Ưu điểm của đèn LED chiếu sáng cho các ứng dụng công nghiệp

03/05/2022 | 122

Nhiều lợi ích của ánh sáng LED đã được ghi nhận. Điều đáng chú ý nhất là lợi tức đầu tư cao, đi kèm với hoạt động hiệu quả cao, ít bảo trì và tuổi thọ cao của hệ thống LED, ngay cả khi xem xét khoản đầu tư ban đầu tương đối cao.

Hiệu suất nguồn của đèn LED được làm từ indium gallium nitride (InGaN) đã được cải thiện rất nhiều trong thập kỷ qua. 

Đèn LED hiệu suất cao nhất hiện nay có hiệu suất phát sáng vượt quá 200 lm / W, đây là một bước nhảy vọt lượng tử khi so sánh với các nguồn sáng cũ. Bản chất định hướng của đèn LED dẫn đến hệ số suy hao ánh sáng cố định thấp. Thông qua các thấu kính được thiết kế cẩn thận, đèn chiếu sáng LED có thể đạt được hiệu suất quang học cao hơn 90%, với lợi ích bổ sung là giảm thiểu hiện tượng tràn ánh sáng. Bề mặt phát sáng lớn (LES) được tạo ra nhờ các đèn LED rời. Kết hợp với quang học tùy chỉnh điều chỉnh quang thông từ từng đèn LED riêng lẻ, tính đồng nhất phân bố ánh sáng của đèn chiếu sáng LED được cải thiện hơn một hệ số của hai đèn chiếu sáng HID so với. Điều này có nghĩa là khoảng cách cố định được tối đa hóa, và do đó giảm số lượng đèn được lắp đặt cũng như giảm tiêu thụ năng lượng. Phản ứng gần như tức thời của đèn LED đối với sự thay đổi dòng điện cho phép sử dụng điện hiệu quả hơn thông qua điều khiển làm mờ bằng tay, được lập trình hoặc dựa trên cảm biến, điều này không thể thực hiện được với đèn chiếu sáng công nghiệp truyền thống.

Trong khi các hệ thống tiếp cận để cải thiện hiệu quả năng lượng trong các cơ sở công nghiệp góp phần hoàn vốn nhanh chóng cho việc vận hành các cơ sở chiếu sáng và tuân thủ mã, tuổi thọ kéo dài và yêu cầu bảo trì tối thiểu của các hệ thống LED đảm bảo lợi tức đầu tư cao và giúp các nhà quản lý cơ sở yên tâm. Hệ thống chiếu sáng LED được thiết kế phù hợp có thể hoạt động trong khoảng thời gian 100.000 giờ. Được làm từ một khối bán dẫn, không có dây tóc hoặc thủy tinh để phá vỡ, bản chất trạng thái rắn của đèn LED cho phép chế tạo đèn chiếu sáng với khả năng chống sốc, rung và mài mòn cao hơn. Điều này làm tăng tuổi thọ bộ đèn lên đáng kể. Tuổi thọ hoạt động lâu hơn và giảm nhu cầu bảo trì dẫn đến giảm nguy cơ rủi ro thường liên quan đến bảo dưỡng đèn điện được lắp đặt trong môi trường công nghiệp đầy thách thức, thường liên quan đến việc lắp đặt khắc nghiệt và nguy hiểm. Chi phí lao động đáng kể và mối quan tâm về an toàn cao liên quan đến việc bảo trì và thay thế các hệ thống chiếu sáng truyền thống có tuổi thọ ngắn.

Một ưu điểm thường bị bỏ qua của đèn LED là khả năng cung cấp đầu ra quang phổ chất lượng cao. Đèn LED có phân bố công suất quang phổ chỉ trong phần nhìn thấy được của quang phổ điện từ (khoảng 400 đến 700 nm). Sự vắng mặt của bức xạ tia cực tím (UV) và tia hồng ngoại (IR) có nghĩa là các sản phẩm LED an toàn hơn về mặt quang sinh học so với các nguồn sáng truyền thống. Cả hình thức màu sắc (nhiệt độ màu) và hiệu suất hiển thị màu của đèn điện LED đều có thể được tối ưu hóa quang phổ để điều chỉnh ánh sáng phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ hoặc nhu cầu của con người.

Nguy cơ cháy nổ không phải là đặc điểm của hệ thống chiếu sáng LED. Các đèn trạng thái rắn này không chứa khí điều áp, dây tóc nóng hoặc nguồn hồ quang. Nhiệt độ bề mặt bên ngoài của đèn điện LED thường thấp hơn nhiệt độ bắt lửa của môi trường dễ cháy xung quanh.

Thiết kế và thi công đèn LED công nghiệp

Đèn LED công nghiệp thường chia thành ba loại: đèn chiếu sáng cao, đèn chiếu sáng thấp và đèn pha ngoài trời. Đèn chiếu sáng cao đề cập đến đèn điện được thiết kế cho các ứng dụng có chiều cao lắp đặt không nhỏ hơn 6,1m và tỷ lệ khoảng cách giữa chiều cao lắp đặt là 1,5 hoặc nhỏ hơn. Đồ đạc trong vịnh thấp được thiết kế cho các ứng dụng mà chiều cao lắp đặt thấp hơn 6m so với mặt sàn và tỷ lệ chiều cao khoảng cách giữa các khung lắp lớn hơn 1,5 là bắt buộc. Đây không phải là những quy tắc cứng nhắc. Không có gì lạ khi nhìn thấy đèn chiếu sáng cao trong các ứng dụng vịnh thấp và ngược lại. Thông thường, đèn chiếu sáng thấp có công suất ánh sáng trong khoảng 5.000 đến 20.000 lumen, đèn chiếu sáng cao có công suất ánh sáng trong khoảng 15.000 và 100.000 lumen. Đèn pha dùng để chiếu sáng khu vực ngoài trời và nhiệm vụ cho các khu công nghiệp và cơ sở sản xuất ngoài trời như nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa chất, giàn khoan, kho dầu, nhà máy xử lý nước thải, mỏ lộ thiên. Đèn pha ngoài trời có nhiều loại gói lumen, phân bố quang học và chiều cao lắp đặt.

Thiết kế của đèn điện LED công nghiệp đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện bởi vì một nhóm các yếu tố tương tác, tương tác với nhau hoặc phụ thuộc lẫn nhau ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của đèn LED. Hiệu quả năng lượng và độ tin cậy đặc biệt được ưu tiên do thời gian hoạt động dài, môi trường khắc nghiệt và công suất tương đối cao thường liên quan. Hiệu quả hệ thống của đèn chiếu sáng LED là hiệu suất tích lũy của đèn LED, trình điều khiển và quang học của nó. Độ tin cậy của hệ thống đèn điện LED được xác định bởi tất cả các bộ phận cấu thành của nó và khả năng chống lại các áp lực của môi trường và vận hành. Ba yếu tố thiết kế chính quan trọng đối với hiệu suất và tuổi thọ hữu ích của đèn điện LED công nghiệp là nhiệt độ đường giao nhau, dòng truyền động và điều kiện môi trường. Quản lý nhiệt hiệu quả là cần thiết để giữ cho nhiệt độ mối nối trong phạm vi hoạt động tối ưu. Điều quan trọng là phải thực hiện quy định tải chặt chẽ để dòng truyền động luôn phù hợp với các đặc tính điện của đèn LED trong điều kiện nguồn điện bẩn thường xuyên xuất hiện. Để tránh các hư hỏng bên ngoài hoặc các nguy cơ cháy / nổ trong môi trường công nghiệp, cần phải xem xét các điều kiện môi trường khi thiết kế.

Đèn LED công nghiệp được sản xuất dưới nhiều dạng khác nhau để phục vụ các nhu cầu khác nhau. Chúng thường có thiết kế cố định như tản nhiệt nhằm mục đích tạo điều kiện trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Vỏ đóng vai trò như bộ tản nhiệt và thường được làm từ nhôm đúc, rèn nguội hoặc ép đùn. Cụm đèn LED được gắn cơ học vào bề mặt phẳng của tản nhiệt. Một vật liệu giao diện dẫn nhiệt cao (TIM) được đặt giữa bảng LED và bộ tản nhiệt để lấp đầy các mối nối nhiệt và tối đa hóa dòng nhiệt. Cụm đèn LED có thể được tích hợp với quang học thứ cấp đặt gần đèn LED để khai thác ánh sáng có kiểm soát. Nếu không, đèn điện có thể có một nắp nhựa hoặc thủy tinh được gắn vào đáy để bao bọc nguồn sáng và để bảo vệ khỏi những hư hỏng do tai nạn. Đèn chiếu sáng LED công suất cao thường có cấu trúc mô-đun mang lại khả năng mở rộng về sản lượng ánh sáng và tính linh hoạt trong việc tùy chỉnh chùm tia, đồng thời cũng cho phép dễ dàng lắp ráp, bảo trì và nâng cấp. Khối cấu tạo của những bộ đèn này là một mô-đun ánh sáng tích hợp tản nhiệt, cụm đèn LED và thấu kính (hoặc vỏ bảo vệ) thành một cụm khép kín với xếp hạng bảo vệ chống xâm nhập (IP) mong muốn.

Trình điều khiển của cả đèn điện LED tích hợp và mô-đun thường được gắn trong một ngăn riêng biệt hoặc bên ngoài. Cấu hình này ngăn các thành phần mạch nhạy cảm với nhiệt độ khỏi bị căng thẳng do các đèn LED tự làm nóng, đồng thời cho phép bảo dưỡng và thay thế trình điều khiển một cách thuận tiện.

 Lắp ráp đèn LED

Các đèn LED được gắn trong bảng mạch in lõi kim loại (MCPCB), trong chuỗi nối tiếp hoặc hỗn hợp song song và nối tiếp để có dòng điện giống nhau chạy trong mỗi đèn LED. MCPCB được cấu tạo với một lớp điện môi epoxy kẹp giữa một lớp đồng trên cùng và một nền nhôm. Thiết kế như vậy cho phép bảng mạch đáp ứng thử nghiệm điện thế cao (hipot) tối thiểu trong khi vẫn cung cấp độ dẫn nhiệt cao xuyên suốt bảng mạch. Chất điện môi cách nhiệt này thường chứa vật liệu pha thứ hai như các hạt gốm có khả năng chịu nhiệt. Khả năng dẫn nhiệt của MCPCB có thể cao hơn 4 - 16 lần so với bảng FR4 thông thường.

Trong một cơ sở công nghiệp, có những vị trí mà đèn điện có thể cần phải chịu được rung động từ máy móc. Do đó, độ tin cậy của mối hàn giữa gói đèn LED và PCB trở nên quan trọng trong hoạt động đáng tin cậy của đèn điện LED trong các môi trường như vậy. Việc hình thành một mối hàn đáng tin cậy không chỉ phụ thuộc vào hợp kim hàn và quá trình kim loại hóa của gói đèn LED và PCB mà còn phụ thuộc vào cấu hình tái tạo. Cấu hình nấu chảy lại có tác động đáng kể đến hành vi thấm ướt, hóa học bề mặt và cấu trúc vi luyện kim của mối nối hàn. Độ bền rão của hợp kim hàn cũng là một yếu tố quyết định đáng kể đến độ tin cậy của mối nối hàn trong các điều kiện chu kỳ nhiệt, đặc biệt khi có sự không phù hợp về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) cao giữa các thành phần.

Đèn nhà xưởng 100w

Đèn nhà xưởng 100w

 

Nguồn sáng

Trong ngành công nghiệp chiếu sáng, thuật ngữ "LED" thường dùng để chỉ một gói LED, thay vì một chip LED (khuôn bán dẫn tiếp giáp pn). Bao bì đóng nhiều vai trò trong đó nó cho phép khuôn bán dẫn bơm phốt pho vào bên trong gói thiết bị để tạo ra ánh sáng trắng với chất lượng quang phổ mong muốn; giao diện cơ học, nhiệt và điện của chip LED với giao diện hoạt động của nó; và cung cấp cho khuôn bán dẫn sự bảo vệ khỏi các chất gây ô nhiễm và ứng suất từ ​​môi trường. Thiết kế bao bì và vật liệu đóng gói đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc xác định hiệu suất quang, điện, nhiệt của đèn LED. Phần lớn các đèn LED hiện đại được cấu tạo dưới dạng gói công suất cao, gói công suất trung bình và gói chip trên bo mạch (COB), trong khi xu hướng mới nhất trong bao bì LED là bao bì quy mô chip (CSP).

Có một sự đánh đổi quan trọng giữa chi phí ban đầu và hiệu suất lâu dài trong việc lựa chọn các nền tảng gói LED cho các ứng dụng công nghiệp. Các gói công suất cao gắn một chip LED lớn vào một đế gốm kim loại, kết hợp với các miếng kim loại ở mặt dưới của đế gốm, cung cấp một đường dẫn nhiệt hiệu quả cao để tách nhiệt từ khuôn bán dẫn. Thiết kế bao bì cũng cho phép phân phối đồng nhất mật độ dòng điện qua điểm nối bán dẫn, do đó giảm nguy cơ thoát nhiệt. Điện trở nhiệt thấp và sự lan truyền dòng điện đồng đều mang lại khả năng dòng truyền động cao và mật độ thông lượng cao cho đèn LED công suất cao. Độ ổn định nhiệt cao của vật liệu đóng gói cho phép đèn LED duy trì quang thông tuyệt vời và ổn định màu sắc ngay cả ở nhiệt độ cao.

Một trở ngại chính đối với việc triển khai rộng rãi đèn LED công suất cao là chi phí trả trước của chúng tương đối cao hơn khi so sánh với các gói công suất trung bình. Đèn LED công suất trung bình là các gói mang chip dẫn nhựa (PLCC) được thiết kế cho các ứng dụng mật độ quang thông thấp trong các lĩnh vực dân dụng và thương mại. Hiệu quả ban đầu cao và chi phí thấp là những điểm bán hàng của đèn LED công suất trung bình. Tuy nhiên, những lợi thế này hiếm khi chuyển thành lợi tức đầu tư cao do những hạn chế cố hữu của nền tảng gói. Các gói PLCC có khả năng chống suy thoái kém với nhiệt độ cao, không khí ăn mòn và quá trình oxy hóa ảnh. Việc xây dựng gói PLCC được hỗ trợ bởi một vỏ nhựa đúc, phản chiếu cao và khung chì mạ bạc. Vỏ nhựa bao bọc chip LED được làm từ polyphthalamide (PPA) hoặc polycyclohexylenedimethylene terephthalate (PCT) có màu vàng khi tiếp xúc với nhiệt và ánh sáng. Lớp mạ khung bằng chì dễ bị ăn mòn khi tiếp xúc với khí ăn mòn như hydro sunfua (H2S).

Trong các hệ thống đèn LED công suất cao, các gói công suất trung bình thể hiện sự suy giảm quang thông nhanh chóng và sự thay đổi màu sắc do ứng suất nhiệt và oxy hóa cao cũng như sự ăn mòn trong khí quyển. Các điện cực của chip trong các gói PLCC được kết nối với khung dẫn bằng liên kết dây có thể bị đứt do chuyển động điện hoặc xì trong dây liên kết do dòng điện quá lớn. Do đó, độ tin cậy của các gói công suất trung bình là một mối quan tâm đáng kể. Tuổi thọ hữu ích của đèn điện LED sử dụng gói công suất trung bình bị hạn chế đáng kể. Các gói công suất trung bình với vỏ hợp chất gắn epoxy (EMC) và tấm lót cực dương / cực âm không chì (QFN) Quad phẳng giúp cải thiện khả năng chống đổi màu ở nhiệt độ cao hơn cũng như tăng cường độ tin cậy của kết nối và tản nhiệt. Tuy nhiên, các gói này có chi phí cao hơn.

Nhiệt độ màu

Đầu ra quang phổ là một yếu tố chính khác liên quan đến việc lựa chọn nguồn sáng. Đầu ra quang phổ của đèn LED có thể được đặc trưng bởi nhiệt độ màu và độ hiển thị màu của nó.

Đó là một hiện tượng điển hình trong các ứng dụng công nghiệp để sử dụng các nguồn sáng có nhiệt độ màu tương ứng (CCT) lớn hơn 4000K. Nên chọn CCT trong khoảng 4000K đến 5500K cho ánh sáng nơi làm việc vì lượng lớn khí thải màu xanh lam chứa trong ánh sáng trắng mát có thể ngăn chặn việc sản xuất hormone giấc ngủ melatonin và lập trình cơ thể cho chế độ ban ngày . Ngoài việc mô phỏng phản ứng sinh lý ban ngày để cải thiện khả năng tập trung, sự tỉnh táo và hiệu suất, các nguồn ánh sáng có lượng ánh sáng xanh dương cao hơn mang theo scotopic / photopic (S / P) cao hơn, có nghĩa là thị lực tốt hơn trong điều kiện độ sáng thấp (thị giác ngoài da). Nhìn chung, an toàn khi sử dụng đèn LED có màu sắc xuất hiện ở dạng trắng huỳnh quang (6000K - 6500K). Tuy nhiên, nguồn sáng có CCT cao như vậy có thể gây ra các nguy cơ quang sinh học trong các ứng dụng công nghiệp và các công việc yêu cầu độ rọi cao (trên 1000 lux). Các ứng dụng và nhiệm vụ công nghiệp này bao gồm,

Chỉ số hoàn màu (CRI) 80 hoặc cao hơn một chút được coi là giá trị chấp nhận được tối thiểu cho các ứng dụng công nghiệp và CRI lớn hơn 90 được coi là tốt. Tuy nhiên, các nguồn ánh sáng CCT cao được làm giàu màu xanh lam với CRI 80 thường thiếu các bước sóng chính quan trọng để hiển thị các màu có độ bão hòa cao. Sự biến dạng màu sắc do thiếu bước sóng có thể làm tăng nguy cơ lỗi khi thực hiện các tác vụ theo định hướng chi tiết. Bất cứ khi nào chọn đèn điện LED cho các ứng dụng mà nhận dạng màu sắc và độ tương phản là quan trọng, hãy kiểm tra phân bố công suất quang phổ (SPD) của nguồn sáng nếu tất cả các bước sóng chính được trải đều khắp phổ khả kiến. Chỉ riêng chỉ số hoàn màu nói chung Ra không phản ánh khả năng hoàn màu của nguồn sáng vì nó là một con số dựa trên sự khác biệt màu sắc trung bình của tám mẫu phản xạ có độ bão hòa khá thấp. Nó bỏ qua hiệu suất kết xuất của sáu màu có độ bão hòa cao: đỏ, vàng, xanh lá cây và xanh lam, nước da và xanh lá cây. Do đó, người dùng nên lưu ý đến các màu CRI bổ sung, cụ thể là R9, một mẫu màu đỏ đậm. Giá trị R9 25 được coi là tốt cho ánh sáng chung và giá trị R9 trên 75 nên được xem xét cho các ứng dụng quan trọng về màu sắc.

Nhà sản xuất chiếu sáng đã cố gắng bán các sản phẩm có CCT cao và CRI thấp cho những khách hàng chưa được đào tạo. Họ thậm chí còn chơi trò chơi tính toán CRI bằng cách tập trung vào các bước sóng để hiển thị tám mẫu thử nghiệm của CIE Ra. Lý do cho điều này là có sự gia tăng chi phí và giảm hiệu quả đối với đèn LED có CCT thấp hơn và CRI cao. Trong các đèn LED máy bơm màu xanh lam tạo ra ánh sáng trắng có CCT cao hoặc độ hiển thị màu thấp, chỉ một phần nhỏ khí thải màu xanh lam cần được chuyển đổi thành ánh sáng có bước sóng dài hơn bằng phốt pho vàng giá rẻ. Mặt khác, để tạo ra ánh sáng trắng chất lượng cao hoặc ánh sáng trắng ấm từ đèn LED máy bơm màu xanh lam, một phần đáng kể lượng khí thải màu xanh lam cần được chuyển đổi xuống. Càng nhiều bước sóng bị chuyển đổi xuống, sự mất mát năng lượng Stokes xảy ra càng cao. Sự mất mát Stokes tăng lên do quá trình chuyển hóa xuống phosphor không chỉ dẫn đến giảm hiệu suất phát sáng mà còn làm tăng lượng nhiệt thải phải được tách ra từ đèn LED. Để các đèn LED máy bơm màu xanh lam cung cấp công suất bức xạ khá rộng trên phổ khả kiến ​​để hiển thị màu sắc chính xác, phải sử dụng một bộ chuyển đổi xuống phosphor băng thông rộng đắt tiền hơn. Hơn nữa, mắt người ít nhạy cảm hơn với ánh sáng có bước sóng dài hơn. Điều này làm cho đèn LED CCT thấp hoặc đèn LED CRI cao có hiệu suất phát sáng thấp hơn của bức xạ (lumen trên mỗi watt) so với đèn LED CCT cao hoặc đèn LED CRI thấp cung cấp cùng một lượng công suất quang học (thông lượng bức xạ tính bằng watt). Để các đèn LED máy bơm màu xanh lam cung cấp công suất bức xạ khá rộng trên phổ khả kiến ​​để hiển thị màu sắc chính xác, phải sử dụng một bộ chuyển đổi xuống phosphor băng thông rộng đắt tiền hơn. Hơn nữa, mắt người ít nhạy cảm hơn với ánh sáng có bước sóng dài hơn. Điều này làm cho đèn LED CCT thấp hoặc đèn LED CRI cao có hiệu suất phát sáng thấp hơn của bức xạ (lumen trên mỗi watt) so với đèn LED CCT cao hoặc đèn LED CRI thấp cung cấp cùng một lượng công suất quang học (thông lượng bức xạ tính bằng watt). Để các đèn LED máy bơm màu xanh lam cung cấp công suất bức xạ khá rộng trên phổ khả kiến ​​để hiển thị màu sắc chính xác, phải sử dụng một bộ chuyển đổi xuống phosphor băng thông rộng đắt tiền hơn. Hơn nữa, mắt người ít nhạy cảm hơn với ánh sáng có bước sóng dài hơn. Điều này làm cho đèn LED CCT thấp hoặc đèn LED CRI cao có hiệu suất phát sáng thấp hơn của bức xạ (lumen trên mỗi watt) so với đèn LED CCT cao hoặc đèn LED CRI thấp cung cấp cùng một lượng công suất quang học (thông lượng bức xạ tính bằng watt).


(*) Xem thêm

Bình luận
Gọi ngay : 0962319085
Gọi ngay : 0962319085