Wpływ warunków środowiskowych na pracę opraw z modułami LED.pdf

Wies!awa PABJA"CZYK, Roman SIKORA, Przemys!aw MARKIEWICZ, Zbigniew GABRYJELSKI

Politechnika !ódzka, Instytut Elektroenergetyki

Wp!yw warunków #rodowiskowych na prac$ opraw

z modu!ami LED

Streszczenie . W artykule zosta!y przedstawione wyniki bada" laboratoryjnych wybranych opraw LED, dost#pnych na rynku, w zakresie wp!ywu

zmian temperatury otoczenia na warto$% strumienia $wietlnego i skuteczno$ci $wietlnej opraw. Na podstawie przeprowadzonych bada" zosta!y

sformu!owane praktyczne wnioski dotycz&ce eksploatacji tych opraw.

Abstract . The article presents results of researches of selected LED luminaries, which are available on the market, within the range of ambient

temperature changes on the light flux value and luminous efficiency of the luminaries. On the basis of the made investigations the practical

conclusions which are concerning maintenance of these luminaries were formulated. ( Influence of the environmental conditions on LED

luminaires maintenace ).

S!owa kluczowe: diody LED, matryce LED, oprawy o"wietleniowe, badania "rodowiskowe.

Keywords : LED diodes, LED matrix, luminaires, environmental researches.

Wst$p

Obserwuje si# coraz szersze zastosowanie opraw z

diodami LED w o"wietleniu drogowym. Jest to mo$liwe

dzi#ki coraz wy$szej skuteczno"ci "wietlnej diod

elektroluminescencyjnych, która staje si# porównywalna ze

skuteczno"ci% "wietln% tradycyjnych &róde' "wiat'a.

Okoliczno"ci% u'atwiaj%c% popularyzowanie opraw LED jest

równie$ spadek ich cen.

Brak w dost#pnej literaturze informacji na temat

zachowania si# opraw LED w rzeczywistych warunkach

eksploatacyjnych, tj. przy zmiennych warunkach

pogodowych, a przede wszystkim przy zmiennej

temperaturze otoczenia. Trwa'o"( diod LED silnie zale$y od

temperatury z'%cza pó'przewodnikowego. Efektywno"(

opraw LED zale$y wi#c zarówno od ich konstrukcji, jak i od

temperatury otoczenia.

W artykule zosta'y przedstawione wyniki bada)

laboratoryjnych, maj%cych na celu okre"lenie wp'ywu

warunków "rodowiskowych na prac# opraw LED, w tym

g'ównie na warto"( strumienia "wietlnego.

Badania by'y przeprowadzone w komorze klimatycznej,

w której zmieniano temperatur# otoczenia w szerokim

zakresie od -25°C do +60°C. Rejestrowano warto"(

wzgl#dnego strumienia "wietlnego oprawy LED

umieszczonej w komorze przy zadanej warto"ci napi#cia

zasilaj%cego w funkcji czasu, licz%c od momentu za'%czenia

oprawy w czasie jednej godziny. Przed pomiarem obiekt

badany by' umieszczony w danej temperaturze, a$ do

ustabilizowania si# warunków termicznych.

Wed'ug literatury [2], [3], [4], warto"( strumienia

"wietlnego modu'u LED jest nieliniowa zale$na od

temperatury z'%cza i ro"nie wraz z jej wzrostem. Wyniki

prezentowanych bada) klimatycznych mia'y na celu

znalezienie odpowiedzi na nast#puj%ce zagadnienia:

! Czy i w jaki sposób temperatura otoczenia wp'ywa na

strumie) "wietlny oprawy LED o ró$nej konstrukcji?

! Jak d'ugo nast#puje stabilizacja strumienia "wietlnego

oprawy dla ró$nych temperatur otoczenia?

! Czy zmiana sposobu zasilania matrycy LED wp'ywa na

warto"( strumienia "wietlnego?

ogniwem krzemowym z korekcj% V(!) , a warto"ci strumienia

"wietlnego rejestrowane by'y w dzia'kach. W celu eliminacji

b'#dów pomiarowych spowodowanych zmianami tempe-

ratury otoczenia na parametry fotoogniwa, zosta'o ono

umieszczone poza komor% klimatyczn%.

Komora ciep!a / zimna

Uk!ad sterowania

komory

Kula pomiarowa

Luksomierz

~ 230 V

&wiat!owód

Diody LED

Zasilacz

24 VDC

Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego

Sygna' "wietlny do ogniwa by' transmitowany za

pomoc% "wiat'owodu z PMMA o "rednicy 12 mm. Do

pomiaru strumienia "wietlnego wykorzystano luksomierz

umo$liwiaj%cy rejestracj# mierzonego sygna'u i transfer tych

danych do komputera. Równocze"nie z pomiarem

strumienia "wietlnego rejestrowane by'y przebiegi czasowe

parametrów elektrycznych badanych obiektów za pomoc%

analizatora TOPAS 1000 firmy FLUKE.

Opis obiektów bada% i prezentacja uzyskanych

wyników

Jako obiekty bada) wykorzystano oprawy uliczne z

diodami LED, dost#pne na rynku krajowym oraz pojedyncz%

matryc# 8 diodow% (matryca testowa) zasilan% z ró$nych

typów zasilaczy (fot.1).

Opis stanowiska badawczego

Na rysunku 1 zosta' przedstawiony schemat stanowiska

badawczego. W komorze klimatycznej umieszczono kul#

fotometryczn% do pomiaru strumienia "wietlnego,

zbudowan% zgodnie z odpowiednimi wymaganiami. W kuli

umieszczano badane kompletne oprawy LED. Pomiar

strumienia "wietlnego wykonano za pomoc% luksomierza z

Fot. 1. Widok testowej matrycy LED

PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (ELECTRICAL REVIEW), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010 225

Wykorzystane obiekty bada) pozwoli'y na ocen#

wp'ywu zmian temperatury otoczenia, przede wszystkim na

diody LED, rezystancj# termiczn% radiatorów oraz

konstrukcj# samej obudowy, jak równie$ na prac# zasilaczy

stanowi%cych integraln% cz#"( opraw o"wietleniowych.

Wp'yw temperatury otoczenia na wzgl#dny strumie)

matrycy LED by' omówiony przez autorów w literaturze [1].

Na rysunku 2 zosta'y przedstawione przebiegi

strumienia "wietlnego w funkcji czasu dla matrycy testowej

dla ró$nych temperatur otoczenia.

ni$ dla testowej matrycy LED, a mianowicie obserwuje si#

zmniejszanie si# warto"ci ich strumieni w czasie. Mo$e to

oznacza(, $e oprawy LED wymagaj% d'u$szego, ni$ si#

przyjmuje dla opraw tradycyjnych, czasu wygrzewania

przed wykonaniem pomiarów ich parametrów, a zw'aszcza

parametrów "wietlnych.

Wa$nym wnioskiem z prezentowanych bada) jest to, $e

konstrukcja oprawy wywiera du$y wp'yw na warto"(

strumienia w funkcji temperatury otoczenia. Dla oprawy 1

ró$nice w uzyskanej warto"ci strumienia po jego stabilizacji

s% dla rozwa$anego zakresu oko'o kilkunastu procent. Dla

oprawy 2 przy temperaturach do +25 " C przebieg zmian

strumienia jest praktycznie identyczny.

350

300

+45 " C

250

+25°C

+40 " C

200

+65 " C

-10°C

-25°C

150

0°C

100

-10°C

0°C

-20°C

-25°C

+20°C

T [s]

+60 " C

Rys. 2. Zmiana strumienia "wietlnego w [dz] dla matrycy 8

diodowej z zasilaczem pr%dowym [1]

T [s]

Prezentowane na rysunku 2 wyniki uzyskano przy

zastosowaniu zasilacza ze stabilizacj% pr%du. Natomiast na

rysunku 3 prezentowane s% wyniki bada) dla matrycy

testowej z zasilaczem napi#ciowym.

Rys. 4. Zmiana strumienia "wietlnego w [dz] dla oprawy 1

2000

1800

1600

350

1400

+40 " C

+20°C

300

1200

1000

250

0°C

800

200

-10°C

600

-25°C, -10°C, 0°C, +25°C

150

+40 " C

400

200

+60 " C

100

-25°C

T [s]

Rys. 5. Zmiana strumienia "wietlnego w [dz] dla oprawy 2

Na rysunkach 6, 7 i 8 zosta'y przedstawione

odpowiednio przebiegi mocy czynnej pobieranej z sieci w

funkcji czasu podczas procesu stabilizacji dla zadanej

temperatury. W przypadku matrycy testowej mo$na

zaobserwowa(, $e moc czynna wzrasta wraz warto"ci%

temperatury otoczenia. Stabilizacja pobieranej mocy

czynnej nast#puje po oko'o 45 minutach. W przypadku

zmiany temperatury w zakresie od -25 " C do +60 " C moc

czynna w stanie ustalonym ro"nie od 5,8 do 24,5 W, co

znacz%co wp'ywa na skuteczno"( "wietln%.

Dla oprawy 1 i 2, analogicznie jak w poprzednim

przypadku mo$na przyj%(, $e stabilizacja mocy czynnej

nast#puje równie$ po czasie 45 minut. W przypadku oprawy

2 zmiana ustalonej warto"ci mocy czynnej jest niewielka .

Moc czynna oprawy 1 maleje wraz up'ywem czasu,

podobnie jak dla oprawy 2. Dla temperatury otoczenia

+60 " C moc oprawy 1 znacznie maleje do warto"ci 11 W, a

dla temperatury +25 " C wynosi oko'o 17,5 W. Oprawa 2 w

temperaturze +60 " C nie dzia'a'a stabilnie, co praktycznie

uniemo$liwi'o pomiar strumienia "wietlnego.

Rys. 3. Zmiana strumienia "wietlnego w [dz] dla matrycy 8

diodowej z zasilaczem napi#ciowym

Jak wynika z rysunku 2 i rysunku 3, typ zasilacza

wp'ywa w istotny sposób na warto"( strumienia "wietlnego

badanej matrycy LED w funkcji temperatury otoczenia. W

obu przypadkach dla temperatury otoczenia -25 " C

uzyskano najmniejsz% warto"( strumienia. Bez wzgl#du na

rodzaj zasilacza spada warto"( strumienia "wietlnego wraz

ze spadkiem temperatury otoczenia w zakresie poni$ej

+20°C. Zmiana typu zasilacza spowodowa'a, $e oprawa

uzyska'a maksymaln% warto"( strumienia przy innej

temperaturze. Na podstawie przeprowadzonych bada)

mo$na stwierdzi(, $e matryca testowa LED bez obudowy

silnie reaguje na zmiany temperatury otoczenia.

Nast#pnie badaniom poddano dwie kompletne oprawy

LED dost#pne na rynku, oznaczone dla celów pomiarowych

jako oprawa 1 i oprawa 2. Rysunek 4 przedstawia zmiany

strumienia "wietlnego w funkcji czasu dla oprawy 1, za"

rysunek 5 – dla oprawy 2.

W przypadku wspomnianych opraw LED stwierdzono

inn% tendencj# zmian strumienia w czasie jego stabilizacji

226 PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (ELECTRICAL REVIEW), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010

Dla oprawy 2 w zakresie temperatur otoczenia -25ûC do

+25ûC, zarówno strumie) jak i skuteczno"( "wietlna, s%

praktycznie sta'e. Dopiero po przekroczeniu temperatury

+25ûC obserwuje si# wyra&ne zmiany tych wielko"ci.

+60 " C

+40 " C

+25 " C

350,0

30,00

0 " C

300,0

25,00

-10 " C

-25 " C

250,0

20,00

200,0

15,00

150,0

360

720

1080

1440

1800

2160

2520

2880

3240

3600

T [s]

100,0

10,00

Rys. 6. Zmiana mocy czynnej w funkcji czasu dla matrycy testowej

50,0

5,00

0,0

0,00

-25

-10

T [°C]

-25 " C

-10 " C

0 " C

Rys. 9. Zmiana mocy czynnej i strumienia "wietlnego w funkcji

temperatury dla matrycy testowej

+40 " C

+60 " C

+25 " C

360

720

1080

1440

1800

2160

2520

2880

3240

3600

T [s]

Rys. 7. Zmiana mocy czynnej w funkcji czasu dla oprawy 2

-25 " C

-10 " C

0 " C

-25

-10

T [°C]

+25 " C

Rys. 10. Zmiana skuteczno"ci "wietlnej w funkcji temperatury dla

matrycy testowej

+40 " C

Rys. 11. Zmiana mocy czynnej i strumienia "wietlnego w funkcji

1800,0

40,00

+60 " C

1600,0

39,00

38,00

1400,0

360

720

1080

1440

1800

2160

2520

2880

3240

3600

37,00

1200,0

T [s]

36,00

1000,0

Rys. 8. Zmiana mocy czynnej w funkcji czasu dla oprawy 1

35,00

800,0

34,00

Wa$nym z punktu widzenia efektywno"ci energetycznej

instalacji o"wietleniowych jest skuteczno"( "wietlna opraw,

okre"lana wzorem (1) wg. [5].

600,0

33,00

400,0

32,00

200,0

31,00

0,0

30,00

)

-25

-10

(1)

LED

(

T [°C]

LED

temperatury dla oprawy 2

gdzie: # LED – pomierzony strumie) "wietlny wyra$ony w

dzia'kach, P LED – moc oprawy pobierana z sieci zasilaj%cej

w [W].

Z badanych opraw najwi#ksz% skuteczno"( "wietln%

posiada matryca testowa, jednak jej praca jest najbardziej

niestabilna i wra$liwa na zmiany temperatury otoczenia.

Matryca testowa nie zosta'a wyposa$ona w uk'ad optyczny

z za'o$enia pogarszaj%cy skuteczno"( "wietln% i nie

posiada hermetycznej obudowy, której konstrukcja wp'ywa

na proces ch'odzenia diod.

Na rysunkach 9, 11 i 13 zosta'y przestawione przebiegi

mocy czynnej i wzgl#dnego strumienia w funkcji

temperatury odpowiednio dla matrycy testowej, oprawy 2 i

oprawy 1, a na rysunkach 10, 12 i 14 odpowiednio

zamieszczono wykresy zmian skuteczno"ci "wietlnej w

funkcji temperatury. Dla matrycy testowej skuteczno"(

"wietlna maleje wraz z wzrostem temperatury, za"

skuteczno"( "wietlna opraw 1 i 2 wr#cz przeciwnie ro"nie.

PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (ELECTRICAL REVIEW), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010 227

50,00

! Zastosowanie matrycy LED bez obudowy powoduje

znaczne wahania warto"ci strumienia "wietlnego w

funkcji temperatury.

! Zmienno"( strumienia "wietlnego w funkcji temperatury

otoczenia dla opraw LED zale$y od konstrukcji oprawy

oraz od typu zasilacza.

! Dla temperatur poni$ej +25 " C skuteczno"( "wietlna

badanych opraw prawie si# nie zmienia, ró$nice

zaczynaj% by( widoczne dopiero dla wy$szych

temperatur.

! Okres stabilizacji parametrów opraw LED jest znacznie

d'u$szy ni$ zalecane czasy wy"wiecania innych &róde'

"wiat'a.

Na podstawie przeprowadzonych bada) mo$na

stwierdzi(, $e przy doborze opraw LED do o"wietlenia

nale$y bardzo wnikliwie przeanalizowa( warunki ich pracy

przy wysokich temperaturach otoczenia, mo$liwych do

wyst%pienia w warunkach rzeczywistej eksploatacji. Nale$y

zobowi%za( dostawców opraw LED do informowania

u$ytkowników o zmianach parametrów tych opraw oraz

przewidywanym zakresie temperatur dla danej aplikacji.

45,00

40,00

35,00

30,00

25,00

20,00

15,00

10,00

5,00

0,00

-25

-10

T [°C]

Rys. 12. Zmiana skuteczno"ci "wietlnej w funkcji temperatury dla

oprawy 2

40,0

20,00

38,0

18,00

36,0

16,00

34,0

14,00

32,0

12,00

LITERATURA

[1] P a b j a)c z y k W . , M a r k i e w i c z P . , S i k o r a R . ,

G a b r y j e l s k i Z . , Wp'yw warunków "rodowiskowych na prac#

opraw z modu'ami LED, Technika 'wietlna 2009, VII

Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna , Warszawa,

2009, 306-315

[2] G a r c i a J . , L a m a r D . G . , D a l l a - C o s t a M . A . , A l o n s o

J . M . , R i c o - S e c a d e s M . , An Estimator of Luminous Flux

for Enhanced Control of High Brightness LEDs, IEEE Xplore

978-1-4244-1668-4/08

[3] B i b e r C ., LED Light Emission as a Function of Thermal

Conditions, IEEE Xplore 978-1-4244-3123-7/08

[4] Q i n Y . , L i n D . , H u i S . Y . , A Simple Method for

Comparative Study on the Thermal Performance of LEDs and

Fluorescent Lamps, IEEE TRANSACTIONS ON POWER

ELECTRONICS , vol.24, n.7, July 2009

[5] p u b l i k a c j a e l e k t r o n i c z n a , www.als-company.pl

30,0

10,00

28,0

8,00

26,0

6,00

24,0

4,00

22,0

2,00

20,0

0,00

-25

-10

T [°C]

Rys. 13. Zmiana mocy czynnej i strumienia "wietlnego w funkcji

temperatury dla oprawy 1

2,60

2,40

2,20

2,00

Autorzy dr in(. Wies!awa Pabja"czyk, Instytut Elektroenergetyki,

Politechnika )ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 )ód*, tel.

042-631-25-93, fax. 042-631-26-06, e-mail:

wieslawa.pabjanczyk@p.lodz.pl

dr in(. Roman Sikora, Instytut Elektroenergetyki, Politechnika

)ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 )ód*, tel. 042-631-25-93,

fax. 042-631-26-06, e-mail: roman.sikora@p.lodz.pl

dr in(. Przemys!aw Markiewicz, Instytut Elektroenergetyki,

Politechnika )ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 )ód*, tel.

042-631-25-93, fax. 042-631-26-06, e-mail:

przemys!aw.markiewicz@p.lodz.pl

dr in(. Zbigniew Gabryjelski, Instytut Elektroenergetyki,

Politechnika )ódzka, ul. Stefanowskiego 18/22 90-924 )ód*, tel.

042-631-25-93, fax. 042-631-26-06, e-mail:

zbigniew.gabryjelski@p.lodz.pl.

1,80

1,60

1,40

1,20

1,00

-25

-10

T [°C]

Rys. 14. Zmiana skuteczno"ci "wietlnej w funkcji temperatury dla

oprawy 1

Podsumowanie I wnioski

Na podstawie przeprowadzonych bada) do"wiadczalnych

na wybranych egzemplarzach opraw LED oraz matrycy

testowej mo$na sformu'owa( nast#puj%ce wnioski:

228 PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (ELECTRICAL REVIEW), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: