Съвременни технологии в корпусите на индустриалните LED осветители

LED индустрията е един от най-бързо развиващите се технологични сектори. Светодиодното осветление е достигнало етап в развитието си, в който се отличава с достатъчна надеждност, за да бъде все по-масово използвано в индустрията. Тази надеждност до голяма степен зависи от дизайна на корпуса и термичните му показатели. Внимателният подбор на материали за изработка на корпусните детайли, както и на съответните покрития, е от водещо значение за гарантирането на оптимална ефективност и дълъг експлоатационен цикъл на LED осветителите за агресивни индустриални среди.

С динамичното развитие на технологиите в електрониката и LED приложенията, основна задача при дизайна на корпусите е осигуряването на бързо разсейване на топлината. Производителите разработват все по-иновативни решения за подобряване на ефективността при разсейване на топлината в корпуса на светодиодния осветител чрез свеждане до минимум на топлинното съпротивление. Водеща тенденция при капсулиращите технологии, в които е разположена LED матрицата, е използването на защитни материали с подобрена топлопроводимост в комбинация с повишен светлинен поток, нанасянето на т. нар. “конформни” покрития (тънък защитен полимерен филм) и капсулиращи смоли с различни свойства, подобряващи термичните показатели и експлоатационните характеристики на индустриалните светодиодни осветители.

Топлинно натоварване в полупроводниковите преходи
Значително количество топлина се генерира в полупроводниковите преходи на LED модулите. Тази топлина може да има негативен ефект върху работата на светодиода и трябва да бъде контролирана, за да се извлече пълният потенциал на технологията, особено в индустриални приложения с усложнени експлоатационни условия.

Промяната на работната температура на светодиода води до промяна и в цветната температура на осветителя. При модулите, излъчващи бяла светлина, повишаването на работната температура може да доведе до излъчването на по-топла бяла светлина или светлина с по-висока корелирана цветна температура (CCT). Поддържането на подходяща работна температура на LED матрицата не само удължава експлоатационния живот на осветителя, но подобрява и количеството произведена светлина, като така по-малък брой светодиоди са необходими за постигането на необходимото осветяване.
Повишаването на работната температура типично оказва негативен, но обратим ефект върху работата на LED модула. Ако в полупроводниковите преходи обаче температурата се повиши над допустимата за светодиода (~120-150 °C), е възможно настъпването и на необратими повреди в осветителя.

Работна температура и експлоатационен живот на светодиодите
Работната температура е пряко свързана с експлоатационния период на LED осветителите. Колкото по-висока е тя, толкова по-кратък е жизненият цикъл на изделието. Подобен принцип може да бъде изведен и за LED драйверите, при които продължителността на експлоатацията зависи от живота на електролитния кондензатор. Специалистите изчисляват, че на всеки 10 °C спад в работната температура на светодиода животът на електролитния кондензатор се удвоява.

Ето защо осигуряването на ефективно управление на генерираната топлина или т. нар. термичен мениджмънт чрез прилагането на съвременни технологии в изработката на корпуса е ключът към осигуряването на постоянно качество на осветлението, безпроблемна работа и дълга експлоатация на LED модулите.

Технологии за термичен мениджмънт
Съществуват редица способи за управление на работната температура на LED осветителите. Изборът на подходящ топлопроводим материал за изработка на корпуса, за да се осигури ефективно разсейване на генерираната топлина, е от водещо значение. Производителите най-често се спират на термопроводящи смоли за капсулиране, които осигуряват ефикасно разсейване на топлината и ефективна защита на матрицата от различни въздействия в околната среда, както и на т. нар. топлинни интерфейсни материали. Те се използват за пренос на топлината от източника, отвеждайки я далеч от полупроводниковите преходи. Термоинтерфейсните материали попълват празнината между светлоизточника и радиатора, намалявайки топлинното съпротивление на границата между двата компонента, като могат да бъдат използвани и за залепване на отделните компоненти. Така генерираната топлина лесно и бързо се отвежда към LED корпуса и извън него, намалявайки работната температура. Примери за термоинтерфейсни материали са RTV силиконов каучук (вулканизиран на стайна температура) и различни епоксидни съединения. Изборът обикновено зависи от якостта на свързване (залепяне) и заложения от производителя температурен диапазон на работа на осветителя.

Друга технология за термичен мениджмънт са термопроводящите смоли за капсулиране. Те имат комбиниран ефект – защита на матрицата от условията на околната среда и отвеждане на топлината извън корпуса на модула. Така самата смола играе ролята на радиатор. При прилагането на такива материали за изработка на LED корпуси, в състава им често се използват различни топлопроводими съставки заедно с основната смола – втвърдители, епоксидни, полиуретанови и силиконови добавки, както и други материали, придаващи различни свойства на корпуса. Така LED корпусите, изработени от различни съединения, предлагат и различни предимства за широк набор от приложения в индустрията – по-голяма здравина, по-висока прозрачност, гъвкавост и др.

Избор на материали за капсулиране
В производството на LED осветители се прилага широка гама от материали за капсулиране с различен химичен състав и различни свойства. Най-често използвани са епоксидни смоли, полиуретанови системи и силиконови каучуци.

Полиуретановите материали придават висока гъвкавост и еластичност на покритието, особено при ниски температури, в сравнение с епоксидните системи. Традиционно полиуретановите покрития се използват за защита на печатните платки на светодиода, осигурявайки естетически финиш на продукта, като в допълнение повишават ефективността на осветителя, отразявайки светлината. Специални вариации на полиуретанови покрития се използват за разсейване на светлината от LED корпуса.

Силиконовите каучуци могат да осигурят гъвкавост при ниска работна температура в комбинация с отлична ефективност при високи температури, което ги прави предпочитано от много производители решение. Те предлагат висока прозрачност на покритието. Техен основен недостатък обаче са по-високите им цени.

Традиционно силиконовите и полиуретановите покрития са масово използвани в практиката тъй като се отличават с отлична комбинация от прозрачност, гъвкавост, ефективност в широк температурен диапазон и високо качество на покритието, което ги превръща в предпочитан от редица производители избор за индустриални приложения.

Епоксидните системи типично са високоиздръжливи и гарантират много добра защита на светодиода при агресивни индустриални условия. Те са твърди и яки материали с ниски коефициенти на термично разширение. Типично епоксидните смоли осигуряват по-добра защита в сравнение със силиконовите и полиуретановите покрития срещу механични въздействия, но не толкова добра еластичност на покритието, както и недобра прозрачност и цветна стабилност.

С определени химични добавки в материала може да бъде постигната дадена степен на гъвкавост при епоксидните покрития. Вариациите от съставки в капсулиращите системи, базирани на епоксидни материали, са в основата на изключително широка гама от модели и версии LED осветители за индустриални приложения на пазара, които осигуряват специфични предимства за конкретни работни условия.

Характеристики на светодиодите в зависимост от технологиите в корпуса
На производствения етап всеки от използваните материали в корпуса се характеризира с различни свойства като вискозитет, време за вулканизация и др. В зависимост от избраната технология за термичен мениджмънт, готовите LED изделия се отличават със специфични работни характеристики – температура, електрически спецификации и т. н. Друг параметър, критичен за ефективността на продукта, е топлинната проводимост на корпуса, измервана в W/m·K (ват на метър в келвин). Тя описва свойството на материала, от който е изработен, да отвежда генерираната в корпуса топлина извън него. Номиналните стойности на топлопроводимост на LED осветителите могат да бъдат намерени в техническите спецификации и показват какъв трябва да е очакваният трансфер на топлина. Така лесно могат да бъдат сравнени продуктите, изработени от различни материали, за да се избере най-подходящото решение за конкретното индустриално приложение.

Технологии в областта на покритията
Подобно на останалите електронни устройства, LED модулите работят добре, докато под въздействието на различни фактори (вътрешни – свързани с дизайна и работните характеристики, или външни – под влияние на средата) ефективността им не започне да намалява. Различни условия на индустриалните среди, като висока влажност, корозивна атмосфера, съдържание на изпарения на различни химикали или газове във въздуха, висока запрашеност, могат да влошат състоянието на светодиодния осветител с времето.

В съвременната индустриална практика LED осветление се използва за изключително широк набор от приложения, включително осветяване на фабрики, заводи и други промишлени съоръжения и обекти, плавателни съдове и др. Осветителите в тези приложения типично са изложени на вредни въздействия, които биха могли да доведат до корозия на компонентите на електронните платки и значително да понижат ефективността на изделието в сравнение със стандартни битови експлоатационни условия.

Ето защо от критична важност е осигуряването на ефективна защита срещу тези въздействия. Покритията са едни от най-често използваните технологии за защита на LED системите в индустриални приложения. Те са от също толкова голямо значение за ефективността на светодиодния осветител като дизайна на тялото и материалите за изработка на корпуса.

Защитни свойства на конформните защитни покрития
Конформните защитни покрития в електрониката (следващи профила на комплексни структури като печатни платки и др.) представляват тънък предпазен филм лак, който покрива компонентите, без да добавя допълнителна тежест. Конформните покрития обикновено се нанасят чрез напръскване или потапяне на изделието и са с типична дебелина от няколко десетки микрометра.

Покритията, нанасяни за защита на корпуса, трябва да са с висока прозрачност, която да се запазва в рамките на целия жизнен цикъл при заложените експлоатационни условия. Например, някои покрития за корпуси на индустриални LED осветители, които се използват на открито, се проектират за издръжливост на ултравиолетови лъчения.

Най-често използвани за защитно покритие на корпусите на светодиоди са различни акрилни системи, които осигуряват комбинация от висока прозрачност и цветна стабилност, както и с отлична защита срещу влага и други влияния на индустриалната среда. Акрилните покрития са на основата на разтворители, които позволяват нанасянето на изключително тънък слой от материала върху субстрата.

Съображения по отношение на цветната температура
Различните защитни покрития, нанасяни върху компонентите или корпуса на LED осветителя, оказват влияние върху цветната температура на светлината, излъчвана от светодиода. При повечето изделия цветната температура се променя при нанасяне на дадено покритие, което създава за затруднения за много производители. На практика, какъвто и материал да бъде нанесен директно върху светодиода, той води до промяна в цветната температура.

От значение е и дебелината на нанасянето покритие. Типично, дебелините на защитните системи варират в границите 25-75 микрометра. При по-тънък слой защитен филм е и по-малка промяната в цветната температура. Трябва обаче да бъде намерен подходящият баланс, при който дебелината на слоя осигурява достатъчна защита за сметка на приемлива промяна в цветната температура, като не се допускат компромиси с ефективността на защитното покритие.

Конформните покрития за компонентите и корпуса на LED модулите обикновено гарантират отлична защита срещу висока влажност, соленост или запрашаване на атмосферата в индустриалната среда на експлоатация.

При по агресивни условия, като потапяне във вода, опасност от напръскване с различни химически субстанции или корозивни газове и изпарения, е добре да се обмисли нанасянето на по-дебел слой капсулираща система, за да се осигури по-ефективна защита. Така не само се гарантира по-добра устойчивост на LED осветителя на негативни въздействия на средата, но и значително се удължава експлоатационният му живот.