Osvětlení průmyslových prostor s LED z hlediska konstrukce a spolehlivosti

Osvětlení průmyslových prostor s LED z hlediska konstrukce a spolehlivosti

 

Ing. Jakub Černoch, jednatel Osvětlení Černoch s.r.o.

Úvod

 

Osvětlování průmyslových prostor bylo dlouhá léta výhradní doménou výbojkových a zářivkových svítidel. Postupné zlepšování parametrů LED a zároveň pokles jejich ceny umožnily konstrukci nové generace svítidel do průmyslových prostor. Bohužel jen velmi málo z nabízených LED svítidel pro průmyslové prostory dosahuje parametrů, které by jejich použití ospravedlňovaly. Tento příspěvek si klade za cíl prozkoumat jednotlivé konstrukce této kategorie svítidel s LED a poukázat na jejich přednosti a slabiny.

Specifika osvětlení průmyslových a skladovacích hal

 

Osvětlení průmyslových hal klade na použitá svítidla řadu specifických požadavků:

  • Svítidla jsou obvykle umístěna poměrně vysoko, proto jsou výhodná svítidla s vysokými světelnými toky
  • V některých případech je požadováno vysoké krytí s ohledem na celkovou prašnost prostředí
  • V jiných případech je pracovní teplota okolí až 60 °C, případně také – 20°C
  • Světelně technické vlastnosti svítidel musí být vhodné pro skládání většího počtu svítidel tak, aby bylo dosaženo vysoké rovnoměrnosti, zároveň musí být splněn požadavek na maximální povolený činitel oslnění UGR daný normou dle charakteru činnosti.
  • Svítidla pro osvětlení skladových uliček vyžadují zcela specifické fotometrické vlastnosti
  • S ohledem na obtížnou dostupnost svítidel je kladen zvláštní důraz na vysokou spolehlivost a dlouhou dobu života použitých svítidel i světelných zdrojů

Všechny tyto požadavky lze splnit i s LED, ve většině případů výhodněji než s klasickými světelnými zdroji.

LED v konstrukci svítidel pro průmyslové haly přináší několik zásadních předností:

  • Dlouhou dobu života a vysokou spolehlivost
  • Možnost vytvořit svítidlo s požadovanými fotometrickými vlastnostmi a zároveň vysokým krytím
  • Vyšší měrný výkon než klasické světelné zdroje, úspory ve spotřebě jsou o to významnější, že se často jedná o nepřetržité provozy
  • Možnost volby teploty chromatičnosti

Při konstrukci těchto svítidel ale není triviální záležitostí požadavek vysokých světelných toků jednotlivých svítidel a jejich provoz za zvýšených teplot. Jak dále ukáži, jsou i tyto problémy úspěšně řešitelné.

Příklady typických svítidel pro průmyslové a skladovací haly

 

1. Svítidlo typu „High-Bay“ (hlubokozářič)

Tato svítidla se používají obvykle pro výšky zavěšení 6-7 m a vyšší, protože s ohledem na vysoký jas je problém dosáhnout přijatelné hodnoty oslnění. Standardní provedení těchto svítidel s výbojkou (viz obr. 1) je charakterizováno velkým reflektorem s poměrně úzkou křivkou svítivosti, v případě požadavků na vyšší krytí je reflektor na výstupním hrdle osazen krycím sklem. Díky tomu, že hořák výbojky je v reflektoru umístěn svisle, je možné dosáhnout vhodných fotometrických vlastností soustavy a tím i dobré rovnoměrnosti celkového osvětlení. Toto provedení posloužilo mnoha konstruktérům jako základ pro svítidla, osazená LED (obr. 2).  Reflektor zůstal obvykle zachován, krabice s objímkou a předřadníkem pro výbojku byla nahrazena hliníkovým extrudovaným chladičem buď se sestavou diskrétních LED nebo jednoho či několika COB (Chip on Board – sestava LED na společné keramické podložce). U tohoto typu svítidel je výhodné pro návrh optické soustavy, má-li zdroj světla co nejmenší rozměry. Proto se poslední generace těchto svítidel osazuje prakticky výhradně COB, které mají při srovnatelném příkonu menší rozměry než odpovídající sestava diskrétních LED. Navíc mají COB velkou výhodu ve významně lepším přestupu tepla mezi čipem a chladičem. U diskrétních LED s vyššími příkony je běžný rozdíl teploty mezi čipem a chladičem 15°C, u COB se tato hodnota pohybuje v rozmezí 1-3°C. To umožňuje použít chladiče menších rozměrů nebo svítidlo se stejnými rozměry chladiče provozovat při vyšších teplotách okolí. Pro lepší odvod tepla se v některých případech používají místo extrudovaného hliníkového chladiče soustavy tepelných trubic.

Osvetleni-prumyslovych-prostor-s-LED-z-hlediska-konstrukce-a-spolehlivosti-1

Obr. 1 Standardní provedení svítidla typu HighBay s výbojkou

Tepelná trubice je obvykle vyrobena z mědi, je na obou koncích zaslepena a naplněna kapalinou s nízkým bodem varu (např. aceton). Na nižším konci trubice se kapalina odpařuje a tím odebírá teplo ze svého okolí, na vyšším konci trubice páry kapaliny kondenzují a teplo odevzdávají. To vše musí probíhat za velmi nízkého tlaku, proto je v trubici vysoké vakuum. Tepelná vodivost takové trubice je o dva řády lepší než tepelná vodivost měďi, bohužel použití tepelných trubic má dva háčky:

  • Udržet dlouhodobě vysoké vakuum v měděné trubici není jednoduché, běžně dochází k pronikání molekul vzduchu difuzí skrz stěny i skrz koncové záslepky (pájené) a po 5-7 letech se účinnost tepelných trubic snižuje.
  • Tepelná trubice vyžaduje ke své funkci svislou, maximálně mírně skloněnou polohu. To vede většinu konstruktérů k použití vodorovných žeber, jejich účinnost je poměrně nízká. Navíc jsou tepelné trubice obvykle konstruovány pro chlazení výpočetní a výkonové elektroniky, kde převažuje nucené ofukování žeber ventilátorem. Použití takto konstruovaných žeber s minimálními rozestupy pro přirozené chlazení dále zásadním způsobem snižuje jejich účinnost.

Osvetleni-prumyslovych-prostor-s-LED-z-hlediska-konstrukce-a-spolehlivosti-2

Obr.2 Svítidlo typu HighBay se čtyřmi COB

Z těchto důvodů se od použití tepelných trubic ve svítidlech postupně upouští. Souvisí to i s tím, že se nejvyšší příkony COB pohybují na hranici 150 W, ale pokud chceme dosáhnout měrného výkonu 130-150 lumen/W, můžeme je napájet příkonem okolo 80W při světelném toku přes 10 000 lumen. Takový příkon je možné uchladit v případě COB extrudovaným hliníkovým chladičem. Z hlediska pořizovací ceny, rovnoměrnosti osvětlení a oslnění se jeví výhodnější navrhnout osvětlení s větším počtem levnějších svítidel o menším příkonu. V případě požadavku na vyšší světelné toky (například při dané rozteči svítidel) pak je možné menší svítidla sdružovat do jednoho bloku se společným napájením. Výhodou této modulární koncepce je i fakt, že s jedním typem svítidla umožňuje vyřešit velmi širokou škálu požadavků.

Bohužel tvůrci řady LED svítidel tohoto typu si neuvědomili, že nelze jednoduše nahradit výbojku se svislým hořákem sestavou LED, které představují lambertiánský zářič. V takovém případě hlavní část světelného toku nebude reflektorem vůbec ovlivněna a svítidlo bude mít horší fotometrické vlastnosti. Samozřejmě postupem času konstruktéři na tento nedostatek přišli a v současné době se většina novějších takto konstruovaných svítidel nabízí v provedení s optikou, předsazenou před LED nebo COB. Reflektor zůstává zachován, ale jeho hlavní funkcí je zmenšení oslnění.

Samostatnou kapitolou jsou napájecí zdroje těchto svítidel. Jsou obvykle umístěny nad chladičem, jehož teplota dosahuje běžně 60°C a více. V těchto podmínkách je použití standardně vyráběných napájecích zdrojů s elektrolytickými kondenzátory velice problematické a skutečně dosažená doba života těchto zdrojů bude okolo 10 000 hodin. Delší doby života by bylo možné dosáhnout použitím speciálních verzí elektrolytických kondenzátorů a jejich namáháním pulsním proudem na zlomek jmenovitých hodnot. Cena takového řešení by byla srovnatelná se zdroji vybavenými fóliovými kondenzátory, jejichž parametry jsou pro toto použití podstatně vhodnější.

Poslední generace svítidel typu HigBay (obr. 3) by tedy bylo možné charakterizovat těmito vlastnostmi:

  • Použití COB, provozovaných s menším než maximálním příkonem a dosažení měrného výkonu 130-140 lumen/W. Tento měrný výkon činí LED svítidla konkurence schopná ve srovnání s konvenčními zdroji i při jejich vyšší pořizovací ceně.
  • Použití předsazené optiky k dosažení vhodných fotometrických vlastností a reflektoru ke snížení oslnění.
  • Modulární koncepce bez tepelných trubic
  • Napájecí zdroje navržené pro vysoké teploty, nejlépe s fóliovými kondenzátory.

Osvetleni-prumyslovych-prostor-s-LED-z-hlediska-konstrukce-a-spolehlivosti-3

Obr. 3 Modulární svítidlo typu HigBay poslední generace

 

2. Svítidlo typu „LowBay“ (širokozářič)

Tato svítidla se používají pro zavěšení v nižších výškách. Mají širší křivku svítivosti než svítidla HighBay a jako světelný zdroj využívaly donedávna buď výbojky, nebo zářivky. Výbojková svítidla tohoto typu vypadala nejčastěji obdobně jako svítidla typu HighBay, ale s širším reflektorem, případně vybaveným difuzním prvkem. Zářivková svítidla využívají kombinaci zrcadlově leštěného reflektoru a předsazené plastové optiky – příklad na obr. 4.

Osvetleni-prumyslovych-prostor-s-LED-z-hlediska-konstrukce-a-spolehlivosti-4

Obr. 4 Příklad zářivkového průmyslového svítidla

LED svítidel spadajících do této kategorie je na trhu velké množství a je nutné poznamenat, že řada svítidel nabízených pod označením HighBay jsou svítidla spadající svou širokou křivkou svítivosti do kategorie LowBay. Kromě konstrukcí shodných se svítidly typu HighBay, ale s širším reflektorem, se nabízí také svítidla osazená velkým počtem LED nízkého výkonu, nejčastěji bez jakékoliv optiky (obr. 5). Obě dvě konstrukce mají jednu zásadní nevýhodu – vysoké oslnění a nevhodné křivky svítivosti s výrazným maximem pod svítidlem.

Osvetleni-prumyslovych-prostor-s-LED-z-hlediska-konstrukce-a-spolehlivosti-5

Obr. 5 Příklady LED svítidel LowBay

Protože oslnění je při osvětlování průmyslových prostor jeden ze zásadních parametrů, byly intenzivně hledány cesty jak je snížit. Oblíbenou možností je zmenšení jasu použitím většího množství LED s malým příkonem a vybavení svítidla předsazenou optikou. Jedna varianta využívá samostatné optiky pro každou LED (obr. 6), druhá varianta používá speciální desky či fólie s rastrem, který vytváří požadované fotometrické vlastnosti (obr. 7).

Osvetleni-prumyslovych-prostor-s-LED-z-hlediska-konstrukce-a-spolehlivosti-6

Obr. 6 Svítidlo LowBay se samostatnou optikou pro každou LED

Osvetleni-prumyslovych-prostor-s-LED-z-hlediska-konstrukce-a-spolehlivosti-7

Obr. 7 Svítidlo LowBay s optikou společnou pro všechny použité LED

Řešení se samostatnou optikou pro jednotlivé LED je výrobně náročnější a takto zhotovené svítidlo je nutně dražší.  K udržení ceny v přijatelných mezích je počet použitých LED omezen a dosažený činitel oslnění tím pádem nutně vyšší. Konstrukce se společnou optikou umožňuje významné snížení výrobních nákladů a zároveň dosažení velmi nízkých činitelů oslnění. Další výhodou takto koncipovaných svítidel jsou velmi nízké optické ztráty ve výši 5-7%. Protože u těchto svítidel je možné použít podstatně větší množství malých LED, aniž by to mělo zásadní vliv na cenu, je výhodné nastavit jejich pracovní bod na 30 až 50% jejich maximálního výkonu. Tak lze dosáhnout měrného výkonu až 160 lumen/W, což je hodnota která činí tato svítidla skutečně konkurenceschopná ve srovnání se zářivkovými nebo výbojkovými svítidly. Přiznám se, že jsem doposud nepochopil smysl výměny, kdy je zářivkové svítidlo s měrným výkonem 90 lumen/W nahrazováno LED svítidlem s týmž měrným výkonem, ale dvojnásobnou cenou.

Až potud se konstrukční princip založený na použití velkého množství diskrétních LED s malým příkonem jeví jako téměř ideální řešení. V povědomí odborné veřejnosti se už zabydlely pojmy, související s testováním doby života LED dle směrnice LM-80 a vyhodnocením těchto testů dle směrnice TM-21; hodnoty L80 (6k) už běžně uvádí naprostá většina výrobců LED svítidel. Stranou zájmu ale zůstává pojem MTTF (Mean Time To Failure), česky střední doba do poruchy. To je doba, za kterou můžeme u 50% zařízení očekávat poruchu, která je vyřadí z provozu. Kalkulace MTTF jsou běžně prováděny u elektronických i strojírenských zařízení, jejich použití u svítidel je ale zatím nepříliš obvyklé. V souvislosti s přechodem na LED světelné zdroje je ale výpočet MTTF potřebný, protože se jedná obvykle o zařízení s velkým počtem vzájemně závislých komponent. LED jsou polovodičové součástky, u nichž se střední doba do poruchy uvádí okolo 1 milionu hodin….to zní dobře do okamžiku, než si uvědomíme, že v sériově zapojených řetězcích LED se výsledná hodnota MTTF rovná době MTTF jedné LED, dělené jejich počtem….takže se v případě 100 ks LED dostaneme na hodnotu MTTF 10 000 hodin.

Ještě horší je situace s montáží velkého počtu LED, které se běžně pájí na desky plošných spojů (ať už s laminátovým nebo hliníkovým nosičem). Bohužel kvůli směrnici RoHs  se u svítidel musí používat bezolovnaté pájení, což je technologie velice citlivá na mechanické a tepelné namáhání. Svítidla používající velké množství diskrétních LED jsou poměrně rozměrná a velmi často nepříliš pevná /při použití konstrukce z plechů/. Pájené spoje v těchto svítidlech (dva na každou LED) jsou namáhány jednak deformací nosné konstrukce díky její omezené stabilitě, ale především tepelnou dilatací při zapnutí a vypnutí svítidla a zvýšenou teplotou ve svítidle. Řada z nás už tento problém zažila u spotřební elektroniky – od zavedení bezolovnatého pájení je běžné, že zařízení po několika letech díky tzv. „studeným spojům“ přestane fungovat. A to se teploty a mechanické namáhání ve spotřební elektronice obvykle pohybují v podstatně nižších hodnotách ve srovnání s průmyslovými svítidly.

Osvetleni-prumyslovych-prostor-s-LED-z-hlediska-konstrukce-a-spolehlivosti-8

Obr. 8 Svítidlo LowBay s velkým reflektorem a difuzorem

Z těchto důvodů nemohu použití svítidel, využívajících velké množství diskrétních LED, pro průmyslové účely doporučit. Jako jediné vhodné řešení se z hlediska spolehlivosti jeví svítidla s COB, velkým reflektorem a přídavným difuzorem. Poměrně rozměrný reflektor je nutný k tomu, abychom snížili jas difuzoru a tím snížili i oslnění. Moderní provedení těchto difuzorů mají poměrně nízké ztráty ( 7-15% světelného toku) a umožňují vytvořit svítidla typu LowBay s činitelem oslnění UGR pod 20 (obr. 8)

Pro napájecí zdroje tohoto typu svítidel platí vše, co bylo již řečeno v případě svítidel HighBay.

 

3. Svítidla do skladových uliček

Jedná se o speciální svítidla s křivkou svítivosti v jednom směru extrémně širokou (až +-75°) a v druhém směru velmi úzkou (+-6-10°).  LED s předsazenou optikou umožňují velmi efektivní konstrukci takovýchto svítidel ve srovnání se zářivkovými svítidly a nasazení LED svítidel je v tomto případě mimořádně výhodné díky jejich podstatně lepšímu činiteli využití. Příklad LED svítidla pro skladové uličky je na obr. 9.

Osvetleni-prumyslovych-prostor-s-LED-z-hlediska-konstrukce-a-spolehlivosti-9

Obr. 9 LED svítidlo pro osvětlení skladových uliček

Závěr

 

Rychlý pokrok v technologii výroby LED současně s poklesem jejich cen a objevováním nových řešení svítidel vedou ke stále rychlejšímu prosazování LED i v tak náročném oboru, jako je osvětlování průmyslových prostor. Protože situace na trhu svítidel je poměrně nepřehledná a vedle sebe jsou nabízeny jak špičkové výrobky, tak výrobky velmi pochybné kvality, je nutné se v této spleti orientovat – doufám, že tento příspěvek k tomu přispěje svou trochou.

Leave a Comment

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Cookies help us deliver our services. By using our services, you agree to our use of cookies. More Information