LED világítás alkalmazhatósága az irodai és a
közvilágításban
Készítette: Nagypál Mihály
2011. december 1.
KT-Electronic Kft. Műszaki igazgató
Békéscsaba
Döntés előtt Felmerülő kérdéskörök
I. II. III. IV. V.
Milyen színű legyen Fényforrások harca:LED vs. NA és FL LED fényforrású lámpák Élettartam: Ígéretek a számok tükrében Karbantartás
Milyen színű legyen? A Melatonin az alvásciklust irányító hormon , melyet a tobozmirigy választ ki, de a retina vezérel (484nm-es kék fény )
555nm
507nm
Hideg fehér: 5000-5500K Közép fehér: 4000-4500K Meleg fehér: 2700-3200K
Választási lehetőségek- korlátok? Lehetőségek gyártó #1
Lehetőségek gyártó #3 Lehetőségek gyártó #2
Beléphetnek-e a LED-ek Na lámpa uralta közvilágításba ? Amit a LED lámpák ígérnek:
Energiatakarékos Környezetbarát technológia Jó irányítottság- minimális fényszennyezés Alacsony karbantartás igényű elemek Tág fényáram szabályozási lehetőségek Széles határok között változtatható színhőmérséklet Közlekedésbiztonság új szintű támogatásának lehetősége Nagyfokú érzéketlenség a névleges hálózati paraméterek temporális kilengéseire
Hasonlóságok- különbségek, Nátrium és LED Nagynyomású Nátriumgőz lámpák
Tipikus színhőmérséklet (CT): 2000K
Színvisszaadási index (CRI): 40-60
Fényforrás hatásfoka: ~70-130lm/W (kisugárzott fényáramnak 31%-a esik látható tartományba)
Fényforrás élettartama: 16-28.000h
Fényáram irányítása: tükörrendszerrel
A fényforrás előtét használatát igényli
Előtét élettartama: 10-30.000h
LED
Tipikus színhőmérséklet (CT): 2700K – 9000K
Színvisszaadási index (CRI): 60-93 (a magasabb Ra érték, azonos technológiai színvonalon alacsonyabb hatásfokkal párosul)
Fényforrás hatásfoka: ~80-160lm/W, és fejlődik (kisugárzott fényáramnak a 100%-a látható tartományba esik)
Fényforrás élettartama: 50-70.000h is lehet! (új definíció)
Fényáram irányítása: tükörrendszerrel, vagy lencsékkel (esetleg mindkettővel)
A fényforrás tápegység használatát igényli
Tápegységre adott MTBF értékek tipikus értékei: 50.000h- 200.000h- 500.000h
Nátrium és LED fényforrással ellátott lámpák energiamérlege
Nátrium lámpák tápegységei: Az ív begyújtásához magas feszültségimpulzus szükséges (1-5 kV) ( gyújtó) Az ív égési feszültsége alacsonyabb mint a hálózati feszültség, így soros előtétre, (áram korlátozó) fojtóra van szükség A fojtó induktív jellege miatt fázisjavító kondenzátort igényel
Reális megtakarítás (W): 20-29% Maximális megtakarítás (W): 40-55% A nagyteljesítményű LED lámpák tápegységei összetettebbek a korábban megszokott előtétekénél,feladatuk a bemeneti feszültség széles tartománya mellett stabil egyenfeszültség biztosítása a LED panel meghajtó áramköre részére. A Hosszú élettartamát szabályzó és védelmi áramkörök biztosítják. A kapcsolóüzemű tápegység keltette zavarokat rendszerint PFC áramkör kompenzálja a hálózat felé.
Fénycső VS. LED • • • • • • • •
25W LED 4W táp+driver 110lm/W 2750lm 2340Lm 29W 95Lm/W 80 Lm/W
• • • • • • • •
16W (36%)
36W FSD 9W előtét 80lm/W 2900lm 2460Lm 45W 64Lm/W 54 Lm/W
• • • • • • • •
47W (46%)
20W LED 4W táp+driver 110lm/W 2200lm 1980Lm 24W 91Lm/W 82 Lm/W
Megoldás 60X60 mennyezeti lámpára LED cső (T8) Hagyományos • 4*8W LED • 4x18W FL • 4x1W táp+driver • 16W előtét • 100lm/W • 80lm/W • 3400 lm • 4800lm • 3400lm • 3200lm • 32W • 88W • 95Lm/W • 67Lm/W • 80 Lm/W • 54 Lm/W
56W
(64%)
Vékony panel A • 40W LED • 4W táp+driver • 110lm/W • 2700lm • 2700Lm • 44W • 67Lm/W • 61 Lm/W
44W
(50%)
Vékony panel B • 58W LED • 4W táp+driver • 110lm/W • 4200lm • 4200Lm(24%) • 62W • 72Lm/W • 68 Lm/W
26W(30%)
Fényszennyezés
„Zavaró fénynek tekintjük a megvilágítás azon részét,ami nem a megvilágítandó felületre, irányba és nem a megfelelő időszakban jut. De zavaró fényt jelent a szükséges szintnél lényegesen nagyobb megvilágítás is”
Alkalmazott LED-ek SMD LED -Surface Mounted Light-Emitting Diodes - felületszerelt eszköz Tulajdonságok: P=100-500mW, If: 10-120mA, Élettartam ta 25°C 30-60.000h Alkalmazás: nagy méretű homogén világító felületek létrehozása, (flat panelek, fénycsövek, merev és hajlékony fényszalagok) LED hatásfok: 70-110lm/W Lencse: Nincs Burkolat csillapítása látható fénytartományban: ~15- 40%
HP LED -High Power Light Emitted Diodes Tulajdonságok: P=1000;3000mW, If: 350;700mA, Élettartam ta 25°C 50-70.000h Alkalmazás: kiemelkedő fényáram, (közvilágítási lámpatestek, PAR 16-38 fényvetők, reflektorok ) LED hatásfok: 90-160lm/W Lencse csillapítása (380-800nm): ~15-35% Burkolat csillapítása (380-800nm): ~8-15%
COB LED - Chip On Board Light Emitted Diodes Tulajdonságok: P= 5-100W Alkalmazás: kiemelkedő fényáram, (közvilágítási lámpatestek, reflektorok ) LED hatásfok: 70-110lm/W Lencse NINCS / 20-35% Burkolat csillapítása (380-800nm): ~8-15%
Élettartam- fényáram Élettartam Fényforrás
Lámpa
• 60% még működik • 50% még működik • Fényáram 80% -ra csökken • Fényáram 70% -ra csökken
• fényforrás? • lámpatest ? • tápegység ?
A foszforréteg az idő előre haladtával csökken, Összességében a CCT eltolódik a hidegebb színhőmérsékleti tartományba
LED Elméleti élettartam, lehetőségek- korlátok Gyártó # 1
Gyártó # 2
Réteg hőmérséklet Tj
Kompromisszumok Szín eltolódás Publikált érték
Fényáram Fényáram
Hőmérséklet (Tj)
Élettartam
Áram (If)
Élettartam
Hőmérséklet (Tj)
Beruházás
Áram (If)
Élettartam
LED-ek száma
Normalized Light Output (%)
Valós Fényáram csökkenés - Mérési adatok Teletronik 160W Modular 120,0% 100,0% 80,0% 60,0% 40,0% 20,0% 0,0% 1 hr
Date 7/7/2010 8/4/2010 8/18/2010 9/22/2010 11/9/2010 12/20/2010 2/1/2011 3/14/2011 4/25/2011 7/17/2011 8/28/2011 10/9/2011
10 hr
100 hr
1000 hr Time(Hours)
Teletronic Modular Road 160W (4-Modul) Time lx Light Decay (%) N. Light Output (%) 1 hr 672 hr 1000 hr 2000 hr 3000 hr 4000 hr 5000 hr 6000 hr 7008 hr 9000 hr 10000 hr 11000 hr
61,9 lx 61,4 lx 62,2 lx 62,2 lx 62,2 lx 62,3 lx 61,4 lx 59,7 lx 59,9 lx 58,1 lx 58,2 lx 56,3 lx
0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,0% 0,8% 3,6% 3,2% 6,1% 6,0% 9,0%
100,0% 99,2% 100,5% 100,5% 100,5% 100,6% 99,2% 96,4% 96,8% 93,9% 94,0% 91,0%
10000 hr
100000 hr
Tesztkörülmények: Telepítési környezet: mérsékelt égöv kültéri Üzemidő: 24h/nap Felülettisztítás: Ø Teljesítmény vissza szabályzás: Ta75°C
Valós Fényáram csökkenés - Mérési adatok Teletronik 96W Road
Tesztkörülmények: Telepítési környezet: mérsékelt égöv kültéri Üzemidő: 24h/nap Felülettisztítás: 4000h –ként / nem
Teljesítmény vissza szabályzás: Ta75°C
Leggyengébb láncszem: Tápegység - meghajtó „A LED –es lámpák legnagyobb baja, hogy NEM csak LED-ekből állnak!” Miért kell
A LED – mint áramköri elem működtetése
Kritikus mértékben determinálja a LED lámpák adaptálhatóságát a meglévő (feszültségingadozások, ~tüskék, ~szabályozási hatások) LED-ek / LED lámpák névleges élettartamának fenntarthatóságát A Lámpák visszahatását a villamos hálózatra Karbantartás - fenntartás mértékének megítélését
Megvalósítás Kapcsoló üzemű tápegységekkel Önálló és beépítésre szánt kivitel, integrált és szeparált meghajtó egységek Szokatlan elhelyezési megoldások – hőegyensúly
LED mint áramköri elem működtetése
A LED-ek olyan félvezető elemek amelyek tipikus működési feszültsége törpefeszültség tartományba esik
Termikus koefficiense negatív (PN átmenetnél a tiltott sáv csökken), vagyis a LED átmeneti ellenállása
csökken, a rajta eső feszültség szintén. Az átfolyó áram növekedése pedig akár a félvezető tönkremeneteléit is okozhatja
50°C hőmérséklet emelkedés akár 200mV feszültségesést is jelenthet
Stabil működéshez a feszültségszintet, illetve az átfolyó áramot szabályozni kell !!!
STABILIZÁLT TÁPEGYSÉGRE VAN SZÜKSÉG
–
Fényforrásokhoz tartozó Előtétek, Tápegységek szerepe Na lámpák
Fénycsöves lámpák
Alap feladat
A kezdeti magasabb gyújtófeszültség előállítása, lámpaáram meghatározott szinten tartása, az égési feszültségszint biztosítása, fázisjavítás
A kezdeti magasabb gyújtófeszültség előállítása, az égési feszültségszint biztosítása, fázisjavítás
Széles bementi feszültségtartomány mellett a LED –ek üzemi feszültségének és áramának tartása, szabályozása
Megvalósítás
Klasszikus: gyújtó, fojtó tekercs, fázisjavító kondenzátor. Újabban: Elektronikus előtét áramkörök, amelyek magas frekvenciás ( 20-60kHz) működést, időben késletett újragyújtást tesznek lehetővé, magasabb fényáram, Jobb szabályozhatóság veszteségek csökkenése
Klasszikus: gyújtó, fojtó tekercs, fázisjavító kondenzátor. Újabban: Elektronikus előtét áramkörök, amelyek magas frekvenciás működést, fényerő szabályzást tesz lehetővé
Integrált vagy szeparált tápegység és meghajtó
Működési hőmérséklet
Tc 70-90°C < Tw 130°C
Tc 70°C -30-+70°C
-30-+70°C
hatásfok
80-85%
80-85%
85-93%
lehet Galvanikusan leválasztott, Galvanikusan nem leválasztott Jellemző kivitel: Önálló ( IP65-67) Ritkán beépítésre szánt
50-500 kh
MTBF Élettartam (kh)
LED Lámpák
30-10 kh
16-10 kh
?
LED tápegységektől elvárható alap és kiegészítő funkcionalitások Primer oldal Jellemző értékek
Jellemző megvalósítás
Bemeneti feszültség fogadás széles tartományban
90-265 VAC, 130-370VDC
Kapcsoló üzemű tápegység
Védelmek: túlfeszültség túláram, túlmelegedés
T= 70-75°C - korlátozás T=100°C - kikapcsolás
Elektronikus, ( ritkán olvadó biztosíték) Túlmelegedés esetén teljesítmény visszaszabályozás 60%
Hálózat oldali paraméterek szabványértéken belül tartása ( THDi, PF, EMC )
THDi < 15% Teljesítmény tényező > 0,9
PFC áramkör
Szekunder oldal Tápegység kimeneti oldal Szabályzás
Feszültség,áram
Meghajtó áramkör
(Stabil feszültség szint, terhelés növekedés esetén kitöltési tényező alapjel növelése, terhelés csökkenés esetén kitöltési tényező alapjel csökkentése)
LED panelre jutó áram szabályzása 3001000mA/ csatorna (Tipikus célok: , stabil áramellátás, öregedés kompenzálás; fényerő szabályozás)
Jelalak formálás
Stabil egyenfeszültség
PWM (dimmelésnél is)
Védelem: ~rövidzár, ~túl áram,
Túlterhelés esetén áramkorlátozás, visszahajló feszültség karakterisztika
Cél IC-s, CRD-s diszkrét félvezetős
Túlmelegedés védelem
-
LED panel áramkorlátozása (tipikus érték 50%)
Nagysorozatban gyártott, közvilágítási LED lámpákhoz ajánlott tápegység tipikus karakterisztikái Teljesítménytényező változása terhelés függvényében
Hatásfok változása a terhelés függvényében
Túlmelegedés védelem
Külön tápegység és LED meghajtó Előnyök
A „leggyengébb láncszem” már nem lámpa specifikus Univerzális felhasználhatóság A Tápegység akár a helyszínen cserélhető Egyszerű hibaelhárítás (gyártóüzemeltető feladatmegosztás)
Hátrányok Drágább Bonyolultabb
Integrált, beépített tápegység és LED meghajtó Előnyök
Olcsó Egyszerű Könnyen karbantartható Egyszerű hibaelhárítás
Hátrányok
Magasabb Ta- az elhelyezés miatt Korlátozottabb védelmi funkciók Rendkívül gondos termikus tervezést igényel Kötött cserealkatrész típus
Egy mai Na lámpa teljesítményfelvételének állandósulása
Kiváltó LED lámpa teljesítményfelvételének állandósulása
Hálózat tipikus felharmonikus szennyezése
EN 61000-3-2
Tápegység elhelyezése – a termikus méretezés fontossága LED fényforrással rendelkező lámpatestek hőtermelő elemei: LED –ek és a Tápegység A betáplált villamos energia hő vesztesége: Tápegység
8-13%
Ne fűtse a LED panelt
LED
75%
Ne fűtse a tápegységet
amelynek környezetbe diszipálásáról gondoskodni kell!!! A világításra használt „Fehér” LED ek fényhasznosítása folyamatosan nő, ma (2011 ősz) 100-160lm/W Túlmelegedés hatásai a félvezetőkre : •
Félvezetők hatásfoka csökken Áramfelvétel nem kívánt mértékben nő (nyitó feszültség termikus koefficiense negatív Cu= -2- -4mV/°C)
•
Félvezetők elöregedése exponenciálisan nő
Gyakorlati hatások: Áramköri veszteségek növekedése Fényáram csökkenés LED fénystabilitása csökken (melegebb fehér lesz) Tápegység élettartam csökkenés (ELCO kiszárad, FET elöregedik, tekercs túlmelegedik ) LED –ek tönkremennek
Bulevard 28
Boulvard 28 LED lámpa osztás 30 m Megvilágítás erősség (Lux)
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
Távolság (m)
Boulvard 28 LED lámpa osztás 35 m Megvilágítás erőssége (Lux)
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
Távolság ( m)
Élettartam - üzemidő és a karbantartás Fényforrás – modell specifikus elem Közvilágítási lámpákban alkalmazott LED ek tipikus teljesítmény felvétele 1-3W. A LED chipek alumíniumréteggel felgőzölt nyák-ra kerülnek MCPCB (Metal Core PCB) /illetve 15- 60W COB (Chip On Board) amelyeket hűtőpaszta, vagy hűtőpaszta és villamos szigetelő rétegen keresztül közvetlenül a hűtőbordákhoz rögzítenek. • Prediktív karbantartást – nem igényel Javítás: Modulcsere – lámpa szállító szoros együttműködése kell, helyszíni csere kérdéses Hidegtartalék!
Tápegység – lámpa specifikus elem Általában önálló kivitelű, kompakt, csavaros kötéssel rögzített, könnyen, gyorsan cserélhető a helyszínen. Sok esetben, mindkét végén IP védett csatlakozóval ellátott Javítás: csere, azonos, vagy a forgalmazó által jóváhagyott kiváltó modellre Hidegtartalék! Lámpatest A termikus egyensúly miatt szinte minden esetben masszív fém ház, (alumínium) Hűtő felület- hűtőborda Optikai teret lezáró fényáteresztő felület (edzett üveg, PMMA) szennyeződésmentesítése csökkenti a lámpatest fényáram csökkenését. Javítás: tipikusan teljes lámpacserével Hidegtartalék!
Üzemidő - MTBF Mi az az MTBF? Egy kh – ban megadott érték, azt méri mennyire megbízható a termék Mean Time Between Failures : „Átlagos idő két meghibásodás között”
Vizsgált időtartam (Év) Üzemóra/ Év (h) MTBF (tápegység) " NO NAME"
4 100
h
50 000
h
1
5
4 100
20 500
R(t): 92,1%
Meghibásodó "A" eszközök várható száma/ 100 telepített: MTBF (tápegység) "A"
200 000
h
300 000
R(t): 98,0%
h
MTBF (tápegység) "C"
500 000
10 93,4%
R(t): 99,2%
63 78,2% 22 84,9%
2
Meghibásodó "C" eszközök várható száma/ 100 telepített:
Élettartam
34 90,3%
R(t): 98,6%
h
37,4%
2
Meghibásodó "B" eszközök várható száma/ 100telepített:
49 200
66,4% 8
Meghibásodó "A" eszközök várható száma/ 100 telepített: MTBF (tápegység) "B"
12
7 96,0%
90,6%
1
Na lámpák
Fénycsöves lámpák
28 000 -10.000 h
16.000-10 000 h
16
4
10
LED Lámpák 50 000 h ?
MTBF kalkulációs szoftverek: Polimore, Telcordia; MIL – HDBK – 217; RelCalc
Összegzés A LED kezelheteő-e úgy mint az eddig megszokott fényforrások? NEM •
Számos egyedi megoldást tesz lehetővé ( szín-, fényáram-, színhőmérséklet- váltás, fényszennyezés csökkentés)
Elérheti –E a LED ek élettartama a 100.000 órát? – TALÁN •
Sok tényezőtől függ, a tervezési / környezet
Alkalmas-e a LED mint fényforrás a mai fényforrások teljes körű kiváltására? NEM •
Minél melegebb a színhőmérséklet, annál nehezebb a tervezési feladat.
Van-e jobb megoldás a közvilágítás biztosítására a NA és a CFL lámpáknál? IGEN •
Kisugárzott fény spektrumában, lámpatest hatásfokában, fényszennyezés csökkentésében
Lehet LED-el energiát megtakarítani? IGEN •
Szinte minden esetben.
Lehet vele pénzt megtakarítani? – ATTÓL FÜGG •
Az összes költségelemet figyelembe kell venni mint beruházás mind üzemeltetés oldalon
A jövőbeni projektekbe érdemes-e figyelembe venni a LED - eket? TELJES MÉRTÉKBEN •
Annak Aki meg akarja őrizni a versenyképességét a piacon akkor MINDENKÉPPEN!
Irodalomjegyzék
Világítástechnikai Társaság : Világítástechnikai kislexikon-© 2001 LX-C/V/D Integrated LED constan current power supply family Excelsys KT-E Labormérési eredmények Külső labormérési eredmények Alex Ryer: The Light Measurment handbook www.lightronic.hu www.osram.com www.nichia.com www.mainwell.com Stephan Wegstein: Arrow_Europe_Lighting_Guide http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/356219/NXP/TEA1752LT.html
Köszönöm a Figyelmüket Nagypál Mihály
KT- Electronic Kft. 2040 Budaörs, Gyár u. 2. Tel.: +36 (23) 503 868 Fax: +36 (23) 444 926 www.led.kte.hu
