1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Kajian penerokaan ini menyiasat hubungan kritikal antara prestasi terma litar pemandu dalaman dan kebolehpercayaan optik lampu Diod Pemancar Cahaya (LED) komersial. Walaupun LED dipuji kerana kecekapan tenaga dan jangka hayat teori yang panjang, jangka hayat praktikalnya sering terjejas oleh kegagalan komponen elektronik sokongan, terutamanya dalam persekitaran perumahan lampu yang terkurung dan mencabar dari segi terma. Penyelidikan ini bertujuan untuk mencirikan secara empirikal mod kegagalan optik yang biasa dan mengaitkannya dengan suhu operasi komponen pemandu utama seperti kapasitor elektrolit dan induktor.

2. Metodologi & Persediaan Eksperimen

Kajian ini dijalankan melalui dua fasa eksperimen yang berbeza untuk mengasingkan dan menganalisis aspek kegagalan lampu LED yang berlainan.

2.1. Analisis Tingkah Laku Optik (Eksperimen 1)

Sampel 131 lampu LED terpakai dengan kuasa nominal 8W, 10W, 12W, dan 15W dipilih secara rawak dari pasaran runcit murah. Semua lampu dikuasakan pada 127V AC, dan output optiknya dikategorikan secara visual. Mod kegagalan didokumenkan dengan teliti untuk mewujudkan taksonomi isu-isu biasa.

2.2. Pengukuran Suhu Pemandu (Eksperimen 2)

Untuk memahami persekitaran terma, suhu komponen elektronik individu pada papan litar bercetak (PCB) pemandu diukur di luar badan lampu (iaitu, dalam keadaan udara terbuka, keadaan penyejukan ideal). Ini mewujudkan garis dasar untuk suhu komponen sebelum kesan gabungan perumahan lampu tertutup dipertimbangkan.

3. Keputusan & Penemuan

Saiz Sampel

131

Lampu LED Diuji

Julat Suhu (Udara Terbuka)

33°C - 52.5°C

Induktor ke Kapasitor

Punca Kegagalan Utama

Terma

Pendorong Utama Penurunan Kualiti

3.1. Mod Kegagalan Optik yang Diperhatikan

Kajian ini mengenal pasti spektrum tingkah laku kegagalan dalam sampel 131 lampu:

  • Kegagalan Lengkap (Tidak Menyala): Lampu tidak menyala.
  • Kelipan/Strob: Output cahaya berselang-seli, seperti kesan strob. Ini selanjutnya dibahagikan kepada kelipan normal, intensiti tinggi, dan intensiti rendah.
  • Kitaran Pantas: Lampu menyala dan padam secara berturut-turut dengan cepat.
  • Operasi Malap: Lampu menyala tetapi pada intensiti cahaya yang berkurangan dengan ketara.

3.2. Profil Suhu Komponen Pemandu

Apabila diukur di udara terbuka, komponen pemandu mempamerkan kecerunan suhu yang ketara:

  • Kapasitor Elektrolit: Mencatat suhu tertinggi pada 52.5°C.
  • Induktor: Mencatat suhu terendah pada 33°C.

Kajian ini menekankan bahawa nilai-nilai ini mewakili senario terbaik. Apabila pemandu yang sama beroperasi tertutup di dalam badan lampu, suhu meningkat dengan ketara, mempercepatkan penurunan kualiti komponen. Ini dibuktikan oleh perubahan warna (perang) PCB yang dapat dilihat, tanda klasik tekanan terma yang berpanjangan.

3.3. Hipotesis Mekanisme Kegagalan

Para penyelidik mencadangkan tiga mekanisme utama untuk menerangkan kegagalan yang diperhatikan:

  1. Pembentukan Titik Gelap LED & Kegagalan Siri: Untuk lampu yang tidak menyala, kegagalan dikaitkan dengan "titik gelap" pada cip LED individu. Memandangkan LED dalam lampu ini biasanya disambung secara bersiri, kegagalan satu LED mengganggu aliran arus untuk keseluruhan rentetan.
  2. Kerosakan Terma pada Komponen Pemandu: Suhu dalaman yang tinggi merosakkan komponen sensitif (contohnya, IC, transistor), menyebabkan ayunan elektrik yang muncul sebagai strob, kelipan, atau kitaran pantas.
  3. Penurunan Kualiti Kapasitor Elektrolit: Haba menyebabkan elektrolit dalam kapasitor menyejat, membawa kepada pembengkakan, kapasitansi berkurangan, dan ketidakupayaan untuk melicinkan arus dengan betul. Ini mengakibatkan penghantaran kuasa yang tidak stabil, menyebabkan kemalapan atau tingkah laku tidak menentu.

4. Analisis Teknikal & Perbincangan

4.1. Ciri-ciri Elektrik LED

Hubungan arus-voltan (I-V) LED adalah tidak linear dan penting untuk reka bentuk pemandu. Di bawah voltan ambang ($V_{th}$), LED berkelakuan seperti peranti rintangan tinggi. Setelah $V_{th}$ dilampaui, arus meningkat dengan cepat dengan peningkatan voltan yang kecil. Bahan LED yang berbeza (warna) mempunyai nilai $V_{th}$ yang berbeza, contohnya, merah (~1.8V), biru (~3.3V). Pemandu mesti menyediakan arus yang stabil dan terkawal walaupun dengan ketidaklinearan ini dan input AC.

Penerangan Carta (Merujuk Rajah 1 dalam PDF): Lengkung I-V menunjukkan kesan yang berbeza untuk LED inframerah/merah, oren/kuning, hijau, dan biru. Setiap lengkung mempunyai "lutut" yang tajam pada voltan ambang cirinya, selepas itu arus meningkat dengan curam. Visualisasi ini menekankan mengapa pemandu arus malar adalah penting untuk mencegah pelarian terma dalam LED.

4.2. Pengurusan Terma & Kebolehpercayaan

Penemuan teras adalah konflik antara peminikroan dan prestasi terma. Pemandu, yang bertanggungjawab untuk penukaran AC-DC dan pengawalan arus, adalah sumber haba yang ketara. Mengurungkannya dalam perumahan plastik tertutup dengan jisim terma yang terhad mewujudkan titik panas. Persamaan Arrhenius memodelkan bagaimana kadar kegagalan dipercepatkan dengan suhu: $\text{Rate} \propto e^{-E_a / kT}$, di mana $E_a$ ialah tenaga pengaktifan, $k$ ialah pemalar Boltzmann, dan $T$ ialah suhu mutlak. Kenaikan 10°C boleh mengurangkan separuh jangka hayat kapasitor elektrolit, menjadikannya pautan lemah yang tipikal.

Kerangka Analisis: Analisis Punca Akar Mod Kegagalan

Skenario: Sebuah lampu LED mempamerkan kelipan intensiti rendah selepas 6 bulan penggunaan.

  1. Pemerhatian Simptom: Kelipan berselang-seli dan malap.
  2. Pengasingan Subsistem: Simptom menunjukkan penghantaran kuasa tidak stabil, melibatkan pemandu berbanding tatasusunan LED itu sendiri.
  3. Hipotesis Tahap Komponen: Punca yang paling mungkin adalah kapasitor elektrolit dalam peringkat pelicinan primer. Tekanan terma mungkin telah meningkatkan Rintangan Siri Setara (ESR) dan mengurangkan kapasitansinya.
  4. Ujian Pengesahan: Ukur kapasitans dan ESR kapasitor. Penyimpangan ketara daripada penarafan nominalnya mengesahkan hipotesis. Hubungkaitkan ini dengan pengimejan terma pemandu di dalam perumahan untuk mengenal pasti titik panas.
  5. Punca Akar: Reka bentuk terma yang tidak mencukupi → Suhu operasi kapasitor meningkat → Pengeringan elektrolit dipercepatkan → Kehilangan kapasitans/Peningkatan ESR → Arus riak melalui ke LED → Output cahaya malap dan tidak stabil.

Pendekatan berstruktur ini bergerak dari simptom ke punca sistemik, menonjolkan interaksi terma-elektrik.

5. Inti Pati & Perspektif Penganalisis

Inti Pati: "Jangka hayat panjang" yang didakwa bagi lampu LED adalah mitos, bukan pada die semikonduktor, tetapi pada ekosistemnya. Produk sebenar adalah himpunan elektromekanikal yang terjejas terma di mana pemandu—khususnya kapasitor elektrolitnya—bertindak sebagai fius yang disengajakan, didorong entropi. Kajian ini mendedahkan kegagalan industri sistemik: mengutamakan keberkesanan bercahaya dan kos per lumen berbanding reka bentuk termodinamik holistik, menukar sumber cahaya berkecekapan tinggi dengan produk kebolehpercayaan rendah.

Aliran Logik: Logik penyelidikan adalah kukuh tetapi mendedahkan realiti yang suram. Ia bermula dengan tinjauan luas kegagalan lapangan (Eksperimen 1), mengenal pasti simptom seperti kelipan dan kemalapan dengan betul. Ia kemudian menyiasat punca yang diandaikan—haba—dengan mengukur suhu komponen dalam persekitaran yang baik (Eksperimen 2). Lompatan kritikal yang tidak dinyatakan adalah ekstrapolasi: jika komponen beroperasi pada 33-52.5°C di udara terbuka, dalam kubur plastik tertutup dengan sumber haba lain (LED, diod), suhu mudah melebihi 70-85°C, memasuki zon penuaan dipercepatkan yang ditakrifkan oleh model Arrhenius. Hubungan antara kegagalan yang diperhatikan dan punca akar sangat tersirat oleh bukti perubahan warna PCB.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan terletak pada pendekatan praktikal, berasaskan lapangan menggunakan lampu murah, yang paling cenderung untuk mengambil jalan pintas. Ia mengenal pasti kapasitor sebagai tumit Achilles terma dengan betul, fakta yang didokumenkan dengan baik dalam literatur kebolehpercayaan elektronik kuasa, seperti kajian dari Pusat Sistem Elektronik Kuasa (CPES). Kelemahannya adalah kekurangan data suhu kuantitatif, in-situ di dalam badan lampu yang beroperasi. Kajian menunjukkan simptom dan suspek, tetapi bukan suhu tempat kejadian. Analisis yang lebih membuktikan akan menggunakan pengimejan terma untuk memetakan titik panas 85°C+ pada kapasitor di dalam perumahan, mengaitkannya secara langsung dengan kadar pereputan optik yang diukur.

Wawasan Boleh Tindak: Bagi pengeluar, mandatnya jelas: beralih kepada reka bentuk pemandu semua keadaan pepejal. Gantikan kapasitor elektrolit dengan kapasitor seramik atau filem jika mungkin. Jika kapasitor elektrolit tidak dapat dielakkan, gunakan hanya jenis berpenarafan suhu tinggi (105°C+) dari pembekal bereputasi dan sediakan garis panduan penyahkadaran terma yang jelas dalam reka bentuk. Bagi badan piawaian, penyelidikan ini adalah peluru untuk mendorong ujian penyelenggaraan lumen dan jangka hayat mandatori di bawah keadaan terma realistik, bukan hanya dalam pemasangan terbuka. Bagi pengguna, ia adalah amaran: tempoh jaminan lampu berkemungkinan penunjuk jangka hayat yang dijangka lebih baik daripada tuntutan pemasaran "50,000 jam". Masa depan milik lampu yang direka sebagai sistem terma dahulu, dan sumber cahaya kedua.

6. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

  • Pengurusan Terma Pintar: Integrasi sensor suhu miniatur dan pemandu berasaskan mikropengawal yang boleh mengurangkan arus pacuan (kemalapan) secara dinamik apabila ambang suhu kritikal dilampaui, menukar kecerahan sementara untuk jangka hayat jangka panjang.
  • Bahan Termaju: Penggunaan substrat dengan kekonduksian terma lebih tinggi (contohnya, PCB teras logam, seramik seperti AlN) untuk pemandu, walaupun dalam aplikasi sensitif kos. Penyelidikan ke dalam alternatif keadaan pepejal yang lebih stabil terma kepada kapasitor elektrolit cecair.
  • Kembar Digital untuk Kebolehpercayaan: Mencipta model simulasi yang menggabungkan dinamik bendalir pengiraan (CFD) untuk analisis terma dengan simulasi litar dan model kebolehpercayaan (seperti MIL-HDBK-217F) untuk meramalkan jangka hayat semasa fasa reka bentuk, mengelakkan kegagalan lapangan.
  • Ujian Hayat Dipercepatkan Piawai: Membangunkan protokol ujian seluruh industri yang mendedahkan lampu LED kepada kitaran tekanan terma dan elektrik gabungan yang meniru keadaan pemasangan tertutup dunia sebenar dengan tepat, melangkaui ujian Ta (suhu ambien) mudah.
  • Teknologi Pemandu-pada-Cip (DoC): Peminikroan dan integrasi lanjut litar pemandu ke dalam pakej tunggal yang dikendalikan terma dengan lebih baik, berpotensi dibungkus bersama tatasusunan LED untuk memendekkan laluan terma.

7. Rujukan

  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. (Untuk ciri-ciri I-V asas LED).
  3. Raju, R., & Burgos, D. (2010). Reliability of DC-link capacitors in power electronic converters. In Proceedings of the IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) (pp. 2109-2114). (Untuk mekanisme kegagalan kapasitor di bawah tekanan terma).
  4. Center for Power Electronics Systems (CPES). (n.d.). Reliability in Power Electronics. Virginia Tech. Retrieved from [Hypothetical URL for CPES resources]. (Untuk perspektif industri mengenai pengurusan terma).
  5. U.S. Department of Energy. (2020). LED Lifetime and Reliability. Solid-State Lighting Technology Fact Sheet. (Untuk konteks tuntutan jangka hayat industri dan ujian).
  6. MIL-HDBK-217F. (1991). Reliability Prediction of Electronic Equipment. U.S. Department of Defense. (Untuk model ramalan kebolehpercayaan piawai menggunakan persamaan Arrhenius).