Thermal and optical interaction of tightly packaged LEDs in automotive lighting applications

Bu çalışma gelişmiş ısı dağıtıcı elektronik kart kullanımı ile LED otomotiv dış aydınlatma sistemlerinin termal yönetimini iyileştirmeyi amaçlamaktadır. LED'ler geleneksel aydınlatma sistemlerine kıyasla birçok avantaj sunmasına rağmen, LED uygulamaları da gelişmiş bir termal yönetim gerektirmektedir. Genellikle, otomotiv dış aydınlatma sistemlerinde elektronik kart malzemesi olarak FR4 malzemesi kullanılmaktadır. FR4 malzemesinin sahip olduğu düşük termal iletkenlik katsayısı sebebiyle elektronik kartlar üzerinde çeşitli bölgelerde kritik ısı yoğunlukları oluşmaktadır ve LED ve elektronikler yüksek miktarda ısı akısı yaymaktadırlar. Otomotiv dış aydınlatma sistemleri pozisyon, sinyal ve stop fonksiyonlarını gerçekleştirmek ile sorumludur. Her bir fonksiyon için LED'ler farklı güç değerlerinde sürülürler. Bazı durumlarda, bu üç fonksiyon simultane olarak çalışır. Bu durum komponentlerin ısı akısını daha da kritik hale getirir. Dolayısıyla bu çalışmada, geliştirilmiş bir ısı dağıtıcı elektronik kart tabanı, FR4 ve Alüminyum elektronik kartlar ile karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Lokal ısı yoğunluklarının tespit edilmesi amacı ile infrared termografi metodu kullanılmıştır. Ayrıca, LED kartlarının optik performans analizleri de gerçekleştirilmiştir. Bunun yanı sıra, deneysel sonuçları doğrulamak amacı ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) çalışması gerçekleştirilmiştir. Deneysel dataya göre, geliştirilmiş ısı dağıtıcı kart ile Alüminyum karta göre %7.4, FR4 karta göre %25.8 gelişim elde edilmiştir. Ayrıca, geliştirilmiş ısı dağıtıcı kart sayesinde efikasite değeri FR4 karta göre %25.9 arttırılmıştır. Baskılı devre kartının ısıl dağıtım kapasitesini arttırmak termal yönetimi geliştirmenin bir başka yoludur. Bunun için elektronik kart malzemesi olarak birçok farklı malzeme çeşidi denenmiştir. Bu çalışmada, termal sorunları gidermek amacı ile çok katmanlı seramik esnek baskılı elektronik kart, FR4 esnek baskılı elektronik karta alternatif olarak deneysel ve sayısal olarak analiz edilmiştir. Seramik kart yerine FR4 kart kullanıldığında termal performansın %36.5 düştüğü saptanırken, ışınım akısının ve ışık akısının sırasıyla %13.3 ve %14.6 azaldığı belirlenmiştir. Ayrıca, LED'lerin fotometrik, elektriksel ve termal özellikleri arasında güçlü bir bağ vardır. Bu nedenle, bir aydınlatma sistemi tasarlanırken tüm bu özelliklere dikkat edilmelidir. Dolayısıyla, bu çalışmanın bir amacı da fotometrik, elektriksel ve termal parametreler arasındaki ilişkiyi saptamaktır ce FR4 kart bu doğrultuda analiz edilmiştir. Bir diğer yandan, son yıllarda, en az 500 milyar cihazın kullanacağı Nesnelerin İnterneti birçok uygulama için büyük bir potansiyel oluşturmaktadır. Ayrıca, otomobiller halihazırda sahip oldukları elektronik sistemlerden dolayı Nesnelerin İnterneti uygulamaları için potansiyel bir platform olarak görülmektedir. Bu sebeple, bu çalışma, Nesnelerin İnterneti uygulamaları için otomotiv aydınlatmasında kullanılan bir elektronik LED kart potansiyel bir aday olarak analiz edilmiştir. Sonrasında, hesaplamalı akışkanlar mekaniği modeli, elektronik komponentlere %25, %50 ve %70 daha fazla güç verilerek Nesnelerin İnterneti uygulamalarının sonucunda oluşabilecek güç gereksinimi artışlarını simule edebilmek amacıyla analiz edilmiştir. Elektroniklerin güç tüketimi %70 arttırıldığında, maksimum elektronik komponent sıcaklığının %38.4, maksimum amber LED sıcaklığının %12.5 ve maksimum kırmızı LED sıcaklığının %11.2 arttığı gözlemlenmiştir. Dolayısıyla, ileride kullanılabilecek elektronik sistemler için FR4 malzemesinin kart malzemesi olarak kullanılmasının mümkün olmadığı saptanmıştır. Geliştirilmiş ısı dağıtıcı kart tabakasının yeni jenerasyon akıllı sistemlerde kullanılabilecek potansiyel bir kart tipi olduğu analiz edilmiştir.