Caldura radiata de fasciculul luminos al unui LED

[matzah]

O intrebare mai generica asa... 

 

Experimentez cu ceva cob-uri led de putere mare (in zona a 200-300w). Presupunand racire cat se poate de buna, am observat ca daca focusez fascicolul luminos, acesta "se simte" foarte fierbinte - subiectiv, senzatie pe piele. Dispunand de o camera cu termoviziune, am masurat ca pot incalzi diverse obiecte de la distante destul de mari plasandu-le in lumina acestui fascicol. 

Intrebarea care vine, care este mecanismul valabil aici? 

 

1) exista o componenta IR emisa si vorbim de caldura propagata prin radiatie? 

2) observam absobtia radiatiei vizibile de catre diferite obiecte si re-emisia ei in spectru IR.

 

Am incercat un experiment cu un filtru IR, folosit la un videoproiector imediat dupa lampa, pentru ceea ce logic s-ar presupune - a filtra o parte din radiatia IR generata si implicit caldura radiata - inainte de intrarea in blocul optic. Am testat acest filtru (o bucata de sticla..) folosind o telecomanda si o camera de telefon. Cu filtrul pus, lumina emisa de led-ul ir al telecomenzii  e mult mai putin vizibila fata de camera decat fara. Deci presupun ca filtreaza ceva din spectrul IR, nu am datasheet sau alte date sa stiu despre ce atenuari vorbim si exact fata de ce lungimi de unda.

Am folosit cob-ul si un ansamblu de lentile colimatoare pentru a incalzi o placa de aluminiu plasata la 30cm distanta, vopsita in negru mat. In cazul led-ului, cu sau fara acest filtru IR, placa de aluminiu se incalzeste cam la fel - din punctul de vedere al unei camere cu termoviziune, ce ma face sa inclin a imi confirma parerea personala ca vorbim de scenariul 2 in cazul acestor leduri. 

 

De ce totusi intreb? Poate ma insel cumva... ideea este ca eram in proces de a cauta o solutie de a filtra cumva caldura radiata de aceste led-uri si tare am impresia ca nu prea se poate face mare lucru in aceasta privinta. 

[validae]

Orice obiect cald emite radiaţie calorică (IR) deci ledurile nu fac excepţie.Dacă radiaţia emisă direct de cipul ledului poate fi mică (ledul emite preponderent lumină ,,rece,,) apoi efectul Joule face ca el să disipe inerent o căldură ce se transmite radiatorului şi apoi acesta emite el însuşi radiaţie calorică.Cum cipurile ledurilor ajung uşor la temperaturi de 90-100*C se poate presupune că există destulă radiaţie calorică pe acolo...

Se poate atenua radiaţia calorică a lor, dar nu va fi chiar simplu, filtrele necesare fiind destul de voluminoase şi grele.Practic vorbim de filtre din sticlă, iar atenuarea radiaţiei utile poate fi destul de importantă.Un exemplu de filtru IR poate fi găsit în faţa oricărui senzor CCD de la camerele telefoanelor mobile .

Editat Decembrie 5, 2020 de validae

[matzah]

COB-ul in discutie e racit absolul generos (plasat pe o placa de cupru de cam 1kg, asta in contact cu 2 colectoare de aluminiu, cuplate la un sistem de racire cu lichid ce dispune de 2 radiatoare de 12x24cm, fiecare cu cate 2 ventilatoare de 12cm). La putere maxima, capsula cob-ului nu depaseste 40-42 grade (plecand de la 20 grade ambient). Fireste, nu pot masura jonctiunea dar oricum... 

Ideea e ca fascicolul luminos al unui asemenea led poate lejer incalzi la 80-90 grade o placa de cupru de 12x12cm cu grosimea de 1cm. Aveam la indemana asa ceva si vroiam sa fac niste teste cu sistemul de racire, fara sa fiu deranjat de fascicol odata ce trece prin optica de dupa el, asa ca am asezat placa aia cam la 10cm de emitor. In 15 minute era la temperatura mai sus mentionata. 

Tocmai, un filtru IR de acest gen are impact neglijabil in aceasta aplicatie din ce-am observat...

[validae]

Nu am pus în discuţie răcirea generoasă.Dar ia în calcul rezistenţa de transfer termic între cip şi radiatorul propriu şi apoi pe cea dintre radiatorul ledului/COB-ului şi cel suplimentar.Acolo ai un transfer întârziat, practic cipul se încinge cu mult peste temperatura radiatorului său.Asta e situaţia....

[Alphsoo]

Un laser nu emite caldura, ci fotoni (unda coerenta) si totusi topeste metalul,

Fotonii au atât proprietăți de corpuscul cât și de undă.Când este absorbit fotonul transmite materiei energia, impulsul și momentul său cinetic.

Editat Decembrie 5, 2020 de Alphsoo

[matzah]

Asta e si presupunerea mea. Ca pana la IR emis/radiatie calorica - preponderent problema mea se datoreaza de absorbia radiatiei emise in spectrul vizibil - de catre corpul pe care cade incidenta. Adica daca este sa vorbesc de un raport, vasta majoritate a "caldurii" masurata isi are la baza acest efect. 

In acest caz nu prea am ce face deoarece rata de "absorbtie" depinde de proprietatile obiectul plasat in drumul fascicolului. Daca era vorba de IR, atunci as fi avut rezultate mai bune incercand sa filtrez. De altfel, majoritatea led-urilor albe au componenta emisiva destul de scazuta in zona IR daca ma uit in datasheet-uri. 

 

 

[Spitfire]

 Emisia IR in banda termica(12...18 um) a LED-urilor e nesemnificativa, zero barat, oricum LED-urile nu rezista la temperatura la care s-ar simti ceva in banda de infrarosu indepartat. Toata caldura in situatia de mai sus ia nastere la impactul fotonilor cu materia, chiar si efectul luminii produsa de un LED de 3W poate fi simtit pe pielea mainii, daca e tinut degetul chiar pe lentila de silicon a LED-ului, nu mai vorbim de lumina unui LED de 100W, acolo aveti minim 12.000 lumeni.

[BRANCA]

 Ceva din spectrul UV exista?Ma inyreb cat de sanatoasa e lumina ledurilor.Mai ales pentru ochi.

[sesebe]

Daca ti-l bagi pe ala de 12000lumeni in ochi sigur nu va fi sanatos pt ochi.

Ledurile au probleme cu generarea radiatiei cu lungime mica de unda - UV. Pt emisia UV este folosita tehnologie speciala de fabricatie.

LED-urile albe sint realizate pornind de la LED-uri albastre ce au un amestec de luminofori speciali peste cip. Mai exista si LED-uri albe ce pornesc de la LED-uri UV cu amestec de luminofori peste cip dar astea chiar daca au CRI mai bun (redau mai bine lumina solara-naturala) au randament energetic mai slab.

[Dxxx]

Hai sa vedem baza:

- ledurile albe defapt sunt un led albastru plus luminofor care re-emite rosu.

- albastrul nu este monocrom, dar pana la energii de ultraviolet radiatia cam scade la zero - deci nici macar ultraviolet appropiat nu se emite DELOC . Asta este un mare avantaj al luminii led fata de cealalta varianta de iluminat conomic, adica cea fluorescenta - unde emisia primara este UV. UV poate fii daunator (desigur pentru iluminare, aici nu vorbum de sterilizare) sau macar energia in UV este energie inutila pentru ochiul uman.

Ce este cert este ca ledurile albe nu emit energii mai mari (sau lungimi de unda mai mici) decat albastru, DELOC. (vorbesc de cele uzuale, cu emisia primara albastra).

- daca la frcvente mari sigur nu se trece spre violet... atunci poate la frecvente mici se trece spre infrarosu OARE?

 

Discutie lunga, despre ce se intampla cu ledurile in zona rosie/infrarosie (lungimi de unda mari)

- in primul rand culoarea rosu este diferita de alte culori, deoarece este un domeniu LARG de lungimi de unda (630-750nm), toate percepute ca rosu. Alte culori au domeniul de frecventa mult mai ingust, la o variatie mult mai mica in jos sau in sus deja este alta culoare.

- la lungimile de unda cele mai mari ale culorii rosu (rosu indepartat) sensibilitatea ochiului este apropiata de zero, apoi incepe sa cresca relativ rapid spre rosul cu lungime de unda mai mica.

Deci sensibilitatea maxima pentru rosu este cu cat te apropii mai mult de orange (urmatoarea culoare) si apoi inca mai creste usor pe orange si galben, ajungand la maxim pe verde, de unde sensibilitatea incepe sa scada.

Adica daca ramanem numai la culoarea rosu vom avea cea mai rapida crestere pornind de la rosul indepartat (750nm) pana la  rosul de 630nm.

 

Constructorii de leduri albe pot folosi in mod egal rosul de 750nm sau cel de 630nm - dar cel de-al doilea intra intr-o zona unde este mai bine receptionat de ochi -> deci randamentul ledului cu 630nm este mai mare.

Si atunci luminoforul va fi preferat sa emita cu maximum pe la 650nm, deci va avea zona de maxim sa zicem intre 630 si 670nm. De la 670 nm radiatia va scadea pronuntat incat la rosul indepartat de 750nm nu va mai fi aproape nimic. In infrarosu = deloc.

 

Alete leduri au insa mai putin dezideratul randamentului maxim, ci pe cea a unui CRI mare, dar mai ales R9 doresc sa fie mare.

Asta pentru o lumina cat mai "corecta" dpdv cromatic.

In acest caz nu mai conteaaza eficienta emisiei, ci calitatea radiatiei.

Si atunci luminoforul folosit va da maxim la 700-720nm, unde ochiul este destul de insensibil, deci se va folosi mai multa energie pentru rosu. Ledurile vor fi in concluzie mult mai putin eficiente.

Insa R9 va fi bine reprodus, cu radiatie suficienta pana la granita spre infrarosu.

Ledurile astea emit putintel si in infrarosu, dar numai sectorul infrarosu-apropiat. Energiile emise vor fi insa mici, nesemnificative ca efect termic direct.

 

Deci chiar si cu leduri cu CRI/R9 maxim emisia IR este minima.

 

****

 

Daca nimeni nu a adormit inca uite concluzia: COB/led uzuale nu emit decat in zona vizibila, cu emisie neglijabila in IR si deloc in UV.

 

 

 

[puriu]

Orice radiatie electromagnetica, vizibila sau nu, produce caldura cand este absorbita. Am lucrat cu un laser cu argon de 2 W pe patru culori. Toate puteau carboniza lemnul vopsit cu cerneala neagra.

[Ticu]

La camera de termoviziune despre care se vorbeste la inceput, se stie domeniul spectral in care este sensibila?

[matzah]

Nu am gasit astfel de date pe site-ul Flir. Specificatii despre domeniul de temperaturi, setari pentru corectii emisivitate .. cam orice altceva decat asta. 

[Ticu]

    Intrebam ca sa stim mai exact in ce domeniu spectral sunt observatiile/masuratorile cu camera.

    Apropo de intrebarea initiala, eu inclin sa cred ca ambele mecanisme sunt valabile. Dar este greu de apreciat cu cat contribuie fiecare.

    IR este produs aprox. in aceiasi zona a cipului ca si lumina si apoi energia sa este transferata in spatiul inconjurator prin conductie, radiatie etc. Este destul de greu sa scapi de infrarosul emis odata cu radiatia vizibila a spectrului. O parte semnificativa este preluata de optica asociata (oglinda, lentila) si trimisa mai departe prin reflexie/refractie, odata cu "vizibilul", pentru ca optica obisnuita nu este prea selectiva spectral.

    O solutie este trimiterea fasciculului cu intreg spectrul emis (vizibil + IR) pe o "oglinda rece" care transmite IR (caldura) si reflecta vizibilul, ce poate fi utilizat mai departe. Un exemplu de producator: https://www.uqgoptics.com/catalogue/filters/heat-control-filters/cold-mirrors/
Concret, o asemenea oglinda transmite >88% din IR din zona 750-1200 nm si NU transmite (reflecta) zona 300-1200 nm (atasat foaia de catalog). https://www.uqgoptics.com/wp-content/uploads/2019/03/Cold-Mirrors.pdf  Daca merita cheltuiala si complicatia...

    Daca ai posibilitatea, incearca si transmisia printr-un filtru de apa (un mic acvariu); e destul de absorbanta in IR de cativa microni.

 

 

Editat Decembrie 7, 2020 de Ticu

[Dxxx]

Care infrarosu? discutam de filamente?

Ledurile albe nu produc infrarosu, sau daca produc ceva (cele cu R9 mare) energia radiata din IR apropiat este de multe ori mai mica decat energia radiata  in spectrul vizibil. Exact invers ca la becurile cu filament.

 

Daca ledul nu produce / produce neglijabil IR, atunci in mod clar orice incalzire este rezultatul energiei purtate in fasciculul vizibil.

Nu ajuta cu nimic reflectoare dicroice sau filtre opace la IR, atat timp cat IR nu este continut in procent semnificativ in radiatia emisa.

 

Orice radiatie electromagnetica poarta energie, indiferent ca vorbim de unde radio (mai stiti de radiouri fara alimentare, totul recoltat de la antena?), radiatie vizibila (cum spunea aici un coleg, laserul care taie metalul) pana la radiatie gamma (pe care daca o "vezi" nu apuci sa mai povestesti, cam atata energie transporta).