Gestión del calor mediante LEDs: Explicado

Aprovechar al máximo un producto basado en la tecnología LED puede ser complicado debido a un factor importante: cómo la temperatura de funcionamiento puede dar lugar a una diferencia sustancial entre el rendimiento real y el publicitado de un producto basado en LED.
Factores importantes en este efecto son la calidad del LED, el diseño del producto y la gestión del calor: qué parte del calor generado durante el funcionamiento se canaliza.

Si el calor es bien manejado, un producto de iluminación basado en LED tendrá el rendimiento que se anuncia, larga vida útil y será eficiente en el consumo de energía.

Los fundamentos de la gestión del calor del LED

Los LEDs utilizan electricidad y este proceso genera calor. Este calor necesita ser canalizado lejos del LED en el ambiente de la manera más eficiente posible. El diseño del propio LED y de la luminaria para este fin se denomina gestión del calor. El calor que debe ser canalizado es directamente proporcional al flujo luminoso y al consumo de energía del LED.

El calor se canaliza a través de un circuito térmico.

Un ejemplo sencillo de un circuito térmico comienza con el LED muere, continúa a través de la almohadilla LED a la PCB, el disipador de calor y, finalmente, el ambiente.

Cada elemento de esta cadena desempeña un papel clave en el calor general con el que se canalizan los datos y tiene el potencial de ser un cuello de botella, para ralentizar las cosas. Esto debe evitarse eligiendo el equipo adecuado.

En el caso de un circuito térmico, cada elemento impide el paso de calor a través de él, un fenómeno llamado resistencia térmica.

La resistencia térmica es el equivalente a un cuello de botella en una red de datos. Para tener una resistencia térmica mínima se requieren materiales adecuados y un diseño inteligente.

La resistencia térmica se mide en °C/W. Un valor de 1°C/W significa que por cada vatio de consumo de energía del LED, la resistencia térmica (calor no transferido) es de 1°C.

Digamos que tenemos una matriz con 4 LEDs (como en la imagen de abajo) cada uno con el consumo de energía de 1 Watt (Pled = 1 Watt, Ptotal = 4 Watt a 350mA).

Cada uno de los paquetes de LED tiene una resistencia térmica de 5°C/W (Rled). Los LEDs están colocados sobre una placa de aluminio y un disipador de calor con una resistencia térmica total de 15°C/W (Rhs).

En puntos específicos del circuito térmico (equivalentes a la red de datos) se definen los valores de temperatura. Para el array de nuestro ejemplo, los siguientes son de interés:

Tjunction (Tj)
Ambiente (Ta)
Con estos valores de temperatura podemos descubrir cómo funcionará un LED (flujo luminoso relativo) y qué vida útil tendrá (L70 Lifetime). Ambos dependen de la temperatura en el interior del LED, llamada temperatura de unión, una relación que suele representarse en gráficos como los que se muestran a continuación.

Digamos que instalamos el arreglo en una luminaria cerrada que funciona en un ambiente caluroso. Esto puede significar una temperatura ambiente de 60 °C (Ta). Luego calcularemos la temperatura de unión (Tj) para usar con los gráficos anteriores.

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

Cada LED del conjunto tendrá una temperatura de unión de 125°C.

Esta información nos mostrará la diferencia entre el rendimiento real y el anunciado y la vida útil.

Si el fabricante de la matriz de LEDs afirma que cada LED tiene una vida útil de 100 lúmenes y 80.000 L70 a una temperatura ambiente de 25 °C, podemos observar fácilmente que existe un hueco. Con el cálculo y los gráficos anteriores, los valores realistas para cada LED son 90 lúmenes y 30.000 horas de vida útil de L70.

La imagen no siempre es tan buena. Hay muchos casos en los que la brecha entre lo real y lo anunciado es muy significativa.

A continuación se presentan dos ejemplos.

Figura 1: Gráfico de un proveedor aleatorio en Alibaba. A 60 °C estamos ante una caída del 40% en el rendimiento de los LED. Aunque no se disponía de datos de vida útil, podíamos asumir con seguridad que la vida útil del L70 es de unos pocos miles de horas en el mejor de los casos.

Figura 2: Un gráfico compilado a partir de hojas de datos de varios fabricantes, con los modelos específicos de LEDs mencionados en la parte inferior.

En conclusión, siempre debemos considerar la temperatura ambiente relevante para nuestro proyecto, cuán bueno es el producto LED en la gestión del calor y cómo la temperatura de unión real impacta el rendimiento y la vida útil de los LED.

También debe haber una subestimación de que un precio bajo generalmente significa un rendimiento deficiente de los LED a alta temperatura, una gestión ineficiente del calor y la ausencia de datos incompletos o engañosos sobre el rendimiento y la vida útil del producto fuera de una cámara de prueba refrigerada.

Teniendo en cuenta lo anterior, hemos seleccionado los LEDs Nichia 757G como el LED de elección para la mayoría de nuestros Lumistrips. El diseño propio de Nichia del 757G tiene la mejor resistencia a altas temperaturas del mercado y, por lo tanto, garantiza el mejor rendimiento con la gestión térmica más sencilla.