Ưu điểm của đèn LED chiếu sáng cho các ứng dụng công nghiệp

 Lắp ráp đèn LED

Các đèn LED được gắn trong bảng mạch in lõi kim loại (MCPCB), trong chuỗi nối tiếp hoặc hỗn hợp song song và nối tiếp để có dòng điện giống nhau chạy trong mỗi đèn LED. MCPCB được cấu tạo với một lớp điện môi epoxy kẹp giữa một lớp đồng trên cùng và một nền nhôm. Thiết kế như vậy cho phép bảng mạch đáp ứng thử nghiệm điện thế cao (hipot) tối thiểu trong khi vẫn cung cấp độ dẫn nhiệt cao xuyên suốt bảng mạch. Chất điện môi cách nhiệt này thường chứa vật liệu pha thứ hai như các hạt gốm có khả năng chịu nhiệt. Khả năng dẫn nhiệt của MCPCB có thể cao hơn 4 - 16 lần so với bảng FR4 thông thường.

Trong một cơ sở công nghiệp, có những vị trí mà đèn điện có thể cần phải chịu được rung động từ máy móc. Do đó, độ tin cậy của mối hàn giữa gói đèn LED và PCB trở nên quan trọng trong hoạt động đáng tin cậy của đèn điện LED trong các môi trường như vậy. Việc hình thành một mối hàn đáng tin cậy không chỉ phụ thuộc vào hợp kim hàn và quá trình kim loại hóa của gói đèn LED và PCB mà còn phụ thuộc vào cấu hình tái tạo. Cấu hình nấu chảy lại có tác động đáng kể đến hành vi thấm ướt, hóa học bề mặt và cấu trúc vi luyện kim của mối nối hàn. Độ bền rão của hợp kim hàn cũng là một yếu tố quyết định đáng kể đến độ tin cậy của mối nối hàn trong các điều kiện chu kỳ nhiệt, đặc biệt khi có sự không phù hợp về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) cao giữa các thành phần.

Nguồn sáng

Trong ngành công nghiệp chiếu sáng, thuật ngữ "LED" thường dùng để chỉ một gói LED, thay vì một chip LED (khuôn bán dẫn tiếp giáp pn). Bao bì đóng nhiều vai trò trong đó nó cho phép khuôn bán dẫn bơm phốt pho vào bên trong gói thiết bị để tạo ra ánh sáng trắng với chất lượng quang phổ mong muốn; giao diện cơ học, nhiệt và điện của chip LED với giao diện hoạt động của nó; và cung cấp cho khuôn bán dẫn sự bảo vệ khỏi các chất gây ô nhiễm và ứng suất từ ​​môi trường. Thiết kế bao bì và vật liệu đóng gói đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc xác định hiệu suất quang, điện, nhiệt của đèn LED. Phần lớn các đèn LED hiện đại được cấu tạo dưới dạng gói công suất cao, gói công suất trung bình và gói chip trên bo mạch (COB), trong khi xu hướng mới nhất trong bao bì LED là bao bì quy mô chip (CSP).

Có một sự đánh đổi quan trọng giữa chi phí ban đầu và hiệu suất lâu dài trong việc lựa chọn các nền tảng gói LED cho các ứng dụng công nghiệp. Các gói công suất cao gắn một chip LED lớn vào một đế gốm kim loại, kết hợp với các miếng kim loại ở mặt dưới của đế gốm, cung cấp một đường dẫn nhiệt hiệu quả cao để tách nhiệt từ khuôn bán dẫn. Thiết kế bao bì cũng cho phép phân phối đồng nhất mật độ dòng điện qua điểm nối bán dẫn, do đó giảm nguy cơ thoát nhiệt. Điện trở nhiệt thấp và sự lan truyền dòng điện đồng đều mang lại khả năng dòng truyền động cao và mật độ thông lượng cao cho đèn LED công suất cao. Độ ổn định nhiệt cao của vật liệu đóng gói cho phép đèn LED duy trì quang thông tuyệt vời và ổn định màu sắc ngay cả ở nhiệt độ cao.

Một trở ngại chính đối với việc triển khai rộng rãi đèn LED công suất cao là chi phí trả trước của chúng tương đối cao hơn khi so sánh với các gói công suất trung bình. Đèn LED công suất trung bình là các gói mang chip dẫn nhựa (PLCC) được thiết kế cho các ứng dụng mật độ quang thông thấp trong các lĩnh vực dân dụng và thương mại. Hiệu quả ban đầu cao và chi phí thấp là những điểm bán hàng của đèn LED công suất trung bình. Tuy nhiên, những lợi thế này hiếm khi chuyển thành lợi tức đầu tư cao do những hạn chế cố hữu của nền tảng gói. Các gói PLCC có khả năng chống suy thoái kém với nhiệt độ cao, không khí ăn mòn và quá trình oxy hóa ảnh. Việc xây dựng gói PLCC được hỗ trợ bởi một vỏ nhựa đúc, phản chiếu cao và khung chì mạ bạc. Vỏ nhựa bao bọc chip LED được làm từ polyphthalamide (PPA) hoặc polycyclohexylenedimethylene terephthalate (PCT) có màu vàng khi tiếp xúc với nhiệt và ánh sáng. Lớp mạ khung bằng chì dễ bị ăn mòn khi tiếp xúc với khí ăn mòn như hydro sunfua (H2S).

Trong các hệ thống đèn LED công suất cao, các gói công suất trung bình thể hiện sự suy giảm quang thông nhanh chóng và sự thay đổi màu sắc do ứng suất nhiệt và oxy hóa cao cũng như sự ăn mòn trong khí quyển. Các điện cực của chip trong các gói PLCC được kết nối với khung dẫn bằng liên kết dây có thể bị đứt do chuyển động điện hoặc xì trong dây liên kết do dòng điện quá lớn. Do đó, độ tin cậy của các gói công suất trung bình là một mối quan tâm đáng kể. Tuổi thọ hữu ích của đèn điện LED sử dụng gói công suất trung bình bị hạn chế đáng kể. Các gói công suất trung bình với vỏ hợp chất gắn epoxy (EMC) và tấm lót cực dương / cực âm không chì (QFN) Quad phẳng giúp cải thiện khả năng chống đổi màu ở nhiệt độ cao hơn cũng như tăng cường độ tin cậy của kết nối và tản nhiệt. Tuy nhiên, các gói này có chi phí cao hơn.

Nhiệt độ màu

Đầu ra quang phổ là một yếu tố chính khác liên quan đến việc lựa chọn nguồn sáng. Đầu ra quang phổ của đèn LED có thể được đặc trưng bởi nhiệt độ màu và độ hiển thị màu của nó.

Đó là một hiện tượng điển hình trong các ứng dụng công nghiệp để sử dụng các nguồn sáng có nhiệt độ màu tương ứng (CCT) lớn hơn 4000K. Nên chọn CCT trong khoảng 4000K đến 5500K cho ánh sáng nơi làm việc vì lượng lớn khí thải màu xanh lam chứa trong ánh sáng trắng mát có thể ngăn chặn việc sản xuất hormone giấc ngủ melatonin và lập trình cơ thể cho chế độ ban ngày . Ngoài việc mô phỏng phản ứng sinh lý ban ngày để cải thiện khả năng tập trung, sự tỉnh táo và hiệu suất, các nguồn ánh sáng có lượng ánh sáng xanh dương cao hơn mang theo scotopic / photopic (S / P) cao hơn, có nghĩa là thị lực tốt hơn trong điều kiện độ sáng thấp (thị giác ngoài da). Nhìn chung, an toàn khi sử dụng đèn LED có màu sắc xuất hiện ở dạng trắng huỳnh quang (6000K - 6500K). Tuy nhiên, nguồn sáng có CCT cao như vậy có thể gây ra các nguy cơ quang sinh học trong các ứng dụng công nghiệp và các công việc yêu cầu độ rọi cao (trên 1000 lux). Các ứng dụng và nhiệm vụ công nghiệp này bao gồm,

Chỉ số hoàn màu (CRI) 80 hoặc cao hơn một chút được coi là giá trị chấp nhận được tối thiểu cho các ứng dụng công nghiệp và CRI lớn hơn 90 được coi là tốt. Tuy nhiên, các nguồn ánh sáng CCT cao được làm giàu màu xanh lam với CRI 80 thường thiếu các bước sóng chính quan trọng để hiển thị các màu có độ bão hòa cao. Sự biến dạng màu sắc do thiếu bước sóng có thể làm tăng nguy cơ lỗi khi thực hiện các tác vụ theo định hướng chi tiết. Bất cứ khi nào chọn đèn điện LED cho các ứng dụng mà nhận dạng màu sắc và độ tương phản là quan trọng, hãy kiểm tra phân bố công suất quang phổ (SPD) của nguồn sáng nếu tất cả các bước sóng chính được trải đều khắp phổ khả kiến. Chỉ riêng chỉ số hoàn màu nói chung Ra không phản ánh khả năng hoàn màu của nguồn sáng vì nó là một con số dựa trên sự khác biệt màu sắc trung bình của tám mẫu phản xạ có độ bão hòa khá thấp. Nó bỏ qua hiệu suất kết xuất của sáu màu có độ bão hòa cao: đỏ, vàng, xanh lá cây và xanh lam, nước da và xanh lá cây. Do đó, người dùng nên lưu ý đến các màu CRI bổ sung, cụ thể là R9, một mẫu màu đỏ đậm. Giá trị R9 25 được coi là tốt cho ánh sáng chung và giá trị R9 trên 75 nên được xem xét cho các ứng dụng quan trọng về màu sắc.

Nhà sản xuất chiếu sáng đã cố gắng bán các sản phẩm có CCT cao và CRI thấp cho những khách hàng chưa được đào tạo. Họ thậm chí còn chơi trò chơi tính toán CRI bằng cách tập trung vào các bước sóng để hiển thị tám mẫu thử nghiệm của CIE Ra. Lý do cho điều này là có sự gia tăng chi phí và giảm hiệu quả đối với đèn LED có CCT thấp hơn và CRI cao. Trong các đèn LED máy bơm màu xanh lam tạo ra ánh sáng trắng có CCT cao hoặc độ hiển thị màu thấp, chỉ một phần nhỏ khí thải màu xanh lam cần được chuyển đổi thành ánh sáng có bước sóng dài hơn bằng phốt pho vàng giá rẻ. Mặt khác, để tạo ra ánh sáng trắng chất lượng cao hoặc ánh sáng trắng ấm từ đèn LED máy bơm màu xanh lam, một phần đáng kể lượng khí thải màu xanh lam cần được chuyển đổi xuống. Càng nhiều bước sóng bị chuyển đổi xuống, sự mất mát năng lượng Stokes xảy ra càng cao. Sự mất mát Stokes tăng lên do quá trình chuyển hóa xuống phosphor không chỉ dẫn đến giảm hiệu suất phát sáng mà còn làm tăng lượng nhiệt thải phải được tách ra từ đèn LED. Để các đèn LED máy bơm màu xanh lam cung cấp công suất bức xạ khá rộng trên phổ khả kiến ​​để hiển thị màu sắc chính xác, phải sử dụng một bộ chuyển đổi xuống phosphor băng thông rộng đắt tiền hơn. Hơn nữa, mắt người ít nhạy cảm hơn với ánh sáng có bước sóng dài hơn. Điều này làm cho đèn LED CCT thấp hoặc đèn LED CRI cao có hiệu suất phát sáng thấp hơn của bức xạ (lumen trên mỗi watt) so với đèn LED CCT cao hoặc đèn LED CRI thấp cung cấp cùng một lượng công suất quang học (thông lượng bức xạ tính bằng watt). Để các đèn LED máy bơm màu xanh lam cung cấp công suất bức xạ khá rộng trên phổ khả kiến ​​để hiển thị màu sắc chính xác, phải sử dụng một bộ chuyển đổi xuống phosphor băng thông rộng đắt tiền hơn. Hơn nữa, mắt người ít nhạy cảm hơn với ánh sáng có bước sóng dài hơn. Điều này làm cho đèn LED CCT thấp hoặc đèn LED CRI cao có hiệu suất phát sáng thấp hơn của bức xạ (lumen trên mỗi watt) so với đèn LED CCT cao hoặc đèn LED CRI thấp cung cấp cùng một lượng công suất quang học (thông lượng bức xạ tính bằng watt). Để các đèn LED máy bơm màu xanh lam cung cấp công suất bức xạ khá rộng trên phổ khả kiến ​​để hiển thị màu sắc chính xác, phải sử dụng một bộ chuyển đổi xuống phosphor băng thông rộng đắt tiền hơn. Hơn nữa, mắt người ít nhạy cảm hơn với ánh sáng có bước sóng dài hơn. Điều này làm cho đèn LED CCT thấp hoặc đèn LED CRI cao có hiệu suất phát sáng thấp hơn của bức xạ (lumen trên mỗi watt) so với đèn LED CCT cao hoặc đèn LED CRI thấp cung cấp cùng một lượng công suất quang học (thông lượng bức xạ tính bằng watt).