Осветление за високотемпературни приложения

Начало > Осветление > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6/2023 > 27.09.2023

  • Не е необичайно за индустриални съоръжения, разполагащи с оборудване за технологично нагряване, температурите на околната среда да са в диапазона от 40o до 65oC или дори повече

  • Високите температури на околната среда затрудняват охлаждането на осветителите, което е необходимо за осигуряване на нормалното им функциониране

  • Необходимо е да бъдат взети предвид топлинните характеристики на светодиодите и други подсистеми на осветителя, които могат да включват чувствителни по отношение на температурата компоненти

 

В много индустрии производственият процес налага технологично нагряване, което да доведе до стопяване, изпаряване или да спомогне за протичането на химична реакция. Такива процеси са синтероването, калцинацията, изпичането, сушенето, формоването, топлинната обработка, леенето, инсинерацията и др. Технологичното нагряване се прилага в широк диапазон от индустриални сектори, обхващащ производството на керамика и специални метали, строителни материали, регенерирането на вар в крафт процеса в хартиено-целулозната промишленост, нанасянето на покрития върху метални и неметални материали (включително керамика и стъкло), екструдирането на каучук и пластмаса, производството на стомана в конверторни пещи, леенето на метали, горещото формоване на стъкло и пластмаса, темперирането и отгряването на стъклени и керамични продукти, печенето и пърженето на храна и много други.

 

Температури на излъчване на оборудването

Излъчваната топлинна енергия от оборудването за технологично нагряване, инсталирано в множество фабрики, води до необичайно високи температури на околния въздух. В стоманодобивните заводи например се използват коксови и високи пещи за производството на чугун, кислородни конвертори за стоманодобив и пещи за претопяване за непрекъснато леене. Средната температура на излъчване в тези среди често надвишава 60°C, което води и до много високи температури на околната среда.

Не е необичайно за индустриални съоръжения, разполагащи с оборудване за технологично нагряване, температурите на околната среда да са в диапазона от 40° до 65°C или дори повече. Високите температури на околната среда затрудняват охлаждането на осветителите, което е необходимо за осигуряване на нормалното им функциониране. Стандартните осветителни продукти, предназначени за работа при стайни температури, не биха оцелели в такива условия. Необходимостта от създаване на оптимални визуални условия за целите на качествения контрол и за гарантиране на добро ниво на продуктивност и безопасност на работниците поставя високи изисквания към издръжливостта на осветителите, които трябва да устоят на тежките параметри на високотемпературните производствени среди.

 

Температурна зависимост

LED осветлението се е превърнало в доминираща технология във всички приложения. Тя е предпочитана заради потенциала си да предоставя изключително високи нива на енергийна ефективност, надеждност и издръжливост и същевременно високо качество на осветеност и нови възможности за управление. Независимо от това, продуктите за LED осветление се характеризират с техния отрицателен температурен коефициент по отношение на ефективност и експлоатационен живот. Два ключови компонента на LED осветителите – светодиодите и драйверите, са чувствителни спрямо стойностите на температурата, т.е. по-високите температури ускоряват механизмите им на отказ.

В среди с анормално високи температури този недостатък на LED осветлението може да се засили. В резултат на това регулирането на температурата се смята за основен фактор при внедряване на LED технологията в осветителни приложения. Основната цел на регулирането на температурата на една LED осветителна система е да се създаде нискосъпротивителен топлинен коридор, така че генерираната топлинна енергия ефективно да се предава на околната атмосфера. Коридорът за топлопренос трябва да бъде подходящо оразмерен спрямо прилаганото мощностно натоварване. И обратно – токът трябва да бъде контролиран, за да се гарантира, че топлината, на която е изложен полупроводниковият преход в резултат на разсейването на мощността, няма да претовари топлинния коридор.

 

Регулиране на температурата

Като цяло, регулирането на температурата на LED осветителите е с фокус върху два фактора, подлежащи на управление, които влияят на температурата на прехода – създаването на стабилен топлинен коридор и упражняването на стриктен контрол на тока. Способността на системата за регулиране на температурата да разсейва топлина обаче зависи в голяма степен и от трети параметър – температурата на околната среда. При високоефективен топлинен коридор, скоростта, с която топлината преминава през него в крайна сметка се определя от температурната разлика между източника на топлинната енергия и заобикалящия го въздух.

При преминаването на топлинната енергия от зоната с по-висока към зоната с по-ниска температура, една високотемпературна заобикаляща среда създава голямо съпротивление, което възпрепятства топлинния поток и значително редуцира общата ефективност на системата за регулиране на температурата. В индустриални среди с повишени температури на въздуха наличието на съразмерен коридор за топлоотвеждане и конвекция за топлинния източник не е достатъчно за осигуряване на безотказно функциониране и полезен експлоатационен живот на един LED осветител. Необходимо е да бъдат взети предвид и топлинните характеристики на светодиодите и други подсистеми на осветителя, които могат да включват чувствителни по отношение на температурата компоненти.

 

Значимостта на LED корпуса

Способността на светодиодите да оцелеят във високотемпературна среда зависи от корпуса, технологията на производство на чипа и използваните материали за понижаващия преобразувател. LED корпусите с подложка очевидно не са подходящ избор за високотемпературни приложения, защото използваната смола за отливката на отразяващия корпус се разгражда при повишена температура. Тези пластмасови LED корпуси са предназначени за работа при температура на прехода, която не надвишава 85°C, докато в индустриални среди като стоманодобивни заводи, цехове за изпичане на керамика и фабрики за производство на стъкло високите температури на въздуха и изискването за голяма стойност на светлинния поток обикновено са предпоставка светодиодите да работят при температури на прехода, надвишаващи 120°C.

Предизвикателните производствени среди налагат употребата на светодиоди с по-малко зависими от температурата механизми на отказ. За топлоустойчиво осветление трябва да се използват само LED корпуси без пластмасови субстрати. Високомощните светодиоди, изградени върху керамични субстрати, и безкорпусните светодиоди (CSP LEDs) предоставят отлична устойчивост на топлинно разграждане. Премахването на отразяващия пластмасов корпус позволява на тези решения да функционират при значително по-високи работни температури. Архитектурата на устройствата им дава възможност да се справят с високи топлинни и електрически товари.

 

Електролитни кондензатори

Напредъкът в производството на чипове и корпусирането на компоненти дава възможност за проектирането на светодиоди, които да издържат на предизвикателни в температурно отношение условия. Светодиодите вече не са пречка пред производството на топлоустойчиви осветителни системи. На пазара се предлагат продукти с L90 живот от над 40 000 часа или L80 живот от повече от 60 000 часа, предназначени за работни среди с температура на околния въздух от 105°C.

Критичният компонент, който определя експлоатационния срок на LED лампите за употреба във високотемпературни среди, е драйверът. По-специално, електролитните кондензатори, които се използват почти изключително в базирани на ключови стабилизатори (SMPS) LED драйвери, се смятат за най-слабото звено в тях. Дебатът дали LED драйверите с електролитни кондензатори могат да се мерят с дългия експлоатационен живот на светодиодите се води отдавна.

Въпреки че възможността за премахване на електролитните кондензатори се проучва от комерсиализирането на LED технологията за осветление насам, не са налице компоненти за подмяна, които да имат обемна ефективност, номинални стойности на работното напрежение и температура и разходна ефективност, сравними с тези на електролитните кондензатори. Високата стойност на електрически капацитет на електролитните кондензатори ги превръща в най-ефективните компоненти за съхранение на енергия, филтриране на пулсиращо напрежение и изглаждане на постояннотоково напрежение. Недостатък на електролитните кондензатори е, че те могат да се повредят, ако електролитът прегрее и започне да се изпарява.

Загубата на електролит води до спад на електрическия капацитет и до повишаване на еквивалентното серийно съпротивление (ESR), което може да редуцира ефективността, да доведе до примигване на светодиодите и до високи електрически натоварвания поради увеличение на пулсациите на изходното напрежение. Отказът на електролитните кондензатори може да доведе дори до неизправност или пълен отказ на схемите за управление. Загубата на електролит е силно зависима от температурата. Всеки 10°C в работната температура редуцират живота на електролитния кондензатор наполовина.

Както и при светодиодите, температурно зависимият механизъм на деградация на електролитните кондензатори не означава, че те не могат да издържат на високи температури на околната среда. Предлагат се електролитни кондензатори с номинален живот до 12 000 часа при 105°C (околна температура). Водещи производители на захранвания използват електролитни кондензатори с номинален живот от 10 000 часа при 105°C. Когато LED драйверите работят при температура от 70°C, електролитните им кондензатори ще имат теоретичен експлоатационен живот от над 80 000 часа.

Предизвикателството се крие в регулирането на температурата на електролитния кондензатор. Работната температура на един кондензатор е функция от температурата на корпуса на кондензатора и вътрешното нагряване в кондензатора, причинено от преминаващия през него импулсен ток. За да се постигне експлоатационен живот на електролитния кондензатор, близък до теоретичния, температурата на корпуса и вътрешното съпротивление (ESR) трябва да бъдат сведени до минимум.

 

Вторични оптики

Температурната стабилност на вторичните оптики също следва да бъде отчетена. Множество LED осветители използват шприцовани оптики от акрил или поликарбонат за високоефективно оптично управление. Монтажът на тези самонагряващи се светодиоди в близост един до друг може да повиши работната им температура. В горещи среди тяхната надеждност може да бъде сериозно нарушена. Използването на акрилни оптики трябва да бъде отхвърлено заради тяхната ниска топлинна стабилност. Поликарбонатните оптики се характеризират с по-добри топлинни характеристики, но не се препоръчват за приложения, в които работната температура може да се повиши до над 110°C. По-сигурно решение би било да се използват силициеви оптики, стъклени оптики или алуминиеви рефлектори.


Вижте още от Осветление


Ключови думи: LED осветление, светодиодно осветление, топлоустойчиво осветление, LED осветители



Редактор на статията:

ДИЛЯНА ЙОРДАНОВА

ДИЛЯНА ЙОРДАНОВА

Отговорен редактор

• Завършва специалност "Инженерна екология" в Химикотехнологичен и металургичен университет;


• Заема длъжността "Отговорен редактор" в издателство TLL Media от 2020 г.;

• Разполага с над 10 години опит в създаването на съдържание и писането на научни статии.

Контакт в LinkedIn


Top