Tecnología LEDÚtiles

El por que de los disipadores térmicos

Disipador termico para LED

Un amigo en la red, Antonio Sánchez, propietario del Blog Como ahorrar cada día con los electrodomésticos  recibió una consulta de uno de sus lectores respecto a la tecnología LED. Antonio muy amablemente nos ha remitido  la consulta, que a continuación cito:

“me gustaria hacer una pregunta sobre otro tema ya tratado en este blog, en concreto sobre las nuevas luces LED, por lo que se cuenta al emitir poco calor son muy eficientes y gastan poco, pero he visto que muchas bombillas LED llevan aparatosas aletas de metal y difusores termicos para una refrigeracion por emision pasiva de calor, lo cual me parece un contrasentido ¿ de dónde viene esa necesidad y ese calor? ¿ es que llevan transformadores electricos que emiten calor en la misma bombilla? ¿ es entonces real el menor gasto? un saludo, y gracias por este excelente y trabajado blog en ¿De qué potencia deben ser los calefactores eléctricos?”

En primer lugar, vamos a recordar el funcionamiento básico de una bombilla incandescente. El tungsteno, es un metal que posee la interesante característica de tener un punto de fusión muy elevado, cuando se le somete a elevadas temperaturas no cambia de estado hasta bien entrados los 3000°C. El efecto joule, nos explica como el paso de electrones a través de un conductor genera calor, cuando la corriente es elevada y el conductor es muy fino, este no tarda en ponerse incandescente. En otras palabras, la luz de una bombilla incandescente,  es el subproducto del efecto de calentamiento del hilo de tungsteno que contiene. El hilo de tungsteno no puede estar rodeado de oxígeno, ya que este elemento causaría la oxidación del filamento a tan elevadas temperaturas en cuestión de milésimas de segundo, por ello, se emplean gases nobles como kriptón o argón para llenar la ampolla que contiene el filamento. Otras lámparas como los halógenos tienen un funcionamiento parecido, solo que se utilizan otros gases para obtener mayor rendimiento de las lámparas.

El funcionamiento del LED, dista mucho físicamente hablando, ya que consiste en la manipulación de una partícula subatómica de las que todos hemos oído hablar: El electrón. Induciendo la tensión y corriente apropiadas sobre un material semiconductor, se consigue que los electrones se muevan entre la banda de conducción y la de valencia del átomo, perdiendo en ese acto energía. La energía, dependiendo del material semiconductor, puede ser emitida en el espectro infrarrojo, el visible, o el ultravioleta; en otras palabras: calor, luz, o rayos UV respectivamente. Pues bien, los materiales que se eligen para los LED, son los que más optimizan la emisión de luz, el calentamiento se produce por el mismo efecto joule, con la diferencia de que esta vez es el calor el subproducto de la circulación de electrones por el material, y el producto principal es la luz.

Foco LED industrial 150WTal temperatura es crítica en un minúsculo espacio llamado punto de unión (Tj), que en el peor de los casos puede llegar a ser de 200°C. Ese punto, que tiene un volumen inferior a la décima parte de un milímetro cuadrado, necesita urgentemente disipar la temperatura que se genera en su interior, y para ello, utiliza ciertos metales dentro del mismo encapsulado, algún vector que contacta con el disipador, y desde luego,  el aire circundante (Ta) que es el que alivia la temperatura del disipador mediante el intercambio térmico.

Cuanto más frio esté el LED, más eficiente será, y su vida útil será más dilatada, por lo que uno de los mayores esfuerzos a la hora de diseñar una luminaria LED es hacer que la temperatura del núcleo de unión sea lo más cercana posible a la temperatura ambiente: Rth(Tj-Ta) entre más bajo sea el coeficiente que resulta de la ecuación anterior, mejor será la comunicación entre el núcleo de unión y el aire circundante más frio, y eso se consigue con materiales con buenas propiedades de conducción térmica, como el aluminio. La razón de esa forma de aletas, es de optimización, ya que ese intrincado diseño permite que mayor cantidad de aire entre en contacto con el metal en el menor espacio posible, lo que acelera el intercambio térmico que en última instancia baja la temperatura del LED.  Mientras la tecnología de materiales mejora, podemos trabajar cada vez con menores corrientes, lo que se traduce en mayor eficiencia, más vida útil, y la posibilidad de trabajar con disipadores más pequeños.

Bombilla LED con driverEl LED necesita elementos de alimentación, solo que no son transformadores, (aunque los puedan contener) si no lo que en el mundillo de la iluminación conocemos como drives de LED, que son máquinas electrónicas que suministran tensión variable y corriente constante, las dos necesarias para cumplir las particularidades físicas del LED. El calor generado por el driver no suele ser un problema, el problema suele ser el proteger el driver del calor liberado por el disipador, si no se tienen esa consideración, se puede precipitar el deterioro de numerosos elementos electrónicos que lo componen. Nosotros siempre somos partidarios de aislar físicamente el driver, filosofía que siempre tenemos en cuenta en nuestros criterios de calidad, incluso en pequeñas bombillas.

En conclusión, esos grandes disipadores que tienen algunas bombillas de LED, en realidad son para optimizar el proceso físico que permite obtener la luz al refrigerar el núcleo de unión, no para librarse de miles de grados Celsius  como los que produce un filamento de tungsteno de una bombilla convencional. Cada vatio que consume una incandescente puede ofrecer en el mejor de los casos 18 lúmenes, mientras que una bombilla LED terminada y de buena calidad, puede situarse en los 120 lúmenes por vatio consumido.

Esperamos que la duda haya quedado resuelta, solo nos queda expresar agradecimiento a nuestro amigo Antonio Sánchez,  y animar a las personas que leen nuestros blogs a participar activamente.

El por que de los disipadores térmicos
5 4 votos

12 comentarios

  1. Hola, una consulta, siempre hablando de misma calidad, fabricante, etc. ¿10 led de 1w iluminan a 10 mtrs de distancia lo mismo que 20 leds de 0,5w y los mismo que 1 led de 10w?
    La suma de los lumens en todos los casos da 1000Lum. Pero si no uso ningún tipo de proyector, a 10 mtr de distancia, hay alguna diferencia en el rendimiento lumínico entre las tres opciones? Es algo que no encuentro en la web y quiero hacer plafones para iluminación de calles, pero trato de evitar comprar un montón de cosas que no me van a servir recopilando la mayor información posible.

    1. Hola Fernando. La tendencia de fabricación nos está llevando a que primen LEDs pequeños de baja potencia sobre LEDs grandes. Los LED de alta potencia (>10W) necesitan corrientes más altas que los LEDs pequeños, y son menos eficientes. Ya solo por efecto joule es mejor seleccionar LEDs pequeños. De todas maneras, tu proveedor de LEDs ha de facilitarte las hojas de datos de los chips que quieras utilizar, donde los valores de trabajo vienen muy bien explicados.

  2. hola una pregunta yo tengo un plafon led con base de aluminio, sin unos 68 leds, los tengo conectados cn una fuente de pc, incluido dos coolers de 120mm para refrigeracion del habitaculo, este mismo estaba andando bien pero ahora lo conecto y al cabo de media una hora deja de andar todo! son los leds el problema o la fuente? aveces conecto ala corriente y da un chispaso las luces pero no arrancan, y aveces si arrancan, por favor me podrias decir cual podria ser el problema? desde ya muchas gracias! saludos.

    1. Hola Damian. Posiblemente sea un tema de alimentación, pero es complicado por nuestra parte y desde la distancia poder darte una respuesta 100% cierta. También podrías revisar que la base de aluminio no esté haciendo corto con ningún otro elemento metálico que pueda estar en contacto. Un saludo.

  3. bueno, después de que me salga humo por las orejas… me pongo drivers en todos los leds, si o si, verdad? va a alargar la vida del led, vaa ser más seguro… pero si hay una subida de tensión y se me rompe el driver, es muy caro reemplazarlo? todavía no he mirado precios. Y, un led de de 8.5w con un driver puede llegar a 10w?? Un led de ese consumo con 700 lumens será suficiente luz, verdad? yo hasta ahora lo que he visto instalado en casas no me parecía que lucieses mucho y me agobiaba un poco…. habréis visto que sois ignorante y que estoy perdida, eso si, tengo claro que quiero ahorrar en la factura de la luz… Por que, si la energía ni se crea ni se destruye, no sé que leches me está cobrando ENDESA y con esos sablazos.
    gracias por todo

    1. El driver es un componente económico. Como referencia, un driver para una bombilla de 5W cuesta no más de 3€, y te va a generar un aumento mínimo en el consumo de la bombilla. En el caso que nos indicas de una bombilla de 8.5W, el consumo total con el driver no llegaría a los 10W.

      En cuanto a luminosidad, depende del lugar donde vaya a ser instalada la bombilla, pero 700 lúmenes es más que suficiente para iluminación de hogares (pasillos, comedores, habitaciones…).

  4. Mucho listillo hay por aqui.
    Las multinacionales ocultan y desprecian la existencia de la tecnologia de iluminacion por induccion magnetica. Como se nota donde la casta ha invertido sus capitales, hundiendo y ocultando una tecnologia que es muy superior al led. Somos muy pocos los que entendemos y apostamos por la induccion, espero que al final la verdad salga a la luz. Esta entrada de blog es una artimaña para intentar ocultar uno de los fallos graves del led, el exceso de calor. Lamentablemente comentarios como estos se moderan, a nadie le gusta que lo critiquen en su propia casa, pero es mi obligacion intentar que la gente sepa la verdad.
    Que todo el mundo lo sepa, la induccion es mejor que el led, mas eficiente, mas respetuosa con el medio ambiente, no se calienta, y le queda un amplio camino por recorrer, es la iluminacion del futuro. Invito a la gente que no se dejen engañar, que se informen sobre la induccion, en breve se daran cuenta de sus ventajas.

  5. Como os había dicho, he reproducido parte de vuestro artículo en mi blog, con enlace y recomendación al vuestro. Este es el enlace a mi artículo http://ahorrarcadadiaconloselectrodomest.blogspot.com.es/2012/10/iluminacion-eficiente-por-leds-para-que.html

    Muy agradecido por vuestro trabajo por mi parte y estoy seguro, también por parte de mis lectores.

    Saludos cordiales y a vuestra disposición

    Antonio Sánchez

  6. Excelente artículo, felicidades.
    No sabía que el disipador era para refrigerar las uniones PN de los LEDs, yo creía que eran para refrigerar el driver.
    Por cierto, ¿cómo es el driver? En principio debe ser capaz de pasar de una tensión alterna de 230 V a una tensión continua del orden de 3 V que es a la que funciona el LED.
    ¿Cómo lo conseguís? ¿Con un pequeño transformador de ferrita y un transistor creando una fuente de alimentación conmutada a alta frecuencia?
    Me gustaría mucho que publicaseis una entrada con un esquema y una breve descripción de un driver para una bombilla LED de casquillo E27, por ejemplo vuestro modelo BOC9EP-La 9W.
    Gracias por vuestro trabajo de divulgación y saludos cordiales.

    1. El mundo de los drivers es tan extenso como complejo. Si, sobretodo en las lámparas con relativo poco espacio utilizamos más o menos una configuración como la que propones. Además de lo que describes, hay que asegurar la principal característica del driver: La corriente limitada. Eso se logra de muchas maneras, mi favorita, personalmente, es utilizando integrados de control de corriente. (Te pondré la hoja de características de uno de ellos al final de esta respuesta.) Otra manera de lograrlo es con resistencias, bobinas, células RC, etcétera. Los driver de las bombillas más económicas, llevan 5 elementos: Un puente rectificador de onda completa, un condensador de polietileno, una resistencia, una bobina, y un electrolítico. Esas bombillas, como te podrás imaginar, no destacan por un factor de potencia muy elevado, y están diseñadas para un uso no superior a 8 horas al día. Los driver de otros artículos más elaborados pueden llegar a tener cientos de elementos entre electrónica convencional y electrónica SMD. Eso sin entrar a hablar de los que pueden interpretar líneas de control: DMX para drivers para luminarias RGB, DALI, o línea de control analógica 1-10v.
      Más adelante intentaremos editar un post explicando el funcionamiento de un driver, pero que resulte didáctico para nuestro público menos experto, y que su vez resulte interesante para alguien entendido en la materia como tú.
      Agradecemos tu participación Albert.

  7. Artículo excelente, profundo y no obstante ameno. Os felicito y os agradezco la deferencia.

    He pensado extractar algunos puntos del mismo, citar referencias y motivos de la solicitud y licarlos en mi blog, recomendando la lectura íntegra de vuestro impecable y didáctico trabajo.

    Sabéis que estoy a vuestra disposición.

    Antonio Sánchez

Comparte tu comentario con nosotros