Vliv teploty na životnost LED ve svítidlech
Vysoké okolní teploty zpravidla snižují účinnost a životnost svítidel včetně LED osvětlení. Zjednodušeně řečeno, snižuje životnost LED diod, ale i jiných typů osvětlení. Její dopad může být významný jak na světelné zdroje (LED), tak na baterie, které napájejí nouzové systémy. Stejně destruktivně působí i změny teploty, které mohou vést k rychlejší degradaci součástek, snížení světelné účinnosti a zkrácení životnosti LED svítidel. Co je třeba zvážit při výběru svítidla do náročných teplotních podmínek?
Jak snižujeme vliv teploty na naše LED diody
Negativní vliv teploty na LED diody, celé jejich moduly a také baterie v nouzových svítidlech se nejčastěji eliminuje konstrukčními řešeními. Druhým řešením je optimální výběr elektronických komponent a jejich provozních parametrů. Toto řešení jsme použili například u svítidla OptiLIne, které je určeno pro instalaci v prostorách s nebezpečím výbuchu v širokém teplotním rozsahu -40…+50 oC. Důležité je, že možnost použití našich LED svítidel v tak širokém teplotním rozsahu byla potvrzena jak interními testy, tak sérií zkoušek v akreditované laboratoři. Ty spočívaly v analýze výkonu zařízení při dlouhodobém zahřívání.
Svítidlo OptiLine je určeno do drsných a velmi drsných podmínek, což v praxi znamená trvalé nebo časté vystavení vlhkosti, chemickým látkám, prachu, UV záření a také mechanickému poškození. Taková specifika provozu si vyžádala použití robustního, silnostěnného těla pro naše LED svítidlo. Toto řešení plní také roli tepelné izolace, která chrání svítidlo před nadměrným zahříváním v důsledku vnějších vlivů (sluneční záření, horké povrchy atd.) a zároveň omezuje vyzařování tepla generovaného elektronickými součástkami uvnitř. Proto naše oddělení výzkumu a vývoje navrhlo svítidla tak, aby minimalizovalo zahřívání elektronických komponent včetně LED modemů a napájecího zdroje.
Toho bylo možné dosáhnout zvýšením účinnosti luminiscence LED modulů LOW/MID Power díky specifické polarizaci LED diod při současném nastavení napájení na nižší než jmenovité parametry. Díky tomu jsme výrazně snížili množství produkovaného tepla a také zvýšili životnost elektronických komponent včetně životnosti LED diod.
Umístění osvětlení a rozsahy provozních teplot
Vzhledem k pracovištím, kde se používá umělé osvětlení, je třeba vyvíjet výrobky, které jsou stále více přizpůsobeny specifickému prostředí a klimatu, v němž se používají. V tomto ohledu existují dvě hlavní skupiny faktorů, u nichž má klíčový význam okolní teplota:
- umístění v rámci lokality,
- zeměpisná poloha na Zemi.
| Klimatické pásmo | Roční průměrná teplota vzduchu | Teplotní amplitudy |
| Rovníková | Nad 20 °C | 5-10 °C (roční průměr) až 10°C (denně) |
| Tropické | Nad 20 °C | 10°C (roční průměr) až 40-50 °C (denní průměr) |
| Subtropický | 10-20°C | 10-15 °C (roční průměr) až 50oC(denně) |
| Mírná | 0-10°C | 25-35 °C (roční průměr) až 30oC(denně) |
| Circumpolar | Pod 0 °C | až 80 °C (roční průměr) |
Vliv provozní teploty na životnost LED a jiných světelných zdrojů
Typická místa, kde je teplota pro svítidla rozhodující:
- výrobní zařízení, zejména procesy, při nichž vzniká teplo (kotle a pece, reaktory, mlýny, těsnicí zařízení, doprava horkých médií atd.),
- venkovní prostory, zejména ty, které jsou vystaveny přímému slunci,
- průmyslové haly a sklady, zejména montáž střech,,
- frosty,
- podzemní důlní zařízení.
Obrázek 1 ukazuje klasifikaci elektrických světelných zdrojů podle způsobu jejich výroby. Mezi nejčastěji používané zdroje světla v průmyslu patří:
- žárovky,
- zářivky,
- sodíkové výbojky,
- halogenidové výbojky,
- indukční lampy,
- LED žárovky.
Zdroje světla s parami rtuti byly kvůli své škodlivosti staženy z výroby a nejsou zahrnuty do další analýzy. Naproti tomu zářivky, které byly v EU staženy z prodeje, se v mnoha částech světa a Evropy stále používají.
Každý světelný zdroj se vyznačuje specifickými fyzikálními parametry, které vyplývají z použité technologie. Znalost těchto parametrů a teplotních podmínek umožňuje posoudit, zda vybraný světelný zdroj bude pracovat efektivně, nebude předčasně degradovat a zda je jeho provoz ekonomicky odůvodněný.
Abychom mohli posoudit, který zdroj světla nejlépe vyhovuje našim potřebám, uvádíme níže jejich výhody a nevýhody.
| Zdroj světla | Výhody | Nevýhody |
| Konvenční (vakuová, plynová) / halogenová žárovka | Výjimečná odolnost vůči změnám teploty, efektivní provoz v záporném až kladném teplotním rozsahu, vynikající index podání barev při různých okolních teplotách. | Nízká světelná účinnost: 15 lm/W u žárovky, až 35 lm/W u halogenu, krátká životnost: 1 000 hodin u žárovky, 3 000 hodin u halogenu, vysoká provozní teplota vlákna (2 500 °C), žárovka přibližně 80-150 °C. |
| Lineární / kompaktní zářivky | Vysoká odolnost vůči změnám teploty v kladném rozsahu Přijatelný provoz při kladných teplotách, Dobrý index podání barev v širokém rozsahu teplot. | Průměrná světelná účinnost: 40-100 lm/W a životnost: až 15 000 hodin pro T8, 25 000 hodin pro T5, špatná odolnost vůči nízkým teplotám – snížení světelného toku, nutný zapalovací systém. Řešení pro použití zářivek při nízkých teplotách: Speciální konstrukce (pouzdro) zářivky, Polymethylmetakrylátové (PMMA) pouzdro, Stínění tvořící vrstvu s nízkým součinitelem prostupu tepla, Zvýšení teploty, které podporuje chemický jev ionizace při srážce plynů, Zvýšení světelné účinnosti použitím rtuťových par mezi elektrodami v trubici. |
| Vysokotlaké sodíkové výbojky | Velmi vysoká světelná účinnost: 200 lm/W a dlouhá životnost: až 30 000 h, vynikající odolnost vůči negativním a pozitivním teplotním výkyvům, mírný pokles světelného toku v čase a vynikající kontrast. | Nízká odolnost vůči nízkým teplotám při zapálení, dlouhá doba zapálení při záporných teplotách okolí (až 5 minut), problémy s opětovným zapálením (nevhodné pro nouzové osvětlení), nízký index podání barev Ra < 40. |
| Nízkotlaké sodíkové výbojky | Velmi vysoká světelná účinnost: 200 lm/W a dobrá životnost: až 20 000 h, vynikající odolnost vůči teplotním výkyvům, mírný pokles světelného toku během provozu, možnost zapálení při velmi nízkých teplotách (až -50 °C). | Velmi dlouhá doba vznícení (až 10 minut při nízkých teplotách), problémy s opětovným vznícením (nevhodné pro nouzové osvětlení), velmi nízký index podání barev Ra < 20. |
| halogenidové výbojky | Dobrá světelná účinnost: 100 lm/W a dobrá životnost: až 20 000 h, vynikající odolnost vůči změnám teploty, mírný pokles světelného toku během používání, dobrý index podání barev Ra < 80. | Nízká odolnost vůči nízkým teplotám při zapalování, dlouhá doba zapalování, zejména při nízkých teplotách, problémy s opětovným zapalováním, potřeba speciálního zapalovacího systému. |
| Indukční lampy | Velmi vysoká světelná účinnost: cca 120 lm/W a dlouhá životnost: 60 000 až 100 000 h, vynikající odolnost vůči teplotním výkyvům, nízká ztráta světelného toku, dobrý index podání barev Ra > 80, rychlý náběh a dosažení jmenovitých provozních parametrů. | Vysoké investiční náklady, obtížné zapalování pomocí vysokofrekvenčního generátoru. |
| Zdroje LED | Velmi vysoká světelná účinnost: až 220 lm/W a dlouhá životnost: 50 000 až 200 000 h, vynikající odolnost vůči nízkým teplotám, mírný pokles světelného toku během provozu, dobrý index podání barev od Ra = 70 do Ra = 90, možnost plně regulovat intenzitu světla různými způsoby. | Středně vysoké investiční náklady v závislosti na kvalitě výrobku, Degradace konektoru při provozu za vysokých teplot, která může zkrátit životnost, Potřeba speciálního napájení konstantním napětím nebo konstantním proudem. |
Zářivky nejsou vhodné pro nízké teploty.
Vzhledem k silnému poklesu světelného toku při nízkých teplotách (jak je znázorněno na obrázku 1) se standardní zářivky nepoužívají ve venkovním prostředí (klimatické zóny s teplotami pod bodem mrazu) a v mrazírnách.
Jak zlepšit výkon LED zdrojů v podmínkách vysokých teplot?
Pro optimalizaci provozních podmínek osvětlení LED je klíčový účinný odvod tepla. Toho lze dosáhnout použitím speciálně navrženého krytu a sloupových chladičů, které jsou účinnější než dříve používané metody.
Materiál použitý pro kryt a přídavný chladič by měl být vyroben z hustě litého hliníku, který díky své rovnoměrné struktuře materiálu umožňuje rychlý odvod přebytečného tepla. Kvalitu tohoto materiálu lze posoudit podle jeho hmotnosti – čím větší hmotnost, tím lepší tepelné vlastnosti.
Poznámka: Zvýšení teploty na konektoru LED o 20 °C může vést k šestinásobnému zkrácení provozní doby zařízení při nominálním výkonu. S rostoucí teplotou klesá svítivost LED, jak je zřetelně vidět na obrázku 2, který ilustruje degradaci spoje v důsledku zvyšující se teploty. Tím se výrazně snižuje životnost LED jako zdroje světla.
Vysoké teploty uvnitř svítidla mohou vést k poškození silikonových čoček a jejich mechanickému zničení. Při instalaci je důležité zohlednit vliv vnějších faktorů. Je také důležité vyhnout se umístění svítidel v blízkosti dalších zdrojů tepla, které by mohly narušit nebo zhoršit proces chlazení. To zahrnuje jak přirozené zdroje tepla, jako je sluneční záření, tak umělé zdroje, jako jsou zařízení, která vytvářejí vysoké teploty během výrobního procesu.
Způsoby, jak zlepšit životnost LED diod
Nejúčinnějším způsobem, jak zvýšit životnost LED, je rychle odvádět teplo vznikající při svícení LED. Toho lze dosáhnout použitím desky plošných spojů s hliníkovou vrstvou, která má dobré tepelně vodivé vlastnosti a přímo odvádí teplo z připájené LED. DPS se skládá z hliníkové desky o tloušťce 1 až 3 mm pokryté keramickou izolační vrstvou, na níž jsou umístěny měděné napájecí cesty. Celá deska je často kombinována s přídavným chladičem nebo krytem s použitím teplovodivé pasty, aby se zvětšila plocha pro odvod tepla.
Pokud je konstrukce světelného zdroje LED včetně desky plošných spojů, chladiče a napájecího zdroje umístěna v lineárním krytu svítidla, který je vystaven velkým výkyvům vnitřních a vnějších teplot, je důležité použít speciální odvodňovací tlumivku. Tato tlumivka zajišťuje dostatečné větrání a vyrovnává tlak mezi vnitřním a vnějším prostředím, což zabraňuje kondenzaci. Kromě toho chrání před zvýšením teploty, ke kterému může dojít v důsledku intenzivního slunečního záření uvnitř svítidla. V místě instalace vývodky se používají speciální zátky nebo vývodky pro zavedení přívodního vedení do svítidla.
Teplotní odolnost napájecího systému
Aby bylo možné efektivně produkovat světelný tok z vybraných světelných zdrojů, je nutné správně zvolit napájecí systémy, aby byly zajištěny optimální elektrické a světelné výsledky. V případě LED zdrojů je často největším problémem předřadník, což je systém napájení, který ovlivňuje celkovou poruchovost svítidla. Jeho životnost je kritická a často rozhoduje o životnosti celého svítidla.
Jedním z klíčových problémů v napájecích systémech je odolnost elektronických součástek, zejména kondenzátorů a měděných cest, vůči vysokým teplotám. Vysychání kondenzátorů, které představuje asi 80 % příčin poruch, vede ke ztrátě správné filtrační a akumulační schopnosti energie, což ovlivňuje výkon zdroje. Výběr kondenzátoru je často kompromisem mezi cenou a kvalitou a v napájecích zdrojích jsou kondenzátory spolu s magnetickými součástkami obvykle nejdražšími součástkami.
Vysoké teploty uvnitř svítidla, které překračují maximální přípustné hodnoty pro napájecí zdroje, a přenos tepla ze zdroje světla do napájecího zdroje přes desku plošných spojů mohou vést k odpařování elektrolytu z kondenzátorů. Dlouhodobý a bezporuchový provoz celého svítidla proto závisí na kvalitě a životnosti použitých elektronických součástek.
Účinnost a životnost napájecích systémů a baterií při různých teplotách
Podle Arrheniovy teorie se životnost hliníkového kondenzátoru zdvojnásobí při každém poklesu okolní teploty o 10 °C. Oddělení elektroniky od chladiče může přinést lepší výsledky než montáž do integrovaného krytu. Někteří výrobci ve snaze zvýšit účinnost používají dva nebo tři napájecí zdroje na jednu světelnou soupravu, což snižuje zátěž a omezuje přehřívání vnitřních součástí, čímž se minimalizuje riziko degradace a poruchy.
Teplotní odolnost baterie
Pro nouzové napájení je podle norem a předpisů požární ochrany a stavebního zákona požadováno zajištění osvětlení do 0,5 sekundy pro vysoce rizikové prostory, stejně jako 50% intenzita osvětlení do 5 sekund a 100% do 60 sekund pro únikové cesty a panické prostory. Nouzové zásobování se často realizuje pomocí:
- bateriové moduly s napájením umístěné uvnitř svítidel,
- instalace záložního napájení s centrální baterií 220 V DC.
V obou případech je životnost baterií jako zdrojů uložené energie výrazně ovlivněna teplotou. Každé zvýšení teploty o 10 °C nad normativních 20 °C zkracuje životnost bateriového článku o polovinu. Baterie umístěná uvnitř svítidla, u níž se standardně předpokládá životnost čtyři roky, bude při okolní teplotě 50 °C fungovat podle svých parametrů pouze šest měsíců. Naproti tomu stacionární baterie, která je podle norem EUROBAT určena na 10 let, bude při teplotě 30 °C vykazovat životnost 5 let. Je také důležité si uvědomit, že životnost baterií negativně ovlivňují i nízké teploty.
Problémy s energetickou účinností baterií
V důsledku fyzikálně-chemických procesů nelze někdy energii uloženou v bateriích plně využít, což může v případě vadných článků vést k výpadku napětí v napájení a k úplnému výpadku osvětlení.
Důležitým faktorem ovlivňujícím životnost baterie jsou také náhlé změny teploty. Množství energie, které lze z baterie získat, závisí na její teplotě, takže teplotní rozdíly mezi létem a zimou mohou snížit dostupnou energii až o polovinu.
Při přizpůsobování kapacity baterie výkonu světelných zdrojů je důležité tento vztah zohlednit. V některých případech může být nutné baterii předimenzovat, aby byla zajištěna její správná funkce v dané instalaci.
Kromě toho je třeba vzít v úvahu riziko nedostatečného nabití baterie na plnou kapacitu a poškození její vnitřní struktury. V takových situacích může dojít k úměrnému snížení kapacity i účinnosti baterie, což ovlivní účinnost a spolehlivost celého systému nouzového napájení.
Význam elektrochemických procesů uvnitř baterie
Chemické reakce uvnitř bateriového článku se mohou zpomalit v důsledku zvýšení vnitřního odporu, což vede ke zpomalení chemické reakce. Tento jev je důležitý i v souvislosti s jinými světelnými zdroji, jako jsou fotoluminiscenční žárovky, které při vyšším odběru proudu nemusí dosahovat očekávaného světelného výkonu nebo dokonce přestanou svítit úplně.
Přerušení napájení představuje vážné riziko, které může vést k hlubokému vybití a poškození baterie. Dlouhodobé přerušení napájení, které vede k neúplnému vybití a nabití, je méně škodlivé pro systémy s delší dobou provozu, např. 3 hodiny, než pro systémy s kratší dobou provozu, např. 1,5 hodiny.
Nejslabší článek rozhoduje o stavu celého akumulátoru, proto je důležité udržovat všechny články v co nejlepším stavu. Pravidelné manuální nebo automatické kontroly stavu umožňují rychlé posouzení stavu celé sady.
Při vybíjení baterie je důležité dbát na teplotu, při které tento proces probíhá, a zařízení, které tento úkol provádí, by mělo být vybaveno systémy pro regulaci nabíjecího a vybíjecího proudu. Za tímto účelem se často používají referenční hysterezní křivky, které pomáhají udržovat proud na správné úrovni a zabránit překročení jmenovité kapacity. Označení 1C znamená tzv. jednohodinový proud, který se používá k určení rychlosti nabíjení baterie. Různé typy baterií reagují na teplotu různě; mohou být nedostatečně nabité, což snižuje jejich výkon, nebo přebité, což může vést k nebezpečí, včetně rizika výbuchu článku.
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’ }); }); });