Visitas:88 Autor: Iluminación de arroz Hora de publicación: 2024-12-26 Origen:www.ricelighting.com
El LED, también conocido como diodo emisor de luz, es un componente semiconductor.
Desde 1962, cuando General Electric en los Estados Unidos desarrolló el primer LED rojo práctico del mundo, los LED han pasado a la era de los colores. El principio básico de la emisión de luz LED implica un semiconductor de tipo P que contiene agujeros y un semiconductor de tipo N que contiene electrones, que juntos forman un diodo de unión PN. Cuando se aplica una polarización directa al diodo PN y la corriente fluye a través de él, los electrones y los huecos se mueven hacia la superficie de la unión. En la unión, se recombinan y liberan energía en forma de luz (como se muestra en la figura siguiente).
El LED, originalmente una fuente de luz monocromática, ha evolucionado con una mayor eficiencia y la llegada de los LED azules, ampliando sus aplicaciones desde indicadores de bajo consumo hasta usos de alto consumo como módulos de retroiluminación e iluminación. Conocidas como la nueva fuente de luz del siglo XXI, las LED ofrecen ventajas inigualables: alta eficiencia, larga vida útil, ahorro de energía, durabilidad y respeto al medio ambiente sin mercurio. A medida que aumentan los esfuerzos globales de conservación de energía y reducción de carbono, junto con políticas gubernamentales como la 'Ley de Seguridad e Independencia Energética' (2007) de EE.UU. que elimina gradualmente las lámparas incandescentes y el 'Plan Básico de Energía' de Japón (2010) que apunta a la reducción de carbono, la iluminación —un importante consumidor de energía—se ha convertido en un foco de reemplazo. Estas tendencias y las propiedades únicas de los LED han impulsado un rápido crecimiento de la industria, atrayendo importantes inversiones en todas las etapas de la producción de LED.
Los LED, como todos los componentes electrónicos, generarán calor y aumentarán la temperatura durante su uso u operación. Si se ignora el problema de disipación de calor, el LED se quemará prematuramente debido a la alta temperatura. El diseño de las lámparas LED es más complejo que el de las lámparas tradicionales, incluyendo ópticas, mecanismos, electrónica y disipación de calor. Entre ellos, la 'disipación de calor' es particularmente importante, porque la tasa de conversión actual de las lámparas LED de alta potencia solo el 20% se convierte en luz y el 80% restante se convierte en calor. Si no se puede exportar el calor de la lámpara, no se alcanzará la vida útil declarada de la fuente de luz LED de 50.000 horas. Al mismo tiempo, el calor afectará la eficiencia luminosa del LED, lo que provocará una grave degradación de la luz y daños a la lámpara.
La eficiencia luminosa y la vida útil de los LED están estrechamente relacionadas con la temperatura de funcionamiento, mostrando una relación inversa. La siguiente figura es el informe de vida útil del LED publicado por CREE en los Estados Unidos. Por cada descenso de temperatura de 10°C, la vida útil se prolongará 2 veces y el flujo luminoso aumentará entre un 3% y un 8%.
El avance de la tecnología LED de alta potencia ha planteado importantes desafíos para la gestión térmica y el diseño de disipación de calor en las lámparas LED. Las altas temperaturas no sólo reducen el brillo sino que también aceleran la degradación de los cuerpos de las lámparas y los materiales de embalaje, especialmente cuando superan los 100°C. Por lo tanto, más allá de la tecnología de disipación de calor dentro del propio embalaje de LED, la conductividad térmica y el diseño de disipación de calor de las lámparas LED son fundamentales para garantizar su longevidad.
Para la iluminación exterior, el diseño de disipación de calor LED es más complejo y variado en comparación con otras aplicaciones LED, como paneles de retroiluminación o iluminación automotriz. Esto se debe a las condiciones de funcionamiento más duras, incluidas las fluctuaciones de temperatura, el polvo, la humedad y otros factores ambientales. Por ejemplo, las farolas LED deben resistir ambientes exteriores durante períodos prolongados y al mismo tiempo cumplir con los estándares de seguridad (por ejemplo, UL, CE). Además, deben superar rigurosas pruebas de confiabilidad, abordando problemas como la estabilidad óptica (por ejemplo, decaimiento de la luz), la infiltración de polvo, excrementos de pájaros, partículas en el aire y la infiltración de vapor de agua causada por los desafíos de impermeabilización y protección contra el polvo.
En términos de diseño de lámparas, el chip LED, el sustrato del chip LED, el empaque del chip, el diseño del circuito, la placa de circuito del sistema, las aletas del disipador de calor y la carcasa de la lámpara ponen a prueba las capacidades de I+D de las fases anterior, media y posterior de la industria LED. Los LED tradicionales utilizados para las luces indicadoras son en su mayoría estructuras en forma de bala de cañón, que están encapsuladas con resina epoxi aislante por todos lados. Por lo tanto, la energía térmica generada por el grano del LED se disipa principalmente por conducción desde los dos cables metálicos que se encuentran debajo hasta la placa de circuito del sistema. Sin embargo, cuando los LED entraron en el campo de la iluminación, los LED de alta potencia superiores a 1 W se convirtieron en la corriente principal. Para aumentar el área de conducción de calor, los LED con fines de iluminación adoptaron un empaque de panel plano, de modo que el sustrato del chip LED y la placa de circuito del sistema puedan tener un área de unión más grande.
Actualmente, el sustrato de chip LED más común es un sustrato cerámico, que tiene una buena disipación de calor y un bajo coeficiente de expansión, lo que reduce la deformación causada por el estrés térmico. Además, también tiene las ventajas de resistencia al calor, resistencia a la humedad y aislamiento. Por lo tanto, los sustratos cerámicos se han convertido en un material de disipación de calor común para sustratos de chips LED de alta potencia. Los sustratos cerámicos se dividen actualmente en tres categorías: (1) óxido de aluminio (Al2O3), (2) cerámicas cocidas a baja temperatura (LTCC) y (3) nitruro de aluminio (AlN). Entre ellos, el AlN tiene la mejor conductividad térmica, pero el umbral técnico es el más alto. Por lo tanto, el AlN se utiliza principalmente en productos LED de más de 3W, mientras que el Al2O3 se utiliza en el rango de 1W-3W. LTCC es adecuado para productos LED de gran tamaño y alta potencia y productos LED de tamaño pequeño y baja potencia. Tomemos como ejemplo la serie LED Cree XLamp, que utiliza una base cerámica para optimizar las capacidades de disipación de calor.
| Sustrato cerámico | Sustrato metálico | |||
| Elementos | Cerámica cocida a baja temperatura (LTCC) | Alúmina (Al2O3) | Nitruro de aluminio (AIN) | PCB con núcleo metálico (MCPCB) |
| Conductividad térmica (W/mK) | 2~3 | 22~32 | 160~200 | 1~5 |
| Coeficiente de expansión (ppm/°C) | 5~7 | 7.2 | 5~6 | 17~23 |
En términos de embalaje, el chip y el sustrato de disipación de calor del LED se pueden conectar mediante unión por cable, eutéctico o chip invertido. La unión de cables consiste en conectar el chip LED y el sustrato del chip a través de cables metálicos. El calor generado por el chip sólo puede conducirse a través de los cables. La eficiencia de disipación de calor está limitada por el material y la forma geométrica delgada de los cables, por lo que la eficiencia de disipación de calor está muy limitada. En comparación, los métodos de unión eutéctica y de chip invertido reducen en gran medida la longitud del cable y aumentan el área de la sección transversal del cable, mejorando así la capacidad de conducción de disipación de calor.
En términos de mejora de circuitos, algunos fabricantes han lanzado productos LED de alto voltaje. El principio es conectar muchos LED de baja potencia en serie para obtener productos de alto voltaje y baja corriente. Los LED de alto voltaje se utilizan principalmente en productos de iluminación con limitaciones de espacio, como bombillas, tubos y lámparas de proyección, lo que puede reducir la dificultad de controlar el diseño del circuito. En comparación con los LED ordinarios, los LED de alto voltaje tienen una corriente de conducción menor y generan relativamente menos calor, lo que puede evitar caer en el círculo vicioso de 'aumento de temperatura → caída de impedancia → aumento de corriente → aumento de energía térmica → aumento de temperatura', y puede diseñar lámparas LED con una mejor estabilidad del sistema.
Después de presentar el sustrato del chip LED, lo siguiente que debemos mencionar es la placa de circuito del sistema, que también tiene un papel importante en la transferencia de calor. El chip LED se conecta a la placa de circuito del sistema mediante soldadura y la energía térmica generada por el chip también se transfiere desde el sustrato del chip a la placa de circuito del sistema. Actualmente, el más utilizado es el sustrato con núcleo metálico (Metal Core PCB; MCPCB) con un alto coeficiente de conductividad térmica. Aunque se mencionó anteriormente que el sustrato cerámico tiene buena conductividad térmica, debido al área más grande de la placa de circuito del sistema, considerando los factores de costo y el peso de la lámpara, se abandonará el sustrato cerámico y se utilizará el MCPCB como en su lugar, la placa de circuito del sistema. MCPCB consta de 3 capas, de arriba a abajo: la capa conductora del circuito, la capa aislante de alta conductividad térmica y el sustrato metálico. El material de la capa aislante de alta conductividad térmica debe seleccionarse cuidadosamente. Si se utiliza un material con un alto coeficiente de expansión, la capa de aislamiento es propensa a expandirse a alta temperatura y producir grietas y huecos, lo que permitirá que el aire ingrese al MCPCB, formando una impedancia térmica adicional y reduciendo la eficiencia de la conductividad térmica. Algunos fabricantes rocían pintura cerámica de disipación de calor entre la capa de aislamiento termoconductor y el sustrato metálico para mejorar la impedancia de aislamiento de la capa de aislamiento, ahorrar el costo del material de múltiples capas de adhesivo termoconductor y mejorar la capacidad de disipación de calor del MCPCB; el sustrato metálico inferior está hecho principalmente de aleación de aluminio, que utiliza las mejores características de disipación de calor de la aleación de aluminio para lograr el propósito de la conducción de calor.
El extremo posterior de la placa de circuito del sistema se combina con un sistema de disipación de calor para disipar el calor. El sistema de disipación de calor se puede dividir en disipación de calor activa y disipación de calor pasiva. La disipación de calor activa incluye la disipación de calor forzada por ventilador y la disipación de calor por chorro magnético. La disipación de calor pasiva incluye la disipación de calor por convección natural y la disipación de calor por tubería de calor en bucle. Se presentarán uno por uno a continuación:
La refrigeración forzada por ventilador, como su nombre indica, utiliza ventiladores para generar convección de aire para dirigir el aire caliente fuera del cuerpo de la lámpara para disipar el calor. El uso de ventiladores para forzar la disipación del calor puede descargar el calor de manera efectiva. Los ventiladores se utilizan para la disipación forzada del calor en computadoras, aires acondicionados y automóviles. Actualmente, la serie de farolas LED S01 Glory Series de Xinyuansheng Technology utiliza tecnología de enfriamiento forzado por ventilador.
El enfriamiento por chorro electromagnético no utiliza aspas de ventilador para generar flujo de aire. Su estructura es una cavidad hueca con una fina película. Utiliza un controlador electromagnético o piezoeléctrico para hacer oscilar la película a una frecuencia de 100 a 200 veces por segundo, lo que hace que la película oscile hacia arriba y hacia abajo. A medida que la película se mueve hacia arriba y hacia abajo, el aire fluirá hacia la cavidad hueca y luego será expulsado. El flujo de aire después de la expulsión impulsará el aire circundante para producir vórtices, mejorando así la capacidad de convección del aire. Se ha utilizado en bombillas LED GE 27W Energy Smart.
El enfriamiento por convección natural se realiza mediante el contacto directo entre el disipador de calor (como las aletas del disipador de calor, la carcasa de la lámpara, la placa de circuito del sistema, etc.) y el aire. El aire alrededor del disipador de calor absorbe calor y se convierte en aire caliente. Luego, el aire caliente sube y el aire frío baja, lo que naturalmente impulsa el aire para producir convección y lograr el efecto de enfriamiento. Con la introducción de productos de lámparas de alta potencia, el uso de enfriamiento por convección natural requiere una mayor superficie de enfriamiento, por lo que nacen las aletas de enfriamiento. La mayoría de ellos están instalados en la parte posterior de la lámpara para proporcionar un área de enfriamiento más grande y mejorar el efecto del enfriamiento por convección. Las luces de techo LED de Yangquan Optoelectronics utilizan tecnología de enfriamiento natural de aletas.
Aunque el uso de aletas disipadoras de calor aumenta el efecto de disipación de calor, también aumenta el peso total y el costo de la lámpara, y aumenta el riesgo de colgar de forma segura las lámparas tipo poste. Además, las lámparas LED suelen enfrentarse a problemas como la acumulación de polvo. Una vez utilizado durante mucho tiempo, se acumula demasiada suciedad y polvo en las aletas del disipador de calor, lo que debilitará la capacidad de disipación de calor. Por el contrario, algunos fabricantes optan por diseñar las aletas del disipador de calor en la misma dirección que la superficie emisora de luz de la lámpara (disipación de calor hacia abajo), evitando por completo el problema de la acumulación de polvo. Muchas farolas LED producidas por Xinyuansheng Technology en el mercado (por ejemplo: Serie S02 Orra, Serie S06 Fudo) adoptan un diseño de disipación de calor natural hacia abajo.
Este método de disipación de calor consiste en disipar el calor a través de un tubo de calor circulante. Los dos extremos del tubo circular son la placa de circuito del sistema (fuente de calor) y el radiador. El interior del tubo circular está lleno de fluido de trabajo y está equipado con un evaporador. Su principio de funcionamiento es: cuando la placa de circuito del sistema transmite energía térmica, el fluido de trabajo en la fuente de calor absorbe el calor y se convierte en gas a través del evaporador. Gracias al rápido movimiento del gas, el calor de la fuente de calor se puede transferir rápidamente a la carcasa de la lámpara o al radiador. Por lo tanto, la disipación de calor del tubo de calor en bucle solo resuelve el problema de la conducción de calor y no puede lograr de manera efectiva la función de 'disipación de calor'.
En el diseño de lámparas, las aletas del disipador de calor y la carcasa exterior de la lámpara están expuestas al aire, por lo que a menudo se anodizan para evitar la oxidación. En los últimos años, algunos fabricantes han introducido pintura cerámica suave para disipadores de calor para reemplazar el proceso de anodizado y afirman que su resistencia térmica es cercana a la del metal y puede lograr el efecto de conducción acelerada del calor. Sin embargo, se desconoce su eficacia y es necesario que los colegas de la industria la utilicen y la compartan.
Hasta ahora, todas las discusiones anteriores han sido sobre conducción y convección de calor. Actualmente, algunos fabricantes afirman que sus sustratos cerámicos de disipación de calor pueden utilizar radiación infrarroja lejana para disipar el calor para la transferencia de calor a larga distancia, y afirman que pueden usarse para reemplazar el metal térmicamente conductor (aletas de disipación de calor, carcasa de lámpara metálica) en el extremo posterior del sustrato del chip LED para lograr una disipación de calor exitosa y reducir el peso de la lámpara. Si el rendimiento de disipación de calor de esta tecnología es realmente el que afirma el fabricante, también supondrá un progreso significativo en el diseño de disipación de calor de las lámparas LED.
El diseño de disipación de calor de algunas lámparas LED disponibles comercialmente tiende a pasar por alto algunos detalles, como descuidar la uniformidad de la conducción del calor, es decir, la distribución de temperatura de las aletas de disipación de calor es muy desigual, lo que resulta en un efecto de disipación de calor limitado o incluso nulo. en algunas de las aletas. Algunos errores de diseño pueden conllevar peligros, sobre todo porque las farolas LED suelen instalarse en postes de 8 a 12 metros de altura. Si el centro de gravedad del radiador no está bien diseñado, puede provocar un peso excesivo y una resistencia al viento, aumentando el peligro, y puede provocar accidentes graves al encontrarse con tifones o terremotos.
Rice Lighting, como profesional en la industria de la iluminación de alta tecnología y ahorro de energía, debe reconocer que una buena disipación de calor de las lámparas LED (incluida la conducción de calor, la uniformidad de la temperatura, el intercambio de calor, etc.) debe basarse en complejas teorías básicas y estrictas de transferencia térmica. . El rendimiento de las farolas LED debe tomarse en serio. Debe estar respaldado por teorías y datos científicos, con un método de diseño de sistema completo como guía y un buen proceso como base. Finalmente, se debe utilizar como base el informe de prueba de una unidad independiente de terceros. Sólo así se podrá evitar una y otra vez el círculo vicioso de la degradación de la luz y el obstáculo al desarrollo de la industria.
Por lo tanto, cómo evaluar con prudencia la calidad, la I+D y las capacidades de proceso de sus propios productos mientras compiten por el mercado, y cómo diseñar la disipación de calor de las lámparas LED para resistir la prueba del tiempo y el medio ambiente son puntos clave que la industria debe regularse estrictamente.
Gracias por tu tiempo para leer :)
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