EN
Prečo sa vaše vysokovýkonové LED uličné svietidlo zahrieva – a aký chladiaci dizajn tento problém odstraňuje
120 W LED uličná lampa premieňa približne 35–40 % vstupnej elektrickej energie na svetlo a 60–65 % na teplo – teda približne 72–78 W tepelnej energie, ktorú je potrebné nepretržite odvádzať z LED prechodu do okolitého vzduchu po dobu 12 hodín každú noc, 365 nocí ročne po dobu desať rokov. Ak sa toto teplo hromadí v LED prechode rýchlejšie, ako ho môže odvádzať kryt svietidla, teplota prechodu stúpne nad kritickú hranicu 85 °C – bod, v ktorom sa zrýchli pokles svietivosti LED z postupného úbytku o 3–5 % za každých 10 000 hodín na katastrofálny úbytok o 20–30 % za rovnaký časový úsek, a LED uličná lampa s deklarovanou životnosťou 50 000 hodín pri úrovni L70 dosiahne túto úroveň už po 20 000 hodín.
Reťazec odvádzania tepla v LED uličnom svietidle má štyri články, pričom najslabší článok určuje teplotu prechodu. Článok 1: tepelné rozhranie medzi LED čipom a doskou s kovovým jadrom (MCPCB) – spájkované spojenie alebo vrstva tepelne vodivej lepidlovej hmoty hrubá približne 50–100 mikrónov, ktorá musí prenášať teplo s minimálnym tepelným odporom (nižším ako 1,5 °C/W pre vysokovýkonové aplikácie). Článok 2: rozhranie medzi MCPCB a hliníkovým chladičom – zvyčajne vrstva tepelnej pasty alebo tepelnej podložky, ktorá vyplňuje mikroskopické vzduchové medzery medzi oboma povrchmi, pretože vzduch je tepelne vodivý približne 10 000-krát horšie ako hliník. Článok 3: samotný hliníkový chladič – litý chladič s integrovanými žebrovými výstupkami, ktorý zväčšuje plochu vystavenej okolitému vzduchu o 10–20-násobok v porovnaní s rovnako veľkou plochou bez žebrov. Článok 4: pasívna konvekcia – prirodzený prúd vzduchu cez žebrové výstupky chladiča spôsobený teplotným rozdielom medzi horúcim povrchom žebra a chladnejším okolitým vzduchom. Žiadne ventilátory, žiadne čerpadlá – LED uličné svietidlo musí odvádzať 78 W tepla tichým spôsobom a bez pohyblivých častí, pretože akékoľvek mechanické chladiace zariadenie predstavuje bod zlyhania, ktorý zlyhá skôr ako samotné LED diódy.
HAIROLUX, národný vysokotechnologický podnik s viac ako 13-ročnou skúsenosťou v výrobe LED vonkajších svietidiel, navrhuje kryty LED uličných svietidiel z liatiny hliníka s optimalizovanou geometriou chladiacich rebier – vzdialenosť, výška a hrúbka rebier sa vypočítajú pre konkrétny rozsah výkonu (30 W – 120 W pre slnečné LED uličné svietidlá, až 150 W pre sieťové LED uličné svietidlá), aby sa dosiahla rovnováha medzi tepelným výkonom, štrukturálnou tuhosťou, hmotnosťou a odolnosťou voči veternému zaťaženiu stĺpa.
Konštrukčné prvky, ktoré rozhodujú o účinnosti chladenia
Geometria chladiacich rebier na pouličnom svietidle s LED musí vyvážiť tri navzájom súperiace požiadavky. Širšie rozostupy medzi rebiermi (8–12 mm) zlepšujú pasívnu konvekciu, pretože vzduch medzi rebiermi prúdi voľnejšie, avšak znižujú celkovú plochu povrchu rebier dostupnú na odvod tepla. Úzkejší rozostup (4–6 mm) zvyšuje povrchovú plochu, ale obmedzuje prietok vzduchu a výsledné hromadenie tepla v úzkych kanáloch môže dokonca zvýšiť teplotu spoja napriek väčšej povrchovej ploche – protirečivý výsledok potvrdený tepelnou simuláciou. Litinové hliníkové kryty pouličných svietidiel HAIROLUX s LED využívajú optimalizovaný rozostup rebier overený tepelnou simuláciou pre každý výkonový rozsah produktu, pričom kryt zároveň plní funkciu štrukturálneho puzdra (utopené podľa stupňa krytia IP65/IP66 proti vlhkosti) aj hlavného chladiča – dizajn s dvojnásobnou funkciou, ktorý eliminuje samostatné tepelné rozhranie medzi chladičom a puzdrom, čím sa zníži tepelný odpor.
Reálna aplikácia: Test odolnosti proti teplu na diaľnici v Strednom východe
Pri projekte osvetlenia diaľnice v Saudskej Arábskej sa špecifikovali svietidlá pre uličné LED svietidlá s výkonom 150 W na stĺpoch vysokých 12 metrov pozdĺž púštnych diaľníc, kde sa letné vonkajšie teploty počas dňa pravidelne zvyšujú nad 45 °C a v noci zostávajú vyššie ako 35 °C – podmienky, ktoré výrazne znížia pasívne chladenie konvekciou LED uličného svietidla, pretože rozdiel teplôt medzi chladičom a okolitým vzduchom klesne zo zhruba 50 °C (pri vonkajšej teplote 25 °C) na približne 25 °C (pri vonkajšej teplote 45 °C). Projekt pôvodne inštaloval LED uličné svietidlá od dodávateľa, ktorý nepreukázal ich tepelnú odolnosť pri prevádzke za vysokých vonkajších teplôt – do 18 mesiacov sa jasnosť (luminancia) znížila o 25–30 % a klesla pod minimálny požadovaný stupeň osvetlenia pre diaľnicu.
Úrad nahradil nefunkčné jednotky LED uličných svietidiel svietidlami HAIROLUX, ktoré boli špeciálne navrhnuté pre prostredia s vysokou okolitou teplotou: zväčšená plocha chladiacich rebier (hlbšie rebierá, predĺžená dĺžka krytu), vyššie výkonné tepelné medzivrstvy medzi MCPCB a chladičom a LED riadiace zariadenia certifikované na prevádzku pri okolitej teplote 70 °C namiesto štandardných 50 °C. Po troch rokoch prevádzky za rovnakých pouštných podmienok sa mierka poklesu svetelného výkonu merala na 8 % – v rámci predpokladanej trajektórie L70 pre viac ako 50 000 hodín. Tepelný návrh LED uličného svietidla HAIROLUX dokázal, že prevádzka v prostredí s vysokou okolitou teplotou je riešiteľná prostredníctvom inžinierskych opatrení, nie je to nevyhnutné obmedzenie technológie LED.
Často kladené otázky
Aká je maximálna bezpečná teplota LED prechodu?
85 °C je priemyselný štandardný maximálny teplotný rozsah prepnutia LED uličných svietidiel pri dlhodobej prevádzke. Nad 85 °C sa pokles svietivosti zrýchľuje nelineárne. Pri 105 °C môže LED s udávanou životnosťou 50 000 hodín do dosiahnutia úrovne L70 dosiahnuť túto úroveň už po 15 000 hodín. Tepelné systémy LED uličných svietidiel HAIROLUX sú navrhnuté tak, aby udržiavali teplotu prepnutia pod 80 °C aj za najhorších vonkajších podmienok.
Prečo sa na použitie v krytoch LED uličných svietidiel používa hliník?
Hliník má tepelnú vodivosť približne 200 W/m·K – približne 800-krát vyššiu ako plast (0,25 W/m·K) a 5-krát vyššiu ako oceľ (40 W/m·K). Litý hliník zároveň poskytuje štrukturálnu pevnosť, odolnosť voči korózii a úplnú recyklovateľnosť. Kryty LED uličných svietidiel HAIROLUX sú z litého hliníka s integrovanými chladiacimi rebrami.
Môže aktívne chladenie (ventilátory) predĺžiť životnosť LED uličných svietidiel?
Aktívne chladenie zníži teplotu pripojenia v krátkodobom horizonte, avšak zavádza ventilátor so štandardnou životnosťou 30 000–50 000 hodín – čo je menej ako 50 000+ hodín pre hodnotenie životnosti LED uličného svietidla. Keď ventilátor zlyhá, teplota pripojenia LED prudko stúpne a LED sa rýchlo degradujú. Pasívne chladenie (chladenie cez tepelný výmenník + prirodzená konvekcia) nemá žiadne pohyblivé časti ani žiadne režimy poruchy – ide o preferovaný návrh pre dlhú životnosť LED uličných svietidiel.
Ako ovplyvňuje hromadenie prachu chladenie LED uličného svietidla?
Prach na rebroch tepelného výmenníka pôsobí ako izolačná vrstva a podľa hrúbky usadeného prachu zníži prenos tepla do okolitého vzduchu o 5–15 %. Konštrukcia rebier s funkciou samovyčistenia – rebier naklonených nadol so hladkými povrchmi – znižuje udržiavanie prachu v porovnaní s vodorovnými povrchmi. Geometria rebier HAIROLUX berie do úvahy nielen tepelný výkon, ale aj odolnosť voči kontaminácii.
Má stupeň krytia IP LED uličného svietidla vplyv na chladenie?
Vyššie hodnoty klasifikácie IP (IP66 oproti IP65) poskytujú lepšiu ochranu pred vlhkosťou a prachom, avšak môžu obmedziť vnútorný prietok vzduchu a tak udržiavať teplo vo vnútri tesnej konštrukcie. Optimálny návrh dosahuje rovnováhu medzi tesnením (na ochranu pred vonkajšími vplyvmi) a cestami pre tepelnú vodivosť, ktoré obchádzajú tesnený priestor – teplo sa prenáša cez stenu konštrukcie vedením, nie cez tesnenú vzduchovú medzeru prúdením. Návrhy LED uličných svietidiel HAIROLUX s klasifikáciou IP65/IP66 využívajú tento prístup s prenosom tepla vedením.
Ako overím tepelný výkon LED uličného svietidla?
Požiadajte výrobcu o správu z tepelnej simulácie, ktorá uvádza teplotu pripojenia pri maximálnej okolitej teplote v rámci projektu, nie pri laboratórnych podmienkach 25 °C. Požiadajte o testovacie údaje LM-80 pre konkrétny použitý model LED a projekcie TM-21, ktoré zohľadňujú skutočnú prevádzkovú teplotu pripojenia v danom osvetlení (nie ideálnu teplotu podmienok u výrobcu LED). HAIROLUX poskytuje tepelnú dokumentáciu spolu s ponukami pre projekty.