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La simulación que guía el diseño

simulaciones termicas led
Simulaciones térmicas de iluminación LED con Simcenter FLOEFD; predicciones de temperatura y flujo.

Con la irrupción definitiva de la tecnología LED en el campo de la iluminación, el principal reto para los diseñadores consiste en gestionar eficazmente la disipación térmica que producen los LEDs. Sus prestaciones y duración a lo largo del tiempo dependen en gran medida de la temperatura de funcionamiento. En este artículo, veremos cómo optimizar el rendimiento térmico de un dispositivo LED sin sacrificar los requisitos de diseño del producto.

Diseño basado en simulación

El diseño basado en simulación es una metodología propuesta por Siemens Digital Industries Software para integrar la simulación térmica en una fase en la que se toman las decisiones fundamentales de diseño, las que determinan mayormente el rendimiento y el aspecto estético del producto.

A diferencia del método tradicional, este enfoque permite al diseñador experimentar con diferentes variantes desde un primer momento y simular el comportamiento térmico sin necesidad de salir del entorno de diseño. Los prototipos se realizan digitalmente, mediante la creación de gemelos digitales, que permiten simular perfectamente las características de funcionamiento del que será el producto real. Esto permite a los diseñadores decantarse por las mejores opciones desde una fase temprana del proceso de desarrollo del producto.

 

 

MÉTODO TRADICIONAL

· Los diseñadores electrónicos o mecánicos finalizan un diseño y lo entregan a los expertos en simulación para la revisión y aplicación de eventuales cambios.

· Para cada cambio solicitado, se repiten las distintas fases de diseño.

· Cada cambio o variante del diseño supone un aumento de los costes y del tiempo.

· Pueden ser necesarios varios prototipos físicos.

DISEÑO BASADO EN SIMULACIÓN

· Los diseñadores electrónicos o mecánicos ejecutan la simulación desde las fases iniciales del proceso de diseño.

· Los cambios necesarios se detectan enseguida y se realizan en breve tiempo.

· Es posible experimentar más de una variante fácilmente.

· El prototipo se realiza virtualmente.

Simcenter FLOEFD

Simcenter FLOEFD, de Siemens Digital Industries Software, es la herramienta por excelencia para la aplicación del diseño basado en simulación en el sector de la iluminación.

Simcenter FLOEFD revoluciona el diseño de los LEDs en tres áreas en particular:

Integración con el CAD mecánico. Al estar totalmente integrado con los principales CADs mecánicos (Solid Edge, NX, Creo, Catia y Solidworks), no es necesario transferir datos entre el CAD y el CFD mediante archivos step. Los modelos de diseño y CFD permanecen sincronizados y se reducen tanto el tiempo dedicado a la simulación como los costes de desarrollo.

Los estudios paramétricos automatizados. Permiten ahorrar tiempo al usuario, que puede centrarse en la definición del modelo en lugar de en tareas manuales, al dar con el diseño optimizado en menos tiempo.

Tecnología dedicada. Simcenter FLOEFD también puede utilizarse para la modelización avanzada o para estudiar fenómenos complejos como la condensación, la radiación solar, los puntos calientes o la formación de hielo. También, es la herramienta ideal para modelar con precisión los LEDs, mediante la importación de las mediciones experimentales de caracterización térmica y óptica desde el dispositivo TERALED (ver más abajo).

Simulaciones térmicas de iluminación LED con Simcenter FLOEFD; predicciones de temperatura y flujo.

Caso real: Cariboni Group

Un ejemplo de la aplicación de esta metodología es el de Cariboni Group, empresa italiana líder en la producción de luminarias para exteriores a nivel internacional. En este sector, la temperatura, el color y el mantenimiento de un buen rendimiento a lo largo del tiempo son requisitos esenciales, que es necesario respetar en unas condiciones ambientales muy variables.

En las luminarias de exterior, los componentes electrónicos se encuentran dentro de una carcasa impermeable que no permite el intercambio de aire con el exterior. Esto dificulta la disipación, sobre todo si tenemos en cuenta que el diseño exige formas atractivas y no solo eficientes.

Gracias a la adopción de Simcenter FLOEFD y a la colaboración con Cadlog, los diseñadores de Cariboni Group pudieron evitar la creación de prototipos físicos, así como las pruebas empíricas, y reducir los costes y el tiempo necesarios para desarrollar un producto competitivo y que resultó obtener éxito en el mercado. Este enfoque permitió al equipo experimentar sin límites con numerosas variantes. Otros productos de la empresa, como los MCPCBs, también se beneficiaron de la caracterización térmica de los componentes.

Simcenter T3STER y Simcenter TERALED

La caracterización térmica constituye un elemento fundamental en la simulación térmica de un proyecto con LEDs. Los hardwares para la caracterización térmica/óptica Simcenter T3STER y Simcenter TERALED conforman una estación de pruebas combinada: eléctrica, térmica y radiométrica/fotométrica para LEDs y módulos LED. Los resultados de estas mediciones son modelos compactos multidominio listos para ser utilizados en los softwares de diseño térmico Simcenter.

Estas estaciones de prueba de LEDs cumplen la norma JEDEC JESD51-52 y siguen los informes técnicos CIE 127:2007 y 225:2017. La resistencia térmica real y las métricas de salida de luz se miden en función de la temperatura real de la unión del LED en un amplia gama de corrientes.

El proceso está totalmente automatizado. Los espectrorradiómetros de terceros ayudan a capturar los espectros de emisión y proporcionan información adicional para el modelado preciso de las propiedades de salida de luz del paquete LED en el diseño de la iluminación.

estaciones de pruebas
Estación de pruebas T3STER y TERALED.

Simulación de desinfección UV-C anti-Covid

La higienización con rayos UV-C de las estancias y los sistemas de aire acondicionado es una de las principales formas de prevenir pandemias como el Covid. Gracias a Simcenter FLOEFD, es posible simular el efecto germicida de las fuentes de luz UV-C durante la fase de diseño de los sistemas, especialmente los de ventilación. Los rayos UV-C son una gama particular de rayos ultravioleta, con una longitud de onda de entre 200 y 280 nanómetros. Son capaces de penetrar en el interior de los microorganismos -como bacterias, virus, mohos, etc.-, entrar en sus moléculas y alterar su ADN, inactivándolos.

Al irradiar objetos y fluidos, como el aire o el agua, con LEDs a base de rayos UV-C, es posible eliminar las bacterias y los virus presentes en su interior. Los principales ámbitos de aplicación son los dispositivos de higienización y los sistemas de climatización, en entornos como hospitales, oficinas, centros comerciales o medios de transporte público.

Simcenter FLOEFD cuenta con una tecnología dedicada a calcular cuál es la dosis germicida efectiva que liberan los LEDs UV-C y que se acumula en los fluidos, con el fin de entender si una determinada hipótesis de diseño tiene suficiente acción germicida o no. La integración con el CAD mecánico permite variar los parámetros geométricos del equipo de ventilación para simular el efecto germicida hasta alcanzar un umbral suficiente.

Un conducto HVAC con 11 tubos UVC (60 W) que muestra la eficacia germicida de la irradiación (izquierda) y la irradiación del volumen germicida real (derecha) con el flujo de izquierda a derecha.

conducto hvac
Un conducto HVAC con 11 tubos UVC (60 W) que muestra la eficacia germicida de la irradiación (izquierda) y la irradiación del volumen germicida real (derecha) con el flujo de izquierda a derecha.