Thermique actif

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12433 (2022) Citer cet article

Dans cette étude, nous avons proposé et démontré une conception de circuit pour résoudre les problèmes liés aux fuites de lumière bleue (par exemple, lésions oculaires) lorsque les diodes électroluminescentes blanches converties au phosphore (pcW-LED) surchauffent. Ce circuit n'a besoin que d'une thermistance à coefficient thermique positif, d'une résistance et de diodes en série et en parallèle ; ainsi, il peut facilement être intégré dans des composants. Les simulations et les résultats expérimentaux correspondants montrent que cette méthode peut supprimer avec précision le courant d'injection du composant en surchauffe et permettre aux LED de fonctionner normalement après leur retour à la température de fonctionnement. Il permet ainsi de protéger activement les yeux de l'utilisateur, par exemple pour éviter l'exposition à la lumière bleutée en cas de surchauffe. De plus, l'extinction du flux lumineux est un signal pour rappeler à l'utilisateur de remplacer la LED. La méthode proposée est peu coûteuse, efficace, simple et utile pour augmenter la qualité de l’éclairage LED et la sécurité biologique.

L'éclairage à semi-conducteurs (SSL) a progressivement remplacé les ampoules à incandescence en raison de ses avantages, notamment une efficacité énergétique élevée, une réponse rapide, un rendu des couleurs acceptable, une longue durée de vie et un faible coût1,2,3,4,5,6. La lumière blanche peut être créée de différentes manières, par exemple via des approches dichromatiques, trichromatiques et tétrachromatiques2. Parmi elles, l’approche dichromatique est largement utilisée en raison de sa simplicité et de son efficacité ; dans cette approche, la lumière blanche est créée par une combinaison d’une puce de diode électroluminescente (DEL) bleue et d’un phosphore jaune2. Une telle source de lumière blanche est communément appelée diodes électroluminescentes blanches converties au phosphore (pcW-LED). Dans des conditions normales, deux sources principales contribuent de manière significative à la génération de chaleur dans le processus de fonctionnement de la structure des pcW-LED : l'efficacité de la puce LED bleue et l'efficacité de conversion du phosphore (y compris sa propre efficacité quantique et sa perte d'énergie). . La première source de chaleur est liée à l’efficacité de conversion de l’électron injecté en photon bleu émis dans le flux électrique traversant les puces LED bleues. L'efficacité de conversion de la puissance électrique en puissance optique peut être supérieure à 70 % ; ainsi, au moins 30 % de la puissance électrique consommée peut être transformée en chaleur7,8. La deuxième source de chaleur est la région du phosphore et est liée à la perte de Stokes, c'est-à-dire à la différence de longueur d'onde entre les longueurs d'onde d'excitation et de réémission 2,9. Si les pics des longueurs d'onde d'excitation bleue et d'émission jaune sont respectivement de 450 nm et 550 nm, l'efficacité de conversion de longueur d'onde (le rapport entre la longueur d'onde d'excitation et la longueur d'onde de réémission) est d'environ 82 %. Ainsi, environ 18 % de l’énergie issue de ce processus est convertie en chaleur. Notamment, si les conditions normales ne sont pas bien maintenues, une plus grande quantité de chaleur sera générée, en raison de la prédominance de la conversion non radiative dans la puce bleue de la LED et dans la région du phosphore. Il est bien connu que la chaleur est un problème inévitable dans les LED pcW, entraînant de nombreux effets négatifs sur la qualité de la lumière blanche émise, tels que des augmentations corrélées de la température de couleur (CCT), des changements de couleur, des réductions d'efficacité et des dégradations des propriétés mécaniques10. ,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Un problème relativement grave lié à l'effet thermique est le phénomène dans lequel une lumière bleuâtre peut être observée même si la lampe est encore brillante, comme le montre la figure 1. En raison du taux de dégradation thermique de la lumière jaune qui est plus rapide que celui de la lumière bleue. , le rapport de puissance de la lumière bleue à la lumière jaune (rapport B/Y) augmente considérablement, ce qui rend la couleur de la lumière blanche de sortie plus bleuâtre (correspondant à une valeur CCT très élevée, par exemple supérieure à 10 000 K)9. Bien qu’il soit facile de détecter la lumière bleutée à l’aide d’un instrument optique, elle n’est pas facile à percevoir avec l’œil humain. Par conséquent, dès qu'une fuite de lumière bleue se produit, les yeux de l'utilisateur peuvent être exposés à une lumière bleuâtre sans aucun signal d'avertissement. La figure 2 illustre les caractéristiques de la température dans des conditions normales et anormales, ainsi que l'effet de la surchauffe sur le rapport B/Y. En cas de surchauffe, les températures des LED pcW deviennent beaucoup plus élevées que dans des conditions normales24,25. De plus, en raison de la différence dans le taux de dégradation thermique, les rapports B/Y dans des conditions de surchauffe sont plus élevés que dans des conditions normales. Une température élevée dans le volume du boîtier d'une LED pcW pourrait provoquer une trempe thermique du phosphore, entraînant une dérive de couleur qui induit une fuite de lumière bleue. Une fois que la température du phosphore augmente, la trempe thermique de la particule de phosphore réduit l'efficacité quantique externe de telle sorte que moins de lumière jaune est émise et plus de lumière bleue traverse le volume du phosphore. Si la gestion thermique n'est pas suffisamment bonne, l'équilibre entre la lumière bleue et la lumière jaune en fonctionnement normal ne sera plus respecté. En conséquence, cela entraînera une forte dérive du CCT ou même une fuite de lumière bleue dans les pires conditions26,27.