer den termiske strålingsydelse, hvilket hjælper med at sprede varmen mere effektivt.

 

Overflade strålebehandling

Lampehusets overflade kan behandles med termiske strålingsbelægninger. Påføring af speciel varme-maling gør det muligt at frigive varme fra lampens overflade gennem strålingsvarmeoverførsel.

 

Aerodynamisk design

Ved at optimere lampehusets form og struktur kan luftstrømmen forbedres for at fremme naturlig konvektion. Denne metode forbedrer varmeafledning til meget lave omkostninger og er meget udbredt i LED-belysningsprodukter.

 

Køleventilatorer

Nogle lysarmaturer bruger høj-blæsere med lang-levetid inde i huset for at forbedre varmeafledningen. Selvom denne løsning er omkostningseffektiv og effektiv, kræver den vedligeholdelse og er generelt ikke egnet til udendørs belysning, så den er mindre almindeligt anvendt i udendørs armaturer.

 

Heat Pipe teknologi

Varmerør overfører varme fra LED-chippen til eksterne køleprofiler, hvilket forbedrer varmeoverførselseffektiviteten markant. Dette design er almindeligt anvendt i store belysningsarmaturer såsom gadebelysning.

 

Liquid Bulb-teknologi til LED-varmeafledning

Liquid bulb emballeringsteknologi fylder pæren med en gennemsigtig væske med høj varmeledningsevne. Dette gør det muligt at sprede varme gennem den lysemitterende overflade på LED-chippen, hvilket gør den til en af ​​de få metoder, der kombinerer lysudbytte og varmeoverførsel fra chipoverfladen.

 

Udnyttelse af lampebasen

I små LED-lamper til husholdninger med lav-effekt bruger designere ofte det indre rum i lampebunden ved at placere en del af eller hele det varmegenererende-driverkredsløb inde i det. Dette gør det muligt for lampefoden-såsom en skrue-base med et relativt stort metaloverfladeareal-for at hjælpe med varmeafledning. Fordi basen er i tæt kontakt med metalelektroderne i stikket og strømforsyningens ledninger, kan en del af varmen ledes væk gennem denne struktur.

 

 

Termisk ledningsdesign

Formålet med lampehusets varmeafledningssystem er at reducere LED-chippens driftstemperatur. Den termiske udvidelseskoefficient for LED-chips adskiller sig dog væsentligt fra den for almindeligt anvendte metalvarme{1}}materialer. Som følge heraf kan LED-chips ikke loddes direkte til metalkøleplader, da termisk stress forårsaget af temperaturudsving kan beskadige chippen.

 

Nye keramiske materialer med høj-termisk-ledningsevne tilbyder en lovende løsning. Deres termiske ledningsevne er tæt på aluminiums, og deres termiske udvidelseskoefficient kan justeres til at matche LED-chips. Dette gør det muligt at integrere termisk ledning og varmeafledning, hvilket reducerer mellemliggende varmeoverførselstrin og forbedrer den samlede termiske effektivitet.

 

Forbedrede PVC-materialer

Modificerede PVC-materialer med varmeledningsegenskaber kan bruges i sekundære indkapslingsprocesser, hvilket hjælper med at forbedre varmeoverførsel og strukturel stabilitet i visse LED-belysningsapplikationer.

 

Konklusion

Det termiske styringsdesign af et LED-system med høj-lysstyrke bestemmer direkte dets lyseffektivitet, levetid og driftsstabilitet. Fra traditionelle aluminiumskøleribber til nyere teknologier såsom termisk ledende plast og flydende konvektionskøling, fortsætter varmeafledningsløsningerne med at udvikle sig og forbedres.

 

Kun ved effektivt at løse LED-varmeafledningsudfordringer kan producenter fuldt ud realisere fordelene ved LED-teknologi, hvilket muliggør stabil, effektiv og pålidelig belysningsydelse på tværs af en bred vifte af applikationer.