ما المعلمات الأساسية في التصميم الحراري لمصابيح LED عالية القدرة؟
من منظور هندسي، يُعد التحكم الحراري الفعّال في مصابيح LED عالية القدرة أمرًا غير قابل للتفاوض لضمان طول العمر، وثبات شدة الإضاءة، واستقرار اللون. تشكل المعلمات الأساسية سلسلة من المقاومات الحرارية من وصلة الـLED إلى البيئة المحيطة، وأي فشل في تحسين أي حلقة من هذه السلسلة قد يؤدي إلى تدهور كارثي في الأداء.
سلسلة المقاومة الحرارية: من الوصلة إلى الوسط المحيط
جوهر التصميم الحراري هو إدارة مسار تدفق الحرارة، والذي يتم قياسه بالمقاومة الحرارية (Rθ). المقاومة الحرارية الكلية للنظام، Rθ-JA (من الوصلة إلى الوسط المحيط)، هي مجموع جميع المقاومات المتسلسلة. وتشمل المعلمات الرئيسية ما يلي:
Rθ-JC (من الوصلة إلى الهيكل): هي خاصية داخلية لحزمة LED تُقدَّم من قبل الشركة المصنعة. تشير القيمة المنخفضة إلى حزمة أكثر كفاءة في نقل الحرارة من الوصلة شبه الموصلة إلى الهيكل المادي أو الوسادة الحرارية.
Rθ-CS (من الهيكل إلى المشتت الحراري): تهيمن عليها مادة الواجهة الحرارية (TIM). وتشمل المعلمات الأساسية لـTIM التوصيل الحراري (W/m·K)، السمك، ووجود الفراغات. التطبيق الصحيح لتحقيق طبقة ربط رقيقة ومتجانسة أمر بالغ الأهمية. غالبًا ما تكون هناك حاجة لاستخدام مواد عالية الأداء، مثل تلك المستخدمة في أنظمة السيارات الإلكترونية.
Rθ-SA (من المشتت إلى الوسط المحيط): هي مقاومة المشتت الحراري وتفاعله مع البيئة. وهي أكثر المعلمات تطلبًا في التصميم.
المعلمات الحرجة للمشتت الحراري والنظام
تعتمد كفاءة المشتت الحراري على مادته، هندسته، وطريقة التبريد المستخدمة. تشمل المعلمات الأساسية:
التوصيل الحراري للمادة: تُعد سبائك الألومنيوم (مثل الألومنيوم 6061) معيارًا شائعًا بفضل موصليتها الجيدة وسهولة تشغيلها وتكلفتها المقبولة. في التطبيقات القصوى، توفر المواد النحاسية أو المركبة المتقدمة أداءً أعلى. غالبًا ما يتم الموازنة بين هذه الخيارات عبر عمليات المعالجة الحرارية لتحسين الخصائص.
المساحة السطحية وهندسة الزعانف: تؤثر المساحة الكلية، وكثافة الزعانف، وارتفاعها، وسماكتها مباشرة على انتقال الحرارة بالحمل الحراري. يتم تحسين التصاميم بناءً على ما إذا كان التبريد طبيعيًا أو قسريًا، مما يؤثر على تباعد الزعانف.
طريقة التبريد:
التبريد الطبيعي: يعتمد على تدفق الهواء الناتج عن الطفو الحراري. وتشمل المعلمات الأساسية اتجاه المصباح والمساحة المتاحة حوله لتدفق الهواء بحرية.
التبريد القسري: يستخدم مروحة. وتشمل المعلمات الرئيسية معدل تدفق الهواء (CFM أو m³/s)، والضغط الساكن للمروحة، والمقاومة الهوائية للنظام.
الظروف التشغيلية والبيئية
يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار ظروف التشغيل الواقعية:
درجة الحرارة القصوى للوصلة (TJ-Max): هي أقصى درجة حرارة يمكن أن يتحملها شبه الموصل في LED، وغالبًا ما تكون 150°C. القاعدة الشائعة في التصميم هي الحفاظ على درجة الحرارة المستقرة أقل من 110–120°C لضمان عمر طويل.
درجة حرارة الوسط المحيط (TA): هي أسوأ حالة لدرجة حرارة الهواء المحيط حيث يعمل المصباح (مثل 40°C، 50°C أو أكثر في البيئات الصناعية).
القدرة المدخلة والحمل الحراري: الحرارة المطلوب تبديدها ليست القدرة الكهربائية الكلية، بل الجزء غير المحول إلى ضوء. بالنسبة لمصابيح LED الحديثة، تكون عادةً 70–85% من إجمالي الواطية.
اعتبارات المواد والتصنيع
يعتمد نجاح التصميم الحراري على التصنيع. تتيح تقنية التشغيل باستخدام CNC إنشاء مشتتات حرارية معقدة وعالية الدقة من كتل الألومنيوم أو النحاس الصلبة، مما يضمن مسارات حرارية ممتازة. للإنتاج الضخم، تُعد نماذج التشغيل CNC الأولية وعمليات مثل تشغيل الألومنيوم CNC ضرورية للتحقق من الأداء الحراري قبل الإنتاج الكمي. علاوة على ذلك، يمكن أن تعمل أنودة الألومنيوم CNC على تحسين الانبعاث الحراري السطحي وتعزيز الحماية البيئية.
دمج التصميم الحراري في دورة حياة المنتج
إدارة الحرارة ليست فكرة لاحقة، بل يجب دمجها منذ المفهوم الأولي. تُستخدم تقنيات تحليل ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) لمحاكاة الأداء الحراري وتحسين التصميم قبل بناء النماذج الفعلية. يمكن تصنيع هذه النماذج عبر التشكيل السريع للهياكل غير الهيكلية أو عبر التشغيل الدقيق CNC للمشتت الحراري نفسه، ثم تُختبر بدقة في غرف بيئية للتحقق من النموذج الحراري تحت ظروف مختلفة من درجات الحرارة والأحمال الكهربائية. يضمن ذلك أن المنتج النهائي، سواء كان مخصصًا لـالمنتجات الاستهلاكية أو التطبيقات الصناعية، يحقق أهدافه في الأداء وطول العمر.
