Analisi della dissipazione del calore delle luci a LED

il problema del riscaldamento

Come le sorgenti luminose tradizionali, anche i diodi emettitori di luce (LED) a semiconduttore generano calore durante il funzionamento, la cui quantità dipende dall’efficienza luminosa complessiva. Sotto l’azione dell’energia elettrica esterna, la radiazione di elettroni e lacune si ricombinano per produrre elettroluminescenza. Anche la luce irradiata vicino alla giunzione PN deve passare attraverso il mezzo semiconduttore e il mezzo di confezionamento del chip stesso per raggiungere l’esterno (aria). Combinando l’efficienza di iniezione di corrente, l’efficienza quantica della radioluminescenza e l’efficienza di estrazione della luce esterna del chip, alla fine, solo il 30-40% dell’energia elettrica in ingresso viene convertita in energia luminosa e il restante 60-70% dell’energia è principalmente causato dalla ricombinazione non radiativa della vibrazione reticolare La forma trasforma l’energia termica.

La parte centrale del LED è la giunzione PN. Quando la giunzione PN viene ricombinata, gli elettroni e le lacune convertono direttamente l’energia elettrica in energia luminosa. Tuttavia, non tutta l’energia luminosa convertita può essere emessa all’esterno del LED. Il pannello di assorbimento e la resina epossidica/silicone all’interno della giunzione PN lo convertono in calore. Questo tipo di calore ha un enorme effetto collaterale sulla lampada. Se il calore non può essere efficacemente dissipato, la temperatura del LED aumenterà con l’aumento della temperatura interna. Maggiore è la temperatura, minore è l’efficienza luminosa del LED e minore è la vita del LED. Nei casi più gravi, il chip LED si guasterà immediatamente. Pertanto, la dissipazione del calore è ancora un enorme ostacolo per le applicazioni LED ad alta potenza.

L’influenza del calore sulla vita degli apparecchi a LED

In generale, la stabilità e la qualità delle lampade a LED sono fondamentali per la dissipazione del calore del corpo della lampada. Le lampade a LED ad alta luminosità sul mercato utilizzano spesso la dissipazione del calore naturale e l’effetto non è l’ideale. Le lampade realizzate con sorgente luminosa a LED sono composte da sorgente luminosa, struttura di dissipazione del calore, driver e lente. Pertanto, anche la dissipazione del calore è una parte importante. Se il LED non riesce a dissipare bene il calore, la sua vita ne risentirà.

*La gestione del calore è il problema principale nelle applicazioni LED ad alta luminosità

Poiché il drogaggio di tipo p dei nitruri del gruppo III è limitato dalla solubilità dell’accettore di Mg e dalla maggiore energia iniziale dei fori, il calore è particolarmente facile da generare nella regione di tipo p e questo calore deve essere dissipato sul dissipatore di calore attraverso l’intera struttura; Le vie di dissipazione del calore dei dispositivi LED sono principalmente la conduzione termica e la convezione termica; la bassissima conduttività termica del materiale del substrato Zaffiro fa aumentare la resistenza termica del dispositivo, determinando un grave effetto di autoriscaldamento, che ha un effetto devastante sulle prestazioni e sull’affidabilità del dispositivo.

 

* L’effetto del calore sui LED ad alta luminosità

Il calore è concentrato in un chip di piccole dimensioni e la temperatura del chip aumenta, causando una distribuzione non uniforme dello stress termico, l’efficienza luminosa del chip e il calo dell’efficienza del laser al fosforo; quando la temperatura supera un certo valore, il tasso di guasto del dispositivo aumenta in modo esponenziale. Le statistiche mostrano che per ogni 2°C di aumento della temperatura dei componenti, l’affidabilità diminuisce del 10%. Quando più LED sono disposti densamente per formare un sistema di illuminazione a luce bianca, il problema della dissipazione del calore diventa più serio. Risolvere il problema della gestione del calore è diventato un prerequisito per le applicazioni LED ad alta luminosità.

 

*La relazione tra la dimensione del chip e la dissipazione del calore

Il modo più diretto per aumentare la luminosità del LED è aumentare la potenza in ingresso. Per evitare la saturazione dello strato attivo, la dimensione della giunzione p-n deve essere aumentata di conseguenza. L’aumento della potenza in ingresso aumenterà inevitabilmente la temperatura di giunzione e ridurrà l’efficienza quantistica. L’aumento della potenza di un singolo tubo dipende dalla capacità del dispositivo di estrarre calore dalla giunzione pn, mantenendo il materiale del chip esistente, la struttura, il processo di confezionamento, la densità di corrente sul chip e le condizioni equivalenti di dissipazione del calore, la dimensione del il chip e l’area di giunzione vengono aumentati separatamente La temperatura continuerà ad aumentare.

Metodo di dissipazione del calore

Alette in alluminio

Questo è il modo più comune per dissipare il calore. Le alette in alluminio sono utilizzate come parte dell’alloggiamento per aumentare l’area di dissipazione del calore.

Guscio in plastica termicamente conduttiva

L’uso di LED in plastica isolante e di dissipazione del calore anziché in lega di alluminio per realizzare il dissipatore di calore può migliorare notevolmente la capacità di radiazione del calore.

Trattamento radiativo superficiale

La superficie dell’alloggiamento della lampada è trattata con calore radiante. Il metodo semplice consiste nell’applicare una vernice per la dissipazione del calore radiante, che può irradiare il calore lontano dalla superficie dell’alloggiamento della lampada.

Aerodinamica

Utilizzando la forma dell’alloggiamento della lampada per creare aria convettiva, questo è il modo più economico per migliorare la dissipazione del calore.

fan

All’interno dell’alloggiamento della lampada vengono utilizzate ventole a lunga durata e ad alta efficienza per migliorare la dissipazione del calore, a basso costo e con un buon effetto. Tuttavia, è più problematico cambiare la ventola e non è adatto per l’uso all’aperto. Questo disegno è relativamente raro.

Conduttura di riscaldamento

Utilizzando la tecnologia del tubo di calore, il calore viene condotto dal chip LED alle alette di dissipazione del calore dell’alloggiamento. In grandi lampade, come lampioni stradali, ecc. sono disegni comuni.

Bulbo liquido

Utilizzando la tecnologia di confezionamento del bulbo liquido, un liquido trasparente con elevata conduttività termica viene riempito nel bulbo del corpo della lampada. Questa è l’unica tecnologia che utilizza la superficie di emissione della luce del chip LED per condurre e dissipare il calore oltre al principio della riflessione della luce.

L’uso del portalampada

Nelle lampade a LED a bassa potenza di tipo domestico, lo spazio interno del portalampada viene spesso utilizzato per inserire parzialmente o completamente il circuito di azionamento del riscaldamento. In questo modo è possibile utilizzare un coprilampada con una superficie metallica più ampia come un tappo a vite per dissipare il calore, poiché il coprilampada è strettamente connesso all’elettrodo metallico del portalampada e al cavo di alimentazione. Pertanto, una parte del calore può essere irradiata da questo.

Conduzione del calore e dissipazione del calore

Lo scopo della dissipazione del calore dell’alloggiamento della lampada è ridurre la temperatura di lavoro del chip LED. Poiché il coefficiente di espansione del chip LED è molto diverso dal coefficiente di espansione dei nostri materiali di conduzione del calore e dissipazione del calore comunemente usati, il chip LED non può essere saldato direttamente per evitare che lo stress termico ad alta e bassa temperatura danneggi il chip LED. L’ultimo materiale ceramico ad alta conduttività termica, la conduttività termica è vicina all’alluminio e il sistema di espansione può essere regolato per sincronizzarsi con il chip LED. In questo modo si possono integrare conduzione e dissipazione del calore, riducendo i legami intermedi di conduzione del calore.

Innovazione nella tecnologia di dissipazione del calore

Tecnologia di dissipazione del calore esistente:

101 è un profilo in alluminio a dissipazione del calore,

102 è una guarnizione in silicone termoconduttivo/grasso siliconico,

103-106 è una piastra di alluminio, 104 è uno strato isolante, 105 è uno strato di rivestimento in rame, 106 è una maschera di saldatura,

201-204 è l’elettrodo, 202 è la base del led, 203 è la giunzione PN del LED, 2 04 è il gel di silice, quindi saldare il led al rivestimento in rame sul substrato di alluminio.

 

Poiché il collo di bottiglia della dissipazione del calore delle lampade a LED è lo strato isolante sul substrato di alluminio, la seguente nuova tecnologia di elaborazione può essere utilizzata per elaborare il substrato di alluminio per il LED con separazione di calore e potenza, che può migliorare notevolmente la capacità di dissipazione del calore delle lampade a LED , praticare dei fori per rimuovere lo strato di rame e lo strato isolante sotto la base LED originale della piastra di base in alluminio ed esporre la piastra in alluminio.

Tuttavia, l’alluminio non può essere saldato direttamente, ma deve anche essere placcato sulla piastra di alluminio esposta con uno strato di stagno metallico. Dopo ripetute ricerche, discussioni e verifiche di elaborazione, viene adottata la seguente tecnologia di elaborazione: in primo luogo, lo zinco viene depositato sulla piastra di alluminio esposta, quindi il nichel viene placcato sulla superficie di zinco, quindi il rame viene placcato sul nichel e infine lo stagno o l’oro sono spruzzato sul rame. Il rivestimento elaborato nella sequenza di lavorazione di cui sopra ha una forte adesione e conduttività Buone prestazioni termiche, dopo il processo di placcatura di cui sopra, il LED può essere saldato sulla piastra di alluminio.

 

Il calore dalla giunzione PN del LED viene disperso nell’aria attraverso la base LED, lo strato di saldatura in pasta saldante, il rivestimento in rame, lo strato isolante, la piastra in alluminio, la guarnizione siliconica termoconduttiva/grasso siliconico, il profilo in alluminio dissipatore di calore, per completare il processo di dissipazione del calore.

1. Superare il problema della dissipazione del calore insoddisfacente di

il radiatore in alluminio alettato esistente

La maggior parte delle lampade a LED esistenti utilizza alluminio alettato come dissipatore di calore e l’effetto di dissipazione del calore di questo tipo di dissipatore di calore non è ideale e il dissipatore di calore raggiunge solitamente una temperatura più elevata.

2. Utilizzare plastica isolante che dissipa il calore invece della lega di alluminio per realizzare un dissipatore di calore

La Corea del Sud ha sviluppato nel 2009 un tipo di plastica bioconduttiva a LED che può aumentare la capacità di radiazione termica di 4-8 volte mantenendo la capacità di dissipazione del calore uguale a quella della lega di alluminio. Il dissipatore di calore a LED realizzato con questo materiale di dissipazione del calore può migliorare notevolmente l’effetto complessivo di dissipazione del calore.

3. Adozione del principio della convezione del liquido per fornire una lampada a LED con buone prestazioni di dissipazione del calore

Sfruttare il calore assorbito dal paralume dal liquido di raffreddamento nel serbatoio di accumulo del liquido installato sul paralume, e allo stesso tempo sfruttare la convezione naturale del liquido di raffreddamento tra due serbatoi di liquido di diversa altezza per dissipare il calore assorbito dal liquido di raffreddamento dal paralume, in modo che il corpo della lampada della lampada a led sia ben raffreddato.

4. Può essere ruotato in modo flessibile, facile da installare

Poiché il tubo di convezione del liquido di raffreddamento collegato tra i due serbatoi di stoccaggio del liquido ha una struttura a soffietto e la struttura a soffietto può essere allungata e piegata, non ostacolerà la rotazione flessibile del paralume ed è anche conveniente per l’installazione.