Element elektryczny używany do emitowania światła w pomieszczeniu nazywany jest oprawą oświetleniową. W branży oświetleniowej często używa się słów „oświetlenie typu high bay” i „low bay”, które określają głównie powierzchnię i wysokość sufitów. Oprawa oświetleniowa zwana oprawą wysokiego składowania jest przeznaczona do obiektów przemysłowych, które są uniesione nad ziemią lub powierzchnią roboczą. Zastosowania oświetlenia wysokiego składowania mogą obejmować systemy oświetleniowe przeznaczone do stosowania w „wysokich regałach”, takich jak magazyny, zakłady przemysłowe, duże sklepy detaliczne, areny sportowe itp., gdzie sufity mogą mieć 30 stóp lub więcej.
W porównaniu z konwencjonalnymi oprawami HID typu high bay, oprawy oświetleniowe LED typu high bay zapewniają szereg korzyści, w tym mniejsze zużycie energii, lepsze parametry wyjściowe przy wyższych prądach sterujących, dłuższą żywotność, zwiększoną wytrzymałość, mniejsze rozmiary, szybsze przełączanie oraz wyjątkową trwałość i niezawodność. Złożoność spowodowana przegrzaniem diod LED stanowi jednak poważny problem w przypadku korzystania z oświetlenia półprzewodnikowego.
Źródłem ciepła i światła jest dioda LED
Dioda półprzewodnikowa jest podstawą półprzewodnikowych urządzeń oświetleniowych, które są reprezentowane przez diody elektroluminescencyjne. Elektrony i dziury ponownie łączą się, gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia (aktywowana lub włączana), uwalniając energię w postaci światła. Te urządzenia optoelektroniczne wytwarzają ciepło w wyniku zamiany energii w światło, które, jeśli pozwoli się na nagromadzenie, może zwiększyć temperaturę pracy, powodując pogorszenie wydajności i przedwczesną awarię. Zdolność do kontrolowania temperatury złącza i osiągnięcia idealnej temperatury pracy w stanie ustalonym często decyduje o wydajności diody LED. gorsza wydajność świetlna, gorsza wydajność oprawy, dominująca długość fali, a nawet krótsza żywotność są często skorelowane z wyższą temperaturą złącza. Temperatura złącza diody LED ma znaczący wpływ zarówno na jej ogólną wydajność, jak i żywotność L70. W przypadku diody LED z azotku galu (GaN) żywotność można skrócić o 10 kHrs (1000 godzin) na każde 10 stopni wzrostu temperatury złącza (ponad 25 stopni). Wydajność diod LED spadnie o ponad 10 procent, jeśli temperatura złącza zostanie podniesiona z 40 stopni do 70 stopni. Aby utrzymać wydajność i regulować temperaturę roboczą oprawy LED przy określonej zmianie temperatury złącza i temperatury otoczenia, należy opracować odpowiednie rozwiązania zarządzania termicznego.
Obszary o wysokich temperaturach otoczenia wymagają oświetlenia typu High Bay
Oprawy oświetleniowe są często montowane na suficie lub blisko niego w budynkach wysokiego składowania. Aby zapewnić odpowiednie oświetlenie, w lampach tych powszechnie stosuje się diody LED dużej mocy. Prąd elektryczny dostarczany do diody LED i temperatura robocza diody LED wpływają na ilość wytwarzanego przez nią światła. Wysokie sygnały napędu elektrycznego mogą być używane do napędzania diod LED o dużym strumieniu świetlnym, jednak często powoduje to, że diody LED działają w wysokich temperaturach. Ponadto aplikacje typu high-bay zazwyczaj działają w warunkach bardziej korozyjnych i surowych niż aplikacje typu low-bay. Szczególnie w zakładach produkcyjnych, takich jak huty, odlewnie i zakłady produkujące szkło, w wysokich regałach mogą panować wyższe temperatury otoczenia, więcej unoszącego się w powietrzu pyłu i cząsteczek oleju. Dioda LED może zostać uszkodzona przez ciepło wytwarzane przez towarzyszące jej obwody podczas pracy w obudowie o małej ilości miejsca i/lub w środowisku o wysokiej temperaturze otoczenia.
W rezultacie niezwykle ważne jest zarządzanie ciepłem wytwarzanym wewnątrz oprawy LED podczas korzystania z oświetlenia o dużej mocy w obszarach o wysokiej temperaturze otoczenia. Zarządzanie termiczne odnosi się do zdolności systemu do usuwania z wysokiej oprawy nadmiaru ciepła, które gromadzi się na złączu, co często może uszkodzić luminofor i skrócić żywotność lampy. Dzięki zastosowaniu najwyższej jakości materiałów opraw oświetleniowych, ulepszonych konstrukcji rozpraszających ciepło, a nawet czujników temperatury, które automatycznie zmniejszają światło, gdy gromadzi się zbyt dużo ciepła, producenci diod LED zawsze ulepszają swoje projekty pod kątem wyższych temperatur.
Użyj wysokiej jakości diod LED, aby przetrwać
Ogólnie rzecz biorąc, wysokiej jakości diody LED to trwałe elementy, które mogą działać w gorącym otoczeniu. Na przykład diody CREE XM-L mogą działać przy temperaturze złącza do 150 stopni. Względna moc świetlna opraw LED spada tylko o 10 procent przy temperaturze otoczenia 60 stopni w porównaniu do względnej mocy świetlnej przy 25 stopniach. Odporność termiczna to termin używany do opisania ogólnej zdolności urządzenia do przenoszenia ciepła w sektorze LED. Połączenie rozpraszające ciepło i opakowanie samych diod LED zostały zaprojektowane z minimalnym oporem cieplnym. Maksymalna moc, jaka może zostać rozproszona w pakiecie LED, zależy od jego odporności termicznej oraz maksymalnej temperatury pracy. Rezystancja termiczna między złączem LED a otaczającym powietrzem określa maksymalny prąd przewodzenia. wysokie temperatury złącza diod LED wynikają z dużego gromadzenia się ciepła wewnątrz diod LED o dużej odporności termicznej. Kiedy to nastąpi, wpływ rosnącej temperatury złącza w diodzie LED może zrównoważyć skutki wzrostu prądu przewodzenia, powodując, że dioda LED utrzymuje lub nawet zmniejsza poziom mocy wyjściowej światła pomimo wzrostu prądu przewodzenia. Aby zmaksymalizować żywotność oprawy i właściwości optyczne, ważne jest, aby oprawa była skonstruowana w sposób minimalizujący opór cieplny od punktu lutowniczego do otoczenia. Zaprezentowana przez firmę OSRAM Opto Semiconductors rodzina diod LED OSLON Square ma niski opór cieplny wynoszący zaledwie 3,8 K/W, co szczególnie dobrze sprawdza się w wysokich temperaturach otoczenia i może osiągnąć żywotność znacznie przekraczającą 50,{11}} godzin nawet w wysokich temperaturach temperatury do 135 stopni w diodzie LED. W oparciu o pracę przy stałym natężeniu prądu przy temperaturze złącza utrzymywanej na poziomie 120 stopni lub poniżej, białe diody LED Lumileds LUXEON K2 zapewniają utrzymanie 70% strumienia świetlnego przez 50,{17}} godzin pracy przy prądzie przewodzenia 1000 mA. Może pracować przy niewielkich stratach wyjściowych przy temperaturach złączy sięgających 150 stopni.
Kontrola termiczna: kluczowy aspekt wydajności systemu
Skuteczna konstrukcja termiczna jest niezbędna w przypadku przemysłowych opraw oświetleniowych, zwłaszcza wysokich zatok w stylu UFO, w których obwody i diody LED są umieszczone w zamkniętej obudowie, aby obniżyć temperaturę roboczą takich urządzeń optoelektronicznych, jednocześnie zwiększając wydajność i niezawodność. Jeśli chodzi o konstrukcje typu high-bay, radiator — który często jest zintegrowaną obudową oprawy — jest głównym elementem, na który kładzie się nacisk w konstrukcji termicznej. Złącze każdej diody LED oraz obudowa sterownika mają być chłodzone przez radiator. Aby zwiększyć powierzchnię radiatora i ułatwić wyższą konwekcyjną wymianę ciepła z otaczającym powietrzem, radiatory są często wykonane z materiału przewodzącego ciepło, takiego jak metal, i mają żeberka lub kanały. Możliwa jest wbudowana komora odpowietrzania termicznego, która jest odlewana w obudowie. Skład materiału i czynniki otoczenia wpływają na przewodność cieplną obudowy wysokiego składowania. Przewodnictwo cieplne to kolejna metoda odprowadzania ciepła odpadowego oparta na geometrii części składowych systemu. Do wykonania radiatorów można użyć dowolnego materiału o wysokiej przewodności cieplnej, w tym między innymi miedzi, aluminium i stopów metali. Pomimo faktu, że miedź ma przewodność cieplną co najmniej 400 W/mK. Ze względu na stosunkowo wysoką przewodność cieplną i prostotę wykonania, aluminium jest preferowanym metalem na radiatory. Aluminiowa obudowa może być pokryta akrylową powłoką proszkową nałożoną zarówno na wewnętrzną, jak i zewnętrzną powierzchnię, aby poprawić odprowadzanie ciepła i odporność na korozję.
