Soğutucu
Konvansiyonel aydınlatmaların verimsizliğinin en büyük nedenlerinden birisi sistemden çekilen elektriksel gücün %80’den fazlasını ısıya dönüştürüp, geriye kalan kısmı ışık akısı olarak verebilmesiydi.
Bu sistem LED teknolojisi ile daha iyi konumlara getirilmesine karşın yine de mevcut aydınlatma teknolojilerinde sistemden çekilen enerjinin hala büyük bir kısmı ısıya dönüşüp kaybolmaktadır. LED teknolojisinde bu kayıp, ortalama %70 ısı, %30 ışık olarak karşımıza çıkmaktadır.
Bir LED armatürü elinize aldığınızda ilk dikkatinizi çeken parçalarından birisi üzerindeki soğutma kütlesidir. Birçok tüketici LED armatür üzerindeki soğutma kütlesinin, LED’in sistemden çektiği enerjinin büyük kısmını ısı olarak kaybetmesini önlemek için tasarlandığını düşünmektedir. Bu bir yanılgıdır. LED armatür üzerindeki soğutma kütlesinin tek amacı LED Çiplerin ısı karşısında verimliliklerini çok çabuk kaybetmesinden dolayı, LED Çipi optimum sıcaklıkta tutabilmektir.
LED Çipler, üreticiden üreticiye değişmekle birlikte ortalama +50 °C ile +150 °C arasında çalışma sıcaklığına dayanıklıdırlar. Buradaki +150 °C üst sınırdır. Günümüzde ticari olarak kullanılan LED Çipler +105 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda deformasyona uğramaya ve verimliliklerini büyük ölçüde kaybetmeye başlamaktadır. Bu da LED teknolojisinin sağladığı uzun ömür kavramını ortadan kaldırır.
LED teknolojisinin uzun ömür, yüksek ışık akısı, etkinlik faktörü, verimlilik gibi tüm pozitif özelliklerinin temelinde LED Çipin optimum sıcaklık seviyelerinde tutulması yatmaktadır. Bu nedenledir ki LED Çip üreticileri ürünlerinin raporlarında çalışma sıcaklıkları ve bu sıcaklıklar karşısında LED Çip’in göstereceği tepkileri belirtmektedirler.
Literatürde jonksiyon bölgesi olarak geçen ve LED Çipin ışık kaynağının çıktığı nokta en kritik bölgedir. Bu bölgedeki sıcaklık da jonksyion sıcaklığı olarak tanımlanmakta ve bu sıcaklığın belirtilen değerler dışına çıkılması sonucu LED Çip’in verimlilik ve ömrü değişmektedir.
Bu nedenle LED armatür üreticileri jonksiyon sıcaklığını optimum değerlerde tutabilmek için jonksiyon bölgesindeki ısıyı çekip dışarı atacak soğutma sistemleri tasarlayıp kullanmak zorundadırlar.
Jonksiyon bölgesinden ısıyı dışarı yönlendirebilmek için LED Çip üreticileri iç kısımda ısı iletimini sağlayan reçine kullanırlar, bu sayede jonksiyon bölgesindeki ısı arka tarafa yönlendirilir, buradan lehim noktalarına ve oradan PCB’ye, daha sonrada soğutucu kütleye transfer olan ısı buradan dış ortama aktarılır.
Soğutma teknolojisinde iki yöntem mevcuttur, bunlar aktif ve pasif soğutma olarak geçmektedir. Aktif soğutma fanlı sistemleri içermektedir, pasif soğutma ise soğutma kütleleri ile yapılmaktadır.
Aktif soğutma sistemleri fanlar yardımıyla LED Çip üzerindeki ısıyı doğrudan dışarıya atabilmektedirler ve çok hafif bir sistemleri vardır fakat maliyetler açısından günümüzde pasif soğutma kullanımı tercih edilmektedir.
Pasif soğutma sistemlerinde kullanılacak materyalin en önemli özelliği ısı iletkenlik katsayısının yüksek olmasıdır. Bakır gibi malzemeler bu konuda daha iyi olmasına karşın fiyat/performans kıyaslamasında günümüzde %100’e yakın olarak Alüminyum materyali soğutma sistemlerinde kullanılmaktadır.
Tasarlanan armatür sınıfına ve biçimine göre bu alüminyum kütleler, ekstrüzyon, enjeksiyon veya döküm yöntemleri ile şekillendirilirler. Tabii tasarlanan armatürün gücü, LED dizilim alanı, kullanılan LED Çip’in ısıl değerleri, armatürün kullanılacağı ortam sıcaklıkları gibi birçok parametreye bağlı olarak soğutma hesabı yapılması ve soğutucu kütlelerin bu yolla üretilmesi gerekmektedir. Günümüzde bu işi kolaylaştıran bilgisayar destekli programlar yoğun olarak kullanılmaya başlandı.
Yukarıdaki örnek resimde ekstrüzyon yöntemi ile işlenmiş alüminyum hammaddeli bir soğutucu görseli bulunmaktadır. Bu görseldeki yatay ve dikey federlerin amacı LED Çip üzerinden ısının mümkün olan en geniş alanda alınıp en hızlı şekilde dış ortama aktarılmasıdır.
Yüzey alanı arttıkça ısı transfer hızı arttığı için enlemesine federlerin çok sık ve ince olması tercih ediliyor. Fakat ekstrüzyon prosesi esnasında bu federlerin inceliği ve sıklığı hem kullanılacak teknolojinin yüksek kalitede olması hem de üretimi yavaşlattığı için büyük maliyetler ortaya çıkarmaktadır. Bu nedenledir ki ülkelerin bu konudaki üretim teknolojilerine bağlı olarak üretim prosesleri değişmektedir.
Bu bilgiler ışığında bir LED kaynağının doğru soğutulması için bazı önemli kriterler mevcuttur, bunlar;
- PCB ile Soğutucu kütle arasındaki termal ısı iletimini hızlandıracak termal yapışkan ya da sıvı kullanımı olmalıdır. Farklı firmaların farklı değerlerdeki ısı iletim katsayılı yapışkan ya da sıvı şeklinde ürettikleri termal sistemler ve değerleri mevcuttur.
- Seçilen soğutma kütlesinin ısı transferini doğru şekilde yapacak tasarımda olması gerekmektedir.
- Seçilen soğutma kütlesinin hammaddesi ve içindeki katkı maddelerinin doğru belirlenmiş olması gerekmektedir.
- Soğutma kütlesinin PCB’ye temas eden yüzeyinin pürüzsüz ve tam temaslı olması gerekmektedir. ( Özellikle döküm ve enjeksiyon yöntemiyle üretilen soğutucu kütlelerinde çapak sorunu olmakta ve bu yüzden soğutucu yüzey PCB’ye her noktada temas edememektedir.)
