اصول مدیریت حرارتی LED

اتصالات نور LED چگونه گرما را مدیریت می کنند

کسانی هستند که معتقدند کارکردن لامپ‌های LED و چراغ‌های LED در برنامه‌های روشنایی، سناریویی خنک برای لمس را در اختیار کاربر قرار می‌دهد، جایی که حداقل انتقال انرژی مصرف‌شده به گرما وجود دارد، اما به‌طور مناسب‌تر اینطور نیست، این منابع نوری معمولاً سرد نامیده می شوند، زیرا خروجی طیفی LED مورد استفاده برای روشنایی حاوی تابش مادون قرمز نیست، در حالی که لامپ های رشته ای و هالوژن مقدار قابل توجهی تابش مادون قرمز تولید می کنند.
در حالی که به طور گسترده پذیرفته شده است، که توسعه منبع نور LED انقلابی در صنعت روشنایی ایجاد کرده است، در فراهم کردن فرصتی برای روشنایی برای کاهش مصرف انرژی برای دستیابی به سطوح مورد نیاز روشنایی، که در برخی موارد ممکن است به کمتر از ۱۰ برسد. ٪، هنگام تعویض لامپ های رشته ای GLS یا لامپ های هالوژنی برای جایگزین های LED.
همه منابع نوری بخشی از انرژی مصرف شده را به گرما منتقل می کنند، در حالی که لامپ رشته ای GLS تنها حدود ۵٪ کارایی دارد، به این معنی که ۹۵٪ انرژی به عنوان یک محصول جانبی به شکل گرما منتشر می شود، در حالی که، به طور کلی پذیرفته شده است که منابع نور LED تقریباً ۴۵٪ در تبدیل انرژی الکتریکی به نور مرئی کارآمد هستند، به این معنی که ۵۵٪ باقیمانده انرژی به صورت گرما است، با این حال باید به خاطر داشت که این سناریو بر اساس قابل توجهی است. کاهش مصرف برق

برای منبع نور LED، گرما بین عناصر به دو روش مختلف انتقال می‌یابد، انتقال حرارتی و همرفت حرارتی، با این حال تابش حرارتی نیز وجود دارد که برای یک سیستم روشنایی LED، کمک بسیار کمی به انتقال گرما می‌کند، زیرا دمای سطح پایین است. نسبتاً کم است و بیشتر لامپ های LED دارای سطح کمی هستند.
هدایت حرارتی انتقال انرژی از یک منطقه با دمای بالاتر به یک منطقه با دمای پایین تر از طریق یک ماده جامد با تماس مستقیم است تا زمانی که تعادل حرارتی بین دو منطقه حاصل شود و به ویژگی حرارتی مواد مورد استفاده بستگی دارد. ظرفیت هدایت حرارتی بهینه با به حداکثر رساندن رسانایی حرارتی ماده و در سطح مؤثر آن، جایی که موادی که بر پایه فلز هستند، بهترین هادی های حرارتی را ارائه می دهند، به بهترین وجه به دست می آید. رسانایی مکانیزم قابل توجهی برای انتقال حرارت در یک سیستم روشنایی LED است که در آن اجزای جامد طوری طراحی شده اند که در تماس مکانیکی قرار گیرند.
همرفت حرارتی انتقال گرما از طریق حرکت فیزیکی مولکول ها از مرز یک ماده جامد به یک سیال است، اما به طور معمول به طور مستقیم به هوای محیط است و مقدار انتقال حرارت همرفتی به سطح موثر و تحرک بستگی دارد. هوای اطراف جابجایی حرارتی در نتیجه جریان گرانشی از طریق جابجایی غیرفعال طبیعی است که در برخی موارد می‌توان از طریق خنک‌سازی فعال با استفاده از وسایل مکانیکی در چراغ‌ها، سیستمی که به عنوان همرفت اجباری شناخته می‌شود، به صورت بیرونی از طریق خنک‌سازی فعال تسهیل شود. در سیستم‌های ال‌ای‌دی، همرفت، حالت اصلی انتقال حرارت برای حذف گرما از سینک حرارتی LED به هوای محیط است.
به طور معمول، تراشه LED روی یک برد مدار چاپی (PCB) روی سطح نصب می شود و نیاز دارد که مقادیر قابل توجهی از گرمای تولید شده از طریق اتصالات لحیم کاری شده از طریق پایین تراشه LED به PCB منتقل شود. که در آن عملکرد حرارتی و قابلیت اطمینان بین تراشه LED و برد PCB برای انتقال موثر گرما از طریق هدایت حرارتی بسیار مهم است.
انتقال گرما از بسته LED به هیت سینک نیز بسیار مهم است، جایی که از مواد واسط حرارتی برای پر کردن شکاف ها و فضاهای خالی بین هیت سینک و PCB استفاده می شود، زیرا هوا رسانای ضعیفی است و در نتیجه احتمالاً کارایی را کاهش می دهد. مسیر هدایت حرارتی برای اتلاف گرما. هیت سینک یک دستگاه رسانای حرارتی بالا است که به گونه ای طراحی و ساخته شده است که دارای حداکثر سطح قابل توجهی باشد، که پس از آن امکان اتلاف گرما موثر از طریق همرفت حرارتی را فراهم می کند.
هیت سینک آخرین و تاثیرگذارترین بخش از مسیر مدیریت حرارتی یک سیستم LED در نظر گرفته می‌شود، جایی که بسیاری از هیت سینک‌ها از طیف وسیعی از “پره‌ها” استفاده می‌کنند تا سطح بهینه را برای خنک‌سازی همرفت به حداکثر برسانند. جریان‌های محرک نسبتاً بالا با دمای محیط بالاتر، در کنار عدم به خطر انداختن عملکرد لومن منبع نور یا قابلیت اطمینان مدار، این امر مستلزم حذف سریع و کارآمد گرما از نقطه اتصال به محیط است.

به منظور تسهیل حجم بالای رسانش حرارتی مورد نیاز از طریق هیت سینک، مواد مورد استفاده برای فرآیند ساخت هیت سینک لامپ مورد توجه قرار می گیرد. استفاده از آلومینیوم بین ۹۰W/mK و ۲۴۰W/mK (وات بر متر کلوین) مزایای قابل توجهی را به عنوان یک ماده هیت سینک ارائه می‌کند، زیرا دارای پایداری ابعادی بالا، سطوح هدایت حرارتی گسترده، مقاومت عالی در برابر خوردگی، ویژگی‌های تکمیلی ایده‌آل و داشتن خواص وزنی کاهش یافته، در کنار ارائه قابلیت بازیافت و پایداری کامل، همراه با سطح قابل قبول هزینه. هیت سینک برای استخراج گرما به هوای محیط اطراف، از طریق همرفت حرارتی، طراحی شده است تا دمای اتصال مناسب را برای LED حفظ کند، که در محدوده های تعریف شده و ایمن به کار خود ادامه می دهد.