Para gerir a temperatura na junção de forma eficaz, os projetistas devem considerar três áreas principais. Além de empregar técnicas de controlo térmico eficazes que dissipem o calor residual no ambiente, um controlo eficiente pode também minimizar a geração de calor com um impacto mínimo no desempenho. Além disso, um design ótico adequado para reduzir a quantidade de luz necessária também é crucial. A combinação destes três fatores pode reduzir significativamente o consumo de energia de um sistema de iluminação LED, bem como diminuir o custo e o tamanho dos dissipadores de calor e componentes similares.
Controlo Térmico:
As técnicas eficazes de controlo térmico começam ao nível da embalagem. Os LED de alta potência, como a série Golden Dragon da Osram e
os LEDs Z-Power da Seoul Semiconductor, concebidos para fornecer mais de 1 watt em luminárias residenciais e industriais, apresentam um design em que a junção do LED é fixada a um dissipador de calor metálico na parte inferior da embalagem (Figura 1). O dissipador de calor é soldado diretamente a uma pista de cobre na placa de circuito impresso para uma rápida dissipação de calor.
Com a maturação do mercado da iluminação LED, determinados tipos de encapsulamento consolidaram-se. Os encapsulamentos PLCC2 e PLCC4, com superfícies de montagem em plástico sem chumbo, estão entre os mais utilizados atualmente. A Seoul Semiconductor é uma das empresas que oferece dispositivos de alta potência no formato PLCC2. A crescente procura dos utilizadores finais por níveis de luminosidade ainda mais elevados está a levar os fabricantes a reconsiderar a utilização de plástico em busca de um desempenho térmico ainda melhor a níveis de corrente mais elevados. O LCW100Z da Seoul utiliza um encapsulamento semelhante ao dos dispositivos Z-Power, em que a junção é fixada diretamente a um dissipador de calor metálico, em vez da estrutura convencional com terminais do PLCC2. O dissipador de calor está posicionado na parte inferior do encapsulamento, permitindo a sua soldadura à placa de circuito impresso (PCB).
Outras tecnologias utilizadas para aumentar o desempenho térmico incluem os revestimentos cerâmicos, como os utilizados nas gamas Osram Ceramos e Oslon, e nos modelos Z5, Acriche A4 e P5-II da Seoul Semiconductor. A maior condutividade térmica da cerâmica permite a utilização tanto do revestimento exterior como de estruturas metálicas interiores para melhorar a dissipação de calor.
Estas inovações são eficazes na condução de calor até à borda do encapsulamento. A partir desse ponto, caberá ao projetista do sistema de iluminação dissipá-lo no ambiente. Para dispositivos que transferem calor para a placa de circuito impresso (PCB), os projetistas devem prestar muita atenção ao design dos pads, à posição do LED na placa e ao material e estrutura da PCB. Os projetistas devem rever as recomendações do fabricante sobre as propriedades da PCB e o layout das pistas nos datasheets e nas notas de aplicação para obter o desempenho desejado do LED.
As placas de circuito impresso com dissipação térmica otimizada contêm um substrato metálico isolado de alta capacidade térmica e são normalmente utilizadas com LEDs de alta potência. Oferecem uma alternativa mais eficiente em termos térmicos do que o substrato FR4 padrão e estão normalmente disponíveis em formatos pré-cortados e nos tamanhos mais comuns na indústria de iluminação de estado sólido, como as placas LED, otimizadas para arranjos de LED individuais com espaçamento reduzido.
O componente final do sistema térmico é geralmente um dissipador de calor. Estão disponíveis muitas opções, incluindo unidades otimizadas para utilização com LEDs padrão.
Controlo da Temperatura
: O controlo da temperatura do LED pode reduzir a necessidade de gestão térmica e dissipadores de calor volumosos. A quantidade de energia gerada como calor na junção do LED é diretamente proporcional à potência de entrada; portanto, reduzir a potência reduzirá a temperatura. Esta relação pode ser utilizada para controlar a temperatura de funcionamento do dispositivo.
A inserção de um termistor NTC no sistema térmico permite avaliar a temperatura na junção do LED e ajustar o nível de corrente do LED caso este exceda o máximo desejado. Esta técnica pode ser implementada no circuito de controlo para reduzir a saída até que a temperatura detectada regresse aos limites normais de funcionamento. É um mecanismo útil para ajudar a otimizar a corrente nominal e a temperatura de funcionamento, visando atingir o desempenho pretendido e a máxima vida útil. Na maioria das aplicações de iluminação ambiente, isto pode ser feito sem qualquer efeito aparente na emissão de luz do sistema.
Esta técnica de controlo de temperatura (throttling de LEDs) está implementada em drivers como os módulos ECOdrive e POWERdrive da Eldoled, que contam ainda com funcionalidades como o suporte LEDcode para simplificar a configuração dos sistemas de iluminação LED. O LEDcode é um padrão aberto da indústria que auxilia os designers de iluminação a determinar e aplicar as configurações ideais dos drivers, estabelecendo um código de sete dígitos que pode ser programado no driver. Os controladores compatíveis com LEDcode podem acelerar o desenvolvimento e fabrico de iluminação de estado sólido. Uma ferramenta online intuitiva permite aos engenheiros gerar código específico para o driver e completar o esquema de cablagem para uma determinada aplicação.
Projeto Óptico:
A forma mais direta de reduzir a energia necessária para um sistema de iluminação é limitar a emissão de luz. Por isso, a eficiência do sistema ótico que foca e molda a luz emitida pode fazer toda a diferença. A utilização de materiais de alta qualidade, como o policarbonato ou o acrílico de grau ótico, é fundamental para maximizar a transmissão de luz. As opções mais baratas, como o poliestireno, apresentam frequentemente um desempenho ótico inferior e podem deteriorar-se rapidamente.
Juntamente com a eficiência óptica, o parâmetro FWHM (Largura Total a Meia Altura) é um valor importante para descrever o desempenho óptico de uma lente. Considerando um sistema simétrico, o FWHM é o ângulo em que a intensidade da iluminação é reduzida em 50% em relação ao seu valor máximo. Para garantir a seleção correta da lente, os projetistas devem também considerar o efeito da lente na intensidade máxima, expressa em candelas por lúmen (cd/lm), e o valor de 10%. Este valor de 10% indica o ângulo em que a intensidade da iluminação diminui 10% em relação ao seu valor máximo. Em conjunto, estes parâmetros definem a curva de distribuição de luz para uma determinada lente (Figura 4), mas é importante notar que cada um pode ser otimizado individualmente em detrimento dos outros e da eficiência ótica global. Estes três parâmetros devem ser avaliados em conjunto na seleção de uma lente.
A indústria da iluminação emprega técnicas altamente desenvolvidas, como a utilização de ficheiros IES ou EULUMDAT, para avaliar o desempenho das lentes. Estes ficheiros específicos para cada lente fornecem uma representação totalmente digital da curva de distribuição de luz, incorporando dados sobre a eficiência, largura de banda a meia altura (FWHM), valor de 10% e cd/lm, para além de outros parâmetros. Os ficheiros IES ou EULUMDAT já podem ser encomendados para a maioria das lentes LED.
Devido às inúmeras diferenças entre os LEDs dos diferentes fabricantes e entre as diferentes famílias dentro da linha de produtos de cada fabricante, o melhor desempenho ótico é obtido com a utilização de lentes otimizadas para cada tipo de dispositivo. A empresa finlandesa Ledil disponibiliza lentes em diversos tamanhos, otimizadas para responder às necessidades de diversas aplicações, como a iluminação pontual ou difusa, e que podem ser utilizadas com as linhas de produtos dos principais fabricantes de LED (Figura 5).
Os projetistas devem ter em conta o custo e o tamanho. As lentes maiores são geralmente mais precisas e oferecem um melhor desempenho, mas podem comprometer o tamanho geral. As lentes mais pequenas são frequentemente mais agradáveis esteticamente em produtos de iluminação de estado sólido. Um bom equilíbrio é encontrado nas lentes redondas de 21 mm, frequentemente utilizadas com LEDs de alta potência de fonte pontual, como a linha Oslon da Osram.
Resumo:
A iluminação LED é uma tecnologia de iluminação eficiente, e os fabricantes estão a fazer grandes progressos na manutenção e melhoria do seu desempenho. No entanto, as junções semicondutoras são sensíveis às temperaturas de operação e, à medida que os níveis de brilho aumentam, o design térmico torna-se uma consideração crítica. Combinando uma boa gestão térmica com um controlo elétrico eficaz e um design ótico bem elaborado, os sistemas podem garantir o pleno aproveitamento do impressionante desempenho e da longa vida útil oferecidos pela tecnologia de iluminação de estado sólido.
Autor:
Lance Hemmings, Gestor de Produto, RS Components.
