Un componente elettrico utilizzato per emettere luce in uno spazio è indicato come un apparecchio di illuminazione. Le parole illuminazione "high bay" e "low bay", che definiscono principalmente l'area e l'altezza dei soffitti coinvolti, sono spesso utilizzate nel settore dell'illuminazione. Un apparecchio di illuminazione chiamato apparecchio per illuminazione a campata alta è realizzato per siti industriali sopraelevati dal suolo o da una superficie di lavoro. Le applicazioni per l'illuminazione a campate alte possono includere sistemi di illuminazione realizzati per l'uso in "campane alte" come magazzini, impianti industriali, stabilimenti di vendita al dettaglio di notevoli dimensioni, arene sportive o simili, dove i soffitti possono essere di 30 piedi o più alti.
Rispetto alle luci a sospensione HID convenzionali, le luci a sospensione a LED offrono una serie di vantaggi, tra cui un consumo energetico ridotto, migliori uscite a correnti di pilotaggio più elevate, maggiore durata, maggiore robustezza, dimensioni ridotte, commutazione più rapida e durata e affidabilità eccezionali. Le complessità causate dal surriscaldamento dei LED, tuttavia, sono un problema serio con l'utilizzo dell'illuminazione a stato solido.
La fonte di calore e luce è LED
Il diodo a semiconduttore è il fondamento dei dispositivi di illuminazione a stato solido, che sono rappresentati da diodi emettitori di luce. Elettroni e lacune si ricongiungono quando il diodo viene polarizzato in avanti (attivato o acceso), rilasciando energia sotto forma di luce. Questi dispositivi optoelettronici producono calore come conseguenza della trasformazione dell'energia in luce, che, se lasciata accumulare, potrebbe aumentare la temperatura di lavoro, con conseguente deterioramento dell'efficienza e guasto precoce. La capacità di controllare la temperatura di una giunzione e raggiungere la temperatura operativa ideale in regime stazionario spesso determina le prestazioni di un LED. una minore emissione luminosa, una minore efficienza dell'apparecchio di illuminazione, una lunghezza d'onda dominante e un'aspettativa di vita ancora più breve sono spesso correlate a una temperatura di giunzione più elevata. La temperatura di giunzione del LED ha una notevole influenza sia sulla sua efficienza complessiva che sulla durata L70. Per un LED al nitruro di gallio (GaN), la durata della vita può essere ridotta di 10 kHrs (1000 ore) per ogni aumento di 10 gradi della temperatura di giunzione (oltre 25 gradi). L'efficienza dei LED diminuirà di oltre il 10 percento se la temperatura di giunzione viene aumentata da 40 gradi a 70 gradi. Per sostenere le prestazioni e regolare la temperatura operativa dell'apparecchio LED per un determinato cambiamento della temperatura di giunzione e della temperatura ambiente, è necessario ideare le soluzioni di gestione termica adeguate.
Le aree con temperature ambiente elevate richiedono un'illuminazione ad alta luminosità
Gli apparecchi di illuminazione sono spesso montati sopra o vicino al soffitto negli edifici alti. Per fornire un'illuminazione adeguata, in queste lampade vengono comunemente impiegati LED ad alta potenza. La corrente elettrica fornita a un LED e la temperatura operativa del LED influenzano entrambe la quantità di luce che produce. Segnali di pilotaggio elettrici elevati possono essere utilizzati per pilotare LED con flusso luminoso elevato, tuttavia, in questo modo spesso i LED funzionano a temperature elevate. Inoltre, le applicazioni high bay normalmente operano in ambienti più corrosivi e severi rispetto alle applicazioni low bay. In particolare negli impianti di produzione come le acciaierie, le fonderie di fusione e gli impianti di produzione del vetro, le postazioni alte possono avere temperature ambiente più elevate, più polvere nell'aria e particelle di olio. Un LED può essere danneggiato dal calore prodotto dai circuiti che lo accompagnano durante il funzionamento in un involucro con una piccola quantità di spazio e/o in un ambiente con temperature ambiente elevate.
Di conseguenza, è fondamentale gestire il calore prodotto all'interno dell'apparecchio LED mentre si utilizza un'illuminazione ad alta potenza in aree con temperature ambiente elevate. La gestione termica si riferisce alla capacità di un sistema di rimuovere dall'apparecchio alto il calore in eccesso che si accumula alla giunzione, che spesso può deteriorare il fosforo e ridurre la durata della lampada. Con l'uso di materiali per apparecchi di illuminazione di alta qualità, design migliorati per la dissipazione del calore e persino sensori di temperatura che riducono automaticamente le luci quando si accumula troppo calore, i produttori di LED migliorano sempre i loro progetti per temperature più elevate.
Usa LED di alta qualità per sopravvivere
In generale, i LED di alta qualità sono componenti durevoli che possono funzionare in ambienti caldi. Ad esempio, i LED CREE XM-L possono funzionare a una temperatura di giunzione fino a 150 gradi. L'emissione luminosa relativa degli apparecchi a LED scende di appena il 10 percento a temperature ambiente di 60 gradi rispetto all'emissione luminosa relativa a 25 gradi. La resistenza termica è un termine utilizzato per descrivere la capacità complessiva di un dispositivo di trasportare il calore nel settore dei LED. La connessione per la diffusione del calore e l'imballaggio dei LED stessi sono stati progettati con percorsi di resistenza termica minimi. La massima potenza dissipabile in un pacchetto LED dipende dalla sua resistenza termica oltre che dalla sua temperatura massima di esercizio. La resistenza termica tra la giunzione del LED e l'aria circostante determina la massima corrente diretta. Le elevate temperature di giunzione dei LED derivano da un elevato accumulo di calore all'interno dei LED con una forte resistenza termica. Quando ciò si verifica, gli effetti dell'aumento della temperatura di giunzione nel LED possono bilanciare gli effetti dell'aumento della corrente diretta, facendo sì che il LED mantenga o addirittura riduca il suo livello di emissione luminosa nonostante gli aumenti della corrente diretta. Per massimizzare la durata dell'apparecchio e le proprietà ottiche, è fondamentale che l'apparecchio sia costruito in modo da ridurre al minimo la resistenza al calore dal punto di saldatura all'ambiente. La famiglia di LED OSLON Square presentata da OSRAM Opto Semiconductors ha una bassa resistenza termica di soli 3,8 K/W, che si comporta particolarmente bene a temperature ambiente elevate e può raggiungere una durata significativamente superiore a 50,000 ore anche a temperature elevate temperature fino a 135 gradi nel LED. In base al funzionamento a corrente costante con temperatura di giunzione mantenuta pari o inferiore a 120 gradi , i LED bianchi Lumileds LUXEON K2 offrono un mantenimento del lumen del 70% a 50,000 ore di funzionamento a una corrente diretta di 1000 mA. Può funzionare con poca perdita di uscita a temperature di giunzione fino a 150 gradi.
Controllo termico: un aspetto cruciale delle prestazioni del sistema
Un design termico efficace è essenziale per gli apparecchi di illuminazione industriale, in particolare gli high bay in stile UFO in cui i circuiti e i LED sono collocati in un alloggiamento chiuso, per abbassare la temperatura operativa di tali dispositivi optoelettronici migliorando al contempo le prestazioni e l'affidabilità. Quando si tratta di design a campata alta, il dissipatore di calore, che spesso è un alloggiamento integrato per apparecchi di illuminazione, è l'elemento centrale del design termico. La giunzione di ciascun LED e l'alloggiamento del driver sono progettati per essere raffreddati da un dissipatore di calore. Al fine di espandere la superficie del dissipatore di calore e facilitare un maggiore scambio di calore convettivo con l'aria circostante, i dissipatori di calore sono spesso realizzati in un materiale termoconduttore, come il metallo, e presentano alette o canali. È possibile una camera di sfiato termica incorporata nell'alloggiamento. La composizione del materiale ei fattori ambientali influiscono sulla conducibilità termica dell'alloggiamento a sospensione. La conduzione termica è un altro metodo per rimuovere il calore disperso che si basa sulla geometria delle parti componenti del sistema. Qualsiasi materiale con un'elevata conduttività termica può essere utilizzato per realizzare dissipatori di calore, inclusi ma non limitati a rame, alluminio e leghe metalliche. Nonostante il rame abbia una conduttività termica di almeno 400 W/mK. Grazie alla sua conduttività termica relativamente elevata e alla semplicità di fabbricazione, l'alluminio è il metallo preferito per i dissipatori di calore. L'alloggiamento in alluminio può avere un rivestimento in polvere acrilica applicato su entrambe le superfici interna ed esterna per migliorare la dissipazione del calore e la resistenza alla corrosione.
