Visitas:0 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2024-12-31 Origen:Sitio
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 a todo color. 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 un sesgo directo al diodo PN, y la corriente fluye a través de él, los electrones y los agujeros se mueven hacia la superficie de la unión. En la unión, recombinan y liberan energía en forma de luz (como se muestra en la figura a continuación).
LED, originalmente una fuente de luz monocromática, ha evolucionado con una mejor eficiencia y el advenimiento de los LED azules, ampliando sus aplicaciones desde indicadores de baja potencia hasta usos de alta potencia, como módulos de retroiluminación e iluminación. Conocida como la nueva fuente de luz del siglo XXI, los LED ofrecen ventajas inigualables: alta eficiencia, larga vida, ahorro de energía, durabilidad y ecológica sin mercurio. A medida que aumentan los esfuerzos mundiales de conservación de energía y reducción de carbono, junto con políticas gubernamentales como la 'Ley de Independencia y Seguridad de la Energía de los Estados Unidos (2007) eliminando las lámparas incandescentes y el' Plan básico básico de energía 'de Japón (2010) dirigido a la reducción de carbono, iluminación, un gran consumidor de energía, se ha convertido en un enfoque para el reemplazo. Estas tendencias y las propiedades únicas de LED han impulsado el rápido crecimiento de la industria, atrayendo una inversión significativa en todas las etapas de producción LED.
Los LED, como todos los componentes electrónicos, generarán aumento de calor y temperatura durante el uso u operación. Si se ignora el problema de disipación de calor, el LED se agotará prematuramente debido a la alta temperatura. El diseño de lámparas LED es más complejo que las lámparas tradicionales, incluidas la óptica, los mecanismos, la electrónica y la disipación de calor. Entre ellos, 'disipación de calor ' es particularmente importante, porque la tasa de conversión actual de las lámparas LED de alta potencia se convierte solo en el 20% en luz, y el 80% restante se convierte en calor. Si el calor no se puede exportar desde la lámpara, no se logrará la vida útil de la fuente de luz LED de 50,000 horas. Al mismo tiempo, el calor afectará la eficiencia luminosa del LED, lo que dará como resultado una decadencia de luz grave y daños en la lámpara.
La eficiencia luminosa y la vida del LED están estrechamente relacionados con la temperatura de funcionamiento, que muestra una relación inversa. La siguiente figura es el informe LED Life publicado por Cree en los Estados Unidos. Por cada caída de 10 ° C de temperatura, la vida se extenderá 2 veces y el flujo luminoso aumentará en un 3%-8%.
El avance de la tecnología LED de alta potencia ha traído desafíos significativos para la gestión térmica y el diseño de disipación de calor en lámparas LED. Las altas temperaturas no solo reducen el brillo, sino que también aceleran la degradación de los cuerpos de la lámpara y los materiales de envasado, especialmente cuando se exceden los 100 ° C. Por lo tanto, más allá de la tecnología de disipación de calor dentro del empaque LED en sí, la conductividad térmica y el diseño de disipación de calor de las lámparas LED son fundamentales para garantizar su longevidad.
Para la iluminación al aire libre, el diseño de disipación de calor LED es más complejo y variado en comparación con otras aplicaciones LED, como paneles de luz de fondo 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 soportar entornos al aire libre durante períodos prolongados mientras cumple con los estándares de seguridad (p. Ej., UL, CE). Además, deben superar las rigurosas pruebas de confiabilidad, abordar problemas como la estabilidad óptica (p. Ej., Decadencia de luz), infiltración de polvo, excrementos de aves, partículas en el aire e infiltración de vapor de agua causada por desafíos de impermeabilización e impermeabilización.
En términos de diseño de la lámpara, el chip LED, el sustrato de chip LED, el embalaje de chips, el diseño del circuito, la placa de circuito del sistema, las aletas de disipador de calor y la carcasa de la lámpara prueban las capacidades de I + D de la corriente aguas arriba, la corriente media y aguas abajo de la industria LED. Los LED tradicionales utilizados para las luces indicadoras son en su mayoría estructuras en forma de bola de cañón, que están encapsuladas con resina epoxi aislante en todos los lados. Por lo tanto, la energía térmica generada por el grano LED se disipa principalmente por conducción desde los dos cables de metal a la placa de circuito del sistema. Sin embargo, cuando LED ingresó al campo de iluminación, los LED de alta potencia por encima de 1W se convirtieron en la corriente principal. Para aumentar el área de conducción de calor, los LED para fines de iluminación adoptaron el embalaje de panel plano, de modo que el sustrato de chip LED y la placa de circuito del sistema pueden 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 coeficiente de expansión de bajo, 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 de cerámica se han convertido en un material de disipación de calor común para sustratos de chips LED de alta potencia. Los sustratos de cerámica se dividen actualmente en tres categorías: (1) óxido de aluminio (AL2O3), (2) cerámica cofirada de baja temperatura (LTCC) y (3) nitruro de aluminio (ALN). Entre ellos, Aln tiene la mejor conductividad térmica, pero el umbral técnico es el más alto. Por lo tanto, ALN se usa principalmente en productos LED superiores a 3W, mientras que Al2O3 se usa en el rango de 1W-3W. LTCC es adecuado para productos LED de gran tamaño y de alta potencia y productos LED de menor tamaño y de baja potencia. Tome la serie LED de Cree XLamp como un ejemplo, que utiliza una base de cerámica para optimizar las capacidades de disipación de calor.
| Sustrato de cerámica | Sustrato de metal | |||
| Elementos | Cerámica cofirente de baja temperatura (LTCC) | Alúmina (AL2O3) | Nitruro de aluminio (Ain) | PCB de núcleo de metal (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 de alambre, eutéctica o chip de flip. La unión de cables es conectar el chip LED y el sustrato de chip a través de cables de metal. El calor generado por el chip solo se puede realizar 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 es muy limitada. En comparación, los métodos de unión de folleto eutéctico y flip reducen en gran medida la longitud del cable y aumentan el área transversal del cable, mejorando así la capacidad de conducción de disipación de calor.
En términos de mejora del circuito, algunos fabricantes han lanzado productos LED de alto voltaje. El principio es conectar muchos LED de baja potencia en series para obtener productos de alto voltaje y bajos en corriente. Los LED de alto voltaje se usan principalmente en productos de iluminación con restricciones espaciales, 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 más pequeña y generan relativamente menos calor, lo que puede evitar caer en el círculo vicioso de 'Aumento de la temperatura → Drop de impedancia → Aumento de la corriente → Aumento de energía de calor → Aumento de la temperatura ', y puede diseñar lámparas LED con mejor estabilidad del sistema.
Después de introducir el sustrato LED Chip, lo siguiente que debe mencionar es la placa de circuito del sistema, que también tiene un papel importante en la transferencia de calor. El chip LED está conectado a la placa de circuito del sistema a través de la soldadura, y la energía térmica generada por el chip también se transfiere del sustrato de chip a la placa de circuito del sistema. Actualmente, el de comúnmente utilizado es el sustrato de núcleo de metal (Metal Core PCB; MCPCB) con un alto coeficiente de conductividad térmica. Aunque se ha mencionado anteriormente que el sustrato de cerámica tiene una 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, el sustrato cerámico se abandonará y el MCPCB se utilizará como la placa de circuito del sistema. MCPCB consta de 3 capas, de arriba a abajo, son la capa de circuito conductivo, la alta capa de aislamiento de conductividad térmica y el sustrato metálico. El material de la capa de aislamiento de conductividad térmica alta 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 vacíos, lo que permitirá que el aire ingrese al MCPCB, formando una impedancia térmica adicional y reduciendo la eficiencia de la conductividad térmica. Algunos fabricantes rociarán pintura de disipación de calor cerámica entre la capa de aislamiento conductivo térmico 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 conductivo térmico y mejorar la capacidad de disipación de calor del MCPCB; El sustrato de metal 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 la disipación de calor. El sistema de disipación de calor se puede dividir en disipación de calor activo y disipación de calor pasivo. La disipación de calor activo incluye disipación de calor forzada del ventilador y disipación de calor por chorro magnético. La disipación de calor pasivo incluye disipación de calor de convección natural y disipación de calor de la tubería de calor del circuito. Se presentarán uno por uno a continuación:
El enfriamiento forzado de los ventiladores, como su nombre lo indica, usa ventiladores para generar convección de aire para dirigir el aire caliente fuera del cuerpo de la lámpara para la disipación de calor. El uso de los ventiladores para forzar la disipación de calor puede descargar eficazmente el calor. Los ventiladores se utilizan para la disipación de calor forzado en computadoras, aires acondicionados y automóviles. Actualmente, la serie LED Street Light de Xinyuansheng Technology, la serie LED Street Light utiliza tecnología de enfriamiento forzada con ventilador.
El enfriamiento electromagnético de chorro no usa cuchillas del ventilador para generar flujo de aire. Su estructura es una cavidad hueca con una película delgada. Utiliza un controlador electromagnético o piezoeléctrico para 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 expulsada. El flujo de aire después de la expulsión impulsará el aire circundante para producir vórtices, mejorando así la capacidad de convección de aire. Se ha utilizado en Bombbas LED inteligentes GE 27W Energy.
El enfriamiento de la convección natural es a través del contacto directo entre el disipador de calor (como aletas de disipador de calor, carcasa de lámparas, placa de circuito del sistema, etc.) y el aire. El aire alrededor del disipador de calor absorbe calor y se vuelve aire caliente. Luego se eleva el aire caliente y el aire frío disminuye, lo que naturalmente impulsa el aire para producir convección y lograr el efecto de enfriamiento. Con la introducción de productos de lámpara de alta potencia, el uso de enfriamiento de convección natural requiere una superficie de enfriamiento más grande, por lo que nacen las aletas de enfriamiento. La mayoría de ellos se instalan en la parte posterior de la lámpara para proporcionar un área de enfriamiento más grande y mejorar el efecto del enfriamiento de la convección. Las luces de techo LED de Yangquan Optoelectronics utilizan la tecnología de enfriamiento natural FIN.
Aunque el uso de aletas de disipador de calor aumenta el efecto de disipación de calor, también aumenta el peso general y el costo de la lámpara, y aumenta el riesgo de colgar seguro de lámparas de tipo polo. Además, las lámparas LED a menudo enfrentan problemas como la acumulación de polvo. Una vez usado durante mucho tiempo, se acumulan 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 eligen 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 completamente el problema de la acumulación de polvo. Muchas luces de calles LED producidas por la tecnología Xinyuansheng en el mercado (por ejemplo: la serie S02 ORRA, Serie S06 Fudo) adoptan un diseño de disipación de calor natural descendente.
Este método de disipación de calor es disipar el calor a través de un tubo de calor circulante. Los dos extremos de la tubería de bucle son la placa de circuito del sistema (fuente de calor) y el radiador. El interior del tubo de bucle está lleno de fluido de trabajo y está equipado con un evaporador. Su principio de trabajo 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. Usando el rápido movimiento de gas, el calor en la fuente de calor se puede transferir rápidamente a la carcasa o radiador. Por lo tanto, la disipación de calor de la tubería de calor del bucle solo resuelve el problema de la conducción de calor y no puede lograr efectivamente la función de 'disipación de calor '.
En el diseño de la lámpara, las aletas de disipador de calor y la carcasa de la lámpara exterior están expuestas al aire, por lo que a menudo se anodizan para evitar la oxidación. En los últimos años, algunos fabricantes han introducido pintura de disipador de calor de cerámica suave para reemplazar el proceso de anodización, y afirman que su resistencia térmica está cerca de la del metal y puede lograr el efecto de la conducción de calor acelerada. Sin embargo, su efectividad es desconocida y debe ser utilizada y compartida por colegas de la industria.
Hasta ahora, las discusiones anteriores han sido sobre la conducción y convección de calor. Actualmente, algunos fabricantes afirman que sus sustratos de disipación de calor de cerámica pueden usar radiación de infrarrojo lejano 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 lámparas de metal) en el extremo posterior del sustrato de chips LED para lograr la disipación exitosa de calor exitoso y reducir el peso de la lámpara. Si el rendimiento de la disipación de calor de esta tecnología es realmente como afirma el fabricante, también traerá un progreso significativo al 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 de calor, es decir, la distribución de temperatura de las aletas de disipación de calor es seriamente desigual, lo que da como resultado un efecto de disipación de calor limitado o incluso sin calor en algunas de las aletas. Algunos errores de diseño pueden traer peligros, especialmente porque las lámparas de calle LED generalmente se instalan en postes de 8-12 metros de altura. Si el centro de gravedad del radiador no está bien diseñado, puede provocar un peso excesivo y resistencia al viento, aumentar el peligro, y puede causar accidentes graves al encontrar tifones o terremotos.
Rice Lighting, como practicante en la industria de iluminación de alta tecnología que ahorra energía, debe reconocer que la buena disipación de calor de la lámpara LED (incluida la conducción de calor, la uniformidad de temperatura, el intercambio de calor, etc.) debe basarse en teorías duras básicas complejas de la transferencia térmica. El rendimiento de las lámparas de calle LED debe tomarse en serio. Debe estar respaldado por datos y teorías científicas, con un método completo de diseño del sistema como guía y un buen proceso como base. Finalmente, el informe de prueba de una unidad imparcial de terceros debe usarse como base. Solo de esta manera se puede evitar el círculo vicioso de la luz y obstaculizar el desarrollo de la industria una y otra vez.
Por lo tanto, cómo evaluar prudentemente la calidad, la I + D y las capacidades de procesos 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 entorno son todos los puntos clave que la industria debe regularse estrictamente a sí misma.
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