Led Işık Kaynaklarında Termal Yönetim

10.4.2023

Delight Led Aydınlatma Sistemleri Genel Müdürü Turgay Pekgirgin

Bir LED'in ışıma gücü veya ışık akısı, büyük ölçüde yarı iletkenin sıcaklığına bağlıdır. Bu, LED'in etkinliğinin sıcaklık arttıkça açıkça azaldığı anlamına gelir. Kesin soğutma için en uygun ısı mühendisliği yorumu son derece karmaşıktır çünkü bir LED'in yapısı ve tüm ilgili termal direncin, malzemelerin ve bağlantı noktalarının bireysel termal direncinin toplamı olarak dikkate alınması gerekir. Bir LED güç derecesinin yalnızca yaklaşık %20 ila %35'i doğrudan ışığa dönüştürülür - gücün geri kalanı ısı kaybıdır ve LED çalıştırılırken sistemdeki bileşenlerden uzaklaştırılmalı ve çevreye yayılmalıdır. Bu, LED tertibatı temas bölgesinin yapay bir yüzey büyütmesi kullanılarak kolayca yapılabilir.

LED'i soğutmak için üç olasılık mevcuttur; hafif kasada, baskılı devre kartı (iletken yolları, metal kaplı PCB) ve PCB üzerine yapıştırılmış veya lehimlenmiş veya ayrı olarak monte edilmiş ısı emiciler kullanılarak.
Hafif kasa üzerindeki soğutma yolu, iki kısmi yoldan oluşur. Biri kontak pimlerine bağlantı, diğeri ise ışık kasasına, yani temas pimlerinin ortam havasına bağlantısıdır. Bunlar minimum ısı emici ile sonuçlanır ve bu nedenle özellikle yüksek performanslı LED'ler için güvenilir değildir.

Başka bir soğutma türü, üzerine LED'lerin monte edildiği (isteniyorsa) PCB'ye bir ısı emicinin takıldığı zamandır. Kullanıcı için tasarım için çeşitli kapsamlar vardır.
Çok az ısı için, daha iyi ısı transferi için ek preslenmiş ısı iletkeni macununa sahip basit bir FR4 PCB malzemesi çok az durumda yeterli olabilir. FR4 çok iyi bir ısı iletkeni olmadığından daha fazla ısı için özel bir PCB yapı tasarımı kullanılır.
Metal çekirdekli PCB, LED soğutma için çok kullanılır. Alüminyumdan yapılmış bir taban plakası, LED'lerden gelen ısıyı Termal Yollar veya Termal Madeni Paralar (bakır sürekli yapıştırma) üzerinden doğrudan veya monte edilmiş ek bir soğutucu üzerinden ortama aktarabilir.

Sert PCB'nin yanı sıra PET, PEN, Pl, vb.'den yapılan esnek PCB'ler için de aynı şekilde çalışır çünkü örneğin alüminyum ısı yayma alanı ve ısı emici üzerine yapıştırma olasılığı da vardır.
Yüksek performanslı LED uygulamaları için, bir soğutucu kullanarak soğutma zorunludur. Bunun için soğutucu tasarımı için farklı temel yaklaşımlar vardır.
Serbest konveksiyon için ısı alıcıların kullanılması, günümüzde yüksek performanslı (güç) LED'lerin soğutulması için onaylanmış bir kavramdır. Bu amaçla, soğutulması gereken LED'ler seçilen soğutucuya yapıştırılır.

Uygun Soğutucuyu Seçme

Termal kriterler ayarlandıktan sonra (LED üreticisinin belgeleri ve yönergeleri her zaman dikkate alınmalıdır), termal direnç hesaplanmış ve montaj durumu ile alan/oda dikkate alınmıştır. mevcutsa, uygun ısı emici seçilebilir.
Odadaki soğutucunun yönüne özel olarak dikkat edilmelidir. Tarak şeklindeki profiller, doğal konvektif kaldırma kuvvetini engellemeyecek şekilde monte edilmelidir. Aktif soğutma ile mümkün olduğunca engelsiz hava beslemesi ve hava tahliyesinin kullanılması sağlanmalıdır. LED'ler için ısı emici tedarikçileri, diyagramlarında ısı emici ile ilgili termal direnci gösterir.

Kullanıcı, hesaplanan termal dirençten elde edilen verileri kullanarak, ısı emici üreticisi tarafından sağlanan diyagramda elde edilebilecek değeri okuyabilir ve ardından belirli uygulama için uygun ısı emiciyi seçebilir. LED soğutuculara yönelik sürekli artan talep için özel olarak koordine edilmiş konseptler geliştirilmiştir. LED'leri soğutmak için kullanılabilecek birçok standart soğutucunun yanı sıra, LED'ler ve bağımsız LED sistemleri için ısı alıcıların özel modifiye edilmiş versiyonları artık mevcuttur.
Ek bir ısı yayma alanı için, soğutucunun alt kısmında bir bakır kaplama olasılığı vardır, bu sayede bakır yüzey sıklıkla lehimlenebilir ve bu da LED'in soğutucuya doğrudan lehimle monte edilmesini mümkün kılar.

Hareketli hava kullanılarak soğutmanın etkinliği arttırılabilir. Vantilatörlü bir soğutucu, uygulamaya bağlı olarak ısının uzaklaştırılmasını yaklaşık %40 oranında iyileştirebilir. Bunun için kullanılan soğutucular, hareketli hava kullanılarak ısının iyi bir şekilde uzaklaştırılması için özel olarak tasarlanmıştır.

Aktif soğutma yine de gürültüsüz değildir. Havalandırma motorları ve havanın hareketi, ev aydınlatması, konser salonları, muayenehane odaları gibi pek çok uygulamada istenmeyen ses dalgaları oluşturmaktadır. Öte yandan, günümüzde yavaş dönen rotorlara ve özel fan kanadı geometrilerine sahip havalandırma konseptleri bulunmaktadır. çok düşük gürültü seviyesine sahiptir. Vantilatörün ısı giderici üzerinde vida bağlantısı olmayan yumuşak bir askı braketi yerine entegre montajlı bir lastik yatak ses dalgalarını ayırır ve ventilatör yatağının gürültü oluşumundaki dengesizlikleri azaltır. Yüksek kaliteli havalandırma motorları halihazırda yanma testine tabi tutulmuştur ve önemli ölçüde daha düşük bir arıza oranına ve 200.000 saatlik MTBF'lik bir ömür beklentisine sahiptir - bu, LED'in beklenen ömründen daha yüksektir.
Hava soğutmanın diğer olumlu yönleri, düşük sıcaklıkların yanı sıra, daha az kirlilik (toz birikimi) ve özellikle sık açılıp kapatıldığında daha düzgün bir ısı dağılımıdır.

LED uygulamalarıyla büyük miktarda ısı için diğer soğutma olanakları, örneğin termoelektrik soğutma (Peltier elemanı) veya sıvı soğutmadır (mikro kanal, vb.), ancak bunların kullanımı çok karmaşık ve pahalı oldukları için yalnızca marjinaldir.