ความเข้าใจLED ต้านทานความร้อนและการกระจายความร้อน

1. บทนำ

ความต้านทานความร้อนเป็นปัจจัยสำคัญต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของ LED ไม่เหมือนกับแหล่งกำเนิดแสงแบบเดิมๆ LED จะแปลงพลังงานส่วนใหญ่ไปเป็นแสงมากกว่าความร้อนแต่ความร้อนที่เกิดขึ้นจะต้องได้รับการจัดการอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อป้องกันความล้มเหลว บทความนี้จะอธิบาย:
✔ ความต้านทานความร้อนหมายถึงอะไรสำหรับ LED
✔ ส่งผลต่ออายุการใช้งานและประสิทธิภาพของ LED อย่างไร
✔ วิธีกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ
✔ เทคโนโลยีระบายความร้อนขั้นสูง

2. ความต้านทานความร้อนใน LED คืออะไร?

2.1 คำจำกัดความ

ความต้านทานความร้อน (Rθ หรือ Rth) วัดว่า LED ต้านทานการไหลของความร้อนได้มากเพียงใดทางแยก (ชั้นเปล่งแสง-)สู่สภาพแวดล้อมโดยรอบ มันแสดงออกในองศา /W (องศาเซลเซียสต่อวัตต์).

Rθที่ต่ำกว่า= กระจายความร้อนได้ดีขึ้น

Rθที่สูงขึ้น= ความร้อนสะสม ทำให้ประสิทธิภาพและอายุการใช้งานลดลง

2.2 เหตุใดจึงสำคัญ?

อุณหภูมิทางแยกเพิ่มขึ้นทุกๆ 10 องศา (Tj)สามารถ:

ลดไฟแอลอีดีอายุการใช้งาน 50%(สมการอาร์รีเนียส)

ลดกำลังส่องสว่าง (การบำรุงรักษาลูเมน)5-10%

กะอุณหภูมิสี(ซีซีที) และความยาวคลื่น.

2.3 จุดต้านทานความร้อนที่สำคัญใน LED

3. ความร้อนส่งผลต่อประสิทธิภาพของ LED อย่างไร

3.1 ประสิทธิภาพลดลง

ที่อุณหภูมิสูง LEDประสิทธิภาพควอนตัมลดลงโดยต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อความสว่างเท่าเดิม

ตัวอย่าง: LED 100W ที่ 100 องศาอาจเปล่งออกมาลูเมนน้อยลง 20%กว่าที่ 25 องศา .

3.2 การเปลี่ยนสี

ไฟ LED สีน้ำเงิน/สีขาวที่ใช้สารเคลือบฟอสเฟอร์จะเสื่อมสภาพเร็วขึ้นภายใต้ความร้อนสีเหลือง(กะ CCT ที่สูงขึ้น)

3.3 ความล้มเหลวร้ายแรง

ถ้าTj เกิน 150 องศาLED อาจประสบปัญหา:

การแยกชั้น(ชิปแยกออกจากวัสดุพิมพ์)

รอยประสานแตกร้าว.

การย้ายถิ่นด้วยไฟฟ้า(ไอออนของโลหะเคลื่อนที่ทำให้เกิดการลัดวงจร)

4. วิธีการกระจายความร้อนของ LED

4.1 การระบายความร้อนแบบพาสซีฟ (ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว)

ฮีทซิงค์

วัสดุ: อลูมิเนียม (ราคาถูก น้ำหนักเบา) หรือทองแดง (การนำไฟฟ้าดีกว่า)

ออกแบบ: ครีบเพิ่มพื้นที่ผิว (การพาความร้อนตามธรรมชาติ)

ตัวอย่าง: LED 20W อาจต้องมีฮีทซิงค์อลูมิเนียม 100 กรัมที่จะอยู่<85°C.

วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM)

แผ่นระบายความร้อน/แผ่นช่องว่าง: เติมช่องว่างอากาศขนาดเล็กระหว่าง LED และฮีทซิงค์

ขั้นตอน-เปลี่ยนวัสดุ: ทำให้เป็นของเหลวเล็กน้อยเพื่อปรับปรุงการสัมผัส

โลหะ-คอร์ PCB (MCPCB)

พื้นผิวอลูมิเนียมหรือทองแดงนำความร้อนได้ดีกว่าไฟเบอร์กลาส

ใช้ในแถบไฟ LED กำลังสูง-และไฟ LED แบบ COB.

4.2 ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟ (บังคับอากาศ/ของเหลว)

แฟนๆ

ใช้ในอุปกรณ์ติดตั้งไฟ LED ลูเมนสูง-(เช่น ไฟสนามกีฬา)

ลดได้RθSA 50%แต่เพิ่มเสียงรบกวนและการใช้พลังงาน

ท่อความร้อน/ห้องไอ

ท่อความร้อน: ถ่ายเทความร้อนผ่านของเหลวระเหย/ควบแน่น (ใช้ในโปรเจ็กเตอร์ LED)

ห้องไอ: การระบายความร้อนแบบแบนสอง-เฟสสำหรับการออกแบบที่กะทัดรัด

ระบายความร้อนด้วยของเหลว

หายากแต่เคยใช้.ไฟ LED กำลังสูง-สูงพิเศษ-(เช่น ไฟหน้ารถยนต์)

4.3 เทคนิคขั้นสูง

ไมโครช่องระบายความร้อน

ช่องของเหลวเล็กๆ ที่ฝังอยู่ในฮีทซิงค์ (ขั้นตอนการวิจัย-สำหรับ LED)

เครื่องกระจายความร้อนแบบกราฟีน

การนำความร้อนได้ดีกว่าทองแดง 5 เท่า (เทคโนโลยีเกิดใหม่)

เทอร์โมอิเล็กทริกคูลลิ่ง (TEC)

โมดูล Peltier สำหรับการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ(ใช้ในไฟ LED เกรดห้องปฏิบัติการ-)

5. การคำนวณความต้านทานความร้อน

5.1 สูตรพื้นฐาน

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

ทีจ= อุณหภูมิทางแยก ( องศา )

ตา= อุณหภูมิแวดล้อม ( องศา )

เรจา= ความต้านทานความร้อนรวม ( องศา /W)

พดิส= กำลังกระจายเป็นความร้อน (W)

5.2 ตัวอย่างการคำนวณ

สำหรับกแอลอีดี 10 วัตต์กับ:

RθJA=15 องศา /W

ตา=25 องศา

Tj=25+(15×10)=175 องศา (ไม่ปลอดภัย! ต้องการความเย็นที่ดีกว่า)Tj​=25+(15×10)=175 องศา (ไม่ปลอดภัย! ต้องการความเย็นที่ดีกว่า)

สารละลาย: ใช้ฮีทซิงค์ที่มี RθSA=5 องศา /Wเพื่อลดRθJA ถึง 10 องศา /W:

Tj=25+(10×10)=125 องศา (ยอมรับได้สำหรับ LED บางดวง) Tj​=25+(10×10)=125 องศา (ยอมรับได้สำหรับ LED บางตัว)

6. แอปพลิเคชันระดับโลก-จริง

6.1 หลอด LED

หลอดไฟราคาถูก: พึ่งตัวเรือนพลาสติก (ระบายความร้อนไม่ดี อายุการใช้งานสั้น)

หลอดไฟพรีเมี่ยม: ใช้ฮีทซิงค์อะลูมิเนียม (เช่น Philips LED)

6.2 ไฟ LED รถยนต์

ไฟหน้า: ใช้บ่อยท่อความร้อน+พัดลม(เช่น Audi Matrix LED)

6.3 เติบโตไฟ

การทำความเย็นแบบแอคทีฟจำเป็นเนื่องจากกำลังสูง (500W+).

6.4 ไฟถนน

ครีบอะลูมิเนียมแบบพาสซีฟครอง (บำรุงรักษา-ฟรี)

7. แนวโน้มในอนาคต

✔ ระบายความร้อนแบบบูรณาการ(LED + ฮีทซิงค์เป็นหนึ่งยูนิต)
✔ การจัดการระบายความร้อนอัจฉริยะ(เซ็นเซอร์ปรับกำลังเพื่อจำกัด Tj)
✔ วัสดุนาโน(เช่น ท่อนาโนคาร์บอนสำหรับ Rθ ต่ำพิเศษ-)

8. บทสรุป

ความต้านทานความร้อน (Rθ) กำหนด LEDความน่าเชื่อถือ ความสว่าง และความคงตัวของสี- โดยการใช้ฮีทซิงค์ที่มีประสิทธิภาพ TIM และการระบายความร้อนแบบแอคทีฟผู้ผลิตรับประกันว่า LED จะมีอายุการใช้งานยาวนาน50,000+ ชั่วโมง- ความก้าวหน้าในอนาคตในการระบายความร้อนด้วยของเหลวและกราฟีนอาจผลักดันขีดจำกัดออกไปอีก

ประเด็นสำคัญ:

รักษา Tj < 85 องศาเพื่ออายุการใช้งาน LED ที่ดีที่สุด

RθJA ล่าง= ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

การระบายความร้อนแบบพาสซีฟเพียงพอสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่การระบายความร้อนที่ใช้งานอยู่ใช้สำหรับไฟ LED กำลังสูง-