Iluminatul cu LED-uri în mediile cu pericol de explozie

Product Manager Doina LĂCĂTUȘU – LAPP GROUP

Vechile lămpi cu incandescență nu mai au mult de trăit. În ciuda sau tocmai din cauza interzicerii lor, cifrele au arătat o creștere în vânzările din ultimii ani. Dar această tendință nu poate dura la nesfârșit și iluminatul va fi asigurat de surse noi în anii următori în toate domeniile de aplicare. Un favorit în cursa pentru ocuparea locului de lider de piață este LED-ul: de exemplu, în 2008 s-au vândut în lume 61 de milioane de unități iar creșterile au un ritm spectaculos. Această dezvoltare remarcabilă se datorează următoarelor motive:

  • Dezvoltarea unor diode de mare performanță. Prin transferul cunoștințelor din cercetare în procesele de fabricație, astăzi se pot produce LED-uri de culori diferite (albastru, galben, roșu și altele), cu temperaturi de culoare diferite. Lumina albă este creată prin amestecul culorilor sau prin utilizarea de LED-uri albastre cu material luminiscent. Ca urmare a îmbunătățirii procesului de fabricație și a creșterii cantităților produse, se micșorează costurile de producție. Astfel, prețurile de vânzare ale LED-urilor scad și ele devin atractive pentru un spectru larg de aplicații în instalațiile de iluminat.
  • LED-urile sunt adecvate pentru utilizarea în medii industriale aspre, care necesită soluții compacte și eficiente, de exemplu în locurile greu accesibile.
  • Rezistența mare la vibrații duce la utilizarea lor în aplicații din industria constructoare de mașini sau în instalațiile cu generatoare Diesel mari (vase, instalații offshore).
  • Intensitatea luminoasă a unui LED poate fi variată cu ușurință prin modificarea curentului de funcționare. În comparație cu lămpile cu descărcări în gaze, această variație nu reduce nici randamentul și nici durata de viață. De aceea LED-urile sunt foarte potrivite pentru soluții inteligente, cum ar fi controlul intensității luminoase a unui aparat de iluminat în funcție de condițiile de mediu înconjurător.
  • Durata de viață a LED-urilor depășește cu mult pe cea a lămpilor fluorescente sau incandescente. În funcție de condițiile de exploatare, se poate atinge o durată de viață între 30.000 și 100.000 ore. Ca urmare, costurile de întreținere se reduc considerabil prin scurtarea intervalului de înlocuire a sursei.
  • Cu cât temperatura mediului ambiant este mai scăzută, cu atât crește randamentul și durata de viață a LED-urilor. Pe de altă parte, cu cât crește temperatura mediului, cu atât scad și randamentul și durata de viață.

Datorită proprietăților de mai sus, LED-urile sunt interesante și pentru mediile cu pericol de explozie. Totuși, trebuie păstrată o oarecare rezervă. Din punct de vedere tehnic, datorită dezvoltării tehnologice sus-menționate, se pot rezolva cerințele iluminatului și în mediile periculoase. Ceea ce trebuie însă luat în considerație este dacă avantajele LED (cum ar fi viața lungă și costurile mai mici de întreținere) justifică prețurile de achiziție mai ridicate. Un exemplu simplu este acela de a înlocui un tub fluorescent de 36 W (costuri în jur de 1 EUR) cu circa 30 LED-uri care fiecare costă circa 1 EUR. Dacă mai adăugăm și cablarea, aparatul complet cu LED va costa în jur de 40 EUR. Chiar dacă luăm în considerație o viață mai mare a LED-urilor, înlocuirea e avantajoasă numai în cazurile excepționale în care instalarea tuburilor este extrem de dificilă ca acces. Totuși, dezvoltarea pieței LED este atât de rapidă încât, într-un viitor nu foarte îndepărtat, va fi posibilă înlocuirea pe scară largă a tehnologiei convenționale.

folosirea LED-urilor in medii cu pericol de explozie
Fig. 1. Lampa de semnalizare de înalta eficienta si intensitate luminoasa, cu LED, produsa de R.STAHL

Dezvoltarea tehnică și restricțiile tehnologiei LED în mediile periculoase

LED-urile au fost folosite în industrie de mulți ani, în special în semnalizări (datorită rezistenței la vibrații și a duratei lungi de viață). Dacă o lampă cu incandescență trebuie înlocuită în medie la fiecare 1.000 de ore, la un LED se pot anticipa circa 50.000 ore sau chiar mai mult. Acest lucru a dus la aplicații ale LED-urilor în mediile cu pericol de explozie, încă de la începuturi. Firma R. STAHL are în portofoliu lampa de semnalizare cu LED, patentată încă din 1970 (fig. 2).

Lampa de semnalizare cu LED, instalata într-o cutie de comanda
Fig. 2. Lampa de semnalizare cu LED, instalata într-o cutie de comanda

Cu toate acestea, la început, lumina slabă și faptul că LED-urile puteau fi produse numai în culorile roșu, verde și galben, limitau posibilitățile de aplicare. Abia spre sfârșitul mileniului, a apărut o invenție de o importanță covârșitoare. În Japonia, a fost produs un LED care emitea lumină albastră prin utilizarea combinației de materiale InGaN pe un substrat de safir. Apoi, a fost posibilă producerea unui LED alb eficient, cu un spectru mai larg în gama vizibilă, prin combinația dintre LED-ul albastru cu materialul luminiscent care absoarbe lumina albastră.

O dată cu creșterea continuă a randamentului, LED-urile au captat domenii de aplicații rezervate până atunci iluminatului convențional, cum ar fi lămpile cu filament sau cu descărcări în gaze.

O caracteristică importantă a unei surse de iluminat este raportul dintre energia electrică consumată și cea transformată în flux luminos perceptibil de ochiul omenesc. Multe din LED-urile de pe piață au o eficiență situată între 40 și 90 lumen/W. Este mai puțin decât la lămpile fluorescente care au între 50 și 100 lumen/W, dar semnificativ mai mult decât la lămpile cu incandescență sau cu halogen. Valoarea de 175 lumen/Watt (a leader-ului, lampa cu descărcări în vapori de înaltă presiune cu sodiu), încă nu este atinsă de cele mai eficiente dintre LED-urile albe, dar este previzibil ca, în viitorul apropiat, și acest prag să devină accesibil. În prezent, LED-urile cu un randament atât de mare sunt foarte scumpe, căci se produc printr-un proces complex de selecție. Problema principală atunci când se utilizează LED-uri performante este influența temperaturii. Problemele de temperatură nu pot fi atribuite generării propriu zise a luminii, căci prin electroluminiscență LED-urile nu emit decât lumină rece, monocromatică. Dar, deoarece pierderea de energie electrică nu este transformată prin radiație în lumină, ca la lampa cu incandescență, întreaga pierdere de putere trebuie disipată prin suprafața unui chip cu o suprafață de numai câțiva mm2. Daca acest lucru nu se întâmplă, se pot atinge temperaturi foarte înalte la suprafața materialului semiconductor, ceea ce duce la o scurtare a duratei de viață a LED-ului sau chiar la distrugerea lui. În ceea ce privește protecția la explozie, de o deosebită importanță este evitarea punctelor fierbinți, în afară de influența asupra vieții și funcționării LED-ului. În condiții normale de temperatură, după cum e dat în filele de catalog ale fabricanților, LED-urile care funcționează la curenti mici au o durată de viață mai mare de 100.000 de ore. Specificația de durată de viață din documentele fabricanților dă de obicei informații despre partea din numărul de diode testate care încă mai funcționează. De exemplu: B50 la 100.000 ore înseamnă că după un timp de funcționare de 100.000 ore, în anumite condiții, 50.000 LED-uri încă mai funcționează sau, invers, după acest timp jumătate nu mai funcționează.

Aplicații în mediile cu pericol de explozie

LED-urile pot îndeplini aproape toate cerințele cunoscute pentru instalațiile de iluminat, și asta inclusiv pentru mediile cu pericol de explozie. Singura problemă este dacă raportul global costuri/performanță este acceptabil pentru client. De multe ori, soluțiile cu LED sunt comparabile ca preț cu aparatele de iluminat uzuale protejate la explozie, dar la o privire mai atentă, proprietățile de inginerie a iluminatului nu sunt atât de satisfăcătoare. Există si design-uri comparabile tehnologic cu produsele convenționale dar sunt mult mai scumpe. În cele ce urmează prezentăm câteva aparate de iluminat în execuție antiex și avantajele utilizării lor. Tipul de aparate de iluminat care au avantaje clare la utilizarea tehnologiei LED sunt lămpile portabile și lanternele. Până acum, se utilizau lămpi cu incandescență cu durată de viață scurtă și randament luminos scăzut. Aici LED-urile și-au arătat superioritatea. În cele mai multe cazuri, rezistența internă mare a bateriilor este suficientă pentru a asigura un curent constant de alimentare. Unghiul de radiație îngust, tipic pentru LED-uri, nu reprezintă o problemă pentru aceste tipuri de lămpi. În figura 3 se arată o lanternă protejată la explozie cu marcajul II 2G Ex ibIIC T4 sau II 2D Ex ib D21 T81°C IP 68, fabricată de  R.STAHL.

Lanterna cu LED protejata la explozie
Fig.3. Lanterna cu LED protejata la explozie

Alt produs care arată avantajele LED-urilor este aparatul de iluminat tip cluster, 6590 (fig. 4). Trăsătura specifică a acestui aparat de iluminat, certificat pentru utilizare zona 2, este posibilitatea de a fi instalat rapid pe un cablu special, tip panglică. Contactul electric se face prin tehnologia de străpungere atunci când cutia aparatului se închide brusc. Deoarece izolația cablului posedă proprietăți de auto-vindecare, modificarea ulterioară a poziției ansamblului poate fi îndeplinită cu ușurință.

Aparat de iluminat tip cluster cu LED-uri
Fig. 4 Aparat de iluminat tip cluster cu LED-uri

Domeniile de aplicare a acestor aparate de iluminat cu LED-uri sunt la marcarea căilor de evacuare și la iluminatul balustradelor, scărilor și dulapurilor cu aparataj electric. Tipul de protecție este Ex nA, non-sparking (fără scântei). Pornirea instantanee a LED-urilor și lipsa de influență asupra duratei de viață a numărului mare de porniri-opriri fac LED-urile ideale pentru semnalizări. Figura 5 arată o lampă de semnalizare antideflagrantă tip 6162 care se poate utiliza în zonele 1, 2, 21 și 22. Prin utilizarea tehnologiei LED-urilor se obține o soluție care economisește energia. Curentul fiind mic, lampa nu se încălzește așa mult iar păstrarea clasei de temperatură T6 este asigurată. În exemplul respectiv se poate utiliza lumina continuă sau rotativă. Nu se utilizează părți mecanice în lampă, deci durata de viață crește semnificativ.

 Lampa de semnalizare tip 6162 în carcasa cu protectie Ex d
Fig. 5. Lampa de semnalizare tip 6162 în carcasa cu protectie Ex d

Alte domenii de aplicații sunt semnalizatoarele cu flash. Și aici avantajul este viața lungă a LED-urilor comparativ cu a celor cu Xenon sau halogen. Mai există și produse alternative, bazate pe tehnologia LED, cum ar fi aparatul de iluminat linear tubular cu LED (fig. 6). Tubul din plastic transparent este o cutie închisă cu protecție Ex d. Cu câteva LED-uri se atinge o intensitate luminoasă aproape de o lampă fluorescentă de 14 W. Aplicații tipice pentru un astfel de aparat de iluminat sunt iluminatul mașinilor, iluminatul căilor de evacuare, al semnelor de informare ca și al zonelor cu acces dificil.

Aparat de iluminat linear cu LED-uri
Fig. 6 . Aparat de iluminat linear cu LED-uri

Datorită robusteței și utilizării LED-urilor de calitate se poate spune că toate aceste aparate sunt fără mentenanță.

Aparatul de iluminat suspendat a fost și el modernizat cu tehnologia LED. În figura 7 se arată un aparat în tehnologie Ex d cu elemente LED de mare performanță.

Aranjamentul și numărul LED-urilor este determinat de cerințele de iluminat și de distribuția specificată a intensității luminoase. Contrar surselor cu vapori de înaltă presiune, cele cu LED au un unghi de radiație mai îngust. Dacă este nevoie de un unghi de radiație de 360˚, fie că trebuie utilizate mai multe module cu LED, în așa fel încât să emită în mai multe direcții, fie că trebuie utilizată o optică specială, care să distribuie lumina. Costurile suplimentare ale acestor soluții se justifică în aplicațiile speciale, de exemplu acolo unde se cere o durată lungă de viață, la temperaturi sub -30˚C sau dacă se cere un re-start instantaneu după o cădere de tensiune.

Aparat de iluminat suspendat, cu insertie de LED-uri de mare performanta
Fig. 7. Aparat de iluminat suspendat, cu insertie de LED-uri de mare performanta

Perspective viitoare

Fără îndoială, LED-ul este sursa care va îndeplini cele mai multe cerințe ale iluminatului în viitor. Dezvoltarea rapidă a tehnologiei cu LED este încă în desfășurare.

Proprietățile acestui produs vor fi îmbunătățite în anii ce vor veni. Perfecționarea tehnologiilor de producție, mărirea continuă a capacităților de producție și creșterea competiției pe plan mondial vor duce la o scădere a prețurilor pe piață.

Alt punct interesant sunt progresele în tehnologia OLED-urilor.

Spre deosebire de LED-urile cunoscute până acum, LED-urile organice emit pe o suprafață mai mare și se apropie astfel de o distribuție naturală a luminii. Deocamdată, această tehnologie nu este maturizată din punct de vedere tehnic, în special în ceea ce privește durata de viață și randamentul luminos și, de aceea, se utilizează numai în aplicații speciale.

În viitorul apropiat se vor dezvolta proiectoare de 200 W pentru zona 1, bineînțeles dacă clientul va fi dispus să plătească un preț mai mare la achiziție.

În ciuda optimismului în legătură cu aplicațiile LED, nu trebuie să trecem cu vederea că înlocuirea instalațiilor de iluminat conținând surse mai vechi nu se poate realiza decât în mod gradat, într-o perioadă mai lungă de timp. Acest lucru este din cauza obiceiurilor care persistă, a utilizării masive a tehnologiilor anterioare în instalațiile existente și a deficiențelor de informare atât a personalului cât și din documentația de proiectare și instalare.

Share