مما تتكون إضاءة LED؟ مواد ومكونات إنارة الشوارع

ان ضوء الشارع LED يتكون من أربعة أنظمة مواد أولية: شريحة LED شبه موصلة (عادةً نيتريد الغاليوم على ركيزة من الياقوت أو كربيد السيليكون)، وغطاء من سبائك الألومنيوم المصبوب، وعدسة بولي كربونات بصرية أو عدسة PMMA، ومحرك إلكتروني مزود بلوحات دوائر مطبوعة ومكثفات إلكتروليتية. تعمل هذه المكونات معًا لإنتاج ضوء أبيض اتجاهي، وإدارة الحرارة، والبقاء على قيد الحياة في الظروف الخارجية للحصول على عمر خدمة مقدر يتراوح بين 50000 إلى 100000 ساعة. وفقًا لتقرير إضاءة الحالة الصلبة الصادر عن وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) لعام 2023، تمثل مصابيح الشوارع LED الآن ما يقرب من 37% من جميع مصابيح الطرق في الولايات المتحدة، ارتفاعًا من 5% في عام 2014. مما تتكون إضاءة LED - خاصة في تطبيقات إضاءة الشوارع الصعبة - يفسر سبب تفوق هذه المصابيح في الأداء على تركيبات الصوديوم والهاليد المعدنية عالية الضغط القديمة في كفاءة الطاقة، والتحكم البصري، وتكلفة الصيانة. تتناول هذه المقالة كل طبقة مادية من ضوء الشارع LED ، بدءًا من قالب أشباه الموصلات وحتى الغلاف المقاوم للتآكل، وذلك باستخدام بيانات من علوم المواد ومعايير القياس الضوئي ومواصفات الإضاءة البلدية.

شريحة LED: تحويل نيتريد الغاليوم والفوسفور

إن القلب الباعث للضوء لمصابيح الشوارع LED عبارة عن قالب شبه موصل من نيتريد الغاليوم (GaN) الذي ينبعث منه ضوء أزرق، والذي يتم تحويله بعد ذلك إلى ضوء أبيض واسع الطيف بواسطة طبقة فوسفور من عقيق الألومنيوم والإيتريوم المغطى بالسيريوم (YAG:Ce). تتم زراعة بلورة GaN بشكل فوقي على ركيزة - الأكثر شيوعًا الياقوت (Al₂O₃) أو كربيد السيليكون (SiC) - باستخدام ترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي (MOCVD). يؤثر اختيار الركيزة على التوصيل الحراري: يتمتع SiC بموصلية حرارية تبلغ 490 واط لكل متر كلفن (W/m·K)، وهو أعلى بكثير من 42 W/m·K للياقوت، مما يمنح مصابيح LED المستندة إلى SiC ميزة حرارية متأصلة. وفقًا لمعيار اختبار LM-80 الخاص بجمعية الهندسة المضيئة (IES)، فإن حزمة LED التي تعمل عند درجة حرارة توصيل تبلغ 85 درجة مئوية ويتم تشغيلها عند 350 مللي أمبير توفر عادةً أكثر من 60,000 ساعة من صيانة L70 لومن، مما يعني أنها تحتفظ بنسبة 70% من ناتج الضوء الأولي. الفوسفور هو طبقة مادية حرجة. YAG: يتم تشتيت فوسفورات Ce في غلاف سيليكون ويتم تطبيقها مباشرة فوق قالب LED في حزمة شريحة على اللوحة أو مثبتة على السطح. حجم الجسيمات من مسحوق الفوسفور، عادة 10 إلى 15 ميكرون، وانتظام التشتت يحدد تناسق اللون النهائي. ضوء الشارع LED . لقد وثق برنامج CALiPER التابع لوزارة الطاقة أن ترسيب الفوسفور أثناء التصنيع يمكن أن يتسبب في تحول في درجة حرارة اللون المرتبطة (CCT) بما يصل إلى 500 كلفن داخل مجموعة إنتاج واحدة، وهذا هو السبب في أن مصنعي مصابيح الشوارع المتميزين يحددون تسامحًا محكمًا مع CCT بمقدار زائد أو ناقص 150 كلفن.

مواد الإدارة الحرارية: الألومنيوم والنحاس ومركبات الواجهة الحرارية

يتم تصنيع المشتت الحراري والغطاء الخاص بمصابيح الشارع LED بشكل حصري تقريبًا من سبائك الألومنيوم المصبوبة أو المبثوقة (ADC12 أو 6063) لأن الألومنيوم يجمع بين التوصيل الحراري 150-200 واط/م·ك، والوزن المنخفض، ومقاومة التآكل الطبيعية. كل واط من الطاقة الكهربائية التي يستهلكها مصباح LED يولد ما يقرب من 0.7 واط من الحرارة التي يجب توصيلها بعيدًا عن الوصلة لإبقائها أقل من الحد الأقصى المسموح به وهو 125 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية. يفترض معيار IES TM-21 لعرض صيانة لومن LED درجة حرارة الوصلة تبلغ 85 درجة مئوية أو أقل لتوقعات العمر المنشورة. لتحقيق ذلك، تنتقل الحرارة الناتجة عن وحدة LED عبر لوحة دوائر مطبوعة ذات قلب معدني (MCPCB)، وهي عبارة عن مادة ذات طبقات مكونة من أثر دائرة نحاسية (بسمك 35 إلى 70 ميكرون)، وطبقة عازلة موصلة حراريًا (عادةً نيتريد البورون أو إيبوكسي مملوء بالألومينا)، ولوحة قاعدة من الألومنيوم. من MCPCB، تنتقل الحرارة إلى المشتت الحراري المصنوع من الألومنيوم بزعانف من خلال مادة الواجهة الحرارية (TIM) — عادةً ما تكون شحمًا حراريًا قائمًا على السيليكون مع موصلية من 3 إلى 8 واط/م·ك أو وسادة جرافيت مع 5 إلى 10 واط/م·ك. يتم بعد ذلك تعريض زعانف المشتت الحراري للهواء المحيط، ويعمل الحمل الحراري الطبيعي على تبديد الحرارة. يقارن الجدول أدناه المواد الحرارية الرئيسية وخصائصها بشكل نموذجي إنارة الطريق LED .

الجدول: المواد الحرارية المستخدمة في مسار تبديد الحرارة لمصابيح الشوارع LED. قيم التوصيل الحراري من اختبار ASTM D5470. قيم سبائك الألومنيوم والنحاس من قاعدة بيانات المواد ASM الدولية.

المواد البصرية: العدسات والعاكسات لتوزيع ضوء الطريق

يتم تشكيل البصريات الثانوية لمصابيح الشوارع LED من مادة البولي كربونات ذات الدرجة البصرية (PC) أو بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)، والتي تم اختيارها لنفاذيتها العالية (88% إلى 93%) وقدرتها على التشكيل في مصفوفات عدسات معقدة توجه الضوء على الطريق. تحل هذه المواد محل المنكسرات الزجاجية المستخدمة في مصابيح رأس الكوبرا القديمة ذات التفريغ عالي الكثافة (HID). يتطلب معيار IES TM-15-20 لتصنيف إضاءة الطرق توزيعًا زاويًا دقيقًا لكثافة الإضاءة، مثل أنماط النوع II أو III أو IV أو V. ولتحقيق ذلك، يتم إقران كل حزمة LED مع عدسة فردية مصنوعة من مادة البولي كربونات المصبوبة بالحقن، والتي تتمتع بمعامل انكسار يبلغ 1.58 وتتحمل التأثير بشكل أفضل بكثير من الزجاج. يوفر البولي كربونات أيضًا مقاومة للأشعة فوق البنفسجية عند تطبيق طبقة مثبتة بالأشعة فوق البنفسجية مقذوفة أو مغلفة. وفقًا لاختبارات التجوية المتسارعة ASTM G154، تحتفظ عدسات البولي كربونات المستقرة بأكثر من 85% من نفاذية الضوء الأولية بعد 5000 ساعة من التعرض لقوس الزينون، مما يحاكي ما يقرب من 10 سنوات من الخدمة الخارجية. بعض الأداء العالي ضوء الشارع LEDs استخدم PMMA للعدسة الداخلية بسبب وضوحها البصري الفائق (نفاذية 93%) ومعدل اصفرار أقل، ولكن PMMA أكثر هشاشة وأقل مقاومة للصدمات من البولي كربونات. غطاء العدسة الخارجي الذي يغلق الحجرة البصرية بالكامل مصنوع عالميًا من الزجاج المقسى أو البولي كربونات مع حشية من السيليكون للحصول على تصنيف IP66 لحماية الدخول ضد الغبار ونفاثات الماء.

مكونات المحرك الإلكتروني: المكثفات والمحاثات ومواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور

محرك LED عبارة عن مصدر طاقة في وضع التبديل يتكون من لوحة دوائر مطبوعة من الإيبوكسي المقوى بالألياف الزجاجية (FR-4) مملوءة بمكثفات إلكتروليتية من الألومنيوم، ومحثات ذات نوى من الفريت، وترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات من أكسيد المعدن (MOSFETs)، ومقاومات شرائح ذات غشاء سميك. تقوم هذه المكونات بتحويل جهد خط التيار المتردد الوارد (من 120 فولت إلى 480 فولت، اعتمادًا على التثبيت) إلى تيار مستمر مستمر - عادةً 350 مللي أمبير، أو 700 مللي أمبير، أو 1050 مللي أمبير - الذي يعمل على تشغيل صفيف LED. العنصر الأكثر أهمية للموثوقية هو مكثف الألومنيوم كهربائيا، الذي يقوم بتصفية تموج خرج التيار المستمر. حدد تقرير الموثوقية الصادر عن وزارة الطاقة لعام 2022 بشأن محركات LED فشل المكثف الإلكتروليتي باعتباره السبب الجذري الرئيسي لنهاية عمر السائق، بمتوسط ​​عمر مقدر يتراوح بين 10000 إلى 15000 ساعة عند 105 درجة مئوية. ومع ذلك، في مصممة تصميما جيدا ضوء الشارع LED للسائقين، يتم وضع المكثف في منطقة أكثر برودة من الهيكل، مما يزيد من عمره التشغيلي ليتناسب مع عمر مصابيح LED البالغ 50000 ساعة. للوفاء بمعايير الحماية من زيادة التيار ANSI/IEEE C62.41، يتضمن المحرك أيضًا مقاومات أكسيد معدني (MOVs) تمتص الجهد العابر حتى 10 كيلو فولت. يتم وضع المحرك بالكامل في وعاء أو تغليفه بشكل مطابق بمركب السيليكون أو البولي يوريثين لمنع دخول الرطوبة وتآكل وصلات اللحام. في عام 2024، نشر المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (ANSI) C136.38، والذي يتطلب أن تخضع محركات LED لإضاءة الطرق لاختبار حرارة رطبة لمدة 1000 ساعة عند 85 درجة مئوية ورطوبة نسبية 85% دون فشل، مما يعكس البيئة الخارجية الصعبة هذه. أضواء الطريق LED يجب أن يتحمل.

الإسكان والمواد الإنشائية: الحماية من التآكل والتركيب

الغلاف الخارجي لمصابيح الشوارع LED عبارة عن غلاف من الألومنيوم المصبوب، غالبًا ما يكون مطليًا بمسحوق مع تشطيب هجين من البوليستر أو الإيبوكسي والبوليستر، مما يوفر مقاومة لرذاذ الملح لأكثر من 1500 ساعة وفقًا لمعيار ASTM B117. توفر سبائك الألومنيوم، عادة A380 أو ADC12، نسبة قوة إلى وزن ممتازة بكثافة تبلغ 2.7 جرام لكل سنتيمتر مكعب. يدمج الغلاف زعانف المشتت الحراري ومقبس ذراع التثبيت، الذي يناسب ذراع الصاري القياسي بقطر 1.25 بوصة إلى 2.375 بوصة. السحابات المعرضة للبيئة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ (درجة 304 أو 316) لمنع التآكل الجلفاني بين المعادن المتباينة. تم تشكيل حشية الختم بين الحجرة البصرية والمبيت من مطاط السيليكون المقاوم للضغط مع صلابة Shore A من 40 إلى 50. توضح القائمة المرتبة التالية تفاصيل بناء المواد ذات الطبقات من الخارج إلى الداخل، بناءً على نموذج نموذجي ضوء الشارع LED تمزيق الإنارة التي نشرها مركز أبحاث الإضاءة.

1. طبقة نهائية من المسحوق (60-120 ميكرون): راتينج البوليستر، مقاوم للطقس، متوفر باللون الرمادي أو البرونزي أو الأسود أو الألوان المخصصة وفقًا لمعيار الألوان ANSI C136.31.
2. هيكل من الألومنيوم المصبوب (سمك الجدار 2-5 مم): يدمج زعانف المشتت الحراري وحامل ذراع الصاري. تم اختبار القوة الميكانيكية لتحمل أحمال الرياح التي تبلغ سرعتها 150 ميلاً في الساعة لكل AASHTO LTS-5.
3. حشية السيليكون (مستمرة، بسمك 2-3 مم): يحافظ على ختم IP66 بين الغلاف والعدسة البصرية. تم اختباره حتى 10,000 دورة حرارية وفقًا لمعيار ANSI C136.2.
4. عدسة البولي كربونات الثانوية: يوفر مقاومة التأثير واستقرار الأشعة فوق البنفسجية. يفي بمعايير UL 746C للتعرض للأشعة فوق البنفسجية في الهواء الطلق.
5. وحدة LED مع عدسات PMMA الأساسية: ملحق بـ MCPCB بالشحم الحراري. محاذاة بصرية ضمن زائد أو ناقص 0.5 درجة لنمط شعاع ثابت.
6. سائق LED في حجرة منفصلة: بوعاء للحماية من الرطوبة. محمية من زيادة التيار إلى 10 كيلو فولت. قابلة للاستبدال دون إزالة وحدة الإنارة بأكملها.

المزايا النسبية لمواد إضاءة الشوارع LED مقارنة بتركيبات HID القديمة

تعمل المواد المستخدمة في مصابيح الشوارع LED على التخلص من أنابيب الزئبق والرصاص والزجاج الهش الموجودة في الصوديوم عالي الضغط (HPS) ومصابيح الهاليد المعدنية، بينما تعمل البصريات الاتجاهية على تقليل هدر الضوء لأعلى بنسبة تصل إلى 80%. يحتوي مصباح HPS على 15 إلى 50 ملليجرام من الزئبق وأنبوب قوسي من السيراميك يعمل عند درجة حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية، في حين أن مصباح HPS ضوء الشارع LED لا يحتوي على زئبق، ويعمل مكونه الأكثر سخونة - وصلة LED - عند درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية. قام اتحاد إضاءة الشوارع بالحالة الصلبة البلدية التابع لوزارة الطاقة بقياس أن مصابيح LED تنتج 0.5% إلى 2% من الإضاءة مقارنة بـ 20% إلى 35% لتركيبات رأس الكوبرا التقليدية مع كاسرات زجاجية متدلية، مما يقلل من توهج السماء وتجاوز الضوء. يمكن إعادة تدوير الهيكل المصنوع من الألومنيوم بالكامل في نهاية العمر الافتراضي، ويمكن فصل عدسات البولي كربونات ميكانيكيًا وإعادة تدويرها من خلال تيارات استرداد البولي كربونات. امتثال توجيهات تقييد المواد الخطرة (RoHS) للجميع ضوء الشارع LED تجعل المكونات التخلص منها أسهل وأكثر أمانًا من تركيبات HID، التي تتطلب معالجة النفايات الخطرة للمصابيح المحتوية على الزئبق.

الأسئلة المتداولة حول مواد إضاءة الشوارع LED

هل تحتوي مصابيح الشوارع LED على أي مواد خطرة؟

لا، على عكس مصابيح HPS أو بخار الزئبق، ضوء الشارع LEDs تحتوي على صفر زئبق ومتوافقة مع RoHS. شريحة LED مغلفة بالسيليكون، ويستخدم السائق مكونات إلكترونية قياسية، والجسم مصنوع من الألومنيوم. قد تحتوي بعض مكثفات التشغيل على كميات صغيرة من الإلكتروليت، ولكنها محكمة الإغلاق ولا تشكل خطر التسرب.

لماذا يتم استخدام الألومنيوم للسكن بدلا من الفولاذ؟

يستخدم الألومنيوم لأنه يبدد الحرارة أسرع بثلاث إلى أربع مرات من الفولاذ الكربوني ويزن حوالي ثلث الوزن. يشكل غلاف الألمنيوم المصبوب أيضًا طبقة طبيعية من أكسيد الألومنيوم تقاوم التآكل دون طلاء إضافي. يُخصص الفولاذ المقاوم للصدأ للمثبتات وأجهزة التثبيت نظرًا لقوته وتوافقه مع الجلفاني.

هل يمكن أن تتحول عدسة البولي كربونات الخاصة بمصابيح الشوارع LED إلى اللون الأصفر بمرور الوقت؟

نعم، يتحول لون البولي كربونات غير المستقر إلى اللون الأصفر عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية لفترة طويلة. ومع ذلك، كل تصنيف في الهواء الطلق ضوء الشارع LEDs استخدم عدسات ذات طبقات مقاومة للأشعة فوق البنفسجية تمنع الاصفرار لمدة 10 سنوات على الأقل. أظهرت اختبارات التجوية المتسارعة وفقًا لمعيار ASTM G154 انخفاضًا بنسبة أقل من 2% في النفاذية بعد 5000 ساعة، أي ما يعادل عقدًا واحدًا تقريبًا من التعرض للأماكن الخارجية.

ما هي الركيزة المصنوعة تحت شريحة LED؟

توضع شريحة LED على ركيزة إما من الياقوت (أكسيد الألومنيوم) أو كربيد السيليكون. تعد ركائز الياقوت أكثر شيوعًا لأنها أقل تكلفة في الإنتاج، لكن ركائز SiC توفر أداءً حراريًا فائقًا. في أ ضوء الشارع LED الوحدة، يؤثر اختيار الركيزة على مدى فعالية سحب الحرارة بعيدًا عن الوصلة.

هل مصابيح الشوارع LED قابلة لإعادة التدوير في نهاية عمرها الافتراضي؟

نعم. هيكل الألومنيوم قابل لإعادة التدوير بنسبة 100%، ويمكن طحن عدسات البولي كربونات وإعادة معالجتها. تحتوي لوحة التشغيل LED على معادن قابلة للاسترداد بما في ذلك النحاس والقصدير والذهب، والتي يتم استخلاصها من خلال عمليات إعادة تدوير النفايات الإلكترونية. غياب الزئبق والرصاص يعني ذلك ضوء الشارع LEDs يمكن معالجتها من خلال قنوات النفايات الإلكترونية القياسية دون التعامل مع المواد الخطرة.

الاستنتاج: علوم المواد تقود أداء مصابيح الشوارع LED

فهم مما تتكون إضاءة LED يكشف لماذا أصبحت مصابيح الشوارع LED هي التقنية السائدة لإضاءة الطرق. بدءًا من شبه موصل نيتريد الغاليوم الذي يحول الكهرباء إلى ضوء بكفاءة تتجاوز 200 لومن لكل واط، إلى غلاف الألمنيوم المصبوب الذي يبرد النظام بشكل سلبي لعقود من الزمن، يتم اختيار كل مادة لوظيفة بصرية أو حرارية أو هيكلية محددة. إن التخلص من الزئبق وأنابيب الزجاج الهشة، بالإضافة إلى المواد البصرية الدقيقة التي توجه الضوء إلى الطريق بدلاً من السماء، يجعل ضوء الشارع LED الخيارات المادية سليمة بيئيا ومقنعة اقتصاديا. ومع استمرار علماء المواد في تطوير ركائز ذات موصلية حرارية أعلى ومكثفات تشغيل ذات عمر أطول، فإن العمر الافتراضي المذهل لهذه المصابيح والذي يصل إلى 100000 ساعة سوف يمتد إلى أبعد من ذلك، مما يقلل تكاليف الصيانة للبلديات ويحسن الرؤية الليلية لجميع مستخدمي الطريق.