Պարադոքսը արդյունավետ LED վազում տաք

Դա սովորական դիտարկում է, որը շփոթության մեջ է գցում շատ սպառողների եւ նույնիսկ որոշ մասնագետների. LED լամպերը հայտնի են իրենց անհավատալի էներգիայի արդյունավետության համար, սակայն որոշ ժամանակ միանալուց հետո նրանց ջերմային լվացարանները անհերքելիորեն տաքանում են շոշափելու համար։ Եթե LED-ն այդքան շատ էլեկտրաէներգիա է խնայում՝ համեմատած հին շիկացած լամպի հետ, ինչո՞ւ է այն դեռեւս այդքան շատ ջերմություն արտադրում։ Այս թվացյալ պարադոքսը լուսավորության աշխարհում ամենահաճախ տրվող հարցերից մեկն է։ Պատասխանը կայանում է ոչ թե սպառվող ընդհանուր էներգիայի մեջ, այլ հիմնարար ֆիզիկայում, թե ինչպես է լույսը արտադրվում եւ, որ ամենակարեւորն է, ինչպես է այն արտադրվում։ Հասկանալու համար, թե ինչու 15 վատտ LED-ը կարող է զգալ նույնքան տաք, որքան 60 վտ շիկացած մեքենան, մենք պետք է խորանանք լույսի փոխակերպման արդյունավետության, էներգիայի տարբեր ձեւերի (լույս եւ ջերմություն) եւ ժամանակակից էլեկտրոնիկայի ջերմային կառավարման կարեւոր դերի մեջ։ Այս համապարփակ ուղեցույցը կբացահայտի LED ջերմության առեղծվածը, բացատրելով գիտությունը պարզ բառերով եւ ընդգծելով, թե ինչու պատշաճ ջերմության ցրումը թերություն չէ, այլ բարձրորակ LED դիզայնի առանձնահատկություն:

Որքանո՞վ են արդյունավետ LED լույսերը՝ համեմատած հին տեխնոլոգիաների հետ:

LED-ի ջերմային ելքը գնահատելու համար նախ պետք է համեմատել դրա արդյունավետությունը իր նախորդների հետ՝ շիկացած եւ կոմպակտ ցերեկային լույսի լամպերի (CFLs): Դրա ստանդարտ չափանիշը լուսային արդյունավետությունն է, որը չափվում է լյումեններով մեկ վատտում (lm/W), որը ցույց է տալիս, թե որքան տեսանելի լույս ենք ստանում սպառված էլեկտրաէներգիայի յուրաքանչյուր միավորի համար։ Ավանդական շիկացած լամպերը հայտնի են անարդյունավետությամբ։ Սովորական շիկացած լամպը լուսավոր արդյունավետություն ունի ընդամենը մոտ 15-ից 18 lumens մեկ վատտում։ Սա նշանակում է, որ 60 Վտ լամպի համար հսկայական քանակությամբ էներգիա՝ ավելի քան 95%-ը, ուղղակիորեն վերածվում է ջերմության (ինֆրակարմիր ճառագայթման), իսկ միայն չնչին մասը՝ մոտ 3%-ը, իրականում արտադրում է տեսանելի լույսը, որը մենք տեսնում ենք։ CFL-ները կամ էներգախնայող լամպերը զգալի քայլ առաջ էին, հասնելով մոտ 50-ից 60 լյումեն մեկ վատտի արդյունավետությանը։ Նրանք էլեկտրաէներգիայի մոտ 20-25%-ը վերածում են տեսանելի լույսի, այդ պատճառով էլ նույն լույսի համար շատ ավելի սառը են աշխատում, քան շիկացած նյութերը։ Այնուամենայնիվ, LED-ները արդյունավետության ներկայիս չեմպիոններն են։ Բարձրորակ LED լամպերը այժմ պարբերաբար հասնում են 130-ից 160 lumens մեկ վատտի կամ նույնիսկ ավելի բարձր արդյունավետության: Սա նշանակում է, որ նրանք էլեկտրական էներգիայի մոտավորապես 30%-ից 40%-ը վերածում են տեսանելի լույսի։ Սա ուշագրավ բարելավում է, բայց այն դեռեւս թողնում է էներգիայի զգալի մասը՝ 60%-ից 70%-ը, որը պետք է ինչ-որ տեղ գնա, եւ այդ «ինչ-որ տեղ» հիմնականում ջերմությունն է։

Ինչո՞ւ է 15 վատտ LED-ը տաքանում, եթե այն այդքան արդյունավետ է:

Սա է պարադոքսի առանցքը։ 15 վտ LED-ը, որն արտադրում է նույն լույսը, ինչ 60 վտ շիկացած վառելիքը, ակնհայտորեն ավելի արդյունավետ է։ Այնուամենայնիվ, կարեւորն այն է, որ նայենք թափոնների ջերմության կոնցենտրացիային։ Շիկացած լամպը, սպառելով 60 Վտ, արտադրում է հսկայական 57 Վտ թափոնային ջերմություն, բայց այս ջերմությունը ճառագայթվում է մեծ մակերեսի վրա (ամբողջ ապակե լամպը) եւ, որ ամենակարեւորն է, արտանետվում է որպես ինֆրակարմիր ճառագայթում։ Այս ինֆրակարմիր ջերմությունը հեռանում է լամպից՝ տաքացնելով սենյակը, բայց պարտադիր չէ, որ լամպի մակերեսը չափազանց տաքանա կենտրոնացված տեղում, թեեւ այն դեռ շատ տաք է։ Մյուս կողմից, 15 Վտ LED-ը շատ ավելի քիչ ընդհանուր թափոնների ջերմություն է առաջացնում՝ մոտ 10 Վտ (քանի որ 5 Վտ դարձավ լույս)։ Խնդիրն այն է, որ այս 10 Վտ ջերմությունը առաջանում է փոքրիկ կիսահաղորդչային չիպում, որը եղունգից փոքր է։ Սա ստեղծում է աներեւակայելի բարձր ջերմային հոսք կամ ջերմային էներգիայի կոնցենտրացիա փոքր տարածքում։ Եթե այս ինտենսիվ, կենտրոնացված ջերմությունը արագ չի հեռանում չիպից, LED հանգույցի ջերմաստիճանը վայրկյանների ընթացքում կբարձրանա, ինչը հանգեցնում է անհապաղ վնասի եւ ձախողման։ Հետեւաբար, ջերմային լվացարանը, որը դուք զգում եք LED լամպի վրա, վկայում է այն մասին, որ նա հաջողության է հասել այդ կենտրոնացված ջերմությունը հեռու նուրբ էլեկտրոնիկայից եւ ցրել այն շրջակա օդում: Ջերմային լվացարանը կատարում է իր աշխատանքը, եւ այն փաստը, որ այն զգում է տաք, նշանակում է, որ ջերմային կառավարման համակարգը աշխատում է պաշտպանել LED.

Ո՞րն է LED ջերմության գեներացման հիմքում ընկած գիտությունը:

LED-ի գեներացված ջերմությունը անարդյունավետ լույսի արտադրության արդյունք չէ այնպես, ինչպես շիկացած է։ Շիկացած լամպում ջերմությունը (ինֆրակարմիր ճառագայթումը) լույսի առաջացման գործընթացի անբաժանելի մասն է; Թելիկը տաքացվում է մինչեւ փայլելը՝ առաջացնելով լայն սպեկտր, որը ներառում է եւ՛ տեսանելի լույս, եւ՛ հսկայական քանակությամբ անտեսանելի ինֆրակարմիր։ LED-ները աշխատում են բոլորովին այլ սկզբունքով, որը կոչվում է էլեկտրալյումինեսցենցիա։ Երբ էլեկտրական հոսանքն անցնում է կիսահաղորդչային նյութի (դիոդի) միջով, այն գրգռում է էլեկտրոնները։ Երբ այս էլեկտրոնները վերադառնում են իրենց նորմալ վիճակին, նրանք էներգիա են արձակում ֆոտոնների՝ լույսի մասնիկների տեսքով։ Այս լույսի գույնը կամ ալիքի երկարությունը որոշվում է կիսահաղորդչային նյութի հատկություններով։ Այս պրոցեսը շատ ավելի արդյունավետ է տեսանելի լույս արտադրելու հարցում։ Այնուամենայնիվ, այն 100% արդյունավետ չէ։ Կիսահաղորդչային միջով էլեկտրոնների շարժումը նույնպես հանդիպում է դիմադրության։ Այս երեւույթը հայտնի է որպես էլեկտրական դիմադրություն։ Այս դիմադրությունը, նյութի ներսում ոչ ճառագայթային ռեկոմբինացիոն այլ գործընթացների հետ միասին, էլեկտրական էներգիայի մի մասը փոխակերպում է անմիջապես ջերմության (ֆոնոններ կամ վանդակավոր տատանումներ) հենց LED չիպի ներսում։ Սա կոչվում է Joule ջեռուցում։ Այսպիսով, թեեւ լույս արտադրող մեխանիզմը արդյունավետ է, նյութի միջով էլեկտրաէներգիայի տեղափոխման անխուսափելի ֆիզիկան աղբյուրում ջերմություն է առաջացնում։

Ինչո՞ւ LED-ները չեն կարող պարզապես ջերմություն ճառագայթել, ինչպես շիկացած լամպերը:

Սա կարեւոր տարբերություն է հին եւ նոր լուսավորության տեխնոլոգիաների միջեւ։ Շիկացած լամպերը աշխատում են չափազանց բարձր ջերմաստիճաններում (թելիկը կարող է հասնել ավելի քան 2500 °C): Այս ջերմաստիճաններում նրանք իրենց էներգիայի զգալի մասը արտանետում են որպես ինֆրակարմիր ճառագայթում, որը լույսի մի ձեւ է, որը մենք զգում ենք որպես ջերմություն։ Սա շատ արդյունավետ միջոց է էներգիան աղբյուրից հեռու տեղափոխելու համար՝ առանց ֆիզիկական դիրիժորի կարիքի։ Ջերմությունը պարզապես ճառագայթում է ապակու միջով եւ շրջակա միջավայր։ LED-ները, սակայն, նախատեսված են շատ ավելի ցածր ջերմաստիճաններում աշխատելու համար, սովորաբար 85 °C-ից մինչեւ 150 °C առավելագույն հանգույցի ջերմաստիճանով: Այս համեմատաբար ցածր ջերմաստիճաններում նրանք զգալի ինֆրակարմիր ճառագայթում չեն արձակում։ LED չիպի ներսում առաջացած ջերմությունը չի կարող փախչել՝ ճառագայթելով; այն պետք է անցկացվի ֆիզիկական շփման միջոցով։ Ահա թե որտեղ է գալիս ջերմային լվացարանը։ LED չիպը տեղադրված է ջերմային ինտերֆեյսի նյութի վրա, որը կցվում է մետաղական միջուկի տպագիր տպատախտակին (MCPCB), որն այնուհետեւ ամրացվում է մեծ մետաղական ջերմային լվացարանին: Այս ամբողջ ուղին նախատեսված է ջերմությունը չիպից հեռու անցկացնելու համար պինդ նյութերի միջոցով: Ջերմային լվացարանը այնուհետեւ օգտագործում է իր մեծ մակերեսը եւ լողաթեւերը՝ կոնվեկցիայի միջոցով օդին այդ ջերմությունը փոխանցելու համար։ Այսպիսով, LED-ները չեն «տաքանում» այնպես, ինչպես շիկացած սարքերը. նրանք արտադրում են ավելի քիչ ընդհանուր ջերմություն, բայց այդ ջերմությունը կենտրոնացված է եւ պահանջում է կատարելագործված, ինժեներական ուղի փախչելու համար, այդ պատճառով զգալի, հաճախ տաք, ջերմային լվացարանը ցանկացած բարձր հզորության LED լամպի անհրաժեշտ առանձնահատկությունն է։

Ի՞նչ է տեղի ունենում, եթե LED-ը չափազանց տաքանա:

Ջերմությունը LED կատարման եւ երկարակեցության թիվ մեկ թշնամին է։ Ի տարբերություն շիկացած լամպերի, որոնք կտրուկ ձախողվում են, LED-ները նրբագեղորեն քայքայվում են, բայց ջերմությունը արագացնում է այս քայքայումը էքսպոնենցիալ։ Ավելորդ ջերմության ամենաանմիջական ազդեցությունը լույսի արտահոսքի նվազումն է, մի երեւույթ, որը հայտնի է որպես lumen արժեզրկում։ Երբ LED հանգույցի ջերմաստիճանը բարձրանում է, նրա ներքին քվանտային արդյունավետությունը նվազում է, այսինքն՝ այն արտադրում է ավելի քիչ ֆոտոններ էլեկտրական հոսանքի նույն քանակի համար։ Ահա թե ինչու դուք կարող եք նկատել, որ LED լամպը թեթեւակի աղոտանում է, երբ այն տաքանում է: Ավելի կարեւոր է, որ երկարատեւ բարձր ջերմաստիճանը մշտական վնաս է հասցնում։ Ջերմությունը կարող է քայքայել ֆոսֆորի ծածկույթը, որն օգտագործվում է սպիտակ LED-ներում՝ կապույտ լույսը լրիվ սպեկտրի վերածելու համար, ինչը ժամանակի ընթացքում առաջացնում է գունավոր ջերմաստիճանի փոփոխություն։ Կիսահաղորդչային նյութն ինքնին կարող է վնասվել, ինչը հանգեցնում է դիմադրողականության բարձրացմանը եւ հետագա ջերմության առաջացմանը կործանարար ցիկլում: LED չիպը իր սուբստրատին պահող կապերը կարող են թուլանալ, ինչը հանգեցնում է ֆիզիկական ձախողման։ Ի վերջո, վատ ջերմային կառավարումը կարող է նվազեցնել LED- ի կյանքի տեւողությունը իր պոտենցիալ 50,000+ ժամից մինչեւ ընդամենը մի քանի հազար ժամ՝ չեղյալ համարելով դրա հիմնական առավելությունը: Սա է պատճառը, որ արտադրողները մեծ ներդրումներ են կատարում ջերմային դիզայնի մեջ՝ ապահովելով, որ ջերմային լվացարանը բավարար չափի լինի, եւ որ կա հստակ, ցածր դիմադրության ուղի, որպեսզի ջերմությունը հեռանա զգայուն չիպից։

Ինչպես կառավարել եւ ցրել ջերմությունը LED համակարգերում

Արդյունավետ ջերմային կառավարումը LED դիզայնի հետադարձ մտածում չէ. Այն ինժեներական գործընթացի հիմնարար մասն է։ Այն ներառում է բազմափուլ մոտեցում՝ ջերմությունը խաչմերուկից շրջակա միջավայրի օդ տեղափոխելու համար։ Առաջին քայլը անցկացումն է։ LED չիպը զոդվում կամ միացված է ենթակառուցվածքին, հաճախ օգտագործելով «ջերմային ինտերֆեյսի նյութ»՝ միկրոսկոպիկ օդային բացերը լրացնելու համար, որոնք այլապես կմեկուսացնեին ջերմությունը։ Այս սուբստրատը սովորաբար մետաղական միջուկի տպագիր տպատախտակ է (MCPCB), որն ունի դիէլեկտրիկ նյութի բարակ շերտ ալյումինե կամ պղնձի հիմքի վրա, ինչը թույլ է տալիս ջերմությունը արագ տարածվել: Ից MCPCB, ջերմությունը տեղափոխվում է ջերմային լվացարանը: The ջերմային Լվացարանը առավել տեսանելի մասն է ջերմային կառավարման համակարգի. Դրա դիզայնը շատ կարեւոր է։ Այն սովորաբար պատրաստված է ալյումինից, որը թեթեւ է եւ ունի լավ ջերմային ջերմահաղորդություն, եւ ձեւավորվում է բազմաթիվ fins կամ pins. Այս լողաթեւերը կտրուկ մեծացնում են օդի հետ շփվող մակերեսը։ Վերջին փուլը կոնվեկցիան է, որտեղ ջերմությունը լողաթեւերից փոխանցվում է շարժվող օդին։ Շատ պասիվ ջերմային լվացարաններում սա հիմնված է բնական օդի հոսքի վրա, որտեղ տաք օդը բարձրանում է եւ փոխարինվում ավելի սառը օդով։ Շատ բարձր հզորության LED-ների համար, ինչպիսիք են մարզադաշտի ջրհեղեղի լույսերը, պասիվ սառեցումը բավարար չէ, ուստի երկրպագուների հետ ակտիվ սառեցումը օգտագործվում է օդը ստիպելու լողաթեւերի վրա՝ մեծապես մեծացնելով կոնվեկտիվ ջերմային փոխանցումը: Որոշ առաջադեմ համակարգեր նույնիսկ օգտագործում են ջերմային խողովակներ կամ հեղուկ սառեցում՝ ջերմությունը ավելի արդյունավետ տեղափոխելու համար։

Ինչ դեր է ջերմային Լվացարանը խաղում LED կատարման.

Ջերմային լվացարանը հավանաբար LED լամպի ամենակարեւոր բաղադրիչն է LED չիպից հետո։ Նրա աշխատանքն է ապահովել մեծ ծավալի նյութի կլանել ջերմային զարկերակը եւ մեծ մակերեսը ցրել այն: Ջերմային լվացարանի չափը, նյութը եւ երկրաչափությունը ուղղակիորեն որոշում են լամպի անվտանգ աշխատանքային ջերմաստիճանը պահպանելու ունակությունը: Փոքր, թեթեւ ջերմային լվացարանը կարող է ավելի էժան լինել արտադրելու համար, բայց այն արագ հագեցած կլինի ջերմությամբ, ինչը հանգեցնում է բարձր LED հանգույցի ջերմաստիճանի, նվազեցված լույսի արտադրանքի եւ կրճատված կյանքի տեւողության: Լավ նախագծված, առատաձեռն չափի ջերմային լվացարանը, նույնիսկ եթե այն ավելացնում է արժեքի եւ քաշի մրցաշարային, ապահովում է, որ LED կարող է գործել իր նախագծված արդյունավետության եւ տեւել իր լիարժեք գնահատված կյանքը: Ջերմային լվացարանի լողաթեւերը պետք է նաեւ նախագծված լինեն ազատ օդի հոսք թույլ տալու համար, ուստի դրանք չպետք է տեղադրվեն իրար շատ մոտ, եւ լամպի տեղադրման միջավայրը պետք է թույլ տա օդափոխություն: LED լամպը ծածկելը կամ այն փակ, չօդափոխվող սարքի մեջ տեղադրելը կարող է սովամահ անել սառը օդի ջերմային լվացարանը, ինչի հետեւանքով LED-ը գերտաքանում է։ Հետեւաբար, երբ ընտրելով LED արտադրանքը, որակը եւ չափը իր ջերմային լվացարանը ուղղակի ցուցանիշներ են արտադրողի հանձնառության կատարման եւ երկարակեցության. Տաք ջերմային լվացարանը նշան է, որ այն արդյունավետորեն քաշում է ջերմությունը չիպից. Սառը ջերմային լվացարանը կարող է նշանակել, որ ջերմությունը փակված է ներսում, ինչը վաղ ձախողման բաղադրատոմս է։

Ջերմություն եւ արդյունավետություն լուսավորման տեխնոլոգիաների մեջ

Ջերմության գեներացման եւ արդյունավետության տարբերությունները պատկերացնելու համար հետեւյալ աղյուսակում համեմատվում է 60W շիկացած, 15W CFL եւ 12W LED, որոնք բոլորն արտադրում են մոտավորապես նույն քանակությամբ լույս (մոտ 800 lumens)։

Այս համեմատությունը հստակ ցույց է տալիս, որ թեեւ LED-ները արտադրում են ամենաքիչը ընդհանուր ջերմությունը, ջերմության ցրման մեթոդը (ջերմային լվացարանի միջոցով) այն է, ինչը ստիպում է նրանց ջերմ զգալ շոշափելիս, ինչը արդյունավետ ջերմային ճարտարագիտության նշան է։

Ի՞նչ է սպասվում LED արդյունավետության եւ ջերմության ապագայում:

LED տեխնոլոգիայի ճամփորդությունը հեռու է ավարտվելուց։ Հետազոտողներն ու ինժեներները շարունակաբար աշխատում են բարելավել LED-ների հիմնական արդյունավետությունը՝ առաջ մղելով հնարավորի սահմանները։ Ներկայումս նույնիսկ լավագույն LED-ները էլեկտրական էներգիայի մոտ 30-40%-ը վերածում են տեսանելի լույսի։ Մնացածը կորչում է ջերմության պես ։ Գիտական զգալի ձգտում կա հասկանալու եւ վերացնելու կիսահաղորդչային ոչ ճառագայթային ռեկոմբինացիոն պրոցեսները, որոնք առաջացնում են այդ կորուստները։ Նյութերի գիտության առաջընթացը, ինչպիսիք են գալիումի նիտրիդի օգտագործումը սիլիցիումի սուբստրատների վրա եւ նոր քվանտային կետային տեխնոլոգիաները, խոստանում են բարձրացնել LED-ների ներքին քվանտային արդյունավետությունը։ Սպիտակ LED-ի տեսական առավելագույնը շատ ավելի բարձր է, ինչը կարող է գերազանցել 50% կամ նույնիսկ 60% արդյունավետությունը։ Քանի որ այս արդյունավետությունը բարելավվում է, ավելի քիչ էներգիան կվերածվի ջերմության նույն քանակությամբ լույսի համար։ Սա նշանակում է, որ ապագա LED-ները կպահանջեն ավելի փոքր, ավելի քիչ զանգվածային ջերմային լվացարաններ՝ նվազեցնված ջերմային բեռը կառավարելու համար։ Մենք արդեն տեսնում ենք այս միտումը chip-on-board (COB) LED-ների եւ ավելի արդյունավետ վարորդների զարգացման հետ։ Վերջնական նպատակը լույսի աղբյուրն է, որը իր էներգիայի ճնշող մեծամասնությունը վերածում է լույսի, որը մենք տեսնում ենք, իսկ ջերմությունը փոքր արդյունք է։ Մինչ այդ ներկայիս LED տեխնոլոգիաների ջերմային կառավարման կարիքները հասկանալը եւ հարգելը նրանց երկար կյանքը եւ էներգախնայողության օգուտները վայելելու բանալին է։

Հաճախ տրվող հարցեր LED ջերմության վերաբերյալ

Արդյո՞ք նորմալ է, որ LED լամպը տաք է շոշափման համար:

Այո, դա միանգամայն նորմալ է, որ հիմքը կամ ջերմային լվացարանը LED լամպ զգալ տաք կամ նույնիսկ տաք. Սա ցույց է տալիս, որ ջերմային լվացարանը հաջողությամբ քաշում է ջերմությունը հեռու LED չիպից: Այնուամենայնիվ, այն չպետք է այնքան տաք լինի, որ կարճ ժամանակով դիպչելիս ցավ առաջացնի: Եթե չափազանց շոգ է, ապա այն կարող է լինել փակ սարքում, որտեղ վատ օդափոխություն կա, կամ լամպը կարող է սխալ լինել։

Կարո՞ղ է LED լամպը հրդեհ առաջացնել:

Թեեւ LED լամպերը աշխատում են շատ ավելի ցածր ջերմաստիճանում, քան շիկացած լամպերը, դրանք դեռեւս կարող են հրդեհի վտանգ ներկայացնել, եթե դրանք վատ որակի են, ունեն սխալ վարորդ կամ օգտագործվում են այնպես, որ կանխեն ջերմության ցրումը։ Օրինակ, LED լամպը մեկուսացմամբ ծածկելը կամ այն օգտագործելը փակ, ոչ օդափոխվող սարքում, որի համար այն գնահատված չէ, կարող է գերտաքացնել այն։ Միշտ հետեւեք արտադրողի հրահանգներին եւ փնտրեք սերտիֆիկացված ապրանքներ:

Ինչպե՞ս կարող եմ այնպես անել, որ իմ LED լույսերը ավելի երկար տեւեն:

Ձեր LED լույսերի կյանքը երկարացնելու լավագույն միջոցը նրանց ջերմությունը կառավարելն է: Համոզվեք, որ դրանք տեղադրված են հարմարանքներ, որոնք թույլ են տալիս բավարար օդի հոսքի շուրջ ջերմային լվացարանը: Մի պարփակեք դրանք փոքր, չօդափոխվող տարածքներում, եթե դրանք հատուկ գնահատված չեն այդ նպատակի համար։ Հեղինակավոր արտադրողների բարձրորակ LED-ների ընտրությունը, որոնք ի սկզբանե ունեն ավելի լավ ջերմային դիզայն, նույնպես երկարակեցության բանալին է: