نظرًا لعمرها الطويل، والاقتصاد في الطاقة، والتنوع، فقد غيرت إضاءة LED أعمال الإضاءة بالكامل. ومع ذلك، فإن أحد الأجزاء التي يتم تجاهلها أحيانًا-مصدر طاقة LED (أو برنامج التشغيل)-له تأثير كبير على طول عمر أنظمة LED وأدائها. على الرغم من أنها تنتج حرارة أقل من المصابيح المتوهجة التقليدية، إلا أن مصادر الطاقة LED حساسة للغاية للتغيرات في درجات الحرارة لأنها تتحكم في الكهرباء وتحولها. لكي تستمر هذه المحركات في العمل بفعالية وبشكل موثوق مع مرور الوقت، يعد تبديد الحرارة أمرًا ضروريًا. تتناول هذه المقالة تأثيرات عدم كفاية تبديد الحرارة، وأفضل الممارسات لتحسين التصميم الحراري، وكيف تؤثر الإدارة الحرارية على عمر وأداء مصدر طاقة LED.
أهمية تبديد الحرارة في إمدادات الطاقة LED
برامج تشغيل LED هي أجهزة كهربائية تقوم بضبط الجهد أو التيار لتلبية احتياجات حمل LED وتحويل التيار المتردد (AC) إلى تيار مباشر (DC). بسبب عدم كفاءة أجزاء مثل المحولات والمكثفات وأشباه الموصلات، يتم إهدار الطاقة خلال هذه العملية على شكل حرارة. يتم فقدان عشرة بالمائة من الطاقة المدخلة على شكل حرارة، حتى بالنسبة للسائقين الذين تبلغ كفاءتهم 90%. وتتراكم هذه الحرارة في الأجهزة الصغيرة أو المغلقة، مما يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة الداخلية للسائق.
يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تسريع تلف المكونات، مما قد يؤدي إلى:
عمر أقصر: عند درجات الحرارة المرتفعة، تتدهور الأجزاء الإلكترونية مثل المكثفات الإلكتروليتية بسرعة أكبر.
مشكلات الأداء: قد تنجم تقلبات الجهد أو الوميض أو إيقاف التشغيل المبكر عن ارتفاع درجة الحرارة.
المخاطر على السلامة: يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة لفترة طويلة إلى الإضرار بالعزل، مما يؤدي إلى احتمال حدوث دوائر قصيرة أو حرائق.
على سبيل المثال، مع كل ارتفاع بمقدار 10 درجات في درجة حرارة التشغيل، قد ينخفض عمر المكثف المقدر بـ 10000 ساعة عند 105 درجة إلى النصف. ولهذا السبب، تعد إدارة الحرارة أمرًا ضروريًا لتصميم أنظمة LED يمكن الاعتماد عليها.
تأثير الحرارة على مكونات تشغيل LED المهمة
أ. المكثفات التي تستخدم التحليل الكهربائي
المكثفات ضرورية لتخزين الطاقة ولتخفيف تغيرات الجهد. ومع ذلك، عند درجات الحرارة المرتفعة، يتبخر الإلكتروليت الموجود بداخلها بسرعة أكبر، مما يؤدي إلى فقدان السعة والانهيار في نهاية المطاف. في الحلقة المفرغة، تؤدي درجات الحرارة المرتفعة أيضًا إلى رفع المقاومة المتسلسلة المكافئة (ESR)، مما يقلل من الكفاءة وينتج حرارة إضافية.
ب. أشباه الموصلات، بما في ذلك الثنائيات ودوائر MOSFET
ينتج فقدان الطاقة الأعلى عن زيادة مقاومة الترانزستورات والثنائيات المستخدمة في تبديل الدوائر أثناء تسخينها. على سبيل المثال، تزيد مقاومة التشغيل (RDS(on)) لـ MOSFET مع درجة الحرارة، مما يقلل الكفاءة ويكثف إنتاج الحرارة. في الظروف القاسية، قد يؤدي ذلك إلى الانفلات الحراري، وهو ارتفاع شديد في درجة حرارة المكون.
ج. الأجزاء المغناطيسية (المحولات، المحاثات)
تتسبب الحرارة في تدهور عزل الملفات النحاسية في المحولات والمحاثات، مما يزيد من احتمالية حدوث دوائر قصيرة وفقدان المقاومة. عند درجات الحرارة المرتفعة، تفقد نوى الفريت أيضًا كفاءتها المغناطيسية.
د. لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs)
يمكن أن يؤدي الإجهاد الحراري الممتد إلى انفصال آثار النحاس، وتحطم وصلات اللحام، وتشوه مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يتم تسريع فشل المكونات المحلية عن طريق "النقاط الساخنة" الناتجة عن التوزيع غير المناسب للحرارة.
تقنيات لتبديد الحرارة سائق LED
يستخدم المهندسون تقنيات التبريد السلبية والإيجابية لتقليل هذه المخاطر:
أ. عملية التبريد السلبي
المبددات الحرارية: المبددات الحرارية المصنوعة من النحاس أو الألومنيوم تمتص الحرارة وتطلقها عن طريق الحمل الحراري والتوصيل. يؤثر تدفق الهواء والمواد ومساحة السطح على مدى نجاحها.
ومن خلال سد فجوات الهواء الصغيرة، تعمل الوسائد الحرارية ومواد الواجهة على تعزيز نقل الحرارة من المكونات إلى المبددات الحرارية.
تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور: تساعد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (MCPCBs)- المعدنية الأساسية أو الفتحات الحرارية أو الطبقات النحاسية السميكة على توزيع الحرارة بالتساوي.
ب. التبريد النشط
المراوح: على الرغم من أن تدفق الهواء القسري يخفض درجة الحرارة، إلا أنه يزيد أيضًا من التعقيد والتكلفة ونقاط الفشل.
يتم استخدام التبريد السائل في التطبيقات الصناعية عالية الطاقة-ولكنه غير شائع في برامج تشغيل LED.
د. اختيار المواد
-مكونات درجة الحرارة المرتفعة: المكثفات المقدرة بـ 125 درجة لها عمر أطول من تلك التي تم تصنيفها بـ 85 درجة.
تعمل العبوات المصنوعة من الألومنيوم كمبددات حرارة إضافية وهي موصلة للحرارة.
عوامل التصميم للتحكم الحراري المثالي
للتعويض عن تراكم الحرارة، يجب على السائقين الجري بنسبة تتراوح بين 70 و80 بالمائة من الحد الأقصى للحمل المقدر لهم. على سبيل المثال، تدوم مجموعة LED بقدرة 80 وات مدعومة بمحرك بقدرة 100 وات لفترة أطول وتعمل بشكل أكثر برودة.
ج. درجة الحرارة المحيطة
يتم تحديد نطاقات درجة حرارة التشغيل، مثل -30 درجة إلى +60 درجة، من قبل الشركات المصنعة. من الضروري تثبيت السائقين في أماكن ذات تهوية كافية وبعيداً عن مصادر الحرارة الخارجية، مثل المعدات.
د. تصميم الضميمة
التهوية: يتم تشجيع تدفق الهواء عبر العبوات المثقبة أو المشقوقة.
تصنيفات IP: قد يلزم استبدال الختم وتبديد الحرارة بالحاويات المقاومة للماء (مثل IP67).
ج. محاكاة الحرارة
أثناء مرحلة التصميم، تقوم برامج مثل ANSYS أو SolidWorks Thermal بمحاكاة تشتت الحرارة وتحديد نقاط الاتصال وزيادة وضع المكونات إلى الحد الأقصى.
دراسة الحالة رقم 1: إنارة الشوارع الخارجية
الآثار المترتبة على عدم كفاية تبديد الحرارة في العالم الحقيقي
مصابيح الشوارع LEDفي حاويات مغلقة مع برامج تشغيل صغيرة الحجم تم تركيبها من قبل البلدية. فشل ثلاثون بالمائة من السائقين في غضون عامين نتيجة للحرارة-التي تسبب تدهور المكثف. كان استخدام برامج التشغيل المُصنفة لدرجات حرارة أعلى وتركيب المبددات الحرارية هو الحل.
دراسة الحالة رقم 2
إضاءة الخليج -الصناعية العالية
يتم وضع محركات LED بجانب الأفران في منطقة التصنيع المحمومة، مما ينتج عنه وميضًا وإضاءة أقل. تم حل المشكلة عن طريق نقل السائقين وتركيب التهوية.
التأثير على الاقتصاد
ترتبط نفقات العمالة والمواد باستبدال السائقين الفاشلين. يعمل التصميم الحراري الاستباقي على زيادة عائد الاستثمار وتقليل الصيانة.
التطورات القادمة في الإدارة الحرارية
المواد المتقدمة: توفر الركائز الخزفية ومواد الواجهة الحرارية المعتمدة على الجرافين زيادة في التوصيل.
برامج التشغيل الذكية: لتجنب ارتفاع درجة الحرارة، تقوم أجهزة استشعار درجة الحرارة ووحدات التحكم التكيفية بتعديل الإخراج.
تكامل إنترنت الأشياء: تراقب برامج الصيانة التنبؤية درجة حرارة السائق وتخطر المستخدمين بالأعطال المحتملة.
يعد تبديد الحرارة عنصرًا حاسمًا في موثوقية أنظمة الإضاءة LED والقدرة على تحمل تكاليفها، وليس مجرد عنصر تقني. يمكن للمصنعين والقائمين بالتركيب ضمان أن مصابيح LED تفي بوعودها فيما يتعلق بالمتانة والكفاءة من خلال إعطاء الأولوية الأولى لإدارة الحرارة في تصميم السائق. ستعمل الابتكارات في المواد والإدارة الحرارية الذكية على ترسيخ مصابيح LED كحل للإضاءة في المستقبل مع تطور التكنولوجيا.
