רכיב חשמלי המשמש לפליטת אור לחלל מכונה גוף תאורה. המילים "high bay" ו-"low bay", שמגדירות בעיקר את השטח וגובה התקרות המעורבות, נמצאות בשימוש תדיר בעסקי התאורה. גוף תאורה הנקרא high bay luminaire מיועד לאתרי תעשייה המוגבהים מעל פני הקרקע או משטח עבודה. יישומים לתאורת מפרץ גבוה עשויים לכלול מערכות תאורה המיועדות לשימוש ב"מפרץ גבוה" כגון מחסנים, מפעלי תעשייה, מפעלים קמעונאיים גדולים, זירות ספורט וכדומה, שבהם התקרות עשויות להיות בגובה 30 רגל ומעלה.
בהשוואה לתבניות גבוהות HID קונבנציונליות, גופי תאורה LED גבוהים מספקים מספר יתרונות, כולל צריכת אנרגיה מופחתת, תפוקות טובות יותר בזרמי נהיגה גבוהים יותר, אורך חיים ארוך יותר, חוסן מוגברת, גודל קטן יותר, מיתוג מהיר יותר ועמידות ואמינות יוצאות דופן. עם זאת, המורכבות שנוצרת כתוצאה מהתחממות יתר של LED היא בעיה רצינית בשימוש בתאורת מצב מוצק.
מקור החום והאור הוא LED
דיודה מוליכים למחצה היא הבסיס של התקני תאורה במצב מוצק, המיוצגים על ידי דיודות פולטות אור. אלקטרונים וחורים מתחברים מחדש כאשר הדיודה מוטה קדימה (מופעלת או מופעלת), ומשחררת אנרגיה בצורה של אור. התקנים אופטו-אלקטרוניים אלה מייצרים חום כתוצאה מהפיכת אנרגיה לאור, שאם נותנים להם להצטבר, עלולים להגביר את טמפרטורת העבודה, וכתוצאה מכך להידרדרות ביעילות ולכשל מוקדם. היכולת לשלוט בטמפרטורת הצומת ולהגיע לטמפרטורת הפעולה האידיאלית במצב יציב קובעת לעתים קרובות את ביצועי ה-LED. תפוקת אור גרועה יותר, יעילות גוף תאורה גרועה יותר, אורך גל דומיננטי, ותוחלת חיים קצרה אף יותר נמצאים לעתים קרובות בקורלציה עם טמפרטורת צומת גבוהה יותר. לטמפרטורת הצומת של ה-LED יש השפעה ניכרת הן על היעילות הכוללת והן על חיי L70. עבור נורית גליום ניטריד (GaN), ניתן להפחית את משך החיים ב-10 קילו-שעה (1000 שעות) עבור כל עלייה של 10 מעלות בטמפרטורת הצומת (מעל 25 מעלות). היעילות של הנוריות תקטן ביותר מ-10 אחוזים אם טמפרטורת הצומת תעלה מ-40 מעלות ל-70 מעלות. על מנת לשמור על ביצועים ולווסת את טמפרטורת הפעולה של גוף ה-LED לשינוי מסוים בטמפרטורת הצומת ובטמפרטורת הסביבה, יש לתכנן את פתרונות הניהול התרמיים הנכונים.
אזורים עם טמפרטורות סביבה גבוהות דורשים תאורת מפרץ גבוהה
גופי תאורה מותקנים לרוב בתקרה או קרוב לתקרה בבניינים גבוהים. כדי לספק תאורה נאותה, נוריות LED בהספק גבוה משמשות בדרך כלל במנורות אלו. הזרם החשמלי הניתן ללדים וטמפרטורת הפעולה של הלד משפיעים על כמות האור שהיא מפיקה. ניתן להשתמש באותות הנעה חשמליים גבוהים להנעת נוריות LED עם שטף אור גבוה, אולם פעולה זו תכופות גורמת לכך שהנוריות פועלות בטמפרטורות גבוהות. בנוסף, יישומי מפרץ גבוה פועלים בדרך כלל בהגדרות מאכלות וחמורות יותר מיישומי מפרץ נמוך. במיוחד במתקני ייצור כמו מפעלי פלדה, מפעלי יציקה ומפעלי ייצור זכוכית, הגדרות מפרץ גבוהות יכולות להיות טמפרטורות סביבה גבוהות יותר, יותר אבק באוויר וחלקיקי שמן. נורית LED עלולה להינזק מהחום המופק מהמעגלים הנלווים לה בזמן עבודה במתחם עם שטח קטן ו/או בסביבה עם טמפרטורות סביבה גבוהות.
כתוצאה מכך, חיוני לנהל את החום המופק בתוך גוף ה-LED תוך שימוש בתאורה בעלת הספק גבוה באזורים עם טמפרטורות סביבה גבוהות. ניהול תרמי מתייחס ליכולת של מערכת להסיר מהמתקן הגבוה את עודפי החום המצטברים בצומת, אשר לעיתים קרובות עלול להדרדר את הזרחן ולקצר את חיי המנורה. בעזרת שימוש בחומרי גוף תאורה מובחרים, עיצובים משופרים של פיזור חום, ואפילו חיישני טמפרטורה המפחיתים אוטומטית את האור כאשר מצטבר יותר מדי חום, יצרני LED תמיד משפרים את העיצובים שלהם לטמפרטורות גבוהות יותר.
השתמש בנורות LED באיכות גבוהה כדי לשרוד
באופן כללי, נוריות LED איכותיות הן רכיבים עמידים שיכולים לתפקד בסביבות חמות. לדוגמה, נוריות CREE XM-L יכולות לתפקד בטמפרטורת צומת של עד 150 מעלות. תפוקת האור היחסית של גופי תאורה LED יורדת ב-10 אחוז בלבד בטמפרטורות סביבה של 60 מעלות בהשוואה לתפוקת אור יחסית ב-25 מעלות. התנגדות תרמית היא מונח המשמש לתיאור היכולת הכוללת של מכשיר להעביר חום בגזרת LED. חיבור פיזור החום והאריזה של הנוריות עצמן תוכננו עם נתיבי התנגדות תרמית מינימליים. ההספק המרבי שעלול להתפזר בחבילת LED תלוי בהתנגדות התרמית שלה וכן בטמפרטורת העבודה המרבית שלה. ההתנגדות התרמית בין צומת LED והאוויר שמסביב קובעת את הזרם המקסימלי קדימה. טמפרטורות חזקות של צומת LED נובעות מהצטברות חום גדולה בתוך נוריות LED עם התנגדות תרמית חזקה. כאשר זה קורה, ההשפעות של עליית טמפרטורת הצומת ב-LED יכולות לאזן את ההשפעות של עליית הזרם קדימה, ולגרום ל-LED לשמור או אפילו להקטין את רמת תפוקת האור שלה למרות עליות בזרם קדימה. על מנת למקסם את חיי גוף התאורה ואת המאפיינים האופטיים, חיוני שגוף התאורה יהיה בנוי בצורה שתמזער את עמידות החום מנקודת ההלחמה לסביבה. למשפחת ה-OSRAM Opto Semiconductors הצג OSLON Square LED יש התנגדות תרמית נמוכה של 3.8 K/W בלבד, המתפקדת היטב בטמפרטורות סביבה גבוהות ועשויה להשיג תוחלת חיים של יותר מ-50,000 שעות גם בטמפרטורות גבוהות. טמפרטורות של עד 135 מעלות במנורת LED. בהתבסס על פעולת זרם קבוע עם טמפרטורת צומת שנשמרת ב-120 מעלות או מתחתיה, נוריות ה-LED הלבנות של Lumileds LUXEON K2 מציעות תחזוקת לומן של 70 אחוז ב-50,000 שעות פעולה בזרם קדימה של 1000 mA. זה יכול לפעול עם אובדן תפוקה קטן בטמפרטורות צומת גבוהות כמו 150 מעלות.
בקרה תרמית: היבט מכריע בביצועי המערכת
עיצוב תרמי יעיל חיוני עבור גופי תאורה תעשייתיים, במיוחד המפרצים הגבוהים בסגנון עב"מים שבהם מעגלים ונוריות LED ממוקמים במארז סגור, כדי להוריד את טמפרטורת הפעולה של מכשירים אופטו-אלקטרוניים כאלה תוך שיפור הביצועים והאמינות. כשמדובר בעיצובים גבוהים, גוף הקירור - שהוא לעתים קרובות בית גוף תאורה משולב - הוא הדגש העיקרי של העיצוב התרמי. כל צומת לד ובית הנהג מיועדים לקירור באמצעות גוף קירור. על מנת להרחיב את שטח הפנים של גוף הקירור ולהקל על חילופי חום הסעה גבוהים יותר עם האוויר שמסביב, גופי קירור עשויים לרוב מחומר מוליך חום, כגון מתכת, ויש להם סנפירים או תעלות. תא אוורור תרמי מובנה שיוצק לתוך הדיור אפשרי. הרכב החומר וגורמי הסביבה משפיעים על המוליכות התרמית של הדיור הגבוה. הולכה תרמית היא שיטה נוספת לפינוי פסולת חום המבוססת על הגיאומטריה של חלקי המערכת. ניתן להשתמש בכל חומר בעל מוליכות תרמית גבוהה לייצור גופי קירור, כולל אך לא מוגבל לנחושת, אלומיניום וסגסוגות מתכת. למרות העובדה שלנחושת יש מוליכות תרמית של לפחות 400 W/mK. בשל המוליכות התרמית הגבוהה יחסית ופשטות הייצור שלו, אלומיניום היא המתכת המועדפת עבור גופי קירור. בית האלומיניום יכול להיות בעל ציפוי אבקה אקרילי למרוח הן על המשטחים הפנימיים והן החיצוניים כדי לשפר את פיזור החום ועמידות בפני קורוזיה.
