Система освещения для холодильных камер промышленного назначения

1. Общий обзор

Компания Future Lighting Solutions разработала систему освещения для холодильных камер промышленного назначения на базе светодиодов LUXEON® Rebel, которая представляет собой законченное решение для применения в продовольственных магазинах и супермаркетах.
Система освещения состоит из четырех световых полос, которые могут быть установлены по сторонам и в центре холодильной камеры. Центральная полоса состоит из двух  полос, установленных вплотную друг к другу. Синие линии на рисунке 1 показывают местоположение световых полос на холодильной камере.

Рис. 1. Холодильная камера с обозначенным местоположением световых полос

Все решения, описанные в данном указании по применению, а также любые сборочные чертежи доступны в компании Future Lighting Solutions, что дает возможность заказчику изготовить опытные образцы или наладить серийное производство системы освещения. Для проверки функциональных возможностей устройства вместе с системами теплоотвода и питания подготовлены демонстрационные наборы, содержащие световые полосы. Эти наборы позволяют наглядно продемонстрировать особенности конструкции. На рисунке 2 представлен набор, включающий световые полосы и решения для системы питания.

 
Рис. 2. Демонстрационный набор со световыми полосами для холодильной камеры

Маркетинговые исследования позволили определить параметры, которые должна обеспечивать световая система. Эти параметры были использованы в качестве исходных данных для разработки светодиодной системы освещения для холодильных камер промышленного назначения (см. табл. 1).

2. Анализ системы освещения с помощью программного инструмента SSL Designer

Программный инструмент SSL Designer (www.futurelightingsolutions.com/ssldesigner) использует в качестве входных параметров следующие характеристики: эффективность, освещенность, срок службы системы, а также максимальный ток светодиода. Затем он определяет требуемое минимальное количество светодиодов, необходимое для получения заданных световых характеристик. Кроме того, инструмент SSL Designer (среди других выходных параметров) рассчитывает приемлемое значение светового потока (в Лм) и световой отдачи (в Лм/Вт), а также общую мощность, потребляемую светодиодной системой (в Вт).
Для того чтобы система удовлетворяла требования спецификации для систем освещения холодильных камер промышленного назначения программный инструмент SSL Designer предлагает следующие виды анализа:

• Исходные параметры:

После выбора назначения и типа приложения устанавливается равномерная освещенность 1300 лк, необходимая для освещения квадратной поверхности площадью 1,524×1,524 м. Секция ввода данных с набором параметров показана на рисунке 3.

 
Рис. 3. Секция ввода данных в SSL Designer

• Сравнительный анализ характеристик светодиодной системы и обычной ламповой системы освещения: 

После ввода исходных параметров приложения и базовой информации об источнике света программный инструмент SSL Designer рассчитывает характеристики системы, включая количество светодиодов и управляющий ток светодиодов. Кроме того, производится расчет характеристик обычной ламповой системы, которая должна отвечать тем же требованиям. Рисунки 4 и 5 показывают результаты расчета параметров двух систем. Полученные данные показывают, что для того, чтобы отвечать требованиям спецификации на систему по таким параметрам как световой выход, эффективность и срок службы и в то же время обеспечивать температуру перехода светодиода на приемлемом уровне, требуется 48 светодиодов (12 светодиодов в полосе), работающих при токе 350 мА. Общая потребляемая мощность светодиодной системы составила 61,46 Вт, в то время как для обычной ламповой системы энергопотребление составило 272,94 Вт. Это показывает, что использование светодиодов в системе освещения для холодильных камер промышленного назначения позволяет значительно улучшить энергоэффективность системы.

Рис. 4. Характеристики светодиодной системы

Рис. 5. Характеристики ламповой системы

• Окупаемость затрат на светодиодную систему: 

Еще одной возможностью программного инструмента является возможность расчета окупаемости затрат на светодиодную систему (в сравнении с ламповой). После ввода данных о затратах для обеих систем программный инструмент предоставляет информацию об окупаемости затрат на систему, имея в виду энергосбережение, экономию затрат и сроки окупаемости. Рисунок 6 показывает, что период окупаемости при использовании светодиодной системы в световых полосах для холодильных камер промышленного назначения составляет 1,9 лет.
Замечание: описанный выше случай доступен в системе SSL Designer как сценарий по умолчанию и может быть загружен в программный инструмент и использован в качестве образца. Для загрузки всех параметров данного сценария в подзаголовке меню «Target Application» нужно выбрать «Comm. Refrigeration – 2-Door Fridge (FLS AN031))».

Рис. 6. Окупаемость затрат на светодиодную систему

3. Светодиоды LUXEON

В световых полосах для холодильных камер промышленного назначения использовались 12 светодиодов LUXEON Rebel нейтрально белого цвета свечения (P/N LXML-PWN1-0100). При использовании в проекте новых светодиодов для систем освещения семейства LUXEON Rebel Illumination Portfolio удается достичь значительного (порядка 15%) улучшения световых характеристик системы. Это объясняется более высоким отношением светового потока при температуре 100°С  к световому потоку при 25°C (hot/cold factor), что позволяет увеличить световой выход светодиода при более высокой температуре перехода.
Обычно для светодиодных систем освещения выбирают компромиссные значения светового потока и коэффициента цветопередачи (color rendering index – CRI). Например, светодиоды LUXEON Rebel LXML-PWN1 и LXM3-PW51 обеспечивают номинальную относительную цветовую температуру (Correlated Color Temperature – CCT) 4000 K, что соответствует требованиям таблицы 1. Если в приложении требуется обеспечить более высокий световой выход, но нет жестких требований по коэффициенту цветопередачи, то можно использовать светодиод LXML-PWN1, у которого минимальный световой выход составляет 100 Лм.
Если же требуется высокий коэффициент цветопередачи, то нужно использовать светодиод LXM3-PW51, который обеспечивает минимальное значение CRI, равное 80. Кроме того,  все бины светодиодов из семейства Illumination Portfolio совместимы по стандарту ANSI.

3.1. Конструкция печатной платы и соединение светодиодов

На плате из стеклотекстолита FR4 последовательно соединены 12 светодиодов. Размеры печатной платы: 1500×10 мм. Толщина стеклотекстолита FR4 равна 0,8 мм. На плате используется удвоенная толщина слоев меди (700мкм.). На рисунке 7 показан профиль с установленной печатной платой.

Рис. 7. Световая полоса с печатной платой и установленными светодиодами

4. Оптическая система

Профиль для световых полос для холодильных камер промышленного назначения выполняет двойную задачу, т.е. выполняет роль как оптической, так и теплоотводящей системы. Конструкция профиля, на котором установлены светодиоды, позволяет обойтись без дополнительного радиатора. Кроме того, точно рассчитанная форма профиля обеспечивает непосредственное попадание света от светодиодов на требуемые участки холодильной камеры и не требует использования вторичной оптики.

4.1. Моделирование и измерения оптических характеристик

Для проверки характеристик световых полос было проведено оптическое моделирование. На рисунках 8 и 9 показана освещенность и лучевое покрытие светодиодных полос, соответственно.

Рис. 8. Результаты оптического моделирования, отражающие зоны освещенности

Рис. 9. Результаты оптического моделирования, показывающие зону лучей световых полос

Кроме того, были выполнены измерения оптических характеристик светодиодных полос, в ходе которых измерялись уровни освещенности на холодильной камере. Были получены следующие результаты измерений световых полос с 12-ю  светодиодами:

• минимальная освещенность: 1106 лк;
• максимальная освещенность 1881 лк;
• средняя освещенность: 1531 лк;
• равномерность: 0,72.

На рисунке 10 показаны все значения светового потока, полученные в результате измерений.

Рис. 10. Значения светового потока, полученные при измерениях оптических характеристик

5. Решения для системы теплоотвода

Для установки печатной платы со светодиодами был использован профиль с размерами 33×22 мм из алюминиевого сплава 6063 с оксидным покрытием.

5.1. Моделирование и измерения тепловых режимов

Для проверки тепловых режимов работы системы освещения было выполнено тепловое моделирование системы. Для моделирования был использован программный инструмент QLED (www.futurelightingsolutions.com/qled). Результаты моделирования показаны на рисунке 11. Моделирование с помощью инструмента QLED было проведено при прямом токе через светодиоды 350 мА и при температуре окружающей среды 5°C. В результате моделирования была получены температура перехода 32,3°C.

Рис. 11. Моделирование тепловых режимов одной светодиодной полосы с помощью программного инструмента QLED

Тепловые характеристики системы освещения были также проанализированы при различных управляющих токах с помощью программного инструмента QLED. В таблице 2 приведены результаты этого моделирования. Замечание: для данного расчета температура окружающей среды была выбрана равной 5°C.

Результаты, приведенные в таблице 2, показывают, что даже при более высоких значениях рабочего тока температура перехода находится на допустимом для функционирования светодиодов уровне.

6. Решения для системы питания

6.1. Модульные драйверы

Каждая светодиодная полоса подсоединяется к 15-Вт AC/DC-драйверу семейства TROPO компании ROAL (см. рис. 12) с выходным током 350 мА и выходным напряжением до 48 В. Были использованы версии драйверов на напряжение сети 120 и 230 В со следующими P/N:

• 120 В: RLDD015L-350;
• 230 В: RLDD015H-350.

 
Рис. 12. Светодиодный драйвер TROPO компании ROAL

6.2. Драйверы на базе микросхем

Возможны и другие решения  системы питания на основе драйверов для светодиодных полос для холодильных камер промышленного назначения. Могут быть использованы как однокаскадный AC/DC-драйвер, так и двухкаскадный AC/DC-DC/DC-драйвер.
Для однокаскадного драйвера возможны следующие решения:

• 1 драйвер на светодиодную полосу – на базе контроллеров SSL1523 или SSL2101 от компании NXP;
• 1 драйвер для всех светодиодных полос – на базе контроллера SSL1750 от компании NXP. Двухкаскадный драйвер, показанный на рисунке 13, включает:
• AC/DC-драйвер с выходным постоянным напряжением – на базе контроллера SSL1750 от компании NXP, который можно использовать для AC/DC-преобразования с выходным напряжением до 48 В;
• DC/DC-драйвер постоянного тока – на базе контроллера LM3402HV компании National Semiconductor, который может быть установлен непосредственно на плату светодиодной полосы для холодильных камер промышленного назначения.

Рис. 13. а) AC/DC-драйвер на базе контроллера SSL1750 компании NXP; б) 4 DC/DC-драйвер на базе контроллера LM3402 компании National Semiconductor

7. Соединительные разъемы

Для реализации различных вариантов подключения светодиодной системы освещения для холодильных камер промышленного назначения могут быть использованы различные системы соединительных разъемов. Возможны следующие системы соединительных разъемов:

• Система соединительных разъемов смешанной (hermaphroditic) конструкции компании Tyco. 

Демонстрационный набор содержит систему соединительных разъемов смешанной конструкции компании Tyco Electronics, которая встраивается в плату со светодиодами и используется для соединения светодиодных полос с драйверами питания. Секция используемой системы соединительных разъемов показана на рисунке 14.

Рис. 14. Система соединительных разъемов смешанной (hermaphroditic) конструкции компании Tyco

Низкопрофильная система соединительных разъемов включает разъемы типа провод-плата и плата-плата, которые обеспечивают быстрое и простое соединение печатных плат. В разъемах используются пружинные контакты и защелки для надежного соединения. Смешанная конструкция разъемов (ножевые контакты и розетки) обеспечивает гибкость при соединении печатных плат светодиодных полос. Возможность вертикального соединения двух плат путем параллельного смещения упрощает их замену в центральной светодиодной полосе.
Номера разъемов для соединительных разъемов смешанной конструкции:
i. смешанный разъем плата-плата: 2058703-1;
ii. защитный кожух разъема плата-плата: 2058128-1;
iii. корпус разъема провод-плата: 2058299-1;
iv. контакт разъема провод-плата: 2058302-1;
v. ножевой контакт провод-плата: 2058301-1.

Другими системами соединительных разъемов, которые могут быть использованы для данной системы освещения, являются:

• Система герметичных соединительных разъемов компании Tyco 

Система герметичных соединительных разъемов, показанная на рисунке 15, представляет собой низкопрофильные однорядные разъемы с герметичной защитой от проникновения пыли и влаги, в том числе при погружении в воду на глубину до 1 м на 30 мин (в соответствии со стандартом IP67). Номера разъемов для этой соединительной системы:
i. основание разъема провод-плата с расположением под прямым углом: 2106056;
ii. основание разъема провод-плата с вертикальным расположением: 2106053;
iii. гнездовой контакт провод-провод: 2106123;
iv. столбиковый контакт провод-провод: 2106124;
v. штекер (для основания, гнезда, столбикового контакта): 2106135.

Рис. 15. Система герметичных соединительных разъемов компании Tyco

• Система соединительных разъемов AVX 9159

Система соединительных разъемов AVX 9159, показанная на рисунке 16, обеспечивает последовательное соединение нескольких светодиодных плат. Номера разъемов для этой соединительной системы:
i. штекер провода с защелкой: 11-9159-002-101-116;
ii. стандартный разъем: 20-9159-002-101-116;
iii. стандартный штекер: 10-9159-002-101-116;
iv. разъем с верхней загрузкой: 22-9159-002-101-116;
v. прямое соединение: 58-9159-002-000-006.

Рис. 16. Система соединительных разъемов AVX 9159

8. Заключение

Испытаниями подтверждено, что система освещения для холодильных камер промышленного назначения со светодиодами LUXEON® Rebel, разработанная компанией Future Lighting Solutions, отвечает требованиям по световому выходу, эффективности и сроку службы и, таким образом, позволяет реализовывать специализированные приложения в области освещения.
Решения для систем теплоотвода и питания обеспечивают оптимальные характеристики и долговечность светодиодной системы освещения. В конструкции системы освещения обеспечена возможность реализации различных вариантов системы питания в зависимости от требуемых параметров.