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Proteggere i dispositivi di illuminazione a LED dal surriscaldamento

Murata protegge i dispositivi di illuminazione a LED da surriscaldamento

LED, dispositivi ad emissione luminosa bassi costi, l'illuminazione ad alta efficienza e basso consumo energetico ma anche surriscaldamento. Murata Manufacturing Co., Ltd mette a punto un metodo molto semplice per ridurre i rischi di surriscaldamento dei diodi LED.

Il mercato dei diodi ad emissione luminosa, detti più comunemente LED, è in rapida espansione soprattutto negli ultimi anni. Grazie infatti al miglioramento delle prestazioni del prodotto e a dei prezzi significativamente inferiori rispetto a qualche anno fa, queste piccole sorgenti luminose trovano applicazione in svariati campi.

Nonostante queste caratteristiche i dispositivi di illuminazione a LED mostrano anche qualche pecca in ambito di surriscaldamento del dispositivo rispetto alle comuni lampade ad incandescenza e alle lampade fluorescenti; a causa dei problemi di sicurezza che derivano dal loro utilizzo in determinati ambienti vengono spesso accantonati optando per la vecchia soluzione.

In particolare contemporaneamente alle loro caratteristiche eccellenti come l'illuminazione ad alta efficienza e il basso consumo energetico i dispositivi LED "high brightnes" soffrono enormemente il surriscaldamento e possono diventare estremamente caldi. Di certo una grave pecca in termini di sicurezza, in quanto le temperature elevate raggiunte dai diodi LED possono provocare danni al dispositivo che li ospita e pregiudicarne il funzionamento.

Murata protegge i dispositivi di illuminazione a LED da surriscaldamento

Questo articolo introduce un metodo molto semplice per implementare la protezione dal surriscaldamento dei dispositivi di illuminazione a LED con il POSISTOR, un coefficiente di temperatura positivo (PTC) grazie ad un termistore in ceramica prodotto da Murata Manufacturing Co., Ltd. Questo metodo può migliorare la sicurezza dei dispositivi di illuminazione a LED a basso costo riducendone appunto il surriscaldamento e aumentandone la di conseguenza la sicurezza.

Grazie ad un pratico esempio portato a conoscenza da Murata Manufacturing Co., Ltd potremo infatti osservare il funzionamento dei diodi LED con il Posistor.

Osservando la prima figura noteremo la dimostrazione LED esibita da Murata al CEATEC GIAPPONE 2009 tenutasi lo scorso ottobre. Questa scheda dimostrativa monta ben cinque LED. Un riscaldatore compatto in ceramica è installato immediatamente sotto al LED sulla parte inferiore della scheda. I monitor LCD utilizzati per visualizzare la temperatura sono piazzati sulla scheda vicino al LED corrispondente.

La foto in basso a destra mostra il surriscaldamento forzato dei LED con il riscaldatore installato in basso. Grazie alle immagini possiamo facilmente osservare che quando la temperatura si avvicina agli ottanta gradi Centigradi, con conseguente surriscaldamento del LED, la luminosità ne risente abbassandosi notevolmente. Questi risultati indicano che la corrente che scorre all'interno del LED è controllata dal termistore PTC Posistor, ovvero quel chip montato vicino al LED.

Utilizzando il chip POSISTOR la luminosità del LED viene abbassata se il LED stesso produce calore anomalo o se un fattore esterno provoca un aumento anomalo della temperatura.

Come risultato otteniamo che il LED è non ha la possibilità di continuare a generare calore con la sua attività, impedendo che si bruci o che crei ulteriori danni al dispositivo che lo ospita e all'ambiente circostante.

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ritratto di Giovanni Giomini Figliozzi

È certamente un sistema di

È certamente un sistema di protezione interessante, dobbiamo considerare che l'ostacolo più grande di tutti che ha impedito ai led di diffondersi da subito nell'ambito dell'illuminazione è stato il rischio di surriscaldamento ad esso associato. Infatti, mentre gli altri tipi di lampada hanno un'efficienza minore rispetto ai led, quindi a parità di potenza scaldano di più, queste sono anche più grandi, e avendo una superficie maggiore, stanno avvantaggiate con lo smaltimento del calore.
Ho guardato lo schema chiamo A il transistor sopra e B quello sotto nell'ultima figura. QUando il led si scalda, il termistore aumenta la sua caduta di tensione a parità di corrente. Questo aumenta la tensione sulla base di B, e sul collettore di B scorre una corrente che sarebbe dovuta scorrere dentro la base di A, e conseguentemente nel suo collettore, alimentando il led. Quindi quando la temperatura aumenta, diminuisce la corrente che scorre nel led. Poi faccio anche 2 conti...

ritratto di Giovanni Giomini Figliozzi

Ora che ci penso assomiglia

Ora che ci penso assomiglia un sacco al dispositivo di protezione per la semionda positiva negli operazionali µA741, solo che in quel caso la resistenza era fissa, e serviva a limitare la corrente di corto circuito. Comunque non mi sembra molto efficiente questa soluzione... Fatto così questo sistema farebbe ridurre l'efficienza complessiva del sistema di illuminazione a led di un quarto (a occhio e croce)

ritratto di fra83

Esatto in pratica il

Esatto in pratica il transistore B quando si attiva drena via corrente dal ramo dove insiste A e quindi nel led passa minore corrente provocando minor riscaldamento.
E' una soluzione semplice ma efficace, si usa lo stesso principio per controllare la tensione ai capi dei supercap, all'attivarsi di un transistor la corrente che viene tirata via dal ramo con il dispositivo è IB*beta

ritratto di matrobriva

Penso che questa tecnologia

Penso che questa tecnologia comporti costi troppo elevati per essere utilizzata su larga scala...

ritratto di FlyTeo

Costi..

..i costi tendono sempre a ridursi.. Sono sempre elevati per una nuova tecnologia che viene immessa sul mercato.. =)

ritratto di Andres Reyes

Se non era per Giovanni che

Se non era per Giovanni che ha fatto i calcoli, fra transistor, resistenze etc..mi sarei perso.

ritratto di Fabrizio87

Questo ambito della sicurezza

Questo ambito della sicurezza su i LED diventa sempre più importante visto la diffusione di tale dispositivo e soprattutto di questi ultimi tempi ho visto anche mattonelle che si illuminano e spesso i LED vengono piazzati i dispositivi dove non è possibile cambiarli.
quindi diventa sempre più l'imponente la sicurezza di non romperli e di non creare incidenti dovuti al surriscaldamento .

questo tipo di sicurezza è abbastanza semplice il suo funzionamento è fatto attraverso un feedback controllato dalla temperatura stessa dell'ente che quando si alza in proporzione fa abbassare la corrente che scorre attraverso il LED .

ritratto di ernenek37

hai visto bene

hai visto bene il problema della sostituzione dei LED,infatti anche se pochi ne parlano,per la maggior parte dei casi a fine vita si butta via tutto,LED,riflettore,dissipatore,elettronica...uno spreco pazzesco anche se avviene ogni 25000 ore!

ritratto di Antonio Mangiardi

fondamentalmente, la durata

fondamentalmente, la durata dei led è compromessa proprio dalla temperatura di funzionamento, per questo si fa molta attenzione ai path termici, dal lato fisico e questi sistemi dal lato elettronico... il problema è scottante! spiego un pò di cose...
quello che danneggia il dispositivo non è tanto la corrente ma la densità di corrente, se ci sono delle ipurità, (e ci sono) gli elettroni sbattendoci, trasformano la loro energia cinetica in calore.. il problema non è tanto il dispositivo ma le metallizzazioni, a causa del campo elettrico e del "vento elettronico" (il fluire del drift diciamo, l'effetto degli urti degli elettroni: qE=F e la velocità di drift vd è proporzionale alla forza F).
per effetto degli urti di elettroni succede in pratica "l'elettromigrazione" ossia piano piano degli atomi si staccano dal metallo rompendo di fatto le piste di collegamento al dispositivo vero e proprio.. immaginate che il metallo ha una struttura cristallina a nido d'ape, http://www.ing.unitn.it/~colombo/metallizzazione_su_silicio/Al_Si_Metal_Cap2_3.html (immagine 2.11 a)
ora se il flusso degli elettroni prevale in una direzione e ha una certa forza, stacca il di fatto l'atomo creando una "divergenza di materiale, pian piano si forma un buco: è un feedback positivo: più aumenta il buco e più aumenta la densità di corrente e più aumenta la temperatura ecc... possiamo studiarle tutte, mettere dei grossi substrati, corrente impulsiva (pwm) o alternata magari (non è il caso dei led, almeno credo) ma alla fine quello che dobbiamo fare è ridurre la temperatura e questo metodo non lo conoscevo e mi sembra ottimo! :)

ritratto di FlyTeo

Una bella notizia..

Giusto ieri sera ho visto un telegiornale che parlava di un paese della valle brembana, in provincia di bergamo, che ha adottato per tutta l'illuminazione del paese delle luci a led. Hanno intervistato il sindaco che era felice della realizzazione del progetto, legato al più grande progetto europeo che vuole ridurre del 20% il consumo di energia entro il 2020.
Sicuramente l'iniziativa è stata ben apprezzata.. E ciò a conferma di come questi led siano versatili, abbastanza economici, ed amanti dell'ambiente. Inoltre molto luminosi. Qualche dato che il telegiornale citava: il paese risparmierà qualcosa come 50 kwatt/ora con questo nuovo impianto di illuminazione.
Informandomi ho scoperto che l'illuminazione è stata gestita da Enel Sole e le luci led sono di tipo "Archimede". Le stesse poste anche sul quirinale.

Inoltre, giusto per restare in tema di risparmi, tutti i lampioni sono costruiti con materiali riciclabili =)

ritratto di ernenek37

anche qui..

anche qui devo notare trattasi di una notizia un pò fuorviante:innanzitutto si dovrebbe comprendere rispetto a che cosa si risparmia e se il risultato illuminotecnico è pari o migliore della situazione precedente.
Poi si dovrebbero conoscere i costi di impianto,di installazione,del materiale e della manutenzione.Attualmente da quel poco che ho letto il risparmio maggiore è nei costi di manutenzione!
Per fare un piccolo esempio:ho sullo scrittoio una lampada a Led da 12 W :la illuminazione è maggiore del 15% di quella ottenuta con una lampada da 11 W del tipo PL a basso consumo,però la lampada costa oltre 10 volte di più ( attualmente...) Dov'è il risprmio?Oggi non c'è, perchè una PL dura mediamente 4-5 volte meno delle lampada a LED e non compensa il costo...però non c'è necessità di muovere due persone ed una scala su furgone per cambiare la lampada (come per un impianto di illuminazione pubblica).
Quindi..occorre valutare bene tutti i parametri del caso anche se il nostro solerte sindaco deve blaterare che è supercontento!

ritratto di FlyTeo

Analisi nel complesso..

I parametri che hai elencato tu credo proprio siano stati valutati. Per quanto riguarda il risparmio, bè, credo che si parli di un risparmio sul lungo periodo. Non penso che i costi per cambiare tutte le lampadine siano stati poi così indifferenti. E' stato un investimento e il guadagno verrà "visto" magari solo tra qualche anno..

Poi comunque va valutato non un singolo aspetto per volta ma tutto insieme, complessivamente.. E' per questo che la tecnologia è migliore. I suoi difetti li ha, ma comunque superano i pregi =)

ritratto di Ser_gio

L'unico svantaggio dei LED

è che mostrano anche qualche pecca in ambito di surriscaldamento, perciò non possono essere utilizzati in determinati ambienti o circostanze... Riprendendo i commenti qui sopre credo che sicuramente oggi come oggi il costo di produzione può risultare elevato ma sicuramente con una produzione su larga scala tali costi si ridurrando.

ritratto di Maurone

Tutto ciò che conosco a pregi e "difetti", e quindi anche il led

Non dimentichiamo che il led nasce come dispositivo di segnalazione/stato, insomma ha preso il posto della lampadina. In alcune applicazioni le spie luminose sono quelle tradizionali a filamento, es. un ferro da stiro ne usa almeno tre.

Quindi il led è una tecnologia consolidata che ha fatto il salto verso un nuovo tipo di applicazione.
Dopo l'uso come spia, ha fatto il salto come indicatore luminoso numerico/alfanumerico.
Il salto verso l'uso come dispositivo di illuminazione è stato forse un pò più lungo della gamba (si dice così?), inizialmente e stato così, ora invece possiamo considerare la tecnologia in forte sviluppo e già ci sono ottime soluzioni sul mercato.

Purtroppo c'è una offerta non omogenea, nel senso che posso trovare lampade a led a 15€ che offrono prestazioni molto diverse. L'utente non ci capisce molto tra Lumen/Watt, temperatura di colore, rendimento cromatico e acquista incoscintemente, invogliato da ciò che si dice in giro delle lampade a led.

In verità ciò che si dovrebbe dire è:
L'emissione luminosa del led non contiene altre lunghezze d'onda non visibili all'occhio umano, es niene raggi UVA, infrarossi, ecc. Questo la dovrebbe far preferire per illuminare zone all'aperto in cui si soggiorna nelle ore serali, specie in estate, in quanto non emettendo UVA non attira gli insetti, formiche con le ali, ecc.

Il risparmio nella bolletta potrebbe esserci, ma non a priori perchè utilizzando lampade a led poco efficienti posso andare a pari con le fluorescenti compatte di buona marca. Anche la durata, cioè la vita media può variare di molto, di sicuro anche nelle pegiori condizioni di funzionamento il led durerà sempre più di 10000 ore.

La temperatura di lavoro comporta anche una variazione sull'efficienza di conversione potenza/luminosità, oltre al fatto che riduce la durata di vita media.

Il sensore di temperatura proposto da murata e allora un PTC, che sembra sia stato ottimizzato per lo specifico impiego. Tutti i dispositivi di illuminazione degni devo implementare un controllo di temperatura oltre la quale devono intervenire riducendo la corrente che scorre dentro il led, se non c'è allora il dispositivo non è da considerare ottimo.

La soluzione murate quindi offre, semplicità ed economicità e di piccole dimensione.

 

 

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