Anche se considerata ormai da molti anni di fondamentale importanza nell’ambito della progettazione di alto livello, nella quale c’è una reale e tangibile richiesta di affidabilità dell’elettronica (ma non solo) come ad esempio nelle telecomunicazioni, l’automotive ed il militare, l’utilizzo della CFD (Computational fluid dynamics) nel contesto dei sistemi di illuminazione a LED stenta a decollare…

Tante volte abbiamo sentito parlare di analisi CFD e altrettante volte i dubbi si sono reiterati ma, a nostro avviso, soltanto perché la tendenza è quella di contrapporre un approccio diretto e funzionale di misura e di aggiustamenti meccanici (come autore di queste note, aggiungerei “conosciuto” ) a quello della fisica e della ricerca, fatta di grandi elaborazioni matematiche e simulazioni e che sono in realtà approcci complementari e non sostitutivi.

Non vogliamo qui analizzare tutte le applicazioni ed entrare nei dettagli ma l’obiettivo che vogliamo sviluppare anche qui (e che è poi quello di questo spazio del giornale) è quello di dare delle indicazioni per orientarsi.

La prima cosa da tenere presente sarà qualche piccola “formuletta”, quando le potenze sono basse, le superfici disponibili sono ampie e “contenitrici” delle lampade esistenti: il primo step sarà quindi quello di adottare come primo passo consigliato e corretto sicuramente quello tradizionale.

Si prepara una scheda LED, la si inserisce così come si immagina il montaggio finale e si effettua un test funzionale andando a rilevare nei vari Tc e Tp delle schede le temperature nel rispetto dei dati di targa massimi della stessa, legata al tipo di LED e al materiale con cui è fatto il circuito stampato.

Intanto si valuta anche il risultato “ottico”. Non occorre una simulazione come quella proposta nella figura 1(a-b).

Di fronte ad una progettazione più complessa…

Nel momento in cui stiamo però per sviluppare un nuovo apparecchio magari da esterno, con grado di protezione = >IP65, ed ancora di più se si prevede la realizzazione di uno stampo nuovo per il contenitore ecco che il  “costo” di un approccio più “scientifico” ha un  “costo” che si ammortizza ampiamente con il grado di confidenza del risultato che si raggiungerà e del “risparmio” di tempo ed ottimizzazione anche del peso che si ottiene (figura 2).

Nella figura 3 presentiamo invece una immagine di un prodotto in fase di simulazione per valutare le condizioni operative di tutte le sue parti e l’interazione delle stesse tutto prima della realizzazione dell’apparecchio di illuminazione e quindi permette di attuare aggiustamenti meccanico-dissipativi prima di procedere con lo stampo.

Non solo per apparecchi e/o moduli a LED  “integrati” dovrà essere compiuta l’analisi ma al contrario in certe situazioni potrebbe valer la pena il ricorso ad un’analisi CFD anche per applicazioni più piccole, come questa scheda 25 x 25 mm, con 1 solo LED funzionante alla temperatura 350 mA, a bassa potenza, dove questo tipo di indagine può trovare una sua valenza se c’è uno stampo di un particolare tipo plastico da realizzare e le pareti in cui si inserirà il modulo sono totalmente isolanti  (figura 4).

Gli strumenti da conoscere e da utilizzare

Una condizione fondamentale, tuttavia, è che questo tipo di operazione deve essere effettuata da personale esperto, almeno all’inizio,  con una comprovata esperienza in questa materia ed attrezzato per farle.

I software di simulazione CFD sono come tutti i pacchetti SW, strumenti di lavoro complessi e base di elaboratori matematici in cui i modelli sono inseriti dall’uomo e questo può cambiare completamente quello che può essere il risultato. Fondamentale anche la completezza dei dati.

Nella pratica la procedura completa si divide in 3 passi:

1) Scambio delle informazioni dettagliate per la generazione dei modelli analitici

2) Costruzione dei modelli matematici per l’uso nella simulazione in CFD

3) Report e sintesi dei risultati con eventuali note di ottimizzazione Nel suo insieme si tratta di una settimana di lavoro, che tuttavia permette di risparmiare anche mesi di tentativi e spese per ripetute prototipazioni.

Quali dati vengono richiesti per poter procedere?

a) File stp del “contenitore”

b) Lega del Materiale con cui si realizzerà il prototipo e quello che sarà invece il definitivo

c) Dimensioni del circuito stampato e tipo di materiale con la scheda tecnica

d) Grado di copertura del rame sulla superficie del PCB

e) Interfaccia termica utilizzata con la documentazione

f) Mappatura posizione dei LED

g) Tipo di LED utilizzato

h) Condizioni di utilizzo, posizione e ambiente

i) Corrente di esercizio

l) Alimentatore tipo, caratteristiche e sua posizione di montaggio

Questi dati vengono ovviamente affinati e discussi insieme.

Per concludere, questa attività ha decisamente un grande valore tecnico sia per i risultati che per l’esperienza che porta ed è opinione di chi scrive che possiede anche una valenza commerciale, permettendo di presentare ai propri clienti anche le fasi di sviluppo, come sono stati conseguiti i risultati anche attraverso l’inserimento di immagini dal simulatore nella brochure del prodotto.

(Vincenzo Reda – esperto in elettronica industriale, optoelettronica e tecnologia LED – responsabile Italia Universal Science)