Aukštos kokybės apšvietimo sistemą sudaro:

• tinkamai parinkta LED juosta,
• kokybiškas, stabilus maitinimo šaltinis (MŠ),
• teisingas aušinimas (profiliai, šilumos atidavimas).

Ilgas instaliuoto LED apšvietimo tarnavimo laikas priklauso nuo kelių esminių sąlygų. Tokią sistemą sudaro šviesą skleidžiantys diodai ir maitinimo šaltinis. Suminis rezultatas priklauso nuo abiejų sistemoje veikiančių komponentų kokybės, gero tarpusavio suderinimo ir tinkamo sumontavimo. Tinkamas LED juostos instaliavimas yra vienas iš svarbiausių sąlygų užtikrinant gamintojo numatytą tarnavimo laiką bei deklaruojamą šviesos srauto silpnėjimo spartą. 

Tvarkingi gamintojai deklaruoja  šiuos parametrus specifikacijose: L80B10 = 50 000 h

Po 50 000 h bent 90% LED vis dar turės ≥80% šviesos srauto, o tik 10% bus nukritę žemiau.  Eksploatuojant LED juosta kinta šviesos atspalvis. Spalvų stabilumui apibūdinti naudojamas MacAdam žingsnis, kuriuo matuojamas LED spalvos nuokrypis nuo idealios spalvos taip, kaip jį mato žmogaus akis. Kuo mažesnis žingsnių skaičius – tuo vienodesnė ir tikslesnė šviesos spalva.

Įsivaizduokime, kad spalvų erdvėje (tam tikrame „žemėlapyje“) yra taškas – tai LED  šviesos šaltinio reali spalva. Aplink pastarąjį tašką galima nubrėžti ovalą (elipsę). Kuo didesnė elipsė, tuo didesnis spalvos nuokrypis nuo idealios spalvos bus matomas žmogui.

• 1 MacAdam žingsnis (SDCM) – spalvos skirtumas praktiškai nematomas žmogaus akiai.
• 2–3 žingsniai – labai nedidelis skirtumas, dauguma žmonių vos pastebėtų.
• 5–7 žingsniai – skirtumas matomas aiškiau.
• >7 žingsnių – spalva jau akivaizdžiai „ne tokia“.

Kuo mažesnis žingsnių skaičius – tuo vienodesnė ir tikslesnė šviesos spalva.

ANSI C78.376‑2014 3 MacAdam žingsnių elipsių iliustracija

Kodėl maitinimo šaltinio kokybė taip stipriai veikia LED juostų ilgaamžiškumą?

LED juostos yra nuolatinės įtampos įrenginiai, itin jautrūs maitinimo įtampos tikslumui ir svyravimams (pulsacijos ir triukšmai). Per didelė įtampa ar didelės pulsacijos kaitina LED lustus ir rezistorius, spartina fosforo degradaciją bei spalvos poslinkius. Renkantis LED maitinimo šaltinį, lemiami yra žemiau pateikti parametrai.

Tipinė 12V baltos spalvos LED juostelės 1 modulio schema:

Rezistorius R1 apriboja srovę. Didinant maitinimo įtampą, įtampos pokytis šviesos dioduose D1–D3, menkas, todėl didesnė įtampos prieaugio dalis tenka rezistoriui,  pratekanti  didesnė srovė sukelia didesnį šilumos išsiskyrimą iš LED ir  rezistoriaus.

a) Maitinimo įtampos tikslumas ir svyravimas (Um tikslumas, pulsacijos ir Unom)

• Rekomenduojama Um paklaida neturi viršyti  < ±3 %.
• Pulsacijos ir triukšmai < 200 mVpp (geriau < 120 mVpp).
• Viršįtampis (pvz., +0,5 – 1 V) perkaitina LED segmentus ir spartina senėjimą.

b) Galingumo rezervas:

• Jei MŠ dirba 90–100 % apkrova → kyla jo vidinė temperatūra, t°, auga pulsacijos, krenta išėjimo įtampos stabilumas.
• Rekomenduojama 15–30 % rezervas (pvz., 100 W juostai rinktis 120 W MŠ).

c) Jei numatome, kad MŠ dirbs prie aukštesnių aplinkos temperatūrų reikia palikti didesnį galios rezervą, rinktis efektyvesnį maitinimo šaltinį.

• Įvertinti gamintojo rekomenduojamą galios mažinimą nuo aplinkos temperatūros,  (derating curve), kad realus MŠ Ta (aplinkos temperatūra) nebūtų ties riba.
• Efektyvumas > 90 % – mažiau šilumos į aplinką ir LED profilį.

Maitinimo šaltinio XLG-100, maksimalios galios perskaičiavimo (deraiting) charakteristika priklausomai nuo aplinkos temperatūros

d ) Apsaugos grandinės

• OVP (apsauga nuo viršįtampio), OCP (apsauga nuo per didelės srovės) OLP (apsauga nuo perkrovos), SCP (apsauga nuo trumpo jungimo), OTP (apsauga nuo perkaitymo) – ne tik apsaugo MŠ, bet ir tiesiogiai saugo LED nuo šuolių ir perkrovų.

e) CV (MŠ su pastovios įtampos stabilizavimu) grįžtamo ryšio kilpos kokybė, minkštas paleidimas, maža paleidimo srovė, EMI (elektromagnetinių trukdžių lygis).

• Stabili įtampa (CV režimas) geras stabilizavimas mažos pulsacijos ir svyravimai, minkštas paleidimas, paleidimo srovė tipiškai ribojama < 40–60 A ,100–150 W klasėje, geras EMI filtravimas – visa tai mažina elektrinį ir terminį LED juostos stresą.

Praktika: aukštai klasei priskirtinos serijos (pvz., MEAN WELL NPF,LPF, HLG, XLG, PWM) išsiskiria maža pulsacija, švelniu startu, aukštu efektyvumu ir plačiomis darbinėmis temperatūromis – tai stipriai lėtina LED senėjimą.

Ką konkrečiai sugadina blogas MŠ ir prastas aušinimas?  Kokie LED parametrai kinta?

LED juostose ilgainiui kinta ne tik šviesos kiekis, bet ir spektro forma, iš to – CCT (spalvinė temperatūra), chromatiškumas (Δu′v′/SDCM) (SDCM nusako, kiek žemėlapyje (CIE 1931) LED šviesa gali nukrypti nuo nominalios spalvos, kol žmogus dar pastebi ar ne pastebi skirtumą), CRI ir R9. Pagrindinės priežastys: per didelė LED kristalo (Tj) ir lusto aplinkos (Ts) temperatūros bei elektrinis stresas.

Eksploatuojant LED juostą šviesos spektre silpsta šiltos šviesos spektro dalys

Svarbiausi kintantys rodikliai (taikoma ir 4000 K neutralios spalvos LED juostoms):

• Šviesos srautas (L70/L80/L90) – mažėja dėl fosforo ir lusto degradacijos.
• Chromatiškumo poslinkis (Δu′v′ / SDCM) – tiesioginis spektro kitimo indikatorius.
• CCT dreifas (K) – dažnai kyla (šviesa „melsvėja“), nes geltonas/raudonas fosforas praranda efektyvumą greičiau nei mėlynas lustas.
• CRI / R9 – R9 krinta labiausiai (raudonos sodrios spalvos), nes raudonasis fosforas yra jautriausias karščiui.

Kas vyksta fiziškai?

• Tj↑, Ts↑ → spartėja fosforo „terminis gesinimas“ ir cheminis senėjimas, apsauginio apvalkalo geltonėjimas; mėlyno diodo pikas slenka su Tj; bendra SPD (šviesos intensyvumo spektras) spektro forma prastėja. Šiluminis režimas – kritinis ilgaamžiškumui.

Rekomenduojamos Tj ribos (orientyrai): „ilgai“ ~65 °C, „toleruotina“ ~85 °C (gyvavimo laikas trumpėja), kritinė zona ≥ 105 °C. Dauguma gamintojų nurodo Tj max 100–125 °C, bet realiam patikimumui reikia dirbti gerokai žemiau.

Tipinės problemos veikiant LED juostai ir kaip jas atpažinti

Simptomai, rodantys LED juostos aušinimo bėdas:

• Vietinis „melsvėjimas“ atkarpose, ypač ilgų atkarpų galuose – ženklas, kad maitinimas netolygus arba aušinimui naudojamas LED profilis nepakankamas, CCT kyla (melsvėja) dėl fosforo degradacijos.
• Ryškiau „išbalusi“ šviesa, bet mažiau „rusva“ – R9 smukimas, CRI mažėjimas.
• Mirgėjimas, pulsacija – prastai veikia pastovios įtampos  stabilizavimas, didelė pulsacija arba per mažas MŠ rezervas.
• Greitas šviesos kritimas (L80 pasiekiamas per anksti) – dirbama per karštai (Tj, Ts virš normos), profilis nesugeba išsklaidyti šilumos. Greita diagnostika vietoje (be laboratorijos):

1. Pamatuokite Ts (ant LED PCB/korpuso) po 15–30 min. darbo – IR termometru ar termopora. Jei Ts > ~60 °C, tikėtina, kad Tj viršija komforto zoną. Patikrinkite MŠ apkrovą: jeigu reali galia ~90–100 % nuo nominalios – trūksta rezervo.
2. Išmatuokite maitinimo įtampos pulsaciją su osciloskopu arba pakeiskite MŠ pasirinkdami su maža pulsacija ir stebėkite, ar stabilizuojasi šviesa.
3. Apžiūrėkite profilį: ar yra šiluminis kontaktas (TIM juosta/pasta), ar profilis atviras konvekcijai, ar neužkimštas difuzoriais/sienelėmis.

Kaip teisingai suprojektuoti apšvietimo sistemą: nuo MŠ iki profilio

Maitinimo šaltinio parinkimo žingsniai:

• Įtampa: U iš. paklaida < ±3 %; pulsacija ir triukšmai < 200 mVpp (geriausia <120 mVpp) prie  U maitinimo 12Vdc. Galia: +15–25 % rezervo nuo nominalios LED juostų galios. Efektyvumas/temperatūros ribos: efektyvumas > 90 %; darbinė temperatūra iki +60…+70 °C be papildomo galios mažinimo jūsų montavimo sąlygose (Parodo „deraiting“ kreivė).
• Apsaugos: OVP, OCP/OLP, SCP, OTP – būtina.
• Starto savybės: minkštas paleidimas, ribota paleidimo srovė; gera EMI klasė (Class B). Topologija: stabilios įtampos CV režimas LED juostoms; jei reikalingas pritemdymas be mirgėjimo – MŠ serijos, pritaikytos LED (pvz., PWM).

Į ką reikia atsižvelgti parenkat aušinimą ir atliekant montavimo darbus:

• Šilumos kelias: kristalas → paketas → PCB (geriausia MCPCB / aliuminis) → TIM → aliuminio profilis → oras. Minimizuokite šiluminę varžą kiekviename žingsnyje.
• Tj orientyrai: taikykite ≤ 65–80 °C realiame darbe, venkite ≥ 105 °C. Kiekvienas +10 °C per pusę sumažina tarnavimo laiką (empirinė taisyklė).
• Profilio parinkimas: naudokite briaunotus profilius (didesnis paviršiaus plotas), storasienis profilis turės didesnę šiluminę talpą nei plonasienis, atvirą vertikalią konvekciją, venkite ilgo darbo uždaruose kanaluose/dėžėse. Profilio tinkamumą įvertinkite pagal šiluminę varžą Rθ = (Ts-Ta)/P arba naudokite Q = h·A·ΔT. Ilgų atkarpų maitinimas: prijunkite elektrinį LED juostos maitinimą iš abiejų pusių ar segmentais, kad sumažintumėte įtampos kritimą ir vietinį perkaitimą. Ar teisingai parinktas LED profilis galima įsivertinti pamatavus  su IR termometru UT320T, šis įrenginys papildomai turi ir matavimo zondą. Šio prietaiso pilnai pakas tiek nuotoliniam LED kristalų temperatūros įsivertinimui, tiek ir tiesioginiam temperatūros matavimui. 

Tipiniai temperatūrų skirtumai.

Tipinė LED juostelės su LED profiliu konstrukcija

Renkantis LED juostelę, atkreikite dėmesį kiek gamintojas panaudojo vario :

Kuo storesnis vario sluoksnis panaudotas tuo bus mažesnis bus įtampos kritimas, geresnis šilumos laidumas.  AKTO PREMIUM LED juostelės su 3oz vario sluoksnio storiu.

Iš karto visą temperatūrų paveikslą galima pamatyti termovizoriaus pagalba.

• Darbinis taškas: dirbkite 70–80 % galia, (PWM/CC valdymas) – tai dažnai 2–3 kartus lėtina degradaciją lyginat su nominalios galios darbo režimu.

„Kas, jei jau blogai?“ – korekciniai sprendimai esamoms instaliacijoms

1) Pakeiskite MŠ į mažų pulsacijų ir su didesniu galios rezervu;

• Sumažinsite elektrinį stresą; bus tiksliau stabilizuota maitinimo įtampa, per LED kristalus tekės stabilesnė  srovė; lėtės fosforo senėjimas.

2) Pagerinkite aušinimą

• Pridėkite arba pakeiskite aliuminio profilį su TIM, atverkite konvekciją (pašalinkite nereikalingus gaubtus), didesnis, masyvesnis, briaunotas profilis visada padeda. Jei reikia – priverstinė konvekcija (ventiliatorius).

3) Mažinkite maitinimo galią

• Panaudokite  PWM pritemdymą ~70–80 %, suskirstykite maitinimą trumpesnėmis atkarpomis, jei nėra kitos galimybės, prijungti maitinimą iš abiejų LED juostos pusių.

4) Kontroliuokite temperatūrą

• Matuokite Ts; jei Ts > ~60 °C, greičiausiai Tj jau per aukšta – ieškokite šiluminės grandinės „siauro kakliuko“.

5) Spalvos kokybės atkūrimas

• Jei R9 nusmukęs ir CCT „iššokęs“ – dažnai ekonomiškiau pakeisti juostos ruožus nei bandyti „gelbėti“ per optiką.  CCT spektrą galima pasimatuoti su Opple Light Master (2 / 3 /4/ Pro), Sekonic C‑800 ar kitu panašiu matavimo prietaisu.

Specifiškai apie 4000 K LED juostas: kuo jos jautrios?

4000 K (neutrali) pasiekiama mėlynu InGaN lustu + geltono (YAG) + raudono fosforo mišinių. Raudonasis fosforas yra jautriausias karščiui, todėl perkaistant pirmiausia krenta raudona spektro dalis → R9 mažėja → CCT kyla (šviesa melsvėja). Būtent dėl to 4000 K juostos ypač jautrios prastam aušinimui ir didelei pulsacijai.

5 didžiausios klaidos su LED juostomis:

• Netinkamas pjovimas. Pjovimas nepažymėtose vietose gali sugadinti LED juostą.
• Silpnas arba netinkamas maitinimas. Pasirinktas netinkamos galios maitinimo šaltinis.
• Bazinės klasės diodai. Žema LED juostų diodų kokybė ir efektyvumas.
• LED juostos perkaitimas. Nepadarytos tinkamos sąlygos LED juostoms aušinti.
• Klijavimas ant blogų paviršių. Netinkamai paruošti arba nešvarūs paviršiai.

Montuojant LED juosteles kirpti griežtai ten kur nurodyta kirpimo linija. Jei jums reikia sumontuoti ilgesnius nuotolius ir nėra galimybės prijungi papildomai maitinimo tarpiniuose taškuose, geriausias sprendimas bus rinktis kuo aukštesnės maitinimo įtampos LED juostelę.

Šiuo metu rinkoje galima rasti LED juosteles su 48Vdc maitinimu. Jei reikia trumpų LED juostelių atkarpų, tiksliau galėsite atkirpti naudodami žemesnės įtampos LED juosteles.

LED juostelių atkirpimo atkarpos ilgis priklausomai nuo maitinimo įtampos

MEAN WELL kelių maitinimo šaltinių serijų palyginimas pagal esminius parametrus

Renkantis LED juostas pirmiausiai reiktų atkreipti dėmesį į keletą svarbių parametrų:

Koks šviesos srautas bus generuojamas iš vieno vato elektros energijos

1. Žemos kokybės LED juostelės 60–90lm/W;
2. Vidutinės kokybės nuo > 90–130lm/W
3. Aukštas nuo >130–180lm/W

Pagal šviesos srauto išlaikymą laike:

Pagal šviesos spinduliuojamo spektro stabilumą laike:

Kitame straipsnyje detaliai išnagrinėsime teisingo montavimo praktikas, šilumos skaidymą, aušinimo skaičiavimą bei klausimus susijusius su šviesos skaidymu.