به یک قطعه الکتریکی که برای انتشار نور در فضا استفاده می شود، وسیله روشنایی گفته می شود. واژههای نورپردازی «بالا» و «خلیج کم» که عمدتاً مساحت و ارتفاع سقفهای درگیر را مشخص میکنند، اغلب در تجارت روشنایی استفاده میشوند. یک وسیله روشنایی به نام نورپردازی بالا برای مکانهای صنعتی که بالاتر از سطح زمین یا سطح کار قرار دارند ساخته میشود. کاربردهای نورپردازی در ارتفاعات ممکن است شامل سیستمهای روشنایی باشد که برای استفاده در «خلیجهای مرتفع» مانند انبارها، کارخانههای صنعتی، فروشگاههای بزرگ خردهفروشی، عرصههای ورزشی یا موارد مشابه، که سقفها ممکن است 30 فوت یا بالاتر باشد.
در مقایسه با محفظههای معمولی HID، چراغهای LED دارای مزایای متعددی از جمله کاهش مصرف انرژی، خروجی بهتر در جریانهای رانندگی بالاتر، طول عمر بیشتر، افزایش استحکام، اندازه کوچکتر، تعویض سریعتر، و دوام و قابلیت اطمینان استثنایی هستند. با این حال، پیچیدگی های ناشی از گرمای بیش از حد LED، یک مسئله جدی در استفاده از روشنایی حالت جامد است.
منبع گرما و نور LED است
دیود نیمه هادی پایه دستگاه های روشنایی حالت جامد است که با دیودهای ساطع کننده نور نشان داده می شوند. هنگامی که دیود به سمت جلو حرکت می کند (فعال یا روشن می شود)، الکترون ها و سوراخ ها دوباره به هم می پیوندند و انرژی را به شکل نور آزاد می کنند. این دستگاههای الکترونیک نوری در نتیجه تبدیل انرژی به نور، گرما تولید میکنند، که اگر اجازه ایجاد شود، ممکن است دمای کار را افزایش دهد و در نتیجه کارایی را بدتر کند و زود خراب شود. ظرفیت کنترل دمای محل اتصال و رسیدن به دمای عملیاتی حالت پایدار ایده آل اغلب عملکرد LED را تعیین می کند. خروجی نور بدتر، راندمان بدتر لامپ، طول موج غالب، و حتی طول عمر کوتاه تر اغلب با دمای اتصال بالاتر مرتبط هستند. دمای اتصال LED تأثیر قابل توجهی بر کارایی کلی و عمر L70 دارد. برای یک LED نیترید گالیوم (GaN)، طول عمر را می توان 10 کیلو ساعت (1000 ساعت) به ازای هر 10 درجه افزایش دمای محل اتصال (بیش از 25 درجه) کاهش داد. اگر دمای محل اتصال از 40 درجه به 70 درجه افزایش یابد، بازده LED ها بیش از 10 درصد کاهش می یابد. به منظور حفظ عملکرد و تنظیم دمای عملیاتی فیکسچر LED برای تغییر خاصی در دمای محل اتصال و دمای محیط، باید راه حل های مناسب مدیریت حرارتی ابداع شود.
مناطق با دمای محیط بالا نیاز به روشنایی خلیج بالا دارند
وسایل روشنایی اغلب در ساختمان های مرتفع یا نزدیک به سقف نصب می شوند. برای تأمین روشنایی کافی، معمولاً از LED های پرقدرت در این لامپ ها استفاده می شود. جریان الکتریکی داده شده به LED و دمای کارکرد LED هر دو بر میزان نور تولیدی آن تأثیر میگذارند. از سیگنالهای درایو الکتریکی بالا میتوان برای هدایت LEDهای با شار نوری بالا استفاده کرد، اما انجام این کار اغلب باعث میشود که LEDها در دمای بالا کار کنند. بهعلاوه، برنامههای High bay معمولاً در تنظیماتی کار میکنند که خورندهتر و شدیدتر از برنامههای low bay هستند. به ویژه در تأسیسات تولیدی مانند کارخانه های فولاد، ریخته گری ریخته گری و کارخانه های تولید شیشه، تنظیمات در ارتفاعات می تواند دمای محیط بیشتری، گرد و غبار معلق در هوا و ذرات روغن بیشتری داشته باشد. یک LED ممکن است در حین کار در یک محفظه با مقدار کمی فضا و/یا در محیطی با دمای محیط بالا، در اثر گرمای تولید شده توسط مدار همراه خود آسیب ببیند.
در نتیجه، مدیریت گرمای تولید شده در داخل لامپ LED در حین استفاده از نورپردازی با قدرت بالا در مناطقی با دمای محیط بالا بسیار مهم است. مدیریت حرارتی به ظرفیت یک سیستم برای حذف گرمای اضافی که در محل اتصال جمع میشود، از محل اتصال بالا که اغلب میتواند فسفر را خراب کرده و عمر لامپ را کوتاه کند، از بین ببرد. با استفاده از مواد نورپردازی درجه یک، طراحی های بهبود یافته اتلاف گرما، و حتی سنسورهای دما که به طور خودکار نور را در هنگام ایجاد گرمای زیاد کاهش می دهند، سازندگان LED همیشه طرح های خود را برای دماهای بیشتر بهبود می بخشند.
برای زنده ماندن از LED های با کیفیت بالا استفاده کنید
به طور کلی، LED های با کیفیت بالا اجزای بادوامی هستند که می توانند در محیط های گرم کار کنند. به عنوان مثال، LED های CREE XM-L می توانند در دمای محل اتصال تا 150 درجه کار کنند. بازده نور نسبی لامپ های LED در دمای محیط 60 درجه در مقایسه با نور نسبی 25 درجه فقط 10 درصد کاهش می یابد. مقاومت حرارتی اصطلاحی است که برای توصیف ظرفیت کلی یک دستگاه برای انتقال گرما در بخش LED استفاده می شود. اتصال پخش گرما و بسته بندی خود LED ها با حداقل مسیرهای مقاومت حرارتی طراحی شده اند. حداکثر توانی که ممکن است در یک بسته LED تلف شود به مقاومت حرارتی و همچنین حداکثر دمای کاری آن بستگی دارد. مقاومت حرارتی بین اتصال LED و هوای اطراف حداکثر جریان رو به جلو را تعیین می کند. دمای اتصال LED قوی ناشی از تجمع گرمای زیاد در داخل LED ها با مقاومت حرارتی قوی است. هنگامی که این اتفاق می افتد، اثرات افزایش دمای اتصال در LED می تواند اثرات افزایش جریان رو به جلو را متعادل کند، و باعث می شود LED سطح نور خروجی خود را با وجود افزایش جریان رو به جلو حفظ یا حتی کاهش دهد. به منظور به حداکثر رساندن طول عمر و خواص نوری لامپ، بسیار مهم است که لامپ به گونه ای ساخته شود که مقاومت حرارتی را از نقطه لحیم کاری به محیط به حداقل برساند. خانواده LED مربعی OSLON ارائه شده توسط OSRAM Opto Semiconductors دارای مقاومت حرارتی پایین فقط 3.8 K/W است که به ویژه در دماهای محیط بالا عملکرد خوبی دارد و ممکن است به طول عمر قابل توجهی بیش از 50،{11}} ساعت حتی در دمای بالا دست یابد. درجه حرارت تا 135 درجه در LED. بر اساس عملکرد جریان ثابت با دمای محل اتصال در 120 درجه یا کمتر از آن، LEDهای سفید Lumileds LUXEON K2 70 درصد لومن را در 50،{17}} ساعت کارکرد با جریان رو به جلو 1000 میلی آمپر ارائه میدهند. این می تواند با افت خروجی کمی در دمای محل اتصال تا 150 درجه کار کند.
کنترل حرارتی: یک جنبه حیاتی از عملکرد سیستم
یک طراحی حرارتی موثر برای وسایل روشنایی صنعتی، به ویژه جایگاه های مرتفع به سبک UFO که در آن مدارها و LED ها در یک محفظه محصور قرار می گیرند، ضروری است تا دمای عملیاتی چنین دستگاه های اپتوالکترونیکی را کاهش دهد و در عین حال عملکرد و قابلیت اطمینان را افزایش دهد. وقتی صحبت از طرحهای با ارتفاع بالا میشود، هیت سینک - که اغلب یک محفظه یکپارچه لامپ است - تاکید اصلی طراحی حرارتی است. محل اتصال هر LED و محفظه راننده برای خنک شدن توسط یک هیت سینک در نظر گرفته شده است. به منظور گسترش سطح هیت سینک و تسهیل تبادل حرارت همرفتی بالاتر با هوای اطراف، سینک های حرارتی اغلب از مواد رسانای گرما مانند فلز ساخته می شوند و دارای پره یا کانال هستند. یک محفظه تهویه حرارتی داخلی که به داخل محفظه ریخته می شود امکان پذیر است. ترکیب مواد و عوامل محیطی بر رسانایی حرارتی محفظه بالا تأثیر می گذارد. هدایت حرارتی روش دیگری برای حذف گرمای اتلاف است که بر اساس هندسه اجزای سیستم است. هر ماده ای با رسانایی حرارتی بالا ممکن است برای ساخت سینک های حرارتی استفاده شود، از جمله آلیاژهای مس، آلومینیوم و فلز، اما محدود به آن نیست. علیرغم این واقعیت که مس دارای هدایت حرارتی حداقل 400 W/mK است. آلومینیوم به دلیل رسانایی حرارتی نسبتا بالا و سادگی ساخت آن، فلز انتخابی برای هیت سینک است. محفظه آلومینیومی می تواند دارای یک پوشش پودری اکریلیک باشد که روی هر دو سطح داخلی و خارجی اعمال می شود تا اتلاف گرما و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش دهد.
