University of Oulu

From LED die to a lighting system : performance improvement in LED lighting by means of thermal management and smart control

Saved in:
Author: Juntunen, Eveliina
Organizations: University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 7.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789513881535
Language: English
Published: Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2014
Publish Date: 2014-10-14
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Thesis for the degree of Doctor of Technology to be presented with due permission for public examination and criticism in Auditorium IT115, Linnanmaa, at the University of Oulu, on the 24th of October at 12 o'clock noon.
Tutor: Professor Heli Jantunen
Reviewer: Professor Georges Zissis
Professor Rafael Jordan
Opponent: Professor Mircea Guina
Professor Georges Zissis
Kustos: Professor Heli Jantunen
Description:

Abstract

Light-emitting diodes (LEDs) are solid-state light sources increasingly used in general illumination. Advanced properties, such as energy efficiency and long lifetime, are promoting LED replacement over traditional lamp-based solutions. Features like small size and ease of control are also appreciated among the lighting community. Smart lighting with advanced control has attracted particular attention recently due to the increased energy savings via added intelligence. Besides the environmental reasons, the economic impact of LED lighting technology development is significant, with solid growth predicted for the energy-efficient lighting market.

This thesis addresses high-power LED lighting technology development at four different levels. At the component, module and luminaire levels, the research concentrates on thermal management, which is considered one of the main factors for reliability and performance. The research focus is on reducing the thermal resistance of the high-power LED structure. This is achieved with thermal vias through the insulation layer of the substrate under the heat source. As a result, a total thermal resistance reduction of 10–55% is shown in comparison with commercial substrate technologies.

Energy efficiency is considered the measure of the achievements at the luminaire and system levels. The topic is studied with a pedestrian street lighting installation in a real use environment. Case examples of dimming the street lighting according to natural light levels and pedestrian presence revealed power savings of more than 40% with smart control.


Tiivistelmä

LEDien (light emitting diodes) käyttö valaistuksessa yleistyy kiihtyvällä tahdilla. Kehityksen taustalla ovat LEDien edistykselliset ominaisuudet erityisesti energiatehokkuuden ja luotettavuuden kannalta. Lisäksi komponenttien pieni koko ja helppo ohjattavuus ovat laajentaneet LED-valaistuksen mahdollisuuksia. Energiansäästösyistä erityisesti älykästä ohjausta hyödyntävä valaistus onkin kasvattanut suosiotaan voimakkaasti viime vuosina. Ympäristösyiden ohella LED-valaistuksen yleistyminen on merkittävää myös taloudellisesti, sillä alalle on ennustettu jatkuvaa liiketoiminnan kasvua.

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan LED-valaistusratkaisujen suorituskyvyn parantamista neljällä eri tasolla. Komponentti-, moduuli- ja valaisintasolla tutkimus keskittyy LED-ratkaisujen lämmönhallintaan, sillä käytännössä kaikki LEDin keskeiset ominaisuudet, kuten valontuotto, hyötysuhde ja elinikä, ovat suoraan riippuvaisia komponentin toimintalämpötilasta. Väitöskirja keskittyy kokonaislämpöresistanssin alentamiseen kehitettyjen piirilevyratkaisujen avulla. Tutkimus suoritetaan toteuttamalla ja vertailemalla erilaisia LED-moduuli- ja valaisinrakenteita. Tulokset osoittavat, että kehitetyt alustaratkaisut alentavat rakenteen kokonaislämpöresistanssia 10–55 % verrattuna yleisesti käytettyihin teknologioihin.

Valaisin- ja järjestelmätasolla tutkimus kohdistuu energiankulutuksen pienentämiseen älykkään ohjauksen keinoin. Sovelluskohteena on kevyen liikenteen väylän valaistus, ja tutkimuksessa hyödynnetään koeasennusta todellisissa käyttöolosuhteissa. Ohjaamalla valaistusta ympäristön valaistusolosuhteiden tai jalankulkijoiden läsnäolon perusteella demonstroidaan yli 40 % alenema valaistuksen tehonkulutuksessa.


Series: VTT Science
ISSN: 2242-119X
ISSN-E: 2242-1203
ISSN-L: 2242-119X
ISBN: 978-951-38-8153-5
ISBN Print: 978-951-38-8152-8
Issue: 64
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.