Térmica ativa

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 12433 (2022) Citar este artigo

Neste estudo, propusemos e demonstramos um projeto de circuito para resolver problemas relacionados ao vazamento de luz azul (por exemplo, danos aos olhos) quando diodos emissores de luz branca convertidos em fósforo (PCW-LEDs) superaquecem. Este circuito precisa apenas de um termistor de coeficiente térmico positivo, resistor e diodos em série e paralelo; assim, pode ser facilmente integrado em componentes. Simulações e resultados experimentais correspondentes mostram que este método pode suprimir com precisão a corrente de injeção do componente de superaquecimento e permitir que os LEDs funcionem normalmente após retornarem à temperatura operacional. Permite assim que os olhos do utilizador sejam protegidos activamente, por exemplo, para evitar a exposição à luz azulada quando ocorre sobreaquecimento. Além disso, a extinção do fluxo luminoso é um sinal para lembrar o usuário de substituir o LED. O método proposto é de baixo custo, eficaz, simples e útil para aumentar a qualidade da iluminação LED e a segurança biológica.

A iluminação de estado sólido (SSL) tem substituído gradualmente as lâmpadas incandescentes devido às suas vantagens, incluindo alta eficiência energética, resposta rápida, reprodução de cores aceitável, longa vida útil e baixo custo1,2,3,4,5,6. A luz branca pode ser criada de diferentes maneiras, como por meio de abordagens dicromáticas, tricromáticas e tetracromáticas2. Dentre elas, a abordagem dicromática é amplamente utilizada devido à sua simplicidade e eficiência; nesta abordagem, a luz branca é criada por uma combinação de uma matriz de diodo emissor de luz (LED) azul e fósforo amarelo2. Essa fonte de luz branca é comumente chamada de diodos emissores de luz branca convertidos em fósforo (PCW-LEDs). Em condições normais, existem duas fontes principais que contribuem significativamente para a geração de calor no processo operacional da estrutura dos LEDs pcW: a eficácia da matriz LED azul e a eficiência de conversão do fósforo (incluindo sua própria eficiência quântica e perda de stokes) . A primeira fonte de calor está relacionada à eficiência de conversão do elétron injetado no fóton azul emitido no fluxo elétrico através das matrizes do LED azul. A eficiência de conversão de energia elétrica em óptica pode ser superior a 70%; assim, pelo menos 30% da energia elétrica de entrada pode ser transformada em calor7,8. A segunda fonte de calor é a região do fósforo e está relacionada à perda de Stokes, ou seja, à diferença de comprimento de onda entre os comprimentos de onda de excitação e reemissão2,9. Se os picos dos comprimentos de onda de excitação azul e de emissão amarelo forem 450 nm e 550 nm, respectivamente, a eficiência de conversão do comprimento de onda (a razão entre o comprimento de onda de excitação e o comprimento de onda de reemissão) é de aproximadamente 82%. Portanto, aproximadamente 18% da energia desse processo é convertida em calor. Notavelmente, se as condições normais não forem bem mantidas, uma maior quantidade de calor será gerada, devido ao domínio da conversão não radiativa na matriz do LED azul e na região do fósforo. É bem sabido que o calor é um problema inevitável nos LEDs pcW, levando a muitos efeitos negativos na qualidade da luz branca de saída, como aumentos da temperatura de cor correlacionada (CCT), mudanças de cor, reduções de eficácia e degradações de propriedades mecânicas10 ,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Um problema relativamente sério relacionado ao efeito do calor é o fenômeno no qual a luz azulada pode ser observada mesmo se a lâmpada ainda estiver brilhante, como mostrado na Fig. 1. Devido à taxa de decaimento térmico da luz amarela ser mais rápida do que a da luz azul , a relação de potência da luz azul para amarela (relação B/Y) aumenta significativamente, fazendo com que a cor da luz branca de saída se torne mais azulada (correspondendo a um valor CCT muito alto, por exemplo, superior a 10.000 K)9. Embora seja fácil detectar a luz azulada usando um instrumento óptico, não é fácil percebê-la com os olhos humanos. Portanto, uma vez que ocorre o vazamento de luz azul, os olhos do usuário podem ser expostos à luz azulada sem qualquer sinal de alerta. A Figura 2 ilustra características da temperatura em condições normais e anormais, bem como o efeito do superaquecimento na relação B/Y. Quando ocorre superaquecimento, as temperaturas dos LEDs pcW tornam-se muito mais altas do que em condições normais24,25. Além disso, devido à diferença na taxa de decaimento térmico, as relações B/Y em condições onde ocorre sobreaquecimento são mais elevadas do que em condições normais. A alta temperatura no volume do pacote de LEDs pcW pode causar extinção térmica do fósforo, resultando em desvio de cor que induz vazamento de luz azul. Uma vez que a temperatura do fósforo aumenta, a extinção térmica da partícula de fósforo reduz a eficiência quântica externa, de modo que menos luz amarela é emitida e mais luz azul passa através do volume de fósforo. Se o gerenciamento térmico não for suficientemente bom, o equilíbrio entre a luz azul e a luz amarela em operação normal não será mais mantido. Como resultado, induzirá forte desvio da TCC ou até mesmo vazamento de luz azul nas piores condições26,27.