Napjainkban egyre inkább előtérbe kerülnek a jobbnál jobb hatásfokú eszközök, melyek közül a világítástechnika termékpalettája sem kivétel. Ebben a blogunkban a LED izzós lámpákról lesz szó.

A LED izzó félvezetőből készül, melynek hatásfoka összefügg a félvezető anyag hőmérsékletével. Általánosságban elmondható, hogy minél hidegebb helyen világít a LED izzó, annál több a kibocsájtott fénye, illetve minél melegebb helyen üzemel, annál kevesebb fényt ad ki, azaz romlik az izzó hatékonysága. Ez a hatásfok csökkenés az izzóban található félvezetőkre vezethető vissza, melynek hőmérsékletét a környezet és a rajta átfolyó áram befolyásolja. Szakirodalom szerint, az izzók hatásfoka a félvezető anyaga és a kibocsátott fény színe szerint más és más, de általánosságban a következő ábrán látható karakterisztikát követik. (Az ábrán a 25°C-os hőmérséklethez tartozó mérést vették 100%-nak, és ehhez viszonyítva látható az egyes hőmérsékletekhez tartozó kibocsátott fény százalékos aránya.)

 

LED izzók relatív kibocsájtott fényereje a PN átmeneti

 

A diódák hőmérsékletét jellemzően a gyártók kétféleképpen szokták szabályozni, az egyik az áramerősség szabályozása (Joule hő), a másik a lámpatest alakja. A következőkben egy letöltött modellt fogok vizsgálni 0°C, 20°C és 40°C környezeti hőmérséklet mellett. Ehhez a Solid Edge kezelőfelületén belül elérhető FloEFD hő- és áramlástani szimulációs szoftvert használom. Annak ellenére, hogy a FloEFD-n belül elérhető egy LED lámpákra specializált modul, mely célirányosan bővíti az alap modul tudását erre az iparágra specializálva, én csak a “sima” alapmodult használtam a szimulációmhoz.

Első feladatom a szimulációhoz egy geometria lemodellezése lenne, ehelyett a GrabCAD-en elérhető egyik kültéri lámpamodellt használtam, ami a következő képen látható.

 

Miután letöltöttem a modellt félbemetszettem, és azt láttam, hogy az elektronikai doboz üres és az izzók sincsenek benne a modellben.

 

Ezután az izzók helyére modelleztem egy téglatestet a lámpatest szerelésén belül, a rögzítést kitöröltem a szerelésből és a feleslegesnek vélt furatokat az alkatrészeken belül a Felületek törlése paranccsal eltávolítottam. Így a következő geometriát kaptam:

Ezt követően a FloEFD beépített varázslója segítségével létrehoztam egy szimulációt, amin belül a környezeti hőmérséklet 20°C. A szimuláción belül az automatikusan generált áramlási teret úgy módosítottam, hogy tér egyik felével számoljon az áramlástani modul, míg a másikra szimmetria kényszer állítottam be, a lámpatest szimmetriája miatt.

Ezt követően azt feltételeztem, hogy a lámpa 72 W teljesítménnyel világíthat, így a szimmetrikus félmodell miatt 36 W-ot definiáltam az izzók összteljesítményének.

Majd ezt követően az elektronikai doboz hőtermelését 5W-nak állítottam be.

Ezt követően megadtam az anyagtulajdonságokat és a hozzájuk tartozó emissziós tényezőket. Ezt követően a FloEFD beépített automatikus hálózójával elkészítettem a következő véges térfogat hálót a szimulációmhoz.

Ezután kétszer lemásoltam a szimulációmat (a már elkészített hálóval együtt).

Utána a Parameter Editor segítségével a két másolatban átírtam a környezeti hőmérsékletet (és a kezdeti szilárdtest hőmérsékletet) 0°C és 40°C-ra.

Majd kötegelt futtatással lefuttattam a szimulációkat.

A szimulációt lefuttatva a következő hőmérsékleteloszlást kaptam a lámpa felső felületén (20°C-os környezeti hőmérséklet esetén):

A következő hőmérsékleteloszlást kaptam a lámpa alsó felületén (20°C-os környezeti hőmérséklet esetén):

A következő hőmérsékleteloszlást kaptam a lámpa környezetében (20°C-os környezeti hőmérséklet esetén):

A következő videón a lámpa környezetében kialakuló áramvonalak és azok hőmérsékletei láthatók.

Ezek után lekérdeztem a lámpatest teljes térfogatának átlagos és legnagyobb hőmérsékletét mind a három projekthez.

A szimulációk teljes idejét beleszámolva, közel 3 óra alatt megállapítottam, hogy a 40°C-os környezeti hőmérséklet esetén a lámpatest 68°C hőmérséklet fölé emelkedik egy kicsivel. Szakirodalom szerint, a fehér fényt kibocsájtó LED hatékonysága 60%-ra csökkent a 25°C-os kibocsájtott fényhez képest.

Ezek után ha a közeljövőben fejleszteni szeretném a meglévő lámpatest, a hőfluxus lekérdezésével ki tudom választani a szerelésemnek azoknak az elemeit, ahonnan a lámpatest felveszi és leadja a hőt.

 

 

Források:

LED izzó hatásfoka vs. hőmérséklet: https://www.lrc.rpi.edu/programs/nlpip/lightinganswers/led/heat.asp

CAD modell: https://grabcad.com/library/street-light-14

FloEFD-ről: https://solidedge.siemens.com/en/solutions/products/simulation/solid-edge-flow-simulation/

FloEFD moduljai: https://www.mentor.com/products/mechanical/floefd/options