Gestión térmica de una luminaria para un óptimo desempeño del led.

El funcionamiento de un LED básicamente consiste en el envío de energía a través de los materiales conductores, de esta manera la circulación de energía hace que se genere la luz, sin embargo no toda la energía genera luz, una pequeña parte de esta energía se convierte en calor la cual llamamos pérdidas, por lo que es muy importante que este calor sea extraído para así garantizar una vida útil más prolongada y altas eficacias en los módulos LED. Hay un error en el que caen la gran mayoría de las empresas y profesionales del campo, es que miden la temperatura ambiente en el lugar donde trabaja el individuo y no donde va estar instalada la luminaria, siendo esto un problema de mayor dimensión en luminarias para ser instaladas en bodegas, ya que si estamos en una bodega de 10 metros de altura piso-techo y la temperatura ambiente en el piso donde nos encontramos es de 25 grados centígrados, la temperatura en el techo donde será instalada las luminarias, puede estar alrededor de 55 grados centígrados, motivo por el cual la luminaria en la cual se debe contemplar para trabajar en ese lugar, debe tener una capacidad de operación de por lo menos 60 grados centígrados.

Como desarrolladores de luminarias, las empresas deben escoger el módulo LED con las más altas características de eficacia del mercado local, por lo cual se deben ceñir a los datos técnicos de funcionamiento de los módulos del fabricante, ya que a un pequeño error de cálculo de la corriente entregada al módulo LED, puede presentar deterioro antes del tiempo indicado como vida útil, de igual forma se debe tener muy presente mirar la capacidad de los componentes para el trabajo a altas temperaturas, esto debe ser especialmente para luminarios que trabajen con led de alta potencia, en los led de mediana potencia, no es tan crítico la administración de la temperatura. Este documento es un análisis especialmente para luminarias y disipadores que trabajan con led de alta potencia, que en su gran mayoría son para uso industrial e iluminación exterior.

La grafica “flujo y eficacia vs corriente (a temperatura nominal)” nos muestra que a mayor corriente el flujo aumenta pero la eficacia cae, esto se resume a que se puede tener un flujo más alto del nominal pero la potencia eléctrica (potencia en vatios) aumenta considerablemente y esto se ve reflejado en aumento de temperatura en el módulo LED.

La temperatura denominada como Tc no se refiere a la temperatura ambiente donde se instalan las luminarias, esta temperatura Tc indica los grados centígrados hasta dónde puede llegar el LED en su punto de unión con la placa base del módulo, que por lo general según la gráfica “lúmenes mantenidos vs tiempo de operación” esta temperatura puede estar entre los 25°C y 80°C para cumplir con las 50.000 horas de vida útil.

Cabe notar que la temperatura es proporcional a la cantidad de corriente suministrada por el driver, o sea, entre más corriente se le entregue al LED más temperatura va a generar este dispositivo electrónico.

Debido a lo anterior, se puede deducir que el principal problema de la tecnología LED es la temperatura generada en él, el cual, entre más le exijamos al led, ejercicio que muchos fabricantes lo hacen para minimizar costos en los productos, esto genera una perdida en la eficacia y en la vida útil del led. Para minimizar esta problemática, las luminarias deben incluir un elemento de gestión térmica adecuado para el uso donde va ser instalada la luminaria y la corriente con la que va a trabajar, donde este disipador sea capaz de extraer el calor del módulo de LED y sacarlo del área cercana del TC point.

Como ejemplo, si vamos a instalar una luminaria en una oficina, el cual en su gran mayoría son luminarias que funcionan con led de mediana potencia, las exigencias térmicas no son muy altas, ya que son espacios que tienen una temperatura ambiente que puede estar entre 20 a 22 grados centígrados y la altura piso techo, en la gran mayoría de casos, está en los tres metros promedio, sin embargo tal como mencionamos en párrafos anteriores, esto se vuelve más complejo al momento de utilizar luminarias para bodegas, porque si planteamos una iluminación para una zona donde la temperatura ambiente fuera de la bodega este en 30 grados centígrados y dentro de ella en la zona del piso y a la sombra puede llegar a 25 grados centígrados, en la zona del techo, donde será instalada al luminaria, puede llegar a 55 grados centígrados temperatura ambiente, por lo que sumando el calor generado por el led, el TC puede llegar a tener una temperatura de aproximadamente 85 grados centígrados, si se está trabajando con un disipador con un desarrollo aceptable. Es aquí donde también se deben considerar otro elementos que muchas veces son olvidados por los diseñadores, pero que son pieza fundamental para un óptimo desempeño de la luminaria, no basta solo con mirar la temperatura de funcionamiento que soportan las barras de led y los driver, componentes tan olvidados, pero tan importantes como los cables y conectores, también deben ser considerados dentro del análisis, para luminarias de altas temperaturas, las luminarias deben utilizar cable siliconado, el cual soporta temperaturas superiores a 150 grados centígrados, los cables convencionales utilizado en luminarias de bajas alturas u oficinas, son cables que soportan 80 grados centígrados como mucho, igualmente unos buenos conectores, son fundamentales para eliminar el riesgo de garantías, ya que para una planta por falla en los empalmes causado por conectores de calidades bajas, no es algo que este dentro de los planes de cualquier planta.

El material que más se usa para el elemento de gestión térmica es el Aluminio con aleaciones de cobre el cual es el más idóneo por su buena resistencia a la corrosión, por ser muy liviano, por su alta conductividad térmica, su maleabilidad y por su bajo costo. Por lo general y hablando particularmente en la empresa donde laboro que es el caso que más puedo conocer, utilizamos en nuestras luminarias extruidas aluminio con una aleación en cobre de 0,1 y el Aluminio para el proceso de inyección, se compone con un porcentaje de cobre y silicio de aproximadamente 10%, este último más por temas de fluidez del material en el molde, en ambos casos, es relevante el componente de cobre dentro del aluminio, ya que como se muestra en el cuadro abajo, tanto el aluminio como el cobre, son materiales cuyas características térmicas, son adecuadas para el trabajo térmico.

Podemos ver en el siguiente cuadro que el aluminio y el cobre tiene una alta conductividad térmica, 238 W/m °C y 392 W/m °C respectivamente, que sólo es superada por el oro, plata y los diamantes, materiales los cuales por análisis lógicos, no son materiales idóneos para hacer disipadores, no solo por sus altos costos, sino también por sus características de maleabilidad de estos, adicionalmente siendo el aluminio mejor conductor térmico cuatro veces mejor que el acero, es por ello que utilizar aluminio con aleación de cobre en los disipadores, es la mejor alternativa.

Uno de nuestros mayores esfuerzos a la hora de diseñar una luminaria es hacer que la temperatura del punto de unión del LED sea lo más cercana a la temperatura ambiente, por lo cual, la capacidad de disipación térmica la medimos en Rth (resistencia térmica) y esta se calcula teniendo en cuenta varios factores como la potencia eléctrica en vatios (W) y la diferencia entre la temperatura de unión y la temperatura ambiente (Tc – T). Entre más bajo sea el coeficiente que resulta de la ecuación anterior, mejor será la comunicación entre el núcleo de unión y el aire circundante más frio.

recherche femme pour une relation Entre más alto el valor Rth, menor
será la capacidad de disipación de
calor del dispositivo.

Cabe notar que el disipador térmico no es solo un bloque de aluminio, se debe contemplar en el desarrollo del disipador, aletas que permitan el flujo de aire, aún estamos estudiando el caso de generar flujo de aire frio vertical u horizontal y saber con exactitud cuál de las disipadores, nos ayudarían más a enfriar las barras de led, por lo general estos elementos tienen una base plana hecha para interactuar con la placa del COB o PCB y de allí se extiende hacia arriba unas líneas de “aletas” el cual permite que mayor cantidad de aire entre en contacto con el metal en el menor espacio posible, lo que acelera el intercambio térmico que en última instancia baja la temperatura del LED. para este mejor contacto entre la barra de led y el disipador existen interfaces térmicas, las cuales nuestros ensayos las que mejor funcionalidad presentaron fueron los geles, sin embargo aún por falta de muestras de más de 10 años, no hemos logrado identificar el desgaste de estos geles al cabo de 10 años funcionando y absorbiendo esa cantidad de calor, asumiendo que estos geles deben tener una vida útil y que este llegara un momento de la vida, que ya no solo no ayude a disipar, si no que puede ser un bloquea de calor entre la barra de led y el disipador de aluminio, pero como decíamos anteriormente, no tenemos aún muestras para llegar a estos datos concluyentes y los fabricantes de los geles, desconocen esta información también.

Hablaremos de las simulaciones térmicas mediante software especializado que se pueden hacer para el desarrollo de los disipadores y los tres conceptos básicos de disipación pasiva.

El tipo de disipador térmico que mas se usa en las luminarias es de tipo pasivo el cual no utiliza componentes móviles que se basan en corrientes de aire, en su lugar, absorben el calor que generan los módulos LED a través de procesos naturales, además de ser más confiables que los disipadores tipo activo ya que son de bajo costo, no tiene presencia de ruido, tiene baja complejidad de instalación, posee cero absorción de energía eléctrica y no requieren mantenimiento preventivo o correctivo.

Basados en nuestra experiencia obtenida mediante investigaciones y pruebas, para extraer el calor suficiente del LED aplicamos tres conceptos básicos: Conducción, Convección y Radiación.

Dagomys CONDUCCIÓN:

Consiste en la propagación de calor entre dos cuerpos o partes de un mismo cuerpo a diferentes temperaturas, para nuestro caso esta propagación se da entre la superficie del PCB o COB y el elemento disipador. Se debe de tener en cuenta algo muy importante y es que el aluminio por ser metal puede tener imperfecciones en la superficie creando espacios vacíos que aumenta un poco la resistencia a lo largo de la trayectoria de conducción térmica, para ello se aplica en el intermedio de los dos componentes una pasta térmica cuya función es llenar los espacios de aire a nivel micro entre las 2 superficies, disminuyendo de 1 a 3 grados Celsius aproximadamente en el Tc.

http://tahiti.es/?wmelev=conocer-chicos-leon-gto&422=cd Es importante definir la aplicación correcta de la pasta térmica. Por experiencia propia hemos obtenido mejores resultados aplicando el espesor mínimo.

En la siguiente imagen observamos los resultados obtenido comparativamente cuando trabajamos una barra de led sin interfaz térmica, cuando trabajamos con un pad siliconado y cuando se trabaja una interfaz térmica tipo gel, cuidando el espesor de utilización de esta.

100 free dating site in usa canada and australia CONVECCIÓN:

Este sistema de transferencia de calor interviene un fluido en movimiento que transporta la energía térmica entre dos zonas, el fluido extrae el calor de la zona caliente y cambia su densidad haciendo que se desplace hacia una zona más fría donde cede su calor. Para nuestro caso el fluido en movimiento sería el aire el cual circularía a través de las aletas del elemento disipador, estas aletas aportan más superficie de contacto por masa de material. Las aletas ofrecen mejores resultados si son de buen espesor (X>2mm) para que el calor fluya con poca resistencia hasta los extremos.

El espacio entre aletas debe ser como mínimo de 4 a 5 veces el espesor (4 x 2mm), con el fin de facilitar la circulación de aire frio y caliente, ya que se trata de un disipador pasivo.

Disponer de aletas verticales u horizontales puede significar una diferencia hasta de 10 grados, siendo más eficiente las aletas verticales, al permitir un flujo ascendente del aire de manera más natural, evitando que parte del aire caliente quede atrapado en las esquinas. Esto sin embargo es un resultado teórico basado en simulaciones mediante software, tal como mencionamos en la primera parte de este artículo, falta por hacer pruebas en campo y saber si los resultados obtenidos, si nos arrojan estos mismos valores.

RADIACIÓN:

Es la emisión de calor de un cuerpo debido a su temperatura. El buen desempeño de un disipador puede reducir hasta un 40% la temperatura del COB o PCB. En los simuladores CAD de temperatura, un disipador de aleación de aluminio pintado o anodizado puede llegar a valores de 0.9, mientras que otro en aluminio crudo puede caer hasta 0.5.
Esto se traduce en que un led que se instala en un disipador de aluminio pintado o anodizado tendrá una temperatura en el Tc 20 grados aprox por debajo de otro que se encuentre crudo.

Todas nuestras luminarias con tecnología LED han sido desarrolladas a partir de un simulador térmico con el fin de garantizar excelentes niveles eficiencia energética y una prolongada vida útil.