EN
Per què una gestió tèrmica eficient és essencial per al funcionament i la vida útil dels panells d'exhibició LED
Com afecta la temperatura de unió (TJ) al manteniment del flux lluminós, a la coherència cromàtica i a la vida L70 dels panells d'exhibició LED
Degut a la seva essència, la temperatura de la unió (TJ) representa la definició real de la gestió tèrmica i la seva aplicació en els LEDs integrats en panells de visualització d’alta potència. Com a regla general, un augment de temperatura de 10 graus Celsius respecte a la seva temperatura òptima de funcionament provoca una disminució de la sortida lluminosa del 5 % a causa d’una reducció de l’eficiència quàntica. A més, una TJ elevada accelera la degradació del fòsfor, el que afecta la coherència cromàtica. Quan els sistemes de visualització en color experimenten un desplaçament cromàtic, això es caracteritza com una inconsistència en el color de la pantalla quan Δu'v' supera 0,002. Hi ha una altra magnitud a tenir en compte aquí, anomenada L70. Es tracta d’una magnitud que descriu el temps que cal esperar abans que la sortida lluminosa disminueixi fins al 70 % del seu valor original. La L70 també és afectada per la TJ, ja que la cinètica d’Arrhenius indica que un augment de la TJ entre 10 i 15 graus Celsius pot, per a tots els efectes pràctics, reduir l’esperança de vida del fòsfor en un 50 %. La situació empitjora quan hi ha una fugida tèrmica, ja que això significa que, en un intent de compensar la llum perduda, es genera calor addicional, el que activa un bucle tancat de generació de calor en un panell de visualització.
Una bona gestió tèrmica de TJ és important, però esdevé absolutament necessària quan es vol mantenir l’estabilitat de la lluminositat, la precisió cromàtica i la reclamació d’una vida útil de 50.000 hores. Això és el cas quan es controla TJ a una temperatura d’aproximadament 80 graus Celsius.
Una mala gestió tèrmica planteja problemes importants de fiabilitat per als pantalles LED exteriors. Les altes temperatures, generades tant externament (sol) com internament, poden superar els 45 graus Celsius, fent que les temperatures de la unió (TJ) superin els 100 graus. A aquesta temperatura elevada es produiran canvis cromàtics (> 0,005), provocant una visualització desigual dels tons vermells i blaus, cosa que redueix dràsticament la qualitat visual de les pantalles publicitàries o artístiques. A més, els cicles tèrmics contribueixen als problemes de fiabilitat de les pantalles LED exteriors, especialment la fallada de les unions de soldadura, la deslaminació dels sustrats, la degradació per cicles tèrmics dels materials d’encapsulació i la disminució de la transmissió òptica dels materials d’encapsulació deguda al fosquejament. Segons dades reals de fiabilitat, les pantalles sotmeses a esforç tèrmic presenten taxes de fallada un 40 % superiors a les pantalles sotmeses a un esforç tèrmic controlat; a més, les pantalles sotmeses a esforç tèrmic solen tenir taxes de fallada d’aproximadament una fallada cada 18 mesos. Aquest problema és especialment freqüent en pantalles de gran format, les quals tenen un cost extremadament elevat associat al seu reemplaçament. Segons la recerca de l’Institut Ponemon (2023), el cost de substituir aquestes pantalles pot superar els 740.000 dòlars.
Per tant, un bon disseny tèrmic no és només un avantatge addicional, sinó que és essencial per mantenir les operacions en marxa de forma fluida.
Arquitectures de dissipació de calor passiva, activa i híbrida per a panells de visualització LED
Refredament passiu optimitzat: dissipadors de calor d’alumini amb aletes, disseny del camí tèrmic i límits de convecció natural en carcasses estanques de panells de visualització LED
Els sistemes de refrigeració passiva es basen únicament en els principis de la física i, a diferència d'altres sistemes, no utilitzen parts mòbils o components elèctrics. Utilitzant el procés de convecció natural, molts fabricants inclouran un dissipador de calor d'alumini amb ales, ja que pot augmentar l'àrea superficial del dissipador de calor de convecció en un factor de 3-5, en contrast amb una placa plana de convecció. No obstant això, en un grau extrema tancades tanques impedeixen significativament el flux d'aire fins al punt que la tanca pot crear una reducció del 50% en el rendiment tèrmic de la tanca. Per tant, és imperatiu crear vies tèrmiques que puguin integrar la calor de manera uniforme en tot un recinte per tal d'alleujar la resistència tèrmica a l'aire circumdant causada pels PCBM. No obstant això, hi ha un element de compromís. Tot i que l'augment del flux d'aire millorarà la velocitat de conductivitat tèrmica, l'augment del flux d'aire també augmentarà la incidència de pols i humitat.
Quan les temperatures exteriors superen els 35 graus Celsius, els sistemes de refrigeració passiva tenen dificultats per mantenir uns nivells de temperatura segurs per als LED, fet que fa que les pantalles perdin ràpidament la lluminositat i es redueixi la seva vida útil global.
Solucions actives i híbrides: flux d'aire assistit per ventiladors, intercanviadors de calor integrats i recintes amb climatització per a panells de pantalla LED de gran format
Les solucions actives i híbrides per a sistemes de gestió tèrmica porten la gestió tèrmica dels monitors LED d’alta potència i format gran, especialment aquells amb alta densitat de píxels (inferior a P1.5), a un nivell superior en comparació amb els sistemes passius tradicionals. Per exemple, el flux d’aire intern mitjançant un ventilador axial pot millorar el rendiment del dissipador tèrmic i augmentar la transferència de calor (aproximadament un 70 %) respecte al mateix dissipador sense flux d’aire del ventilador axial (en condicions de laboratori). També s’utilitzen intercanviadors de calor líquid-aire en sistemes híbrids. En matrius LED molt compactes, aquests sistemes poden extreure la calor i després evacuar-la mitjançant matrius externes, cosa que els fa més eficients per a pantalles d’ultra baixa distància entre píxels o per a nivells elevats de brillantor. En alguns entorns extrems (com ara zones desèrtiques o costaneres), calen recintes amb control climàtic. En aquests sistemes, el control de la temperatura sovint s’aconsegueix mitjançant refrigeradors termoelèctrics o sistemes basats en fluids frigorífics, i la temperatura interna es manté per sota dels 40 °C en absència de radiació solar (i sense que la pantalla s’escalfi per la llum solar).
Les tecnologies intel·ligents i els canvis de preus augmenten la complexitat i les exigències pressupostàries per a les extensions de la vida útil L70. No obstant això, els fabricants informen d'extensions L70 del 25-50 % en condicions reals de camp. Els controls intel·ligents actuals modulen la potència de refrigeració, basant-se en mesures de temperatura en temps real a diferents ubicacions del sistema, optimitzant l’estalvi energètic i allargant la vida útil dels components.
Materials innovadors de gestió tèrmica per a panells d’imatge LED compactes i fiables
En les pantalles LED de pas fi, les PCB de nucli metàl·lic són el principal mitjà de dissipació de la calor per als components petits i densos, ja que integren la dispersió tèrmica a la pròpia placa. Amb una conductivitat tèrmica de 200 a 220 W/mK, l’alumini ofereix una opció de baix cost adequada per a la majoria d’aplicacions interiors; però, quan el pas cau per sota de P1,5, molts fabricants opten per plaques de coure, malgrat que el cost del material sigui de dos a tres vegades superior. Amb una conductivitat tèrmica d’aproximadament 400 W/mK, les plaques de coure gestionen millor la calor en configuracions denses i són superiors a l’hora de gestionar punts calents intensos. A més, el coure s’expandeix menys que l’alumini, amb el qual cosa es redueix el risc de fallada de les unions de soldadura. A 16,5 ppm/°C, el coure s’expandeix menys que l’alumini (23 ppm/°C) i les proves han demostrat que aquesta propietat pot augmentar la vida útil operativa de les pantalles LED exteriors un 30 % degut als cicles freqüents de temperatura experimentats durant l’ús, segons es defineix en les proves IEC 60068-2-14.
Materials d'interfície tèrmica (TIM) d'alta fiabilitat: comparació del rendiment de les plaques de canvi de fase, els adhesius conductors i les solucions basades en grafit sota esforç de cicle tèrmic
Els materials d'interfície tèrmica, o TIM, ocupen les microescletxes entre els LED i els dissipadors de calor, però no tots tenen el mateix rendiment a temperatures variables. En el cas de les plaques de canvi de fase, sembla que la resistència tèrmica roman constant, aproximadament entre 0,15 i 0,3 graus Celsius per polzada quadrada per watt, després de milers de cicles entre -40 i 125 graus Celsius. A més, també funcionen bé sobre superfícies irregulars. Els adhesius conductors són igualment adequats per mantenir mecànicament unides les components, però després d’uns 1.000 cicles tendeixen a fallar perquè les partícules es sedimenten dins de l’adhesiu i aquest es fa més fi a mesura que la capa adhesiva es torna més pegajosa. Les plaques basades en silicona també són superades pels films de grafit anisòtrop, que poden assolir una conductivitat tèrmica de 1.500 watts per metre kelvin i reduir la resistència tèrmica aproximadament un 35 % en comparació amb les plaques basades en silicona.
L'esclosió és impossible amb la construcció de les pel·lícules de grafit, que ajuden a harmonitzar les diferències en l'expansió i la contracció tèrmiques dels diversos materials, fins i tot en panells LED de gran mida que experimenten cicles tèrmics repetits.
Validació del disseny i enginyeria tèrmica predictiva per a panells d'exhibició LED
De la simulació a la realitat: L'ús de la termografia per infrarojos, la modelització amb COMSOL Multiphysics i l'optimització tèrmica basada en el disseny de plaques per a panells d'exhibició LED d'alta densitat
Les prediccions d'enginyeria tèrmica són una de les maneres de definir la teoria respecte a la realitat per a aquells panells densos de visualització LED que experimentem gairebé a qualsevol lloc. Quan es modelitzen i simulen superfícies calentes, en aquest cas per a un panell dens de visualització LED, les simulacions tèrmiques transitoris mostren una desviació inferior a 3 graus Celsius respecte a les mesures reals d'una superfície calenta. Els resultats de la simulació s'utilitzen per predir on es localitzaran els punts calents com a conseqüència dels nivells de potència. A continuació, segons l'entorn i els nivells de potència, i, òbviament, les condicions emprades per a la simulació, els resultats poden utilitzar-se per a altres simulacions realitzades sobre el mateix objecte un cop s'hagin incorporat les propietats tèrmiques dels altres components a la simulació tèrmica transitària. Aleshores, en certa manera, disposem d'un model tèrmic que governa altres models tèrmics hipotètics i no provats com a conseqüència de l'entorn. Sí, això és, la majoria de vegades, en la pràctica. Això constitueix essencialment una de les premises de la termografia infraroja amb finalitats de modelització. Per tant, es pot fer servir per provar les propietats físiques i tèrmiques reals de la mostra. Després de tot això, aparentment i generalment, els resultats de les proves constitueixen l'explicació de la teoria pel model.
Modificar la disposició dels grups de LED, ajustar les seves separacions i canviar les geometries dels dissipadors de calor pot reduir la resistència tèrmica entre un 15 % i un 30 %. Aquestes millores atenuen el desplaçament cromàtic, redueixen els problemes relacionats amb l’esforç tèrmic i asseguren que els LED continuïn funcionant durant més de 100.000 hores en aplicacions crítiques.
PREGUNTES FREQUENTS
Què és la temperatura de junció (TJ) i per què és important per als panells de visualització LED?
La temperatura de junció (TJ) és la temperatura a la font de generació de llum dins del LED. Té un impacte negatiu sobre el manteniment del flux luminós, la coherència cromàtica i la vida útil L70 dels panells de visualització LED. Una TJ més elevada comporta una menor emissió de llum, una degradació més ràpida dels fòsfors i una vida útil més curta.
Quines són les conseqüències d’una mala gestió tèrmica en els panells de visualització LED per a l’exterior?
Els monitors exteriors solen experimentar temperatures ambientals elevades. Una mala gestió tèrmica pot provocar desplaçaments cromàtics, una taxa més elevada d’errors de components i una reducció de la vida útil del monitor. Les temperatures ambientals elevades provoquen una temperatura de junció (TJ) elevada als LED, cosa que comporta inconsistències cromàtiques i danys permanents al monitor.
Quines són les diferències entre els sistemes de refrigeració passius, actius i híbrids?
Els sistemes de refrigeració passius solen utilitzar dissipadors de calor fabricats d’alumini i refredats per convecció natural, mentre que els sistemes de refrigeració actius incorporen ventiladors i bombes per augmentar la convecció. Els sistemes híbrids fan servir una combinació de refrigeració per aire i per líquid per millorar la convecció, especialment quan les càrregues tèrmiques són més elevades.
Per què són importants les PCB de nucli metàl·lic en els monitors LED?
Les PCB de nucli metàl·lic amb bases d’alumini o coure són essencials per als monitors LED, especialment per als monitors de pas fi, on la dissipació de la calor és crítica. A més, les PCB de coure poden dissipar la calor de manera més eficient i tenen un coeficient d’expansió tèrmica inferior; per tant, els adhesius polimèrics solen tenir una vida útil més llarga en aquestes aplicacions.
