Vplyv teploty na životnosť LED v svietidlách

Grażyna Zawada

Vysoké teploty okolia spravidla znižujú účinnosť a životnosť svietidiel vrátane osvetlenia LED. Jednoducho povedané, znižuje životnosť LED diód, ale aj iných typov osvetlenia. Jej vplyv môže byť významný tak na svetelné zdroje (LED), ako aj na batérie, ktoré napájajú núdzové systémy. Teplotné zmeny sú rovnako deštruktívne a môžu viesť k rýchlejšej degradácii komponentov, zníženiu svetelnej účinnosti a skráteniu životnosti LED svietidiel. Čo treba zvážiť pri výbere svietidla do náročných teplotných podmienok?

Ako znižujeme vplyv teploty na naše LED diódy

Negatívne vplyvy teploty na LED diódy, ich celé moduly a tiež batérie v núdzových svietidlách sa najčastejšie eliminujú prostredníctvom konštrukčných riešení. Druhým riešením je optimálny výber elektronických komponentov a ich prevádzkových parametrov. Toto riešenie sme uplatnili napríklad v svietidle OptiLIne, ktoré je určené na inštaláciu vo výbušných priestoroch v širokom teplotnom rozsahu -40…+50 oC. Dôležité je, že možnosť použitia nášho LED osvetlenia v takomto širokom teplotnom rozsahu potvrdili interné testy aj séria testov v akreditovanom laboratóriu. Tie spočívali v analýze výkonu zariadenia počas dlhodobého zahrievania.

Životnosť LED v lampe (svietidle) v závislosti od teploty okolia

Svietidlo OptiLine je určené do náročných a veľmi náročných podmienok, čo v praxi znamená trvalé alebo časté vystavenie vlhkosti, chemickým látkam, prachu, UV žiareniu, ako aj mechanickému poškodeniu. Takéto špecifiká prevádzky si vyžiadali použitie robustného, hrubostenného telesa pre naše LED svietidlo. Toto riešenie plní aj úlohu tepelnej izolácie, ktorá chráni svietidlo pred nadmerným zahrievaním v dôsledku vonkajších vplyvov (slnečné žiarenie, horúce povrchy atď.) a zároveň obmedzuje vyžarovanie tepla generovaného elektronickými komponentmi vo vnútri. Preto naše oddelenie výskumu a vývoja navrhlo svietidlá tak, aby sa minimalizovalo zahrievanie elektronických komponentov vrátane LED modemov a napájacieho zdroja.

To bolo možné dosiahnuť zvýšením účinnosti svietivosti modulov LOW/MID Power LED prostredníctvom špecifickej polarizácie LED diód pri súčasnom nastavení napájania na prevádzku pod jeho menovitými parametrami. V dôsledku toho sme výrazne znížili množstvo vyprodukovaného tepla a zvýšili sme aj životnosť elektronických komponentov vrátane životnosti LED diód.

Umiestnenie osvetlenia a rozsahy prevádzkových teplôt

Vzhľadom na pracoviská, ktoré používajú umelé osvetlenie, je potrebné vyvíjať výrobky, ktoré sú čoraz viac prispôsobené konkrétnemu prostrediu a klíme, v ktorej sa používajú. V tejto súvislosti možno rozlíšiť dve hlavné skupiny faktorov, pričom kľúčový význam má teplota okolia:

umiestnenie v rámci lokality,
geografická poloha na Zemi.

Klimatické pásmo	Priemerná ročná teplota vzduchu.	Teplotné amplitúdy
Rovníková	Nad 20 °C	5-10 °C (ročný priemer) do 10°C (denne)
Tropické	Nad 20 °C	10°C (ročný priemer) do 40-50 °C (denný priemer)
Subtropický	10-20°C	10-15 °C (ročný priemer) do ^50oC(denne)
Mierne	0-10°C	25-35 °C (ročný priemer) do ^30oC(denne)
Circumpolar	Pod 0 °C	do 80 °C (ročný priemer)

Vplyv prevádzkovej teploty na životnosť LED a iných zdrojov svetla

Typické miesta, kde je teplota pre svietidlá rozhodujúca:

výrobné zariadenia, najmä procesy generujúce teplo (kotly a pece, reaktory, mlyny, tesniace zariadenia, preprava horúcich médií atď.),
vonkajšie priestory, najmä tie, ktoré sú vystavené priamemu slnku,
priemyselné haly a sklady, najmä montáž strechy,,
mrazivé,
podzemné banské zariadenia.

Na obrázku 1 je znázornená klasifikácia elektrických zdrojov svetla podľa spôsobu ich výroby. Medzi najčastejšie používané zdroje svetla v priemysle patria:

žiarovky,
žiarivky,
sodíkové výbojky,
halogenidové výbojky,
indukčné lampy,
LED žiarovky.

Svetelné zdroje s parami ortuti boli vzhľadom na svoju škodlivosť stiahnuté z výroby a nie sú zahrnuté do ďalšej analýzy. Naproti tomu žiarivky, ktoré boli stiahnuté z predaja v EÚ, sa stále používajú v mnohých častiach sveta a v Európe.

Každý zdroj svetla sa vyznačuje špecifickými fyzikálnymi parametrami, ktoré vyplývajú z použitej technológie. Znalosť týchto parametrov a teplotných podmienok umožňuje posúdiť, či vybraný svetelný zdroj bude pracovať efektívne, či nedôjde k jeho predčasnej degradácii a či je jeho prevádzka ekonomicky opodstatnená.

Aby sme mohli posúdiť, ktorý zdroj svetla najlepšie vyhovuje našim potrebám, uvádzame ich výhody a nevýhody.

Zdroj svetla	Výhody	Nevýhody
Konvenčná (vákuová, plynová) / halogénová žiarovka	Výnimočná odolnosť voči zmenám teploty, efektívna prevádzka v zápornom až kladnom teplotnom rozsahu, vynikajúci index podania farieb pri rôznych teplotách okolia.	Nízka svetelná účinnosť: 15 lm/W pre žiarovku, až 35 lm/W pre halogén, krátka životnosť: 1 000 hodín pre žiarovku, 3 000 hodín pre halogén, vysoká prevádzková teplota vlákna (2 500 °C), žiarovka približne 80-150 °C.
Lineárne / kompaktné žiarivky	Vysoká odolnosť voči zmenám teploty v kladnom rozsahu Prijateľná prevádzka pri kladných teplotách, Dobrý index podania farieb v širokom rozsahu teplôt.	Priemerná svetelná účinnosť: 40-100 lm/W a životnosť: až 15 000 hodín pre T8, 25 000 hodín pre T5, slabá odolnosť voči nízkym teplotám – zníženie svetelného toku, potrebný zapaľovací systém. Riešenia na použitie žiariviek pri nízkych teplotách: Špeciálna konštrukcia (puzdro) žiarivky, puzdro z polymetylmetakrylátu (PMMA), tienenie tvoriace vrstvu s nízkym koeficientom prestupu tepla, zvýšenie teploty, ktoré podporuje chemický jav ionizácie pri zrážke plynov, zvýšenie svetelnej účinnosti použitím ortuťových pár medzi elektródami v trubici.
Vysokotlakové sodíkové výbojky	Veľmi vysoká svetelná účinnosť: 200 lm/W a dlhá životnosť: až 30 000 h, vynikajúca odolnosť voči negatívnym a pozitívnym teplotným zmenám, mierny pokles svetelného toku v priebehu času a vynikajúci kontrast.	Slabá odolnosť voči nízkym teplotám pri zapálení, dlhý čas zapálenia pri záporných teplotách okolia (až 5 minút), problémy s opätovným zapálením (nevhodné na núdzové osvetlenie), nízky index podania farieb Ra < 40.
Nízkotlakové sodíkové výbojky	Veľmi vysoká svetelná účinnosť: 200 lm/W a dobrá životnosť: až 20 000 h, vynikajúca odolnosť voči teplotným zmenám, mierny pokles svetelného toku počas prevádzky, možnosť zapálenia pri veľmi nízkych teplotách (do -50 °C).	Veľmi dlhý čas vznietenia (až 10 minút pri nízkych teplotách), problémy s opätovným vznietením (nevhodné na núdzové osvetlenie), veľmi nízky index podania farieb Ra < 20.
halogenidové výbojky	Dobrá svetelná účinnosť: 100 lm/W a dobrá životnosť: až 20 000 h, vynikajúca odolnosť voči zmenám teploty, mierny pokles svetelného toku počas používania, dobrý index podania farieb Ra < 80.	Slabá odolnosť voči nízkym teplotám počas zapaľovania, dlhý čas zapaľovania, najmä pri nízkych teplotách, problémy s opätovným zapaľovaním, potreba špeciálneho zapaľovacieho systému.
Indukčné lampy	Veľmi vysoká svetelná účinnosť: cca 120 lm/W a dlhá životnosť: 60 000 až 100 000 h, vynikajúca odolnosť voči teplotným zmenám, nízka strata svietivosti, dobrý index podania farieb Ra > 80, rýchle uvedenie do prevádzky a dosiahnutie nominálnych prevádzkových parametrov.	Vysoké investičné náklady, náročné zapaľovanie pomocou vysokofrekvenčného generátora.
LED zdroje	Veľmi vysoká svetelná účinnosť: až 220 lm/W a dlhá životnosť: 50 000 až 200 000 h, vynikajúca odolnosť voči nízkym teplotám, mierny pokles svetelného toku počas prevádzky, dobrý index podania farieb od Ra = 70 do Ra = 90, možnosť plne regulovať intenzitu svetla rôznymi metódami.	Stredne vysoké investičné náklady v závislosti od kvality výrobku, Degradácia konektora počas prevádzky pri vysokých teplotách, ktorá môže skrátiť životnosť, Potreba špeciálneho napájania konštantným napätím alebo konštantným prúdom.

Žiarivky nie sú vhodné pre nízke teploty

Z dôvodu silného poklesu svetelného toku pri nízkych teplotách (ako je znázornené na obrázku 1) sa štandardné žiarivky nepoužívajú vo vonkajšom prostredí (klimatické zóny s teplotami pod bodom mrazu) a v mraziacich zariadeniach.

Ako zlepšiť výkon LED zdrojov v podmienkach vysokej teploty?

Na optimalizáciu prevádzkových podmienok osvetlenia LED je kľúčový účinný odvod tepla. To sa dá dosiahnuť použitím špeciálne navrhnutého krytu a stĺpových chladičov, ktoré sú účinnejšie ako doteraz používané metódy.

Materiál použitý na kryt a prídavný chladič by mal byť vyrobený z hustého hliníkového odliatku, ktorý vďaka rovnomernej štruktúre materiálu umožňuje rýchly odvod prebytočného tepla. Kvalitu tohto materiálu možno posúdiť podľa jeho hmotnosti – čím väčšia hmotnosť, tým lepšie tepelné vlastnosti.

Poznámka: Zvýšenie teploty na konektore LED o 20 °C môže viesť k šesťnásobnému skráteniu prevádzkového času zariadenia pri nominálnom výkone. Svietivosť LED klesá so zvyšujúcou sa teplotou, ako je jasne vidieť na obrázku 2, ktorý ilustruje degradáciu spoja v dôsledku zvyšujúcej sa teploty. Tým sa výrazne znižuje životnosť LED ako zdroja svetla.

Vysoké teploty vo vnútri svietidla môžu viesť k poškodeniu silikónových šošoviek a spôsobiť ich mechanické zničenie. Pri inštalácii je dôležité zohľadniť vplyv vonkajších faktorov. Je tiež dôležité vyhnúť sa umiestneniu svietidiel v blízkosti ďalších zdrojov tepla, ktoré by mohli narušiť alebo zhoršiť proces chladenia. Patria sem prirodzené zdroje tepla, napríklad slnečné žiarenie, aj umelé zdroje, napríklad zariadenia, ktoré počas výrobného procesu vytvárajú vysoké teploty.

Spôsoby zlepšenia životnosti LED diód

Najúčinnejším spôsobom, ako zvýšiť životnosť LED, je rýchlo odvádzať teplo vznikajúce pri svietení LED. To sa dá dosiahnuť použitím dosky plošných spojov s hliníkovou vrstvou, ktorá má dobré tepelne vodivé vlastnosti a priamo odvádza teplo zo spájkovanej LED. DPS pozostáva z hliníkovej dosky s hrúbkou 1 až 3 mm, pokrytej keramickou izolačnou vrstvou, na ktorej sú umiestnené medené napájacie cesty. Celá doska sa často kombinuje s dodatočným chladičom alebo puzdrom s použitím tepelne vodivej pasty, aby sa zväčšila plocha odvádzania tepla.

Ak je štruktúra svetelného zdroja LED vrátane dosky plošných spojov, chladiča a napájacieho zdroja umiestnená v lineárnom kryte svietidla, ktorý je vystavený veľkým výkyvom vnútorných a vonkajších teplôt, je dôležité použiť špeciálnu odvodňovaciu tlmivku. Táto tlmivka zabezpečuje primerané vetranie a vyrovnáva tlak medzi vnútorným a vonkajším prostredím, čo zabraňuje kondenzácii. Okrem toho chráni pred zvýšením teploty, ku ktorému môže dôjsť v dôsledku intenzívneho slnečného žiarenia vo vnútri svietidla. V mieste inštalácie vývodky sa na zavedenie prívodných vedení do svietidla používajú špeciálne zátky alebo vývodky.

Teplotná odolnosť napájacieho systému

Aby bolo možné efektívne produkovať svetelný tok z vybraných svetelných zdrojov, je potrebné správne vybrať systémy napájania, aby sa zabezpečili optimálne elektrické a svetelné výsledky. V prípade LED zdrojov je často najväčším problémom predradník, teda systém napájania, ktorý ovplyvňuje celkovú poruchovosť svietidla. Jeho životnosť je kritická a často určuje životnosť celého svietidla.

Jedným z kľúčových problémov v systémoch napájania je odolnosť elektronických komponentov, najmä kondenzátorov a medených ciest, voči vysokým teplotám. Vysychanie kondenzátorov, ktoré predstavuje približne 80 % príčin porúch, vedie k strate správnej filtrácie a schopnosti ukladať energiu, čo ovplyvňuje výkonnosť napájacieho zdroja. Výber kondenzátora je často kompromisom medzi cenou a kvalitou a v napájacích zdrojoch sú kondenzátory spolu s magnetickými komponentmi zvyčajne najdrahšími komponentmi.

Vysoké teploty vo vnútri svietidla, ktoré presahujú maximálne povolené hodnoty pre napájacie zdroje, a prenos tepla zo zdroja svetla do napájacieho zdroja cez dosku plošných spojov môžu viesť k odparovaniu elektrolytu z kondenzátorov. Dlhodobá a bezproblémová prevádzka celého svietidla preto závisí od kvality a životnosti použitých elektronických komponentov.

Účinnosť a životnosť energetických systémov a batérií pri rôznych teplotách

Podľa Arrheniovej teórie sa životnosť hliníkového kondenzátora zdvojnásobí vždy, keď teplota okolia klesne o 10 °C. Oddelenie elektroniky od chladiča môže priniesť lepšie výsledky ako montáž v integrovanom kryte. Niektorí výrobcovia v snahe zvýšiť účinnosť používajú dva alebo tri napájacie zdroje na jednu svetelnú súpravu, čo znižuje zaťaženie a znižuje prehrievanie vnútorných komponentov, čím sa minimalizuje riziko degradácie a poruchy.

Teplotná odolnosť batérie

V prípade núdzového napájania sa podľa noriem a predpisov požiarnej ochrany a stavebného zákona vyžaduje, aby sa v prípade priestorov s vysokým rizikom zabezpečilo osvetlenie do 0,5 sekundy, ako aj 50 % intenzita osvetlenia do 5 sekúnd a 100 % intenzita osvetlenia do 60 sekúnd v prípade únikových ciest a panikových priestorov. Núdzové zásobovanie sa často realizuje prostredníctvom:

batériové moduly s napájaním umiestnené vo vnútri svietidiel,
inštalácia záložného napájania s centrálnou batériou 220 V DC.

V oboch prípadoch je životnosť batérií ako zdrojov uskladnenej energie výrazne ovplyvnená teplotou. Každé zvýšenie teploty o 10 °C nad normovanú teplotu 20 °C skracuje životnosť článku batérie o polovicu. Batéria umiestnená vo svietidle, ktorej životnosť sa štandardne predpokladá na štyri roky, bude pri teplote okolia 50 °C fungovať v súlade so špecifikáciami len šesť mesiacov. Naproti tomu stacionárna batéria, ktorá je podľa noriem EUROBAT určená na 10 rokov, bude pri teplote 30 °C vykazovať životnosť 5 rokov. Je tiež dôležité poznamenať, že životnosť batérií negatívne ovplyvňujú aj nízke teploty.

Problémy s energetickou účinnosťou batérií

V dôsledku fyzikálno-chemických procesov sa energia uložená v batériách niekedy nedá úplne využiť, čo v prípade poškodených článkov môže viesť k nedostatočnému napájaniu a úplnému výpadku osvetlenia.

Dôležitým faktorom ovplyvňujúcim životnosť batérie sú aj náhle zmeny teploty. Množstvo energie, ktoré možno z batérie získať, závisí od jej teploty, takže teplotné rozdiely medzi letom a zimou môžu znížiť dostupnú energiu až o polovicu.

Pri prispôsobovaní kapacity batérie výkonu svetelných zdrojov je dôležité zohľadniť tento vzťah. V niektorých prípadoch môže byť potrebné predimenzovať batériu, aby sa zabezpečila jej správna funkčnosť v danej inštalácii.

Okrem toho treba brať do úvahy riziko nedostatočného nabitia batérie na plnú kapacitu a degradácie jej vnútornej štruktúry. V takýchto situáciách sa môže úmerne znížiť kapacita aj účinnosť batérie, čo ovplyvní účinnosť a spoľahlivosť celého systému núdzového napájania.

Význam elektrochemických procesov vo vnútri batérie

Chemické reakcie vo vnútri článku batérie sa môžu spomaliť v dôsledku zvýšenia vnútorného odporu, čo vedie k pomalšej chemickej reakcii. Tento jav je dôležitý aj v súvislosti s inými zdrojmi svetla, ako sú fotoluminiscenčné žiarovky, ktoré pri vyššom odbere prúdu nemusia dosahovať očakávaný svetelný výkon alebo dokonca úplne prestanú svietiť.

Prerušenie napájania predstavuje vážne riziko, ktoré môže viesť k hlbokému vybitiu a poškodeniu batérie. Dlhodobé prerušenia napájania, ktoré vedú k neúplnému vybitiu a nabitiu, sú menej škodlivé pre systémy s dlhším prevádzkovým časom, napríklad 3 hodiny, ako pre systémy s kratším časom, napríklad 1,5 hodiny.

Najslabší článok určuje stav celej batérie, preto je veľmi dôležité udržiavať všetky články v čo najlepšom stave. Pravidelné manuálne alebo automatické kontroly stavu umožňujú rýchle posúdenie stavu celého akumulátora.

Pri vybíjaní batérie je dôležité dbať na teplotu, pri ktorej tento proces prebieha, a zariadenie vykonávajúce túto úlohu by malo byť vybavené systémami na reguláciu nabíjacieho a vybíjacieho prúdu. Na tento účel sa často používajú referenčné hysterézne krivky, ktoré pomáhajú udržiavať prúd na správnej úrovni a zabrániť prekročeniu menovitej kapacity. Označenie 1C znamená tzv. jednohodinový prúd, ktorý sa používa na určenie rýchlosti nabíjania batérie. Rôzne typy batérií reagujú na teplotu rôzne; môžu byť nedostatočne nabité, čo znižuje ich výkon, alebo preťažené, čo môže viesť k nebezpečenstvu vrátane rizika výbuchu článku.