Een elektrisch onderdeel dat wordt gebruikt om licht in een ruimte uit te stralen, wordt een verlichtingsarmatuur genoemd. De woorden "high bay" en "low bay" verlichting, die voornamelijk het gebied en de hoogte van de betrokken plafonds definiëren, worden vaak gebruikt in de verlichtingsbranche. Een verlichtingsarmatuur, een hoogbouwarmatuur genaamd, is gemaakt voor industriële locaties die boven de grond of een werkoppervlak zijn verheven. Toepassingen voor hoogbouwverlichting kunnen verlichtingssystemen zijn die zijn gemaakt voor gebruik in "hoogbouw", zoals magazijnen, industriële fabrieken, grote winkelinrichtingen, sportarena's en dergelijke, waar de plafonds 9 meter of hoger kunnen zijn.
Vergeleken met conventionele HID-hoogbouwarmaturen bieden LED-hoogbouwarmaturen een aantal voordelen, waaronder een lager energieverbruik, betere output bij hogere aandrijfstromen, langere levensduur, grotere robuustheid, kleinere afmetingen, sneller schakelen en uitzonderlijke duurzaamheid en betrouwbaarheid. De complexiteit die wordt veroorzaakt door oververhitting van LED's, vormt echter een serieus probleem bij het gebruik van solid-state verlichting.
De warmte- en lichtbron is LED
De halfgeleiderdiode is de basis van solid-state verlichtingsapparaten, die worden weergegeven door lichtgevende diodes. Elektronen en gaten komen weer samen wanneer de diode voorwaarts wordt voorgespannen (geactiveerd of ingeschakeld), waardoor energie vrijkomt in de vorm van licht. Deze opto-elektronische apparaten produceren warmte als gevolg van het omzetten van energie in licht, dat, als het zich ophoopt, de werktemperatuur kan verhogen, wat resulteert in verslechtering van de efficiëntie en vroegtijdige uitval. Het vermogen om de temperatuur van een knooppunt te regelen en de ideale stabiele bedrijfstemperatuur te bereiken, bepaalt vaak de prestaties van een LED. slechtere lichtopbrengst, slechtere armatuurefficiëntie, een overheersende golflengte en zelfs kortere levensverwachting worden vaak in verband gebracht met een hogere junctietemperatuur. De junctietemperatuur van de LED heeft een aanzienlijke invloed op zowel de algehele efficiëntie als de levensduur van de L70. Voor een galliumnitride (GaN) LED kan de levensduur worden verkort met 10 kHrs (1000 uur) voor elke 10 graden stijging van de junctietemperatuur (meer dan 25 graden). Het rendement van de LED's zal met meer dan 10 procent afnemen als de junctietemperatuur wordt verhoogd van 40 graden naar 70 graden. Om de prestaties te behouden en de bedrijfstemperatuur van de LED-armatuur te regelen voor een bepaalde verandering in de junctietemperatuur en de omgevingstemperatuur, moeten de juiste oplossingen voor thermisch beheer worden bedacht.
Gebieden met hoge omgevingstemperaturen vereisen High Bay-verlichting
Verlichtingsarmaturen worden vaak aan of dicht bij het plafond gemonteerd in hoge gebouwen. Om voor voldoende verlichting te zorgen, worden in deze lampen gewoonlijk krachtige LED's gebruikt. De elektrische stroom die aan een LED wordt gegeven en de bedrijfstemperatuur van de LED hebben beide invloed op de hoeveelheid licht die deze produceert. Hoge elektrische aandrijfsignalen kunnen worden gebruikt om LED's met een hoge lichtstroom aan te drijven, maar dit leidt er vaak toe dat de LED's bij hoge temperaturen werken. Bovendien werken hoogbouwtoepassingen doorgaans in omgevingen die corrosiever en ernstiger zijn dan laagbouwtoepassingen. Met name in productiefaciliteiten zoals staalfabrieken, gieterijen en glasfabrieken kunnen hoogbouwomgevingen hogere omgevingstemperaturen, meer stof in de lucht en oliedeeltjes hebben. Een LED kan beschadigd raken door de warmte die wordt geproduceerd door de bijbehorende circuits tijdens het werken in een behuizing met weinig ruimte en/of in een omgeving met hoge omgevingstemperaturen.
Als gevolg hiervan is het van cruciaal belang om de geproduceerde warmte in de LED-armatuur te beheersen terwijl krachtige verlichting wordt gebruikt in gebieden met hoge omgevingstemperaturen. Thermisch beheer verwijst naar het vermogen van een systeem om de overtollige warmte die zich ophoopt bij de verbinding uit de hoge armatuur te verwijderen, wat vaak de fosfor kan aantasten en de levensduur van de lamp kan verkorten. Met het gebruik van eersteklas armatuurmaterialen, verbeterde ontwerpen voor warmteafvoer en zelfs temperatuursensoren die automatisch minder licht geven wanneer er te veel warmte wordt opgebouwd, verbeteren LED-makers hun ontwerpen altijd voor hogere temperaturen.
Gebruik hoogwaardige LED's om te overleven
Over het algemeen zijn hoogwaardige LED's duurzame componenten die kunnen functioneren in warme omgevingen. CREE XM-L LED's kunnen bijvoorbeeld functioneren bij een junctietemperatuur tot 150 graden. De relatieve lichtopbrengst van LED armaturen daalt bij omgevingstemperaturen van 60 graden slechts 10 procent ten opzichte van de relatieve lichtopbrengst bij 25 graden. Thermische weerstand is een term die wordt gebruikt om de algehele capaciteit van een apparaat te beschrijven om warmte te transporteren in de LED-sector. De warmteverspreidende verbinding en verpakking van de LED's zelf zijn ontworpen met minimale thermische weerstandspaden. Het maximale vermogen dat in een LED-pakket mag worden gedissipeerd, hangt af van zowel de thermische weerstand als de maximale werktemperatuur. De thermische weerstand tussen de LED-junction en omringende lucht bepaalt de maximale doorlaatstroom. sterke LED-junctietemperaturen zijn het gevolg van een grote warmteopbouw in LED's met een sterke thermische weerstand. Wanneer dit gebeurt, kunnen de effecten van de groeiende junctietemperatuur in de LED de effecten van stijgende voorwaartse stroom compenseren, waardoor de LED zijn lichtopbrengst behoudt of zelfs verlaagt ondanks toename van de voorwaartse stroom. Om de levensduur van de armatuur en de optische eigenschappen te maximaliseren, is het van cruciaal belang dat de armatuur zo wordt geconstrueerd dat de hittebestendigheid van het soldeerpunt tot de omgeving tot een minimum wordt beperkt. De door OSRAM Opto Semiconductors gepresenteerde OSLON Square LED-familie heeft een lage thermische weerstand van slechts 3,8 K/W, die bijzonder goed presteert bij hoge omgevingstemperaturen en een levensduur kan bereiken van aanzienlijk meer dan 50,000 uur, zelfs bij hoge temperaturen tot 135 graden in de LED. Gebaseerd op constante stroom met een junctietemperatuur die op of onder 120 graden wordt gehouden, bieden de Lumileds LUXEON K2 witte LED's 70 procent lumenbehoud bij 50,{17}} bedrijfsuren bij een voorwaartse stroom van 1000 mA. Het kan werken met weinig outputverlies bij knooppunttemperaturen tot 150 graden.
Thermische controle: een cruciaal aspect van systeemprestaties
Een effectief thermisch ontwerp is essentieel voor industriële verlichtingsarmaturen, met name de UFO-stijl high bays waar circuits en LED's in een gesloten behuizing zijn geplaatst, om de bedrijfstemperatuur van dergelijke opto-elektronische apparaten te verlagen en tegelijkertijd de prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren. Als het gaat om high bay-ontwerpen, is het koellichaam - dat vaak een geïntegreerde armatuurbehuizing is - de belangrijkste nadruk van het thermische ontwerp. De kruising van elke LED en de behuizing van de driver zijn bedoeld om te worden gekoeld door een koellichaam. Om het oppervlak van het koellichaam te vergroten en een hogere convectiewarmte-uitwisseling met de omringende lucht mogelijk te maken, zijn koellichamen vaak gemaakt van een warmtegeleidend materiaal, zoals metaal, en hebben ze vinnen of kanalen. Een ingebouwde thermische ontluchtingskamer die in de behuizing is gegoten is mogelijk. De materiaalsamenstelling en omgevingsfactoren zijn van invloed op de thermische geleidbaarheid van de hoogbouwbehuizing. Thermische geleiding is een andere methode voor het verwijderen van afvalwarmte die is gebaseerd op de geometrie van de onderdelen van het systeem. Elk materiaal met een hoge thermische geleidbaarheid kan worden gebruikt om koellichamen te maken, inclusief maar niet beperkt tot koper, aluminium en metaallegeringen. Ondanks dat koper een warmtegeleidingsvermogen heeft van minimaal 400 W/mK. Vanwege de relatief hoge thermische geleidbaarheid en de eenvoud van fabricage is aluminium het metaal bij uitstek voor koellichamen. De aluminium behuizing kan zowel aan de binnen- als de buitenkant voorzien zijn van een acryl poedercoating om de warmteafvoer en de corrosiebestendigheid te verbeteren.
