¿Los LED necesitan un disipador de calor?

 

Pregunte a cinco ingenieros si un LED necesita un disipador de calor y probablemente obtendrá cinco respuestas diferentes. Depende del poder. Depende del diseño. Depende de cuánto tiempo quieras que dure.* Lo frustrante es que todos tienen razón.

 

Aquí está la versión corta: no todos los LED necesitan un disipador de calor, pero cualquier LED que importe probablemente sí.

 

 

Si busca componentes LED para aplicaciones comerciales-piense en iluminación-de gran altura, faros de automóviles, iluminación hortícola o retroiluminación de pantallas-esta pregunta no es solo académica. Afecta directamente la vida útil de su producto, los costos de garantía y si sus clientes terminan reemplazando los accesorios mucho antes de lo esperado.

 

Así que entremos en los detalles que realmente importan para alguien que se gana la vida fabricando productos.

 

La física simple detrás de la pregunta

 

Los LED son eficientes en comparación con las bombillas incandescentes. Todo el mundo lo sabe. Pero "eficiente" no significa "genial". Un LED estándar de alta-potencia convierte entre el 30 y el 50 por ciento de su energía eléctrica en luz. ¿El resto? Calor.

 

Ese calor se genera justo en la unión del semiconductor-el pequeño punto dentro del LED donde realmente se produce la luz. Si la temperatura de la unión sube demasiado, empiezan a suceder algunas cosas. La salida de luz disminuye. Cambios de color. La esperanza de vida se desploma. En casos extremos, el LED falla por completo.

 

El trabajo de un disipador de calor es simple: alejar ese calor de la unión y disiparlo en el aire circundante. La cuestión no es si es necesario gestionar el calor. Se trata de si su aplicación específica requiere un disipador de calor dedicado para realizar esa gestión.

 

Cuándo puedes saltarte el disipador de calor

 

Los LED de bajo-consumo a veces pueden funcionar sin uno

En el caso de los LED pequeños-de bajo consumo-piense en luces indicadoras en un panel de control, tiras de iluminación decorativas o LED que funcionan a 0,5 vatios o menos-el componente en sí a menudo maneja el calor. Los cables o una pequeña traza de PCB proporcionan suficiente ruta térmica para mantener las temperaturas de las uniones dentro de las especificaciones. No se necesita disipador de calor.

 

Pero aquí está el truco. La "baja potencia" es relativa. Si colocas una docena de LED de bajo-consumo muy juntos en una placa pequeña, el calor acumulado se convierte en un problema. En ese punto, estás creando efectivamente una aplicación de mayor-densidad de energía y la administración térmica vuelve a ser necesaria.

 

Los LED de potencia media-y-alta casi siempre necesitan gestión térmica

Una vez que se pasa al rango de LED de 1-vatios y superiores,-especialmente con los arreglos COB (chip-en-placa) de alta-densidad actuales que concentran una potencia significativa en un espacio pequeño, funcionar sin un disipador de calor genera problemas.

 

Considere un LED típico de 50-vatios utilizado en un downlight comercial o en una luminaria de gran altura. Sin un disipador de calor diseñado adecuadamente, las temperaturas de las uniones pueden superar los 100 grados en cuestión de minutos. A esas temperaturas, la vida útil nominal del LED de 50.000 horas se reduce a algo más cercano a las 10.000 horas. La salida de luz puede degradarse en un 30 por ciento o más durante el primer año.

 

Eso no es una falla de componente. Eso es un fallo del producto. Y si vende esos accesorios, ese se convierte en su problema.

 

Lo que realmente hace un disipador de calor adecuado (más allá de ser simplemente una cosa de metal con aletas)

Si ha estado comprando disipadores de calor durante un tiempo, sabrá que no todos son iguales. Una pieza de aluminio extruido con aletas es el enfoque más común, pero la ingeniería detrás de ella importa más de lo que la mayoría de la gente cree.

 

Área de superficie y flujo de aire

Un disipador de calor funciona aumentando la superficie disponible para que el calor se transfiera al aire circundante. Más superficie significa una mejor refrigeración-hasta cierto punto. La densidad, la altura y la orientación de las aletas afectan la eficacia con la que el aire se mueve a través del disipador de calor. En el enfriamiento pasivo (sin ventilador), las aletas deben estar espaciadas para que la convección natural realmente pueda funcionar. Demasiadas aletas apretadas demasiado y el flujo de aire se detiene. Contraintuitivo, pero cierto.

 

Conductividad de materiales

El aluminio es el estándar por una buena razón. Ofrece una excelente conductividad térmica (alrededor de 200 W/m·K para aleaciones comunes como 6063), es liviano y puede extruirse, mecanizarse o fundirse-en formas complejas. El cobre conduce mejor el calor, pero es más pesado y más caro. Para la mayoría de las aplicaciones LED, el aluminio es el punto óptimo.

 

La interfaz importa

Esta es la parte que se pasa por alto. Un disipador de calor solo funciona si el calor realmente puede pasar del LED al disipador. Eso significa un montaje adecuado, superficies planas y, generalmente, un material de interfaz térmica-pasta térmica, almohadillas o materiales-de cambio de fase-para llenar los espacios microscópicos entre el paquete de LED y la superficie del disipador de calor. Omita eso y también podría omitir el disipador de calor por completo.

 

Cómo saber lo que realmente necesitas

Si está diseñando un producto basado en LED, la pregunta no es realmente "¿necesito un disipador de calor?" La pregunta es "¿cuánta gestión térmica requiere este diseño?"

 

He aquí una forma práctica de pensarlo:

-Aplicaciones de indicador de bajo-consumo (menos de 1 W en total):Probablemente esté bien sin un disipador de calor dedicado. El vertido de cobre en PCB puede ser suficiente.

-Potencia baja-a-media (de 1 W a 10 W en total):Generalmente es necesario un pequeño disipador de calor extruido o estampado. El enfriamiento pasivo suele ser suficiente.

- Potencia media-a-alta (10 W–100 W+ en total):Los disipadores de calor de aletas personalizados extruidos, mecanizados o adheridos se convierten en la norma. El enfriamiento pasivo aún funciona si el diseño permite una superficie adecuada. Si el flujo de aire está restringido o la temperatura ambiente es alta, es posible que sea necesario considerar el enfriamiento forzado (ventiladores).

- Matrices de alta-densidad y módulos COB:Estos suelen requerir refrigeración activa o soluciones pasivas altamente optimizadas con una superficie importante. La densidad térmica es simplemente demasiado alta para gestionarla de otra manera.

 

El costo de hacerlo mal

Esto es lo que pasa con la gestión térmica. Cuando se reduce el tamaño de un disipador de calor o se lo omite por completo, rara vez se ve la falla de inmediato. El producto pasa las pruebas iniciales. Se ve bien en los primeros meses de funcionamiento. Pero el daño se acumula.

 

La vida útil del LED sigue el modelo de Arrhenius-básicamente, cada aumento de 10 grados en la temperatura de la unión reduce aproximadamente la mitad de la vida útil. Por lo tanto, un producto que fue diseñado para durar 50.000 horas a una temperatura de unión de 85 grados podría sobrevivir sólo 25.000 horas a 95 grados y 12.500 horas a 105 grados.

 

Si vende a clientes comerciales:-gerentes de instalaciones, fabricantes de equipos originales de automóviles, especificadores de iluminación-ellos esperan esas 50.000 horas. Están tomando decisiones basadas en ese número. Cuando las fallas comienzan a aparecer a las 20,000 horas, no solo estás reemplazando los LED. Estás reemplazando la confianza del cliente.

 

Qué buscar en un socio disipador de calor

Si has llegado a la conclusión de que sí, tus LED necesitan disipadores de calor-y si estás leyendo esto, probablemente así sea-entonces la siguiente pregunta es quién los fabrica.

 

No todos los proveedores de disipadores de calor entienden las aplicaciones LED. Los mejores le harán las preguntas correctas: ¿Cuál es su objetivo de temperatura de unión? ¿Qué es el ambiente ambiental? ¿Tiene refrigeración pasiva o activa? ¿Necesita que el disipador de calor funcione también como componente estructural o carcasa?

También comprenderán que, en el caso de las aplicaciones LED, el disipador de calor suele ser parte de la identidad visual del producto. Especialmente en productos arquitectónicos o de consumo-, el disipador de calor debe verse bien, tener un acabado adecuado e integrarse limpiamente con el resto del diseño.

 

 

EnDisipador de calor ZP, hemos estado diseñando y fabricando soluciones térmicas para aplicaciones LED en los sectores comercial, automotriz e industrial. Trabajamos en aluminio-extruido, mecanizado, adherido-aleta-y nos encargamos de todo, desde el modelado térmico hasta la producción. Si está desarrollando un producto LED y desea lograr la gestión térmica correcta a la primera, eche un vistazo a lo que hacemos en www.zpheatsink.com. O comuníquese. Estaremos encantados de hablar sobre su aplicación específica.

 

DISIPADOR ZPestá especializado en soluciones de disipadores de calor personalizados desde hace 20 años. Envíe su requerimiento a través dewww.zpheatsink.com/contact-uso envíe dibujos técnicos por correo electrónico ageneral@zp-aluminum.compara comenzar el primer paso de su proyecto de disipador de calor LED.

 

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