امروزه یکی از پرطرفدارترین تجهیزات برقی در منازل لامپ LED هست.در مقاله زیر با علل تخریب این تجهیزات برقی(لامپ LED) بیشتر آشنا خواهید شد.

مقدمه

طول عمر لامپ های LED اغلب بستگی به  پایداری سخت افزاری و المان های نور داشته، نه به تراشه LEDکه خروجی پایداری در همه زمان ها دارد. با مقایسه لامپ های چهار کارخانه مختلف که تحت فشار و دمای بالای در اتاق بودند، متوجه شدیم که :

• فشار زیاد باعث تغییر در خواص رنگی لامپ شده که به تخریب فسفر یا بازتابنده داخلی LED نسبت داده می شود.
• سخت افزار لامپ LED سالخورده، ممکن است به تدریج تنزل یابد و  یا سبب کاهش قدرت نوری در خروجی یا شکست کامل شود.
• مدیریت حرارت مناسب و اتلاف حرارتی، سبب کاهش نرخ تخریب لامپ می شود.
• اندازه گیری انتقال طیفی و بازرسی بصری گواه تخریب عناصر منتشر شده است، که ناشی از طول موج کوتاه طیف نشری LED است.

تعریف مسئله

لامپ های LED سفید که بر اساس تراشه GaN (Gallium nitride) آبی و تبدیل فسفر زرد هستند، دستگاه های کارآمدی بوده که پایداری و قابلیت اطمینان آن ها تا ده ها هزار ساعت اثبات شده است. برای بهره برداری از این کارایی، چندین کشور و انجمن برای ترویج تولید لامپ های LED قابل استفاده در سوکت های پیچشی معروف به Edison Screw Socket، اقدام کرده اند. مشهورترین کار انجام شده در این زمینه تعیین جایزه ‘L Prize’ به همراه 10 میلیون دلار آمریکایی در سال 2008 توسط وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا، است.

در حال حاضر لامپ های حبابی بازسازی شده (LED) فراوان در مغازه ها فروخته می شود. با توجه به هزینه اولیه بالاتر این لامپ های LED لازم است که، اطمینان از پایداری شدت و خواص رنگی در طول عمر مشخص شده و صرفه جویی در انرژی نسبت به لامپ های فلورسانس قدیمی حاصل شود. اگر چه تاکنون مقالات زیادی در مورد تخریب تراشه LED در دمای بالا، جریان بالا، بایاس معکوس و فشار وجود دارد، اما هیچ مقاله ای به تفسیر تخریب کامل لامپ ها در دراز مدت نپرداخته است.

در این مقاله یکی از اولین مطالعات مکانیزم لامپ های تجاری موجود ارائه شده است. نتایج به ما اجازه شناسایی بخش های بحرانی سیستم کلی و ارتباط حالات خرابی با مکانیزم را می دهد.

نتایج زیر حاصل می شود:

• درجه حرارت فرآیند تخریب را تسریع می بخشد که به سایر نتایج هم مرتبط است.
• (مرتبط با) تیره شدن پلاستیک در لامپ
• (مرتبط با) تغییر در خواص رنگی فسفر داخلی و یا بازتابنده
• (مرتبط با) تخریب سخت افزار LED

جزییات آزمایش

در آزمایشات از لامپ های چهار کارخانه در دسترس استفاده شده (A تا D) که در دمای اتاق (Room Temperature or RT ) آزمایش طول عمر و آزمایش تسریع در دمای بالاتر (Higher Temperature or HT) انجام شده است. لامپ های آنالیز شده دارای جریان نور بین 765 و 810 lm و درجه حرارت رنگ 2700-3000 K هستند. با توجه به اینکه از چهار لامپ متفاوت استفاده می شود، فشارحرارت  متفاوت است و بستگی به سخت افزار لامپ و اتلاف حرارت آن دارد که توسط تولید کنندگان آن تعیین می شود. به طور متوسط دمای HT لامپ ها 15  درجه سانتی گراد از دمای RT آن ها بیشتر است. در جدول زیر دما برای هر چهار لامپ در محیط های مختلف در طول اعمال فشار در دمای اتاق (RT) یا دمای بالاتر(HT) مشاهده می شود. این دماها توسط سیستم دوربین حرارتی محاسبه شده است.

تخریب جریان نور

در شکل زیر تخریب سینتیکی خروجی نور یا میانگین جریان نور برای هر چهار لامپ آورده شده است. قابلیت اطمینان در شرایط عملیاتی معمولی بالاست، 6 درصد افت پس از 4500 ساعت در بدترین حالت رخ می دهد و هیچ تخریبی برای لامپ نوع C دیده نمی شود. خروجی جریان نور برای دمای بالا (HT) با افت بیشتری همراه است. این امر نقش مهم دما در سرعت تخریب را نشان می دهد.

فاکتور های تاثیر پذیر از دما در لامپ ها

1) تراشه LED 2) فسفر 3) منعکس کننده هستند.

دمای لامپ که با دما نگاری IR محاسبه شده است، در عکس زیر مشاهده می شود. نتایج نشان می دهد که، انتشار لامپ حتی در دمای اتاق ممکن است با اتلاف حرارتی بالای 75 درجه سانتی گراد همراه باشد. ما می توانیم با انتخاب junction برای LED با قابلیت اطمینان تا دمای 150 درجه سانتی گراد، اثر نامطلوب دما در تخریب لامپ را کاهش دهیم.

با توجه به جدول ارائه شده برای هر چهار لامپ در فوق، heat sink ارائه شده است که برای لامپ C و تا حدی لامپ B به خوبی قادر به انتقال حرارت از بدنه لامپ به محیط اطراف است. تاثیر این ، heat sink در شکل های فوق که مربوط به میانگین جریان نور است، مشاهده می شود. بنابراین طراحی انجام شده توسط کارخانه سازنده لامپ C برای افزایش عمر لامپ می تواند مناسب باشد.

تیرگی لامپ

در شکل زیر تیرگی در لامپ با آزمایش لامپ D تحت فشار در 2500 ساعت و مقایسه آن با لامپ D استفاده نشده کاملاً واضح است. همچنین میزان تیرگی در بخش بالای لامپ بیشتر از بخش پایینی آن است که علت آن می تواند امواج با طول موج کوتاه باشد که شدت آن در جهت عمود به صفحه بیشتر خواهد بود. در واقع امواج با طول موج کوتاه پس از تابش عمودی به بخش پایین لامپ سبب تیره شدن آن می شوند. دما تنها عامل ایجاد تیرگی در لامپ نیست چون همانطور که مشاهده می شود با اینکه دما در بخش سبز رنگ مشخص شده در شکل زیر بالاتر است اما، تیرگی این بخش کم تر است. تیره شدن لامپ بر روی خواص رنگی لامپ تاثیر می گذارد.

تخریب رنگی

تنزل در رنگ می تواند سه دلیل داشته باشد: تغییر در انتشار طیفی لامپ، کاهش در راندمان تبدیل فسفر و یا اکسیداسیون و تیره شدن بازتابنده درونی. لازم به ذکر است که لامپ مبتنی بر GaN حتی در دمای بسیار بالا پایدار باقی می ماند و بر قابلیت اطمینان سیستم تاثیر نمی گذارد.

عملکرد سخت افزاری

آخرین بخشی که می تواند بر عملکرد لامپ تاثیر بگذارد، سخت افزار آن است. منظور از سخت افزار لامپ، تمامی مدارات مورد نیاز به منظور تبدیل قدرت الکتریکی گرفته شده از برق در ولتاژ بالا به سطح ولتاژ پایین تر است. هرچه میزان انرژی الکتریکی لامپ کم تر باشد، طیف نوری منتشر شده از آن نیز کم تر خواهد بود. طراحی مناسب بخش سخت افزاری تاثیر زیادی در میزان حرارت انتقالی و در نتیجه عملکرد لامپ دارد.

نتیجه گیری:

با انجام آزمایشات فوق متوجه شدیم دما نقش مهمی در سرعت تخریب لامپ دارد و مدیریت و تنظیم حرارت برای جلوگیری از این تخریب ها باید صورت گیرد. فرآیندهای زیر سبب کاهش عملکرد لامپ می شوند

1)تیرگی لامپ

2) تخریب رنگی

3) عدم طراحی مناسب بخش سخت افزاری لامپ