Laboratórne skúšky svietidiel a svetelných zdrojov prebiehajú v špecializovaných fotometrických laboratóriách pri určitých laboratórnych podmienkach vymedzených normou STN EN 13032. Jednou z mnohých podmienok je teplota v laboratóriu 25 °C. Táto teplota je meraná tak, aby meranie nebolo ovplyvňované prúdením vzduch klimatizácie ani sálaním svietidla – ideálne podmienky. Na druhej strane svietidlo môže byť inštalované do priestorov, kde okolitá teplota bude vysoko prevyšovať 25 °C. Takýmito priestormi môžu byť napr. vysoké priemyselné haly, ktoré síce majú vzduchotechniku pod stropom, ale inštalované svietidlá často bývajú umiestnené nad vzduchotechnikou blízko stropu. Teplotu prostredia môže ešte zvýšiť prípadný technologický proces výroby, pri ktorom vzniká prebytočné teplo. Charakterizáciou elektrických a fotometrických parametrov LED svetelných zdrojov a LED svietidiel v závislosti od teploty sa zaoberá IES LM-82-11. Výkon LED závisí od teploty PN priechodu, ktorú ovplyvňuje spôsob integrácie LED do svietidla a prostredie aplikácie. Vo všeobecnosti je výkon LED z hľadiska svetelného toku, farby svetla a životnosti závislý od teploty PN priechodu.

Počas prevádzky môže teplota PN priechodu dosiahnuť 150 °C. Pri tejto teplote je množstvo prenášanej tepelnej energie do prostredia radiáciou veľmi malé. Preto sa na efektívne obmedzenie teploty PN priechodu používajú aktívne alebo pasívne chladiče. Zapojenie jednotlivých komponentov a prenos tepla medzi nimi znázorňujeme pomocou tepelného modelu. Tepelný odpor je miera schopnosti materiálu rozptýliť teplo [2]. Tepelný model zjednodušeného sériového tepelného odporu pre LED tepelný systém je zobrazený na obr. 1 [3]. Tepelný odpor medzi chladičom a okolitým vzduchom závisí od vodivosti a konštrukcie chladiča. Prenos tepla medzi LED modulom a chladičom je väčšinou vedením. Teplo z chladiča je rozptýlené do okolia prevažne prúdením, v menšej miere sálaním [3].

Chladenie LED modulov

Aby LED moduly fungovali správne, sú svietidlá konštruované s určitým chladením. Odvod tepla je kľúčovým faktorom, ktorý obmedzuje výkon LED svetelného zdroja. Maximálnu pracovnú teplotu presne definuje výrobca. Pri prekročení tohto teplotného limitu sa spúšťa degradácia LED čipu a z toho vyplývajúce zníženie životnosti a svetelného toku. Chladenie LED modulov môže byť pasívne alebo aktívne.

Pasívne chladenie LED modulov

Potrebná veľkosť chladiča závisí od rozdielu medzi teplotou LED modulu TC a teplotou okolia Ta, celkového príkonu a materiálových vlastností chladiča. Aby sa zaistilo adekvátne chladenie, musí sa pri návrhu chladiča brať do úvahy aj ohrev vzduchu spôsobený zdrojmi tepla v blízkosti riešeného LED modulu. Každé rozhranie v systéme zvýši celkový tepelný odpor, a preto je dôležitá dobrá tepelná vodivosť v každej časti tepelnej cesty. Ak sa chladič vyrába z viacerých kusov, je nutné venovať pozornosť dôkladnej montáži jednotlivých častí. Zlepšenie tepelného odporu medzi jednotlivými časťami chladiaceho systému môžeme dosiahnuť použitím tenkej vrstvy teplovodivej pasty. Šírenie tepla konvekciou prebieha na povrchu chladiča, preto platí, že väčšia plocha rozptýli viac tepla do prostredia. Ak je chladiaci systém v uzatvorenej oblasti alebo prúdeniu vzduchu zabraňujú konštrukčné časti svietidla, môže dôjsť k neadekvátnemu chladeniu. Aby boli splnené požiadavky na výkon a životnosť LED panela, je dôležité maximalizovať účinnosť chladiča napríklad jeho vhodným umiestnením. Rebrovanie chladiča by malo byť umiestnené tak, aby zohriaty vzduch mohol stúpať. Počet rebier chladiča zohráva dôležitú rolu z hľadiska jeho účinnosti. Veľký počet rebier nahusto uložených vedľa seba má síce veľkú plochu na odvod tepla, avšak účinok odvodu tepla konvekciou bude znížený z dôvodu nedostatočného prístupu vzduchu [3], [4].

Aktívne chladenie LED modulov

Čím je výkon LED modulu vyšší, tým je väčšia aj požiadavka na veľkosť chladiča. Avšak to môže predstavovať výzvu pri navrhovaní svietidiel s kompaktnými rozmermi. Riešením tohto problému môže byť použitie aktívneho chladenia. Aby sa vytvorilo správne riešenie aktívneho chladenia pre LED s vysokým jasom, metóda tepelného riadenia musí mať nízku spotrebu energie, dostatočnú flexibilitu na zabudovanie do rôznych typov svietidiel a životnosť rovnajúcu sa životnosti svetelného zdroja alebo vyššiu. Typy aktívneho chladenia LED modulov spočívajú v nútenej cirkulácii vzduchu cez rebrá chladiča pomocou ventilátora alebo pomocou syntetickej dýzy, ktorá používa oscilujúce membrány na vytvorenie impulzov vzduchu presne smerovaných do oblasti vyžadujúcej chladenie.

Ďalšie možnosti aktívneho chladenia LED modulov sú [4]:

  • chladenie pomocou termoelektrického článku,
  • chladenie kvapalinou,
  • chladenie použitím radiálnych ventilátorov.

Koncepčné aspekty aktívneho chladenia sú [4]:

  • zabezpečenie dizajnu svietidla s ohľadom na vstup studeného vzduchu a výstup horúceho vzduchu,
  • zabránenie cirkulácii teplého vzduchu vnútri svietidla,
  • minimalizácia hluku ventilátora alebo syntetickej dýzy.

Požiadavky na meranie svetelného toku a náhradnej teploty chromatickosti

Štandardné skúšky svetelných zdrojov a svietidiel s ohľadom na ich použitie v praxi sa vykonávajú vo svetelnotechnickom laboratóriu. Tieto laboratórne merania sú nevyhnutné pre správny návrh osvetľovacej sústavy. Výstupom týchto skúšok sú parametre ako svetelný tok a jeho distribúcia do priestoru, rozmery svietidla a svetelnočinnej časti, elektrické parametre a pod. Laboratórne požiadavky a postupy týchto skúšok vychádzajú z normatívnych dokumentov, ako je napr. STN EN 13032 Svetlo a osvetlenie. Meranie a vyhodnotenie fotometrických údajov svetelných zdrojov a svietidiel. Treba zdôrazniť, že laboratórne podmienky používané pri testovaní svietidiel môžu byť odlišné od podmienok na mieste inštalácie svietidiel [5].

Aby sme zistili vplyv teploty na fotometrické parametre LED svetelných zdrojov, vykonali sme meranie podľa IES LM-80-11. V tomto dokumente sú definované tieto postupy a požiadavky na meranie LED modulov v závislosti od teploty [1]:

  • merací bod teploty Tc definuje žiadateľ o vykonanie merania alebo vykonávateľ merania,
  • merací prístroj teploty môže byť termočlánok alebo termistor,
  • tepelné prostredie môže byť v uzavretom priestore,
  • testovaná jednotka môže byť umiestnená na termoelektrický chladič alebo vložená do tepelnej komory,
  • najdôležitejším aspektom regulácie teploty je zabezpečiť taký spôsob regulácie teploty, ktorý je ekvivalentný s ohrievaním testovacej jednotky v jej aplikácii a so spôsobom jej chladenia,
  • kým sa vykonajú všetky fotometrické merania pri akejkoľvek nastavenej teplote, musí byť testovacia jednotka prevádzkovaná dostatočne dlho, aby sa na túto teplotu stabilizovala. Čas potrebný na stabilizáciu závisí od typu testovanej jednotky.

Laboratórne meranie

Pre potreby laboratórneho merania podľa IES LM-82-11 sme skonštruovali zariadenie na teplotnú stabilizáciu LED modulov (obr. 3). Zariadenie sa skladá z pasívneho chladiča v podobe dvoch hliníkových profilov a aktívneho chladenia v podobe termoelektrických článkov a axiálnych ventilátorov, ktoré pomáhajú odvádzať teplo z termoelektrických článkov. Pomocou tohto zariadenia môžeme teplotne stabilizovať LED modul na teplotu vyššiu alebo nižšiu, ako je jeho nominálna teplota (teplota pri vypnutom aktívnom chladení). Bod merania teploty vzorky TC bol uvedený výrobcom na LED module (obr. 2). Výkon použitých termoelektrických článkov nám umožnil stabilizovať teplotu TC v rozsahu 32 – 80 °C pre testovanú vzorku 1 a v rozsahu 24 – 80 °C pre testovanú vzorku 2.

Meranie prebiehalo v guľovom fotometrickom integrátore. Pri meraní bola okolitá teplota Ta 25 °C. Na vzorke 1 bola pri vypnutom chladiacom systéme nameraná teplota TC = 41 °C. Vzorka 2 mala pri vypnutom chladení teplotu TC = 32 °C. Chladič bol vo voľnom priestranstve a modul pracoval s nominálnym prúdom. Tento stav sme považovali za referenčný pri výpočte relatívneho svetelného toku, tzn., že pri tomto stave frel = 100 %. Následne sa na module nastavovala teplota TC pomocou regulácie výkonu termoelektrických článkov. Udržiavali sme konštantný výkon LED modulu pomocou riadeného prúdového zdroja. Merali sme elektrické parametre termoelektrických článkov, intenzitu osvetlenia prepočítavanú na relatívny svetelný tok frel, náhradnú teplotu chromatickosti CCT a index farebného podania Ra. Výsledky meraní sú zobrazené v tab. 1 a 2 a na obr. 4 a 5.

Vzorka 1
TC [°C] U [V] I [mA] Pp [W] Φ [%] CCT [K] RA [–]
32 48,31 349 30,66 101,19 3 597 83,7
34 48,3 349 4,64 100,94 3 602 83,6
36 48,25 350 1,83 100,73 3 605 83,7
38 48,23 350 0,59 100,49 3 601 83,7
40 48,18 350 0,01 110,17 3 612 83,6
41 48,18 350 0 100 3 615 83,6
42 48,17 350 0,06 99,87 3 613 83,5
44 48,13 350 0,38 99,61 3 619 83,4
46 48,12 350 0,9 99,35 3 612 83,6
48 48,7 350 1,59 99,1 3 620 83,6
50 48,05 350 2,44 98,98 3 629 83,7
52 48,02 350 3,63 98,68 3 626 83,6
54 47,99 350 4,89 98,36 3 632 83,7
56 47,96 350 6,36 98,07 3 638 83,6
58 47,91 350 7,63 97,81 3 633 83,6
60 47,89 350 9,24 97,54 3 632 83,8
62 47,86 350 10,52 97,25 3 647 83,6
64 47,83 350 12,12 96,99 3 643 83,7
66 47,79 350 13,96 96,61 3 650 83,7
68 47,86 350 16,13 96,34 3 657 83,5
70 47,83 350 17,91 96,04 3 656 83,7
72 47,77 350 19,1 95,74 3 658 837
74 47,8 350 24,71 95,49 3 669 83,6
76 47,77 350 27,23 95,14 3 666 83,7
78 47,82 350 33,51 94,88 3 672 83,6
80 47,9 350 40,92 94,53 3 667 83,8

Tab. 1 Prehľad meraných veličín vzorky 1

Vzorka 2
TC [°C] U [V] I [mA] Pp [W] Φ [%] CCT [K] RA [–]
24 43,22 49,98 10,65 100 3 560 83,6
26 43,23 49,99 2,85 100,07 3 555 83,7
28 43,21 49,98 1,08 100 3 557 83,6
30 43,19 50,1 0,18 100 3 560 83,5
32 43,16 49,99 0 100 3 562 83,5
34 43,11 49,66 0,39 99,79 3 554 83,9
36 43,08 50 0,98 99,71 3 561 83,8
38 43,04 50 1,76 99,43 3 568 83,9
40 43 50 2,49 99,5 3 561 83,8
42 42,98 50 3,44 99 3 569 83,8
44 42,94 50,01 4,8 98,64 3 577 83,6
46 42,9 50 5,89 98,35 3 575 83,7
48 42,86 50 7,34 98,14 3 581 83,8
50 42,83 50 8,6 97,85 3 582 83,8
52 42,79 50 10,05 97,64 3 598 83,6
54 42,85 50 11,64 97,42 3 592 83,6
56 42,82 50 13,06 97,21 3 591 83,7
58 42,78 50 14,92 96,92 3 594 83,8
60 42,95 50 16,84 96,7 3 596 83,8
62 42,81 50 18,32 96,42 3 604 83,8
64 42,89 50 20,17 96,2 3 613 83,8
66 42,96 50 22,4 95,9 3 609 83,7
68 42,97 50 25 95,58 3 908 83,7
70 42,79 49,99 27,36 95,41 3 613 83,8
72 42,83 49,99 29,91 95,13 3 618 83,6
74 43,03 50 33 94,91 3 620 83,8
76 42,88 50 35,81 94,7 3 617 83,8
78 42,95 50 38,52 94,4 3 615 83,9
80 42,99 50 40,72 94,23 3 619 83,8

Tab. 2 Prehľad meraných veličín vzorky 2

Záver

Výsledkom merania je zistenie, že v prípade aktívneho chladenia LED modulov relatívny svetelný tok vzoriek vzrástol minimálne. Pri stabilizovaní vzoriek na teplotu TC = 80 °C klesol relatívny svetelný tok takmer o 6 %. Takáto zmena svetelného toku môže spôsobiť rozdiel medzi návrhom osvetľovacej sústavy a reálnou osvetľovacou sústavou, ak projektant neuvažoval možnú zmenu svetelného toku vplyvom teploty.

Náhradná teplota chromatickosti CCT so zvyšovanou teplotou LED modulu rástla minimálne. Pri vzorke 1 bola nominálna náhradná teplota chromatickosti 3 615 K. Maximálna náhradná teplota chromatickosti 3 672 K bola nameraná pri teplote vzorky 1 TC = 78 °C. Vzorka 2 mala nominálnu náhradnú teplotu chromatickosti 3 562 K. Maximálna náhradná teplota chromatickosti 3 620 K bola nameraná pri teplote vzorky 2 TC = 74 °C. Index farebného podania sa vplyvom teploty nezmenil vôbec. Dôvodom rozdielnej minimálnej stabilizovanej teploty TC vzorky 1 a 2 bol nedostatočný výkon termoelektrických článkov, ktorý spôsoboval prehriatie chladiaceho systému a tak nebolo možné vzorku 2 dostatočne stabilizovať pri teplote nižšej ako 32 °C.

Je dôležité, aby bol tepelný systém LED modulov navrhovaný podľa jeho aplikácie. Následný výber vhodných svietidiel je úlohou projektanta osvetľovacej sústavy. Projektant musí zohľadniť faktory ako umiestnenie svietidla (prisadené/zapustené) alebo izoláciu svietidla, ktoré majú vplyv na výkon tepelného systému. Prostredie s vysokou teplotou okolia alebo s obmedzeným prúdením vzduchu bude vyžadovať efektívnejší tepelný systém LED svietidla. V opačnom prípade bude nutné osvetľovaciu sústavu dostatočne predimenzovať tak, aby boli splnené fotometrické parametre dané normou STN 12464-1 na úkor spotreby elektriny.

Poďakovanie

Táto práca vznikla vďaka Agentúre na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-20-0157.

This work was supported by the Slovak Research and Development Agency under the contract No. APVV-20-0157.

Literatúra

[1] IES LM-82-12 Characterization of LED Light Engines and LED Lamps for Electrical and Photometric Properties as a Function of Temperature.

[2] OSRAM GmbH., LED Fundamentls Internal Thermal Resistance of LEDs. [online]. Publikované 7. 9. 2011. 

[3] GE Lighting, Infusion LED Module [online]. 

[4] Universal Lighting Technologies, Everline Module Application Note: Round LED Module Thermal Management. [online]. 

[5] STN EN 13032 Svetlo a osvetlenie. Meranie a vyhodnotenie fotometrických údajov svetelných zdrojov a svietidiel.

Ing. Marek Mokráň
prof. Ing. František Janíček, PhD.
Slovenská technická univerzita v Bratislave
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Ústav elektroenergetiky
Ilkovičova 3
812 19 Bratislava