LED-ek jellemzőinek hőmérséklet függése

A LED-ek félvezetők, ezért egyik legnagyobb hátrányuk az, hogy számos jellemzőjük mellett élettartamuk a chip lokálisan legmagasabb működési vagy más néven záróréteg (p-n átmenet) hőmérsékletének (TJ - Junction Temperature) függvényében változhat. A katalógusokban ez az érték szerepel, amely a környezet hőmérséklete (TA), a disszipált teljesítmény (PD), és a záróréteg környezet között lévő hő ellenállás (RƟJA

°C/W.) ismeretében az alábbi módon számítható [10.]:

(5.3)

A gyártók által definiált névleges értékek gyakran csak laborkörülmények mellett (T^j=25°C, ms alatti mérések) érvényesek, ami gyakorlati alkalmazás esetén szinte soha nem áll fenn. A hőmérséklet befolyása a dióda áram-feszültség összefüggéséből is látható:

(5.4)

A hőmérséklet növelésével a LED-ek a fényárama visszaesik, függetlenül a sugárzás eloszlásától (5.44. ábra - A baloldal diagramon egy fehér LED, a jobb oldalin három színes LED fényintenzitás változása látható, a hőmérséklet növelés függvényében [32.]). Fénysűrűségük így szintén változhat.

5.44. ábra - A baloldal diagramon egy fehér LED, a jobb oldalin három színes LED

fényintenzitás változása látható, a hőmérséklet növelés függvényében [32.]

A hőmérséklet változásának függvényében sugárzás-eloszlásuktól függő mértékben a spektrumuk és így a színességi koordinátáik is eltolódhatnak (5.45. ábra - Egy vörös LED spektrumának és színességi koordinátáinak eltolódása a hőmérséklet függvényében (ΔT=47°C, Δ(u,v)=0,007) [32.]), színhőmérsékletük pedig növekedhet.

Bemelegedési idejük alatt azt az időtartamot értjük, ami alatt az elektronikai és optikai jellemzők állandósulnak.

Ez hűtéstől függően változhat, sokszor 10 másodperc feletti, ezzel szemben a gyártók mérései igen gyakran csak felvillanásos üzemben történnek és ms-os nagyságrendbe esnek. Ez komolyan megnehezítheti a tervezést, vagy ennek figyelmen kívül hagyása jelentős hibákhoz is vezethet!

5.45. ábra - Egy vörös LED spektrumának és színességi koordinátáinak eltolódása a hőmérséklet függvényében (ΔT=47°C, Δ(u,v)=0,007) [32.]

3.10.1. Teljesítmény LED-es fényforrások hűtése

A kiváló minőségű teljesítmény LED-ek alkalmazásának hátrányként említendő a magas áruk, azonban a beruházási költségek – megfelelő tervezés esetén – a kis fogyasztás és a hosszabb élettartam miatt megtérülhetnek. A kiegyensúlyozott működéséhez és hosszú élettartamához azonban stabil tápforrás, vagy védelmi célt szolgáló áramkör, valamint teljesítmény LED-ek esetén megfelelően tervezett hűtés is szükséges.

A hűtési megoldásokat alapvetően két kategóriába lehet sorolni: a hűtés lehet aktív és passzív.

Passzív hűtésnél nincs olyan hűtő alkatrész, amely teljesítményt vesz fel. Ekkor a keletkező hőmennyiséget valamilyen jó hővezető-képességű anyagból – általában réz vagy alumínium – készült bordaprofilnak kell megoldania. Az átlátszó anyagok nem jő hővezetők, ez alól kivételt képeznek a speciális hővezető polimerek, melyek alkalmazása az igen magas ár miatt nem gazdaságos. Az adott hűtési feladathoz ideális hűtőborda megtervezése nem egyszerű folyamat és igen hosszadalmas, hiszen számos geometriai és hőtani paraméter pontos ismerete szükséges a pontos számításokhoz, melyek gyakran még a gyártói adatlapokban sem szerepelnek. Ezért sokszor – esetenként helytelenül – a precíz tervezés helyett a tapasztalatok alapján választanak bordákat. A bordák elhelyezésekor figyelembe kell venni – ha fennáll – a természetes légáramlatot, amely a bordák közül segít a távozó hőmennyiség elszállításában. A geometriát és az alakprofilt úgy kell megtervezni, hogy a lehető legnagyobb felületen érintkezzen a hőátvevő közeggel, vagyis a levegővel, de a bordák között megfelelően nagy távolságnak is lennie kell, hogy a hő a kéményhatás elvén felfele is távozhasson a bordák közül (5.47. ábra - Alumínium hűtőborda profilok LED-ekhez). A hűtés hatásfokát tovább lehet javítani a hőátadó felületekre felvitt hővezetőpaszta alkalmazásával. Az alumínium bordákat gyakran eloxálják, aminek segítségével alacsonyabb hőmérséklet mellett a hőátadáson kívül hősugárzás is segíthet a hőelvezetésben, természetesen csak egy adott hőmérséklet felett.

5.47. ábra - Alumínium hűtőborda profilok LED-ekhez

Mielőtt döntenénk a hűtés mikéntjéről, számos jellemzőt figyelembe kell venni és meg kell vizsgálni. Ilyen a lámpatest zártsága, van-e természetes légáramlás, vagy egyáltalán képes-e a keletkező hőmennyiség valahol távozni? A gyakorlatban sokszor volt példa ennek figyelmen kívül hagyására, például bevásárlóközpontok és egyéb épületek LED-es név és hirdetőtábláiban. Az ezekben helyet foglaló LED sorokat gyakorlatilag egy jól szigetelő burába zárták, és így azok a névleges élettartam töredéke alatt „megfőttek” és tönkrementek, amivel természetesen jelentős anyagi károkat okoztak a felhasználóknak, és károsan befolyásolták a világítódiódák megítélését. De az autóiparban is komoly gondot okozott és okoz napjainkban is a viszonylag zárt és olykor más okokból is forró karosszériában elhelyezett lámpatestekben keletkező hő elvezetése.

Újabban egyre gyakrabban alkalmaznak hővezető csöveket (heat pipe) a keletkező hő transzportálásához hidegebb vagy jobban szellőző területekre, ha nincs elegendő hely a keletkezett hő lokális disszipálására, de sok esetben a bordák fizikailag nem férnek el a lámpatestben. A hővezető csövek napjaink processzor hűtőkben is rendre megtalálhatók (5.48. ábra - Processzorhűtőben lévő hővezető csövek).

5.48. ábra - Processzorhűtőben lévő hővezető csövek

A hővezető csövek legtöbbször rézből (ritkábban alumíniumból) készülnek, így kiváló hővezetők. Azonban teljesítményük fokozása érdekében a légmentesen zárt vákuumcső belsejében hővezető közeg áramlik, ami legtöbbször víz, illetve vízgőz. Ezzel a tömör rézhez képest több százszor jobb hővezetés érhető el.

Működési elvük egyszerű. Azt a törvényszerűséget használja ki, hogy a meleg gáz mindig a hidegebb környezet felé áramlik. A csőben lévő vízközeg a felmelegített részen a hőenergiát felvéve elpárolog (gőz fázisba kerül), és a fizika törvényeinek megfelelően gyorsan feláramlik a leghidegebb csúcsba, ahol a hűtőbordák találhatók. A rézcsöveken keresztül a hő átadódik a bordákba, aminek hatására a gáz lehűl, majd kondenzálódik. A porózus belső falon lecsapódott víz a gravitációt vagy a cső speciális belső kialakítását felhasználva visszaáramlik a melegebb részekre. Ezzel folyamatos, gyors hőáramlási ciklus alakul ki (5.49. ábra - A hővezető cső működési elve).

A rézcsövek hőfelvevő és hőátadó felületeinél hővezető paszta alkalmazásával a hatásfok tovább javítható. A cső belső falába vékony barázdákat vagy csövecskéket alakítanak ki, ezért a kapillárishatás segítségével a folyadék a cső helyzetétől függetlenül, akár a gravitációval ellentétesen is képes haladni. A belső nyomást úgy alakítják ki, hogy a párolgás hatásfoka 30-80 °C között is jó legyen, de mégse forrjon fel a folyadék, mert olyankor a légbuborékok elállnák a visszafelé áramló folyadék útját.

6. fejezet - Személygépjármű