A hőmérséklet hatása a LED élettartamára a lámpatestekben
Általánosságban elmondható, hogy a magas környezeti hőmérséklet csökkenti a lámpatestek hatékonyságát és élettartamát, beleértve a LED-es világítást is. Egyszerűen fogalmazva, csökkenti a LED-ek, de más típusú világítótestek élettartamát is. Hatása jelentős lehet mind a fényforrásokra (LED-ek), mind a vészhelyzeti rendszereket tápláló akkumulátorokra. A hőmérséklet-változások ugyanolyan romboló hatásúak, és az alkatrészek gyorsabb lebomlásához, a fényhasznosítás csökkenéséhez és a LED-lámpák rövidebb élettartamához vezethetnek. Mit kell figyelembe venni a zord hőmérsékleti viszonyokhoz való lámpatest kiválasztásakor?
Hogyan csökkentjük a hőmérséklet hatását a LED-jeinkre?
A hőmérsékletnek a LED-ekre, azok teljes moduljaira és a biztonsági lámpatestekben található akkumulátorokra gyakorolt negatív hatásait a legtöbb esetben tervezési megoldásokkal kiküszöbölhetjük. A második megoldás az elektronikus alkatrészek és működési paramétereik optimális kiválasztása. Ezt a megoldást alkalmaztuk például az OptiLIne lámpatestben, amelyet robbanásveszélyes területeken történő telepítésre terveztek, széles hőmérséklet-tartományban, -40…+50 oC között. Fontos, hogy a LED-es világításunk ilyen széles hőmérséklettartományban való használatának lehetőségét mind belső tesztek, mind egy akkreditált laboratóriumban végzett tesztsorozat megerősítette. Ezek a készülék teljesítményének elemzéséből álltak a hosszan tartó melegítés során.
Az OptiLine lámpatestet zord és nagyon zord körülményekre tervezték, ami a gyakorlatban azt jelenti, hogy állandó vagy gyakori a nedvességnek, vegyi anyagoknak, pornak, UV-sugárzásnak, valamint mechanikai sérüléseknek való kitettség. A működés ilyen sajátosságai megkívánták, hogy LED-lámpánkhoz robusztus, vastag falú testet használjunk. Ez a megoldás a hőszigetelés szerepét is betölti, amely megvédi a lámpatestet a külső hatások (napfény, forró felületek stb.) okozta túlzott felmelegedéstől, miközben korlátozza a benne lévő elektronikus alkatrészek által termelt hő kibocsátását. K+F részlegünk ezért úgy tervezte meg a lámpatesteket, hogy minimalizálja az elektronikus alkatrészek, köztük a LED-modemek és a tápegység melegedését.
Ez a LOW/MID Power LED-modulok lumineszcencia-hatékonyságának növelésével volt lehetséges a LED-ek speciális polarizációja révén, miközben a tápegységet úgy állították be, hogy a névleges paraméterek alatt működjön. Ennek eredményeként jelentősen csökkentettük a keletkező hő mennyiségét, és megnöveltük az elektronikus alkatrészek élettartamát, beleértve a LED-ek élettartamát is.
Világítási hely és üzemi hőmérséklettartományok
A mesterséges világítást használó munkahelyeket tekintve olyan termékek kifejlesztésére van szükség, amelyek egyre inkább alkalmazkodnak ahhoz a különleges környezethez és éghajlathoz, amelyben használják őket. E tekintetben két fő tényezőcsoportot lehet megkülönböztetni, ahol a környezeti hőmérséklet kulcsfontosságú:
- a helyszínen belüli elhelyezkedés,
- földrajzi hely a Földön.
| Éghajlati zóna | Éves átlagos léghőmérséklet. | Hőmérsékleti amplitúdók |
| Egyenlítői | 20°C felett | 5-10°C (éves átlag) 10°C-ig (napi) |
| Trópusi | 20°C felett | 10°C (éves átlag) 40-50°C-ig (napi) |
| Szubtrópusi | 10-20°C | 10-15°C (éves átlag) akár 50oC(napi) |
| Mérsékelt | 0-10°C | 25-35°C (éves átlag) 30oC-ig(napi) |
| Circumpolar | 0°C alatt | 80°C-ig (éves átlag) |
Az üzemi hőmérséklet hatása a LED és más fényforrások élettartamára
Tipikus helyek, ahol a hőmérséklet döntő fontosságú a lámpatestek számára:
- termelési berendezések, különösen hőtermelő folyamatok (kazánok és kemencék, reaktorok, malmok, tömítőberendezések, forró közegek szállítása stb.),
- kültéri terek, különösen a közvetlen napsütésnek kitett helyiségek,
- ipari csarnokok és raktárak, különösen tetőszerkezetek,,
- fagyos,
- földalatti bányászati létesítmények.
Az 1. ábra az elektromos fényforrások osztályozását mutatja a gyártási módjuk szerint. Az iparban leggyakrabban használt fényforrások közé tartoznak:
- izzók,
- fénycsövek,
- nátriumlámpák,
- fémhalogén lámpák,
- indukciós lámpák,
- LED-lámpák.
A higanygőz fényforrásokat – káros hatásuk miatt – kivonták a gyártásból, és a további elemzésben nem szerepelnek. Ezzel szemben a fénycsöveket, amelyeket az EU-ban kivontak a forgalomból, a világ számos részén és Európában még mindig használják.
Minden fényforrásra jellemzőek az alkalmazott technológiából adódó sajátos fizikai paraméterek. E paraméterek és a hőmérsékleti viszonyok ismerete lehetővé teszi annak értékelését, hogy a kiválasztott fényforrás hatékonyan működik-e, nem romlik-e idő előtt, és hogy gazdaságilag indokolt-e a működtetése.
Annak érdekében, hogy felmérjük, melyik fényforrás felel meg legjobban az igényeinknek, itt vannak az előnyeik és hátrányaik.
| Fényforrás | Előnyök | Hátrányok |
| Hagyományos (vákuum, gáz) / halogén izzó | Kivételes ellenállás a hőmérséklet-változásokkal szemben, Hatékony működés a negatív és pozitív hőmérséklettartományban, Kiváló színvisszaadási index különböző környezeti hőmérsékleteken. | Alacsony fényhasznosítás: 15 lm/W izzó esetében, akár 35 lm/W halogén esetében, Rövid élettartam: 1000 óra izzó esetében, 3000 óra halogén esetében, Magas izzószál üzemi hőmérséklet (2500°C), izzó kb. 80-150°C. |
| Lineáris / kompakt fénycső | Nagy ellenállás a pozitív tartományban bekövetkező hőmérsékletváltozásokkal szemben Elfogadható be- és kikapcsolás pozitív hőmérsékleten, Jó színvisszaadási index széles hőmérséklettartományban. | Átlagos fényhasznosítás: 40-100 lm/W és élettartam: T8 esetén akár 15 000 óra, T5 esetén 25 000 óra, Alacsony hőmérsékletekkel szembeni gyenge ellenállás – fényáram csökkenése, Gyújtórendszer szükséges. Megoldások a fénycsövek alacsony hőmérsékleten történő használatára: A fénycső speciális kialakítása (burkolata), Polimetil-metakrilát (PMMA) burkolat, Alacsony hőátadási együtthatóval rendelkező réteget képező árnyékoló, A gázütközéses ionizáció kémiai jelenségét támogató hőmérséklet-emelkedés, A fényhasznosítás növelése a csőben lévő elektródák közötti higanygőz alkalmazásával. |
| Nagynyomású nátriumlámpák | Nagyon magas fényhasznosítás: 200 lm/W és hosszú élettartam: akár 30 000 óra, kiváló ellenállás a negatív és pozitív hőmérsékletváltozásokkal szemben, a fényáram enyhe csökkenése az idő múlásával és kiváló kontraszt. | Gyenge ellenállás az alacsony hőmérsékletekkel szemben a gyújtás során, Hosszú gyújtási idő negatív környezeti hőmérsékleten (akár 5 perc), Újragyulladási problémák (nem alkalmas vészvilágításhoz), Alacsony színvisszaadási index Ra < 40. |
| Alacsony nyomású nátriumlámpák | Nagyon magas fényhasznosítás: 200 lm/W és jó élettartam: akár 20 000 óra, Kiváló ellenállás a hőmérséklet-ingadozásokkal szemben, A fényáram enyhe csökkenése működés közben, Gyújtás nagyon alacsony hőmérsékleten (akár -50°C-ig) is lehetséges. | Nagyon hosszú gyulladási idő (alacsony hőmérsékleten akár 10 perc), Újragyulladási problémák (nem alkalmas vészvilágításra), Nagyon alacsony színvisszaadási index Ra < 20. |
| Fémhalogén lámpák | Jó fényhasznosítás: 100 lm/W és jó élettartam: akár 20 000 óra, Kiváló ellenállás a hőmérséklet-változásokkal szemben, A fényáram enyhe csökkenése használat közben, Jó színvisszaadási index Ra < 80. | Gyenge ellenállás az alacsony hőmérsékletekkel szemben a gyújtás során, Hosszú gyújtási idő, különösen alacsony hőmérsékleten, Újragyújtási problémák, Speciális gyújtórendszer szükségessége. |
| Indukciós lámpák | Nagyon magas fényhasznosítás: kb. 120 lm/W és hosszú élettartam: 60 000-100 000 óra, kiváló ellenállás a hőmérséklet-változásokkal szemben, alacsony fényveszteség, jó színvisszaadási index Ra > 80, gyors indítás és a névleges működési paraméterek elérése. | Magas beruházási költség, nehéz gyújtás nagyfrekvenciás generátorral. |
| LED források | Nagyon magas fényhasznosítás: akár 220 lm/W és hosszú élettartam: 50.000-200.000 óra, Kiváló ellenállás az alacsony hőmérsékletekkel szemben, A fényáram enyhe csökkenése működés közben, Jó színvisszaadási index Ra = 70-től Ra = 90-ig, A fényerősség teljes szabályozásának lehetősége különböző módszerekkel. | Közepesen magas beruházási költség, a termék minőségétől függően, A csatlakozó károsodása magas hőmérsékleten történő működés során, ami lerövidítheti az élettartamot, Speciális állandó feszültségű vagy állandó áramú tápegység szükségessége. |
A fénycsövek nem alkalmasak alacsony hőmérsékleten történő használatra.
Az alacsony hőmérsékleten a fényáram erős csökkenése miatt (amint az az 1. ábrán látható), a szabványos fénycsöveket nem használják kültéren (fagypont alatti hőmérsékletű éghajlati övezetekben) és fagyasztóhelyiségekben.
Hogyan javítható a LED-források teljesítménye magas hőmérsékleten?
A LED-es világítás működési feltételeinek optimalizálásához kulcsfontosságú a hatékony hőelvezetés. Ez a korábban alkalmazott módszereknél hatékonyabb, speciálisan kialakított ház és oszlopos hűtőbordák alkalmazásával érhető el.
A ház és a kiegészítő hűtőborda anyagának sűrű öntött alumíniumból kell készülnie, amely egyenletes anyagszerkezetének köszönhetően lehetővé teszi a felesleges hő gyors elvezetését. Ennek az anyagnak a minősége a súlya alapján ítélhető meg – minél nagyobb a súlya, annál jobbak a hőtani tulajdonságai.
Megjegyzés: A LED-csatlakozó hőmérsékletének 20°C-kal való növelése a készülék működési idejének hatszoros csökkenéséhez vezethet névleges teljesítmény mellett. A LED fényereje a hőmérséklet növekedésével csökken, amint az a 2. ábrán is jól látható, amely a csatlakozó romlását szemlélteti a hőmérséklet növekedése következtében. Ez jelentősen csökkenti a LED mint fényforrás élettartamát.
A lámpatest belsejében a magas hőmérséklet a szilikonlencsék károsodásához vezethet, ami mechanikai tönkremenetelt okozhat. Fontos figyelembe venni a külső tényezők hatását a telepítés során. Az is fontos, hogy a lámpatesteket ne helyezzük olyan további hőforrások közelébe, amelyek zavarhatják vagy súlyosbíthatják a hűtési folyamatot. Ide tartoznak mind a természetes hőforrások, például a napsugárzás, mind a mesterséges források, például a gyártási folyamat során magas hőmérsékletet előállító berendezések.
A LED-ek élettartamának javításának módjai
A LED-ek élettartamának javításának leghatékonyabb módja a LED-ek világításakor keletkező hő gyors elvezetése. Ez egy alumíniumréteggel ellátott nyomtatott áramköri lap használatával érhető el, amely jó hővezető tulajdonságokkal rendelkezik, és közvetlenül elvezeti a forrasztott LED-ek hőjét. A NYÁK egy 1-3 mm vastag alumíniumlemezből áll, amelyet kerámia szigetelőréteggel borítanak, és amelyen réz tápvezetékek helyezkednek el. Az egész lapot gyakran kombinálják egy további hűtőbordával vagy házzal, amelyhez hővezető pasztát használnak a hőleadó felület növelése érdekében.
Ha a LED-fényforrás szerkezetét, beleértve a nyomtatott áramkört, a hűtőbordát és a tápegységet, egy lineáris lámpatest házában helyezik el, amely nagy belső és külső hőmérséklet-ingadozásoknak van kitéve, fontos a speciális vízelvezető fojtócső használata. Ez a fojtócső biztosítja a megfelelő szellőzést, és kiegyenlíti a belső és a külső környezet közötti nyomást, ami megakadályozza a kondenzációt. Ezenkívül védelmet nyújt a lámpatest belsejében az intenzív napsugárzás következtében fellépő hőmérséklet-emelkedés ellen. A tápvezetékek lámpatestbe történő bevezetéséhez speciális dugókat vagy tömítéseket használnak a tömlő beépítési pontján.
Az ellátórendszer hőmérsékleti ellenállása
Ahhoz, hogy a kiválasztott fényforrásokból hatékonyan lehessen fényáramot előállítani, az optimális elektromos és fényerősségi eredmények biztosítása érdekében megfelelően ki kell választani a tápellátó rendszereket. A LED-es fényforrások esetében a legnagyobb kihívást gyakran az előtét jelenti, amely a lámpatest általános meghibásodási arányát befolyásoló tápellátó rendszer. Az élettartama kritikus, és gyakran meghatározza az egész lámpatest élettartamát.
A tápellátó rendszerek egyik legfontosabb problémája az elektronikus alkatrészek, különösen a kondenzátorok és a rézvezetékek magas hőmérséklettel szembeni ellenállása. A kondenzátorok kiszáradása, amely a meghibásodási okok mintegy 80%-áért felelős, a megfelelő szűrés és energiatárolási képesség elvesztéséhez vezet, ami befolyásolja a tápegység teljesítményét. A kondenzátorok kiválasztása gyakran a költség és a minőség közötti kompromisszumot jelenti, és a tápegységekben a mágneses alkatrészekkel együtt a kondenzátorok általában a legdrágább alkatrészek.
A lámpatest belsejében uralkodó magas hőmérséklet, amely meghaladja a tápegységek megengedett maximális hőmérsékletét, valamint a fényforrásból a NYÁK-on keresztül a tápegységbe történő hőátadás a kondenzátorokból történő elektrolitpárolgáshoz vezethet. A teljes lámpatest hosszú távú és zavartalan működése ezért a felhasznált elektronikus alkatrészek minőségétől és tartósságától függ.
Az energiarendszerek és akkumulátorok hatékonysága és tartóssága különböző hőmérsékleteken
Az Arrhenius-elmélet szerint egy alumíniumkondenzátor élettartama minden alkalommal megduplázódik, amikor a környezeti hőmérséklet 10°C-kal csökken. Az elektronika és a hűtőborda elkülönítése jobb eredményeket hozhat, mint az integrált házba való beépítés. Egyes gyártók a hatékonyság növelése érdekében két vagy három tápegységet használnak világítószettenként, ami csökkenti a terhelést és a belső alkatrészek túlmelegedését, minimalizálva a károsodás és a meghibásodás kockázatát.
Az akkumulátor hőmérsékleti ellenállása
A tűzvédelmi szabványok és előírások, valamint az építési törvény szerint a vészhelyzeti áramellátás esetében a követelmény az, hogy a magas kockázatú területeken 0,5 másodpercen belül, valamint a menekülési útvonalak és a pánikzónák esetében 5 másodpercen belül 50%-os, 60 másodpercen belül pedig 100%-os megvilágítási intenzitással kell megvilágítást biztosítani. A vészhelyzeti ellátást gyakran a következőkkel valósítják meg:
- a lámpatestek belsejében elhelyezett, tápegységgel ellátott akkumulátoros modulok,
- tartalék áramellátó berendezés központi 220V DC akkumulátorral.
Mindkét esetben az akkumulátorok, mint tárolt energiaforrások élettartamát nagymértékben befolyásolja a hőmérséklet. Minden 10°C-os hőmérséklet-emelkedés a normatív 20°C fölött a felére rövidíti az akkumulátorcellák élettartamát. Egy lámpatestbe helyezett akkumulátor, amelynek élettartama alapesetben négy év, 50°C-os környezeti hőmérsékleten csak hat hónapig működik a paramétereinek megfelelően. Ezzel szemben egy helyhez kötött akkumulátor, amelyet az EUROBAT-szabványok szerint 10 évre terveztek, 30°C-on 5 év élettartamot mutat. Azt is fontos megjegyezni, hogy az akkumulátorok élettartamát az alacsony hőmérséklet is negatívan befolyásolja.
Az akkumulátorok energiahatékonyságával kapcsolatos problémák
Fizikai-kémiai folyamatok következtében az akkumulátorokban tárolt energia néha nem használható ki teljes mértékben, ami hibás cellák esetén az áramellátás feszültségének hiányához és a világítás teljes hiányához vezethet.
A hirtelen hőmérsékletváltozások szintén fontos tényező, amely befolyásolja az akkumulátor élettartamát. Az akkumulátorból kinyerhető energia mennyisége a hőmérséklet függvénye, így a nyár és tél közötti hőmérsékletkülönbség akár a felére is csökkentheti a rendelkezésre álló energiát.
Az akkumulátor kapacitásának és a fényforrások teljesítményének összehangolásakor fontos figyelembe venni ezt az összefüggést. Bizonyos esetekben szükség lehet az akkumulátor túlméretezésére annak érdekében, hogy az adott telepítésben megfelelően működjön.
Ezenkívül figyelembe kell venni annak kockázatát, hogy az akkumulátort nem töltik fel teljes kapacitásig, és ez roncsolja a belső szerkezetét. Ilyen helyzetekben az akkumulátor kapacitása és hatékonysága is arányosan csökkenhet, ami hatással lehet a teljes vészhelyzeti energiarendszer hatékonyságára és megbízhatóságára.
Az akkumulátoron belüli elektrokémiai folyamatok fontossága
Az akkumulátorcellán belüli kémiai reakciók lelassulhatnak a belső ellenállás növekedése miatt, ami lassabb kémiai reakciót eredményez. Ez a jelenség más fényforrások, például a fotolumineszcens lámpák esetében is fontos, amelyek nagyobb áramfelvétel esetén nem érik el a várt fényteljesítményt, vagy akár teljesen megszűnnek világítani.
Az áramszünetek komoly kockázatot jelentenek, ami mélykisüléshez és az akkumulátor károsodásához vezethet. A hosszú távú áramszünetek, amelyek nem teljes lemerülést és töltést eredményeznek, kevésbé károsak a hosszabb üzemidejű, például 3 órás rendszerekre, mint a rövidebb üzemidejű, például 1,5 órás rendszerekre.
A leggyengébb cella határozza meg az egész akkumulátorcsomag állapotát, ezért nagyon fontos, hogy minden cellát a lehető legjobb állapotban tartson. A rendszeres kézi vagy automatikus állapotellenőrzés lehetővé teszi a teljes csomag állapotának gyors értékelését.
Az akkumulátorok kisütésekor fontos, hogy figyelembe vegyük azt a hőmérsékletet, amelyen ez a folyamat végbemegy, és az ezt a feladatot végző berendezéseket olyan rendszerekkel kell felszerelni, amelyek szabályozzák a töltési és kisütési áramot. Ebből a célból gyakran használnak referencia-hiszterézisgörbéket, amelyek segítenek az áramot a megfelelő szinten tartani és elkerülni a névleges kapacitás túllépését. Az 1C jelölés az úgynevezett egyórás áramot jelöli, amelyet az akkumulátor töltési sebességének meghatározására használnak. A különböző típusú akkumulátorok eltérően reagálnak a hőmérsékletre; alul lehet őket tölteni, ami csökkenti a teljesítményüket, vagy túltölteni, ami veszélyeket okozhat, beleértve a cellák robbanásának kockázatát.
document.querySelectorAll(‘section.container a[href^=”#”]’).forEach(link => { console.log(link ) link.addEventListener(‘click’, function (e) { e.preventDefault(); const targetId = this.getAttribute(‘href’).substring(1); console.log(targetId ) const targetElement = document.getElementById(targetId); const headerOffset = document.querySelector(‘.sticky-lg-top’).offsetHeight; const elementPosition = targetElement.getBoundingClientRect().top; const offsetPosition = elementPosition + window.pageYOffset – headerOffset; window.scrollTo({ top: offsetPosition, behavior: ‘smooth’ }); }); });