LED fényforrások melegedése

Gyerekkoromban, amikor egy éjszaka lázasan feküdtem a szobámban, édesanyám egy kendőt borított az olvasólámpára, hogy ne zavarjon az erős fény, de mégse legyek teljes sötétben. Néhány perc múlva úgy tűnt nekem, mintha a lámpaernyő mozogna, azután rájöttem, hogy nem lázálmom van, hanem a műanyag lámpaernyő meglágyult és lassan összeroskadt. Szerencse, hogy nem aludtam el, így sikerült elkerülni a nagyobb bajt. Az izzólámpa teljesítményének több mint 90%-a hővé alakul, nem véletlen, hogy a 60 wattos izzó, amely az olvasólámpában lehetett, bőven 100 °C fölé hevítette a környezetét.

A LED-ek jóval kevesebb hőt termelnek, mint az ugyanolyan mennyiségű fényt kibocsátó izzólámpák. Most is kell figyelnünk arra, hogy ne takarjuk le a lámpatestek szellőzőnyílását, amikor 7 W teljesítményű LED fényforrást működtetünk 60 wattos izzó helyett?

Az 1. ábra mutatja a lámpatestet, amelyen a mérést végeztem. A hőmérő érzékelőjét a lámpatest belsejében, a foglalat mellett helyeztem el, ezáltal a felfelé áramló meleg levegő hőmérsékletét tudtam meghatározni. A mérést először az 1. ábrán látható nyitott lámpatesttel végeztem, majd ugyanezt a mérést zárt lámpatesttel is végrehajtottam. A zárt állapot most annyit jelentett, hogy a lámpatest alsó és felső nyílását letakartam alumíniumfóliával, ezáltal meggátoltam, hogy a levegő szabadon cirkuláljon a lámpatestben.  A szoba hőmérséklete, tehát a mérés kezdőpontja mindkét esetben 18 °C volt. A LED fényforrás bekapcsolása után a levegő hőmérséklete folyamatosan emelkedett és mintegy fél óra kellett ahhoz, stabilizálódjon, ahogy a 2. ábráról leolvasható. 

1. ábra Lámpatest LED fényforrással. A hőmérsékletet a nyíllal jelzett helyen a lámpatest belső oldalán mértem	2. ábra A levegő hőmérséklete a lámpatestben nyitott és zárt állapotban. A fényforrás teljesítménye: 7 W.

A nyitott lámpatest belsejében a levegő hőmérséklete 42 °C-ig nőtt, míg a zárt lámpatest esetében a maximum ennél 10°C-kal magasabb, 52°C volt. Nem véletlenül szerepel tehát a 13 W maximális teljesítmény a lámpatest belső oldalán. Az ennél nagyobb teljesítményű fényforrás már olyan magas hőmérsékletre melegítené a lámpatest belsejét, hogy az károsítaná a műanyag alkatrészeket. Mivel nem akartam a szoba berendezését tönkretenni, nem próbáltam ki, mi történne, ha 13 wattnál nagyobb teljesítményű fényforrást használnék a lámpatestben.

Szokták mondani, nincs olyan megrakott szekér, amelyre nem fér fel még egy villával. Azért ezt az elvet, ne kövessük a hőterhelés méretezésénél, mert akitől származik (Ernest Hemingway), nem a kémiai reakciók sebességének hőmérsékletfüggésére vonatkoztatta.

A hőmérséklet emelkedésével a kémiai reakciók sebessége exponenciálisan nő. Ez annyit jelent egy LED esetében, hogy akár tíz éven keresztül gond nélkül világíthat, ha a hőmérséklete a megadott működési tartományon belül marad, de ha a környezet hőmérséklete meghaladja az előírt felső határt, akkor néhány nap alatt tönkremegy. A lenti ábrát egy szakmai publikáció képeiből készítettem. A LED-ek szilikon tokozásának hőmérséklete 120 °C-os volt és ezen a hőmérsékleten, a műanyag ház elszíneződik, értelemszerűen a LED fényárama drasztikusan csökken.  A folyamatot gyorsítja a magas páratartalom, mert a víz részt vesz a szilikon roncsolásában.

3. ábra
Műanyag tokozású LED degradációja az idő függvényében.
A képek forrása: Optical Materials, 86, (2018), 148-154

Ha nem is tűnik nagynak egy LED fényforrás teljesítménye, nem követhetünk el hibát, ha biztosítjuk a fényforrás hűtését. A LED-ek meghibásodása döntő részben a túlmelegedésre vezethető vissza.
 
(bla)