Eine elektrische Komponente, die dazu dient, Licht in einen Raum zu emittieren, wird als Beleuchtungskörper bezeichnet. In der Beleuchtungsbranche werden häufig die Begriffe „High Bay“- und „Low Bay“-Beleuchtung verwendet, die hauptsächlich die Fläche und die Höhe der betreffenden Decken definieren. Eine als Hallenleuchte bezeichnete Beleuchtungseinrichtung ist für Industriestandorte konzipiert, die über dem Boden oder einer Arbeitsfläche erhöht sind. Zu den Anwendungen für die Beleuchtung von Hochregalen können Beleuchtungssysteme gehören, die für den Einsatz in „Hochregalen“ wie Lagerhallen, Industrieanlagen, großen Einzelhandelsgeschäften, Sportarenen oder dergleichen vorgesehen sind, wo die Decken 30 Fuß oder höher sein können.
Im Vergleich zu herkömmlichen HID-Hallenleuchten bieten LED-Hallenleuchten eine Reihe von Vorteilen, darunter einen geringeren Energieverbrauch, bessere Leistungen bei höheren Antriebsströmen, längere Lebensdauer, erhöhte Robustheit, kleinere Größe, schnelleres Schalten sowie außergewöhnliche Haltbarkeit und Zuverlässigkeit. Die Komplexität, die durch die Überhitzung von LEDs entsteht, stellt jedoch ein ernstes Problem bei der Verwendung von Festkörperbeleuchtung dar.
Die Wärme- und Lichtquelle ist LED
Die Halbleiterdiode ist die Grundlage von Festkörperbeleuchtungsgeräten, die durch Leuchtdioden dargestellt werden. Elektronen und Löcher verbinden sich wieder, wenn die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt (aktiviert oder eingeschaltet) wird, und geben Energie in Form von Licht ab. Diese optoelektronischen Geräte erzeugen durch die Umwandlung von Energie in Licht Wärme, die, wenn man sie aufbaut, die Arbeitstemperatur erhöhen könnte, was zu einer Verschlechterung der Effizienz und einem frühen Ausfall führen könnte. Die Fähigkeit, die Temperatur einer Verbindungsstelle zu steuern und die ideale Dauerbetriebstemperatur zu erreichen, bestimmt häufig die Leistung einer LED. Eine schlechtere Lichtausbeute, eine schlechtere Leuchteneffizienz, eine dominierende Wellenlänge und eine noch kürzere Lebenserwartung hängen häufig mit einer höheren Sperrschichttemperatur zusammen. Die Sperrschichttemperatur der LED hat einen erheblichen Einfluss sowohl auf ihre Gesamteffizienz als auch auf die L70-Lebensdauer. Bei einer Galliumnitrid (GaN)-LED kann die Lebensdauer um 10 kHz (1000 Stunden) für jeden Anstieg der Sperrschichttemperatur um 10 Grad (über 25 Grad) verkürzt werden. Die Effizienz der LEDs sinkt um mehr als 10 Prozent, wenn die Sperrschichttemperatur von 40 auf 70 Grad erhöht wird. Um die Leistung aufrechtzuerhalten und die Betriebstemperatur der LED-Leuchte bei einer bestimmten Änderung der Sperrschichttemperatur und der Umgebungstemperatur zu regulieren, müssen geeignete Lösungen für das Wärmemanagement entwickelt werden.
Bereiche mit hohen Umgebungstemperaturen erfordern eine hohe Deckenbeleuchtung
Beleuchtungskörper werden in Hochhallengebäuden häufig an oder nahe der Decke montiert. Um eine ausreichende Beleuchtung zu gewährleisten, werden in diesen Lampen üblicherweise Hochleistungs-LEDs eingesetzt. Der einer LED zugeführte elektrische Strom und die Betriebstemperatur der LED beeinflussen beide, wie viel Licht sie erzeugt. Mit hohen elektrischen Ansteuersignalen lassen sich LEDs mit hohem Lichtstrom ansteuern, allerdings führt dies häufig dazu, dass die LEDs bei hohen Temperaturen betrieben werden. Darüber hinaus werden Hochregal-Anwendungen typischerweise in Umgebungen betrieben, die korrosiver und härter sind als Tiefregal-Anwendungen. Insbesondere in Produktionsanlagen wie Stahlwerken, Gießereien und Glasproduktionsanlagen können in Hochregallagern höhere Umgebungstemperaturen, mehr Staub und Ölpartikel in der Luft auftreten. Eine LED kann durch die von den dazugehörigen Schaltkreisen erzeugte Wärme beschädigt werden, wenn sie in einem Gehäuse mit wenig Platz und/oder in einer Umgebung mit hohen Umgebungstemperaturen betrieben wird.
Daher ist es wichtig, die im Inneren der LED-Leuchte erzeugte Wärme zu kontrollieren, während in Bereichen mit hohen Umgebungstemperaturen leistungsstarke Beleuchtung verwendet wird. Unter Wärmemanagement versteht man die Fähigkeit eines Systems, die überschüssige Wärme, die sich an der Verbindungsstelle ansammelt, von der hochgelegenen Halterung abzuleiten, was häufig zu einer Verschlechterung des Leuchtstoffs und einer Verkürzung der Lampenlebensdauer führen kann. Durch die Verwendung hochwertiger Leuchtenmaterialien, verbesserter Wärmeableitungsdesigns und sogar Temperatursensoren, die das Licht automatisch reduzieren, wenn sich zu viel Hitze aufbaut, verbessern LED-Hersteller ihre Designs ständig für höhere Temperaturen.
Verwenden Sie hochwertige LEDs, um zu überleben
Im Allgemeinen handelt es sich bei hochwertigen LEDs um langlebige Komponenten, die in heißen Umgebungen funktionieren können. Beispielsweise können CREE XM-L-LEDs bei einer Sperrschichttemperatur von bis zu 150 Grad funktionieren. Die relative Lichtausbeute von LED-Leuchten sinkt bei einer Umgebungstemperatur von 60 Grad lediglich um 10 Prozent im Vergleich zur relativen Lichtausbeute bei 25 Grad. Als thermischer Widerstand bezeichnet man im LED-Bereich die Gesamtkapazität eines Gerätes zum Wärmetransport. Die wärmeableitende Verbindung und die Verpackung der LEDs selbst wurden mit minimalen Wärmewiderstandspfaden entwickelt. Die maximale Verlustleistung in einem LED-Gehäuse hängt von seinem Wärmewiderstand sowie seiner maximalen Betriebstemperatur ab. Der Wärmewiderstand zwischen der LED-Verbindung und der Umgebungsluft bestimmt den maximalen Durchlassstrom. Starke LED-Sperrschichttemperaturen entstehen durch große Wärmeentwicklung im Inneren von LEDs mit hohem Wärmewiderstand. Wenn dies geschieht, können die Auswirkungen einer steigenden Sperrschichttemperatur in der LED die Auswirkungen eines steigenden Vorwärtsstroms ausgleichen, was dazu führt, dass die LED trotz eines Anstiegs des Vorwärtsstroms ihre Lichtleistung beibehält oder sogar verringert. Um die Lebensdauer und die optischen Eigenschaften der Leuchte zu maximieren, ist es entscheidend, dass die Leuchte so konstruiert ist, dass der Wärmewiderstand von der Lötstelle zur Umgebung minimiert wird. Die von OSRAM Opto Semiconductors vorgestellte LED-Familie OSLON Square verfügt über einen geringen thermischen Widerstand von nur 3,8 K/W, was besonders gut bei hohen Umgebungstemperaturen funktioniert und selbst bei hohen Temperaturen eine Lebensdauer von deutlich mehr als 50,{11}} Stunden erreichen kann Temperaturen von bis zu 135 Grad in der LED. Basierend auf einem Konstantstrombetrieb mit einer Sperrschichttemperatur von oder unter 120 Grad bieten die weißen Lumileds LUXEON K2-LEDs eine Lumenerhaltung von 70 Prozent bei 50,{17} Betriebsstunden bei einem Durchlassstrom von 1000 mA. Es kann mit geringen Leistungsverlusten bei Sperrschichttemperaturen von bis zu 150 Grad betrieben werden.
Wärmekontrolle: Ein entscheidender Aspekt der Systemleistung
Ein effektives thermisches Design ist für industrielle Beleuchtungskörper von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Hochregale im UFO-Stil, bei denen Schaltkreise und LEDs in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht sind, um die Betriebstemperatur solcher optoelektronischen Geräte zu senken und gleichzeitig die Leistung und Zuverlässigkeit zu verbessern. Bei der Gestaltung von Hochregalen steht der Kühlkörper – häufig ein integriertes Leuchtengehäuse – im Mittelpunkt der thermischen Gestaltung. Die Verbindung jeder LED und das Treibergehäuse sollen durch einen Kühlkörper gekühlt werden. Um die Oberfläche des Kühlkörpers zu vergrößern und einen höheren konvektiven Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft zu ermöglichen, bestehen Kühlkörper häufig aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise Metall, und verfügen über Rippen oder Kanäle. Eine eingebaute thermische Entlüftungskammer, die in das Gehäuse eingegossen ist, ist möglich. Die Materialzusammensetzung und Umgebungseinflüsse beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit des Hochregalgehäuses. Wärmeleitung ist eine weitere Methode zur Abführung von Abwärme, die auf der Geometrie der Komponententeile des Systems basiert. Für die Herstellung von Kühlkörpern kann jedes Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Kupfer, Aluminium und Metalllegierungen. Und das, obwohl Kupfer eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 400 W/mK hat. Aufgrund seiner relativ hohen Wärmeleitfähigkeit und einfachen Herstellung ist Aluminium das Metall der Wahl für Kühlkörper. Das Aluminiumgehäuse kann sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenfläche mit einer Acryl-Pulverbeschichtung versehen werden, um die Wärmeableitung und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
