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Jan 31, 2024

Aktive Thermik

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12433 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie haben wir einen Schaltungsentwurf zur Lösung von Problemen im Zusammenhang mit dem Austreten von blauem Licht (z. B. Augenschäden) vorgeschlagen und demonstriert, wenn phosphorkonvertierte weiße Leuchtdioden (pcW-LEDs) überhitzen. Diese Schaltung benötigt lediglich einen Thermistor mit positivem Wärmekoeffizienten, einen Widerstand und Dioden in Reihe und parallel. Somit kann es problemlos in Komponenten integriert werden. Simulationen und entsprechende experimentelle Ergebnisse zeigen, dass diese Methode den Injektionsstrom der überhitzten Komponente präzise unterdrücken kann und dafür sorgt, dass LEDs nach der Rückkehr auf die Betriebstemperatur normal funktionieren. Dadurch können die Augen des Benutzers aktiv geschützt werden, um beispielsweise bei Überhitzung eine Belastung durch das bläuliche Licht zu vermeiden. Darüber hinaus ist das Erlöschen des Lichtstroms ein Signal, das den Benutzer daran erinnert, die LED auszutauschen. Die vorgeschlagene Methode ist kostengünstig, effektiv, einfach und nützlich, um die Qualität der LED-Beleuchtung und die biologische Sicherheit zu erhöhen.

Solid-State-Beleuchtung (SSL) hat aufgrund ihrer Vorteile, darunter hohe Energieeffizienz, schnelle Reaktion, akzeptable Farbwiedergabe, lange Lebensdauer und niedrige Kosten, nach und nach Glühlampen ersetzt1,2,3,4,5,6. Das weiße Licht kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, beispielsweise durch dichromatische, trichromatische und tetrachromatische Ansätze2. Unter diesen ist der dichromatische Ansatz aufgrund seiner Einfachheit und Effizienz weit verbreitet; Bei diesem Ansatz wird das weiße Licht durch eine Kombination aus einem blauen Leuchtdiodenchip (LED) und gelbem Phosphor2 erzeugt. Eine solche weiße Lichtquelle wird üblicherweise als phosphorkonvertierte weiße Leuchtdiode (pcW-LEDs) bezeichnet. Unter normalen Bedingungen tragen zwei Hauptquellen wesentlich zur Wärmeerzeugung im Betriebsprozess der pcW-LED-Struktur bei: die Wirksamkeit des blauen LED-Chips und die Umwandlungseffizienz des Leuchtstoffs (einschließlich seiner eigenen Quanteneffizienz und Stokes-Verluste). . Die erste Wärmequelle hängt mit der Umwandlungseffizienz des injizierten Elektrons in das emittierte blaue Photon im elektrischen Fluss durch die blauen LED-Chips zusammen. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer in optische Leistung kann mehr als 70 % betragen; Somit können mindestens 30 % der zugeführten elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt werden7,8. Die zweite Wärmequelle ist der Phosphorbereich und hängt mit dem Stokes-Verlust zusammen, dh dem Wellenlängenunterschied zwischen der Anregungs- und der reemittierten Wellenlänge2,9. Wenn die Spitzen der blauen Anregungs- und der gelben Emissionswellenlänge 450 nm bzw. 550 nm betragen, beträgt die Wellenlängenumwandlungseffizienz (das Verhältnis der Anregungswellenlänge zur Reemissionswellenlänge) etwa 82 %. Daher werden etwa 18 % der Energie aus diesem Prozess in Wärme umgewandelt. Insbesondere wenn die normalen Bedingungen nicht eingehalten werden, wird aufgrund der Dominanz der strahlungslosen Umwandlung im blauen LED-Chip- und Leuchtstoffbereich eine größere Wärmemenge erzeugt. Es ist bekannt, dass Wärme ein unvermeidbares Problem bei pcW-LEDs ist, das viele negative Auswirkungen auf die Qualität des ausgegebenen weißen Lichts hat, wie z. B. Erhöhungen der korrelierten Farbtemperatur (CCT), Farbverschiebungen, Leistungsminderungen und Verschlechterungen der mechanischen Eigenschaften10 ,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Ein relativ schwerwiegendes Problem im Zusammenhang mit dem Wärmeeffekt ist das Phänomen, dass bläuliches Licht beobachtet werden kann, selbst wenn die Lampe noch hell ist, wie in Abb. 1 dargestellt. Dies liegt daran, dass die thermische Zerfallsrate von gelbem Licht schneller ist als die von blauem Licht , erhöht sich das Leistungsverhältnis von blauem zu gelbem Licht (B/Y-Verhältnis) erheblich, was dazu führt, dass die Farbe des ausgegebenen weißen Lichts bläulicher wird (entsprechend einem sehr hohen CCT-Wert, z. B. höher als 10.000 K)9. Obwohl sich bläuliches Licht mit einem optischen Instrument leicht erkennen lässt, ist es mit dem menschlichen Auge nicht leicht wahrzunehmen. Sobald daher ein Austritt von blauem Licht auftritt, können die Augen des Benutzers ohne Warnsignal bläulichem Licht ausgesetzt sein. Abbildung 2 zeigt die Temperatureigenschaften bei normalen und anormalen Bedingungen sowie die Auswirkung von Überhitzung auf das B/Y-Verhältnis. Bei Überhitzung steigen die Temperaturen der pcW-LEDs deutlich höher als unter normalen Bedingungen24,25. Darüber hinaus sind die B/Y-Verhältnisse aufgrund der unterschiedlichen thermischen Zerfallsgeschwindigkeit unter Bedingungen, bei denen es zu Überhitzung kommt, höher als unter normalen Bedingungen. Hohe Temperaturen im Gehäusevolumen einer pcW-LED können zu einer thermischen Löschung des Leuchtstoffs führen, was zu einer Farbdrift führt, die zu einem Austritt von blauem Licht führt. Sobald die Temperatur des Leuchtstoffs steigt, verringert die thermische Abschreckung des Leuchtstoffpartikels die externe Quanteneffizienz, sodass weniger gelbes Licht emittiert wird und mehr blaues Licht durch das Leuchtstoffvolumen geht. Wenn das Wärmemanagement nicht gut genug ist, wird das Gleichgewicht zwischen blauem und gelbem Licht im Normalbetrieb nicht mehr gehalten. Dies hat zur Folge, dass es im schlimmsten Fall zu einer starken CCT-Drift oder sogar zu einem Blaulichtaustritt kommt26,27.

(a) Das Blauleckproblem von phosphorkonvertierten weißen Leuchtdioden (pcW-LEDs) ist mit bloßem Auge nicht erkennbar und (b) kann durch Anpassen des Belichtungsmodus der Kamera deutlich beobachtet werden.

Darstellung der Wärmeeigenschaften und des Verhältnisses von blauem zu gelbem Licht (B/Y) bei (a) Normalzustand und (b) Überhitzungszustand.

Mehrere Studien haben das Wärmemanagement von pcW-LEDs20,21,22,23,24,25,26 untersucht. Zhang et al. berichteten über einen neuartigen blauen Leuchtstoff aus SrLu2O4: Ce3+, der durch eine Festkörperreaktion hergestellt wurde; Es bot eine hohe thermische Stabilität, wobei 86 % seiner Emissionsintensität bei Raumtemperatur bei 150 °C verblieben20. Wang et al. berichteten über die hohe thermische Stabilität von pcW-LEDs mit Ce:YAG-dotiertem Glas21. Tang et al. schlugen eine Methode zur Reduzierung der Chromatizitätsverschiebungen von LEDs unter Verwendung von Gradienten-legierten CdxZn1−xSeyS1−y @ZnS-Kern-Schale-Quantenpunkten mit verbesserter Hochtemperatur-Photolumineszenz vor22. Zhao et al. berichteten über die Abstimmung von Li-Substituenten in LED-Leuchtstoffen zur Steigerung der Effizienz, einstellbarer Photolumineszenz und verbesserter thermischer Stabilität23. Yang et al. schlugen eine Methode zur Stabilisierung der CCT in pcW-LEDs vor, die auf der Selbstkompensation zwischen der Anregungseffizienz und der Konversionseffizienz der Leuchtstoffe basiert25. In einem anderen Bericht berichten Yang et al. schlug einen praktischen Ansatz zur Messung der Phosphortemperaturen beim Betrieb von pcW-LEDs vor; Es nutzte eine berührungslose und sofortige Erkennungsmethode zur Fernüberwachung von Emissionsspektren26. Fan et al. berichteten über eine Verpackungstechnologie für weiße Hochleistungs-LEDs mit einer thermisch isolierten Phosphorbeschichtungsschicht. Die Technologie zeigte im Vergleich zu herkömmlichen LEDs einen viel höheren Sättigungspunkt für den Ausgangslichtstrom und eine bessere Stabilität der Farbeigenschaften unter Hochleistungsbetriebsbedingungen28. Im Allgemeinen konzentrieren sich die Lösungen in der Literatur hauptsächlich auf die Verbesserung der thermischen Stabilisierung des Leuchtstoffmaterials und der Verpackungstechnologien. Es gibt noch keine ideale Methode, um die negativen Auswirkungen der Überhitzung während des Betriebs von pcW-LEDs vollständig zu beseitigen.

In den letzten Jahren haben Berichte über Gefahren durch blaues Licht darauf hingewiesen, dass eine übermäßige Exposition gegenüber einer hohen Menge an blauem Licht und/oder eine längere Exposition mit einer geringen Menge an blauem Licht zu irreversiblen Schäden am Netzhautgewebe im menschlichen Auge führen kann29,30,31 ,32. Dieses Risiko wird noch gefährlicher, wenn der Benutzer ein Kind ist. Daher ist der Bedarf an einer Lösung zur Verhinderung oder Lösung des Risikos dieser Blaulichtgefahr dringender denn je, insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung der Qualität von SSLs auf LED-Basis für eine bessere Lebensqualität. Darüber hinaus stellt eine Überbelichtung mit bläulichem Licht ein verstecktes Risiko (im Hinblick auf die biologische Unbedenklichkeit für das menschliche Auge) sowie eine unangenehme Sichtbarkeit dar; Insbesondere verändert es die zirkadiane Periode und beeinflusst dadurch den menschlichen Schlaf. Dementsprechend wurden Studien durchgeführt, um die negativen Auswirkungen von blauem Licht zu reduzieren33,34,35,36.

Eine Lampe, bei der blaues Licht austritt, sollte außer Betrieb gesetzt werden, um die menschlichen Augen vor bläulichem Licht zu schützen. Nach unserem besten Wissen gibt es keine Studie zur Verhinderung des Austritts von blauem Licht aus pcW-LEDs bei Überhitzung. In dieser Studie haben wir eine Lösung zur Vermeidung des Blauleckproblems bei pcW-LEDs vorgeschlagen und demonstriert. Um eine Überhitzung zu erkennen und den eingespeisten Strom für pcW-LEDs entsprechend zu reduzieren, wurde eine Schaltung entwickelt. Dadurch wurde das abgegebene weiße Licht deutlich unterdrückt, was zu einem Dimmen der Lampe führte. Die Augen des Benutzers wurden daher aktiv geschützt, um zu vermeiden, dass er bei Überhitzung bläulichem Licht ausgesetzt wird. Darüber hinaus erinnerte der Dimmzustand der Lampe mit dem Blaulichtaustritt den Benutzer daran, sie durch eine neue zu ersetzen.

Um einen Überblick über die Eigenschaften einer Lampe mit blauem Licht zu geben, wurde in dieser Studie ein Überhitzungszustand bei pcW-LEDs erzeugt. An pcW-LEDs vom Typ Cree XML wurden ein elektrischer Strom mit 2,5 A und eine reduzierte Wärmeableitung angelegt. Die Temperatur und die optischen Eigenschaften wurden mit einem Thermoelement Typ T bzw. einem Spektrometer gemessen. Der entsprechende Versuchsaufbau und seine Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 3 bzw. 4. Die in Abb. 4 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass eine Überhitzung der pcW-LEDs schwerwiegende Auswirkungen auf die Farbleistung des ausgegebenen weißen Lichts hat, selbst wenn die Lampe hell bleibt. Der CCT steigt von 6500 K bis zu einem sehr hohen Wert (z. B. höher als 8000 K und bis zu 12.000 K), der der bläulichen Farbe entspricht. Die Temperatur zeigt Werte in einem sehr hohen Temperaturbereich, nämlich 180 °C bis 240 °C.

(a) Versuchsaufbau zum Testen der Auswirkung von Überhitzung. (b) Vergrößerter Teil des grünen gestrichelten Rechtecks ​​in Foto (a).

Zusammenhang zwischen den optischen Eigenschaften und dem Überhitzungszustand.

Im Allgemeinen lässt sich der Zusammenhang zwischen blauen Leckagephänomenen und der Temperatur anhand der Ergebnisse für CCT und Temperatur deutlich erkennen. Da das ausgegebene weiße Licht zu bläulichem Licht wird, sollte die Lampe nicht mehr verwendet werden, um Augenschäden zu vermeiden, und die aktuelle Lampe sollte durch eine neue ersetzt werden. Daher ist die Suche nach einer Möglichkeit, den Betrieb der pcW-LEDs anzuhalten, wenn ein Austritt von blauem Licht auftritt, eine Möglichkeit, die negativen Auswirkungen von blauem Licht auf Benutzer in einer beleuchteten Umgebung zu verhindern.

Da bläuliches Licht, sobald es auftritt, nicht leicht zu erkennen ist, haben wir unser Design auf der Beziehung zwischen der Temperaturcharakteristik und dem Blauleckzustand basiert. Wir verwendeten einen Wärmesensor, also einen Thermistor mit positivem Wärmekoeffizienten (PTC), um den Überhitzungszustand zu erkennen. Als die Überhitzung auftrat, reduzierte der PTC-Thermistor den durch die pcW-LEDs fließenden Strom und verursachte dadurch eine Flusslöschung für die pcW-LEDs. Der reduzierte Strom für die pcW-LEDs wurde in einen zweiten Zweig mit nicht strahlenden Dioden und einem Festwiderstand umgeleitet. Die Temperaturabhängigkeit des PTC ist in Abb. 5a dargestellt. Die IV-Kennlinie der nichtstrahlenden Diode ist in Abb. 5b dargestellt. Ein Diagramm der Schaltungsanschlüsse ist in Abb. 6 dargestellt.

(a) Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Thermistors mit positivem thermischen Koeffizienten (PTC). (b) I–V-Kennlinie der IN5408-Diode.

Schaltungsdesign zur Verhinderung des Austretens von blauem Licht.

Die Schaltungsverbindungen können wie folgt beschrieben werden. Der obere Zweig umfasst den PTC-Thermistor und die in Reihe geschalteten pcW-LEDs. Der untere Zweig umfasst den Festwiderstand und eine Reihe von sechs strahlungslosen Dioden (Typ IN5408). Die IN5408-Dioden wurden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, einen großen elektrischen Strom von bis zu 3 A fließen zu lassen. Der obere Zweig und der untere Zweig sind parallel geschaltet. Der Stromkreis wird von einem konstanten elektrischen Strom gespeist.

Mit der obigen Beschreibung kann der Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und Spannung im Stromkreis wie folgt ausgedrückt werden:

Und

Dabei sind I, I1 und I2 die elektrischen Ströme im gesamten Stromkreis, im oberen bzw. unteren Zweig. R1 ist der Widerstand des Thermistors und temperaturabhängig; R2 ist der Gesamtwiderstand des Festwiderstands; VD ist die Bezeichnung für den gesamten Spannungsabfall der sechs IN5408-Dioden und VLED ist die Spannung der pcW-LEDs. Basierend auf den Beziehungen zwischen den Größen in Gl. (1) und (2) können wir die Beziehung wie folgt ableiten:

Und

Da die notwendigen Parameter bekannt sind, entspricht die Änderung der Ströme I1 und I2 in jedem Zweig dem Betrieb des PTC-Thermistors im Normalzustand (ohne Überhitzung) und unter anormalen Bedingungen (mit Überhitzung), wodurch dieser Ansatz für die Simulation geeignet ist . Im Einzelnen umfassten die in der Simulation verwendeten Parameter konstante und variable Parameter, die wie folgt beschrieben werden. Zu den konstanten Parametern gehörten die Spannung der pcW-LED (VLED), der Widerstand des Festwiderstands (R2) und der gesamte Injektionsstrom (I), der für die gesamte Schaltung eingespeist wurde. Der in der Simulation verwendete Wert von VLED betrug 3,1 V. Es wurde angenommen, dass die Temperaturabhängigkeit von VLED vernachlässigbar war. Der in der Simulation verwendete Wert von R2 betrug 1,3 Ω. Der gesamte Injektionsstrom I für die gesamte in der Simulation verwendete Schaltung betrug 0,5 A. Zu den variablen Parametern gehörten der Widerstand des Thermistors (R1) und der gesamte Spannungsabfall der sechs Dioden (VD). Der Wert von R1 wurde aus der in Abb. 5a gezeigten Widerstands-Temperatur-abhängigen Kurve ermittelt. Bei der Schaltungsverbindung wurden die sechs IN5408-Dioden in Reihe geschaltet. Der Wert jeder Diode wird aus der IV-Kurve der IN5408-Diode verwendet, wie in Abb. 5b dargestellt. Das entsprechende Ergebnis der Simulation ist in Abb. 7 dargestellt.

Änderung des Stroms im Stromkreis gegenüber der Temperatur in der Simulation.

Das Funktionsprinzip der Schaltung zur Verhinderung des Austritts von blauem Licht kann wie folgt erklärt werden. Unter normalen Bedingungen kommt es zu keiner Überhitzung; Daher liegen die Temperaturen im Stromkreis und im Bereich, in dem der PTC-Thermistor angeschlossen ist, unter 120 °C. Der PTC-Thermistor erkennt diesen Temperaturzustand und arbeitet nur im niederohmigen Modus. Es hat somit keinen Einfluss auf den elektrischen Strom im Stromkreis. Dementsprechend fließt der elektrische Strom nur im oberen Zweig und im unteren Zweig fließt kein elektrischer Strom. Unter anormalen Bedingungen erhöht die Überhitzung die Temperatur im Stromkreis und in dem Bereich, in dem der PTC-Thermistor angeschlossen ist, auf über 120 °C. Der PTC-Thermistor erkennt das Signal des Überhitzungszustands und aktiviert schnell den Hochwiderstandsmodus. Der Widerstand des PTC-Thermistors erhöht sich exponentiell, um den Strom beim Durchgang durch den oberen Zweig stärker zu behindern. Dadurch steigt der Stromfluss in den unteren Zweigen (I2) schnell an, während der Strom in den oberen Zweigen (I1) entsprechend abnimmt. Dadurch wird der Injektionsstrom für die pcW-LED schnell reduziert und der Ausgangslichtfluss deutlich unterdrückt.

Um die Änderung des elektrischen Stroms aus der Simulation zu bestätigen, wurde ein entsprechendes Experiment durchgeführt. Abbildung 8 zeigt die im Experiment verwendeten Komponenten, darunter pcW-LEDs, PTC-Thermistor, Festwiderstand, strahlungslose Dioden und thermoelektrischer Kühler (TEC). Der entsprechende Anschlussplan für das Experiment ähnelt dem in Abb. 6, jedoch wird der TEC hinzugefügt, um den PTC-Thermistor zu erwärmen. Der Versuchsaufbau zum Testen der Änderung des Stroms bei unterschiedlichen Temperaturen, die vom PTC-Thermistor erfasst werden, ist in Abb. 9 dargestellt. Um die Änderung des Widerstands des PTC-Thermistors zu bewirken, wird der Thermistor durch die heiße Oberfläche der TEC-Komponente erhitzt. Die Temperatur wird durch das Thermoelement (Typ T) erfasst, das sich sehr nahe an der Schnittstelle zwischen der heißen TEC-Oberfläche und dem PTC-Thermistor befindet. Für eine gute Wärmeleitung wird ein Wärmeleitgel mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,8 W/m K verwendet. Der Temperaturwert wird in Echtzeit mithilfe eines an einen Computer angeschlossenen PicoLog TC08-Instruments erfasst. Der für den gesamten Stromkreis eingespeiste elektrische Strom (I) wird basierend auf Langzeittests des Ulbrichtkugelsystems gemessen. Der elektrische Strom im unteren Zweig (I2) wird mit einem Amperemeter gemessen. Mit einer Kamera werden gleichzeitig der Computer-Desktop und der Amperemeter-Bildschirm aufgezeichnet und so die sich über die Zeit ändernden Temperatur- und Stromstärkewerte angezeigt.

Im Experiment verwendete Komponenten, (a) PC-WLEDs, (b) PTC-Thermistor, (c) Festwiderstand, (d) Dioden, (e) thermoelektrischer Kühler (TEC).

(a) Versuchsaufbau zum Testen der Stromänderung bei unterschiedlichen erfassten Temperaturen durch einen PTC-Thermistor. (b) Vergrößerter Teil des rot markierten Rechtecks ​​im Foto (a).

Die experimentellen Ergebnisse der Änderung des elektrischen Stroms in jedem Zweig des Stromkreises sind in Abb. 10 dargestellt. Wenn die Temperatur weniger als 120 °C beträgt, ändert sich der elektrische Strom in jedem Zweig nicht, da der PTC-Thermistor im Stromkreis arbeitet Niederwiderstandsmodus. Wenn die Temperatur 120 °C überschreitet, wird der PTC-Thermistor aktiviert, um im Hochwiderstandsmodus zu arbeiten, wodurch der durch ihn fließende Strom stärker behindert wird. Der elektrische Strom im oberen Zweig (I1) wird daher zum unteren Zweig umgeleitet, was zu einer Reduzierung von I1 im oberen Zweig führt. Der reduzierte I1 trägt zur Erhöhung des elektrischen Stroms im unteren Zweig (I2) bei. Es ist notwendig, die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Stroms im Stromkreis zwischen den Simulationsergebnissen und den experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Basierend auf dem qualitativen Vergleich zwischen den in den Abbildungen dargestellten Ergebnissen. 7 und 10 zeigen die Experiment- und Simulationsergebnisse eine hohe Ähnlichkeit.

Änderung des Stroms im Stromkreis in Abhängigkeit von der Temperatur im Experiment.

Die letzte Aufgabe besteht darin, die Flusslöschung aufgrund der Stromreduzierung bei Überhitzung in der realen Stromkreisverbindung zu bestätigen. Daher wurde eine reale Schaltung hergestellt und ein entsprechendes Experiment durchgeführt. Der Versuchsaufbau und die reale Schaltung (letztere befindet sich in einer Ulbrichtkugel) sind in Abb. 11a bzw. b dargestellt. In diesem Experiment wurde die Überhitzung durch Übersteuerung erzeugt und nicht durch Erhitzen durch die heiße Oberfläche des TEC-Geräts. Die Temperatur wurde in Echtzeit mit einem Thermoelement gemessen, das an ein PicoLog TC08-Instrument angeschlossen war. Die optischen Eigenschaften wurden im Langzeittestmodus des Ulbrichtkugelsystems gemessen. Die elektrische Stromeinspeisung für den gesamten Schaltkreis (I) wurde auf Basis eines Konstantstrommodus eingestellt und konnte in Echtzeit erfasst und aus den Ergebnissen des Langzeittestmodus der Ulbrichtkugel extrahiert werden. Der Wert des elektrischen Stroms in dem Zweig, der den Festwiderstand und die strahlungslosen Dioden (I2) enthält, wurde mit einem Amperemeter erfasst. Eine Kamera wurde eingerichtet, um die zeitliche Änderung des elektrischen Stroms I2 sowie die auf dem Amperemeter und dem Computerbildschirm angezeigten Temperaturwerte aufzuzeichnen.

(a) Versuchsaufbau. (b) Die Struktur wird innerhalb der Ulbrichtkugel aufgebaut.

Die Ergebnisse des Experiments sind in Abb. 12 dargestellt. Bei starker Überhitzung steigt die Temperatur der LED-Platine schnell an und der PTC-Thermistor erwärmt sich. Wenn die Temperatur des PTC-Thermistors die Arbeitstemperatur des PTC-Thermistors überschreitet, wird der Hochwiderstandsmodus aktiviert und reduziert den elektrischen Strom im Stromkreiszweig mit den pcW-LEDs (I1), wie in Abb. 12a dargestellt. Gleichzeitig führt die verringerte Strommenge (I1), die in dem Zweig übertragen wird, der den Festwiderstand und die strahlungslosen Dioden enthält, zu einem Anstieg des Stroms I2, wie in Abb. 12a dargestellt. Entsprechend der Reduzierung des Stroms I1 wird der Lichtstrom deutlich und schnell unterdrückt, wie in Abb. 12b dargestellt. Wenn die Überhitzung gut kontrolliert wird, steigt die Temperatur der LED-Platine nicht mehr an, wie in Abb. 12c dargestellt.

(a) Änderung des elektrischen Stroms. (b) Abschrecken des Ausgangsflusses. (c) Die Temperaturschwankung. (d) Spektren des Ausgangslichts vor/nachdem der in pcW-LEDs eingespeiste Strom reduziert wird.

Um die Flusslöschung anhand des Spektrums deutlicher zu veranschaulichen, sind in Abb. 12d die Spektren des Ausgangslichts vor und nach der Stromeinspeisung in pcW-LEDs dargestellt. Die Zeitpunkte bei 1 s und 83 s entsprechen den Zeiten, in denen der Kaltleiter im niederohmigen Modus arbeitet und der Strom I1 nicht reduziert wird. Das Spektrum bei 83 s ist aufgrund der thermischen Löschung des blauen und gelben Lichts niedriger als das bei 1 s. Das Spektrum bei 87 s zeigt eine deutliche Unterdrückung im Vergleich zu dem bei 83 s. Diese Abschwächung des Ausgangsspektrums ist auf die deutliche Abnahme des Stroms I1 zurückzuführen, wie in Abb. 12a dargestellt. Die Spektren bei 100 s, 201 s bzw. 300 s überlappen nahezu mit denen zum Zeitpunkt von 87 s, da der PTC-Thermistor weiterhin im hochohmigen Modus arbeitet; somit bleibt I1 klein. Dies weist darauf hin, dass der PTC gut funktioniert, um den Zustand der Flusslöschung aufrechtzuerhalten.

Um die Funktionsfähigkeit des Entwurfsschaltkreises weiter sicherzustellen, wird die Temperatur reduziert, nachdem der Überhitzungszustand beseitigt ist. Abbildung 13 zeigt den Aufbau dieses Experiments, der dem Aufbau in Abb. 11 ähnelt. Die heiße Oberfläche eines thermoelektrischen (TEC) Geräts wird verwendet, um den Überhitzungszustand der Leiterplatte mit dem PTC-Thermistor und den pcW-LEDs zu kontrollieren. Das TEC-Gerät wird durch manuelles Ein-/Ausschalten einer externen Stromversorgung betrieben. Die Temperaturerfassung erfolgt über die Thermoelemente 1 und 2, die sich in der Nähe des PTC-Thermistors und der pcW-LEDs befinden. Abbildung 14 zeigt die Versuchsergebnisse für drei Phasen: normal, Überhitzung und nach Beseitigung der Überhitzung. Die Ergebnisse zeigen, dass zum Zeitpunkt von 1370 s der Überhitzungszustand durch das Einschalten des TEC erzeugt wird, was dazu führt, dass die Temperatur über den Schwellenwert ansteigt, um den PTC-Thermistor für den Betrieb im Hochwiderstandsmodus zu aktivieren. Es wird verhindert, dass der elektrische Strom durch den Thermistor fließt und in die PC-WLEDs eingespeist wird, wodurch der Ausgangslichtstrom unterdrückt wird, wie in Abb. 14b dargestellt. Zum Zeitpunkt von 1670 s wird das TEC-Gerät ausgeschaltet, die Temperatur wird auf einen niedrigeren Wert gesenkt und der PTC-Thermistor kehrt in den Niederwiderstandsmodus zurück, was zu einem Anstieg des elektrischen Stromflusses durch ihn und der Einspeisung in den PC führt -WLEDs. Infolgedessen wird es zu einer Erholung des Ausgangsflusses kommen. In Abb. 14c wird der CCT aufgrund des Temperaturanstiegs erhöht und auf einen niedrigeren Wert reduziert, wenn der Überhitzungszustand beseitigt ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der entworfene Schaltkreis dank der besonderen Eigenschaften des PTC-Thermistors bei verschiedenen Temperaturstufen im Schaltkreis gut funktionieren kann.

(a) Versuchsaufbau zum Testen der Funktionsweise des Schaltkreises im Normalzustand, bei Überhitzung und nach Beseitigung der Überhitzung. (b) Vergrößerung der rechteckigen roten gestrichelten Linie in Foto (a).

(a) Temperatur, (b) Lichtstrom und (c) CCT-Verhalten für drei Phasen des Normalzustands, der Überhitzung und nach Beseitigung der Überhitzung.

Das unvermeidbare Phänomen des Blaulichtaustritts bei pcW-LEDs steht in engem Zusammenhang mit dem Auftreten einer Überhitzung. Nach unserem besten Wissen ist dies das erste Mal, dass eine Lösung zur Verhinderung des Austritts von blauem Licht für pcW-LEDs, die mit einer Konstantstromversorgung betrieben werden, vorgeschlagen und erfolgreich demonstriert wurde. Es wurde ein Schaltkreis entworfen, bei dem der PTC-Thermistor als Wärmesensor zur Erkennung von Überhitzung verwendet wurde (was zu einem Blaulichtleckzustand führen kann). Wenn ein Überhitzungssignal auftritt, kann das Austreten von blauem Licht wirksam verhindert werden, indem ein binärer Arbeitsmodus aktiviert wird, der dem PTC-Thermistor entspricht (entsprechend den Normal- und Überhitzungsbedingungen). Nach der Aktivierung wechselt der Niederwiderstandsmodus in den Hochwiderstandsmodus, was zu einer schnellen Reduzierung des in die LEDs eingespeisten elektrischen Stroms führt. Daher kann der entsprechende Ausgangslichtstrom erheblich unterdrückt werden, wodurch verhindert wird, dass die Augen des Benutzers bläulichem Licht ausgesetzt werden. Dadurch wird die Lampe dunkler. Darüber hinaus erinnert der Dimmerzustand der Lampe den Benutzer auch daran, dass die Lampe mit dem Blaulichtverlust ausgetauscht werden sollte. Die Lösung ist nicht nur für die biologische Sicherheit des Menschen von Bedeutung, sondern auch für die Steigerung der Beleuchtungsqualität durch pcW-LEDs im SSL-Bereich. Neben den Vorteilen geringer Kosten, Einfachheit und Effektivität lässt sich diese Schaltung aufgrund ihrer Einfachheit leicht in LED-Komponenten integrieren.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Forschung wurde vom taiwanesischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie mit der Vertragsnummer 109-2221-E-008-087-MY2 bewilligt.

Abteilung für Optik und Photonik, National Central University, ChungLi, 32001, Taiwan

Ching-Cherng Sun, Quang-Khoi Nguyen, Shih-Kang Lin, Chi-Shou Wu, Tsung-Hsun Yang und Yeh-Wei Yu

Abteilung für Elektrophysik, National Yang Ming Chiao Tung University, HsinChu, 30010, Taiwan

Ching-Cherng Sun

Graduierteninstitut für Farb- und Beleuchtungstechnologie, National Taiwan University of Science and Technology, Taipei, 10607, Taiwan

Tsung-Xian Lee

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Das Studienkonzept und -design stammte vom Teamleiter CCS; das Experiment wurde von QKN durchgeführt; Diskussion mit SKL, CSW, TXL, THY und YWY; QKN schrieb das Manuskript und CCS war der korrespondierende Autor.

Korrespondenz mit Ching-Cherng Sun.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sun, CC., Nguyen, QK., Lee, TX. et al. Aktive Thermosicherung zum Stoppen des Blaulichtaustritts von weißen Leuchtdioden, die mit Konstantstrom betrieben werden. Sci Rep 12, 12433 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16587-4

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Eingegangen: 01. Mai 2022

Angenommen: 12. Juli 2022

Veröffentlicht: 20. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16587-4

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