2. Influenza della temperatura sui LED
• Il riferimento dei grafici successivi è il LED della Philips Luxeon Rebel
InGaN (Indium Gallium Nitride) normalmente utilizzato per la
produzione dei led Blu, Verdi, Ciano e Bianchi.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Influenza della temperatura sui LED
• Il grafico ci dice come il
flusso luminoso emesso sia
estremamente influenzato
dalla temperatura di
funzionamento (°C).
7. 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.
8. 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.
9. 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:
10. 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).
11. 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.
12. 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.
13. 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 :
14. 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
15. 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 thermal
pad), 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.
17. 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.
19. 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:
21. 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.
22. 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.
23. 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).
25. 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.
26. 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.
27. 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 Bondline
200 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.
28. 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:
29. 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.
