LED COB ヒートシンクを選択する方法[フルスペクトル LED/LED COB]
LED COB ヒートシンクを選択する方法
LED照明にとって、なぜヒートシンクが大切であるか。
LED（英語のLighting Emitting Diode）は、電気エネルギーを光に変換できる半導体部品である。しかし、パワー伝達のプロセスでは、発光とは別に、多くの電力が熱エネルギーに変換されて熱を発生する。
一般に、現在のLED製造技術に基づいて、80-90 Raの演色性を有するLEDの有効性は約30％〜40％になれる。 換言すれば、30％〜40％の電力しか光に変換されず、残りの60％〜70％が熱に変換される。しかし、超高演色性を実現したLED製品にとって、例えばYUJI LEDSの高演色LED（Ra 95-98）は違う。このような高演色LEDの有効率は約20％（BCシリーズ100W LED）で、残りの80％の電力は熱に変換される。
このような高レベルの熱を放出すると、LEDは効果的な冷却システムなしで過熱により損傷される。技術的には、PN接合（Tj）の過熱はルーメンの出力減衰を引き起こし、LEDのダメージさえも引き起こす。今度は9W型のLED COB（YJ-VTC-135L-COB9W）を例として説明する。この製品の「ケース温度とルーメン出力の変化」は図１の曲線で示されている。
図1-YJ-VTC-135L-COB9Wのケース温度とルーメン出力の変化
グラフからわかるように、Tcが上昇すると、ルーメン出力はいくらか減衰する。この温度が105℃に達すると、すなわち* Tjの温度が125℃(Tj ≈ 1.2*Tc)を超えると、LEDのルーメン出力が悪くなる。工業規格によれば、この減衰が30％に達すると、LEDは不良品として認識される。
したがって、LEDの性能を保護するために、良好な熱管理が必要である。
そのために、LED COBのヒートシンクを選択するにはどうすればいいか？
既存のライトの設計時に、良いヒートシンクとのマッチングは決して容易なことではない。 LEDのメーカーが具体的な仕様を開示していない場合、自分で熱計算をし、ヒートシンクを選択しなければならない。
適切なヒートシンクに合わせるために、重要なステップは熱計算である。ヒートシンクを選ぶ前に、必要なLEDヒートシンクの熱抵抗―「*Rth」の計算が必要である。本文では、計算の方法と適切なヒートシンクを見つける方法を紹介したいと思う。
まず、熱がどのようにLEDの内部から空気に伝わるかを説明させて頂く。
図２－LED COBの断面積線図
図2からわかるように、LEDの熱伝導は以下の通りになっている。
1、熱は、LEDダイの内部のPN接合部から発生し、
2、そして、LEDダイからLED COBのケースに、
3、ケースから熱伝導材料に、
4.熱伝導材料からヒートシンクに、
5.ヒートシンクから空気に伝わる。
上記を理解できれば、熱計算と選択を行うことができる。 この手順は次のとおりである。
ステップ1：散逸パワーの算出：*Pd
ステップ2：周囲温度を計算する：*TA
ステップ3：理想的なケース温度の決定：*Tc
ステップ4：良好な熱抵抗を持つ熱伝導材料を選択する： *Rth.TIM
ステップ5：ヒートシンクに必要な熱抵抗を計算する：* Rth
ステップ6：品質の高いブランド品のヒートシンクを選択して購入する。
本文では、9W型のLED COB （YJ-VTC-135L-COB9W）を例として優れたヒートシンクをマッチする方法を紹介する。 図3は試験成績書である。
図３ YJ-VTC-135L-COB9Wの試験成績書
ステップ1：散逸パワーの算出：*Pd
散逸パワー、すなわち熱出力は、電気エネルギーから熱形態へのエネルギー変化のレベルの測定値である。 LED COBが点灯すると、光と熱を放出する。 一般に、パワーが光になる過程が「光ワット」と呼び、パワーが熱になる過程が「熱ワット」と呼ぶ。
図3の試験報告書に示されているように、光ワットの数はFe：3553mW = 3.55Wであり、総電力はPe = If*Vf = 15*600 ≈ 9000 mWである。
したがって、推定では、3.55Wの電力が光に変化し、残りの5.45Wが熱になる。熱になる5.45Wの電力は散逸パワー（Pd）とも言え、適切な冷却器によって放熱されるべきである。 換言すれば、この9W型のLED COBの能率は約40％である。公式は次のようになる。
Pd = Fe*(1-Eff) = 9*(100%-39.5%) ≈ 5.45W
LEDの散逸パワーを知るために、少なくともそのLEDの能率を製造元から入手すべきである。
ステップ2：周囲温度を計算する：*TA
この手順は簡単である。 普通はLED製造業者のデータシートからTAの数を得ることができる。 LEDデータシートのTAの典型的な数は25℃である。
ステップ3：理想的なケース温度の決定：*Tc
ケース温度の限界値も、データシートから見つけることができる。
図４– YUJILEDS™ BC 135L COBのパラメター制限
次に、85°Cより低い作業ケース温度が簡単に定義される。例えば、作業中のLED COBの最適温度は60°Cとしよう。
ステップ4：良好な熱抵抗を持つ熱伝導材料を選択する：*Rth.TIM
熱伝導材料の選択は非常に重要である。それは冷却システム全体の作業性能に影響を与える。 簡単な選択のため、0.1〜0.2℃/ Wのような優れる熱抵抗性能を備えた良好な材料をお勧めする。今度、Rth.TIM = 0.2°C/Wの熱伝導材料を選択しよう。
ステップ5：ヒートシンクの必要な熱抵抗を計算する：*Rth
* Pd、* TA、* TC、* Rth.TIM、* Dtの数値結果が得られたら、今度は優れたヒートシンクの熱抵抗を計算できる。 公式は次のとおりである。
Rth = dT/Pd-Rth.TIM = (50-25)/5.45-0.2 = 4.38°C/W
Rthの値が低いほど、その性能は向上する。
ステップ6：品質の高いブランド品のヒートシンクを選択して購入する
推奨するヒートシンクのブランドは以下の通りである：
a、 MechaTronix：https://www.led-heatsink.com
b、 MingFa：https://www.mingfatech.com
c、 Cooliance：http://www.cooliance.com/
*Pd：接合部で放散され、LEDモジュールを通って伝導する熱である。
*Tj：デバイスの接合部の温度である。
*Tc：ケース温度である。
*dT：この温度になったら、ヒートシンクが基板に取り付ける。
*TA：周辺気温である。
*Rth.TIM:ケースとヒートシンク間の熱抵抗（TIM抵抗）である。
*Rth:熱抵抗である。
