Notice: Undefined index: linkPowrot in C:\wwwroot\wwwroot\publikacje\publikacje.php on line 1275
Strona główna > Publikacje
Publikacje
Pomoc (F2)
[118360] Artykuł:

Arrangement of LEDs and Their Impact on Thermal Operating Conditions in High-Power Luminaires

(Rozmieszczenie źródeł LED i ich wpływ na termiczne warunki pracy w oprawach iluminacyjnych dużej mocy)
Czasopismo: MDPI ENERGIES   Tom: 15, Zeszyt: 8142, Strony: 1-17
ISSN:  1996-1073
Opublikowano: Listopad 2022
 
  Autorzy / Redaktorzy / Twórcy
Imię i nazwisko Wydział Katedra Do oświadczenia
nr 3		 Grupa
przynależności		 Dyscyplina
naukowa		 Procent
udziału		 Liczba
punktów
do oceny pracownika		 Liczba
punktów wg
kryteriów ewaluacji
Antoni Różowicz orcid logo WEAiIKatedra Energetyki, Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych *Takzaliczony do "N"Automatyka, elektronika, elektrotechnika i technologie kosmiczne1046.6770.00  
Henryk Wachta Niespoza "N" jednostki40.00.00  
Krzysztof Baran Niespoza "N" jednostki20.00.00  
Marcin Leśko Niespoza "N" jednostki10.00.00  
Sebastian Różowicz orcid logo WEAiIKatedra Urządzeń Elektrycznych i Automatyki*Takzaliczony do "N"Automatyka, elektronika, elektrotechnika i technologie kosmiczne2093.3370.00  

Grupa MNiSW:  Publikacja w czasopismach wymienionych w wykazie ministra MNiSzW (część A)
Punkty MNiSW: 140

Pełny tekstPełny tekst     DOI LogoDOI    
Słowa kluczowe:

oświetlenie  panel LED  parametry oświetlenia  temperatura złącza  modelowanie termiczne  CFD 

Keywords:

floodlighting  LED panel  lighting parameters  junction temperature  thermal modeling  CFD 


Streszczenie:

Półprzewodnikowe źródła światła stanowią obecnie najszybciej rozwijającą się grupę źródeł światła, zastępując dotychczas stosowane wyładowcze oraz żarowe źródła światła. Termiczne warunki pracy źródeł LED odgrywają ważna rolę w kontekście zachowaniu długiej żywotności oraz stałości parametrów świetlno-elektrycznych. W dziedzinie iluminacji parametr żywotności źródeł światła ma istotne znaczenie w kontekście kosztów konserwacji instalacji iluminacyjnej, natomiast utrzymanie wartości niektórych parametrów świetlnych w czasie takich jak strumień świetlny, temperatura barwowa oraz wskaźnik oddawania barw związane jest efektem estetycznym iluminacji. Dodatkowo ograniczenie temperatury złącza półprzewodnikowych źródeł światła ma szczególnie ważne znaczenie w oprawach iluminacyjnych wysokiej mocy dedykowanych zasadniczo do iluminacji zalewowych. Jednym z elementów kształtujących termiczne warunki pracy wieloźródłowych iluminacyjnych opraw LED jest zastosowana ich liczba, sposób rozmieszczenia oraz odległość pomiędzy źródłami LED zainstalowanymi na podłożu MCPCB. W artykule przedstawiono wyniki badań symulacyjnych, zrealizowane z wykorzystaniem oprogramowani CFD, gdzie wyznaczono rozkład temperatury oraz temperaturę złącza źródeł panelu LED dla różnej konfiguracji i odległości pomiędzy źródłami LED. Uzyskane wyniki poddane zostały analizie i na ich podstawie sformułowano wnioski.



Abstract:

Solid-state light sources are currently the fastest-growing group of light sources, replacing the previously used discharge and incandescent light sources. Thermal operating conditions of LEDs (Light Emitting Diode) play an important role in t maintaining long service life and constancy of luminous-electrical parameters. In the field of illumination, the service life parameter of light sources is important for the costs of maintenance of the illumination system, while the maintenance of the value of certain light parameters over time, such as luminous flux, color temperature and color rendering index, is related to the aesthetic effect of the illumination. In addition, limiting the junction temperature of solid-state light sources is particularly important in high-power luminaires dedicated to flood illumination. One of the elements shaping the thermal operating conditions of multi-source LED luminaires is the number of luminaires used, their arrangement, and the distance between LEDs installed on the MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board) substrate. This article presents the results of simulation studies, realized using CFD (Computational Fluid Dynamics) software, where the temperature distribution and the junction temperature of the LED panel were determined for different configurations and distances between the LEDs. The results obtained were analyzed and conclusions were drawn based on them. Thermal tests performed and presented in the article cover scientific issues related to shaping the temperature distribution of the LED panel. They make it possible to determine the influence of thermal couplings between the sources, related to their number, distance and the value of the forward current, on the final temperature of the LED junction temperature. The presented research results may constitute auxiliary materials for designers of lighting luminaires, especially high-power luminaires, where a large number of high-power LED sources are installed in close proximity.


B   I   B   L   I   O   G   R   A   F   I   A
1. LED Source SAW0L60A, Seoul Semiconductor. Available online: http://www.seoulsemicon.com/en/product/spec/SAW0L60A/19 (accessed on 3 September 2022).
2. Schubert, F. Light-Emitting Diode, 2nd ed. Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2006.
3. Jagerbrand, A. LED (Light-Emitting Diode) Road Lighting in Practice: An Evaluation of Compliance with Regulations and Improvements for Further Energy Savings. Energies 2016, 9, 357. [CrossRef]
4. Lasance, C. Poppe, A. Thermal Management for LED Applications Springer: New York, NY, USA, 2014.
5. Acuna, P. Leyre, J. Audenaert, J. Meuret, Y. Deconinck, G. Hanselaer, P. Impact of geometrical and optical parameters on the performance of a cylindrical remote phosphor LED. IEEE Photonics J. 2015, 7, 1601014. [CrossRef]
6. Wachta, H. Baran, K. Leśko, M. The meaning of qualitative reflective features of the facade in the design of illumination of architectural objects. AIP Conf. Proc. 2019, 2078, 020102.
7. Liu, S. Luo, X. LED Packaging for Lighting Applications. Design, Manufacturing and Testing John Wiley & Sons: Singapore, 2011.
8. Czyz˙ ewski, D. Comparison of luminance distribution on the lighting surface of power LEDs. Photonics Lett. Pol. 2019, 11, 118–120. [CrossRef]
9. Huaiyu, Y. Kohl, S. Zeijl, H. Gielen, A. A review of passive thermal management of LED module. J. Semicond. 2011, 32, 014008-1–014008-4.
10. Poppe, A. Lasence, C. On the standardization of thermal characterization of LEDs. In Proceedings of the 25th Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, San Jose, CA, USA, 15–19 March 2009 pp. 151–158.
11. Baran, K. Różowicz, A.Wachta, H. Różowicz, S. Modeling of Selected Lighting Parameters of LED Panel. Energies 2020, 13, 3583.[CrossRef]
12. Nadarajah, N. Yimin, G. Life of LED-Based White Light Sources. J. Disp. Technol. 2005, 1, 167–171.
13. Yurtseven, M.B. Mete, S. Onaygil, S. The effects of temperature and driving current on the key parameters of commercially available high-power white LEDs. Light. Res. Technol. 2016, 48, 943–965. [CrossRef]
14. Tabaka, P. Rozga, P. The light color quality of LEDs operating at winter temperatures. Photonics Lett. Pol. 2019, 11, 112–114. [CrossRef]
15. LED Cree Xlamp XP-G2. Available online: http://www.cree.com/led-components/media/documents/XLampXPG2.pdf (accessed on 5 September 2022).
16. LED Lumileds Luxeon T. Available online: http://www.lumileds.com/uploads/382/DS106-pdf (accessed on 12 September 2022).
17. Hyunjong, K. Kyoung, J. Yeonwon, L. Thermal Performance of Smart Heat Sinks for Cooling High Power LED Modules. In Proceedings of the 13th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, San Diego, CA, USA, 30 May–1 June 2012.
18. Gupta, D. Venkataraman, V. Nimje, R. CFD& Thermal Analysis of Heat Sink and its Application in CPU. Int. J. Emerg. Technol. Adv. Eng. 2014, 4, 198–202.
19. Min, W. Seung, W. Yongchan, K. Optimal thermal design of a horizontal fin heat sink with a modified-opening model mounted on an LED module. Appl. Therm. Eng. 2015, 91, 105–115.
20. Prem, K. Gopinath, S. Debartha, C. Sameer, K. Copper wick based loop heat pipe for thermal management of a high-power LED module. Appl. Therm. Eng. 2022, 211, 118459.
21. Yuan, J. Hongming, F. Wei, W. Investigation of a novel natural convection heat sink for LEDs based on U-shaped mini-heat pipe arrays. Appl. Therm. Eng. 2022, 204, 118000.
22. Huang, D. Chen, T. Tsai, L. Lin, M. Design of fins with a grooved heat pipe for dissipation of heat from high powered automotive LED headlights. Appl. Therm. Eng. 2019, 180, 550–558. [CrossRef]
23. Chengdi, X. Hailong, L. Yan, W. Junhui, L. Wenhui, Z. A novel automated heat-pipe cooling device for high-power LEDs. Appl. Therm. Eng. 2017, 111, 1320–1329.
24. Lin, X. Mo, S. Mo, B. Jia, L. Chen, Y. Cheng, Z. Thermal management of high-power LED based on thermoelectric cooler and nanofluid-cooled microchannel heat sink. Appl. Therm. Eng. 2020, 172, 115165. [CrossRef]
25. Ahlem, B. Zouhour, A. Laurent, C. Kamel, C. Georges, Z. Energy efficiency of a LED lighting system using a Peltier module thermal converter. Case Stud. Therm. Eng. 2022, 134, 101989. [CrossRef]
26. Górecki, K. The influence of mutual thermal interactions between power LEDs on their characteristics. In Proceedings of the 19th InternationalWorkshop on Thermal Investigations of ICs and Systems Therminic, Berlin, Germany, 25–27 September 2013 pp. 188–193.
27. Gong, Y. Zhu, Z. Impact of the LED chips placement and heat sink design on the multi-chip LED bump performance. In Proceedings of the 15th International Conference on Electronic Packaging Technology, Chengdu, China, 12–15 August 2014 pp. 28–31.
28. Abdelmlek, K. Araoud, Z. Charrada, K. Zissis, G. Optimization of the thermal distribution of multi-chip LED package. Appl. Therm. Eng. 2017, 126, 653–660. [CrossRef]
29. Abdelmlek, K. Araoud, Z. Canele, L. Charrada, K. Zissis, G. Optimal substrate design for thermal management of high power multi-chip LEDs module. Optik 2021, 242, 167179. [CrossRef]
30. Della Torre, A. Motenegro, G. Onorati, A. Khadilkar, S. Icarelli, R. Multi-Scale CFD Modeling of Plate Heat Exchangers Including O set-Strip Fins and Dimple-Type Turbulators for Automotive Applications. Energies 2019, 12, 2965. [CrossRef]
31. Chein, R. Chen, J. Numerical study of the inlet/outlet arrangement effect on microchannel heat sink performance. Int. J. Ther. Sci. 2009, 48, 1627–1638. [CrossRef]
32. Andersson, B. Andersson, R. Hakansson, L. Mortensen, M. Sudiyo, R. Wachem, B. Computational Fluid Dynamics for Engineers Cambridge University Press: Edinburgh, UK, 2012.
33. FloEFD. Technical Reference, Software Version 16 Mentor Graphics Corporation: Wilsonville, OR, USA, 2016.
34. Baran, K. Różowicz, A. Wachta, H. Różowicz, S. Mazur, D. Thermal analysis of the factors influencing junction temperature of LED panel sources. Energies 2019, 12, 3941. [CrossRef]
35. FloEFD Engineering Database. Available online: https://www.mentor.com/products/mechanical/floefd/ (accessed on 12 September 2022).
36. Baran, K. Wachta, H. Leśko, M. Różowicz, A. Research on thermal resistance Rthj-c of high powersemiconductor light sources. In Proceedings of the 15th Conference on Computational Technologies in Engineering, AIP Conference Proceedings 2078, Mikolajki, Poland, 16–19 October 2018 p. 020047.
37. Poppe, A. Simulation of LED based luminaires by using multi-domain compact models of LEDs and compact thermal models of their thermal environment. Microelectron. Reliab. 2017, 72, 65–74. [CrossRef]
38. JEDEC STANDARD. Two-Resistor Compact Thermal Model Guideline JESD15-3 JEDEC Solid State Technology Association: Arlington, VA, USA, 2008.
39. Carli, R. Dotoli, M. A Dynamic Programming Approach for theDecentralized Control of Energy Retrofit in Large-Scale Street Lighting Systems. IEEE Trans. Autom. Eng. 2020, 17, 1140–1157.
40. Bonomolo, M. Baglivo, C. Bianco, G. Congedo, P. Beccali, M. Cost optimal analysis of lighting retrofit scenarios in educational buildings in Italy. Energy Procedia 2017, 126, 171–178. [CrossRef]

POWRÓT
Strona główna > Publikacje