led燈設計 led照明設計
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產品知識  Product Knowledge

熱力學的應用:光電轉換性能

熱力學是研究「熱(Heat)」與「功(Work)」兩者間相互轉換過程的一門學問,而此轉換過程會牽涉到物質的物理性質之變化;物質之物理性質以物質整體總效應所顯示之性質為代表,並不考慮組成分子之個別效應。

LED是一種能發光的半導體電子元件,既然是電子元件,就必須要靠電能來驅動,既然會消耗電能,就表示會產生額外的熱,而產生的熱並不是我們所期望,若不設法將這些熱排除掉,熱量堆積的結果會導致LED元件溫度的升高,溫度愈高,LED發光性能將會跟著降低,而長期處於高溫下,LED表面封膠更會加速變質,進而造成色溫偏移、元件衰敗,甚至晶粒膨脹燒毀,種種問題都因熱量堆積而起。

因此,LED燈具機構首重在於排除LED本身所產生的廢熱,可說是一門研究熱傳導的學問;既然要研究熱傳導,就脫離不了熱力學這門課題。

熱力學第一定律:能量守恆定律

能量不能被產生也不能被消滅,只能從一種形式轉換成另一種形式。能量有很多種存在形式,例如電能、磁能、位能、熱能、動能、化學能、核能等諸多存在形式。

可見光(Visible light)屬於電磁波頻譜之中,人眼可以看見(感受)的部分,LED是一種可將電能轉換成電磁輻射能的電子元件;在轉換過程中,LED不可能將一份的電能量,百分之百轉換成一份相等能量的可見光。

根據實驗結果,輻射量與光度量之間的變換關係認定為:(流明/瓦);意即「1瓦功率,波長為555 nm(柰米)的單色輻射對三種視覺都具有683.002流明(lm)的光通量」;因此,目前科學認定為「每瓦功率可產生683.002流明(lm)之光通量」,意即能量完全轉換情況下,每瓦功率可得到683.002流明(lm)。

LED製造商皆會在其銷售產品標示每瓦功率能夠轉換成多少流明值;而當今商用LED轉換性能最高約為每瓦能產生140流明,亦即每瓦電能僅有約20%轉為我們需要的可見光,其餘80%則以熱的形式流失掉;若不考慮其它元件的消秏,亦即12瓦燈具,有80%約9.6瓦的電能轉變成熱能。隨著科技的進步,在2012年4月美國Cree公司發表每瓦可達254流明的新技術,光電轉換率達到41%,雖然此技術截至2015年初仍未量產上市,未來卻是指日可待。

熱力學第二定律:熱的傳遞方向為高溫傳向低溫處,熱能絕不會自然由低溫往高溫處流動。

熱力學第零定律:熱平衡定律

當一杯熱水放在桌上,最後會變成常溫的水,這是大部份人都了解的現象。這表示兩個不同溫度的物體接觸後,熱會從高溫的物體傳向低溫的物體,最終兩個物體的溫度皆會相同,當兩個物體溫度相同時,熱傳遞就會停止,表示已達到「熱平衡」。

由此可知,溫差是最重要的散熱機制,如何有效利用溫差來散熱,則必須應用到「熱傳學」這門學問。

比熱容量

比熱容量(Specific Heat Capacity,符號「c」),簡稱比熱,亦稱比熱容,意指:「1克的物質上升1℃所需要的熱量」,用來代表物質儲存熱的能力,熱力學中常用的一個物理量,單位是「焦耳」。比熱容量的大小與升高溫度所需要的時間以及過程有關,不同的過程會有不同的比熱容量值,也會因大氣壓力和相態(物質的三種相態為固態、液態、氣態)不同而有所差異,此定理基本公式為:

c:比熱容量
H:所需的熱量
m:質量
ΔT:溫差

依據此公式計算得知的常用材料比熱容量如下:

比熱容量越高,越適合用在降溫用途,水是目前已知比熱容量最大且不會助燃的液體,最適合用來做降溫與滅火用途,可說是最佳的冷卻劑。

對燈具製造商而言,並無法控制LED的光電轉換效率,因而求其次,改研究燈具的熱傳遞性能。因此,如何使LED產生的熱不會堆積在燈具內部,研究熱形式的能量傳遞,則是燈具製造商應該具備的專業知識。

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