Большое распространение на промышленных предприятиях получили светильники типа «хайбей» (англ. High Bay — «высокая балка»). Они крепятся напрямую или посредством подвеса к высоким потолкам промышленных цехов. Когда в таких светильниках применялись лампы накаливания или ртутные лампы, поверхность их корпуса была, как правило, гладкой, что облегчало их очистку от пыли. С переходом на светодиоды эти устройства обрели теплоотводы с ребрами, что усложнило очистку. Но современные технологии позволяют снова сделать поверхность корпуса светильников гладкой.
В заводских цехах забор воздуха в системе вытяжной вентиляции обычно осуществляется под потолком. Соответственно, мимо установленных там «хайбеев» проходят большие потоки воздуха, содержащего в себе пыль. Эта пыль оседает на поверхности светильников. Если радиатор теплоотвода имеет ребра, то процесс очистки светильника от пыли значительно усложняется. Конструкция уличных све-тильников во многом похожа на конструкцию современных «хайбеев», но там проблема загрязнения ребер теплоотвода обычно не возникает, поскольку поверхность корпуса очищается естественным образом дождями и сильными порывами ветра.
Мероприятия по обслуживанию светильников осуществляются на большой высоте с применением подъемника. Сокращение времени на очистку светильников позволит уменьшить количество сотрудников, которые занимаются такими работа-ми, уменьшить требуемое количество подъемников на предприятии или же снизить расходы на аренду данного оборудования.
Отвод тепла от светодиодов
Тепловое (термическое) сопротивление — это параметр, характеризующий способность тела (его поверхности или какого-либо слоя) препятствовать распространению теплового движения молекул. Формула, по которой вычисляется данный параметр:
Rt = (T2 – T1)/Q (1),
где T2 – температура начала теплового участка, К; T1 – температура конца теплового участка, K; Q – значение теплового потока, Вт.
Значение теплового сопротивления в физике выражается в K/Вт. Но поскольку разница температур в кельвинах численно равна разнице температур в градусах Цельсия, для инженерных применений нередко T1 и T2 берут по шкале Цельсия (тогда используется обозначение t1 и t2), при этом тепловое сопротивление выражается в °C/Вт. Численно значения теплового сопротивления, вы-раженные в K/Вт и °C/Вт, равны.
Теплопроводность — величина, обратная тепловому сопротивлению. Удельная теплопроводность (коэффициент теплопроводности) — это теплопроводность тела с единичной площадью и единичной толщиной, выражается в Вт/(м·K), для инженерных применений используется размерность Вт/(м·°C). Обозначается буквой λ.
Тепловое сопротивление участка цепи постоянного сечения равно:
Rt = l/(λS) (2),
где l – длина цепи; S – площадь сечения.
Светодиодный светильник можно представить в виде многослойной системы, проводящей тепло. При этом тепловые сопротивления слоев будут суммироваться. Обозначим мощность, потребляемую светодиодным модулем, как P, а его КПД как η.
Мощность теплового потока, согласно закону со-хранения энергии, составит:
Q = P (1 – η) (3).
Пусть тепловое сопротивление в месте соприкосновения модуля и радиатора теплоотвода равно Rконт, тепловое сопротивление тела радиатора — Rт, между поверхностью радиатора и воздухом — Rп.
Предположим, что светодиод работает, выделяет тепло и вся система находится в состоянии термодинамического равновесия. Тогда, согласно (1) и (3), при температуре окружающей среды — tо температура светодиодного модуля составит:
tмод = (Rконт + Rт + Rп) (1 – η) P (4).
Значение tмод при максимально возможном tо не должно превышать максимально допустимого значения температуры для светодиодного модуля.
Отказ от ребер в радиаторе теплоотвода приводит к значительному уменьшению значения Rп, в результате чего tмод может превысить максимально допустимое значение. Светодиоды, способные выдерживать повышенные температуры, стоят дорого, поэтому обычно идут путем компенсации уменьшения значения Rп.
Это можно сделать следующими способами:
- использование светодиодного модуля с увели-ченной светоотдачей, тогда КПД будет выше и можно уменьшить P с сохранением того же значения светового потока;
- уменьшение значения Rконт;
- уменьшение значения Rт.
Разберем указанные способы по отдельности более подробно.
Выбор светодиодного модуля
При конструировании светильников уже сложилась практика, что обычно подводимая к светодиодам мощность соответствует номинальному значению, заявленному производителем.
Выгода от применения такого подхода заключается в том, что минимизируется количество светодиодов, обеспечивающих нужный световой поток. Но, по сути, что такое на самом деле номинальная мощность светодиода? Это максимальное значение подводимой мощности, при котором обеспечиваются заявленные параметры, в частности, продолжительность работы. При этом если снизить подводимую мощность относительно номинального значения, то можно увеличить светоотдачу. Как это работает?
Зависимость светового потока от тока для светодиода близка к линейной. Поэтому с изменением силы тока светоотдача практически не меняется. Но увеличение силы тока влечет за собой и увеличение падения напряжения на светодиоде, причем эта зависимость носит нелинейный характер. Поскольку подводимая мощность равна произведению протекаемого через светодиод тока на падение напряжения на нем, то при уменьшении подводимой мощности светоотдача возрастает.
В качестве примера приведем SMD-светодиод типоразмера 2835 от одного из ведущих мировых производителей Refond (Китай). Данные берем из документации на светодиод. Номинальное значение тока 150 мА, в этом случае он дает световой поток 75 лм. Падение напряжения на светодиоде составляет 2,92 В, т. е. подводимая мощность будет 0,44 Вт. Итого получаем светоотдачу 170 лм/Вт.
Уменьшаем подводимую мощность в 2 раза, до 0,22 Вт. На вольт-амперной характеристике светодиода это будет соответствовать точке с напряжением 2,79 В и током 80 мА. При таком токе светодиод даст 45 лм. В этом случае светоотдача возрастает до 205 лм/Вт. Это на 21% больше, чем при номинальном токе 150 мА.
А теперь самое интересное. Современные светодиоды вплотную приблизились к физическому пределу светоотдачи, каждый дополнительный десяток лм/Вт ощутимо увеличивает цену. Поэтому выгоднее взять побольше недорогих светодиодов, используя их при подводимой мощности в 2–2,5 раза ниже номинальной, чем закупать светодиоды с повышенной светоотдачей при номинальной мощности.
Такой подход дает как минимум еще два преимущества. Во-первых, при пониженном токе увеличивается срок службы светодиодов. Во-вторых, увеличивается размер светящегося тела светильника. Проще говоря, из-за большего количества светодиодов при том же значении светового потока светильник уже не выглядит яркой слепящей точкой на потолке, что снижает уровень визуального дискомфорта.
Тепловой контакт радиатора и светодиодного модуля
Для снижения значения Rконт должна обеспечиваться максимальная площадь соприкосновения светодиодного модуля и радиатора теплоотвода. Это требует безупречно ровной поверхности радиатора, соприкасающейся с модулем, — теплопроводящие пасты способны решить проблему только частично. Наиболее ровную поверхность обеспечивает алюминиевый лист, полученный прокатом.
У радиаторов, полученных способом литья, поверхность не такая ровная, кроме этого, в ней встречаются раковины. Из-за растворения водорода в материале при высокой температуре внутри литых изделий образуются поры, которые так-же повышают тепловое сопротивление.
Литье из чистого алюминия применяется крайне редко из-за сложности процесса. Обычно теплоотводы для светильников отливают из силумина — сплава алюминия с кремнием, отличающегося высокой твердостью, что затрудняет его шлифовку до получения нужной равномерности поверхности. В то же время при изготовлении листов посредством проката обычно используют чистый алюминий, который отлично поддается шлифовке. Это является еще одним аргументом в пользу изготовления радиаторов из алюминиевого проката.
Материал для радиатора
Радиаторы для теплоотводов часто делают из силумина. Он дешевле чистого алюминия на 30–50% и удобнее для литья. Но удельная теплопроводность силумина значительно меньше, чем у чистого алюминия. Например, силумин марки AK12, в котором доля кремния составляет около 12%, имеет удельную теплопроводность 168 Вт/(м·°C), когда у электротехнического алюминия с чисто-той 99,5% она составляет 237 Вт/(м·°C). Исходя из (2), если взять теплоотводы одинаковых размеров и формы, то у изделия из силумина тепловое сопротивление будет выше, чем у изделия из чистого алюминия. Отсюда вывод — если радиатор светильника типа «хайбей» не имеет ребер, то следует делать его из чистого алюминия, а не из силумина.
Помимо чистого алюминия, в безреберных радиаторах недавно начали применять композитные материалы. Недостатком такого решения является высокая стоимость светильников с их использованием. Кроме этого, алюминий — прочный материал, прошедший проверку временем. Наконец, качественный алюминий в больших количествах производится в нашей стране, поэтому его применение снижает зависимость от импорта.
Пример реализации
Недавно Подольский завод светотехники «ТЕРРА» освоил в производстве серию светильников «ПромДиск». У этих светодиодных светильников типа «хайбей» теплоотвод не имеет ребер.
Конструкция светильников «ПромДиск» предусматривает их крепление на один подвес, что упрощает процессы монтажа, а также изменения высоты установки. Светодиодный модуль крепится к круглому радиатору из алюминиевого проката. Оптическая система плотно прилегает к светодиодам. Это практически полностью исключает накопление влаги в промежутке между светодиодным модулем и оптикой, которое бывает в некоторых других светильниках из-за «подсоса» при изменении температуры корпуса. Степень защиты корпуса от пыли и влаги IP65.
В светильниках «ПромДиск» применяются SMD-светодиоды типоразмера 2835 с номинальной мощностью 0,5 Вт. Но к ним подводится меньшая мощность — только 0,2 Вт на светодиод, что обеспечивает высокую светоотдачу и долговечность.
Общая светоотдача светильников «ПромДиск», в зависимости от модификации, составляет 150–180 лм/Вт. На осветительные приборы данной серии производитель дает гарантию 7 лет. Дополнительно увеличивает надежность наличие воздушного зазора между драйвером и радиатором, отводящим тепло от светодиодов, что исключает перегрев драйвера. Допустимая температура эксплуатации: от –40 до +40°С, по запросу возможно изготовление варианта на более высокие температуры.
В зависимости от модели, диаметр корпуса светильника составляет от 30 до 37 см. На выбор предлагаются версии с потребляемой мощностью от 80 до 240 Вт, световой поток от 15 000 до 35 000 лм. В базовом варианте оптическая система имеет только прозрачный плафон, под заказ возможно оснащение светильника линзами, обеспечиваю-щими угол распределения света 60° или 90°.
Выводы
Светодиодный промышленный светильник типа «хайбей» может иметь гладкий теплоотвод без ребер. Но для этого радиатор должен быть изготовлен из алюминиевого проката. Кроме этого, светодиоды должны обеспечивать высокую светоотдачу, чего можно добиться уменьшением подводимой к ним мощности. В итоге получается надеж-ный светильник, удобный в обслуживании.
