Holofotes LED de alta potência (100W, 200W, 300W, 400W, 500W)

Aplicativos

Holofotes LED de alta potência(100W a 500W) são projetados para fornecer uma quantidade substancial de lúmens para iluminação de áreas, estradas, tarefas ou realce. Esta versátil família de luminárias para exteriores encontra uma variedade de aplicações que requerem iluminação direcional sobre uma zona definida, seja para iluminar um ponto de interesse com um feixe de luz fortemente focado, ou para iluminar uniformemente grandes áreas ou superfícies verticais com luz branca intensa. Estas luminárias podem ser utilizadas como fonte elevada de luz para iluminar áreas geométricas específicas, tais como parques de estacionamento, aeroportos, terminais de carga, nós de ligação rodoviária, campos desportivos, campos de golfe, praças de portagem, instalações industriais e áreas de armazenamento exteriores. Os holofotes LED de alta potência também são usados ​​para acentuar e destacar elementos arquitetônicos como fachadas, monumentos, colunas e estruturas icônicas. Os holofotes são orientáveis, o que, juntamente com o design adequado do feixe, localização e altura de montagem, contribui para uma solução de iluminação externa muito eficaz, porém flexível.

Os contras das luzes de iodetos metálicos

Holofotes LEDsão criados para superar os equipamentos convencionais que consomem muita energia e exigem muita manutenção. No passado, as aplicações de iluminação com holofotes de alta emissão de luz eram dominadas por lâmpadas de iodetos metálicos. Embora as lâmpadas de iodetos metálicos ofereçam até 20 vezes mais vida útil e quatro vezes mais eficiência em relação às lâmpadas incandescentes e estejam disponíveis em potências muito altas (até 2.000 Watts), elas podem apresentar uma série de preocupações.

Estas lâmpadas operam em temperaturas mais altas (900 a 1.100 graus) e altas pressões (520 a 3.100 kPa). No final da vida útil, eles estão sujeitos a falhas não{7}}passivas que podem representar riscos de incêndio.

Embora as lâmpadas de menor potência possam durar até 20.000 horas, as lâmpadas de maior potência, como as lâmpadas de 1.500 W comumente encontradas em luminárias de estádios, normalmente têm uma vida útil drasticamente reduzida na faixa de 3.000 horas.

O longo tempo de inicialização-e de reinicialização a quente, bem como a vida útil reduzida sob operação frequente de ligar/desligar, tornam impossível explorar o potencial de economia de energia dos controles de iluminação com sistemas de iodetos metálicos.

Outra preocupação com o uso de holofotes de iodetos metálicos são as altas perdas ópticas. Uma lâmpada de iodetos metálicos emite sua saída de lúmen em todas as direções, o que resulta em uma baixa eficiência de extração de luz.

As lâmpadas de alta potência requerem frequentemente dispositivos ópticos grandes e complexos para capturar e distribuir a luz, o que não só acrescenta custo e tamanho à luminária, mas também aumenta a carga e o peso do vento.

Iluminação LEDabre um mundo de oportunidades

Na última década, a tecnologia de holofotes passou por uma mudança monumental de HID para LED. A transformação radical é alimentada por um conjunto de benefícios atraentes oferecidos pela iluminação LED. A eficácia luminosa dos LEDs ultrapassou as tecnologias de iluminação anteriores, ultrapassando os 200 lm/W e ainda tem espaço significativo para melhorar. A notável melhoria na eficiência da fonte de luz não é a única vantagem mortal da iluminação LED. A oportunidade de obter maiores poupanças de energia, para além de apenas melhorias na eficiência da fonte de luz, é mais impressionante. Com a iluminação LED, diferentes aspectos da eficiência da aplicação de iluminação (LAE), que incluem eficiência de entrega óptica, eficiência espectral e eficácia de intensidade, podem ser considerados e co{6}}otimizados para diferentes aplicações.

As características físicas e ópticas únicas dos LEDs permitem uma entrega mais eficaz da luz ao alvo. Com óptica de engenharia de precisão, mais de 90% da luz emitida pelos LED pode ser extraída da luminária e distribuída com precisão para um alvo definido. Em comparação, mais de 30% da luz produzida por uma lâmpada de iodetos metálicos é perdida dentro da luminária e nem toda a luz que escapa da luminária é emitida em uma direção útil para a aplicação pretendida.

Uma matriz de LEDs pode ser organizada para formar um dispositivo de emissão de superfície que, em combinação com o controle óptico em escala de pacote, fornece distribuições controláveis ​​com precisão com alta uniformidade de iluminância para melhorar a qualidade da iluminação e minimizar instalações de luminárias. Com dimerização total e instantânea e capacidade de suportar operações frequentes de ativação/desativação, os holofotes LED podem ser controlados para fornecer a quantidade certa de luz sob demanda, reduzindo assim o uso de energia.Iluminação LEDoferece a nova capacidade de controlar com precisão a distribuição de energia espectral (SPD), o que permite prescrever uma qualidade de cor que maximiza o LER e o desempenho visual.

Embora a poupança de energia proporcione um benefício imediato, uma parte significativa do ROI (retorno sobre o investimento) resultante da utilização deHolofotes LEDé devido à redução dos custos de manutenção. Os custos de manutenção da iluminação HID podem aumentar rapidamente quando se contabilizam as despesas com substituição de lâmpadas, mão de obra e equipamentos, enquanto a tecnologia LED oferece a oportunidade de criar sistemas de iluminação que são praticamente isentos de manutenção-durante a vida útil nominal de vários anos ou dezenas de milhares de horas.

Projeto e configuração

Holofotes LED de alta potênciasão sistemas complexos porque suas operações térmicas, ópticas e elétricas são interdependentes. Um conjunto de componentes do sistema deve funcionar em uníssono para formar um todo integrado que garanta que os LEDs funcionem em sua capacidade total sob as condições controladas de maneira ideal do ambiente operacional. O sistema no qual os pacotes de LED são montados para fornecer resistência mecânica, gerenciamento térmico, controle óptico, fonte de alimentação e proteção ambiental tem um impacto significativo no aproveitamento de todo o potencial de desempenho dos LEDs e no valor da luminária para uma aplicação específica.

Um holofote LED de alta potência é um sistema totalmente integrado ou uma montagem modular. Um holofote LED totalmente integrado possui um único motor de luz e o design de outros componentes é dedicado a atender às necessidades do motor de luz. Um modularHolofote LEDé composto por vários módulos de LED. Esses módulos são motores de luz independentes-que incorporam todos os componentes funcionais, exceto o circuito do driver. O design integrado é normalmente usado em sistemas com potência inferior a 300W. O design modular proporciona alta flexibilidade nas configurações de luminárias, bem como escalabilidade do sistema para construção de holofotes LED de maior potência.

Fonte de luz

Na atual tecnologia LED empregada para aplicações de holofotes, a luz branca é gerada por LEDs convertidos em fósforo que combinam um LED azul-baseado em InGaN com um conversor down-de fósforo. Os LEDs convertidos em fósforo são embalados usando diferentes plataformas tecnológicas, o que leva a características de desempenho variadas com base nos materiais de construção, na arquitetura da embalagem e nos processos de fabricação. As características de desempenho mais impactadas dos LEDs relacionadas ao uso de diferentes plataformas de embalagens são a eficácia luminosa, a depreciação do lúmen e a estabilidade dos pontos de cromaticidade.

Embora os LEDs-de potência média tenham uma eficácia luminosa melhor do que outros tipos de LEDs, eles têm menos resistência à depreciação do lúmen e à mudança de cor. A resina plástica usada para construir a caixa refletiva é propensa à degradação térmica e fotográfica. Embora os LEDs chip-on-board (COB) tenham melhorado a estabilidade térmica como resultado da montagem de chips de LED em um substrato cerâmico ou placa de circuito impresso de núcleo metálico (MCPCB), o conjunto de chips de LED de alta densidade pode produzir uma quantidade excessiva de calor que pode sobrecarregar o caminho térmico e introduzir um alto estresse térmico nos fósforos.

A filosofia fundamental de empacotamento de LEDs de alta potência baseados em cerâmica e LEDs de pacote em escala de chip (CSP) fornece um caminho térmico de alta eficiência para extrair calor da região ativa do LED. Esses LEDs apresentam excelente manutenção de lúmen mesmo em altas temperaturas de operação e correntes de acionamento.

Um LED pode ser caracterizado como tendo um SPD específico, que define seu desempenho de reprodução de cores e temperatura de cor correlacionada (CCT). O comportamento espectral de um LED depende da composição do conversor descendente-de fósforo. A compensação-entre qualidade de cor e eficácia luminosa permaneceu. A seleção do pacote de LED nesse sentido irá oscilar em direções diferentes dependendo dos requisitos da aplicação.

Gerenciamento térmico

O gerenciamento térmico continua sendo um desafio onipresente para sistemas de iluminação LED de alta potência. Em geral, os LEDs dissipam mais de 50% da potência elétrica de entrada na forma de calor na matriz do semicondutor. LEDs brancos baseados em InGaN- exibem uma queda de eficiência em altas correntes de acionamento. Quanto maior for a corrente de acionamento, maior será a porcentagem de energia elétrica convertida em calor. Além disso, a conversão-de fósforo para transformar o comprimento de onda mais curto (azul) em comprimento de onda mais longo (amarelo) dentro do pacote de LED de alta densidade de fluxo produz uma quantidade significativa de calor de Stokes.

O calor deve ser afastado do pacote de LED a uma taxa que exceda a taxa de geração de resíduos. O acúmulo de calor superaquecerá o pacote de LED, eventualmente levando à depreciação do lúmen e à falha do dispositivo devido à degradação do fósforo e do material do pacote, bem como ao aumento da formação de defeitos de cristal e ao crescimento de deslocamentos de rosca na região ativa do diodo.

O objetivo do gerenciamento térmico é garantir que a temperatura dos LEDs e de outros componentes{{0}sensíveis à temperatura seja mantida dentro dos limites máximos funcionais e absolutos. Para resfriar efetivamente os dispositivos semicondutores com auto{2}}aquecimento, a resistência térmica de todos os componentes ao longo do caminho térmico entre a junção do LED e o ar ambiente deve ser minimizada e o dissipador de calor deve fornecer uma capacidade adequada para absorver o calor e, em seguida, convetá-lo para o ar ambiente. A transferência eficiente de calor residual por condução térmica da junção do LED para o dissipador de calor envolve a formação de maior confiabilidade, juntas de solda com alta capacidade de condução térmica (ou interconexões-sem solda) e o uso de MCPCBs de baixa resistência térmica e materiais de interface térmica.

Para facilitar a dissipação de calor, o dissipador de calor e a carcaça de umHolofote LEDsão normalmente formados como uma peça e são construídos a partir de liga de alumínio com baixo teor de cobre usando o processo de extrusão, forjamento a frio ou fundição sob pressão. Um dissipador de calor passivo geralmente compreende uma estrutura aerodinamicamente projetada de maior volume físico, que maximiza simultaneamente a área de superfície efetiva e o coeficiente de transferência de calor por convecção.

Circuito de driver e controle

A parte crítica que define a vida útil e o desempenho de umholofote LED de alta potênciaé o motorista. Embora as fontes de alimentação lineares proporcionem uma redução atraente no custo e na complexidade, a maioria dos drivers de LED usados ​​para operar sistemas LED de alta potência são projetados como fontes de alimentação chaveadas. Os custos associados para tais drivers de LED são relativamente altos, mas esta desvantagem é significativamente compensada pela capacidade dos drivers de fornecer conversão de energia de maior eficiência, saída de melhor qualidade e proteção mais robusta dos LEDs contra condições operacionais anormais. Além da principal conversão de energia CA-CC, um driver de LED SMPS executa muitas sub-tarefas sequencialmente ou em paralelo. Essas sub-tarefas incluem redução de harmônicos e correção do fator de potência, triagem e filtragem de interferência eletromagnética (EMI), isolamento galvânico entre primário e secundário, regulação de corrente de acionamento, controle de dimerização, proteção contra sobretensão, curto-circuito, sobrecarga e falhas de sobretemperatura.

Normalmente, os drivers de LED implementam uma topologia-de dois estágios. Um driver de LED que inclui um estágio PFC ativo seguido por um estágio de conversor DC{2}}DC fornece uma corrente substancialmente constante para a carga com alta eficiência de circuito, permitindo operação de alta tensão e faixas de tensão de entrada ultra{3}}amplas (por exemplo, 120–277 VAC, 347-480 VAC, 120-480 VAC, 90-528 VAC) e fornecendo alta imunidade para o LED conectado módulos. (Em áreas com alta densidade de raios, ainda é necessário adicionar um dispositivo externo de proteção contra surtos.) Em contraste, os drivers de LED de estágio único enfrentam muitas limitações em aplicações de alta potência, que incluem baixa eficiência do conversor, tensões operacionais estreitas, uma alta assinatura EMI, aumento do tamanho e custo dos componentes de proteção contra surtos, faixa estreita de dimerização e características de ondulação (cintilação) de corrente de saída alta.

Onde a dimerização for necessária como parte de qualquer estratégia de controle, o driver poderá ser configurado para suportar a regulação da corrente de saída por meio de-redução de corrente (CCR) constante e/ou modulação por largura-de pulso (PWM). Pode aceitar entrada de controle através de uma interface analógica (1-10VDC) ou uma interface digital (DALI, ZigBee, Z-Wave, etc.).

Distribuição de luz

Holofotes LED de alta potênciasão geralmente sistemas de iluminação direta que distribuem toda a luz emitida na direção geral da superfície a ser iluminada. Estas luminárias estão disponíveis em padrões de feixe simétricos e assimétricos, com distribuições de luz que variam desde spot apertado até inundação ampla. A distribuição de luz de uma luminária orientável é normalmente descrita com a propagação do feixe com base nos graus do ângulo de campo da luminária. Os spreads de feixe são frequentemente classificados nos tipos de feixe NEMA de 1 a 7, com feixes mais estreitos tendo números de tipo de feixe mais baixos e os feixes mais largos tendo números mais altos.

A natureza direcional dos LEDs permite eliminar o uso de óptica secundária em algumas áreas e aplicações de iluminação com holofotes. No entanto, a maioria das aplicações requer o uso de óptica especializada para regular o fluxo luminoso da fonte de luz para um feixe controlado. Controle óptico paraHolofotes LEDgeralmente é realizado com refletores ou lentes. Como os LEDs oferecem a oportunidade de extrair seu fluxo luminoso diretamente da fonte, a óptica secundária é normalmente projetada como sistemas ópticos em escala de pacote. Um projeto muito comum de óptica de holofote faz uso de reflexão interna total (TIR).

A óptica TIR pode produzir feixes circulares suaves com largura total na metade do máximo (FWHM), larguras angulares estreitas de até 10 graus e uma eficiência óptica de até 92%. No entanto, as ópticas TIR são geralmente moldadas a partir de plásticos que possuem estabilidade térmica limitada. Eles podem sofrer estresse térmico pelos LEDs de alta potência com auto{4}}aquecimento, cujas temperaturas do conversor descendente-de fósforo podem se aproximar de 150 graus C. Quando um sistema de iluminação exige muito da estabilidade térmica de sua óptica, um sistema refletor de alumínio projetado com precisão pode ser uma escolha mais apropriada.

Combater falhas-induzidas ambientalmente

As luminárias externas estão continuamente expostas a ambientes agressivos e condições climáticas extremas. Exercer um controle rígido das condições ambientais para uma alta potênciaHolofote LEDé tão importante quanto o gerenciamento térmico, a engenharia óptica e impulsiona a regulamentação atual. É uma prática necessária vedar holisticamente as luminárias em todos os pontos de entrada e transição de materiais para proteger o sistema de iluminação contra a entrada de poeira e invasão de chuva/água de qualquer direção. O conjunto óptico deve ser protegido por uma lente de vidro temperado que também facilita a liberação de poeira. Durante mudanças nas condições ambientais ou mudanças de temperatura dentro do sistema de iluminação, a pressão (que sobrecarrega as vedações) e a condensação (que turva as lentes) podem se acumular dentro de um invólucro óptico selado. A instalação de uma ventilação de membrana no invólucro vedado permite a equalização da pressão e a remoção da condensação. Uma camada de conversão química e um acabamento protetor em pó conferem resistência à corrosão ao invólucro de alumínio.

As luminárias devem ser construídas com excelente resistência a impactos mecânicos como choques e vibrações. Deve-se considerar cuidadosamente a confiabilidade da junta de solda entre o conjunto de LED e o MCPCB sob a influência de impactos mecânicos.

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