Rudi Hechfellner, Gestor de Aplicações da Philips Lumileds Lighting, afirma que a gestão térmica é, de longe, o aspeto mais crítico do design de sistemas LED. Os fabricantes de sistemas LED estão a enfrentar este desafio procurando melhorias nos projetos de dissipadores de calor, placas de circuito de alta eficiência, invólucros de alta condutividade térmica e outras técnicas avançadas de design térmico. A simulação térmica desempenha um papel cada vez mais importante, graças à sua capacidade de avaliar diversas alternativas e otimizar o design do sistema numa perspetiva térmica antes da fase de prototipagem.
A ascensão da iluminação LED:
A iluminação de estado sólido é uma tecnologia emergente fundamental que promete transformar radicalmente a iluminação no futuro. Os LED foram originalmente concebidos para operar com menos de 50 miliwatts de energia elétrica. Na última década, a eficiência energética dos LED melhorou drasticamente, atingindo níveis típicos de 40 a 80 lm/watt. Além da eficiência energética, os LED também oferecem uma vida útil mais longa. Dependendo do fabricante e do tipo, a vida útil dos LED brancos pode variar entre aproximadamente 6.000 horas e mais de 50.000 horas, em comparação com 30.000 horas para tubos fluorescentes e menos de 2.000 horas para lâmpadas incandescentes. Os LEDs também podem emitir luz de uma cor específica sem filtros.
A empresa de estudos de mercado Yole Développement afirma que os LED de alta potência irão impulsionar o crescimento do mercado de iluminação de estado sólido, aumentando a receita de menos de mil milhões de dólares em 2007 para aproximadamente 10,3 mil milhões de dólares em 2012. A Yole prevê que os LED de alto brilho e ultra-alto brilho, combinados, representem aproximadamente 4,45 mil milhões de dólares deste total, mais de 5,5 vezes o tamanho do mercado total em 2007. "Estes dispositivos de iluminação de estado sólido estão a tornar-se rapidamente a principal fonte de luz para diversas aplicações, incluindo semáforos, iluminação interior e exterior de automóveis e camiões, apresentações visuais em ecrãs de grandes dimensões, retroiluminação de pequenos LCD e iluminação decorativa", refere um relatório recente da iSuppli (Ref. 1). "Novas aplicações de iluminação estão constantemente a ser descobertas".
Desafios Térmicos:
Os LEDs de alta potência apresentam maiores desafios térmicos do que a maioria das outras fontes de luz, principalmente porque os LEDs não geram radiação infravermelha. De acordo com o Departamento de Energia dos EUA (DOE), 75% a 85% da energia utilizada para alimentar os LEDs é convertida em calor "...e deve ser dissipada do LED para a placa de circuito impresso e dissipadores de calor, invólucros ou armários da luminária". O Gabinete de Eficiência Energética e Energias Renováveis do Departamento de Energia dos EUA publicou uma ficha informativa sobre "Gestão Térmica de LEDs Brancos" (Ref. 2). A curto prazo, o excesso de calor pode reduzir a emissão de luz de um LED e provocar uma alteração de cor. Além disso, outro motivo importante para a gestão térmica são os efeitos a longo prazo, incluindo a redução acelerada da emissão de luz, o que resulta numa vida útil mais curta. O DOE afirma que os fabricantes testam normalmente os LED a uma temperatura de junção fixa de 25°C. Por outro lado, em funcionamento constante, a temperatura da junção é tipicamente de 60 °C ou superior e, nestas condições, a emissão de luz dos LED pode ser 10% ou mais inferior à nominal, podendo ser ainda pior; em produtos com um design térmico inadequado, pode ser significativamente menor.
Para as lâmpadas incandescentes, o fluxo de calor ocorre diretamente do filamento para o meio exterior através de radiação térmica, com alguma contribuição do vidro. O principal caminho de transferência de calor num dispositivo LED é geralmente a condução da junção para a caixa do sistema. O fabricante do dispositivo LED fornece uma gestão térmica ao nível da embalagem. Para o fabricante, a principal preocupação é minimizar a resistência térmica da junção para o exterior da carcaça. Alguns LEDs, geralmente pequenos dispositivos montados em painéis, possuem terminais que formam o principal caminho de condução de calor e, para estes dispositivos, a resistência térmica da junção dos terminais é mais crítica.
O design do produto varia consoante o fabricante e o tipo de LED, mas os conceitos subjacentes são semelhantes em todos os produtos. Neste exemplo, o chip LED é tipicamente ligado por uma camada adesiva a uma camada de interligação metálica, que por sua vez está ligada a um substrato cerâmico e a uma almofada térmica com isolamento elétrico. Todo o conjunto foi concebido para maximizar a emissão ótica e dissipar o calor da parte traseira do chip LED.
Hechfellner salientou que mesmo o dispositivo LED mais eficiente termicamente requer um sistema de arrefecimento desenvolvido especificamente para o mesmo. Afirmou que, como a maioria dos métodos de iluminação tradicionais irradia calor, não apresentam este nível de problemas térmicos. Muitos fabricantes de sistemas têm muito mais experiência nos aspetos elétricos e mecânicos do que nos aspetos térmicos do projeto. "O que a comunidade de engenharia precisa é de uma mudança de mentalidade, dando prioridade ao aspeto térmico em detrimento do elétrico", disse Hechfellner. "O aspeto térmico representa 90% dos problemas de projeto atuais para os fabricantes de sistemas LED, enquanto os aspetos elétricos e mecânicos combinados representam apenas 10%." "
O maior desafio enfrentado pelas empresas de sistemas é desenvolver um encaixe termicamente eficiente que permita que um dispositivo LED seja simplesmente ligado enquanto o calor é conduzido para o ambiente", continuou Hechfellner. “Tanto quanto sei, não existem sistemas deste tipo disponíveis no mercado atualmente. São necessários melhores materiais de interface térmica e ferramentas de projeto para os desenvolver. O nosso foco é criar uma infraestrutura que ajude os nossos clientes a desenvolver projetos térmicos mais eficientes — como ferramentas de simulação que permitam a inserção direta de modelos precisos de dispositivos LED no projeto do sistema.”
A natureza de um produto LED é tal que, mesmo com o aumento da eficiência dos LED, o desafio da gestão térmica não desaparece. À medida que a emissão de luz diminui com a temperatura, uma maior proporção da energia elétrica é convertida em calor, aumentando ainda mais a temperatura. A emissão de luz de um LED diminui com o tempo, pelo que a sua emissão de calor pode aumentar ao longo do tempo, acelerando a taxa de degradação. Uma causa comum da redução da emissão de lúmens nos LED brancos é o amarelecimento do fósforo, que pode ser induzido pelo calor ou pelo ambiente. No entanto, isto não significa necessariamente que o chip esteja a funcionar de forma menos eficiente ou a gerar mais calor. As soluções de gestão térmica devem ser suficientes para remover o calor dissipado pelo LED durante toda a sua vida útil.
Considerações de design ao nível do sistema:
As considerações de design variam para cada LED, e é necessário ter o cuidado de compreender as métricas e o desempenho dos LEDs utilizados na aplicação. A essência do design de um sistema LED é transferir o calor do dissipador de calor, do chip ou dos fios condutores do LED para o ambiente de forma eficiente. Em primeiro lugar, é necessário fornecer uma junção segura e termicamente eficiente entre o chip e a placa de circuito impresso. A ligação térmica é normalmente feita através de um pequeno orifício térmico na placa de circuito impresso para uma grande área de cobre noutra camada. O calor é normalmente conduzido através desta camada para o invólucro ou para um dissipador de calor externo.
Um dissipador de calor externo pode ser necessário em situações em que uma quantidade excecionalmente grande de calor é dissipada no interior do invólucro. O cobre e o alumínio são materiais normalmente utilizados para dissipadores de calor LED. A otimização da geometria do dissipador de calor é uma preocupação crítica em muitas aplicações, uma vez que a resistência térmica do dissipador ao ar é frequentemente importante. O desempenho do dissipador de calor varia em função de fatores como o material, o número de alhetas, a espessura das alhetas, a espessura da base, etc. Os dissipadores de calor externos aumentam a área de superfície disponível para a transferência de calor para o ambiente. O projeto ideal depende das condições locais de fluxo de ar, que são afetadas pela introdução do dissipador de calor, aumentando o desafio do projeto.
O cobre oferece uma condutividade térmica superior, enquanto o alumínio é mais leve e menos dispendioso. Em alguns casos, podem ser utilizadas placas de circuito impresso (PCBs) feitas de materiais que melhoram a transferência de calor através da junção. Estas uniões podem ser fabricadas em aço revestido com cerâmica, alumínio ou outros materiais.
As aplicações de LED mais desafiantes são aquelas que requerem um invólucro hermeticamente fechado para proteger o LED do ambiente exterior. Uma forma de lidar com este desafio é utilizar um material de invólucro com uma elevada condutividade térmica.
Noutros casos, podem ser necessárias medidas mais elaboradas. Um exemplo é um projeto de permutador de calor ar-ar, que utiliza ventiladores internos para circular ar quente sobre alhetas internas que conduzem o calor para as paredes do invólucro. Os ventiladores exteriores são utilizados para mover o ar ambiente frio sobre alhetas montadas na parte exterior do invólucro para remover o calor. A transferência de calor ocorre então através de uma série de etapas de convecção e condução.
Obviamente, existe um grande número de variáveis de projeto que devem ser consideradas ao projetar sistemas LED.
Otimizar o projeto térmico é fundamental por vários motivos. A ficha técnica do Departamento de Energia dos EUA (DOE) sobre a gestão térmica refere que o excesso de calor afeta o desempenho do LED tanto a curto como a longo prazo. Os efeitos reversíveis a curto prazo incluem a alteração da cor e a redução da emissão de luz. Minimizar a mudança de cor é crucial para a retroiluminação em aplicações emergentes, como televisores LCD, onde o aumento da densidade de LEDs melhora a variação de cores na imagem, mas dificulta o arrefecimento. O aumento da temperatura de junção pode afetar severamente a vida útil e o desempenho fiável de um LED de potência. Por exemplo, uma variação de 10 graus na temperatura de junção, mantendo-se todos os outros fatores constantes, tem um efeito drástico na vida útil e na fiabilidade (Fig. 1). A otimização do projeto térmico também pode ter um impacto significativo no custo do produto. Por exemplo, a eficácia do design térmico pode determinar se é necessário ou não um dissipador de calor, uma decisão que afetará substancialmente o custo total.
O Papel da Simulação:
A maioria dos fabricantes de eletrónica, fabricantes de equipamento original (OEMs) e fornecedores de componentes já reconhecem há muito tempo a necessidade de identificar e resolver problemas térmicos nas fases iniciais do processo de conceção. Muitos adotaram software que realiza análises ao nível do componente e do sistema para abordar a gestão térmica antes dos testes físicos, visando evitar iterações adicionais de projeto. No entanto, os fabricantes de sistemas LED utilizam frequentemente este software para conceber sistemas baseados noutras tecnologias de iluminação que não apresentam os mesmos desafios de gestão térmica. Estas empresas podem não possuir o conhecimento e a experiência necessários para utilizar o poderoso e sofisticado software de dinâmica de fluidos computacional (CFD) empregue pelos fabricantes de dispositivos semicondutores e pelos grandes OEM de eletrónica.
Todos os códigos de CFD de há uma década, e muitos dos atuais, exigem que o utilizador tenha um conhecimento profundo dos aspetos computacionais da dinâmica de fluidos para garantir resultados precisos. Por exemplo, os utilizadores precisam de saber como traduzir o seu modelo de design assistido por computador para o ambiente de CFD, depois "inverter" o modelo para que o espaço de fluxo no vácuo, em vez do produto sólido, seja modelado, criando uma malha com as propriedades apropriadas, determinando as condições de contorno, selecionando os modelos físicos corretos, ajustando as definições de resolução para garantir a convergência e outras tarefas. As gerações anteriores de software de CFD também exigiam uma quantidade substancial de ajustes, como a modificação manual de células para melhorar a qualidade da malha e o ajuste de controlos de resolução, como fatores de relaxamento, num esforço para alcançar a convergência para uma solução.
Mas, nos últimos anos, foi introduzida uma nova geração de software de CFD, abordando todos os principais motivos para a relativa subutilização do software de CFD. A utilização de dados CAD 3D nativos, a deteção e geração automática de grades do espaço de fluxo e a gestão de parâmetros de fluxo como características baseadas em objetos eliminam a necessidade de os engenheiros compreenderem os aspetos computacionais da CFD, permitindo-lhes concentrar-se na dinâmica de fluidos do produto, que é da sua responsabilidade compreender e dominar. A nova geração de software CFD contém funções sofisticadas de controlo automático que garantem a convergência em praticamente todas as aplicações, sem necessidade de ajustes manuais.
Esta nova geração de software é ideal para o design térmico de sistemas LED. As competências necessárias para operar o software CFD resumem-se ao conhecimento do sistema CAD e da física do produto, que a grande maioria dos engenheiros de projeto já possui. A capacidade de utilizar CAD 3D nativo poupa tempo e possibilita captar toda a complexidade geométrica dos sistemas LED. A nova geração de software também abrange todos os mecanismos de transferência de calor possíveis, tornando-se um ponto de partida fiável para análises precisas. Ao automatizar todos os passos necessários para a criação de um modelo CFD, a nova geração de software CFD permite aos designers de sistemas LED avaliar rapidamente um grande número de alternativas de design.
A lâmpada apresentada nas Figuras 2, 3 e 4 utiliza seis LEDs de alta potência. Estes LEDs e a fonte de alimentação integrada dissipam calor. Como não foram utilizados ventiladores, os engenheiros apenas puderam contar com condução, convecção natural e radiação. Utilizando um software de CFD integrado no sistema CAD, os engenheiros da Voxdale definiram todos os materiais e as suas propriedades, a dissipação de calor dos LEDs e da fonte de alimentação, a direção da gravidade da convecção, entre outros. Após a geração automática da malha, foi realizado o processo.
Em alta resolução, os resultados foram visualizados na geometria CAD nativa, como se pode ver nas 
imagens seguintes.
A convecção puxa o ar frio para o interior da lâmpada, enquanto o ar quente escapa pelas aberturas.
A Dialight PLC utiliza software CFD integrado no seu software CAD para o projeto de sistemas de iluminação LED. A Dialight é líder na tecnologia LED aplicada, atuando em dois segmentos principais: 1) Componentes: incluindo LEDs de baixa luminosidade utilizados para indicação de estado em equipamentos eletrónicos. 2) Sinalização/Iluminação: utilizando a mais recente tecnologia LED de alta luminosidade para sinalização de trânsito e ferroviária, marcação de obstáculos, iluminação de áreas classificadas e desenvolvimento de aplicações nos mercados de iluminação em geral. "Embora a energia LED esteja a tornar-se mais eficiente, uma quantidade significativa da energia de entrada é convertida em calor", afirma Gordon Routledge, vice-presidente de Produtos de Iluminação da Dialight. "O arrefecimento de componentes eletrónicos e dispositivos LED é fundamental para a fiabilidade a longo prazo, e a análise térmica — incluindo a análise do fluxo de ar — é vital para nos ajudar a cumprir os nossos prazos de desenvolvimento mais exigentes."
físicos
são uma abordagem muito cara e demorada para investigar alterações especulativas de projeto, mas são muito eficazes para validar o projeto final e investigar problemas de fabrico. Os testes físicos podem confirmar os valores das propriedades do material utilizados na espessura da linha de junção e identificar problemas como falhas no chip da junção.
A principal abordagem aproveita o facto de a temperatura ser proporcional à queda de tensão direta de um dispositivo específico. Após a determinação da queda de tensão direta numa corrente de medição específica, é aplicada uma grande quantidade de corrente ao LED, aquecendo-o. Esta corrente é então desligada enquanto é aplicada uma corrente de teste muito mais baixa para medição. A pequena corrente de teste utilizada para caracterizar o dispositivo e a pequena tensão contínua devem ser idênticas. A tensão direta é medida muito rapidamente, antes que a junção tenha a possibilidade de arrefecer. A capacidade de monitorizar a variação da temperatura ao longo do tempo pode fornecer informações detalhadas sobre a forma como o calor flui através de cada camada no seu percurso da junção para o exterior. Isto permite a medição direta de resistências térmicas importantes no caminho do fluxo de calor, como a resistência do chip da junção.
É necessário um hardware de medição sofisticado que consiga medir a variação de temperatura do dispositivo em poucos microssegundos quando este está desligado, devido à rápida resposta térmica do LED. Estes tipos de medições de transitórios térmicos podem ser utilizados para gerar "funções de estrutura" de alta precisão, que fornecem informações internas detalhadas sobre os encapsulamentos de LEDs de potência, revelando falhas nas junções do chip e outros problemas de integridade estrutural.
Conclusões:
A tecnologia LED oferece um enorme potencial para a poupança de energia e melhoria da qualidade e fiabilidade da iluminação. A gestão térmica é crucial no projeto de LEDs para atender aos requisitos de desempenho, vida útil e custo. Os projetistas de sistemas têm uma vasta gama de alternativas a considerar quando lidam com desafios térmicos. A última geração de software de simulação térmica e fluidos CAD integrados permite aos engenheiros de projeto diagnosticar problemas térmicos, avaliar projetos alternativos e iter rapidamente para uma solução ideal. O projeto final pode ser qualificado com medições durante a fase de prototipagem para garantir as tolerâncias de fabrico — por exemplo, que a espessura da interface cumpre os requisitos de projeto térmico — e para identificar quaisquer problemas de fabrico. O conhecimento adquirido pode então ser utilizado para melhorar as simulações de projetos futuros.
Referências
: 1. http://www.isuppli.com/rptviewer/default.asp?a=34715&cmd=inline
2. http://www.netl.doe.gov/ssl/PDFs/ThermalLED_Feb07_2.pdf
3. http://www.lumileds.com/pdfs/WP12.pdf
Fonte: Mentor Graphics
