Los LED ofrecen una eficiencia unas cinco veces mayor que una lámpara incandescente pero aún así, sólo un 50% de la energía se transforma en luz y, además, en el caso de los LED ultra brillantes, el calor disipado es muy elevado. Las temperaturas elevadas en la unión del LED reducen la cantidad de luz producida, debilitan la consistencia del color y acortan la vida útil del dispositivo.

Para gestionar de manera efectiva la temperatura en la unión, los diseñadores tienen que considerar tres frentes de acción. Además de utilizar técnicas efectivas de control térmico que disipen el calor residual hacia el medio ambiente, un control eficaz también podría reducir la generación de calor con un efecto mínimo en el rendimiento. Por otra parte, un buen diseño óptico para minimizar la cantidad de luz requerida también podría tener bastante importancia. Una combinación de estos tres factores podría reducir significativamente el consumo de energía de un sistema de iluminación LED, así como recortar el coste y el tamaño de los disipadores de calor y componentes similares.

 

Control térmico
Las técnicas de control térmico eficaces comienzan en el encapsulado. Los LED de alta potencia como la serie Osram Golden Dragon y los LED
Z-Power de Seoul Semiconductor, diseñados para ofrecer más de 1 vatio en aparatos de iluminación residencial e industrial, presentan una estructura en la que la unión del LED está adjunta a un disipador metálico en la parte inferior del encapsulado (figura 1). La almohadilla está soldada directamente a una pista de cobre en la PCB para la disipación rápida de calor.

Ciertos tipos de encapsulado se han asentado perfectamente a medida que el mercado de iluminación LED ha ido madurando  Los encapsulados PLCC2 y PLCC4 con superficie de montaje de plástico sin plomo son de los más utilizados en la actualidad. Seoul Semiconductor es una de las compañías que ofrece dispositivos de alta potencia dentro del factor PLCC2 establecido. La creciente demanda del usuario final de salidas de luz incluso más altas, está haciendo que los fabricantes se cuestionen el uso del plástico en su búsqueda por un rendimiento térmico aún mejor para niveles más altos de corriente. El LCW100Z de Seoul utiliza un encapsulado similar al de los dispositivos Z-Power, en el que la unión está fijada directamente a un disipador metálico, en lugar del marco PLCC2 de plomo convencional. El disipador de calor está colocado en la parte inferior del encapsulado, lo que permite su soldadura a la PCB.

Otras tecnologías que están siendo utilizadas para incrementar el rendimiento térmico incluyen cubiertas de cerámica, como las que se utilizan en las gamas Osram Ceramos y Oslon, y Z5, Acriche A4 y P5-II de Seoul Semiconductor. La mayor conductividad térmica de la cerámica permite el uso de la cubierta exterior así como de las estructuras metálicas internas para incentivar la disipación de calor.

Estas innovaciones son eficaces en la conducción de calor hasta el borde del encapsulado. Llegado a este punto, dependerá del diseñador del sistema de iluminación el disiparlo al ambiente. Para aquellos dispositivos que transfieren calor a la PCB, los diseñadores deben prestar suma atención a la concepción de la almohadilla, la posición del LED en la placa y el material y estructura de la PCB.   Los diseñadores deben revisar las recomendaciones sobre las propiedades de la PCB y el diseño de las pistas en las hojas de características técnicas y notas de aplicación del fabricante, a fin de alcanzar el rendimiento LED deseado.

Las placas PCB térmicamente mejoradas contienen un substrato metálico aislado de alta capacidad térmica y se utilizan generalmente con LED de alta potencia. Ofrecen una alternativa más eficaz, desde el punto de vista térmico, al substrato estándar FR4 y suelen estar disponibles en formatos precortados y en los tamaños más utilizados en la industria de la iluminación de estado sólido, tales como las star-boards para LED, que están optimizadas para arrays de LED individuales poco espaciados.
El componente final en el sistema térmico es generalmente un disipador de calor. Existen muchas opciones disponibles, incluyendo unidades optimizadas para su uso con LED estándar.

Control de temperatura
El control de la temperatura del LED puede reducir la necesidad de control térmico y de disipadores de calor voluminosos. La cantidad de energía en forma de calor generada en la unión del LED es directamente proporcional a la potencia de entrada, así que al reducir la potencia se reducirá la temperatura. Esta relación puede utilizarse para controlar la temperatura de funcionamiento del dispositivo.
Colocar un termistor NTC en el sistema térmico permite que la temperatura en la unión del LED pueda ser evaluada y que el nivel de corriente del LED se ajuste si excede el máximo deseado. Esta técnica puede implementarse en el circuito de control para reducir la salida hasta que la  temperatura detectada vuelva a los límites normales de funcionamiento. Es un mecanismo útil para ayudar a optimizar la corriente nominal y la temperatura de funcionamiento, para alcanzar el rendimiento previsto y el tope de vida útil y, en la mayoría de las aplicaciones de iluminación ambiental puede llevarse a cabo sin un efecto aparente sobre la salida de luz del sistema.

Esta técnica de control de la temperatura (LED throttling) se implementa en drivers como los módulos ECOdrive y POWERdrive de Eldoled, que también cuentan con funcionalidades como soporte LEDcode para simplificar la configuración de los sistemas de iluminación LED. LEDcode es un estándar industrial abierto que ayuda a los diseñadores de iluminación a determinar y aplicar los ajustes de configuración óptima del driver mediante el establecimiento de un código de siete dígitos que puede programarse en el driver. Los drivers compatibles con LEDcode pueden ayudar a acelerar el desarrollo y fabricación de iluminación de estado sólido. Una herramienta online fácil de utilizar permite a los ingenieros generar el código específico para los drivers y completar el diagrama de cableado para una aplicación dada.

Diseño óptico
La forma más directa de reducir la energía necesaria para un sistema de iluminación consiste en limitar la salida de luz. Así, la eficiencia del sistema óptico que enfoca y da forma a la luz emitida puede marcar la diferencia. Merece la pena el uso de materiales de alta calidad, tales como policarbonato de grado óptico o acrílico para maximizar la transmisión de luz. Las opciones de bajo coste como el poliestireno, suelen tener un rendimiento óptico menor y también pueden deteriorarse rápidamente.

Junto con la eficiencia óptica, el parámetro FWHM (Full Width at Half Maximum, anchura a media altura que presenta un determinado pico de emisión) es un valor importante para describir el rendimiento óptico de una lente. Al considerar un sistema simétrico, el FWHM es el ángulo en el que se reduce la intensidad de la iluminación en un 50% con respecto a su valor de pico. Para garantizar la correcta elección de la lente, los diseñadores deben considerar además el efecto de la lente en la intensidad de pico, que se expresa en términos de candelas por lumen (cd/lm) y el valor del 10%. Este valor del 10% indica el ángulo en el que la intensidad de la iluminación disminuye un 10% con respecto a su valor máximo. En conjunto, estos parámetros definen la curva de distribución de la luz para una lente dada (figura 4), pero es importante tener en cuenta que cada uno puede optimizarse individualmente a expensas de los demás y de la eficiencia óptica en general. Estos tres parámetros deben ser evaluados en conjunto al elegir la lente.

La industria de la iluminación posee técnicas muy desarrolladas, tales como la utilización de archivos IES o EULUMDAT para evaluar el rendimiento de la lente. Estos son archivos específicos de lentes ofrecen una representación totalmente digitalizada de la curva de distribución de la luz, incorporando datos de eficiencia, FWHM, valor del 10% y cd/lm, así como otros parámetros. Los archivos IES o EULUMDAT pueden solicitarse ahora para la mayoría de ópticas LED.

Como hay muchas diferencias entre los LED de distintos fabricantes, y entre familias diferentes en la gama de cada fabricante, el mejor rendimiento óptico se alcanza utilizando lentes optimizadas para cada tipo de dispositivo. La empresa finlandesa Ledil ofrece lentes en una variedad de tamaños optimizados para satisfacer los requerimientos de diversas aplicaciones, como por ejemplo iluminación puntual o de reflector, y que pueden utilizarse con gamas de los principales fabricantes de LED (figura 5).

Los diseñadores deben considerar el coste y el tamaño. Las ópticas más grandes suelen ser más precisas y ofrecen un mejor rendimiento, pero pueden comprometer el tamaño total. Las pequeñas generalmente resultan más estéticas en productos de iluminación de estado sólido. Un buen equilibrio está en las lentes redondas de 21 mm, a menudo utilizadas con LED de alta potencia de fuentes puntuales, como la gama Oslon de Osram.

Resumen
La iluminación LED es una tecnología de iluminación eficiente y los fabricantes están avanzando a pasos agigantados en el mantenimiento y mejora del rendimiento. Sin embargo, las uniones de los semiconductores son sensibles a las temperaturas de funcionamiento y a medida que aumentan los niveles de brillo, el diseño térmico será una consideración importante. Al unir una buena gestión térmica con un control eléctrico eficaz y un diseño óptico bien pensado, se puede garantizar que los sistemas se beneficien plenamente del impresionante rendimiento y vida útil que ofrece la tecnología de iluminación de estado sólido.

Autor:

Lance Hemmings, Jefe de Producto, RS Components.

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