Un composant électrique utilisé pour émettre de la lumière dans un espace est appelé un appareil d'éclairage. Les termes éclairage « high bay » et « low bay », qui définissent principalement la surface et la hauteur des plafonds concernés, sont fréquemment utilisés dans le métier de l'éclairage. Un luminaire appelé luminaire grande hauteur est conçu pour les sites industriels surélevés au-dessus du sol ou d'une surface de travail. Les applications d'éclairage de grande hauteur peuvent inclure des systèmes d'éclairage conçus pour être utilisés dans des «grandes baies» telles que des entrepôts, des installations industrielles, des établissements de vente au détail de grande taille, des arènes sportives ou similaires, où les plafonds peuvent être de 30 pieds ou plus.
Par rapport aux luminaires pour grande hauteur HID conventionnels, les luminaires pour grande hauteur à LED offrent un certain nombre d'avantages, notamment une consommation d'énergie réduite, de meilleures sorties à des courants d'entraînement plus élevés, une durée de vie plus longue, une robustesse accrue, une taille plus petite, une commutation plus rapide et une durabilité et une fiabilité exceptionnelles. Cependant, les complexités provoquées par la surchauffe des LED constituent un problème sérieux avec l'utilisation de l'éclairage à semi-conducteurs.
La source de chaleur et de lumière est LED
La diode à semi-conducteur est la base des dispositifs d'éclairage à semi-conducteurs, qui sont représentés par des diodes électroluminescentes. Les électrons et les trous se rejoignent lorsque la diode est polarisée en direct (activée ou allumée), libérant de l'énergie sous forme de lumière. Ces dispositifs optoélectroniques produisent de la chaleur en transformant l'énergie en lumière, qui, si on la laisse s'accumuler, peut augmenter la température de fonctionnement, entraînant une détérioration de l'efficacité et une défaillance précoce. La capacité de contrôler la température d'une jonction et d'atteindre la température de fonctionnement idéale en régime permanent détermine souvent les performances d'une LED. un rendement lumineux inférieur, une efficacité du luminaire inférieure, une longueur d'onde dominante et une espérance de vie encore plus courte sont souvent corrélés à une température de jonction plus élevée. La température de jonction de la LED a une influence considérable sur son efficacité globale et sa durée de vie L70. Pour une LED au nitrure de gallium (GaN), la durée de vie peut être réduite de 10 kHrs (1000 heures) pour chaque augmentation de 10 degrés de la température de jonction (plus de 25 degrés). L'efficacité des LED diminuera de plus de 10 % si la température de jonction passe de 40 degrés à 70 degrés. Afin de maintenir les performances et de réguler la température de fonctionnement du luminaire LED pour un certain changement de la température de jonction et de la température ambiante, les solutions de gestion thermique appropriées doivent être conçues.
Les zones avec des températures ambiantes élevées nécessitent un éclairage de grande hauteur
Les appareils d'éclairage sont souvent montés au plafond ou à proximité du plafond dans les bâtiments à grande hauteur. Pour fournir un éclairage adéquat, des LED haute puissance sont couramment utilisées dans ces lampes. Le courant électrique donné à une LED et la température de fonctionnement de la LED affectent la quantité de lumière qu'elle produit. Des signaux de commande électriques élevés peuvent être utilisés pour commander des LED avec un flux lumineux élevé, mais cela entraîne fréquemment le fonctionnement des LED à des températures élevées. De plus, les applications à grande hauteur fonctionnent généralement dans des environnements plus corrosifs et plus sévères que les applications à faible hauteur. En particulier dans les installations de fabrication telles que les aciéries, les fonderies de fonderie et les usines de production de verre, les réglages de grande hauteur peuvent avoir des températures ambiantes plus élevées, plus de poussière en suspension dans l'air et de particules d'huile. Une LED peut être endommagée par la chaleur produite par les circuits qui l'accompagnent lorsqu'elle fonctionne dans un boîtier avec une petite quantité d'espace et/ou dans un environnement avec des températures ambiantes élevées.
Par conséquent, il est essentiel de gérer la chaleur produite à l'intérieur du luminaire LED tout en utilisant un éclairage haute puissance dans des zones à température ambiante élevée. La gestion thermique fait référence à la capacité d'un système à éliminer du luminaire haut le surplus de chaleur qui s'accumule à la jonction, ce qui peut fréquemment détériorer le phosphore et raccourcir la durée de vie de la lampe. Avec l'utilisation de matériaux de luminaires haut de gamme, de conceptions améliorées de dissipation de la chaleur et même de capteurs de température qui diminuent automatiquement les lumières lorsque trop de chaleur s'accumule, les fabricants de LED améliorent constamment leurs conceptions pour des températures plus élevées.
Utilisez des LED de haute qualité pour survivre
En général, les LED de haute qualité sont des composants durables qui peuvent fonctionner dans des environnements chauds. Par exemple, les LED CREE XM-L peuvent fonctionner à une température de jonction allant jusqu'à 150 degrés. Le rendement lumineux relatif des luminaires à LED chute de seulement 10 % à des températures ambiantes de 60 degrés par rapport au rendement lumineux relatif à 25 degrés. La résistance thermique est un terme utilisé pour décrire la capacité globale d'un appareil à transporter la chaleur dans le secteur des LED. La connexion thermique et l'emballage des LED elles-mêmes ont été conçus avec des chemins de résistance thermique minimaux. La puissance maximale pouvant être dissipée dans un boîtier LED dépend de sa résistance thermique ainsi que de sa température de fonctionnement maximale. La résistance thermique entre la jonction LED et l'air ambiant détermine le courant direct maximal. les fortes températures de jonction des LED résultent d'une importante accumulation de chaleur à l'intérieur des LED avec une forte résistance thermique. Lorsque cela se produit, les effets de la croissance de la température de jonction dans la LED peuvent équilibrer les effets de l'augmentation du courant direct, obligeant la LED à maintenir ou même à diminuer son niveau de sortie de lumière malgré les augmentations du courant direct. Afin de maximiser la durée de vie et les propriétés optiques du luminaire, il est crucial que le luminaire soit construit de manière à minimiser la résistance à la chaleur du point de soudure à la température ambiante. La famille de LED OSLON Square présentée par OSRAM Opto Semiconductors a une faible résistance thermique de seulement 3,8 K/W, qui fonctionne particulièrement bien à des températures ambiantes élevées et peut atteindre une durée de vie nettement supérieure à 50 heures000, même à des températures élevées. des températures allant jusqu'à 135 degrés dans la LED. Sur la base d'un fonctionnement à courant constant avec une température de jonction maintenue à 120 degrés ou moins, les LED blanches Lumileds LUXEON K2 offrent un maintien de 70 % de lumens à 50 000 heures de fonctionnement à un courant direct de 1 000 mA. Il peut fonctionner avec peu de perte de sortie à des températures de jonction aussi élevées que 150 degrés.
Contrôle thermique : un aspect crucial de la performance du système
Une conception thermique efficace est essentielle pour les appareils d'éclairage industriels, en particulier les baies hautes de style OVNI où les circuits et les LED sont placés dans un boîtier fermé, pour abaisser la température de fonctionnement de ces dispositifs optoélectroniques tout en améliorant les performances et la fiabilité. Lorsqu'il s'agit de conceptions à grande hauteur, le dissipateur thermique, qui est souvent un boîtier de luminaire intégré, est l'élément principal de la conception thermique. La jonction de chaque LED et le boîtier du pilote sont destinés à être refroidis par un dissipateur thermique. Afin d'étendre la surface du dissipateur thermique et de faciliter un échange de chaleur convectif plus élevé avec l'air ambiant, les dissipateurs thermiques sont souvent constitués d'un matériau conducteur de chaleur, tel que du métal, et ont des ailettes ou des canaux. Une chambre de ventilation thermique intégrée coulée dans le boîtier est possible. La composition du matériau et les facteurs ambiants affectent la conductivité thermique du boîtier grande hauteur. La conduction thermique est une autre méthode d'évacuation de la chaleur perdue basée sur la géométrie des composants du système. Tout matériau à haute conductivité thermique peut être utilisé pour fabriquer des dissipateurs thermiques, y compris, mais sans s'y limiter, le cuivre, l'aluminium et les alliages métalliques. Malgré le fait que le cuivre a une conductivité thermique d'au moins 400 W/mK. En raison de sa conductivité thermique relativement élevée et de sa simplicité de fabrication, l'aluminium est le métal de choix pour les dissipateurs thermiques. Le boîtier en aluminium peut avoir un revêtement en poudre acrylique appliqué sur les surfaces intérieure et extérieure pour améliorer la dissipation de la chaleur et la résistance à la corrosion.
