Dėl ilgesnės eksploatavimo trukmės, energijos taupymo ir įvairovės LED apšvietimas visiškai pakeitė apšvietimo verslą. Tačiau kartais nepaisoma dalis-LED maitinimo šaltinio (arba tvarkyklės)-turi didelės įtakos LED sistemų ilgaamžiškumui ir veikimui. Nepaisant to, kad jie gamina mažiau šilumos nei įprastos kaitrinės lempos, LED maitinimo šaltiniai yra ypač jautrūs temperatūros pokyčiams, nes jie valdo ir konvertuoja elektros energiją. Kad šios tvarkyklės ir toliau veiktų efektyviai ir patikimai laikui bėgant, būtinas šilumos išsklaidymas. Šiame straipsnyje nagrinėjamas netinkamo šilumos išsklaidymo poveikis, geriausia šiluminio projektavimo optimizavimo praktika ir kaip šiluminis valdymas turi įtakos LED maitinimo šaltinio eksploatavimo trukmei ir veikimui.
Šilumos išsklaidymo reikšmė LED maitinimo šaltiniuose
LED tvarkyklės yra elektriniai įrenginiai, reguliuojantys įtampą arba srovę, kad atitiktų šviesos diodų apkrovos poreikius, ir paverčiantys kintamąją srovę (AC) į nuolatinę srovę (DC). Dėl dalių, tokių kaip transformatoriai, kondensatoriai ir puslaidininkiai, neefektyvumo, energija šiame procese eikvojama kaip šiluma. Dešimt procentų įvesties galios prarandama kaip šiluma, net ir vairuotojams, kurių efektyvumas yra 90 %. Ši šiluma kaupiasi mažuose arba uždaruose įrenginiuose, todėl padidėja vairuotojo vidinė temperatūra.
Perkaitimas pagreitina komponentų gedimą, o tai gali sukelti:
Trumpesnis tarnavimo laikas: aukštoje temperatūroje elektroninės dalys, pvz., elektrolitiniai kondensatoriai, genda greičiau.
Veikimo problemos: dėl perkaitimo gali kilti įtampos svyravimai, mirksėjimas arba ankstyvas išjungimas.
Pavojai saugai: Ilgalaikis perkaitimas gali pažeisti izoliaciją ir sukelti trumpojo jungimo ar gaisro galimybę.
Pavyzdžiui, kai darbo temperatūra pakyla kas 10 laipsnių, 10 000 valandų esant 105 laipsnių kondensatoriaus tarnavimo laikas gali sutrumpėti per pusę. Dėl šios priežasties šilumos valdymas yra būtinas kuriant patikimas LED sistemas.
Šilumos poveikis svarbiems LED tvarkyklės komponentams
a. Kondensatoriai, kuriuose naudojama elektrolizė
Kondensatoriai yra būtini energijos kaupimui ir įtampos svyravimų mažinimui. Tačiau aukštesnėje temperatūroje jose esantis elektrolitas greičiau išgaruoja, todėl prarandama talpa ir galiausiai suyra. Užburtame cikle aukšta temperatūra taip pat padidina lygiavertį serijinį pasipriešinimą (ESR), o tai sumažina efektyvumą ir gamina papildomą šilumą.
b. Puslaidininkiai, įskaitant diodus ir MOSFET
Didesni galios nuostoliai atsiranda dėl padidėjusios tranzistorių ir diodų, naudojamų perjungimo grandinėse, varžos, kai jie įkaista. Pavyzdžiui, MOSFET atsparumas įjungimui (RDS(on)) didėja didėjant temperatūrai, mažėja efektyvumas ir intensyvėja šilumos gamyba. Esant sunkioms aplinkybėms, tai gali sukelti terminį nutekėjimą, katastrofišką komponento perkaitimą.
c. Magnetinės dalys (transformatoriai, induktyvumo ritės)
Dėl šilumos pablogėja transformatorių ir induktorių varinių apvijų izoliacija, todėl padidėja trumpojo jungimo ir varžos nuostolių tikimybė. Esant aukštai temperatūrai, ferito šerdys taip pat praranda magnetinį efektyvumą.
d. Spausdintos plokštės (PCB)
Dėl ilgesnio šilumos įtempimo vario pėdsakai gali išsisluoksniuoti, sudužti litavimo jungtys ir deformuotis PCB. Lokalų komponentų gedimą pagreitina „karštieji taškai“, atsiradę dėl netinkamo šilumos paskirstymo.
LED tvarkyklės šilumos išsklaidymo būdai
Inžinieriai naudoja pasyvų ir aktyvų aušinimo metodus, kad sumažintų šią riziką:
a. Pasyvaus aušinimo procesas
Aušintuvai: Vario arba aliuminio radiatoriai sugeria ir išskiria šilumą konvekcijos ir laidumo būdu. Oro srautas, medžiaga ir paviršiaus plotas turi įtakos jų sėkmei.
Sujungdami nedidelius oro tarpus, šiluminės pagalvėlės ir sąsajos medžiagos pagerina šilumos perdavimą iš komponentų į radiatorius.
PCB dizainas: metalinės{0}}šerdies PCB (MCPCB), šiluminės angos arba stori vario sluoksniai padeda tolygiai paskirstyti šilumą.
b. Aktyvus aušinimas
Ventiliatoriai: nors priverstinis oro srautas sumažina temperatūrą, jis taip pat padidina sudėtingumą, padidina išlaidas ir padidina gedimo taškus.
Aušinimas skysčiu naudojamas didelės galios{0}}pramoninėse programose, bet nedažnas LED tvarkyklėse.
d. Medžiagų parinkimas
Aukštos{0}}temperatūros komponentai: 125 laipsnių kondensatorių eksploatavimo laikas yra ilgesnis nei 85 laipsnių.
Aliuminio korpusai naudojami kaip papildomi aušintuvai ir yra laidūs šilumai.
Idealaus šilumos valdymo projektavimo veiksniai
Norėdami kompensuoti šilumos kaupimąsi, vairuotojai turėtų važiuoti nuo 70 iki 80 procentų didžiausios vardinės apkrovos. Pavyzdžiui, 80 W LED masyvas, maitinamas 100 W tvarkyklės, tarnauja ilgiau ir veikia vėsiau.
c. Aplinkos temperatūra
Darbinės temperatūros diapazonus, pvz., nuo -30 laipsnių iki +60 laipsnių, nurodo gamintojai. Labai svarbu montuoti tvarkykles vietose, kuriose yra tinkama ventiliacija ir atokiau nuo išorinių šilumos šaltinių, tokių kaip įranga.
d. Aptvaro projektavimas
Vėdinimas: Oro srautas skatinamas per perforuotus arba išpjovus gaubtus.
IP reitingai: sandarumą ir šilumos išsklaidymą gali tekti pakeisti vandeniui atspariais korpusais (pvz., IP67).
c. Šilumos modeliavimas
Projektavimo etape tokios programinės įrangos programos kaip ANSYS arba SolidWorks Thermal imituoja šilumos sklaidą, nustato karštųjų taškų vietą ir maksimaliai padidina komponentų išdėstymą.
1 atvejo analizė: lauko gatvių apšvietimas
Nepakankamo šilumos išsklaidymo pasekmės realiame pasaulyje
LED gatvių šviestuvaiuždaruose korpusuose su per mažo dydžio vairuotojais įrengė savivaldybė. Trisdešimčiai procentų vairuotojų per dvejus metus sugedo dėl karščio sukelto{1}}kondensatoriaus gedimo. Sprendimas buvo naudoti tvarkykles, skirtas aukštesnei temperatūrai, ir įdiegti radiatorius.
Atvejo analizė Nr.2
Pramoninis aukšto{0}}įlankos apšvietimas
Šviesos diodų tvarkyklės, esančios šalia orkaičių, gamyboje perkaito, todėl mirga ir mažiau šviesos. Problema buvo išspręsta perkėlus tvarkykles ir įrengus ventiliaciją.
Poveikis ekonomikai
Darbo ir materialinės išlaidos yra susijusios su nesėkmingų vairuotojų pakeitimu. Proaktyvus šiluminis dizainas padidina IG ir sumažina priežiūros poreikį.
Būsimi šilumos valdymo pokyčiai
Pažangios medžiagos: Keraminiai substratai ir šiluminės sąsajos medžiagos grafeno pagrindu užtikrina didesnį laidumą.
Išmaniosios tvarkyklės: kad būtų išvengta perkaitimo, temperatūros jutikliai ir prisitaikantys valdikliai modifikuoja išvestį.
IoT integravimas: Nuspėjamosios priežiūros programos stebi vairuotojo temperatūrą ir praneša naudotojams apie galimus gedimus.
Šilumos išsklaidymas yra esminis LED apšvietimo sistemų patikimumo ir įperkamumo komponentas, o ne tik techninis elementas. Gamintojai ir montuotojai gali garantuoti, kad šviesos diodai ištesės savo pažadus dėl ilgaamžiškumo ir efektyvumo, suteikdami šilumos valdymui pirmenybę projektuojant vairuotojus. Medžiagų naujovės ir išmanusis šilumos valdymas, tobulėjant technologijoms, toliau taps šviesos diodais kaip ateities apšvietimo sprendimu.
