Su kokiais techniniais iššūkiais susiduria LED šviestuvai?

Dėl energijos taupymo, ilgaamžiškumo ir pritaikomumo šviesos{0}}diodai arba šviesos diodai visiškai pakeitė apšvietimą. Tačiau yra kliūčių, trukdančių juos plačiai priimti. Šviesos diodai turi daug technologinių problemų, kurios turi įtakos jų naudojimui, veikimui ir patikimumui, nepaisant jų pranašumų. Šiame straipsnyje nagrinėjami šie iššūkiai, nagrinėjamos jų priežastys, pasekmės ir kūrybingi sprendimai, kuriais tobulinama LED technologija.

Iššūkis: priešingai nei įprastos lemputės, šviesos diodai nemažą kiekį energijos paverčia šviesa, o ne šiluma. Jie gamina šilumą, tačiau ji sutelkta į mažą puslaidininkių jungtį. Perkaitimas pažeidžia šviesos diodo luminoforinę dangą, keičia spalvų išvestį ir pagreitina komponentų gedimą. Veikiant aukštesnėje nei 85 laipsnių temperatūroje, eksploatavimo laikas gali sutrumpėti 50 %.

Atsakymai:

Aušintuvai: Vario arba aliuminio radiatoriai naudoja laidumą šilumai išleisti. Pažangiose konstrukcijose naudojamos briaunos konstrukcijos, siekiant optimizuoti paviršiaus plotą.

Šilumos perdavimas iš LED lusto į aušintuvą pagerinamas naudojant šilumai laidžius klijus arba pagalvėles, dar žinomas kaip terminės sąsajos medžiagas (TIM).

Aktyvus aušinimas: didelės{0} galios programos, pvz., automobilių apšvietimas, naudoja aušinimo skysčiu sistemas arba miniatiūrinius ventiliatorius.

Medžiagų naujovės: MIT mokslininkai kuria deimantinius GaN LED pagrindus, kurių šilumos laidumas yra 50% didesnis nei vario.

Problema: efektyvumo kritimas yra reiškinių, kai šviesos diodų efektyvumas, išreikštas liumenais vienam vatui, didžiausias yra esant mažoms srovėms ir mažėja didėjant galiai. Didelės-galios programose, pvz., stadiono apšvietime, tai riboja ryškumą. Droop atsiranda dėl Augerio rekombinacijos, kai elektronai praranda energiją dėl susidūrimų ir elektronų nutekėjimo kvantinio šulinio struktūroje.

Atsakymai:

Kvantinių šulinių inžinerija: Elektronų nutekėjimą galima sumažinti keičiant kvantinių šulinių sudėtį ir storį. Daugia{1}}kvantinių šulinių konstrukcijas naudoja tokios įmonės kaip Cree.

GaN-on-GaN substratai: siekiant sumažinti gardelės trūkumus ir nukritimą, GaN sluoksniai auginami ant vietinių GaN substratų, o ne ant safyro.

Nepolinis GaN: Nepoliarinių kristalų orientacijų tyrimai rodo, kad geresnis elektrinių laukų išlygiavimas sumažina nukritimą 30%.

Problema: gamybos klaidos, fosforo pablogėjimas arba šilumos įtempis gali sukelti šviesos diodų spalvos pokyčius. Koreliuota spalvų temperatūra (CCT) ir nenuoseklus spalvų perteikimo indeksas (CRI) yra problemos tokiose vietose kaip ligoninės ir muziejai.

Atsakymai:

Fosforo optimizavimas: padidinus raudonojo spektro tikslumą, siauros juostos{0}}raudonieji fosforai (tokie KSF:Mn⁴⁺) padidina CRI.

Grįžtamojo ryšio sistemos: norint pakeisti išvestį realiuoju laiku, protingašviesos diodainaudoti jutiklius. „Philips Hue“ naudoja mikrovaldiklius, kad išsaugotų spalvų tikslumą.

Kvantinių taškų šviesos diodai (QLED): dėl savo gebėjimo tiksliai reguliuoti bangos ilgį, kvantiniai taškai gali pasiekti aukštesnę nei 95 CRI.

Iššūkis: norint konvertuoti kintamąją srovę į DC ir valdyti įtampą, šviesos diodams reikia nuolatinės{0}}srovės tvarkyklių. Prastos konstrukcijos vairuotojai gali mirgėti, kelti triukšmą arba per anksti sugesti. Vairuotojai gali patirti žalą dėl elektros tinklo įtampos šuolių, pvz., dėl šuolių.

Atsakymai:

Galios koeficiento korekcijos (PFC) lustai padidina efektyvumą ir stabilizuoja srovę aktyviose PFC grandinėse.

Metalo -oksido varistoriai (MOV) užtikrina apsaugą nuo viršįtampių, sugerdami įtampos šuolius pramoniniuose ir lauko įrenginiuose.

Mirgėjimo mažinimas: tvarkyklės, turinčios virpėjimo panaikinimo grandines, sumažina mirgėjimą iki mažiau nei 1%, o tai būtina subtiliems nustatymams ir vaizdo įrašymui.

Problema: laikui bėgant LED komponentai blogėja. Litavimo jungtys nutrūksta dėl temperatūros ciklų, o fosforo dangos tampa geltonos, kai yra veikiamosUV šviesa. Sunku numatyti ilgaamžiškumą, kuris dažnai vertinamas L70/B50 – 70 % liumenų išlaikymo 50 % vienetų.

Atsakymai:

Pagreitintas testavimas: gyvenimo trukmė ekstrapoliuojama iš didelio{0}}streso testavimo naudojant TM-21 ir TM-28 standartus.

Tvirtas inkapsuliavimas: lyginant su įprastine epoksidine derva, silikono{0}}kapsuliavimo medžiagos yra atsparesnės pageltimui.

Degradacijos modeliavimas: Rensselaer politechnikos institutas ir kiti universitetai naudoja AI{0}}pagrįstus modelius, kad prognozuotų gedimų režimus pagal faktinius duomenis.

Problema: drėgmė, temperatūros svyravimai ir cheminis poveikis gali pakenkti šviesos diodams. Nors šiluminio plėtimosi disbalansas sukelia delaminaciją, drėgmės įsiskverbimas ėsdina jungtis.

Atsakymai:

IP reitingai: lauko šviesos diodaigatvių šviestuvaiyra apsaugoti vandeniui atspariais korpusais (pvz., IP67).

Konformalios dangos: PCB nuo korozinių sąlygų apsaugo uretano arba akrilo danga.

Hermetiška pakuotė: kad atlaikytų atšiaurią aplinką, karinės kokybės{0}}LED yra supakuoti į keramiką.

Problema: mėlyni didelio intensyvumo (450–490 nm) šviesos diodai gali pažeisti tinklainę ir trukdyti cirkadiniams ciklams. Amerikos medicinos asociacija atgraso nuo pernelyg didelio mėlynos-baltos šviesos naktį.

Atsakymai:

Cirkadinis{0}}Diegimas: naktimis derinami šviesos diodai pritaiko CCT prie šiltesnių tonų (2700K).

Fosforo mišiniai: Raudonieji fosforai gali būti naudojami siekiant sumažinti mėlynos spalvos emisiją nepakenkiant veikimui.

Filtrai ir difuzoriai: Namuose ir ligoninėse lęšių dangos riboja mėlynos bangos ilgį.

Iššūkis: nors šviesos diodų kaina sumažėjo, aukštos{0}}kokybės šviestuvai vis dar brangūs dėl reto-žemės fosforo ir brangių substratų, pvz., safyro. GaN gamybos išeiga yra apie 80%.

Atsakymai:

Plokščių-Mastelio metodai: naudojant didesnes safyro plokšteles (8 colių ir . 4-colių), išlaidos sumažinamos 20 %.

Fosforo perdirbimas: iš apleistų šviesos diodų, tokių įmonių kaip Fluorescent Recycling ekstraktas ceris ir europis.

Alternatyvios medžiagos: naudojant sprendimus{0}}pagrįstą gamybą, perovskito šviesos diodai suteikia mažesnes kainas.

Iššūkis: su išmaniaisiais šviesos diodais (pvz., „Zigbee“ ir „Wi-Fi“) kyla konkrečios platformos{0}}sąveikos problemų. Kiti belaidžių sistemų iššūkiai yra delsa ir energijos suvartojimas.

Atsakymai:

Suvienodinti standartai: kryžminį{0}}prekių ženklų suderinamumą užtikrina Matter protokolas.

Energijos surinkimas: jutikliai, veikiantys savo galia, sumažina baterijų poreikį.

„Edge Computing“: koncentratoriai, tokie kaip „Samsung SmartThings“, sumažina delsą per vietinį apdorojimą.

Problema: šviesos diodus sunku išmesti, nes juose yra retųjų žemių elementų ir sunkiųjų metalų, tokių kaip švinas. Dėl netinkamos infrastruktūros perdirbama mažiau nei 10 % šviesos diodų.

Atsakymai:

Modulinis dizainas: „Fairphone“ taisomi šviesos diodai palengvina komponentų keitimą.

Bio{0}}Pagrindo medžiagos: UC San Diego mokslininkai naudoja dumblius, kad sukurtų biologiškai skaidomus fosforus.

E-Atliekų programos: pasauliniam reglamentavimui įtakos turi ES direktyvos, pagal kurias reikalaujama, kad gamintojas{1}}finansuotų perdirbimą.

Nors technologiniai sunkumai, su kuriais susiduria šviesos diodai, yra tokie pat įvairūs, kaip ir jų panaudojimas, kiekvienas iš jų skatina kūrybiškumą. Naujos-kartos apšvietimas tapo įmanomas dėl medžiagų mokslo, elektronikos ir tvarumo pažangos, įskaitant savaime-gyjančius perovskitus ir deimantinius aušintuvus. Šviesos diodai ir toliau keis apšvietimą, nes pramonė sprendžia šilumos, efektyvumo ir aplinkosaugos problemas, parodydama, kad net pažangiausios technologijos turi tobulėti, kad jos veiktų maksimaliai.