Đèn chiếu sáng LED công suất cao

Đèn pha công suất cao nói chung là hệ thống chiếu sáng chống chọi với thời tiết được thiết kế để chiếu sáng cảnh hoặc vật thể với độ chói lớn hơn đáng kể so với môi trường xung quanh. Bộ đèn có độ sáng cao cung cấp đầu ra ánh sáng cường độ cao với dạng chùm tia có thể dễ dàng thay đổi và được kiểm soát để chiếu sáng một khu vực hoặc đối tượng đã chọn để đảm bảo an toàn và thoải mái thị giác. Đèn pha có thể được phân loại thành hai loại rộng, tức là theo khu vực và theo hướng, là kết quả của việc kiểm soát sự phân bố và cường độ của chùm tia để tạo điều kiện cho việc định hình đầu ra của đèn điện. Đèn pha khu vực được sử dụng trong các ứng dụng chiếu sáng yêu cầu phân bổ cường độ sáng để chiếu sáng các khu vực rộng mở như bãi đậu xe, sân vận động ngoài trời, đấu trường trong nhà và nhà kho. Đèn pha định hướng được sử dụng để làm nổi bật trực quan một đặc điểm kiến ​​trúc hoặc cấu trúc cụ thể để rửa tường kiến ​​trúc và chiếu sáng mặt tiền.
Nhược điểm chiếu sáng HID Chiếu sáng công nghiệp và ngoài trời

 

Các ứng dụng yêu cầu chiếu sáng cường độ cao trước đây đã được phục vụ bởi các thiết bị cố định sử dụng những gì được gọi là đèn phóng điện cường độ cao (HID) bao gồm, nhưng không giới hạn ở, halogen kim loại (MH), hơi thủy ngân (HgV), natri áp suất cao ( HPS) và natri áp suất thấp (LPS). Mặc dù công suất cao (ví dụ: 1000 watt trở lên), đèn pha HID tạo ra một lượng ánh sáng đáng kể, nhưng nhược điểm cố hữu của chúng lại hạn chế ứng dụng của chúng cho chiếu sáng ngoài trời. Ví dụ, đèn HPS có quang phổ ánh sáng lớn hơn nhưng hiệu suất thấp hơn (lượng ánh sáng phân phối so với lượng ánh sáng tạo ra) và mô tả kém hơn các nguồn sáng khác. Đèn metal halide, mặc dù được sử dụng rộng rãi trong thể thao và các ứng dụng chiếu sáng diện rộng khác, nhưng có một số nhược điểm. Đèn HID yêu cầu thời gian khởi động / khởi động dài trong vài phút trước khi cung cấp ánh sáng có thể sử dụng được. Đèn halogen kim loại tạo ra ánh sáng bằng cách cho ống hồ quang bằng thạch anh hoặc gốm đi qua một hỗn hợp khí gồm thủy ngân và halogenua kim loại hóa hơi. Đèn halogen kim loại nguội không thể tạo ra công suất sáng đầy đủ ngay lập tức và cần khoảng 5 phút trước khi hồ quang điện giữa các điện cực phát ra ánh sáng nhìn thấy đến độ sáng đầy đủ. Khởi động lại nóng là mối quan tâm nhiều hơn so với khởi động ban đầu dài. Có thể mất tới 20 phút để bắt đầu lại hồ quang nếu nguồn điện bị ngắt vì áp suất cao bên trong ống hồ quang có thể đạt tới 440 psi (30 bar) sẽ ngăn chặn hồ quang bắn lại. Ngoài việc có tuổi thọ giới hạn khoảng 3.000 giờ cho các ứng dụng công suất cao và bảo trì quang thông kém,
Đèn pha LED công suất cao
Nhiều khiếm khuyết này trong đèn pha HID tạo ra nhu cầu về hệ thống chiếu sáng tốt hơn cho các ứng dụng công suất lớn. Sự tiến bộ trong công nghệ chiếu sáng trạng thái rắn đã rất ngoạn mục trong vài thập kỷ qua. Hiệu suất tăng, tuổi thọ kéo dài và các ưu điểm khác của đèn LED (điốt phát quang) là mong muốn cho nhiều ứng dụng chiếu sáng công nghiệp và ngoài trời mà trước đây là lĩnh vực của đèn HID. So với các nguồn sáng truyền thống, đèn LED có các tính năng sau đây làm cho chúng khả thi cho nhiều ứng dụng chiếu sáng.
Lợi ích kinh tế
Kinh tế đóng một phần lớn trong các ứng dụng chiếu sáng công nghiệp và thương mại. Tiêu thụ năng lượng, bảo tồn tài nguyên, duy trì và tính bền vững lâu dài là những yếu tố quan trọng cần được xem xét đối với bất kỳ việc lắp đặt hệ thống chiếu sáng nào. Hệ thống chiếu sáng công suất cao tiêu thụ một lượng điện năng đáng kể để tạo ra ánh sáng cho chiếu sáng diện rộng cường độ cao. Trong khi đèn pha HID có hiệu suất phát sáng (lumen trên Watt, lm / W) tương đương với đèn LED - đèn HPS có hiệu suất 75 đến 130 lm / W, đèn LPS có hiệu suất cao từ 130 đến 185 lm / W và đèn MH có hiệu lực trung bình từ 70 đến 115 lm / W. Mặt khác, đèn LED công suất cao sử dụng chất bán dẫn hiệu quả và bền hơn, và có thể có tuổi thọ L70 lên đến 50.000 giờ. Tuổi thọ của L70 được xác định bởi Tiêu chuẩn LM-80-08 của Hiệp hội Kỹ thuật Chiếu sáng và mô tả số giờ hoạt động dự kiến ​​cho đến khi sản lượng ánh sáng giảm xuống 70% mức ban đầu. Đèn MH (hầu hết các đèn HID) thể hiện đặc tính khấu hao quang thông (LLD) của đèn. Chúng có công suất phát sáng ban đầu ở công suất định mức (hiệu suất phát sáng), nhưng sau đó sự suy giảm quang thông xảy ra nhanh nhất trong 100-200 giờ đầu tiên hoạt động (ví dụ: khấu hao 20%). Trong suốt thời gian hoạt động, đèn thường từ từ mất công suất lumen từ LLD. Ví dụ, một bóng đèn pha MH 1500W điển hình có thể mất tới khoảng 50% công suất ánh sáng ban đầu trong vòng đời hoạt động tích lũy 3000 giờ. Điều này có nghĩa là đèn LED có thời gian sử dụng lâu hơn nhiều so với đèn MH. Đèn LED trắng ngày nay có hiệu suất phát sáng trung bình từ 120 đến 150 lm / W. Hơn thế nữa, thực tế có thể tăng hiệu suất phát sáng của đèn LED công suất cao lên đến 200 lm / W với những cải tiến hơn nữa về vật liệu và thiết kế cơ bản. Lợi ích kinh tế của đèn LED là rõ ràng khi nó tăng hiệu suất, kéo dài tuổi thọ, đầu tư bảo trì không đáng kể và chi phí đèn được cắt giảm đáng kể dẫn đến thời gian hoàn vốn ngắn hơn.
Chất lượng ánh sáng tốt hơn Ánh sáng ở trạng thái rắn rất thuận lợi trong điều kiện ánh sáng hoàn màu cao, dẫn đến chỉ số hoàn màu (CRI) cao giá trị trong khoảng 70-95. CRI là phép đo chất lượng tái tạo màu của các sản phẩm chiếu sáng nhân tạo. CRI cao hơn có nghĩa là chất lượng tốt hơn trong đó ánh sáng nhân tạo tự nhiên hơn và có nhiều khả năng phát hiện ra sự phân biệt màu sắc hơn (tức là cảm nhận được sự khác biệt tinh tế về màu sắc). Các bóng đèn metal halide thường có CRI khoảng 65, điều này thiếu khả năng hiển thị bề mặt có màu. CRI cao trong một số ứng dụng chiếu sáng như chiếu sáng thể thao rất được mong muốn để truyền hình các sự kiện thể thao. Khả năng kết xuất màu sắc tuyệt vời của đèn LED cho phép khán giả nhìn thấy hoạt động trên sân với màu sắc tươi sáng và sống động, cho phép phân biệt các đối tượng ngay cả khi có sự khác biệt về màu sắc tinh tế. Ánh sáng LED có tính định hướng cao. Không giống như bóng đèn HID phát ra ánh sáng theo mọi hướng, Đèn LED tạo ra ánh sáng định hướng với hiệu suất quang học từ 80% đến 90%. Tổn thất cường độ điển hình đối với đèn halogen kim loại nằm trong khoảng từ 40% đến 60% lượng ánh sáng được tạo ra. Sự suy hao quang học cao sẽ có xu hướng dẫn đến ô nhiễm ánh sáng không mong muốn như chói tại trường, ánh sáng tràn, đèn nền và ánh sáng hiệu ứng hào quang. Mặt khác, đèn LED tạo ra dạng chùm tia có thể dễ dàng thay đổi và điều khiển hơn để đáp ứng các thông số kỹ thuật về số lượng ánh sáng và tính đồng nhất, do đó rất hữu ích và được mong muốn trong ngành công nghiệp chiếu sáng.

 

Ngoài chi phí vận hành và chất lượng ánh sáng
Đèn LED đang định nghĩa lại công nghệ chiếu sáng công suất cao. Ngoài những lợi ích đã nói ở trên là tuổi thọ cao hơn, chi phí vận hành thấp hơn và chất lượng ánh sáng tốt hơn, đèn LED chiếu sáng còn mang lại nhiều lợi thế khác so với các nguồn sáng truyền thống. Đèn LED là nguồn sáng khởi động tức thì, sẽ loại bỏ thời gian chờ đợi ban đầu để đèn HID khởi động và khởi động lại. Bản chất trạng thái rắn của đèn LED cung cấp khả năng chống lại các cú sốc hoặc rung động cơ học cao hơn, do đó cải thiện độ bền đáng kể. Đèn LED hoàn toàn có thể điều chỉnh độ sáng mà không bị biến đổi màu sắc. Có thể thu được mức ánh sáng cụ thể thông qua hoạt động thay đổi độ chói hoặc độ sáng của đèn LED. Hơn nữa, bóng đèn metal halide tạo ra một lượng đáng kể tia cực tím sóng ngắn (UV) có thể gây nguy hiểm cho con người, LED. Ngược lại, đèn LED hầu như không phát ra tia cực tím và không có bức xạ hồng ngoại. Đèn LED không chứa thủy ngân hoặc bất kỳ vật liệu độc hại nào khác và do đó thân thiện với môi trường.
Xây dựng và Quản lý nhiệt
Một công suất cao lũ LED ánh sáng cố định thường bao gồm một nhà ở và (trình điều khiển) điện khoang thường được làm từ đồng thấp đúc nhôm. Vỏ chống lũ bằng nhôm nặng được thiết kế để chứa tất cả các thành phần điện và quang học. Một bảng mạch in lõi kim loại (MCPCB) cung cấp kết nối nhiệt giữa tản nhiệt và gói đèn LED, cách điện và truyền điện vào đèn LED. Khung thấu kính cố định thấu kính trong suốt hoặc hình lăng trụ được làm bằng kính cường lực hoặc polycarbonate chống va đập. Khung sau đó được niêm phong cơ học bằng một miếng đệm silicone để hoạt động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Một thách thức trong việc thiết kế các thiết bị chiếu sáng LED công suất cao là đèn LED công suất cao tỏa ra một lượng nhiệt lớn. Do đó, có thể có lợi khi loại bỏ nhiệt do đèn LED tạo ra khỏi mối nối bán dẫn LED và duy trì nhiệt độ bên trong của cụm đèn điện dưới nhiệt độ hoạt động tối đa để các bộ phận điện và điện tử trong đó duy trì hiệu suất cao nhất. Do đó, quản lý nhiệt ngày càng trở nên quan trọng trong chiếu sáng LED công suất cao. Đèn pha LED có tản nhiệt nhôm đúc phía sau cụm đèn LED để kiểm soát sự tích nhiệt và tản nhiệt. Tản nhiệt là các đường dẫn nhiệt được tích hợp vào hệ thống chiếu sáng để loại bỏ hoặc phân phối lại nhiệt năng từ đèn LED thông qua quá trình dẫn nhiệt với các nguồn nhiệt này. Các lỗ thông hơi khí động học được tạo ra bởi các cánh tản nhiệt tạo ra luồng không khí hiệu quả và tăng tốc đối lưu tự nhiên. Khí nóng hội tụ nhịp nhàng thành dòng chảy tầng nhanh, truyền nhiệt nhanh ra môi trường xung quanh. Các chiến lược quản lý nhiệt khác đã sử dụng các ống dẫn nhiệt kết hợp các nguyên tắc của cả dẫn nhiệt và cơ chế truyền nhiệt chuyển pha. Việc tách biệt hoàn toàn khoang điện khỏi cụm đèn LED giữ cho trình điều khiển và các mạch điều khiển khác rất mát mẻ, duy trì hiệu quả tuổi thọ của người lái trong nhiệt độ vận hành xung quanh cao. Vỏ ngoài được xử lý trước và sơn tĩnh điện để chống lại các điều kiện thời tiết khắc nghiệt mà không bị nứt hay bong tróc và giữ được màu sắc và độ bóng tối ưu. Thiết kế đèn pha ngày càng tích hợp nhiều yếu tố thẩm mỹ hơn. Thiết kế đương đại mang phong cách hấp dẫn với những đường cong và đường viền uyển chuyển hòa hợp với môi trường một cách kín đáo.
LED
Việc lựa chọn mảng LED công suất cao, mô-đun hoặc động cơ đèn LED có thể thay thế tại hiện trường phụ thuộc vào các cân nhắc thiết kế khác nhau, chẳng hạn như chất lượng ánh sáng, đầu ra ánh sáng, nhiệt độ hoạt động, hiệu suất phát sáng, dòng dẫn động LED và bảo trì, v.v. Nói chung, đèn LED công suất cao được thiết kế với khả năng chịu nhiệt thấp , hiệu quả cao, độ sáng cao, độ tin cậy cao và độ bền chống ăn mòn cao. Việc chuyển đổi từ đèn LED công suất thấp và trung bình sang các thiết bị công suất cao đã thách thức ngành công nghiệp đóng gói đèn LED tìm kiếm các thiết kế nhiệt hiệu quả hoạt động ở nhiệt độ và dòng điện thuận cao hơn. Các thương hiệu đèn LED hàng đầu như đèn LED OSRAM OSLON Square, đèn LED CREE XLamp, đèn LED Lumileds LUXEON và đèn LED công suất cao Nichia có thiết kế rất hoàn thiện cho một loạt các ứng dụng công nghiệp và ngoài trời đòi hỏi năng suất ánh sáng cao, đặc tính quang học tuyệt vời và hiệu quả tối đa.
Hội quang học
Thiết kế lắp ráp quang học thách thức mọi nhà thiết kế thiết bị cố định đèn pha để đáp ứng nhu cầu của khách hàng và đáp ứng các thông số của các giải pháp quang học khác nhau. Quang học chính được bao gồm trong gói LED và quang học thứ cấp là một phần của bộ đèn pha và được thiết kế để định hình dạng bức xạ hoặc dạng chùm tia, tối đa hóa hiệu quả và khoảng cách ứng dụng. Quang học thứ cấp cung cấp khả năng kết hợp quang học độc đáo để sửa đổi chùm tia đầu ra LED sao cho chùm tia đầu ra của đèn pha đáp ứng hiệu quả thông số kỹ thuật trắc quang mong muốn. Quang học thứ cấp của LED bao gồm gương phản xạ, thấu kính, thấu kính phản xạ toàn phần bên trong (TIR) ​​và bộ khuếch tán. Ống kính có khả năng thu sáng tuyệt vời để kiểm soát sự phân bố của các tia sáng ở một góc nhỏ. Trong khi gương phản xạ có ưu điểm là chuyển hướng thông lượng (độ rọi) và hội tụ các tia ở một góc lớn. Thấu kính TIR là sự kết hợp của thấu kính và gương phản xạ, sử dụng nguyên lý quang học phản xạ toàn phần để thu thập và xử lý ánh sáng. Đối với các ứng dụng điện áp cao, nên sử dụng thấu kính PMMA (acrylic) hoặc PC (polycarbonate) vì chúng có độ bền cơ học cao, đặc tính quang học tuyệt vời, ổn định nhiệt tốt, dẫn nhiệt cao và khả năng hút nước và độ ẩm thấp. Trong đèn pha công suất cao, thấu kính và thấu kính TIR thường được sử dụng để có độ đồng nhất tốt hơn và hiệu suất quang học cao hơn (ít nhất 90% cho hầu hết các ứng dụng). Tuy nhiên, sẽ hợp lý khi sử dụng thiết kế phản xạ trong một số ứng dụng, ví dụ như chiếu sáng thể thao, để đạt được dạng chùm được thiết kế và giảm thiểu ánh sáng tràn và độ chói.

Phân loại lan truyền tia NEMA
Mức độ lan truyền chùm	Loại NEMA	Mô tả chùm
10 ° - 18 °	1	Rất hẹp
18 ° - 29 °	2	Hẹp
29 ° - 46 °	3	Hẹp vừa
46 ° - 70 °	4	Trung bình
70 ° - 100 °	5	Rộng vừa
100 ° - 130 °	6	Rộng
130 ° trở lên	7	Rất rộng

Các mẫu tia
Quang học chiếu sáng ngập lụt có sẵn trong các phân bố ánh sáng khác nhau (không đối xứng, đối xứng và phản đối xứng) với sự lan truyền chùm tia khác nhau để phù hợp với các ứng dụng chiếu sáng đèn pha, chiếu điểm, đường và khu vực.
Spot - Phân bố điểm có thể được áp dụng cho các cài đặt cần độ chiếu sáng chính xác và điều khiển ánh sáng cho không gian nhỏ, hạn chế trong khoảng cách xa. Các ứng dụng điển hình bao gồm chiếu sáng điểm nhấn, mặt tiền cao, cột chăn thả và cột cờ.
Hẹp - Chùm tia hẹp cung cấp sự phân bố tập trung cho các ứng dụng mong muốn có sự phân bố đối xứng chặt chẽ. Nó thường được sử dụng để làm nổi bật cảnh quan, tượng đài, mặt tiền cửa hàng và mặt tiền của tòa nhà.
Trung bình: Lũ trung bình được thiết kế cho các ứng dụng chiếu sáng có cường độ cao hoặc chiếu sáng khu vực đòi hỏi một mẫu đồng nhất rộng hơn trong phạm vi phủ sóng được chỉ định.
Rộng - Đèn pha chùm rộng được thiết kế cho các ứng dụng chiếu sáng chung, nơi cần chiếu sáng rộng, đồng đều trên một khu vực rộng lớn. Các ứng dụng điển hình bao gồm chiếu sáng khu vực lớn gắn cột và chiếu sáng mặt đất, biển hiệu và mặt tiền.
Theo phương ngang - Lũ quét ngang tạo ra một tia ngang rộng và tập trung dọc hẹp. Mô hình phân phối này là lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu cắt dọc.
Dọc - Sự lan truyền chùm tia lũ theo chiều dọc là lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu cắt ngang nhưng phân bố sâu theo chiều dọc.
Trình điều khiển LED
Cụm điện bao gồm một hoặc nhiều trình điều khiển LED được thiết kế để vận hành đèn LED trong phạm vi nhiệt độ và điện rộng để đảm bảo độ tin cậy cho các ứng dụng bền bỉ nhất. Trình điều khiển được thiết kế để chấp nhận điện áp đầu vào phổ biến, ví dụ 90-305V AC hoặc 120-277V AC. Hệ số công suất hệ thống thường lớn hơn 0,9 khi đầy tải. Tổng méo hài, hay THD, được yêu cầu không vượt quá 20% (THD dưới 10% là đặc biệt tốt). Người lái xe được bảo vệ nhiệt khỏi nhiệt độ quá cao. Mạch quá áp và quá dòng đầu ra cung cấp khả năng bảo vệ chống lại dòng điện đỉnh quá độ, đột biến điện áp quá độ và sụt áp có thể xảy ra trong hệ thống điện, nếu không sẽ dẫn đến cháy hoặc hỏng đèn LED sớm nếu không có nó. Các thành phần trình điều khiển được bao bọc trong lớp vỏ nhựa chống cháy, chống nước IP66 / 67.
Điều khiển ánh sáng
Việc thực hiện các điều khiển trong chiếu sáng LED công suất cao mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm ánh sáng, kéo dài tuổi thọ đèn chiếu sáng và tuân thủ các mã năng lượng. Các trình điều khiển LED thường được trang bị mạch làm mờ để làm mờ 0 / 1-10V, làm mờ kỹ thuật số DALI hoặc làm mờ PWM, để cho phép điều chỉnh mức độ chiếu sáng. Đèn pha LED cũng có thể được điều khiển bằng cảm biến chuyển độngvà được cấu hình để chiếu sáng từ công suất thấp đến công suất cao hoặc bật / bật khi phát hiện chuyển động. Một tế bào quang điện có thể được lắp đặt để cung cấp ánh sáng từ hoàng hôn đến bình minh. Hệ thống quản lý Emery hoặc các điều khiển thông minh có thể định địa chỉ mang lại tính linh hoạt cao nhất và cung cấp các kênh giao tiếp đa chiều để kiểm soát được nối mạng. Ví dụ, đèn pha kiến ​​trúc LED RGBW có thể được vận hành dưới bảng điều khiển DMX512 để tạo ra các hiệu ứng ánh sáng nhiều màu sắc cố định hoặc động cho các ứng dụng chiếu sáng lũ lụt, rửa trôi và điểm nhấn để nâng cao tính năng kiến ​​trúc.