Современные системы освещения промышленного применения должны отвечать требованиям долговечности и надежности. Это среди прочего предполагает долгий срок службы, эффективность, цветовой диапазон, корректную цветопередачу, компактность конструкции и простоту обслуживания.
Рис. 1. Высокоэффективные светодиоды, в частности, устанавливаются на стадионах
В большинстве случаев прожекторы и лампы-вспышки, выполненные на базе светодиодных модулей с долгим сроком службы в разных категориях мощности, ценятся очень высоко. Их высокая яркость позволяет получить направленный пучок света при низком энергопотреблении. Однако, как и во всех случаях, связанных с полупроводниками, возникает необходимость эффективного отвода тепла, т. к. в противном случае температура прибора может достигнуть опасного уровня, несмотря на высокий КПД миниатюрных светодиодов. Благодаря специальным модулям охлаждения светодиодов, пришедшим на смену пассивным теплоприемникам, современные решения по охлаждению с активным потоком воздуха позволяют целенаправленно рассеивать тепло наряду с уменьшением размера устройств охлаждения и экономией материалов. Кроме того, можно использовать новые возможности конструкции, максимально уменьшая потребность в техническом обслуживании очень сложных систем освещения на таких объектах, как музеи, театры, культовые здания, складские помещения, стадионы (рис. 1), а также систем уличного освещения. Активное охлаждение открывает новые горизонты применения эффективного светодиодного освещения.
Выбор правильного источника света
От правильности освещения зависит то, как мы воспринимаем мир. Именно над решением этой задачи работают различные специалисты по освещению, помогающие нам видеть объекты «в нужном свете». Однако даже эксперты часто затрудняются с выбором правильного источника света. В идеальном случае источник света должен быть универсальным, не требующим большого монтажного пространства и потребляющим минимум электроэнергии. Источники света в виде бескорпусных чипов отвечают всем требованиям промышленного применения. Однако чип, состоящий из полупроводников, должен иметь локальное охлаждение для достижения долгого срока службы и корректности цветопередачи. Для обеспечения соответствия требованиям, предъявляемым к бескорпусным чипам, компания ebm-papst разработала линейку компактных систем охлаждения, специально предназначенных для рыночного сегмента новых высокопроизводительных светодиодов. Такие системы занимают минимум пространства и предоставляют уникальные возможности для систем освещения.
Светодиодные лампы – насколько они компактны и эффективны?
При внимательном рассмотрении возможностей применения бескорпусных чипов отчетливо проявляется несколько проблем (рис. 2). Светодиодный чип, являясь полупроводниковой сборкой, может работать только до заданной температуры. Как только температура выходит за этот предел, начинают быстро возникать проблемы. Прежде всего, это снижение показателя цветопередачи (CRI), эффективности и – что особенно критично – сокращение срока службы. Но даже при более низких температурах материал светодиода быстро стареет, яркость и эффективность светодиода падают, цветовой диапазон сужается – короче, эксплуатационный ресурс становится меньше. Несмотря на высокую эффективность светодиода, тепло, генерируемое на его поверхности, и высокая удельная мощность светодиодного источника света могут быть внушительными. Такое количество тепла необходимо рассеять либо с помощью традиционного пассивного охлаждения (которое часто реализуется в виде громоздких конструкций), либо за счет активного отвода тепла (см. рис. 5). В принципе, следует уделить внимание следующим моментам. Поток энергии (тепла) всегда идет в направлении от горячего к холодному. В системах охлаждения необходимо учитывать общую теплостойкость, т. е. суммарную теплостойкость всех потоков. Уже здесь проявляется разница между концепциями пассивного и активного охлаждения: траектория охлаждения «светодиодный чип – субстрат – теплоотвод – воздух» всегда остается одинаковой, но с точки зрения применяемых светодиодов системы охлаждения с равным КПД существенно различаются. Чем больше используется светодиодов, тем больший требуется теплоотвод. Разработчики пока не могут придумать компактные осветительные приборы с мощными светодиодами малого размера и пассивным охлаждением, поскольку в этом случае требуется большой радиатор для рассеивания / отвода тепла в окружающую среду, что накладывает серьезное ограничение в практическом применении такого прибора. Другими словами, светодиодные светильники с пассивным охлаждением являются материалоемкими, отнюдь не компактными и не экологически ориентированными. В этом смысле активное охлаждение имеет ряд существенных преимуществ (рис. 3).
'' Компания ebm-papst разработала линейку компактных систем охлаждения, специально предназначенных для рыночного сегмента новых высокопроизводительных светодиодов.
Рис. 2. Расчетный срок службы светодиода во многом зависит от температуры, поэтому направленный отвод тепла имеет очень большое значение.
Рис. 3. Решения по активному охлаждению также впечатляют компактностью конструкций
Инновационное активное охлаждение
Поскольку рассеивание тепла в окружающий воздух является главным источником противодействия выделению энергии, можно также использовать большие резервы охлаждения. Основной особенностью активного охлаждения является направленная подача воздуха на радиатор охлаждения. Принудительная конвекция или, если сказать точнее, турбулентный поток формируется в направлении радиатора охлаждения, что заметно повышает теплопередачу в окружающую среду. Обычно система работает следующим образом: к небольшой по площади поверхности светодиода вплотную примыкает радиатор, выполненный из материала с высоким показателем теплопроводности. Тем самым обеспечивается низкое тепловое сопротивление, а значит, более интенсивная передача тепла от светодиода к радиатору, которая увеличивается в четыре, а то и в шесть раз благодаря потоку холодного воздуха, создаваемому вентилятором. Эксперты по электронным системам охлаждения компании ebm-papst в Санкт-Георгене объединили радиатор с вентилятором в компактном модуле, специально предназначенном для применения в светодиодных осветительных приборах, что упрощает обслуживание этих приборов (рис. 4). Компактная конструкция модуля не только позволяет экономить материалы при производстве, но также снижает вес осветительного прибора, а направленный воздушный поток не дает инородным частицам, например пыли, накапливаться внутри корпуса светильника.
Рис. 4. Радиаторы охлаждения и вентиляторы можно объединить в одном компактном модуле для создания общего решения по охлаждению светодиодов, что облегчает сборку осветительных приборов.
''' Важными требованиями к применению активного охлаждения являются низкий уровень рабочего шума и долгий срок службы
Бесшумный, надежный, долговечный
Ужесточающиеся требования к современным светодиодным осветительным приборам предполагают оптимизацию программ моделирования с учетом применяемых материалов и аэродинамики, и здесь надежные модули охлаждения могут быть успешно встроены в ограниченное до предела пространство. А шестикратное уменьшение размера прибора в сравнении с аналогичным осветительным прибором, но с пассивным охлаждением, говорит само за себя. Другими убедительными аргументами в пользу активного охлаждения являются низкий уровень рабочего шума и длительный срок службы. Большинство людей начинают воспринимать шум с мощности 12 дБ(А). Описанные выше вентиляторы работают с уровнем шума в диапазоне от 7 до 19 дБ(А), в то время как уровень шума многих предлагаемых на рынке вентиляторов составляет не ниже 18 дБ(А). Для сравнения, уровень шума в офисе находится на отметке примерно 35 дБ(А), поэтому рабочий шум наших модулей не будет слышен ни в музеях, ни в театрах. Потребляемая мощность вентилятора составляет от 0,18 до 1,1 Вт при питании 12 В пост. тока. Это позволяет модулям надежно отводить тепло в диапазоне напряжения от 38 до 200 В. В зависимости от категории производительности компактные круглые и квадратные модули выпускаются с диаметром / длиной стороны 40, 50, 60, 80, 92 и 119 мм и общей длиной от 10 до 25 мм.
Рис. 5. На рисунке показано, как светодиод нагревает радиатор охлаждения (заливка красным цветом, 55 °C) и как вентилятор продувает холодный воздух (заливка синим цветом, 25 °C) через теплоотвод, тем самым снижая максимальную температуру светодиода примерно до 60 °C.
Центробежные вентиляторы выпускаются размером 51, 76 и 97 мм и высотой от 15 до 33 мм. Таким образом, в сравнении с пассивным охлаждением яркость светильника при активном охлаждении может увеличиться в полтора два раза при тех же габаритах прибора. Другим положительным моментом направленного активного охлаждения является корректная цветопередача. Высокий показатель цветопередачи особенно важен в музеях, где экспонируемые объекты должны иметь правильную подсветку. Поскольку модули охлаждения были разработаны для широкого применения без необходимости обслуживания, их срок службы сравним с источниками света на базе бескорпусных чипов. При температуре 40 °C срок службы составляет от 87 500 до 97 500 часов, т. е. примерно 10 лет; при температуре окружающей среды 20 °C срок службы удваивается и часто может превышать срок службы самих светодиодов. Экологические технологии от компании ebm-papst также учитывают общую концепцию использования продукции, ориентированную на бережное отношение к окружающей среде, при разработке, производстве, эксплуатации и утилизации изделий.
Благодаря компактному размеру современные модули активного охлаждения светодиодов позволяют реализовать абсолютно новые концепции освещения, существенно сократить сроки производства изделий на базе чипов и улучшить экологический баланс решений по освещению благодаря низкой потребности в обслуживании приборов.
АВТОР: МАРТИН САУТЕР (MARTIN SAUTER), РУКОВОДИТЕЛЬ ГРУППЫ ПРОДАЖ – ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА, EBM-PAPST, САНКТ-ГЕОРГЕН.
Вы хотели бы получить больше информации по этой теме? Контактное лицо для направления Ваших вопросов: Martin.Sauter@de.ebmpapst.com
