Sıcaklık LED armatürlerin uzun ömürlülüğünü nasıl etkiler?

Kural olarak, yüksek ortam sıcaklığı LED armatürler de dahil olmak üzere aydınlatma armatürlerinin verimliliğini ve dayanıklılığını azaltır. Bunun etkisi hem ışık kaynakları hem de acil durum sistemlerine güç sağlayan bataryalar üzerinde önemli olabilir. Bileşenlerin daha hızlı bozulmasına, ışık çıkışının azalmasına ve aydınlatma armatürlerinin çalışma ömrünün kısalmasına yol açabilen sıcaklık dalgalanmaları da aynı derecede yıkıcıdır. İşte zorlu sıcaklık koşulları için armatür seçerken dikkat edilmesi gerekenler.

Sıcaklığın LED armatürler üzerindeki etkisi nasıl en aza indirilir?

Sıcaklığın LED modülleri ve acil durum armatürlerinde kullanılan bataryalar üzerindeki olumsuz etkisi tipik olarak tasarım çözümleriyle azaltılır. Diğer bir yaklaşım ise elektronik bileşenlerin ve bunların çalışma parametrelerinin optimum şekilde seçilmesidir. Örneğin, bu çözümü -40…^+50oCgibi geniş bir sıcaklık aralığında patlama tehlikesi olan bölgelere kurulum için tasarlanan OptiLine armatüründe uyguladık. Daha da önemlisi, armatürün bu kadar geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabilmesi, şirket içi araştırmaların yanı sıra akredite bir laboratuvarda yapılan bir dizi testle de teyit edildi. Bu testler, uzun süreli ısıtma sırasında cihazın çalışma parametrelerinin analiz edilmesini içeriyordu.

OptiLine armatürü, pratikte neme, kimyasal faktörlere, toza, UV ışınlarına ve mekanik hasara sürekli veya sık sık maruz kalma anlamına gelen zorlu ve çok zorlu koşullara adanmıştır. Bu tür çalışma koşulları sağlam, kalın duvarlı bir gövdenin kullanılmasını gerektirmiştir. Bu çözüm aynı zamanda ısı yalıtımı görevi görerek armatürü dış etkenlerden (güneş ışığı, sıcak yüzeyler vb.) kaynaklanan aşırı ısınmadan korurken dahili elektronik bileşenlerin ürettiği ısı emisyonunu sınırlandırır. Bu nedenle, Ar-Ge departmanımız armatürün çalışma noktasını LED modülleri ve güç kaynağı dahil olmak üzere elektronik bileşenlerin ısınmasını en aza indirecek şekilde tasarlamıştır.

Bu, güç kaynağı çalışmasını nominal parametrelerin altına ayarlarken belirli LED diyot polarizasyonu yoluyla DÜŞÜK / ORTA Güçlü LED modüllerinin aydınlatma verimliliğini artırarak elde edildi. Sonuç olarak, üretilen ısı miktarını önemli ölçüde azalttık ve söz konusu LED modülleri de dahil olmak üzere elektronik bileşenlerin ömrünü uzattık.

Armatürün konumu ve çalışma sıcaklığı

Yapay aydınlatma kullanan işyerleri düşünüldüğünde, kullanıldıkları özel ortama ve iklime giderek daha iyi uyum sağlayan ürünler yaratma ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu bağlamda, ortam sıcaklığının kilit bir rol oynadığı iki ana faktör grubu ayırt edilebilir:

• tesis içindeki konumu,
• coğrafi konum

İklim bölgesi	Yıllık ortalama hava sıcaklığı	Sıcaklık genlikleri
Ekvatoral	20°C’nin üzerinde	5-10°C (yıllık ortalama) 10°C’ye kadar (günlük)
Tropikal	20°C’nin üzerinde	10°C (yıllık ortalama) 40-50°C’ye kadar (günlük)
Subtropikal	10-20°C	10-15°C (yıllık ortalama) 50oC‘ye kadar (günlük)
Ilıman	0-10°C	25-35°C (yıllık ortalama) 30oC‘ye kadar (günlük)
Polar	0°C’nin altında	80°C’ye kadar (yıllık ortalama)

Çalışma sıcaklığının aydınlatma armatürü seçimi üzerindeki etkisi

Aydınlatma armatürleri için sıcaklığın çok önemli olduğu tipik yerler:

• üretim tesisleri, özellikle ısı yayan prosesler (kazanlar ve fırınlar, reaktörler, değirmenler, kaynak ekipmanları, sıcak ortam taşıma, vb,)
• Özellikle doğrudan güneş ışığına maruz kalan dış mekanlar,
• endüstriyel ve depo salonları, özellikle çatı kurulumları,
• soğuk depolama tesisleri,
• yeraltı madencilik tesisleri.

Şekil 1’de elektrikli ışık kaynaklarının üretim yöntemlerine göre sınıflandırılması gösterilmektedir. Endüstride en yaygın kullanılan ışık kaynakları arasında şunlar yer almaktadır:

• akkor ampuller,
• floresan tüpler,
• sodyum lambalar,
• metal halide lambalar,
• indüksiyon lambaları,
• LED lambalar.

Cıvalı ışık kaynakları, zararlı olmaları nedeniyle üretimden kaldırılmıştır ve daha sonraki analizlerde dikkate alınmamıştır. Öte yandan, AB’de satıştan çekilen floresan lambalar, Avrupa dahil olmak üzere dünyanın birçok yerinde hala kullanılmaktadır.

Her ışık kaynağı, kullanılan teknolojiden kaynaklanan belirli fiziksel parametrelerle karakterize edilir. Bu parametrelerin ve sıcaklık koşullarının bilinmesi, seçilen ışık kaynağının verimli çalışıp çalışmayacağının, erken bozulmadan kaçınılıp kaçınılmayacağının ve kullanım için ekonomik olarak gerekçelendirilip gerekçelendirilmeyeceğinin değerlendirilmesine olanak tanır.

Hangi ışık kaynağının ihtiyaçlarımızı en iyi şekilde karşıladığını değerlendirmek için aşağıda avantaj ve dezavantajlarını sunuyoruz.

Işık kaynağı	Avantajlar	Dezavantajlar
Geleneksel ampul (vakum, gaz) / Halojen	Sıcaklık değişimlerine karşı olağanüstü direnç, Negatiften pozitife kadar bir dizi sıcaklıkta verimli çalışma, Çeşitli ortam sıcaklıklarında mükemmel renk oluşturma.	Düşük ışık verimliliği: Akkor için 15 lm/W, halojen için 35 lm/W’a kadar, Kısa kullanım ömrü: Akkor için 1000 saat, halojen için 3000 saat, Yüksek filaman çalışma sıcaklığı (2500°C), ampul 80-150°C civarında.
Lineer / Kompakt floresan lamba	Pozitif değerler içinde sıcaklık değişimlerine karşı yüksek direnç, Pozitif sıcaklıklarda kabul edilebilir açma-kapama işlemi, Geniş bir sıcaklık aralığında iyi renk sunumu.	Orta düzeyde ışık verimliliği: 40-100 lm/W ve kullanım ömrü: T8 için 15.000 saate kadar, T5 için 25.000 saat, Düşük sıcaklıklara karşı zayıf direnç – ışık çıkışında azalma, Ateşleme sistemi gerektirir. Düşük sıcaklıklarda floresan lambaları kullanmak için çözümler: Floresan tüpün özel tasarımı (muhafazası), Polimetil metakrilattan (PMMA) yapılmış muhafaza, Düşük ısı iletkenliğine sahip bir katman oluşturan kalkan, Gazın kimyasal iyonizasyonunu desteklemek için sıcaklığı arttırmak, Tüpteki elektrotlar arasında cıva buharı kullanılarak ışık verimliliğini arttırmak.
Yüksek basınçlı sodyum lambalar	Çok yüksek ışık verimliliği: 200 lm/W ve uzun kullanım ömrü: 30.000 saate kadar, Hem negatif hem de pozitif aralıklarda sıcaklık değişimlerine karşı mükemmel direnç, Zaman içinde minimum ışık çıkışı düşüşü ve mükemmel kontrast.	Ateşleme sırasında düşük sıcaklıklara karşı zayıf direnç, Negatif ortam sıcaklıklarında uzun ateşleme süresi (5 dakikaya kadar), Yeniden ateşleme ile ilgili sorunlar (acil durum aydınlatması için uygun değildir), Düşük renksel geriverim indeksi Ra < 40.
Düşük basınçlı sodyum lambalar	Çok yüksek ışık verimliliği: 200 lm/W ve iyi kullanım ömrü: 20.000 saate kadar, Sıcaklık değişimlerine karşı mükemmel direnç, Çalışma sırasında minimum ışık çıkışı düşüşü, Çok düşük sıcaklıklarda (-50°C’ye kadar) ateşleme mümkündür.	Çok uzun tutuşma süresi (düşük sıcaklıklarda 10 dakikaya kadar), Yeniden tutuşma ile ilgili sorunlar (acil durum aydınlatması için uygun değildir), Çok düşük renksel geriverim indeksi Ra < 20.
Metal halide lambalar	İyi ışık verimliliği: 100 lm/W ve iyi kullanım ömrü: 20.000 saate kadar, Sıcaklık değişimlerine karşı mükemmel direnç, Kullanım sırasında minimum ışık çıkışı düşüşü, İyi renksel geriverim indeksi Ra < 80.	Ateşleme sırasında düşük sıcaklıklara karşı zayıf direnç, Özellikle düşük sıcaklıklarda uzun ateşleme süresi, Yeniden ateşleme ile ilgili sorunlar, Özel bir ateşleme sistemi gerektirir.
İndüksiyon lambaları	Çok yüksek ışık verimliliği: yaklaşık 120 lm/W ve uzun kullanım ömrü: 60.000 ila 100.000 saat, Sıcaklık değişimlerine karşı mükemmel direnç, Minimum ışık çıkışı düşüşü, İyi renksel geriverim indeksi Ra > 80, Hızlı başlatma ve nominal çalışma parametrelerine ulaşma.	Yüksek yatırım maliyeti, Yüksek frekanslı jeneratör kullanarak zor ateşleme.
LED kaynakları	Çok yüksek ışık verimliliği: 220 lm/W’a kadar ve uzun kullanım ömrü: 50.000 ila 200.000 saat, Düşük sıcaklıklara karşı mükemmel direnç, Çalışma sırasında minimum ışık çıkışı düşüşü, Ra = 70 ila Ra = 90 arasında değişen iyi renksel geriverim indeksi, Çeşitli yöntemler kullanılarak ışık yoğunluğunun tam kontrolü.	Orta derecede yüksek yatırım maliyeti, ürün kalitesine bağlıdır, Yüksek sıcaklıklarda çalışma sırasında jonksiyonun bozulması, kullanım ömrünü kısaltabilir, Özel bir sabit voltaj veya sabit akım güç kaynağı gerektirir.

Floresan lambalar: düşük sıcaklıklar için değil

Düşük sıcaklıklarda ışık çıkışındaki önemli düşüş nedeniyle (Şekil 1’de gösterildiği gibi), standart floresan lambalar dış mekanlarda (negatif sıcaklıkların meydana geldiği iklim bölgelerinde) veya soğuk hava depolarında kullanılmaz.

Yüksek sıcaklıkta LED performansı nasıl iyileştirilir?

Bir LED ışık kaynağının çalışma koşullarını optimize etmek için etkili ısı dağıtımı çok önemlidir. Bu, daha önce kullanılan yöntemlerden daha verimli olan özel olarak tasarlanmış muhafaza ve pim radyatörleri kullanılarak elde edilebilir.

Muhafaza ve ek radyatör için kullanılan malzeme, tek tip malzeme yapısı sayesinde hızlı ısı dağılımına izin veren yoğun dökme alüminyumdan yapılmalıdır. Bu malzemenin kalitesi ağırlığına göre değerlendirilebilir – ne kadar ağır olursa termal özellikler o kadar iyi olur.

Not: LED’in bağlantı sıcaklığındaki 20°C’lik bir artış, nominal parametreler altında cihazın çalışma süresinde altı kat azalmaya yol açabilir. LED parlaklığı, Şekil 2’de açıkça gösterildiği gibi artan sıcaklıkla birlikte azalır ve sıcaklık artışına bağlı bağlantı bozulmasını gösterir. Bu, ışık kaynağının ömrünü önemli ölçüde sınırlar.

Aydınlatma armatürünün içindeki yüksek sıcaklıklar silikon lenslere zarar vererek mekanik olarak tahrip olmalarına neden olabilir. Kurulum sırasında dış faktörlerin etkisini göz önünde bulundurmak önemlidir. Armatürler, soğutma sürecini bozabilecek veya yoğunlaştırabilecek ek ısı kaynaklarından da uzak tutulmalıdır. Bu, hem güneş ışığı gibi doğal ısı kaynakları hem de üretim süreçleri sırasında yüksek sıcaklıklar üreten tesisler gibi yapay ısı kaynakları için geçerlidir.

Bir LED ışık kaynağının performansını artırmanın en etkili yolu, diyot çalışması sırasında oluşan ısıyı hızla dağıtmaktır. Bu, iyi bir termal iletkenliğe sahip olan ve lehimli LED’den gelen ısıyı doğrudan dağıtan alüminyum tabakalı bir PCB kullanılarak gerçekleştirilebilir. PCB, üzerine bakır güç izlerinin yerleştirildiği seramik bir yalıtım tabakası ile kaplı 1 ila 3 mm kalınlığında bir alüminyum plakadan oluşur. Tüm montaj genellikle ısı dağıtımı için yüzey alanını artıran termal macun kullanılarak ek bir radyatöre veya muhafazaya bağlanır.

LED ışık kaynağının PCB, radyatör ve güç kaynağı ile birlikte lineer bir armatürün içine yerleştirildiği ve önemli iç ve dış sıcaklık dalgalanmalarına maruz kaldığı durumlarda, özel bir havalandırma tapası kullanmak çok önemli hale gelir. Bu tapa uygun havalandırmayı sağlar ve iç ve dış ortam arasındaki basıncı eşitleyerek yoğuşmayı önler. Ayrıca, armatürün içini ısıtan yoğun güneş ışığı nedeniyle oluşabilecek sıcaklık artışlarına karşı koruma sağlar. Bu havalandırma tapalarının montaj noktalarında güç kablolarını armatürün içine sokmak için özel kapaklar veya tapalar kullanılır.

Güç kaynağı sisteminin sıcaklık direnci

Seçilen ışık kaynaklarından etkili bir şekilde ışık çıkışı elde etmek için, optimum elektrik ve aydınlatma sonuçları sağlayan güç kaynağı sistemlerini uygun şekilde seçmek gerekir. LED kaynakları söz konusu olduğunda, en büyük zorluk genellikle armatürün genel güvenilirliğini etkileyen balast veya güç kaynağı sistemidir. Balastın ömrü kritiktir ve genellikle tüm armatürün uzun ömürlülüğünü belirler.

Güç kaynağı sistemlerindeki en önemli sorunlardan biri, elektronik bileşenlerin, özellikle de kapasitörlerin ve bakır hatların yüksek sıcaklıklara karşı direncidir. Arızaların yaklaşık %80’ini oluşturan kapasitör kuruması, uygun filtreleme ve enerji depolama kapasitesinin kaybına yol açarak güç kaynağının çalışmasını etkiler. Kondansatör seçimi genellikle maliyet ve kalite arasında bir uzlaşmayı içerir ve güç kaynakları söz konusu olduğunda, manyetik bileşenlerle birlikte kondansatörler tipik olarak en pahalı bileşenlerdir.

Armatürün içinde güç kaynakları için izin verilen maksimum değerleri aşan yüksek sıcaklıklar ve ısının ışık kaynağından PCB aracılığıyla güç kaynağı sistemine aktarılması, elektrolitin kapasitörlerden buharlaşmasına yol açabilir. Bu nedenle tüm armatürün uzun vadeli ve güvenilir çalışması, kullanılan elektronik bileşenlerin kalitesine ve dayanıklılığına bağlıdır.

Güç kaynağı sistemlerinin ve bataryaların çeşitli sıcaklıklarda verimliliği ve dayanıklılığı

Arrhenius teorisine göre, ortam sıcaklığı her 10°C düştüğünde bir alüminyum kapasitörün ömrü iki katına çıkar. Elektronik sistemi radyatörden ayırmak, entegre bir muhafaza içine monte etmekten daha iyi sonuçlar verebilir. Verimliliği artırmayı amaçlayan bazı üreticiler, tek bir aydınlatma ünitesi için iki veya üç güç kaynağı kullanır; bu da dahili bileşenlerin yükünü ve aşırı ısınmasını azaltarak bozulma ve arıza riskini en aza indirir.

Akü sıcaklık direnci

Acil durum güç kaynağı için, yangından korunma yönetmeliklerine ve bina kodlarına uygun olarak, yüksek riskli alanlar için 0,5 saniye içinde aydınlatmanın yanı sıra kaçış yolları ve panik önleyici bölgeler için 5 saniye içinde %50 ve 60 saniye içinde %100 aydınlatma yoğunluğu sağlanması gerekir. Acil durum güç kaynağı genellikle aşağıdakiler aracılığıyla gerçekleştirilir:

• Armatürün içine yerleştirilmiş bir güç kaynağı ünitesi ile pil modülleri,
• Merkezi 220V DC akü ile yedek güç kurulumu.

Her iki durumda da, enerji depolama kaynakları olarak bataryaların ömrü sıcaklıktan büyük ölçüde etkilenmektedir. Normatif 20°C’nin üzerindeki her 10°C’lik sıcaklık artışı batarya hücresinin ömrünü yarıya indirir. Bir armatürün içine yerleştirilen ve tipik olarak 4 yıl dayanacak şekilde tasarlanan bir batarya, 50°C’lik bir ortam sıcaklığında parametrelerine göre sadece yarım yıl çalışacaktır. EUROBAT standartlarına göre 10 yıl için tasarlanan sabit bir batarya, 30°C sıcaklıkta 5 yıllık bir kullanım ömrü gösterecektir. Düşük sıcaklıkların da akü ömrünü olumsuz etkilediğini unutmamak gerekir.

Batarya enerji verimliliği ile ilgili sorunlar

Fizikokimyasal süreçler nedeniyle, akülerde depolanan enerji bazen tam olarak kullanılamaz, bu da hasarlı hücreler durumunda güç kaynağına voltaj beslemesinin olmamasına ve tamamen aydınlatma eksikliğine yol açabilir.

Akü ömrünü etkileyen önemli bir faktör de ani sıcaklık değişimleridir. Bir aküden elde edilebilecek enerji miktarı sıcaklığına bağlıdır, bu da yaz ve kış mevsimlerindeki sıcaklık farklılıklarının mevcut enerjiyi yarıya kadar azaltabileceği anlamına gelir.

Güç sağlayacağı ışık kaynaklarının gücü için akü kapasitesi seçerken bu bağımlılık göz önünde bulundurulmalıdır. Bazı durumlarda, belirli bir kurulumda düzgün çalışmasını sağlamak için bataryayı aşırı boyutlandırmak gerekebilir.

Buna ek olarak, bataryanın tam kapasitesinin altında şarj edilmesi ve iç yapısının bozulması riski de göz önünde bulundurulmalıdır. Bu gibi durumlarda, bataryanın hem kapasitesi hem de verimliliği orantılı olarak azalabilir ve tüm acil durum güç sisteminin verimliliğini ve güvenilirliğini etkileyebilir.

Bir bataryanın içindeki elektrokimyasal süreçler

Bir pil hücresi içindeki kimyasal reaksiyonların seyri, iç dirençteki artış nedeniyle yavaşlayabilir ve bu da daha yavaş kimyasal reaksiyonlara neden olur. Bu olgu, daha yüksek akım çekildiğinde beklenen ışık parametrelerine ulaşamayan veya hatta tamamen çalışmayı durdurabilen fotolüminesan lambalar gibi diğer ışık kaynakları bağlamında da önemlidir.

Elektrik kesintileri, potansiyel olarak derin deşarj ve akü hasarına yol açarak ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Eksik deşarj ve şarjla sonuçlanan uzun süreli elektrik kesintileri, 3 saat gibi daha uzun çalışma sürelerine sahip sistemler için 1,5 saat gibi daha kısa sürelere sahip olanlara göre daha az zararlıdır.

En zayıf hücre tüm akü paketinin durumunu belirler, bu nedenle tüm hücreleri mümkün olan en iyi durumda tutmak çok önemlidir. Durumun düzenli olarak manuel veya otomatik olarak kontrol edilmesi, tüm paketin durumunun hızlı bir şekilde değerlendirilmesini sağlar.

Akü deşarjı sırasında, bu işlemin gerçekleştiği sıcaklığı hatırlamak önemlidir ve bu görevi yerine getiren cihazlar, şarj ve deşarj akımını düzenleyen sistemlerle donatılmalıdır. Akımı uygun seviyede tutmak ve nominal kapasitenin aşılmasını önlemek için genellikle referans histerezis eğrileri kullanılır. 1C tanımı, bir akünün şarj oranını belirlemek için kullanılan bir saatlik akımı ifade eder. Farklı tipteki aküler sıcaklığa farklı tepki verir; az şarj edilerek verimlilikleri düşebilir veya aşırı şarj edilerek hücre patlaması riski de dahil olmak üzere tehlikelere yol açabilirler.