Diody LED w urządzeniach nowej generacji do oświetlania obiektów sportowych

Podczas gdy większość innych rozwiązań związanych z oświetleniem przechodzi obecnie na źródła światła LED, producenci reflektorów, które oświetlają boiska piłkarskie, korty tenisowe i inne duże boiska sportowe do niedawna preferowali konwencjonalne lampy wyładowcze dużej intensywności (ang. high intensity discharge, HID). Lampy HID oferują wysokostrumieniowe światło o wysokiej jakości, a pod względem elektrycznym i optycznym są łatwe w obsłudze dla projektantów reflektorów, jak to pokazano na rysunku 1.

Rys. 1: Lampa metalohalogenkowa ArenaVision MVF404 firmy Philips Lighting, część serii wysokoprzepływowych lamp HID do oświetlenia obiektów sportowych (Grafika: Philips Lighting, marka Signify)

Ale wszystko wskazuje, że trend może skierować się ku nowym i ulepszonym rozwiązaniom LED; na przykład Philips Lighting znalazł się na językach z powodu instalacji oświetlenia na Ekaterinburg Arena w Jekaterynburgu, jednym ze stadionów, na którym rozgrywano mecze Mistrzostw Świata w 2018 roku.

Jakie czynniki zachęcają w takim razie do przejścia na źródła światła LED w oświetleniu boisk sportowych? Czym różni się konstrukcja oprawy sportowej opartej na diodach LED od reflektora opartego na technologii HID?

Wysokie koszty wymiany lampy HID

Są dwa powody, dla których operatorzy stadionów i aren sportowych będą zadowoleni z pozbycia się technologii HID. Po pierwsze, ograniczona żywotność lamp: typowa żywotność B50 (średni czas przed awarią) to tylko 5,000 godzin. To oznacza częstszą wymianę lamp. A ponieważ wymieniana lampa może znajdować się na wysokości do 25 m na szczycie wąskiego słupa, wymagany jest specjalny sprzęt zapewniający dostęp i bezpieczeństwo oraz wykwalifikowani technicy, co wiąże się ze znacznymi kosztami.

Inną wadą lamp HID jest ich zachowanie w przypadku nieoczekiwanego wyłączenia, na przykład w przypadku awarii zasilania stadionu. Lampy HID wymagają 10-15 minut na ochłodzenie przed ponownym uruchomieniem, a następnie potrzebują 5 minut po ponownym uruchomieniu by osiągnąć pełną jasność. Ten okres ciemności i częściowego oświetlania jest problematyczny, jeśli awaria wystąpi podczas meczu: konsekwencje bezpieczeństwa i porządku publicznego związane z przetrzymywaniem kilkutysięcznego tłumu na ciemnym stadionie są naprawdę poważne.

Oświetlenie oparte na LEDach rozwiązuje oba te problemy: żywotność źródła światła LED w naświetlaczu zależy od projektu rozwiązania, ale zazwyczaj mieści się w zakresie od 50 000 do 100 000 godzin; dodatkowo diody LED można włączyć natychmiast uzyskując pełną jasność, gdy zasilanie zostanie włączone bądź przywrócone po jego zaniku.

Inne ważne zalety źródeł światła LED w oświetleniu boisk sportowych, to wyższa skuteczność, niskie napięcie potrzebne do włączenia oraz obsługa ściemniania i innych efektów świetlnych.

Rozważania na temat projektowania systemu reflektorów LED

Korzyści płynące z zastosowania diod LED w reflektorach są bardzo znaczące. Jednakże, charakter rozwiązania nakłada szczególne ograniczenia na projekt wysokiego masztu przeznaczonego na oświetlenie LED, a do niedawna utrudniało ono producentom OEM stosowanie diod LED w oświetleniu obiektów sportowych. W 2018 roku dostawcy diod LED, sterowników i optyki wprowadzili szereg nowych produktów, które spełniły szczególne wymagania oświetleniowe stadionów z wysokimi masztami. Dzięki temu teraz łatwiej niż wcześniej można stworzyć projekt reflektora opartego na LED.

Trudność w wykonaniu reflektorów LED wynika z surowych wymagań związanych z projektem. Powierzchnia do gry, wymagająca jednolitego oświetlenia i braku cieni: w przypadku tenisa, sam kort do powierzchnia 260 m2, a całkowita powierzchnia łącznie z miejscem dla sędziów liniowych, siedzeń dla graczy itd. wynosi około 680 m2. Dla piłki nożnej powierzchnia jest jeszcze większa: boisko ma około 7 000 m2, a całkowita powierzchnia wynosi około 10 000 m2. Wymóg oświetlenia zależy od tego, czy pole jest przeznaczone do użytku przez amatorów, przez co wymaga mniej jasnego światła, czy dla profesjonalnego sportu na wysokim poziomie, przy obecności widzów: w tym drugim przypadku na powierzchni do gry może być wymagane natężenie oświetlenia powyżej 1 000 lux.

W zależności od wysokości masztu i wielkości pola gry wymagana jest moc światła od setek do tysięcy kilolumenów ze źródła światła. Tak duży strumień światła musi być dostarczany z najmniejszej możliwej powierzchni emitującej światło, aby nie utrudniać widoku widzom oraz by nie obciążać słupa podczas wiatru.

W profesjonalnym oświetleniu stadionowym jakość światła jest również ściśle określona przez nadawców telewizyjnych za pomocą specyfikacji TLCI (ang. Television Lighting Consistency Index) dotyczącej odwzorowywania kolorów.

Lampa HID jest szczególnie dobrym rozwiązaniem problemów związanych z rozmiarem i wagą: pojedyncza lampa HID o mocy 2 kW wytwarza 150 000 – 200 000 lm, dlatego na masztach nie trzeba montować wielu lamp, tak jak to pokazano na rysunku 2.

Wyzwaniem przy projektowaniu z włączeniem diod LED jest utrzymanie powierzchni emitującej światło (ang. LES) możliwie jak najmniejszej, co jest trudne do wykonania przy użyciu chipów LED ogólnego przeznaczenia, które zazwyczaj wytwarzają około 300 lm każdy. Gdyby stosowano takie urządzenia, reflektor na wysokim maszcie wymagałby zbyt wielu składowych jednostek i zajmowałby zbyt duży obszar.

Dostępne są jednak lepsze rozwiązania LED. NV9W149AM firmy Nichia to wieloelementowa dioda LED, która wytwarza nominalną moc 2 490 lm światła CRI 90 przy prądzie przemiennym 2,1 A, choć może być również zasilana prądem stałym do 3 A.

Rys. 2: Reflektor Philips ArenaVision oświetlił stadion Phoenix Snow podczas zimowych igrzysk olimpijskich w Korei Południowej w 2018 roku. (Grafika: Philips Lighting)

 

Dostarczana jest w opakowaniach 7 x 7 x 3.1 mm. Oferując wysoką skuteczność i jakość, umożliwia projektantom systemów osiągnięcie bardzo dużej mocy światła wymaganej nawet przez profesjonalne obiekty sportowe w obudowie o niewielkiej powierzchni.

Umiejscowienie sterowników dużej mocy

Wyzwanie, które łączy się z projektem, nie ogranicza się tylko do wyboru i integracji diod LED: Wybór zasilania diod również niesie ze sobą poważne konsekwencje.

Dwa ważne czynniki decydują o wyborze sterownika LED. Po pierwsze sterownik dostarcza duże obciążenie, dla przykładu ponad 500 W w systemach oświetleniowych profesjonalnych stadionów piłkarskich. Żaden sterownik nie jest wydajny w 100%, a straty mocy są odprowadzane w postaci ciepła odpadowego. Projektanci urządzeń oświetleniowych LED mają tendencję do myślenia o wbudowanych sterownikach jako o samodzielnej czarnej skrzynce, która nie wymaga zarządzania termiką z zewnątrz. W tym przypadku właściwe byłoby rozważyć jak duże ilości ciepła mogą bezpiecznie zostać odciągnięte z obudowy sterownika do otoczenia, nie przegrzewając przy tym powietrza w obudowie systemu.

Inną kwestią związaną z wyborem sterownika jest waga – im lżejsza oprawa na oświetlenie, tym węższy może być słup, a mniej wsparcia mechanicznego potrzebuje oświetlenie montowane na czaszy. Na przykład sterowniki LED o mocy 1.2 kW firmy Inventronics serii EFD-1K2SxxxDV to doskonały wybór dla opraw oświetlenia wysokostrumieniowego. Solidny 6,6-kilowy, jak pokazano na rysunku 3, waży mniej niż równoważny system zasilania składający się z wielu sterowników o niższej mocy znamionowej.

Rys. 3. Sterownik LED 1,2 kW Inventronics EFD-1K2SxxxDV waży 6.6kg

Alternatywą dla montowania sterownika w górnej części masztu, obok diod LED, jest montaż u podstawy słupa. To nowatorskie podejście do projektowania systemu zasilania LED, którego nie ma w innych rozwiązaniach. Ze względu na dużą odległość, jaką muszą pokonać sygnały sterujące między zdalnym sterownikiem a diodami LED, montaż może zakłócić działanie pętli sprzężenia zwrotnego prowadząc do niestabilności mocy wyjściowej, a co za tym idzie, do odczuwalnego pogorszenia mocy światła. Ponadto, projektant musi uwzględnić spadek napięcia na kablu oraz spełnić wymagania EMC systemu. Producenci sterowników zaczynają jednak brać pod uwagę wymagania takiego montażu, i opracowują specjalne, nowe produkty.

Wybierając sterownik LED, projektanci reflektorów przeznaczonych na wysokie maszty będą musieli też wziąć pod uwagę specyfikację falowania wyjściowego, które powoduje migotanie światła, a zatem ma kluczowe znaczenie dla wydarzeń transmitowanych przez telewizję: powinno ono zostać ograniczone do <2%.

Wybór interfejsu ściemniania ma również znaczenie dla osiągania takich funkcji oświetlenia jak miganie czy ściemnianie. Producenci urządzeń dążą do kontroli DMX ze względu na krótszy czas reakcji w porównaniu z DALI. Niewiele sterowników dużej mocy oferuje interfejs DMX, co sprawia, że przetworniki DMX-to-0-10V, takie jak CNV-DMXR firmy Inventronics, są na wagę złota.

Względy optyczne

Ostatnim ważnym elementem systemu do rozważenia w oświetleniu boisk sportowych jest sterowanie wiązką. W typowym rozstawieniu z czterema masztami, z masztem w każdym rogu prostokątnego pola gry, oświetlenie musi rzucać światło dokładnie na ćwierć pola gry z dużej wysokości.

Konwencjonalne kolimatory LED zapewniają doskonałą kontrolę wiązki z małego punktu źródła światła. Małe straty optyczne w kolimatorze są rozpraszane jako ciepło odpadowe. W systemach o bardzo wysokim strumieniu generuje się dużo ciepła – w rzeczywistości zbyt dużo dla poliwęglanu (PC) lub PMMA, materiałów zwykle stosowanych w soczewkach do diod LED, które mają tendencję do odkształcania się w wysokiej temperaturze.

Również tutaj dostawcy komponentów opracowują specjalistyczne produkty dostosowane do oświetlenia boisk sportowych. Na przykład LEDiL dostarcza FN16258 STELLA-RS, soczewkę, która wytwarza wiązkę punktową 23° o LES 19 mm i jest kompatybilna z diodami LED o LES do 30 mm, jak pokazano na Rysunku 4. Jest wykonana z silikonu, materiału odpornego na bardzo wysokie temperatury, ale który jest ciężki i mniej stabilny mechanicznie niż PC czy PMMA.

Rys. 4: Soczewka FN16258 STELLA-RS firmy LEDiL jest wykonana z odpornego na wysokie temperatury silikonu. (Grafika: LEDiL)

Poprawa całkowitych kosztów utrzymania i wiele więcej

Jak zazwyczaj w przypadku technologii LED, dodatkowe początkowe koszty oświetlenia boiska sportowego opartego na diodach LED zwracają się w ciągu całego okresu eksploatacji systemu, przy zmniejszonych kosztach konserwacji i wymiany oraz niższych rachunkach za energię. Jakość i łatwość w sterowaniu systemem oświetlenia opartym o LED zapewniają dodatkowe ważne korzyści. Jak pokazał ten artykuł, opracowanie zamiennika opartego o diody LED w miejsce tradycyjnych lamp HID wymaga starannego rozważenia różnych problemów związanych z elektryką, termiką, mechaniką i optyką, ale jak pokazuje przypadek stadionu w Jekaterynburgu, dioda LED jest przyszłością oświetlenia stadionów.

O autorze

Dyrektor techniczny na region EMEA, Future Lighting Solutions