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LED的散熱管理

 

LED依然會產生熱,卻不會燙傷人手。然而就一個成功的LED系統來說,散熱管理卻是最重要也最有爭議的一個項目。以下我們分三部分來介紹說明:
 
 
1、光源的轉換
所有的光源都是將電源轉換成不同比例的輻射能與熱能。以燈泡來說,它會發出紅外線與一小部分的可見光;T5日光燈則發出比較高比例的可見光;鹵素燈則除了可見光與紅外線之外,還會發出一部分紫外線;LED除了發出可見光,幾乎不產生任何紅外線與紫外線。下表列出各光源的能源轉換比例,可供參考:
 

 
燈泡(60W
日光燈管
鹵素燈
LED*
可見光
8%
21%
27%
15~25%
紅外線
73%
37%
17%
~0%
紫外線
0
0
19%
0
輻射能源總和
81%
58%
63%
15~25%
熱能(傳導+對流)
19%
42%
37%
75~85%
總和
100%
100%
100%
100%

*LED的能源轉換效率每年仍逐步提升中
 
 
 
2散熱管理的重要
熱會直接影響LED短期與長期的效能。短期來說,可能會影響光色變化與光能輸出;長期來說,會加速光衰與其有效壽命。不同光色的LED對於工作溫度的敏感性也各有不同。因此,以RGB方式設計的LED會比以添加螢光劑設計的LED對溫度更敏感。而製造商的LED規格亮度,都是在室溫251520微秒(μs)測出,但是在長時間點亮LED時,往往LED晶片的溫度超過60,所以LED會因此減少10%的光能量輸出,如果再搭配設計不良的散熱設計,更會明顯提高光衰的比例。
下圖是各色LED對溫度的敏感性做一個比較:
 
 
                            
 
 
我們知道長時間工作之下,LED的亮度會隨著逐漸攀高的工作溫度而下降,長期會縮短期有效壽命。從下圖中,我們分別以Tj63Tj74的長期實驗發現溫度對LED的有效壽命的影響,11的工作溫度,大約會縮短57的有效壽命。
 
 
                              
 
雖說如此,LED的製造商仍在努力提升LED的耐用度與耐溫度之中。有些廠商宣稱其商品已可在工作溫度120以下時,有效壽命可長達5年,由於實驗時間頗長,您可自行實驗驗證。
 
 
 
 
3LED接合點溫度(Tj)的決定
因素有三:驅動電流;熱通道;環境溫度。一般來說,驅動電流愈高,產生的熱愈多,要維持光色的穩定,較長的有效壽命與較多的光能輸出,就必須將產生的熱盡量消弭。現今高亮度LED多半的設計方式是將LED晶片與一種金屬導熱電路板(MCPCB)結合應用,再加上散熱機構的設計,散熱機構的尺寸牽涉到LED照明產生多少熱而定,散熱機構往往又與外觀設計相結合,因此熱管理往往是工程師在設計上最嚴苛的挑戰。成功的設計,必須在有限的尺寸內做到最大的排除廢熱,最低的工作溫度,使LED照明能在最小化、最美化的外觀要求之下,仍能達到最省電、最穩定與最長效的要求。