Dissipazione del calore nei LED

Influenza della temperatura sui LED

• Il riferimento dei grafici successivi è il LED della Philips Luxeon RebelInGaN (Indium Gallium Nitride) normalmente utilizzato per la produzione dei led Blu, Verdi, Ciano e Bianchi.

Influenza della temperatura sui LED

• Esempio Rebel preposto alla produzione di luce bianca: un catodo e un anodo alla quale è poi connessa l’alimentazione principale, un substrato ceramico-metallico necessario all’estrazione del calore dalla zona attiva del LED (il chip), nella parte superiore trovate il Chip vero e proprio, affiancato da un chip secondario che protegge il chip primario dalle cariche elettrostatiche, il tutto coperto dal uno strato di materiale fosforescente in grado di convertire le radiazioni emesse dal chip in luce bianca. Tutto questo sistema è poi coperto da una lente di materiale siliconico.

Influenza della temperatura sui LED

• Più aumento la corrente di funzionamento (espressa in Ampere) del led, più ottengo un aumento del flusso emesso dal LED.

Influenza della temperatura sui LED

• Ne deriva un aumento della potenza assorbita (W) e quindi maggior calore prodotto durante il funzionamento (temperatura di giunzione), che incide in maniera diretta sia sul flusso emesso, sia sulla vita media garantita dal costruttore.

Influenza della temperatura sui LED

• Il grafico ci dice come il flusso luminoso emesso sia estremamente influenzato dalla temperatura di funzionamento (°C).

Influenza della temperatura sui LED

• Il grafico mostra come si comporta il nostro LED in termini di vita media garantita al variare della temperatura e ovviamente della corrente di funzionamento.Il grafico qua sotto definisce le aspettative di vita del nostro Rebel, con un intervallo di confidenza di 90%, ovvero esistono il 90% percento di probabilità che il campione preso in esame rappresenti la globalità del parco led e che quindi la curva ne rappresenti il reale comportamento.

Influenza della temperatura sui LED

• Le curve di mortalità del LED non indicano la rottura “catastrofica” (cioè fisica) del chip, ma definiscono la percentuale di flusso rimanente (Lyy) di una data percentuale di elementi presi come campione (Bxx).In particolare il grafico qua sotto è espresso secondo un’aspettativa di vita (B50,L70) ovvero il 50% dei campioni ha un flusso emesso del 70% rispetto a quello emesso inizialmente. Se fosse (B10, L70) verrebbe considerata un’aspettativa di diminuzione del 30% di flusso su il 10% della popolazione di LED.

LED – resistenza termica

• Una delle principali grandezze matematiche usate nella progettazione della gestione termica è la resistenza termica, RΘ (qui indicata anche semplicemente con R) definita come la variazione di temperatura per unità di calore trasmesso (Watt) tra due punti e si esprime in °C/W o K/W. La formula della resistenza termica per un LED è la seguente:

LED – resistenza termica

• Dove:

• RΘJ-Ref = Resistenza termica tra la giunzione ed il punto di riferimento (°C/W).

• ΔTJ-Ref = Differenza di temperatura tra la giunzione ed il punto di riferimento (°C).

• PD = Potenza dissipata dal LED, vedi oltre (W).

LED – resistenza termica

• La relazione può essere riscritta:

• La temperatura è quella misurata, la potenza dissipata è data dalla corrente per la tensione ai capi del LED. L’incognita rimasta è la resistenza termica tra la giunzione ed il punto di riferimento in cui si misura la temperatura.

LED – resistenza termica

• Tra giunzione e dissipatore ci sono vari strati di materiale, come si vede in Figura 3: nucleo del LED, circuito stampato, indicato spesso con l’acronimo PCB (Printed Circuit Board), filler (pasta o biadesivo conduttivo per un migliore contatto termico tra il PCB ed il dissipatore) e dissipatore.

LED – resistenza termica

• Ognuno di questi strati ha una resistenza termica, e la somma di tutti gli strati posti tra la giunzione ed il punto di misura della temperatura di riferimento da la resistenza totale RΘJ-Ref :

LED – resistenza termica

• RLED = Resistenza tra giunzione e base del LED

• RPCB = Resistenza ai capi della scheda PCB

• Rfiller = Resistenza della pasta o adesivo termoconduttivo

• Rdissipatore = Resistenza tra la piastra e la superficie dissipativa del dissipatore

LED – resistenza termica

• I valori di resistenza tra la giunzione del LED e la piazzola posta alla base per la trasmissione del calore (chiamata in inglese thermalpad), RLED, sono indicati nei relativi datasheet. Alcuni valori per LED Cree sono indicati in Tabella seguente, è difficile determinare questa resistenza termica senza i dati forniti dal costruttore.

LED – resistenza termica

LED – resistenza termica

• La resistenza del PCB (RPCB ) dipende dal materiale del circuito stampato, dalla presenza o meno di fori (vias), dallo spessore della scheda, dello strato di materiale isolante (dielettrico) tra la base e le piste, se presente, e dallo spessore delle piste, solitamente in rame. In Tabella 2 sono indicati i valori di resistenza termica per alcuni tipi di PCB.

LED – resistenza termica

LED – resistenza termica

• Il filler è un prodotto utilizzato tra il PCB ed il dissipatore per eliminare eventuali zone d’aria ed aumentare lo scambio di calore. Può essere una pasta, un collante o un adesivo, in alcuni casi ha anche la funzione di fissare meccanicamente il PCB. La resistenza termica del filler, Rfiller , dipende dalla conducibilità termica, k, del prodotto utilizzato, dallo spessore, s, e dall’area di scambio del calore, A (Figura 6), e si può calcolare con la formula seguente:

LED – resistenza termica

LED – resistenza termica

• La resistenza termica di un dissipatore dipende dal materiale, dalla geometria e dal tipo di lavorazione superficiale. La figura mostra il profilo ed il grafico con il valore di resistenza in funzione della lunghezza per due dissipatori in alluminio 6060. Si vede dalla figura che anche profili molto simili possono avere resistenze termiche diverse.

LED – resistenza termica

• I valori di figura sono per la resistenza termica tra la base e le punte del dissipatore. Se la temperatura di riferimento misurata è quella ambiente, il valore di resistenza termica varia di molto poiché va considerata la convezione tra il dissipatore e lo strato d’aria vicino. La resistenza termica in questo caso varia a seconda delle posizioni delle alette del dissipatore, se presenti, del regime se laminare o turbolento e della moto dell’aria, se naturale o forzato.

LED – resistenza termica

• Nella tabella seguente sono indicati i valori di resistenza termica per due dissipatori in alluminio con base quadrata di lato 20 mm e spessore 2 mm, senza o con 4 alette di lunghezza 5 mm, come da Figura 8. I valori sono ottenuti da simulazioni teoriche per una potenza dissipata di 1 W e temperatura ambiente di 20 °C. Nel caso, ad esempio, di figura A, la piastra del dissipatore raggiunge i 140 °C (120+20).

LED – resistenza termica

LED – resistenza termica

• Il LED assorbe una potenza elettrica (PE ) uguale al prodotto di corrente (ID ) e tensione (VD ) ai suoi capi. Parte di questa energia viene trasformata in luce ed il resto in calore (PD ), il parametro α indica la frazione di potenza trasformata in calore. Questo parametro dipende dall’efficienza del LED e dal suo spettro di emissione. Per LED di potenza ad alta efficienza come i Luxeon, Cree o Osram, α vale 0,5 – 0,6 per LED blu, 0.6 – 0.7 per il bianco freddo e 0,7 – 0,8 per il bianco caldo. Se volete semplificare i calcoli e sovrastimare la temperatura per avere un margine di sicurezza ponetelo a 1.

LED – resistenza termica

• Per calcolare la temperatura di giunzione di un LED a partire dalla temperatura del dissipatore o del PCB è sufficiente determinare la potenza dissipata e la resistenza termica totale tra il punto di misura e la giunzione come spiegato ed applicare la formula vista precedentemente.

• Se si vuole stimare la temperatura di giunzione per il dimensionamento del dissipatore, quindi a partire dalla temperatura ambiente allora bisogna appoggiarsi a software per l’analisi termica o effettuare il calcolo del coefficiente di trasferimento del calore.

LED – resistenza termica: esempio

• Consideriamo il caso di un LED Cree XPE alimentato a 350 mA (V=3.05 V), montato su un PCB in alluminio, e fissato con adesivo Bondline200 su un dissipatore con profilo come da figura B con lunghezza 34 mm. Calcoliamo la temperatura di giunzione avendo misurato la temperatura di riferimento dal dissipatore: 50 °C.

LED – resistenza termica: esempio

• TRef = 50 °C

• PD = V*I (con α =1) = 3.05*0.35 = 1.0675 W

• La resistenza è data da:

LED – resistenza termica: esempio

• La RLED da Tabella 1 è 9°C/W, la RPCB da Tabella 2 è 5,3 °C/W, la Rfiller si calcola dalla formula con i valori della Tabella 3 ed è 0.7°C/W e la Rdissipatore presa dalla figura 7B è 5 °C/W.

• La RJ-Ref è 20 °C/W. Messa nella formula troviamo: TJ = 50 + 20 * 1.0675 = 71.3 °C. In Figura 9 sono illustrati i valori di temperatura per i vari strati.