Comparación de cinco tipos de disipadores de calor para luminarias LED

El mayor desafío técnico al que se enfrentan actualmente las luminarias LED es el problema de la disipación de calor. Una mala disipación de calor hace que la fuente de alimentación del controlador LED y los condensadores electrolíticos se conviertan en cuellos de botella en el desarrollo posterior de las luminarias LED, así como en la causa del envejecimiento prematuro de la fuente de luz LED.

 

En la actualidad, cuando se enciende la fuente de luz LED, aproximadamente el 30% de la energía eléctrica se convierte en energía luminosa, mientras que el resto se convierte en energía térmica. Por lo tanto, la rápida disipación de esta gran cantidad de calor es el aspecto técnico clave del diseño estructural de la luminaria LED. La energía térmica debe disiparse mediante conducción de calor, convección de calor y radiación de calor. Solo disipando rápidamente el calor se puede reducir de manera efectiva la temperatura de la cavidad dentro de la luminaria LED, protegiendo la fuente de alimentación de funcionar en un entorno de alta temperatura sostenida y evitando que la fuente de luz LED envejezca prematuramente debido al funcionamiento a alta temperatura a largo plazo.

 

Sigamos el ejemplo de ZP HEAT SINK para explorar las rutas de disipación de calor de las luminarias LED:

Dado que las fuentes de luz LED no tienen rayos infrarrojos ni ultravioleta, no tienen capacidad de disipación de calor por radiación. Por lo tanto, la ruta de disipación de calor de las luminarias LED solo puede depender de disipadores de calor combinados estrechamente con la placa de perlas de la lámpara LED para disipar el calor. Los disipadores de calor deben tener las funciones de conducción de calor, convección de calor y radiación de calor.

 

Cualquier disipador de calor, además de conducir rápidamente el calor desde la fuente de calor hasta la superficie del disipador de calor, se basa principalmente en la convección y la radiación para disipar el calor en el aire. La conducción de calor solo se ocupa de la ruta de transferencia, mientras que la convección de calor es la función principal del disipador de calor. El rendimiento de la disipación de calor está determinado principalmente por el área de disipación de calor, la forma y la capacidad de convección natural. La radiación de calor solo juega un papel complementario.

 

Los métodos comunes de disipación de calor incluyen disipadores de calor de aluminio fundido a presión, disipadores de calor de aluminio extruido, disipadores de calor de aluminio estampado, disipadores de calor compuestos de aluminio y plástico y disipadores de calor de plástico de alta conductividad térmica.

 

Disipador de calor de aluminio fundido a presión
El costo de producción es controlable, pero las aletas de enfriamiento no se pueden hacer delgadas, lo que dificulta maximizar el área de disipación de calor. Los materiales de fundición a presión comunes para disipadores de calor de lámparas LED son ADC10 y ADC12.

 

Disipador de calor de aluminio extruido
El aluminio líquido se extruye en forma a través de un molde fijo y luego la barra se corta en la forma requerida del disipador de calor mediante mecanizado, lo que genera mayores costos de posprocesamiento. Las aletas de enfriamiento se pueden hacer muy delgadas y numerosas, lo que amplía enormemente el área de disipación de calor. Las aletas de enfriamiento forman automáticamente convección de aire para disipar el calor cuando funcionan, lo que da como resultado una mejor disipación del calor. Los materiales comunes son AL6061 y AL6063.

 

 

Disipador de calor de aluminio estampado
Utilizando una prensa punzadora y un molde, se estampan y estiran placas de aleación de aluminio o acero para formar disipadores de calor en forma de copa. Las periferias internas y externas de los disipadores de calor estampados son lisas, pero el área de disipación de calor es limitada debido a la falta de aletas. Los materiales de aleación de aluminio más comunes son 5052, 6061 y 6063. Las piezas estampadas son livianas y tienen un alto uso de material, lo que las convierte en una solución de bajo costo.

 

 

La conductividad térmica de los disipadores de calor de aleación de aluminio es relativamente ideal, lo que los hace adecuados para fuentes de alimentación de corriente constante conmutadas aisladas. Para las fuentes de alimentación de corriente constante conmutadas no aisladas, el diseño estructural de la lámpara debe garantizar el aislamiento de las fuentes de alimentación de CA y CC, de alto y bajo voltaje para pasar la certificación CE o UL.

 

Disipador de calor compuesto de aluminio y plástico
Se trata de un disipador térmico con una carcasa de plástico térmico y un núcleo de aluminio. El plástico térmico y el núcleo del disipador térmico de aluminio se moldean en un solo paso en una máquina de moldeo por inyección, y el núcleo del disipador térmico de aluminio se preprocesa como una pieza integrada. El calor de las perlas de la lámpara LED se conduce rápidamente al plástico térmico a través del núcleo del disipador térmico de aluminio. El plástico térmico forma convección de aire con sus múltiples aletas para disipar el calor e irradia parte del calor desde su superficie.

 

 

Densidad térmica del plástico en comparación con el aluminio fundido a presión y la cerámica
La densidad del termoplástico es un 40% menor que la del aluminio fundido a presión y la cerámica. Para disipadores de calor de la misma forma, el peso de un disipador de calor compuesto de aluminio y plástico se puede reducir en casi un tercio. En comparación con los disipadores de calor totalmente de aluminio, el costo de procesamiento es menor, el ciclo de procesamiento es más corto y la temperatura de procesamiento es menor. El producto terminado no se rompe fácilmente. Los clientes pueden utilizar sus propias máquinas de moldeo por inyección para producir luminarias con diseños diferenciados. Los disipadores de calor compuestos de aluminio y plástico tienen buenas propiedades de aislamiento y pasan fácilmente las normas de seguridad.

 

 

Disipador térmico de plástico de alta conductividad térmica
Un disipador de calor de plástico de alta conductividad térmica es un disipador de calor totalmente de plástico con un coeficiente de conductividad térmica decenas de veces superior al del plástico común, alcanzando los 2-9 W/m·K. Tiene excelentes capacidades de conducción y radiación de calor. Es un nuevo tipo de material de disipación de calor aislante aplicable a diversas lámparas de potencia, ampliamente utilizado en lámparas LED que van desde 1 W a 200 W.

El plástico de alta conductividad térmica tiene un nivel de tensión de resistencia de hasta 6000 V CA, adecuado para su uso con fuentes de alimentación de corriente constante conmutada no aislada y fuentes de alimentación de corriente constante lineal de alto voltaje HVLED. Esto facilita que estos dispositivos de iluminación LED pasen pruebas de seguridad rigurosas como CE, TUV y UL. HVLED funciona con alto voltaje (VF=35-280VDC) y baja corriente (IF=20-60mA), lo que reduce el calor generado por la placa de perlas de la lámpara HVLED. Los disipadores de calor de plástico de alta conductividad térmica se pueden fabricar utilizando máquinas de extrusión y moldeo por inyección tradicionales.

 

Dentro del disipador de calor de plástico de alta conductividad térmica, los iones metálicos de tamaño nanométrico se distribuyen densamente entre las moléculas de PLA, que pueden moverse rápidamente a altas temperaturas, lo que aumenta la energía de radiación térmica. Su actividad es superior a la de los disipadores de calor de material metálico. Los disipadores de calor de plástico de alta conductividad térmica son resistentes a altas temperaturas, no se agrietan ni se deforman después de cinco horas a 150 grados. Cuando se utilizan con esquemas de accionamiento de IC de corriente constante lineal de alto voltaje, no requieren condensadores electrolíticos ni inductores grandes, lo que mejora significativamente la vida útil de toda la lámpara LED. Los esquemas de suministro de energía no aislados ofrecen alta eficiencia y bajo costo, lo que los hace particularmente adecuados para aplicaciones en tubos fluorescentes y lámparas industriales y mineras de alta potencia.

 

Los disipadores de calor de plástico de alta conductividad térmica se pueden diseñar con muchas aletas de enfriamiento finas. Las aletas de enfriamiento se pueden hacer muy delgadas y numerosas, expandiendo enormemente el área de disipación de calor. Las aletas de enfriamiento forman automáticamente convección de aire para disipar el calor cuando están en funcionamiento, lo que da como resultado una buena disipación de calor. El calor de las perlas de la lámpara LED se conduce directamente a las aletas de enfriamiento a través del plástico de alta conductividad térmica y se disipa rápidamente a través de la convección de aire y la radiación de la superficie.

 

La densidad de los disipadores de calor de plástico de alta conductividad térmica es más ligera que la del aluminio. La densidad del aluminio es de 2700 kg/m³, mientras que la densidad del plástico es de 1420 kg/m³, aproximadamente la mitad de la del aluminio. Por lo tanto, para disipadores de calor de la misma forma, el peso de los disipadores de calor de plástico es solo la mitad del de los de aluminio. Además, el procesamiento es sencillo, con un ciclo de moldeo acortado en un 20-50%, lo que también reduce el costo.

 

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