एलईडी लैंप के ड्राइवर और प्रकाशीय व्यवहार का तापमान विश्लेषण

1. परिचय एवं अवलोकन

यह अन्वेषणात्मक अध्ययन व्यावसायिक रूप से उपलब्ध, कम लागत वाले एलईडी लैंप में आंतरिक ड्राइवर सर्किट के तापीय प्रदर्शन और प्रकाशीय विश्वसनीयता के बीच महत्वपूर्ण संबंध की जांच करता है। हालांकि एलईडी प्रौद्योगिकी लंबे जीवनकाल और उच्च दक्षता का वादा करती है, यह शोध दर्शाता है कि डिज़ाइन में समझौते—विशेष रूप से तापीय प्रबंधन में—कैसे सीधे असामयिक विफलता और अनियमित व्यवहार का कारण बनते हैं, जिससे प्रौद्योगिकी के मूल्य प्रस्ताव को क्षति पहुँचती है।

2. पद्धति एवं प्रायोगिक व्यवस्था

इस अध्ययन ने सस्ते बाजार के एलईडी लैंप की विफलता प्रकारों का विश्लेषण करने के लिए दो-प्रयोगात्मक दृष्टिकोण अपनाया।

2.1. प्रकाशीय व्यवहार विश्लेषण (प्रयोग 1)

8W, 10W, 12W, और 15W की नाममात्र शक्ति वाले 131 उपयोग किए गए एलईडी लैंप का नमूना एकत्र किया गया। सभी लैंप 127V AC पर संचालित किए गए, और उनके प्रकाशीय आउटपुट को गुणात्मक रूप से वर्गीकृत किया गया। प्रेक्षित विफलता प्रकारों को व्यवस्थित रूप से दर्ज किया गया।

2.2. ड्राइवर तापमान मापन (प्रयोग 2)

एक आधार रेखा स्थापित करने के लिए, ड्राइवर बोर्ड पर प्रमुख इलेक्ट्रॉनिक घटकों—इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर, इंडक्टर्स और ICs सहित—के तापमान को सामान्य संचालन स्थितियों में लैंप आवरण के बाहर मापा गया। इसकी तुलना उन उच्च तापमानों से की गई जो अनुमानित हैं जब वही घटक लैंप बॉडी के अंदर सीमित, खराब वेंटिलेशन वाले स्थान में संचालित होते हैं।

3. परिणाम एवं प्रमुख निष्कर्ष

3.1. प्रेक्षित प्रकाशीय विफलता प्रकार

अध्ययन ने 131-लैंप के नमूने में विफलता व्यवहारों की एक श्रृंखला को सूचीबद्ध किया:

• पूर्ण विफलता (चालू न होना): व्यक्तिगत एलईडी चिप्स पर "डार्क स्पॉट्स" के लिए जिम्मेदार। श्रृंखला-जुड़े एरे में, एक विफल एलईडी सभी के लिए सर्किट खोल देती है।
• फ्लैशिंग/स्ट्रोबिंग प्रभाव: विभिन्न तीव्रताओं (उच्च, निम्न, सामान्य) पर प्रकट हुआ। ताप-क्षतिग्रस्त ड्राइवर घटकों से विद्युत दोलनों से जुड़ा हुआ।
• तेज चक्रण (चालू/बंद): तेज, बार-बार स्विचिंग।
• मंद संचालन:

  खुले वातावरण में मापने पर, घटकों का तापमान 33°C (इंडक्टर) से 52.5°C (इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर) तक था। अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि ये "आदर्श" स्थितियाँ हैं। सीलबंद लैंप बॉडी के अंदर, तापमान काफी अधिक होते हैं, जिससे रासायनिक क्षरण और घटक विफलता में तेजी आती है।

  दृश्य प्रमाण: ड्राइवर के मुद्रित सर्किट बोर्ड (PCB) पर मजबूत रंग परिवर्तन देखे गए, जो लैंप के संचालन जीवनकाल में संचयी तापीय तनाव के प्रत्यक्ष संकेतक के रूप में कार्य करते हैं।

  3.3. विफलता तंत्र विश्लेषण

  अनुसंधान तीन प्राथमिक मूल कारणों को प्रस्तुत करता है:

  1. एलईडी चिप क्षरण: गैर-उत्सर्जक "डार्क स्पॉट्स" का निर्माण जो ओपन सर्किट की ओर ले जाता है।
  2. ड्राइवर घटक तापीय क्षति: उच्च आंतरिक तापमान सेमीकंडक्टर्स और पैसिव घटकों को क्षति पहुँचाते हैं, जिससे अस्थिर विद्युत आउटपुट (दोलन) होता है।
  3. इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर विफलता: ताप के कारण सूजन और कैपेसिटेंस की हानि, जिससे अपर्याप्त ऊर्जा भंडारण और करंट रेगुलेशन होता है, जो झिलमिलाहट या मंदी के रूप में प्रकट होता है।

  4. तकनीकी विवरण एवं भौतिकी

  4.1. एलईडी I-V अभिलक्षण

  एलईडी का विद्युत व्यवहार गैर-रैखिक है। थ्रेशोल्ड वोल्टेज ($V_{th}$) से नीचे, यह एक उच्च-प्रतिरोध उपकरण की तरह व्यवहार करता है। एक बार $V_{th}$ पार हो जाने पर, वोल्टेज में थोड़ी वृद्धि के साथ करंट तेजी से बढ़ता है, जिसे डायोड समीकरण द्वारा वर्णित किया जाता है: $I = I_s (e^{V/(nV_T)} - 1)$, जहाँ $I_s$ संतृप्ति धारा है, $n$ आदर्शता कारक है, और $V_T$ तापीय वोल्टेज है। विभिन्न रंगों के लिए विभिन्न अर्धचालक पदार्थ (जैसे, नीले के लिए InGaN, लाल के लिए AlInGaP) के अलग-अलग $V_{th}$ मान होते हैं, जो आमतौर पर ~1.8V (लाल) से ~3.3V (नीला) तक होते हैं।

  4.2. तापीय प्रबंधन एवं जीवनकाल

  एलईडी जीवनकाल जंक्शन तापमान ($T_j$) से घातीय रूप से जुड़ा हुआ है। आरहेनियस मॉडल विफलता दरों का वर्णन करता है: $AF = e^{(E_a/k)(1/T_1 - 1/T_2)}$, जहाँ $AF$ त्वरण कारक है, $E_a$ सक्रियण ऊर्जा है, $k$ बोल्ट्जमैन स्थिरांक है, और $T$ केल्विन में तापमान है। एक सामान्य अनुमान है कि $T_j$ में प्रत्येक 10°C वृद्धि के लिए एलईडी जीवनकाल आधा हो जाता है। स्थिर करंट प्रदान करने में ड्राइवर की भूमिका तब समझौता हो जाती है जब इसके अपने घटक (जैसे कैपेसिटर) तापीय रूप से विफल हो जाते हैं, जिससे ऊष्मा उत्पादन और विफलता का एक दुष्चक्र बन जाता है।

  5. विश्लेषणात्मक रूपरेखा एवं केस उदाहरण

  रूपरेखा: एलईडी लैंप विफलता के लिए मूल कारण विश्लेषण (RCA)

  चरण 1: लक्षण अवलोकन (जैसे, लैंप कम तीव्रता पर झिलमिलाता है)।
  चरण 2: गैर-आक्रामक जाँच केस तापमान मापें। गर्म आधार (>80°C) खराब हीट सिंकिंग का संकेत देता है।
  चरण 3: विद्युत विश्लेषण ड्राइवर आउटपुट की जांच के लिए ऑसिलोस्कोप का उपयोग करें। अनियमित DC या अध्यारोपित AC रिपल कैपेसिटर या रेगुलेटर विफलता की ओर इशारा करता है।
  चरण 4: घटक-स्तरीय निदान (विनाशकारी): लैंप खोलें। नेत्रहीन निरीक्षण करें:
  - PCB रंग परिवर्तन (तापीय तनाव)।
  - फूला हुआ इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर।
  - टूटी या काली पड़ी एलईडी चिप्स।
  - जला हुआ या रंग बदला हुआ रेसिस्टर्स/ICs ड्राइवर पर।
  चरण 5: सहसंबंध दृश्य/मापे गए घटक की स्थिति (जैसे, कैपेसिटर ESR मान) को प्रेक्षित प्रकाशीय लक्षण से मैप करें।

  केस उदाहरण: एक 12W लैंप "कम तीव्रता के साथ फ्लैशिंग लाइट" प्रदर्शित करता है। RCA एक फूले हुए 10µF/400V इनपुट कैपेसिटर को उच्च समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध (ESR) के साथ प्रकट करता है, जो रेक्टिफाइड वोल्टेज को स्मूथ करने में असमर्थ है। इसके कारण डाउनस्ट्रीम DC-DC कन्वर्टर रुक-रुक कर संचालित होता है, जिससे कम शक्ति पर प्रेक्षित स्ट्रोब प्रभाव उत्पन्न होता है।

  6. उद्योग विश्लेषक का परिप्रेक्ष्य

  मूल अंतर्दृष्टि: यह पेपर एलईडी प्रकाश क्रांति के कम लागत वाले खंड का गंदा रहस्य उजागर करता है: बेलगाम तापीय दुर्व्यवस्था। ड्राइवर सिर्फ एक बिजली आपूर्ति नहीं है; यह तापीय और विद्युत कमजोरी है। निर्माता सीमांत लागत बचत के लिए घटक गुणवत्ता और हीटसिंकिंग का व्यापार कर रहे हैं, जिसके परिणामस्वरूप ऐसे उत्पाद बनते हैं जो एलईडी घिसाव से नहीं, बल्कि रोके जा सकने वाले ड्राइवर कुक-ऑफ से विफल होते हैं। यह मौलिक रूप से एलईडी दीर्घायु के वादे के साथ विश्वासघात है।

  तार्किक प्रवाह: अध्ययन का तर्क ठोस और निंदनीय है। यह विचित्र विफलताओं (स्ट्रोबिंग, मंदी) के क्षेत्र अवलोकनों से शुरू होता है, फिर तार्किक रूप से उन्हें ड्राइवर तक पता लगाता है। बाहरी तापमान मापकर और बदतर आंतरिक स्थितियों का अनुमान लगाकर, यह एक स्पष्ट कारणात्मक श्रृंखला बनाता है: सीमित स्थान → उन्नत ड्राइवर तापमान → घटक क्षरण (विशेष रूप से कैपेसिटर) → अस्थिर विद्युत आउटपुट → अनियमित प्रकाशीय व्यवहार। कैपेसिटर सूजन और झिलमिलाहट के बीच का संबंध विशेष रूप से पावर इलेक्ट्रॉनिक्स साहित्य में स्थापित है, जैसा कि IEEE Transactions on Power Electronics के अध्ययनों में देखा गया है।

  शक्तियाँ एवं दोष: शक्ति इसका व्यावहारिक, फोरेंसिक दृष्टिकोण है जो वास्तविक दुनिया के विफल इकाइयों पर है—नए लैंप पर आदर्श प्रयोगशाला परीक्षणों के विपरीत एक ताज़ा अंतर। विफलता प्रकारों की सूची गुणवत्ता इंजीनियरों के लिए मूल्यवान है। प्रमुख दोष इसकी गुणात्मक प्रकृति है। मात्रात्मक सहसंबंध कहाँ हैं? प्रति 10°C आंतरिक वृद्धि पर जीवनकाल कितना कम होता है? 85°C बनाम 105°C पर बजट बनाम प्रीमियम कैपेसिटर की सटीक विफलता दर क्या है? अध्ययन प्रेक्षित क्षय को संख्याओं में डालने के लिए IESNA LM-80/LM-84 मानकों के अनुसार त्वरित जीवन परीक्षण (ALT) के साथ अनुवर्ती कार्रवाई की मांग करता है।

  कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: उपभोक्ताओं के लिए, यह अति-सस्ते, बिना नाम वाले एलईडी बल्बों के खिलाफ एक "खरीदार सावधान" है। ऐसे प्रमाणपत्र (जैसे DLC) देखें जो तापीय परीक्षण अनिवार्य करते हैं। निर्माताओं के लिए, आदेश स्पष्ट है: 1) 85°C रेटेड नहीं, बल्कि 105°C रेटेड इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर का उपयोग करें। 2) उचित तापीय मार्ग लागू करें—आधार में एल्यूमीनियम का एक टुकड़ा पर्याप्त नहीं है। 3) उच्च विश्वसनीयता अनुप्रयोगों के लिए कैपेसिटर-रहित (या सिरेमिक-कैपेसिटर) ड्राइवर टोपोलॉजी की ओर बढ़ने पर विचार करें। नियामकों के लिए, यह अध्ययन प्रारंभिक लुमेन और दक्षता से परे सख्त स्थायित्व और तापीय प्रदर्शन मानकों के लिए साक्ष्य प्रदान करता है। लागत पर उद्योग की नीचे की ओर दौड़ ई-कचरे और उपभोक्ता अविश्वास का पहाड़ खड़ा कर रही है।

  7. भविष्य के अनुप्रयोग एवं शोध दिशाएँ

  • स्मार्ट तापीय निगरानी: स्मार्ट प्रकाश व्यवस्था प्रणालियों में भविष्यवाणीपूर्ण विफलता चेतावनियों या गतिशील शक्ति कमी के लिए लघु तापमान सेंसर (जैसे, नकारात्मक तापमान गुणांक थर्मिस्टर्स) को ड्राइवर में एकीकृत करना।
  • उन्नत सामग्री: मानक इलेक्ट्रोलाइटिक्स की तुलना में उच्च तापमान सहनशीलता और लंबे जीवनकाल वाली ठोस-अवस्था या पॉलिमर कैपेसिटर का अपनाना।
  • ड्राइवर-ऑन-बोर्ड (DOB) एवं चिप-ऑन-बोर्ड (COB) एकीकरण: एलईडी चिप्स और ड्राइवर ICs को एक ही सिरेमिक या धातु-कोर PCB पर माउंट करके बेहतर तापीय युग्मन, ऊष्मा अपव्यय में सुधार।
  • मानकीकृत तापीय मेट्रिक्स: उद्योग-व्यापी परीक्षण प्रोटोकॉल और "अधिकतम आंतरिक ड्राइवर तापमान" या "तापीय सहनशीलता वर्ग" के लिए लेबलिंग विकसित करना, जो प्रवेश सुरक्षा के लिए IP रेटिंग के समान है।
  • AI-संचालित विफलता भविष्यवाणी: इस अध्ययन से विफलता प्रकार सूची का उपयोग करके मशीन लर्निंग मॉडल को प्रशिक्षित करना जो एक साधारण फोटोडायोड सेंसर से झिलमिलाहट पैटर्न का विश्लेषण करके आसन्न लैंप विफलता की भविष्यवाणी कर सकते हैं।

  8. संदर्भ

  1. Santos, E. R., Tavares, M. V., Duarte, A. C., Furuya, H. A., & Burini Junior, E. C. (2021). Temperature analysis of driver and optical behavior of LED lamps. Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, 40, e1421.
  2. Schubert, E. F. (2006). Light-Emitting Diodes (2nd ed.). Cambridge University Press. (एलईडी भौतिकी और I-V अभिलक्षण के लिए)।
  3. IESNA. (2008). IES Approved Method for Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources (LM-80). Illuminating Engineering Society.
  4. IEEE Power Electronics Society. (Various). IEEE Transactions on Power Electronics. (कैपेसिटर विफलता प्रकार और ड्राइवर टोपोलॉजी विश्वसनीयता के लिए)।
  5. U.S. Department of Energy. (2022). LED Reliability and Lifetime. Retrieved from energy.gov. (उद्योग मानकों और जीवनकाल प्रक्षेपण के लिए)।
  6. Zhu, J., & Isola, P., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN). IEEE ICCV. (एक कठोर पद्धतिगत रूपरेखा के उदाहरण के रूप में उद्धृत जो जटिल, गैर-रैखिक समस्याओं को हल करने के लिए है—तापीय तनाव को प्रकाशीय विफलता से मैप करने के अनुरूप)।