Chłodzenie żarówek LED

Wydawać by się mogło, że produkcja ciepła podczas emisji światła nie dotyczy żarówek LED. Prawdą jest jednak, że nawet tego rodzaju źródła wytwarzają energię cieplną w trakcie normalnego trybu pracy. Oczywiście jest jej znacznie mniej, aniżeli w przypadku dawniej stosowanych żarówek. Nie zmienia to jednak faktu, że zdolność LED-ów do pracy w wysokich temperaturach jest znacznie niższa, aniżeli halogenów, żarówek metahalogenkowych czy świetlówek.

W tradycyjnych źródłach światła ciepło w 80% rozprowadzane było poprzez promieniowanie cieplne. Powodowało to nagrzewanie pomieszczenia, ale nie doprowadzało do uszkodzenia żarówki. LED-y, 50% ciepła odprowadzają nie do pomieszczenia, lecz na swoje podzespoły, w tym na chip, który jest odpowiedzialny za pracę diody. Z racji na dużą wrażliwość LED-ów na ciepło, konieczne jest zastosowanie specjalnych narzędzi, umożliwiających konwekcję – chłodzenie elementów.

Żarówka LED powinna funkcjonować w warunkach, gdzie temperatura nie przekracza 60 stopni Celsjusza. W innym wypadku może dojść do znacznego skrócenia żywotności źródła – nawet do kilku godzin.

W jaki sposób chłodzić LED-y?

Sprawność odprowadzania ciepła pomiędzy diodą a chipem zależna jest od rezystancji (oporności) termicznej, występującej między tymi dwoma elementami. Rezystancję termiczną określa się poprzez zsumowanie rezystancji wszystkich elementów źródła swiatła. Najważniejsza jednak jest oporność pomiędzy chipem diody a jej obudową.

Rezystancja termiczna to wielkość fizyczna, przedstawiająca opór, jaki stawia dana materia przy przenoszeniu ciepła pomiędzy dwoma punktami. W przypadku diod emitujących strumień świetlny, chodzi o to, by ciepło wynikające z produkcji światła nie kumulowało się wokół chipu zarządzającego pracą elementu elektroluminescencyjnego, ale było oddawane na zewnątrz.

Jeżeli owa rezystancja jest duża, co nie pozwala na konwekcję, na nic zdają się radiatory, rozpraszające ciepło. Chip będzie się przegrzewać i w efekcie źródło światła nie będzie tak żywotne, jak powinno być. Jednym z ciekawszych rozwiązań jest np. montowanie chipu na podłożu metalowym, który charakteryzuje się bardzo wysoką przewodnością cieplną. Producenci wykorzystują także specjalne żele silikonowe, które rozpraszają ciepło w obudowie diody.

Każda dioda posiada dołączony niewielki radiator w kształcie okręgu, prostokątu lub heksagonu. Producenci mogą również zamawiać diody wyposażone w wybrane przez siebie kształty radiatorów, zależnie od potrzeb. Funkcję radiatoru może pełnić miedziana, bądź aluminiowa konstrukcja. Może to być także metalowa część oprawy źródła, na której zainstalowano diody LED [więcej o diodach elektroluminescencyjnych].

Przestrzeń między radiatorami dobrze jest posmarować specjalnym smarem, bądź oddzielić silikonowymi podkładkami, skutecznie zwiększającymi przewodność cieplną.

Obecnie większość diod projektowana jest w taki sposób, że produkowane przez nie ciepło oddawane jest do podłoża, na którym są zamontowane. Dlatego należy zadbać, aby ta metalowa część oprawy cechowała się dużą przewodnością. Stosuje się trzy rodzaje podłoża – metalowo-dielektryczne, metalowo-ceramiczne oraz epoksydowo-szklane. Dielektryk to nic innego jak izolator elektryczny, materiał słabo przewodzący prąd, zaś epoksyd to rodzaj związku chemicznego.

O czym nie zapominać?

Oprócz zadbania o odpowiednie chłodzenie, np. poprzez dobranie odpowiednich radiatorów i zapewnienie wentylacji, należy zastanowić się nad najbliższym otoczeniem LED-owych źródeł światła. Umiejscowienie LED-ów ich w niedalekiej odległości od tradycyjnej żarówki, która znacznie podnosi temperaturę otoczenia, może zmniejszyć ich żywotność.

Podstawową zasadą użytkowania oświetlenia bazującego na technologii LED, jest zadbanie o jak najniższą temperaturę otoczenia tego konkretnego źródła.

Ciekawostką może być wynalazek firmy GE Lighting, która nie poprzestała na umieszczeniu wewnątrz żarówki radiatora. Zamontowali oni w źródle membranę, taką, jaką znamy z głośników. Jej drgania przyczyniają się do cyrkulacji powietrza i usuwania nagromadzonego ciepła z wnętrza żarówki. Tego rodzaju rozwiązanie powinno pozwolić na funkcjonowanie żarówki przez 23 lata, przy codziennym trzygodzinnym eksploatowaniu źródła.