Sentire il calore: il ruolo cruciale della gestione termica nelle prestazioni dei LED

Quando si parla di illuminazione a LED, la gestione del calore svolge un ruolo fondamentale nel garantire la longevità e le prestazioni del prodotto. Le luci a LED, nonostante la loro efficienza energetica, generano calore durante il funzionamento. Se non viene gestito correttamente, questo calore può ridurre significativamente l'efficienza e la durata dei LED. Pertanto, prima di installare qualsiasi tecnologia LED, è fondamentale comprendere la scienza che sta alla base della gestione del calore dei LED.

L'importanza di una gestione efficace del calore nei LED

I LED, o diodi a emissione luminosa, funzionano facendo passare una corrente elettrica attraverso un materiale semiconduttore. Questo processo genera luce, ma produce anche calore come sottoprodotto. Senza una gestione efficace del calore, questa energia termica potrebbe accumularsi e causare un aumento significativo della temperatura del LED. Ciò può comportare una diminuzione della resa luminosa, variazioni di colore e persino un guasto prematuro del LED.

La chiave per un funzionamento efficiente dei LED risiede in una gestione efficace del calore, ovvero nella dissipazione del calore generato durante il funzionamento. Ciò si ottiene attraverso un circuito termico che allontana il calore dal LED e lo dissipa nell'ambiente circostante. Tuttavia, il design e i materiali utilizzati in questo circuito termico giocano un ruolo fondamentale nel determinare la sua efficienza.

Capire le basi della gestione del calore dei LED

Il circuito termico di un sistema di illuminazione a LED inizia generalmente dal die del LED (la parte attiva del LED che emette luce quando viene applicata la corrente) e si estende attraverso il pad del LED, il circuito stampato (PCB), il dissipatore di calore e infine nell'ambiente circostante. Ogni componente di questo circuito termico è parte integrante del processo complessivo di gestione del calore e, se non progettato o implementato correttamente, può potenzialmente rappresentare un collo di bottiglia.

Uno dei concetti chiave nella gestione del calore dei LED è la "resistenza termica", una misura dell'efficacia con cui un componente conduce il calore. Simile alla resistenza elettrica, la resistenza termica è una proprietà che dipende dal materiale e dal design del componente. In genere è espressa in gradi Celsius per watt (°C/W). Una resistenza termica più bassa indica un conduttore di calore più efficiente.

Caso di studio: Impatto della resistenza termica sulle prestazioni dei LED

Consideriamo un array di quattro LED, ciascuno dei quali consuma 1 Watt di potenza, montati su una scheda di alluminio e su un dissipatore di calore con una resistenza termica totale di 15°C/W. Le confezioni stesse dei LED hanno una resistenza termica di 5°C/W.

Supponiamo di avere un array di 4 LED (come nell'immagine sottostante) con un consumo di 1 Watt ciascuno (Pled = 1 Watt, Ptotal=4Watt a 350mA).

Ogni pacchetto di LED ha una resistenza termica di 5°C/W (Rled). I LED sono collocati su una scheda di alluminio e su un dissipatore di calore con una resistenza termica totale di 15°C/W (Rhs).

In punti specifici del circuito termico (equivalente alla rete di dati) vengono definiti i valori di temperatura. Per l'array del nostro esempio sono di interesse i seguenti valori:

• Tjunction(Tj)
• Tambient(Ta)

Con questi valori di temperatura possiamo scoprire come si comporterà un LED (flusso luminoso relativo) e quale durata avrà (durata L70). Entrambi dipendono dalla temperatura all'interno del LED, detta temperatura di giunzione, una relazione solitamente rappresentata in grafici come quelli riportati di seguito.

Installiamo l'array in un apparecchio chiuso che funziona in un ambiente caldo. Ciò può comportare

una temperatura ambiente di 60 °C (Ta). Calcoleremo quindi la temperatura di giunzione (Tj ) da utilizzare con i grafici precedenti.

In questo scenario, la temperatura di giunzione (la temperatura all'interno del LED) può essere calcolata come segue:

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

Tjunction (Tj) = Tambient (Ta) + Ptotal * Rhs + Pled *Rled

Assumendo una temperatura ambiente di 60 °C (che potrebbe verificarsi se l'array fosse installato in un apparecchio chiuso in un ambiente caldo), si ha:

Tj = 60 °C + 4 W * 15°C/W + 1 W*5°C/W

= 60°C + 60°C + 5°C

= 125°C

Pertanto, ogni LED dell'array avrebbe una temperatura di giunzione di 125 °C.

Ora, se il produttore dell'array di LED dichiara che ogni LED produce 100 lumen e ha una durata L70 (il tempo necessario affinché l'emissione luminosa del LED scenda al 70% del livello iniziale) di 80.000 ore a una temperatura ambiente di 25 °C, è evidente che le prestazioni e la durata effettive differiscono notevolmente da queste cifre pubblicizzate. Infatti, in base alla temperatura di giunzione calcolata e ai grafici delle prestazioni tipiche dei LED, ogni LED in questo scenario produrrebbe solo circa 90 lumen e avrebbe una durata L70 di circa 30.000 ore.

Le implicazioni reali della gestione termica nei sistemi LED

L'impatto della gestione termica diventa ancora più evidente se consideriamo gli scenari del mondo reale. Ad esempio, un fornitore a caso su Alibaba ha dimostrato un calo delle prestazioni dei LED del 40% a 60 °C. Sebbene non siano disponibili dati sulla durata, è ragionevole dedurre che la durata dell'L70 si ridurrebbe al massimo a qualche migliaio di ore.Per illustrare ulteriormente questo aspetto, un grafico compilato dalle schede tecniche di diversi produttori, che mostra modelli specifici di LED, sottolinea ancora una volta l'importanza cruciale della gestione termica per mantenere le prestazioni e la longevità dei LED.

Strategie per un'efficace gestione termica dei LED

Come possiamo quindi garantire una gestione efficace del calore nei sistemi di illuminazione a LED? Ecco alcune strategie chiave:

1. Scegliere LED di alta qualità: I LED di qualità superiore hanno in genere una migliore capacità di gestione del calore. Questo perché spesso sono progettati con materiali e strutture migliori per dissipare il calore in modo più efficiente.

2. Utilizzare dissipatori di calore efficienti: I dissipatori di calore assorbono il calore generato dal LED e lo dissipano nell'ambiente circostante. La scelta di un dissipatore di calore con una bassa resistenza termica può migliorare notevolmente la gestione del calore del LED.

3. Scegliere una progettazione adeguata della PCB: La scheda PCB funge da interfaccia fisica ed elettrica per il LED. Un PCB ben progettato può favorire la dissipazione del calore, riducendo la resistenza termica complessiva del sistema.

4. Considerare la temperatura ambiente: La temperatura ambiente gioca un ruolo importante nella gestione del calore complessivo di un sistema LED. Negli ambienti più caldi, potrebbero essere necessarie misure aggiuntive per garantire un'efficiente dissipazione del calore.

5. Utilizzare i materiali di interfaccia termica (TIM): Questi materiali possono essere collocati tra il LED e il dissipatore di calore per migliorare il trasferimento di calore. Riempiono eventuali spazi d'aria e creano un percorso più diretto per il passaggio del calore dal LED al dissipatore di calore.

Conclusione

La comprensione dell'importanza della gestione del calore nei sistemi di illuminazione a LED è fondamentale per il loro funzionamento efficace ed efficiente. Sebbene i prodotti LED a basso costo possano sembrare allettanti, spesso sono caratterizzati da una gestione del calore inefficiente e da dati incompleti o fuorvianti sulle loro prestazioni e sulla durata di vita al di fuori di ambienti di test controllati.

Per ottenere il meglio dal vostro sistema di illuminazione a LED, è fondamentale considerare fattori quali la temperatura ambiente, la qualità del prodotto LED e l'impatto della sua temperatura di giunzione sulle prestazioni e sulla durata. Una corretta gestione del calore non solo garantisce prestazioni ottimali, ma prolunga anche la durata del sistema di illuminazione a LED, rendendolo una scelta economicamente vantaggiosa nel lungo periodo.

In conclusione, non si tratta solo della luminosità o del colore della luce, ma anche della capacità del prodotto di gestire il calore. Come si dice, non si tratta solo di vedere la luce, ma anche di sentire il calore!

Tenendo presente quanto sopra, abbiamo selezionato i LED ad alte prestazioni di Nichia, Samsung o Seoul da utilizzare nella maggior parte dei nostri Lumistrips.