La il·luminació moderna s'ha revolucionat amb la tecnologia de díodes emissors de llum (LED), que proporciona eficiència energètica, durabilitat i varietat. El tema de siLlums LEDEl sobreescalfament i com controlen la sortida tèrmica en comparació amb les bombetes incandescents o fluorescents encara es demana sovint. Tot i que els LED es promocionen sovint com a opcions d'il·luminació "fresques", la producció de calor encara és una possibilitat. Aquest article compara la gestió tèrmica dels LED amb la de les bombetes convencionals, investiga la ciència subjacent a la producció de calor LED i analitza les conseqüències per a la vida útil, el rendiment i la seguretat.
Com funcionen els LED-generadors de calor?
Els LED generen calor, a diferència del que molta gent pensa, però el seu funcionament és molt diferent al de les tecnologies d'il·luminació anteriors.
La ciència de la generació de calor a partir de LED
L'electroluminescència, un procés on l'electricitat flueix a través d'un material semiconductor, activa electrons i allibera fotons (llum), és com els LED produeixen llum. No tota l'energia, però, es transforma en llum. La unió semiconductora, que és el centre del xip LED, és on al voltant del 70-80% de l'energia elèctrica dels LED es converteix en calor. Per mantenir el díode en funcionament i evitar danys, cal alliberar aquesta calor.
Distincions importants de les bombetes més antigues
Els filaments de tungstè s'escalfen fins que brillen en bombetes incandescents. Perden més del 90% de la seva energia en forma de calor que irradia com a radiació infraroja. Hi ha risc de cremades ja que la bombeta de vidre s'escalfa força.
Llums fluorescents: les llums fluorescents emeten llum mitjançant l'ús de recobriments de fòsfor i vapor de mercuri. Aproximadament el 80% de la seva energia es perd en forma de calor, que es produeix als elèctrodes i a través del llast.
Els LED generen menys calor residual en general, però a causa de la seva petita mida, la calor es concentra a la unió, la qual cosa requereix una gestió tèrmica sofisticada per evitar fallades primerenques.
Gestió tèrmica LED en comparació amb les bombetes convencionals
La longevitat, la seguretat i l'eficàcia dels sistemes d'il·luminació estan influenciades per com es controla la calor.
1. Dissipació de calor LED
Per eliminar la calor del semiconductor, els LED utilitzen tècniques de refrigeració passiva i activa:
Dissipadors de calor: els dissipadors de calor fets de coure o alumini utilitzen conducció per absorbir i distribuir la calor. Els seus dissenys amb aletes optimitzen la superfície del flux d'aire.
Coixinets tèrmics i adhesius: aquestes substàncies augmenten la transmissió de calor millorant el contacte entre el xip LED i el dissipador de calor.
Disseny de PCB: els dissipadors de calor secundaris es fan amb plaques de circuits impresos (PCB) amb nuclis metàl·lics, com ara PCB d'alumini.
Refrigeració activa: per dissipar ràpidament la calor, els LED d'alta-potència (com els que es veuen als llums de l'estadi) poden utilitzar ventiladors o refrigeració líquida.
Exemple: per eliminar la calor del díode, una bombeta LED estàndard incorpora un dissipador de calor a la seva base, que sovint s'amaga darrere d'una carcassa de plàstic.
2. Gestió de la calor a les bombetes antigues
Les bombetes incandescents alliberen calor a l'aire circumdant. Tot i que no es requereix control tèrmic, massa calor pot danyar els materials o accessoris adjacents.
Els llasts s'utilitzen en tubs fluorescents per controlar el corrent i reduir la calor de l'elèctrode. L'acumulació de calor, però, pot reduir la vida útil dels accessoris tancats.
Comparació de temperatures
LED: les temperatures de la superfície oscil·len entre 30 i 50 graus (86 a 122 graus F), mentre funcionen entre 60 i 85 graus (140 a 185 graus F) a la unió.
Els filaments de les bombetes incandescents poden arribar als 2.500 graus (4.532 graus F), mentre que les temperatures superficials superen els 150 graus (302 graus F).
Els llasts en tubs fluorescents poden arribar als 100 graus (212 graus F), però les temperatures superficials solen oscil·lar entre 40 i 50 graus (104 i 122 graus F).
Tot i que els LED funcionen de manera més eficient en general, la seva calor localitzada s'ha de controlar acuradament per evitar la "fuga tèrmica", una condició en què l'eficiència del díode es deteriora a mesura que augmenten les temperatures.
Per què és important el sobreescalfament: perills i repercussions
Una gestió inadequada de la calor LED pot provocar:
Disminució de la vida útil: la degradació del lumen s'accelera amb les altes temperatures. Si es sobreescalfa, els LED amb una puntuació de 50.000 hores poden fallar en 10.000 hores.
Canvi de color: els canvis de color no desitjats, com ara els tons blaus, són causats per la calor que trenca els recobriments de fòsfor dels LED blancs.
Pèrdua d'eficiència: massa calor fa que el semiconductor es torni més resistent, la qual cosa redueix la quantitat de llum produïda per watt.
Riscos de seguretat: tot i que poques vegades, el sobreescalfament prolongat pot danyar els conductors o provocar que els materials combustibles en instal·lacions amb una construcció deficient s'incendis.
Una anàlisi dels accessoris tancats
Sense prou ventilació, les bombetes LED que s'utilitzen en accessoris tancats-com ara llums encastades al sostre-escalfen sovint. Com que els LED convencionals poden fallar massa aviat en zones reduïdes, els fabricants indiquen si una bombeta està classificada per a aquests entorns.
Innovacions en Gestió Tèrmica per al Disseny LED
Les millores en enginyeria i ciència dels materials han milloratLEDdissipació de calor:
1. Tecnologia coneguda com Chip-on-Board (COB)
En muntar directament molts díodes en un substrat, els LED COB dispersen la calor per una superfície més gran. L'eficiència augmenta i, com a resultat, les temperatures de la unió disminueixen.
2. Paquets fets de ceràmica
Les carcasses de ceràmica, a diferència de les de plàstic, proporcionen una conductivitat tèrmica i una resistència a l'estrès tèrmica superiors als LED-de gamma alta.
3. Retracció tèrmica intel·ligent
Per tal d'evitar danys, alguns conductors disposen de sensors que, en cas que la temperatura augmenti per sobre dels límits acceptables, atenuen o apaguen el LED.
4. Escampadors de calor fets de grafè
Les capes de grafè s'utilitzen en LED experimentals per millorar la dissipació de la calor, cosa que podria canviar completament la gestió tèrmica.
Aplicacions de bombetes LED i convencionals: una comparació
On i com s'utilitzen determinades bombetes estan influenciades per la sortida tèrmica:
Entorns domèstics
Si es valora correctament,Llums de tub LEDsón perfectes per a configuracions regulables, accessoris tancats i llums de tasca. Els espais amb ventilació inadequada corren el perill de sobreescalfament.
Incandescents: eliminades gradualment a causa de la seva ineficiència i perills d'incendi.
Els fluorescents no s'han d'utilitzar a les cases a causa dels temps d'escalfament-lents i del contingut de mercuri.
Entorns empresarials/industrials
A causa dels seus dissenys duradors i dissipadors de calor forts, els LED són l'estàndard del sector per a la il·luminació, la senyalització i els espais exteriors d'alta-baixa.
Halur metàl·lic/HPS: alguns magatzems encara utilitzen bombetes de descàrrega d'alta intensitat (HID) més antigues, però s'han de substituir amb freqüència i produeixen massa calor.
Les millors maneres d'evitar el sobreescalfament del LED
Seleccioneu l'aparell adequat: per a LED-de gran potència, utilitzeu accessoris oberts o ben-ventilats.
Verifiqueu les classificacions del recinte: si cal, assegureu-vos que els llums estiguin certificats per a zones tancades.
Eviteu sobrepassar els LED: la sortida de calor augmenta quan la tensió és superior a la recomanada.
Manteniment freqüent: per mantenir el flux d'aire, dissipa la pols.
Els LED són més freds però encara són susceptibles a la calor.
Els LED són més segurs i{0}}energètics més eficients que els llums incandescents o fluorescents perquè produeixen menys calor ambiental. Tanmateix, es requereix un control tèrmic acurat a causa de la seva sortida de calor localitzada a la unió dels semiconductors. Els LED moderns ofereixen una resistència i una eficiència inigualables alhora que redueixen el risc de sobreescalfament gràcies als dissipadors de calor, els materials sofisticats i el disseny intel·ligent. Els LED continuaran funcionant millor a mesura que avanci la tecnologia gràcies a desenvolupaments com la refrigeració del grafè i les solucions tèrmiques adaptatives, assegurant la seva posició com a il·luminació del futur.
Conèixer aquestes directrius permet a les empreses i a les persones utilitzar els LED de manera eficient, garantint el màxim rendiment en entorns comercials, industrials i residencials.
