Negli ultimi anni l’efficienza dei Light Emitting Diodes (LED) è cresciuta in modo significativo, rendendoli la soluzione di riferimento per numerose applicazioni di illuminazione. Dall’automotive all’illuminazione stradale, dagli impianti industriali agli ambienti domestici, i LED hanno progressivamente sostituito le tradizionali lampade a incandescenza e fluorescenti grazie ai ridotti consumi energetici e alla lunga durata operativa.
Nonostante l’elevata efficienza luminosa, una parte consistente dell’energia elettrica assorbita da un LED viene comunque trasformata in calore. In media, circa il 60% della potenza assorbita viene dissipata termicamente, rendendo la gestione del calore uno degli aspetti più critici nella progettazione del sistema.
Perché la gestione termica è fondamentale
La temperatura di esercizio influenza direttamente le prestazioni del LED. Un aumento eccessivo della temperatura di giunzione può infatti:
- ridurre l’efficienza luminosa;
- modificare le caratteristiche cromatiche della sorgente luminosa;
- accelerare il degrado dei materiali;
- diminuire sensibilmente la vita utile del componente.
Per questo motivo è fondamentale valutare fin dalle prime fasi di progettazione l’efficacia del sistema di raffreddamento e della dissipazione di calore.
Simulare un dispositivo LED con SOLIDWORKS Flow Simulation
SOLIDWORKS Flow Simulation consente di eseguire analisi termiche e fluidodinamiche direttamente all’interno dell’ambiente CAD, permettendo di verificare il comportamento del dispositivo senza ricorrere immediatamente a prototipi fisici.
Grazie agli strumenti dedicati ai componenti elettronici è possibile:
- calcolare la temperatura di giunzione del LED;
- analizzare la distribuzione delle temperature sull’intero dispositivo;
- valutare la potenza dissipata;
- verificare l’efficacia del sistema di raffreddamento naturale o forzato
Configurazione del modello LED
Dopo aver creato un nuovo progetto tramite il Wizard di Flow Simulation, è possibile definire il modello termico del LED utilizzando il metodo Two-Resistor Component, disponibile nella sezione Sources.
Successivamente:
- selezionare la superficie dalla quale viene emessa la luce (1);
- selezionare il corpo del LED (2);
- nella sezione Component, scegliere uno dei modelli LED disponibili oppure crearne uno personalizzato.
Se si dispone del datasheet del produttore, è possibile definire un modello estremamente accurato selezionando Create/Edit (3) e creando un nuovo Item con le proprietà termiche del componente:
- Junction – Case Thermal Resistance
- Junction – Board Thermal Resistance
come mostrato nell’immagine seguente (4).
Infine, inserire:
- la potenza elettrica del LED espressa in Watt (5);
- la temperatura del solido;
- dal menu a tendina, selezionare Temperature (Junction) come parametro di riferimento.
Simulazione della radiazione termica e delle superfici trasparenti
Oltre ai fenomeni convettivi e conduttivi, SOLIDWORKS Flow Simulation permette di considerare anche gli effetti della radiazione termica e dell’assorbimento nei materiali semitrasparenti, come le lenti in vetro o policarbonato utilizzate nei sistemi di illuminazione.
Questa funzionalità consente di analizzare condizioni operative reali e di prevedere fenomeni quali:
- formazione di condensa;
- accumulo di umidità;
- formazione di ghiaccio sulla superficie della lente;
- variazioni delle prestazioni ottiche dovute alla temperatura.
Per configurare il materiale:
- selezionare la superficie della lente o del vetro (1);
- nella sezione Type, scegliere Glass (2);
- tramite Create/Edit visualizzare e modificare le proprietà emissive del materiale (3);
- nella sezione Tables and Curves consultare o personalizzare i valori di emissività utilizzati nella simulazione (4).
Flow Simulation permette la simulazione su dispositivi LED, consentendo di calcolare in modo accurato la temperatura di giunzione, la potenza dissipata e la distribuzione delle temperature sull’intero dispositivo.
Una volta creato i Wizard, le impostazioni iniziali di partenza, per simulare i diodi LED, si una un modello a due resistenze, da SOURCES seleziona Two-Resistor Component.
Analisi dei risultati e ottimizzazione del progetto
Al termine del calcolo, tutti i risultati sono disponibili nella cartella Results, dove è possibile visualizzare:
- mappe di temperatura;
- distribuzione dei flussi termici;
- linee di flusso dell’aria;
- grafici e sezioni di analisi;
- temperatura di giunzione del LED.
Grazie alla simulazione CFD integrata, il progettista può confrontare rapidamente diverse soluzioni progettuali, ottimizzare la geometria dei dissipatori e migliorare la ventilazione del sistema.
L’utilizzo di SOLIDWORKS Flow Simulation permette quindi di ridurre il numero di prototipi fisici, diminuire tempi e costi di sviluppo e realizzare dispositivi di illuminazione a LED più efficienti, affidabili e durevoli.
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