Per gestire efficacemente la temperatura nel punto di giunzione, i progettisti devono considerare tre aree chiave. Oltre ad impiegare tecniche di controllo termico efficaci che disperdano il calore in eccesso nell'ambiente, un controllo efficiente può anche ridurre al minimo la generazione di calore con un impatto minimo sulle prestazioni. Inoltre, è fondamentale anche una progettazione ottica accurata per ridurre la quantità di luce necessaria. La combinazione di questi tre fattori può ridurre significativamente il consumo energetico di un sistema di illuminazione a LED, nonché diminuire i costi e le dimensioni dei dissipatori di calore e di componenti simili.
Controllo termico:
le tecniche di controllo termico efficaci iniziano a livello del package. I LED ad alta potenza, come la serie Golden Dragon di Osram e
i LED Z-Power di Seoul Semiconductor, progettati per erogare più di 1 watt in apparecchi di illuminazione residenziali e industriali, presentano un design in cui la giunzione del LED è fissata a un dissipatore di calore metallico nella parte inferiore del package (Figura 1). Il dissipatore di calore è saldato direttamente a una traccia di rame sul PCB per una rapida dissipazione del calore.
Con la maturazione del mercato dell'illuminazione a LED, alcuni tipi di package si sono affermati in modo definitivo. I package PLCC2 e PLCC4, con superfici di montaggio in plastica senza piombo, sono tra i più diffusi oggi. Seoul Semiconductor è una delle aziende che offre dispositivi ad alta potenza nel consolidato formato PLCC2. La crescente domanda da parte degli utenti finali di flussi luminosi ancora più elevati sta spingendo i produttori a riconsiderare l'uso della plastica, nella ricerca di prestazioni termiche ancora migliori a livelli di corrente più elevati. Il modello LCW100Z di Seoul utilizza un package simile a quello dei dispositivi Z-Power, in cui la giunzione è fissata direttamente a un dissipatore di calore metallico, anziché al tradizionale telaio PLCC2 con terminali. Il dissipatore di calore è posizionato sul lato inferiore del package, consentendone la saldatura al PCB.
Tra le altre tecnologie utilizzate per migliorare le prestazioni termiche si annoverano i rivestimenti ceramici, come quelli impiegati nelle gamme Osram Ceramos e Oslon, e le tecnologie Z5, A4 e P5-II di Seoul Semiconductor. L'elevata conduttività termica della ceramica consente l'utilizzo sia del rivestimento esterno che delle strutture metalliche interne per ottimizzare la dissipazione del calore.
Queste innovazioni sono efficaci nel condurre il calore verso il bordo del package. A questo punto, spetterà al progettista del sistema di illuminazione dissiparlo nell'ambiente. Per i dispositivi che trasferiscono calore al PCB, i progettisti devono prestare particolare attenzione al design del pad, alla posizione del LED sulla scheda e al materiale e alla struttura del PCB. I progettisti dovrebbero consultare le raccomandazioni del produttore sulle proprietà del PCB e sul layout delle tracce nelle schede tecniche e nelle note applicative per ottenere le prestazioni desiderate del LED.
I PCB termicamente ottimizzati contengono un substrato metallico isolato ad alta capacità termica e sono tipicamente utilizzati con LED ad alta potenza. Offrono un'alternativa termicamente più efficiente rispetto al substrato FR4 standard e sono generalmente disponibili in formati pretagliati e nelle dimensioni più comunemente utilizzate nel settore dell'illuminazione a stato solido, come le schede LED Starboard, ottimizzate per array di singoli LED ravvicinati.
Il componente finale del sistema termico è solitamente un dissipatore di calore. Sono disponibili numerose opzioni, incluse unità ottimizzate per l'uso con LED standard.
Controllo della temperatura
: il controllo della temperatura del LED può ridurre la necessità di gestione termica e di ingombranti dissipatori di calore. La quantità di energia generata sotto forma di calore nella giunzione del LED è direttamente proporzionale alla potenza in ingresso, quindi riducendo la potenza si riduce la temperatura. Questa relazione può essere utilizzata per controllare la temperatura di esercizio del dispositivo.
L'inserimento di un termistore NTC nel sistema termico consente di valutare la temperatura nella giunzione del LED e di regolare il livello di corrente del LED se supera il valore massimo desiderato. Questa tecnica può essere implementata nel circuito di controllo per ridurre la potenza in uscita fino a quando la temperatura rilevata non ritorna entro i limiti di funzionamento normali. Si tratta di un meccanismo utile per ottimizzare la corrente nominale e la temperatura di esercizio al fine di ottenere le prestazioni desiderate e la massima durata, e nella maggior parte delle applicazioni di illuminazione ambientale può essere implementato senza alcun effetto apparente sull'emissione luminosa del sistema.
Questa tecnica di controllo della temperatura (throttling LED) è implementata in driver come i moduli ECOdrive e POWERdrive di Eldoled, che offrono anche funzionalità come il supporto LEDcode per semplificare la configurazione dei sistemi di illuminazione a LED. LEDcode è uno standard industriale aperto che aiuta i progettisti illuminotecnici a determinare e applicare le impostazioni di configurazione ottimali del driver, stabilendo un codice a sette cifre che può essere programmato nel driver stesso. I driver compatibili con LEDcode possono contribuire ad accelerare lo sviluppo e la produzione di sistemi di illuminazione a stato solido. Un semplice strumento online consente agli ingegneri di generare il codice specifico del driver e completare lo schema elettrico per una determinata applicazione.
Progettazione ottica:
il modo più diretto per ridurre il consumo energetico di un sistema di illuminazione è limitare la quantità di luce emessa. Pertanto, l'efficienza del sistema ottico che focalizza e modella la luce emessa può fare la differenza. L'utilizzo di materiali di alta qualità, come policarbonato o acrilico di grado ottico, è consigliabile per massimizzare la trasmissione della luce. Le opzioni più economiche, come il polistirene, presentano in genere prestazioni ottiche inferiori e possono deteriorarsi rapidamente.
Oltre all'efficienza ottica, il parametro FWHM (Full Width at Half Maximum, larghezza a metà altezza) è un valore importante per descrivere le prestazioni ottiche di una lente. Considerando un sistema simmetrico, l'FWHM è l'angolo al quale l'intensità luminosa si riduce del 50% rispetto al suo valore massimo. Per garantire la corretta selezione della lente, i progettisti devono considerare anche l'effetto della lente sull'intensità luminosa di picco, espressa in candele per lumen (cd/lm), e il valore del 10%. Questo valore del 10% indica l'angolo al quale l'intensità luminosa diminuisce del 10% rispetto al suo valore massimo. Insieme, questi parametri definiscono la curva di distribuzione della luce per una data lente (Figura 4), ma è importante notare che ciascuno può essere ottimizzato individualmente a scapito degli altri e dell'efficienza ottica complessiva. Questi tre parametri devono essere valutati congiuntamente nella scelta di una lente.
L'industria dell'illuminazione impiega tecniche altamente sviluppate, come l'utilizzo di file IES o EULUMDAT, per valutare le prestazioni delle lenti. Questi file specifici per ogni lente forniscono una rappresentazione completamente digitale della curva di distribuzione della luce, includendo dati su efficienza, FWHM, valore del 10% e cd/lm, oltre ad altri parametri. I file IES o EULUMDAT possono ora essere richiesti per la maggior parte delle ottiche LED.
Poiché esistono molte differenze tra i LED di diversi produttori e tra le diverse famiglie all'interno della gamma di prodotti di ciascun produttore, le migliori prestazioni ottiche si ottengono utilizzando lenti ottimizzate per ogni tipo di dispositivo. L'azienda finlandese Ledil offre lenti di varie dimensioni ottimizzate per soddisfare i requisiti di diverse applicazioni, come l'illuminazione spot o diffusa, e che possono essere utilizzate con le gamme di prodotti dei principali produttori di LED (Figura 5).
I progettisti devono tenere conto dei costi e delle dimensioni. Le lenti più grandi sono generalmente più precise e offrono prestazioni migliori, ma possono compromettere le dimensioni complessive. Le lenti più piccole sono solitamente più gradevoli esteticamente nei prodotti di illuminazione a stato solido. Un buon compromesso si trova nelle lenti rotonde da 21 mm, spesso utilizzate con LED a sorgente puntiforme ad alta potenza, come la gamma Oslon di Osram.
Abstract:
L'illuminazione a LED è una tecnologia efficiente e i produttori stanno compiendo grandi progressi nel mantenerne e migliorarne le prestazioni. Tuttavia, le giunzioni dei semiconduttori sono sensibili alle temperature di esercizio e, con l'aumento dei livelli di luminosità, la progettazione termica diventa un aspetto critico. Combinando una buona gestione termica con un controllo elettrico efficace e una progettazione ottica ben ponderata, è possibile garantire che i sistemi traggano pieno vantaggio dalle straordinarie prestazioni e dalla lunga durata offerte dalla tecnologia di illuminazione a stato solido.
Autore:
Lance Hemmings, responsabile di prodotto, RS Components.
