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Jan 31, 2024

Termico attivo

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12433 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, abbiamo proposto e dimostrato un progetto di circuito per risolvere i problemi legati alla perdita di luce blu (ad esempio, danni agli occhi) quando i diodi emettitori di luce bianca convertiti al fosforo (LED pcW) si surriscaldano. Questo circuito necessita solo di un termistore a coefficiente termico positivo, un resistore e diodi in serie e in parallelo; quindi, può essere facilmente integrato nei componenti. Le simulazioni e i corrispondenti risultati sperimentali mostrano che questo metodo può sopprimere accuratamente la corrente di iniezione del componente surriscaldato e consentire ai LED di funzionare normalmente dopo il ritorno alla temperatura operativa. Ciò consente quindi di proteggere attivamente gli occhi dell'utente, ad esempio evitando l'esposizione alla luce bluastra in caso di surriscaldamento. Inoltre, l'estinzione del flusso luminoso è un segnale per ricordare all'utente di sostituire il LED. Il metodo proposto è economico, efficace, semplice e utile per aumentare la qualità dell'illuminazione a LED e la sicurezza biologica.

L'illuminazione a stato solido (SSL) ha gradualmente sostituito le lampadine a incandescenza grazie ai suoi vantaggi, tra cui l'elevata efficienza energetica, una risposta rapida, una resa cromatica accettabile, una lunga durata e un basso costo1,2,3,4,5,6. La luce bianca può essere creata in diversi modi, ad esempio tramite approcci dicromatici, tricromatici e tetracromatici2. Tra questi, l'approccio dicromatico è ampiamente utilizzato per la sua semplicità ed efficienza; in questo approccio, la luce bianca viene creata da una combinazione di un diodo a emissione di luce blu (LED) e fosforo giallo2. Una tale sorgente di luce bianca viene comunemente chiamata diodi emettitori di luce bianca convertiti al fosforo (PCW-LED). In condizioni normali, ci sono due fonti principali che contribuiscono in modo significativo alla generazione di calore nel processo operativo della struttura dei LED pcW: l'efficacia del die LED blu e l'efficienza di conversione del fosforo (inclusa la propria efficienza quantica e la perdita di stokes) . La prima fonte di calore è legata all'efficienza di conversione dell'elettrone iniettato nel fotone blu emesso nel flusso elettrico attraverso i LED blu. L'efficienza di conversione da potenza elettrica a potenza ottica può essere superiore al 70%; quindi almeno il 30% della potenza elettrica in ingresso può essere trasformata in calore7,8. La seconda fonte di calore è la regione del fosforo ed è correlata alla perdita di Stokes, cioè alla differenza di lunghezza d'onda tra la lunghezza d'onda di eccitazione e quella riemessa2,9. Se i picchi delle lunghezze d'onda di eccitazione del blu e di emissione del giallo sono rispettivamente 450 nm e 550 nm, l'efficienza di conversione della lunghezza d'onda (il rapporto tra la lunghezza d'onda di eccitazione e la lunghezza d'onda di riemissione) è di circa l'82%. Pertanto, circa il 18% dell'energia derivante da questo processo viene convertita in calore. In particolare, se le condizioni normali non sono ben mantenute, verrà generata una maggiore quantità di calore, a causa della predominanza della conversione non radiativa nella matrice del LED blu e nella regione del fosforo. È noto che il calore è un problema inevitabile nei LED pcW che porta a molti effetti negativi sulla qualità della luce bianca emessa, come aumenti della temperatura di colore correlata (CCT), variazioni di colore, riduzioni di efficacia e degrado delle proprietà meccaniche10 ,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Un problema relativamente serio legato all'effetto del calore è il fenomeno in cui si può osservare una luce bluastra anche se la lampada è ancora luminosa, come mostrato in Fig. 1. A causa del tasso di decadimento termico della luce gialla che è più veloce di quello della luce blu , il rapporto di potenza della luce blu e gialla (rapporto B/Y) aumenta in modo significativo, facendo sì che il colore della luce bianca in uscita diventi più bluastro (corrispondente a un valore CCT molto elevato, ad esempio superiore a 10.000 K)9. Sebbene sia facile rilevare la luce bluastra utilizzando uno strumento ottico, non è facile percepirla con gli occhi umani. Pertanto, una volta che si verifica una perdita di luce blu, gli occhi dell'utente potrebbero essere esposti alla luce bluastra senza alcun segnale di avvertimento. La Figura 2 illustra le caratteristiche della temperatura in condizioni normali e anormali, nonché l'effetto del surriscaldamento sul rapporto B/Y. In caso di surriscaldamento, le temperature dei LED pcW diventano molto più elevate rispetto alle condizioni normali24,25. Inoltre, a causa della differenza nel tasso di decadimento termico, i rapporti B/Y in condizioni di surriscaldamento sono più elevati che in condizioni normali. L'elevata temperatura nel volume del contenitore di un LED pcW potrebbe causare l'estinzione termica del fosforo, con conseguente deriva del colore che induce perdite di luce blu. Una volta che la temperatura del fosforo aumenta, l'estinzione termica della particella di fosforo riduce l'efficienza quantica esterna in modo tale che venga emessa meno luce gialla e più luce blu attraversi il volume del fosforo. Se la gestione termica non è sufficientemente buona, l'equilibrio tra la luce blu e quella gialla durante il normale funzionamento non sarà più mantenuto. Di conseguenza, indurrà una forte deriva della CCT o addirittura una perdita di luce blu nelle condizioni peggiori26,27.