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Transferencia de calor en una lámpara led tipo bulbo
resumen
El presente artículo compara el tiempo de vida,
la temperatura de funcionamiento, el estado de
componentes electrónicos y el estado de las tarjetas
electrónicas de tres lámparas tipo led. En el primer
foco, no se aplicó pasta térmica. En el segundo foco,
se aplicó pasta térmica solamente en la supercie
de contacto de la tarjeta de chips led y el disipador.
En el tercer foco, se aplicó pasta térmica en la zona
de contacto y alrededor de esta, generando mayor
supercie de contacto. Se observó que, en el tercer
foco, la pasta térmica aplicada en la supercie de
contacto y alrededor de esta optimiza transferencia
de calor al disipador.
Palabras clave: calor, transferencia, LED, placa,
disipador, pasta térmica
absTracT
is article compares the lifetime, operating tem-
perature, electronic component condition and
electronic board condition of three LED lamps. In
the rst focus, no thermal paste was applied. In
the second focus, thermal paste was applied only
on the contact surface of the LED chip card and
the heatsink. In the third focus, thermal paste was
applied in and around the contact zone, generating
a larger contact surface. It was observed that, in
the third focus, the thermal paste applied in and
around the contact surface optimizes heat transfer
to the heatsink.
Key words: heat, transfer, LED, board, heatsink,
thermal paste
A M G
M Á M S
1
Diector General Kranzz - Ingeniería y
Construcciób SAC
antoniomendoza2000@gmail.com
2
Ing. de Tecnología Kranzz - Ingeniería y
Construcción SAC
miguel.mari.kranzz@gmail.com
Heat transfer in a bulb-type led lamp
Recibido: octubre 06 de 2020 | Revisado: febrero 15 de 2021 | Aceptado: marzo 14 de 2021
https://doi.org/10.24265/campus.2021.v26n31.08
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© Los autores. Este artículo es publicado por la Revista Campus de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad
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Introducción
Los focos led (Light Emitting Diode)
están compuestos por una tarjeta de
chips led SMD (dispositivo de montaje
supercial) que están integrados por
un diodo emisor de luz dentro de una
celda rectangular que posee un cristal
semiconductor como elemento lumínico.
(Jiménez & Segura, 2015, p. 54) Los chips
led funcionan con corriente continua por
lo que se requiere un circuito conversor
de corriente llamado driver o conductor
situado sobre una tarjeta electrónica.
Tanto los chips led como los componentes
electrónicos del driver generan calor,
aumentando la temperatura del foco.
A largo plazo, el funcionamiento a
altas temperaturas produce fallas y
daños, reduciendo el tiempo de vida y
eciencia del foco. Además, desencadena
inestabilidad en el nivel de iluminación.
(Martínez etal., 2018, p. 2874)
Por tal motivo, se suelen tomar
ciertas consideraciones en el diseño y la
fabricación de los focos led. Por un lado,
se preere utilizar la tecnología metal
clad para la fabricación de la tarjeta de
los chips led ya que tiene una capa de
aluminio, excelente conductor de calor.
De esta manera, la bakelita y la bra de
vidrio son descartadas como materiales
de manufactura para la tarjeta de chips
LED. (“Metal Clad PCBs - Superior
ermal Eciency - DK ermal”, s/f).
Se añade un disipador, comúnmente de
aluminio, al ensamble del foco. Incluso,
es posible incluir un disco de aluminio
debajo de la tarjeta de chips led para
que la disipación de calor sea mayor.
(Fundación San Valero, s/f). Asimismo,
se aplica pasta de transferencia térmica
entre el disipador y la tarjeta de los
chips led. La pasta de transferencia
térmica sirve de contacto térmico entre
dos supercies, aumentando el ujo de
calor entre estos. (Chung, 2020, p. 56)
La aplicación de pasta de transferencia
térmica entre la tarjeta de chips led y el
disipador favoreciendo la conducción de
calor. (Méndez, 2016, p. 5). Las pastas
de transferencia térmica comerciales
suelen ser líquidas, espesas y de tonalidad
metálica o blanca (Espeso, 2012).
El presente artículo compara el tiempo
de vida, la temperatura de funcionamiento,
el estado de componentes electrónicos y
el estado de las tarjetas electrónicas de tres
focos. En el primer foco no se aplicó pasta
térmica. En el segundo foco se aplicó
pasta térmica solamente en la supercie
de contacto de la tarjeta de chips led y el
disipador. En el tercer foco se aplicó pasta
térmica en la zona de contacto y alrededor
de esta, generando mayor supercie de
contacto. En la Figura 1 se esquematiza la
sección transversal del disipador y tarjeta
de chips led para los tres casos.
Figura 1. Esquema de la sección transversal de la unión entre disipador
y tarjeta de chips LED
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Los objetivos de este trabajo son: (i)
Comprobar que la aplicación de pasta
de transferencia térmica entre la tarjeta
y el disipador de un foco optimiza la
disipación de calor y, por tanto, ayuda
a disminuir la temperatura de los
componentes electrónicos del foco. (ii)
Comparar el rendimiento de focos led en
función de la aplicación de pasta térmica.
Método
A continuación, se detallan las
especicaciones de los focos led utilizados.
Tabla 1
Características de los focos utilizados
Marca Kranzz
Composición de housing Aluminio
Rosca E27
Tensión de entrada 220 VAC
Potencia 15 W
Frecuencia 60 Hz
Código de chip LED SMD2835
Temperatura de calor Fría (6000 a 65000 K)
Cantidad de chips LED 17
Composición de placa de chips LED Metal clad (aluminio, material dieléctrico y cobre)
Las características del chip LED SMD
2835 son:
Tabla 2
Características de chip LED SMD 2835
Temperatura de calor Fría (6000 a 65000 K)
Potencia 1 W
Flujo luminoso 120-130 Lm
Voltaje 15 W
Frecuencia 6.0 - 6.4V
La pasta utilizada es el Pegamento de
Transferencia Térmica Kranzz compuesto
por silicona y óxidos minerales. Es de
tonalidad metálica y consistencia espesa.
Se ensamblaron tres focos con distinto
contenido de pasta térmica como se
mostró en la Figura 1. Se mantuvieron
encendidos hasta averiarse o por un
máximo de 105 días. Luego, se midió
la temperatura de la placa de chips y se
registró el estado de los componentes
electrónicos del foco. Además, se realizaron
pruebas de encendido y apagado con el n
de reconocer fallas en el funcionamiento.
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PRIMERA PRUEBA
Para esta prueba se utilizó un driver
cuyos componentes fueron soldados
solamente en un lado de la tarjeta. Se
ensambló un foco sin aplicar pasta de
transferencia. La Figura 2 muestra la vista
superior de la placa de chips led sin pasta
de transferencia térmica.
Figura 2. Vista superior durante el ensamble
del foco sin pasta de transferencia térmica
Kranzz
SEGUNDA PRUEBA
Para esta prueba, se utilizó un driver
cuyos componentes fueron soldados en
ambos lados de la tarjeta. Durante el
ensamble mecánico, se aplicó la pasta
de transferencia térmica Kranzz entre la
tarjeta de los chips y el aluminio disipador.
El foco se encendió y funcionó de forma
constante y uniforme durante 21 días.
En la Figura 3 se observa la aplicación
de la pasta de trasferencia térmica entre
la tarjeta de chips led y el disipador de
aluminio durante el ensamble.
Figura 3. Aplicación de la pasta de
transferencia térmica entre la tarjeta
TERCERA PRUEBA
Para esta prueba se utilizó un driver
cuyos componentes fueron soldados
en ambos lados de la tarjeta. Se aplicó
la pasta de transferencia térmica, tanto
en la unión de la tarjeta de chips led y
el disipador, como en la zona superior e
inferior a esta. La distribución de pasta se
detalló en la Figura 1.
Resultados y Discusión
Luego de cada prueba se registró
el tiempo en funcionamiento, la
temperatura de funcionamiento de
la placa de chips led, el estado de los
componentes electrónicos, de las placas y
de las soldaduras.
Resultados de la primera prueba
El foco se mantuvo encendió por
nueve días y presentó fallas. Luego se
apagó y se midió la temperatura la tarjeta
de chips, la cual resultó 143°C. Además,
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se observaron parpadeos durante las
pruebas de encendido y demora durante
el apagado del foco.
Resultados de la segunda prueba
Luego de 21 días de encendido, el foco
mostró anomalías en su funcionamiento
y se detectó olor de componentes
quemados por lo que se apagó el foco.
A continuación, se midió la temperatura
de 130°C en la tarjeta electrónica. Se
observaron componentes carbonizados
con funcionamiento alterado, soldaduras
porosas y falsos contactos. La Figura 4
es una fotografía de la tarjeta de chips
posterior a la prueba que muestra
soldadura porosa y carbonizada en
los puntos de conexión y un chip led
carbonizado. En la Figura 5, se observan
las zonas oscuras y soldaduras porosas.
Asimismo, se notó que no existía contacto
adecuado entre la tarjeta de chips led y el
disipador.
Figura 4. Tarjeta de chips LED luego de la segunda prueba
Figura 5. Vista superior de la tarjeta electrónica del
conversor posterior a la prueba
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Resultados de la tercera prueba
Luego de 105 días, el foco led no
presentó anomalías en su funcionamiento
ni componentes dañados. La temperatura
medida en la tarjeta de chips es 81°C.
En la Figura 6, se muestra la placa de
chips. La placa no presentó signos de
sobrecalentamiento.
Figura 6. Vista superior de la tarjeta de chips LED
después de la prueba
Comparación de resultados
El resultado comparativo de las tres
pruebas se plasmó en la siguiente tabla.
Tabla 3
Parámetros de rendimiento de las tres pruebas
PRIMERA
PRUEBA
SEGUNDA
PRUEBA
TERCERA
PRUEBA
Tiempo en funcionamiento 9 días 21 días 105 días
Temperatura de
funcionamiento
143 °C 130 °C 81 °C
Estado de componentes
Indicios de
calentamiento
Componentes
carbonizados
Componentes en
buen estado
Estado de placa de chips led
Indicios de
calentamiento
Tarjeta
recalentada
Sin calentamiento
Estado de soldaduras Porosa Porosa Adecuadas, lisas
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Discusión
En las placas de chips de las tres
pruebas se detectó una temperatura
mayor que la temperatura ambiental. De
esta manera, se conrma que los chips
SMD pierden energía en forma de calor
durante su funcionamiento. (Martínez
etal., 2018, p. 2874).
En la primera y segunda prueba se
detectaron altas temperaturas (143°C y
130°C), las cuales alteraron las condiciones
de trabajo del driver. Por esta razón,
luego del tiempo de funcionamiento
de 09 y 21 días, respectivamente, el
tiempo de estabilización del encendido
y el apagado fue mayor, manifestándose
como una oscilación o parpadeo de la luz
emitida por el foco led (“Refrigeración en
Electrónica”, 2018).
Al nalizar la segunda prueba se notó
que no existía contacto adecuado entre
la placa de chips y el disipador; lo cual,
no solo disminuyó el ujo de calor hacia
el disipador, aumentando la temperatura
de la placa de leds; sino que aumentó el
ujo de calor de los chips hacia el driver.
Por tal motivo, la temperatura de los
componentes electrónicos aumentó y se
generaron puntos de soldadura fría, falsos
contactos y funcionamiento anormal en
el driver. De esta manera, se resalta la
importancia de la correcta ubicación y
contacto de la placa de leds y el difusor.
En la tercera prueba se aplicó
correctamente la pasta de transferencia
térmica Kranzz, aumentando la
conductividad térmica (ujo de calor)
entre la placa de chips hacia el disipador.
Así, la temperatura de funcionamiento de
la placa disminuyó considerablemente,
evitando la avería de los componentes
electrónicos y manteniendo estable la
luminosidad durante el encendido y
apagado. (Chung, 2020)
Todos los componentes del driver
utilizado en la primera prueba fueron
soldados en un solo lado de la tarjeta,
como se muestra en la Figura 7. Por
este motivo, fue necesario forzar el
ingreso de la tarjeta en el housing del
foco, ocasionando que algunos de sus
componentes entren en contacto con
el aluminio. Como consecuencia, el
disipador transrió calor hacia estos
componentes, incrementando su
temperatura durante el funcionamiento
y acortando su tiempo de vida. (Martínez
etal., 2018, p. 2874)
Figura 7. Fotografía del driver, cuyos
componentes están soldados en un solo lado
de la tarjeta
En la segunda y tercera prueba
se utilizaron drivers en los cuales los
componentes fueron colocados en ambos
lados de la tarjeta como se observa en la
Figura 8. Esto evitó el contacto entre los
componentes electrónicos y el difusor,
mostrando aumento de rendimiento
y reducción de la temperatura de
funcionamiento en comparación con la
primera prueba. (“¿Cuál es la mejor pasta
térmica actualmente?”, 2019)
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Figura 8. Fotografía del driver, cuyos
componentes están soldados en ambos lados
de la tarjeta
La importancia de los resultados
mostrados en este documento radica en
el aumento del tiempo de vida de los
focos led cambiando únicamente la zona
de aplicación de la pasta térmica.
Conclusiones
Se comprobó que la aplicación de pasta
de transferencia térmica entre la tarjeta
de chips y el disipador de una lámpara led
ocasiona la disminución de la temperatura
de los componentes electrónicos del foco
mediante la optimización de la disipación
de calor. La aplicación de pasta térmica
alrededor de la zona de contacto de la
placa de chips y el difusor ocasiona que
la temperatura de funcionamiento sea
menor, que el tiempo de vida sea mayor; y
que el nivel de luminosidad de la lámpara
led sea más estable que al aplicar la pasta
exclusivamente en la zona de contacto
entre la placa de chips y el difusor.
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