Dissipador de calorpara LED
Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia LED, os produtos de iluminação LED têm recebido cada vez mais atenção.
Em comparação com as fontes de iluminação tradicionais, as fontes de iluminação LED são lâmpadas de luz fria de estado sólido, que têm as vantagens de longa vida útil, alta eficácia luminosa, sem radiação, menor consumo de energia, boa resistência a choques e vibrações e maior segurança. Hoje, quando a iluminação verde é geralmente defendida em todo o mundo, o LED tem sido amplamente preferido como uma fonte emergente de iluminação verde.
No entanto, os produtos de iluminação LED são propensos a superaquecer durante o uso, especialmente alguns produtos de iluminação LED de alta potência apresentam sérios problemas de aquecimento. LEDs são componentes sensíveis a altas temperaturas. Se gerarem muito calor e a temperatura for muito alta, isso afetará diretamente o efeito de iluminação, a temperatura da cor da luz, etc. E ainda terá um sério impacto no uso normal dos produtos de iluminação LED.
01 O efeito da alta temperatura no desempenho dos produtos de iluminação LED
A dissipação de calor é um desempenho importante que os produtos de iluminação LED devem ter. Na vida real, os produtos de iluminação LED são frequentemente utilizados em diferentes ambientes, o que também tem um grande impacto na eficiência dos produtos de iluminação LED. A fim de aumentar a capacidade de dissipação de calor dos produtos de iluminação LED, é necessário estudar o efeito da alta temperatura no desempenho dos produtos de iluminação LED.
1.1 Alta temperatura causa danos permanentes aos LEDs
Considerando as características de trabalho do LED, se a temperatura de trabalho for superior à temperatura máxima que o LED pode suportar, a eficácia luminosa do LED cairá rapidamente e uma forte deterioração da luz será formada, o que levará ao dano de o LED. Os LEDs são em sua maioria encapsulados com resina transparente de polissulfona/epóxi. Se a temperatura de pirólise for superior à temperatura de transição do conteúdo sólido (geralmente 15 graus), o material de vedação se transformará em um estado coloidal e o coeficiente de expansão térmica aumentará acentuadamente, o que causará circuito aberto e danos ao LED.
1.2 A alta temperatura reduzirá a vida útil do LED
Diferentes marcas de LEDs possuem diferentes características de degradação de luz. Os fabricantes de LED geralmente fornecem curvas de decaimento de luz padrão como base para a seleção de produtos LED. A vida útil de um LED está intimamente relacionada à sua degradação luminosa. Quanto mais tempo for utilizado, menor será a iluminância do LED até que finalmente se apague. Geralmente, a vida útil do LED é definida como o tempo em que o fluxo luminoso do LED diminui em 30%. A alta temperatura causará a deterioração da luz do LED e reduzirá a vida útil do LED.
(1) Os defeitos existentes no chip LED se expandirão rapidamente em alta temperatura ambiente até invadirem a área emissora de luz, resultando em um grande número de centros de recombinação não radiativos, o que afeta muito a eficiência luminosa do LED. Em um ambiente de alto calor, microdefeitos no material e impurezas que se espalham rapidamente da interface e da placa também serão introduzidos na região emissora de luz, formando um grande número de níveis de energia profundos, acelerando assim a deterioração da luz do o dispositivo LED.
(2) Quando a temperatura está alta, o material de resina epóxi condutora transparente desnaturará e ficará amarelo, o que danificará seriamente seu desempenho de transmissão de luz.
(3) O decaimento da luz dos fósforos também é um fator importante que afeta o decaimento da luz dos LEDs, e o decaimento dos fósforos em altas temperaturas é muito forte.
1.3 A alta temperatura afetará o efeito luminoso do LED
Alguns parâmetros dos materiais constituintes do LED mudarão com a temperatura ambiente, o que causará alterações nos parâmetros do dispositivo LED e afetará diretamente a saída de luz do LED. Em geral, o processo de diminuição do fluxo luminoso com o aumento da temperatura é reversível. Quando a temperatura ambiente retornar à temperatura inicial, o fluxo luminoso terá um aumento de recuperação. Isso ocorre porque quando a temperatura retorna ao estado inicial, os parâmetros internos do elemento LED não mudam mais e a saída de luz do LED pode retornar ao valor do estado inicial. O fluxo luminoso de um LED é dividido em lúmens frios e lúmens quentes, que representam a saída de luz do LED à temperatura ambiente e à temperatura ambiente, respectivamente.
As razões específicas pelas quais a alta temperatura afeta o efeito luminoso dos LEDs são as seguintes:
(1) À medida que a temperatura ambiente aumenta, a concentração de elétrons e buracos nos produtos de iluminação LED aumentará, mas a mobilidade dos elétrons diminuirá devido à redução da largura de banda proibida.
(2) À medida que a temperatura ambiente aumenta, a probabilidade de recombinação dos elétrons no poço de potencial e da radiação nos buracos será bastante reduzida, formando recombinação não radiativa, reduzindo assim a eficiência quântica interna do LED.
(3) O aumento da temperatura ambiente mudará o pico de luz azul do LED para a direção de onda longa, resultando na incompatibilidade entre o comprimento de onda de emissão do LED e o comprimento de onda de excitação do fósforo, resultando em uma diminuição no eficiência de extração da luz externa pelo LED.
(4) À medida que a temperatura ambiente aumenta, a eficiência quântica do fósforo diminui e a emissão de luz diminui.
(5) O desempenho da sílica gel é muito afetado pela temperatura. À medida que a temperatura de trabalho aumenta, o estresse térmico dentro da sílica gel aumenta e o índice de refração da sílica gel diminui, o que afeta diretamente a eficiência luminosa do LED.
(dissipador de calor de aletas de alumínio)
02 Problemas de dissipação de calor de produtos de iluminação LED
Os produtos de iluminação LED geralmente apresentam problemas de dissipação de calor. Em contraste, embora as lâmpadas incandescentes e fluorescentes tenham grandes perdas de energia, estas lâmpadas podem ser irradiadas diretamente pela luz ultravioleta e a fonte de calor da fonte de luz é muito pequena. Na energia consumida pelos produtos de iluminação LED, além da parte convertida em fontes de luz visível, outras fontes de energia são convertidas em calor.
Além disso, o pequeno tamanho do pacote de LED dificulta a dissipação de calor por convecção e radiação, acumulando assim uma grande quantidade de calor.
2.1 A expansão térmica causa dobras e rachaduras nas peças
Os produtos de iluminação LED são compostos de muitas partes, e os materiais de várias partes são diferentes, e a extensão da expansão e contração térmica também é diferente. Durante a expansão térmica, os materiais dos componentes dobram-se e racham, resultando numa fraca dissipação de calor do produto e reduzindo seriamente a eficiência de utilização dos produtos LED.
2.2 Obstáculos operacionais de circuitos eletrônicos
Se a temperatura de trabalho dos componentes do condutor aumentar, a impedância da fonte de alimentação diminuirá e é fácil entrar em um círculo vicioso de "aumento de temperatura - redução de impedância - aumento de tensão - aumento térmico - aumento de temperatura" e até queimar .
2.3 Alta temperatura leva à deterioração da qualidade do material
De modo geral, os materiais metálicos utilizados nos produtos de iluminação LED são fáceis de oxidar e, quanto mais alta a temperatura, mais rápida é a taxa de oxidação. A oxidação em alta temperatura pode encurtar a vida útil dos produtos de iluminação LED.
03 Fatores que influenciam o desempenho de dissipação de calor de produtos de iluminação LED
3.1 Influência da direção do vento no desempenho de dissipação de calor de produtos de iluminação LED
Os pesquisadores conduziram experimentos sobre o efeito da direção do vento na dissipação de calor dos produtos de iluminação LED. De modo geral, no ambiente de simulação do mundo real, existem três tipos de direções do vento: horizontal à direita, vertical para cima e vertical para baixo, e a velocidade máxima do vento não excederá 1,50 m/s. Durante o experimento, é necessário garantir que os produtos de iluminação LED utilizados pelos diferentes grupos sejam exatamente os mesmos, exceto pelas diferentes direções do vento, todas as outras variáveis devem permanecer inalteradas. Durante o experimento, preste atenção à medição da temperatura do produto de iluminação LED e calcule a taxa de dissipação de calor do produto de iluminação LED sob diferentes ventos. Por meio de experimentos, constatou-se que no processo de dissipação de calor dos produtos de iluminação LED, ele é bastante afetado pelo vento vertical. Isso ocorre principalmente porque a direção vertical descendente do vento é oposta à direção natural da convecção do ar, o que altera a temperatura máxima dos produtos de iluminação LED.
3.2 Influência da velocidade do vento no desempenho de dissipação de calor de produtos de iluminação LED
Para compreender o efeito da velocidade do vento no desempenho de dissipação de calor dos produtos de iluminação LED, os pesquisadores também realizaram experimentos. No experimento, é necessário garantir que o ambiente externo seja consistente e, então, aumentar gradativamente a velocidade do vento. Quando a direção do vento é verticalmente descendente e a velocidade do vento é pequena, a temperatura máxima do produto de iluminação LED é mais alta; à medida que a velocidade do vento aumenta, a temperatura do produto de iluminação LED diminui gradualmente.
04 Contramedidas de otimização de dissipação de calor para produtos de iluminação LED
Ao projetar a estrutura de dissipação de calor dos produtos de iluminação LED, quanto menor o número de camadas estruturais, mais fina a espessura da camada, maior o volume da camada, maior a condutividade térmica do material e melhor a dissipação de calor . Além disso, o formato da lâmpada deve ser escolhido como um bloco retangular ou um anel. O projeto de dissipação de calor dos produtos de iluminação LED deve seguir o princípio de projeto de dissipadores de calor passivos e dissipadores de calor ativos como complemento, e minimizar ou eliminar métodos ativos de dissipação de calor.
4.1 Seleção razoável de dissipador de calor
Ao embalar LEDs, não há conexão direta com dissipadores de calor ou ventiladores elétricos, e as placas de circuito de alimentação dos LEDs geram muito calor, o que torna o resfriamento e a dissipação de calor dos produtos de iluminação LED um problema muito difícil. A este respeito, é necessária uma seleção razoável de dissipadores de calor. O dissipador de calor pode expandir a área de contato mútuo entre a superfície do produto de iluminação LED e o ar interno, melhorando assim a eficiência de resfriamento e dissipação de calor do produto de iluminação LED.
4.1.1 Seleção de Barbatanas
Normalmente, a superfície externa do dissipador de calor é usinada em aletas. Existem muitos tipos de aletas, e o número, posição, especificação, ângulo de inclinação e espessura das aletas devem ser cuidadosamente selecionados de acordo com as necessidades. Além do formato linear comum, as nadadeiras também apresentam formatos ondulados, espirais, oblongos e em tronco. O objetivo de fabricação de cada formato é facilitar a convecção do ar interno, a descarga da água da chuva, etc., para obter o melhor efeito de dissipação de calor. .
Os fabricantes usam principalmente métodos de produção de sinterização e ranhuras para produzir dissipadores de calor. Os tubos de calor sinterizados da mesma especificação têm o mesmo desempenho que os tubos de calor ranhurados. Dentre eles, quando o tubo de calor é sinterizado, uma grande quantidade de pó de cobre será utilizada como enchimento, resultando em um pequeno diâmetro capilar do tubo de calor e um pequeno poder de penetração. Quando a largura do tubo de calor sinterizado aumenta, o efeito de condução de calor do tubo de calor será enfraquecido. Portanto, é necessário selecionar as aletas e tubos de calor apropriados para uso. Por exemplo, como um dispositivo de iluminação LED muito típico, métodos de dissipação de calor, como tubo de calor mais aletas, tubo de calor de câmara de vapor mais aletas, etc., são usados no uso de luzes de rua LED para melhorar a eficiência de dissipação de calor das luzes de rua.
4.1.2 Seleção de materiais
Entre os materiais do dissipador de calor, a condutividade térmica do cobre é melhor que a do alumínio, mas a velocidade de dissipação de calor do cobre é mais lenta que a do alumínio. Portanto, um novo dissipador de calor composto de cobre-alumínio pode ser usado combinando as vantagens do cobre e do alumínio. No dissipador de calor composto de cobre-alumínio, o cobre pode trazer rapidamente o alto calor gerado pelo LED para o alumínio e, em seguida, o alto calor é dissipado pelas aletas da liga de alumínio, melhorando assim a eficiência de dissipação de calor.
4.1.3 Seleção de tubos dissipadores de calor
O tubo do dissipador de calor é uma parte importante do dissipador de calor. Quando a extremidade de aquecimento do dissipador de calor acaba de ser aquecida, a água próxima à parede do tubo irá vaporizar instantaneamente, formando uma grande quantidade de vapor d'água, o que aumenta a pressão desta parte. O vapor de água se moverá para a extremidade de resfriamento impulsionado pela pressão da água. Quando o fluxo de vapor atinge a extremidade de resfriamento, ele se condensa no estado líquido, libera uma grande quantidade de energia térmica e, em seguida, atinge a extremidade de aquecimento por transpiração por meio da força capilar para completar um ciclo.
Para alguns produtos de iluminação LED com alto consumo de energia e altos requisitos em dissipadores de calor, tubos de calor metálicos podem ser selecionados como tubos dissipadores de calor. Os produtos de iluminação LED geram muito calor durante o funcionamento e, quando o calor é transmitido dentro dos produtos de iluminação LED, ele é transferido diretamente para o tubo de calor de metal através do dissipador de calor. Como o tubo de calor metálico é aquecido, nenhum calor é perdido durante a transferência de calor. A energia térmica pode ser gerada dentro da seção de condensação do tubo de calor, e a energia térmica pode ser transportada para o interior do tubo de calor e gradualmente transferida para a folha de dispersão do material metálico através do efeito de condução de calor. A energia térmica pode ser dissipada da folha de dispersão de material metálico através do processo natural de propagação térmica da folha de dispersão e do ar de resfriamento circundante.
4.2 Projeto razoável do radiador
No projeto real do radiador, geralmente são adotadas a combinação de radiador externo e carcaça da lâmpada e a combinação de radiador embutido e ventilador com temperatura controlada. O calor gerado pelo dispositivo LED pode ser movido para a placa de circuito integrado através dos cabos selados e depois dissipado através do dissipador de calor; a energia térmica gerada pela placa de circuito de potência pode ser diretamente dispersa para o exterior através do dissipador de calor através do ar e dos materiais de enchimento ao redor da placa de circuito integrado. A fim de eliminar os fatores que afetam a eficiência da transferência de calor no caminho de transferência de calor, um material com melhor condutividade térmica pode ser usado no caminho de transferência de calor, o volume da seção transversal do caminho pode ser aumentado ou um lubrificante condutor térmico pode ser aplicado, para que não haja folgas nas juntas dos produtos. Se as aletas de resfriamento não conseguirem dissipar o calor para o exterior, muito calor poderá se acumular dentro do dispositivo LED. A este respeito, é necessário tomar medidas para otimizar a estrutura superficial das aletas de refrigeração. Um método típico é instalar mais aletas na superfície para aumentar a área de dissipação de calor do radiador.
4.3 Selecione o processo de embalagem de acordo com a situação real
O calor interno gerado pelo LED pode ser transmitido para a placa de circuito de metal através da camada adesiva e, em seguida, transmitido da placa de circuito para o dissipador de calor através da camada adesiva e, em seguida, irradiado para o ambiente circundante. O processo de vedação, o material de ligação e o material do substrato são os pontos-chave do projeto de dissipação de calor do LED. A energia térmica gerada pelo LED precisa ser transferida para o substrato de Si através da camada de conexão e, em seguida, transferida para a base de suporte metálica através do substrato de Si e do material de ligação. A estrutura precisa ter boas propriedades elétricas e térmicas.
4.4 Escolha o material de colagem correto
A fim de melhorar a capacidade de dissipação de calor dos produtos de iluminação LED, é necessário selecionar materiais de ligação adequados e fazer um bom trabalho no projeto básico dos produtos de iluminação LED. De modo geral, os produtos de iluminação LED usarão materiais adesivos, e os materiais adesivos serão afetados pela temperatura e umidade externas. Com o desenvolvimento contínuo da ciência e da tecnologia, as pessoas também melhoraram os materiais de adesão. Ao projetar produtos de iluminação LED, você pode escolher materiais de ligação adequados de acordo com a situação real dos produtos de iluminação, melhorar a condutividade térmica e elétrica dos materiais de ligação, simplificar sua estrutura interna e melhorar a capacidade de dissipação de calor dos produtos de iluminação LED.
05 Conclusão
Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, para resolver o problema de dissipação de calor dos produtos de iluminação LED, é necessário selecionar materiais de construção adequados, como tubos de calor metálicos, de acordo com a situação real. Ao usar produtos de iluminação LED, os usuários não devem apenas prestar atenção ao desempenho de dissipação de calor dos produtos, mas também à influência de fatores ambientais na dissipação de calor dos produtos de iluminação LED.
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