Comprender la gestión térmica estática y transitoria

Comprender la gestión térmica estática y transitoria en los desarrollos basados en LED

Comprender la gestión térmica estática y transitoria en los desarrollos basados en LED

Los LEDs son dispositivos complejos. No sólo existen los problemas habituales asociados con el diseño y la operación de semiconductores, sino que los LEDs se construyen principalmente para emitir luz. Por lo tanto habrá más complejidades del sistema de revestimientos ópticos, dispositivos de gestión de haz como reflectores y lentes, y para la mayoría de los emisores de luz blanca, los fósforos de conversión de longitud de onda. Sin embargo, la gestión térmica sigue siendo primordial para los productos de iluminación de estado sólido (SSL) confiables que ofrecen el máximo rendimiento posible en el flujo producido. Además, es necesario comprender cómo enfriar los LEDs tanto en implementaciones estáticas como transitorias.


Para los LEDs, es necesario respetar dos parámetros de gestión térmica. Son la temperatura de funcionamiento deseada y la temperatura máxima de funcionamiento. Como regla general, la temperatura de funcionamiento deseada debe ser lo más baja posible. El logro de esto garantizará una alta eficiencia electroóptica con buena calidad de espectro y larga vida útil del dispositivo. La operación a temperatura elevada no sólo degrada la luz producida por los LEDs, en términos de calidad y cantidad, sino que eventualmente desencadena una serie de mecanismos de falla.


Los fabricantes de LED están bien versados en estos escollos y son capaces de diseñar productos que funcionen perfectamente hasta una temperatura de unión de unos 130 ° C. Las temperaturas de los circuitos impresos (PCB) son de alrededor de 10 ° C debido a la resistencia térmica del paquete LED. Por encima de la temperatura nominal de la unión, la vida del LED se reduce aproximadamente a la mitad cada 10 ° C.


Enfriamiento estático de los LEDs

El enfoque convencional para mantener los LEDs fríos es montar los dispositivos semiconductores en un disipador de calor. El calor de los LEDs pasa al disipador de calor por conducción y luego se disipa en el aire. En los casos en que el calor se elimina con agua, u otro fluido, el disipador de calor se denomina a veces placa fría, ya que el sistema de eliminación de calor asociado se diseña con frecuencia para que el fluido de trabajo esté a una temperatura fija que esté por debajo del ambiente ambiente .


HIGO. 1. Los materiales tienen diferentes grados de conductividad térmica.


La realización de un transporte eficaz de calor desde el LED hasta el disipador de calor debe ser sólo una cuestión de especificar un material de alta conductividad térmica.Por ejemplo, a partir del gráfico de la Fig. 1, parece que el cobre es superior al aluminio y latón, que son ambos mejores que el acero inoxidable.

Si bien es cierto que el cobre es el mejor conductor térmico de estos metales, la métrica de conductividad térmica no tiene en cuenta el grosor del material. Lo que importa en términos de la capacidad de transferir calor por conducción a través de un material es la resistencia térmica, que es el espesor dividido por la conductividad térmica.



Dieléctricos y flujo de aire

Consideremos, por ejemplo, los PCB térmicos en los que se construyen frecuentemente matrices de LED de media y alta potencia. En la superficie superior hay seguimiento de cobre para hacer la conexión eléctrica a los LED, mientras que debajo hay una placa de aluminio para conducir el calor lejos. Entre el cobre y el aluminio hay una capa dieléctrica para evitar el cortocircuito eléctrico de las pistas de cobre al aluminio. Varios fabricantes han tomado diferentes enfoques en la selección de material dieléctrico, que abarcan todo el espectro de compuestos orgánicos a inorgánicos. Como muestra la Fig. La figura 2 muestra que el material dieléctrico con la menor resistencia térmica, de casi un orden de magnitud, es el que puede aplicarse más delgado, al mismo tiempo que proporciona el aislamiento dieléctrico requerido.


HIGO. 2. El espesor de un material dieléctrico afecta la resistencia térmica.



Desafortunadamente, incluso la Fig. 2 no presenta una imagen completa. En la trayectoria térmica entre el LED y las aletas del disipador de calor, asumiendo que el dispositivo es refrigerado por aire, habrá una serie de interfaces. Algunos serán puenteados por la soldadura, algunos por los pegamentos, y otros serán presionados junto - por ejemplo, usando los tornillos. Estas juntas presentan barreras adicionales a la conducción del calor, cuya magnitud puede ser grande, difícil de predecir y sujeto a cambios en el tiempo. La resistencia térmica que cada uno presenta se denomina resistencia de la interfaz.


La adición serie / paralelo de todas las resistencias térmicas y resistencias de interfaz en el sistema se denomina impedancia térmica y permite diseñar la trayectoria de conducción para mantener los LED frescos. El cálculo es análogo a las redes de resistencia eléctrica. En la Fig. 3, el voltaje es esencialmente la temperatura en los cálculos, la corriente es el flujo de calor, y la resistencia eléctrica resultante es la resistencia térmica.



HIGO. 3. En el trabajo de desarrollo, puede confiar en una resistencia eléctrica equivalente a la trayectoria de conducción térmica. Para llegar a un modelo de sistema completo de impedancia térmica, se deben agregar resistencias de interfaz térmica en cada transición entre materiales.


Refrigeración transitoria de los LED

La discusión previa supone un escenario de estado estacionario en el que el LED está permanentemente energizado y el disipador de calor está disipando continuamente la energía térmica al aire ambiente. Hay dos situaciones en las que este modelo térmico se rompe. Éstos están en el encendido del LED y más generalmente en funcionamiento pulsado. Sorprendentemente, es posible diseñar una trayectoria térmica que mantendrá un LED frío al funcionar continuamente pero que le permitirá sobrecalentarse al encenderlo. Cuando se opera de este modo, la excursión térmica asociada puede conducir a una falla abrupta del LED de una manera análoga a la rotura de encendido de un filamento de lámpara de tungsteno. Por lo tanto, el diseño de una solución térmica para LEDs debe tener en cuenta el funcionamiento transitorio e incluir variables temporales y espaciales.

Dependencia del tiempo

El componente temporal del enfriamiento transitorio surge debido a la capacidad calorífica específica de los materiales en la trayectoria térmica. Esto se puede añadir al modelo eléctrico de resistencia térmica como condensadores (Fig. 4). La capacidad calorífica de un material es la energía requerida para elevar una masa fija por una temperatura dada. Con una función de paso del calor aplicado, da lugar a una constante de tiempo térmica que describe el aumento de la temperatura contra tiempo. Así, la respuesta térmica del sistema es la superposición de muchas curvas exponenciales cada una con diferentes constantes de tiempo y correspondientes a diferentes componentes en la trayectoria térmica.



HIGO. 4. La dependencia temporal de la conducción térmica se debe a la capacidad calorífica de los materiales del sistema, para los cuales el modelo de equivalencia eléctrica es un filtro RC de paso bajo.


La analogía del modelo eléctrico significa que el término impedancia térmica se utiliza a veces para describir las propiedades térmicas relacionadas con el tiempo de los materiales. Obsérvese que existe la posibilidad de confusión con el término impedancia térmica que describe la resistencia térmica estática de un sistema completo.



Función de estructura acumulada

Una herramienta visual útil para analizar el papel de los materiales en la determinación del componente temporal de la trayectoria de conducción de calor es la función de estructura acumulativa (figura 5). Es la impedancia térmica de un sistema expresado como un gráfico de la capacidad térmica frente a la resistencia térmica para toda la trayectoria del flujo de calor. El origen corresponde al lugar donde se genera la energía y el punto final suele asociarse con el aire ambiente.




HIGO. 5. La función de estructura acumulativa proporciona un mapa de la capacidad térmica y la resistencia térmica de la trayectoria entre el dado del LED y su disipador de calor.



Debido a que todos los materiales poseen un elemento de capacidad térmica y resistencia térmica, cada componente en el sistema se representa como una línea con un gradiente específico. Las interfases entre materiales sólidos tienen resistencia pero esencialmente capacidad térmica cero y por lo tanto están presentes como líneas horizontales, mientras que el punto final del aire ambiente tiene efectivamente capacidad infinita para ningún cambio en la resistencia y por lo tanto es una línea vertical.


Con el punto inicial y final de la función de estructura acumulada fija, es posible concebir múltiples soluciones de enfriamiento con idéntica resistencia térmica total pero comportamiento transitorio sustancialmente diferente. Por ejemplo, el gráfico de la Fig. La figura 6 muestra la conductividad térmica y la capacidad térmica de cuatro materiales que podrían ser parte de una solución de gestión térmica LED. El orden de clasificación cambia con el parámetro considerado más importante.



HIGO. 6. Las gráficas muestran la conductividad térmica y la capacidad calorífica de diversos materiales.



En el funcionamiento pulsado de los LEDs, por ejemplo, un sistema de visión mecánica diseñado para congelar imágenes en un transportador rápido donde la duración del flash se mide en microsegundos, es preferible tener una alta capacidad térmica adyacente al semiconductor. Para el papel habitual de la operación continua, la baja resistencia térmica entre la matriz y el disipador de calor es más importante.


En teoría, la dependencia temporal del enfriamiento transitorio debe significar que la temperatura del LED comienza a la temperatura ambiente y se eleva asintóticamente para saturar a un valor de estado estacionario. Sin embargo, la situación en realidad es más compleja debido al otro término dinámico, a saber, la dependencia espacial.



Dependencia espacial

El componente espacial del enfriamiento transitorio surge de la propensión del calor a propagarse en todas las direcciones. Consideremos, por ejemplo, un LED montado en una placa de metal grande y delgada. Inicialmente, toda la placa está a temperatura ambiente. El LED actúa como una fuente de calor puntual. Al encender, el LED generará calor que se transfiere a la placa por conducción. El calor pasará rápidamente a través de la placa y elevará la temperatura de la región debajo del LED. Así, inicialmente, sólo se utiliza un pequeño volumen de la placa para enfriar el LED. La conductividad de la placa metálica significa que parte del calor del LED se extenderá lateralmente dentro del espesor de la placa, apareciendo eventualmente en la superficie a cierta distancia del LED (ilustrada en la figura 7). Por lo tanto, el volumen de la placa metálica activada activamente en enfriar el LED aumentará con el tiempo, provocando también que la resistencia térmica aparente y la capacidad térmica cambien.


HIGO. 7. Un simple modelo térmico de elementos finitos de un cuerpo caliente sobre una delgada placa de metal demuestra la dependencia espacial como un cambio en el volumen del material de placa que participa en el enfriamiento. Los modelos fueron calculados para incrementar el tiempo de arriba a abajo.




En una medida muy limitada, el componente espacial del enfriamiento transitorio puede ser incorporado en el modelo eléctrico de transferencia de calor incluyendo redes RC adicionales para proporcionar dependencia de segundo orden y mayor tiempo. Sin embargo, debido a otros efectos, tales como la no linealidad de las propiedades de los materiales con la temperatura, el enfoque del modelo eléctrico puede reemplazarse favorablemente por elementos finitos y otros métodos de cálculo.


La dependencia espacial es particularmente relevante cuando existe una interfaz o capa de alta resistencia térmica en la trayectoria. Tomando medidas para extender el calor sobre la mayor área posible delante de esta barrera, es mucho mejor enfriar los LEDs tanto en estado estacionario como en funcionamiento pulsado.


Convección y radiación

Cualquier material que esté por encima de la temperatura ambiente perderá calor por convección y radiación. Si bien estos son los mecanismos dominantes de enfriamiento para lámparas de filamento de tungsteno, desempeñan un pequeño papel en el manejo térmico de los LEDs. Sin embargo, todavía deben ser incluidos en cualquier modelo para asegurar la coincidencia más cercana posible a la situación del mundo real.


En conclusión, los LEDs deben ser enfriados para lograr la mejor eficiencia y asegurar la estabilidad de su salida óptica y longevidad. Un modelo simple de conducción térmica en estado estacionario puede ser construido usando un modelo basado en componentes eléctricos. Sin embargo, para comprender adecuadamente la trayectoria térmica y, en particular, su comportamiento en condiciones transitorias, es mejor utilizar una herramienta que pueda acomodar efectos dependientes del tiempo, espacial y temperatura.


El tiempo y la dependencia espacial de la conducción térmica explica por qué existe una jerarquía en términos de selección de materiales en la que la preferencia por alta capacidad calorífica específica o buena conductividad térmica cambia con la ubicación del material en la trayectoria térmica y el modo de funcionamiento esperado de El LED.