Temperaturens innvirkning på LED-levetiden i armaturer

Grażyna Zawada

Generelt sett reduserer høye omgivelsestemperaturer effektiviteten og holdbarheten til armaturer, inkludert LED-belysning. Enkelt sagt reduseres levetiden til LED, men også til andre typer belysning. Effekten kan være betydelig på både lyskilder (LED) og batterier som driver nødstrømsanlegg. Temperaturendringer er like ødeleggende og kan føre til raskere nedbrytning av komponenter, redusert lysutbytte og kortere levetid for LED-lamper. Hva bør man tenke på når man skal velge en armatur for tøffe temperaturforhold?

Slik reduserer vi effekten av temperatur på LED-lampene våre

De negative temperaturpåvirkningene på lysdioder, hele moduler og også batteriene i nødlysarmaturene elimineres ofte ved hjelp av designløsninger. En annen løsning er optimalt valg av elektroniske komponenter og deres driftsparametere. Vi har for eksempel brukt denne løsningen i OptiLIne-armaturen, som er designet for installasjon i eksplosjonsfarlige områder i et bredt temperaturområde på -40…+50 oC. Det er viktig å merke seg at muligheten for å bruke LED-belysningen vår i et så bredt temperaturområde er bekreftet gjennom både interne tester og en rekke tester i et akkreditert laboratorium. Disse besto i å analysere enhetens ytelse under langvarig oppvarming.

LED-levetid i en lampe (armatur) vs. omgivelsestemperatur

OptiLine-armaturen er konstruert for tøffe og svært tøffe forhold, noe som i praksis betyr konstant eller hyppig eksponering for fuktighet, kjemiske stoffer, støv, UV-stråler samt mekaniske skader. Slike driftsspesifikasjoner krevde bruk av et robust, tykkvegget hus for LED-lampen vår. Denne løsningen fungerer også som varmeisolasjon, noe som beskytter armaturen mot overdreven oppvarming som følge av ytre påvirkninger (sollys, varme overflater osv.), samtidig som den begrenser varmeavgivelsen som genereres av de elektroniske komponentene på innsiden. Derfor har vår FoU-avdeling designet armaturene for å minimere oppvarmingen av de elektroniske komponentene, inkludert LED-modemer og strømforsyningen.

Dette var mulig ved å øke luminescensen til LOW/MID Power LED-modulene ved hjelp av spesifikk polarisering av LED-lampene, samtidig som strømforsyningen ble stilt inn til å operere under de nominelle parameterne. Resultatet var en betydelig reduksjon av varmeutviklingen og økt levetid for de elektroniske komponentene, inkludert LED-lampene.

Belysningsplassering og driftstemperaturområder

Når det gjelder arbeidsplasser som bruker kunstig belysning, er det behov for å utvikle produkter som i stadig større grad er tilpasset det spesifikke miljøet og klimaet der de brukes. I denne forbindelse kan man skille mellom to hovedgrupper av faktorer, der omgivelsestemperaturen er av avgjørende betydning:

plassering innenfor området,
geografisk plassering på jorden.

Klimasone	Gjennomsnittlig årlig lufttemp.	Temperaturamplituder
Ekvatorial	Over 20 °C	5-10 °C (årlig gjennomsnitt) opptil 10 °C (daglig)
Tropisk	Over 20 °C	10 °C (årlig gjennomsnitt) opp til 40-50 °C (daglig)
Subtropisk	10-20°C	10-15 °C (årlig gjennomsnitt) opp til ^50oC(daglig)
Moderat	0-10°C	25-35 °C (årlig gjennomsnitt) opp til ^30oC(daglig)
Sirkumpolar	Under 0 °C	opp til 80 °C (årlig gjennomsnitt)

Driftstemperaturens innvirkning på levetiden til LED og andre lyskilder

Typiske steder der temperaturen er avgjørende for armaturene:

produksjonsanlegg, særlig varmegenererende prosesser (kjeler og ovner, reaktorer, møller, tetningsutstyr, transport av varme medier osv,)
utendørs, spesielt med direkte soleksponering,
industrihaller og lagerbygninger, spesielt takmontering,,
…frostig,
underjordiske gruveinstallasjoner.

Figur 1 viser klassifiseringen av elektriske lyskilder i henhold til produksjonsmetode. Blant de mest brukte lyskildene i industrien er:

pærer,
lysstoffrør,
natriumlamper,
metallhalogenlamper,
induksjonslamper,
LED-lamper.

Lyskilder med kvikksølvdamp har blitt tatt ut av produksjon på grunn av sin skadelighet, og er ikke inkludert i den videre analysen. Lysstoffrør, som er trukket tilbake fra salg i EU, brukes derimot fortsatt i mange deler av verden og i Europa.

Hver lyskilde kjennetegnes av spesifikke fysiske parametere som er et resultat av den teknologien som brukes. Kunnskap om disse parameterne og temperaturforholdene gjør det mulig å vurdere om den valgte lyskilden vil fungere effektivt, om den ikke vil brytes ned for tidlig og om driften er økonomisk forsvarlig.

For å kunne vurdere hvilken lyskilde som passer best til våre behov, har vi listet opp fordeler og ulemper.

Lyskilde	Fordeler	Ulemper
Konvensjonell (vakuum, gass) / halogenpære	Eksepsjonell motstand mot temperaturendringer, effektiv drift i det negative til positive temperaturområdet, utmerket fargegjengivelsesindeks ved forskjellige omgivelsestemperaturer.	Lavt lysutbytte: 15 lm/W for glødelampe, opptil 35 lm/W for halogen, Kort levetid: 1 000 timer for glødelampe, 3 000 timer for halogen, Høy driftstemperatur på glødetråden (2 500 °C), pære ca. 80-150 °C.
Lineære / kompakte lysstoffrør	Høy motstand mot temperaturendringer i det positive området Akseptabel av/på-drift i positive temperaturer, god fargegjengivelsesindeks over et bredt temperaturområde.	Gjennomsnittlig lysutbytte: 40-100 lm/W og levetid: opptil 15 000 timer for T8, 25 000 timer for T5, Dårlig motstand mot lave temperaturer – reduksjon i lysstrømmen, Tennsystem kreves. Løsninger for bruk av lysstoffrør ved lave temperaturer: Spesiell utforming (hus) av lysstoffrøret, hus av polymetylmetakrylat (PMMA), skjerm som danner et lag med lav varmeoverføringskoeffisient, temperaturøkning som støtter det kjemiske fenomenet gasskollisjonsionisering, økt lysutbytte ved bruk av kvikksølvdamp mellom elektrodene i røret.
Høytrykksnatriumlamper	Svært høy lyseffektivitet: 200 lm/W og lang levetid: opptil 30 000 timer, utmerket motstand mot negative og positive temperaturvariasjoner, svak nedgang i lysstrømmen over tid og utmerket kontrast.	Dårlig motstand mot lave temperaturer under antennelse, lang antenningstid ved negative omgivelsestemperaturer (opptil 5 minutter), problemer med gjenantennelse (ikke egnet for nødbelysning), lav fargegjengivelsesindeks Ra < 40.
Lavtrykksnatriumlamper	Svært høyt lysutbytte: 200 lm/W og god levetid: opptil 20 000 timer, utmerket motstand mot temperaturvariasjoner, svak nedgang i lysstrømmen under drift, mulighet for tenning ved svært lave temperaturer (ned til -50 °C).	Svært lang antenningstid (opptil 10 minutter ved lave temperaturer), problemer med gjenantennelse (ikke egnet for nødbelysning), svært lav fargegjengivelsesindeks Ra < 20.
Metallhalogenidlamper	God lyseffektivitet: 100 lm/W og god levetid: opptil 20 000 timer, utmerket motstand mot temperaturendringer, liten reduksjon i lysstrømmen under bruk, god fargegjengivelsesindeks Ra < 80.	Dårlig motstand mot lave temperaturer under tenning, lang tenningstid, spesielt ved lave temperaturer, problemer med gjenantenning, behov for spesielle tenningssystemer.
Induksjonslamper	Svært høyt lysutbytte: ca. 120 lm/W og lang levetid: 60 000 til 100 000 timer, utmerket motstand mot temperaturvariasjoner, lav lumenforringelse, god fargegjengivelsesindeks Ra > 80, rask oppstart og oppnåelse av nominelle driftsparametere.	Høye investeringskostnader, vanskelig tenning med høyfrekvent generator.
LED-kilder	Svært høyt lysutbytte: opptil 220 lm/W og lang levetid: 50 000 til 200 000 timer, utmerket bestandighet mot lave temperaturer, liten reduksjon i lysstrømmen under drift, god fargegjengivelsesindeks fra Ra = 70 til Ra = 90, mulighet for å kontrollere lysintensiteten fullt ut ved hjelp av ulike metoder.	Middels høye investeringskostnader, avhengig av produktets kvalitet, Forringelse av kontakten under drift ved høy temperatur, noe som kan forkorte levetiden, Behov for en spesiell strømforsyning med konstant spenning eller konstant strøm.

Lysrør er ikke egnet for lave temperaturer

På grunn av den kraftige reduksjonen i lysstrømmen ved lave temperaturer (som vist i figur 1), brukes ikke standard lysrør utendørs (klimasoner med temperaturer under null grader) og i fryserom.

LED-levetid i lampen (armatur) vs omgivelsestemperatur

Hvordan kan man forbedre ytelsen til LED-kilder under høye temperaturer?

For å optimalisere driftsforholdene til LED-belysning er effektiv varmespredning nøkkelen. Dette kan oppnås ved hjelp av et spesialdesignet hus og kjøleribber i søyler, som er mer effektive enn tidligere brukte metoder.

Materialet som brukes til kabinettet og den ekstra kjøleribben bør være laget av tett støpt aluminium, som gjør det mulig å lede bort overskuddsvarme raskt takket være den ensartede materialstrukturen. Kvaliteten på dette materialet kan bedømmes ut fra vekten – jo høyere vekt, desto bedre termiske egenskaper.

Merk: En økning av temperaturen ved LED-kontakten med 20 °C kan føre til en seksdobling av driftstiden for enheten ved nominell ytelse. Lysstyrken til LED-lampen synker med økende temperatur, noe som er tydelig i figur 2, som illustrerer nedbrytningen av forbindelsen som følge av økende temperatur. Dette reduserer LED-lampens levetid som lyskilde betraktelig.

Høye temperaturer inne i armaturen kan føre til skader på silikonlinsene og forårsake mekanisk ødeleggelse. Det er viktig å ta hensyn til ytre faktorer under installasjonen. Det er også viktig å unngå å plassere armaturene i nærheten av andre varmekilder som kan forstyrre eller forverre kjøleprosessen. Dette gjelder både naturlige varmekilder, som solstråling, og kunstige kilder, som f.eks. installasjoner som genererer høye temperaturer under produksjonsprosessen.

Måter å forbedre LED-lampenes levetid på

Den mest effektive måten å forbedre LED-lampenes levetid på, er å raskt lede bort varmen som genereres når lysdiodene tennes. Dette kan oppnås ved hjelp av et kretskort med et aluminiumslag, som har gode varmeledende egenskaper og leder bort varmen direkte fra den loddede lysdioden. Kretskortet består av en 1 til 3 mm tykk aluminiumsplate, dekket med et keramisk isolasjonslag, og på dette laget er det lagt strømkabler av kobber. Hele kretskortet er ofte kombinert med en ekstra kjøleribbe eller et hus med varmeledende pasta for å øke varmeavledningsflaten.

Når LED-lyskildens struktur, inkludert kretskortet, kjøleribben og strømforsyningen, er plassert i et lineært armaturhus og utsettes for store svingninger i innvendig og utvendig temperatur, er det viktig å bruke en spesiell dreneringsdrossel. Dreneringsspjeldet sørger for tilstrekkelig ventilasjon og utjevner trykket mellom det innvendige og utvendige miljøet, noe som forhindrer kondens. I tillegg beskytter den mot temperaturstigningen som kan oppstå som følge av intenst sollys inne i armaturen. Ved monteringspunktet for gjennomføringene brukes det spesielle plugger eller pakninger for å føre tilførselsledningene inn i armaturen.

Temperaturmotstand i forsyningssystemet

For å kunne produsere en effektiv lysstrøm fra de valgte lyskildene, er det nødvendig å velge riktig strømforsyningssystem for å sikre optimale elektriske og lysmessige resultater. Når det gjelder LED-kilder, er den største utfordringen ofte ballasten, som er det strømforsyningssystemet som påvirker armaturens totale feilrate. Levetiden til ballasten er kritisk og avgjør ofte hele armaturens levetid.

Et av de viktigste problemene i strømforsyningssystemer er at elektroniske komponenter, spesielt kondensatorer og kobberbaner, tåler høye temperaturer. Kondensatorer som tørker ut, noe som utgjør rundt 80 % av feilårsakene, fører til tap av riktig filtrering og energilagringsevne, noe som påvirker strømforsyningens ytelse. Valg av kondensatorer er ofte en avveining mellom kostnad og kvalitet, og i strømforsyninger er kondensatorer sammen med magnetiske komponenter vanligvis de dyreste komponentene.

Høye temperaturer inne i armaturen, som overskrider det maksimalt tillatte for strømforsyninger, og varmeoverføring fra lyskilden til strømforsyningen via kretskortet kan føre til elektrolyttfordampning fra kondensatorene. Langsiktig og problemfri drift av hele armaturen avhenger derfor av kvaliteten og holdbarheten til de elektroniske komponentene som brukes.

Effektivitet og holdbarhet for kraftsystemer og batterier ved ulike temperaturer

Ifølge Arrhenius-teorien fordobles levetiden til en aluminiumskondensator hver gang omgivelsestemperaturen synker med 10 °C. Å skille elektronikken fra kjøleribben kan gi bedre resultater enn å montere den i et integrert kabinett. For å øke effektiviteten bruker noen produsenter to eller tre strømforsyninger per lyskaster, noe som reduserer belastningen og overopphetingen av de interne komponentene, og dermed minimerer risikoen for nedbrytning og feil.

Batteriets temperaturbestandighet

For nødstrøm er kravet i henhold til brannvernstandarder og -forskrifter og bygningsloven å sørge for belysning innen 0,5 sekunder for høyrisikoområder, samt 50 % belysningsintensitet innen 5 sekunder og 100 % innen 60 sekunder for rømningsveier og panikkområder. Nødforsyningen implementeres ofte ved hjelp av:

batterimoduler med strømforsyning plassert inne i armaturene,
installasjon av reservestrømforsyning med sentralt 220V DC-batteri.

I begge tilfeller påvirkes levetiden til batterier, som kilder til lagret energi, i stor grad av temperaturen. Hver 10 °C økning i temperatur over de normative 20 °C forkorter levetiden til en battericelle med halvparten. Et batteri som er plassert inne i en armatur, og som som standard forventes å ha en levetid på fire år, vil bare fungere i henhold til sine parametere i seks måneder ved en omgivelsestemperatur på 50 °C. Et stasjonært batteri, som er beregnet for 10 år i henhold til EUROBAT-standardene, vil derimot ha en levetid på 5 år ved 30 °C. Det er også viktig å merke seg at batteriers levetid også påvirkes negativt av lave temperaturer.

Problemer med energieffektiviteten til batterier

Som følge av fysisk-kjemiske prosesser kan energien som er lagret i batteriene noen ganger ikke utnyttes fullt ut, noe som i tilfelle av defekte celler kan føre til manglende spenning til strømforsyningen og fullstendig mangel på belysning.

Plutselige temperaturendringer er også en viktig faktor som påvirker batteriets levetid. Hvor mye energi som kan hentes ut av et batteri, avhenger av temperaturen, slik at temperaturforskjeller mellom sommer og vinter kan redusere den tilgjengelige energien med opptil halvparten.

Når du tilpasser batteriets kapasitet til lyskildenes effekt, er det viktig å ta hensyn til dette forholdet. I noen tilfeller kan det være nødvendig å overdimensjonere batteriet for å sikre at det fungerer som det skal i en gitt installasjon.

I tillegg må man ta hensyn til risikoen for at batteriet underlades til full kapasitet og degraderer den interne strukturen. I slike situasjoner kan både batteriets kapasitet og effektivitet reduseres proporsjonalt, noe som påvirker effektiviteten og påliteligheten til hele nødstrømsystemet.

Betydningen av elektrokjemiske prosesser inne i batteriet

De kjemiske reaksjonene inne i battericellen kan gå saktere på grunn av økt indre motstand, noe som resulterer i en langsommere kjemisk reaksjon. Dette fenomenet er også viktig i forbindelse med andre lyskilder, for eksempel fotoluminescerende lamper, som kanskje ikke oppnår den forventede lysytelsen eller til og med slutter å lyse helt ved høyere strømforbruk.

Strømbrudd utgjør en alvorlig risiko, som kan føre til dyp utladning og skade på batteriet. Langvarige strømbrudd, som fører til ufullstendig ut- og opplading, er mindre skadelig for systemer med lengre driftstid, for eksempel 3 timer, enn for systemer med kortere driftstid, for eksempel 1,5 timer.

Den svakeste cellen avgjør tilstanden til hele batteripakken, så det er avgjørende å holde alle cellene i best mulig stand. Regelmessige manuelle eller automatiske tilstandskontroller gir en rask vurdering av tilstanden til hele batteripakken.

Når man lader ut et batteri, er det viktig å være oppmerksom på temperaturen som denne prosessen foregår ved, og utstyret som utfører denne oppgaven, bør være utstyrt med systemer for å regulere lade- og utladestrømmen. Til dette formålet brukes ofte referansehysteresekurver for å holde strømmen på riktig nivå og unngå å overskride den nominelle kapasiteten. Betegnelsen 1C står for den såkalte en-times-strømmen, som brukes til å bestemme ladehastigheten til et batteri. Ulike batterityper reagerer ulikt på temperatur; de kan være underladet, noe som reduserer ytelsen, eller overladet, noe som kan føre til farer, blant annet risiko for celleeksplosjon.