Gestione del calore dei LED: Spiegata

I fattori determinanti sono la qualità dei LED, il design del prodotto e la sua gestione del calore.

È fondamentale che gran parte del calore generato durante il funzionamento del LED sia canalizzato via. Se ciò avviene, un prodotto di illuminazione a LED avrà prestazioni come pubblicizzato, lunga durata e sarà efficiente dal punto di vista energetico.

Le basi della gestione del calore dei LED

I LED usano elettricità e questo processo genera calore. Questo calore deve essere incanalato lontano dal LED nell'ambiente nel modo più efficiente possibile. Progettare il LED stesso e l'apparecchio di illuminazione per questo scopo si chiama gestione del calore. Il calore che deve essere incanalato via è direttamente proporzionale al flusso luminoso e al consumo energetico del LED.

Il calore viene incanalato attraverso un circuito termico.

Un semplice esempio di circuito termico inizia con la matrice del LED, continua attraverso il pad del LED fino al PCB, il dissipatore di calore e infine l'ambiente.

Ogni elemento di questa catena gioca un ruolo chiave nel calore complessivo con cui i dati vengono incanalati via e ha il potenziale di essere un collo di bottiglia, di rallentare le cose.

Nel caso di un circuito termico, ogni elemento impedisce ad una parte del calore di attraversarlo, un fenomeno chiamato resistenza termica.

La resistenza termica è l'equivalente di un collo di bottiglia in una rete di dati. Per avere una resistenza termica minima, sono necessari materiali adeguati e un design intelligente.

La resistenza termica si misura in  °C/W. Un valore 1°C/W significa che per ogni Watt di consumo energetico del LED la resistenza termica (calore non trasferito) è di 1°C.

Diciamo di avere un array con 4 LED (come nell'immagine sotto) ognuno con un consumo di 1 Watt (Pled = 1 Watt, Ptotale=4 Watt a 350mA).

Each of the LED packages has a thermal resistance of  5°C/W (Rled). The LEDs are placed on aluminum board and heat sink with a total thermal resistance of  15°C/W (Rhs)

At specific points in the thermal circuit (equivalent to the data network) temperature values are defined. For the array in our example the below are of interest:

• Tjunction (Tj)
• Tambient (Ta)

With these temperature values we can discover how a LED will perform (Relative Luminous Flux) and what lifetime will it have (L70 Lifetime). Both depend on the temperature inside the LED, called junction temperature, a relationship usually represented in graphs as the ones below.

We install the array in a closed luminaire that functions in a hot environment. This can result in

an ambient temperature of 60 °C (Ta). We will then calculate the junction temperature (Tj ) to use with the graphs above.

Tj= Ta + Ptotal * Rhs + Pled *Rled

Tj = 60 °C + 4 W * 15°C/W + 1 W*5°C

Tj = 60 °C + 60 °C + 5°C =125°C

Ogni LED dell'array avrà una temperatura di giunzione di 125°C.

Queste informazioni ci mostreranno il divario tra le prestazioni e la durata di vita reali e pubblicizzate.

If the manufacturer of the LED array claims each LED has 100 lumen and 80.000 hours L70 lifetime at an ambient temperature of 25 °C we can easily notice the gap exists. 

Con il calcolo e i grafici di cui sopra, i valori risultanti per ogni LED sono 90 lumen e 30.000 ore di vita L70.

Ci sono molti casi in cui il divario tra reale e pubblicizzato è molto più significativo.

Di seguito alcuni esempi.

Figura 1: Un grafico di un fornitore casuale su Alibaba. A 60 °C siamo di fronte a un calo delle prestazioni dei LED del 40%. Anche se non c'erano dati sulla durata disponibile, possiamo tranquillamente assumere che la durata della L70 sia di poche migliaia di ore nel migliore dei casi.

Figura 2: Un grafico compilato dalle schede tecniche di diversi produttori, con i modelli LED specifici menzionati in basso.

In conclusione, dovremmo sempre considerare la temperatura ambiente rilevante per il nostro progetto, quanto è buono il prodotto LED nella gestione del calore e come la temperatura di giunzione effettiva influisce sulle prestazioni e sulla durata del LED.

Si dovrebbe anche capire che un prezzo basso di solito significa scarse prestazioni dei LED ad alta temperatura, gestione del calore inefficiente e dati assenti, incompleti o fuorvianti sulleprestazioni e sulla durata del prodotto al di fuori di una camera di prova raffreddata.

Con quanto sopra in mente abbiamo selezionato i LED Nichia 757G come LED di scelta per la maggior parte dei nostri Lumistrips. Il design proprietario Nichia del 757G ha la migliore resistenza alle alte temperature sul mercato, e quindi garantisce le migliori prestazioni con la più facile gestione termica.