Refrigeración de proyectores LED

Más fanáticos no arreglaron el sistema de proyección

Un proyector LED arquitectónico incluye una fuente de luz, componentes electrónicos de potencia y disipadores de calor con aletas en una carcasa compacta, y la primera reacción a una unidad caliente suele ser un segundo ventilador o un flujo de aire libre mayor. El resultado instalado no mejoró, porque nadie cambió por dónde entra el aire, a qué distancia están los ventiladores de la pared o qué hace la descarga.

Ese patrón se repite en proyectores y programas de iluminación de gran formato. Se instalan dos ventiladores donde antes había uno, se perfora la carcasa por segunda vez y la temperatura LED medida apenas se mueve mientras la unidad suena más fuerte. La razón es física, no misteriosa: un ventilador entrega lo que permite el recorrido del aire a su alrededor. Un ventilador pegado a un panel, o compartiendo su entrada con la descarga de un vecino, no puede producir el caudal que promete su curva, por muchos que estén instalados.

La siguiente figura muestra una vivienda, dos instalaciones. Los ventiladores, el disipador y el módulo LED son idénticos por ambos lados. A la izquierda, ambos ventiladores se encuentran cerca de la pared de entrada sin ningún espacio del que hablar, y el escape caliente regresa directamente a la entrada inferior. A la derecha, los mismos ventiladores se encuentran más alejados de la pared, espaciados, con una transición definida hacia el disipador de calor. La diferencia en la refrigeración entregada proviene únicamente de la geometría.

Lo que la unión LED exige del camino aéreo

La razón por la que el diseño es tan importante en un proyector es que el cliente se encuentra al final del camino del calor: una unión de LED cuya salida de luz y vida útil disminuyen a medida que aumenta su temperatura.

Las hojas de datos de LED de alta potencia clasifican el flujo luminoso a una temperatura de unión fija, comúnmente 85 grados Celsius para la clase de emisores Cree XLamp, y las mismas hojas de datos reducen la corriente que la unión puede transportar a medida que la temperatura sube por encima de ese punto. Un motor óptico que funciona a una temperatura superior a su clasificación no falla estrepitosamente; se oscurece silenciosamente, cambia de color y llega al final de su vida útil (el punto en el que la producción ha caído al 70 por ciento de su valor inicial) mucho antes de las horas impresas en la caja.

Los datos de vida útil de los proveedores de LED siguen un patrón consistente: para una familia de emisores determinada, cada diez grados adicionales en la unión duplica aproximadamente la velocidad de depreciación del lumen. Por eso un error de diez grados en el recorrido del aire no es un error del diez por ciento en el producto. Es la diferencia entre un proyector que mantiene su especificación de brillo durante su vida útil nominal y uno que se desvanece visiblemente dentro del período de garantía.

La vía aérea es el último eslabón de la cadena térmica. El calor sale de la unión a través del punto de soldadura y la placa hacia un disipador de calor, y desde las aletas del disipador de calor hacia el aire en movimiento. Las directrices publicadas para conjuntos de iluminación no gestionados sitúan la resistencia térmica del punto de soldadura al ambiente en el rango de 15 a 25 grados Celsius por vatio antes de cualquier diseño térmico deliberado; las aletas y el ventilador existen para reducir ese número. Cada corte de flujo o recirculación frente a las aletas hace que la unión se caliente más y nada aguas abajo del LED puede recuperarlo.

Por qué el diseño decide antes que el modelo de abanico

Las curvas del catálogo de ventiladores se miden en condiciones de laboratorio: conducto recto, espacio abierto delante de la entrada, descarga controlada. La carcasa de un proyector no es ninguna de esas cosas, y la brecha entre los dos es lo que la industria del movimiento del aire llama efecto del sistema.

La Asociación de Control y Movimiento del Aire documenta el patrón en todos los tipos de ventiladores: las obstrucciones, los codos y las transiciones abruptas colocadas cerca de un ventilador reducen su rendimiento por debajo de la curva del catálogo, y la penalización crece con la gravedad de la perturbación. Dos ventiladores idénticos en dos posiciones diferentes en la misma carcasa pueden diferir en el flujo de aire entregado por un amplio margen a la misma velocidad y potencia de entrada. El abanico no cambió; la ruta aérea lo hizo.

Es por eso que agregar un segundo ventilador a menudo decepciona. En un proyector, el segundo ventilador suele ir al lado del primero, en la misma estrecha zona de entrada, compartiendo el mismo aire precalentado y el mismo giro brusco hacia el disipador de calor. Ambos ventiladores ahora operan más profundamente en su región de entrada perturbada que el ventilador único. El flujo total puede aumentar un poco; Es posible que el flujo que realmente cruza el disipador de calor del LED no aumente en absoluto, porque una mayor parte del mismo sufre un cortocircuito en el camino de menor resistencia.

La secuencia correctiva es revisar primero el diseño y luego la selección del ventilador. Our guide to system effect and installation clearance establece las distancias libres y las formas de transición que permiten que un ventilador funcione cerca de su curva de catálogo, y las mismas reglas se aplican dentro de la carcasa de un proyector a pequeña escala.

La pared detrás del ventilador es un costo real

El error de diseño más común en los proyectores compactos es un ventilador montado con su cara de entrada cerca de una pared, un panel o una unidad vecina. La entrada parece abierta; el campo de velocidad no lo es.

El informe técnico de Sanyo Denki sobre sus ventiladores San Ace de 60 milímetros cuantifica directamente el efecto. Se compararon dos espesores de ventilador dentro del mismo espacio de instalación de 25 milímetros con una pared en el lado de entrada: el ventilador más grueso dejó un espacio de 10 milímetros con la pared, el más delgado dejó 15 milímetros. Al aire libre, el ventilador más grueso movía más aire. Instalado contra la pared, ambos ventiladores entregaron el mismo flujo de aire máximo de 0,58 metros cúbicos por minuto (el espacio entre la pared, no el ventilador, establece el límite) y la instalación con más espacio libre funcionó 2 dB(A) más silenciosa al mismo tiempo.

El mismo informe muestra la consecuencia práctica: contra esa pared, la curva de presión estática más alta del ventilador más delgado le da el mejor rendimiento de enfriamiento instalado una vez que aumenta la carga, aunque pierde con el flujo de aire al aire libre. La selección contra una condición instalada anuló la clasificación al aire libre. Cualquier ingeniero que haya visto fallar la carcasa de un ganador de banca ha visto exactamente este mecanismo.

La regla que sobrevive a las pruebas es simple de aplicar y fácil de omitir: establecer la distancia entre la cara de entrada del ventilador y la obstrucción más cercana, y tratar un pequeño espacio como una restricción de diseño con un costo mensurable: en flujo, en sonido y en qué curva del ventilador realmente gana.

Espacio entre ventiladores paralelos y las entradas que comparten

Dos ventiladores en paralelo pueden duplicar el flujo de aire libre y, en una carcasa compacta, generalmente se colocan tan juntos como lo permite el recinto. El estudio de aplicación de Sanyo Denki sobre ventiladores de refrigeración de 1U midió lo que realmente hacen el espaciado y las obstrucciones de entrada para cumplir esa promesa.

El estudio probó un ventilador de alta presión estática de 36 milímetros individualmente y en pares, con espacios que iban desde el contacto hasta los 35 milímetros. Claramente, el par entregó el doble del flujo de aire del ventilador único, aproximadamente 50 CFM contra 25 CFM, y el espacio dentro de ese rango cambió poco para este tamaño de ventilador. La duplicación es real, pero sólo de forma clara. Luego, el mismo estudio colocó una obstrucción plana a distancias cada vez mayores de las entradas del ventilador, y la ventaja del par se redujo a medida que la obstrucción se acercaba, exactamente la condición que crea una pared de entrada del proyector.

Las entradas compartidas añaden un segundo mecanismo. Cuando dos ventiladores se sientan muy juntos, la columna de descarga de cada uno puede derramarse en la entrada del vecino, especialmente en un plenum poco profundo sin ningún otro lugar al que ir el escape. Luego, la pareja cambia el flujo por turbulencia: la corriente aumenta, la firma acústica se vuelve más gruesa y el flujo neto que cruza el disipador de calor no alcanza la suma que figura en las hojas de datos.

Aplicar las conclusiones del diseño no cuesta nada: mantener un espacio real entre la cara de entrada y la pared, mantener un espacio mensurable entre los marcos del ventilador en lugar de cero, y dar a la descarga una dirección que no cruce la entrada del vecino. Ninguno de estos cambia el modelo de ventilador ni la lista de materiales.

Las opciones de diseño aparecen en el espectro de ruido

A menudo se especifica un proyector para espacios ocupados, lo que hace que la consecuencia acústica del diseño sea tan comercial como la térmica, y ambas comparten la misma causa fundamental.

Un ventilador que funciona con una entrada perturbada ve una carga desigual en las aspas: cada aspa pasa a través de un campo de velocidad diferente una vez por revolución. El resultado medido es más ruido de turbulencia de banda ancha más componentes tonales más fuertes en la frecuencia de paso de la pala y sus múltiplos, aunque el comando de velocidad no haya cambiado. La comparación de espacios entre paredes realizada por Sanyo Denki sitúa la diferencia en 2 dB(A) en una instalación no peor que la de un proyector típico, considerando únicamente el espacio libre.

La estructura se suma al aire. Los ventiladores montados juntos en un panel delgado compartido acoplan la vibración a la carcasa, y los paneles cercanos al ventilador pueden amplificar los tonos en sus propias frecuencias naturales. Un proyector que parece ruidoso "sin motivo alguno" suele irradiar un tono seleccionado por el diseño, no por el ventilador.

Debido a que el mecanismo es diseño, el diagnóstico es una medición acústica en la condición de instalación, no un cambio de ventilador más ruidoso o un límite de velocidad del firmware que delata la autoridad de enfriamiento. Our article on cooling fan noise, RPM and resonance explica la separación de los tonos transmitidos por el aire de las vibraciones transmitidas por las estructuras, y the medical equipment noise validation article muestra la misma disciplina aplicada cuando un límite acústico estricto está escrito en el estándar del producto.

Dimensione el flujo de aire de la carga de calor LED

El diseño decide qué parte del flujo llega a las aletas; el balance de calor decide cuánto flujo debe haber. Los dos números se encuentran en una ecuación.

Un LED convierte aproximadamente entre el 30 y el 40 por ciento de su entrada eléctrica en luz; el resto es calor que debe salir por el camino del aire. Por lo tanto, un motor óptico de 200 vatios vierte del orden de 120 a 140 vatios en la carcasa, más las pérdidas del conductor. El flujo de aire necesario para eliminar ese calor con un aumento de temperatura elegido se deriva directamente del balance de calor, y es el primer número que se debe anotar antes de cualquier discusión sobre el diseño o el ventilador.

El ascenso que usted permite es una elección de diseño con consecuencias. Un pequeño aumento mantiene la unión baja y la curva del lumen plana, pero exige más flujo de aire a través de una carcasa que ya está hermética. Un aumento generoso ahorra flujo y costos de vida útil en el cruce, al ritmo descrito en la sección de cruces anterior. Indique el aumento, en grados, junto al número de flujo; un objetivo de flujo de aire sin su aumento de temperatura no es una especificación.

En cada cálculo de proyector hay una corrección: la temperatura del aire disponible en la entrada. Si el escape puede recircular o la entrada se encuentra en un techo cálido plenum o en una fachada soleada, el aire que llega a las aletas ya no es aire ambiente y la elevación permitida se reduce exactamente en esa diferencia. Our guide on fan margin at high ambient trata esta corrección como una entrada de selección y no como una ocurrencia tardía.

Una comparación de diseños que puedes realizar en una tarde

Ninguna de las pruebas anteriores requiere un túnel de viento. Tres configuraciones, una tarde, condiciones controladas y la decisión correcta sobre el trazado suele resultar evidente en los datos.

Mantenga fijos el modelo de ventilador, el voltaje y la carga de calor; cambie sólo la geometría, un factor a la vez. Mida en estado térmico estable y registre el nivel acústico a una distancia fija desde el lado de entrada, porque las ganancias de flujo que duplican el sonido rara vez se obtienen. La comparación a continuación es el conjunto mínimo; Los números de la tabla son el registro de aceptación, no la decoración.

Un plan de validación con números adjuntos

Un proyector que pasa la comparación de diseño aún necesita un registro de aceptación que sobrevivirá a la próxima revisión de la carcasa. Cuatro medidas llevan ese peso.

En primer lugar, la temperatura de la carcasa del LED en el punto que especifica el proveedor del emisor, en estado térmico estable: este es el número que realmente siguen la salida de luz y la vida útil. En segundo lugar, la temperatura del aire que entra y sale de la vivienda, cuya diferencia de tiempos del flujo da lugar a que realmente se elimine el calor; cuando ese número está muy por debajo de la entrada eléctrica, el flujo recircula o pasa por alto las aletas. En tercer lugar, la corriente del ventilador en contra del comando de velocidad, que aumenta cuando el ventilador trabaja en contra de un camino bloqueado o de recirculación. Cuarto, presión sonora en un punto fijo en el eje de entrada.

Una lectura del tacómetro dentro de las especificaciones no demuestra nada de lo anterior. RPM confirma que el motor está comandado y girando; no dice nada sobre el flujo que cruza las aletas, que controla el diseño. Why normal RPM does not prove cooling airflow establece las medidas de aceptación que lo hacen. Repita las cuatro mediciones en el peor ambiente al que se enviará el producto, porque un diseño que pasa en un laboratorio de 22 grados puede fallar en el techo de una sala de conferencias de 40 grados.

Donde encaja MEGA Tech

MEGA Tech fabrica los ventiladores con los que debe funcionar el diseño de su proyector y revisamos el diseño con usted antes de cortar la carcasa, porque el diseño decide lo que cualquier ventilador puede ofrecer.

Qué hacemos: ventiladores axiales personalizados DC y EC y ventiladores centrífugos curvados hacia atrás, seleccionados según su punto de funcionamiento instalado en lugar de un número de pieza. Para la proyección LED y la iluminación arquitectónica, eso significa que dimensionamos el impulsor y el motor para la caída de presión de su disipador térmico a su peor temperatura de entrada de aire, asesoramos sobre el espacio libre de entrada, el espaciado de los ventiladores y las transiciones de descarga desde el lado del flujo de aire, y colocamos muestras en su unidad para que los números de validación anteriores se midan en su carcasa, no en la nuestra.

Lo que necesitamos de usted: la carga térmica del LED y del controlador en vatios, el aumento permitido de la temperatura del aire, los planos de la carcasa con la geometría de entrada y salida, el objetivo acústico y su distancia de medición, la ventana de voltaje y la interfaz de control, la protección de ingreso que debe mantener el producto y la vida útil supuesta en horas.

Dónde se encuentra nuestro límite: no suministramos disipadores de calor, módulos LED, motores ópticos ni carcasas de luminarias, y no certificamos la seguridad fotométrica ni la conformidad electromagnética del producto terminado. Pertenecen a los equipos de óptica y electrónica. Y no te diremos que un abanico es equivalente porque su dibujo de contorno coincida; El punto de funcionamiento instalado decide.

Preguntas frecuentes de los ingenieros: disposición del ventilador del proyector LED y flujo de aire

Respuestas breves a las preguntas que plantea con mayor frecuencia esta revisión del diseño.

P: ¿Por qué agregar un segundo ventilador no puede enfriar el módulo LED?

R: Los ventiladores pueden competir por el mismo aire de entrada, cortocircuitar el flujo alrededor del disipador de calor o recircular el escape caliente hacia una entrada. Verifique el recorrido completo desde la entrada hasta la fuente de calor y la salida antes de cambiar el número de ventiladores.

P: ¿Siempre es mejor tener más flujo de aire para un proyector?

R: No. El flujo que cruza el disipador de calor enfría el LED; El flujo que lo evita solo agrega ruido. Más allá del punto donde se suministran las aletas, el flujo de aire adicional aumenta la vida útil a un ritmo decreciente y los costos aumentan de inmediato.

P: ¿Cuánto espacio libre necesita la entrada de un ventilador respecto de la pared?

R: No existe un número único que se ajuste a todas las viviendas, pero la comparación de Sanyo Denki muestra el costo de omitir la pregunta: dos espacios en las paredes de 10 y 15 milímetros produjeron el mismo flujo de aire máximo y una diferencia de sonido de 2 dB(A). Mida el rendimiento instalado en su espacio real en lugar de asumir la curva del catálogo.

P: ¿Podemos solucionar el ruido con un límite de velocidad en el firmware?

R: Un límite cambia la autoridad de enfriamiento por sonido sin eliminar la causa. Si el tono proviene de una entrada perturbada o de un panel vibrante, corregir el diseño reduce el sonido manteniendo el flujo; la tapa sólo oculta el síntoma hasta que la instalación de verano exige que se recupere la velocidad.

P: ¿Qué medida única rastrea mejor el estado de refrigeración del proyector en el campo?

R: Temperatura de la caja del LED en el punto especificado por el proveedor, registrada en estado estable. Integra todo lo anterior (condición de entrada, recirculación, polvo de filtro, desgaste del ventilador) en un número que sigue la salida de luz y la vida útil.

Preguntas para una revisión de diseño

Traiga los números medidos de la carcasa, no los valores del catálogo de la hoja de datos.

• 1. ¿Cuál es el calor total en vatios que debe transportar la ruta del aire, LED más controlador, y a qué aumento de temperatura permitido?
• 2. ¿Cuál es la distancia desde cada cara de entrada del ventilador hasta la obstrucción más cercana? ¿Se midió o corrigió la curva del ventilador?
• 3. ¿Qué espacio separa los marcos del ventilador y hacia dónde va cada descarga en relación con la entrada vecina?
• 4. ¿Qué indicaron las cuatro mediciones de aceptación para cada configuración en la comparación de diseño y qué configuración ganó?
• 5. ¿Cuál es la peor temperatura del aire de entrada que verá el producto, incluidos los plenum de techo, la carga solar y la recirculación?
• 6. ¿Qué nivel acústico midió la unidad instalada a la distancia especificada y qué tonos dominan el espectro?
• 7. ¿A quién pertenecen los cambios en la geometría de la vivienda que requiere la configuración ganadora y en qué fecha?