LED – fakta a mýty

Ing. Jakub Černoch, jednatel Osvětlení Černoch s.r.o.

Málokterá oblast techniky je opředena tolika mýty a v málokteré technické disciplíně se lže tak, jako v osvětlení světloemitujícími diodami (Light Emitting Diode – zkráceně LED). Rád bych Vám svým příspěvkem pomohl se v této oblasti zorientovat a při té příležitosti bych rád zbořil pár oblíbených mýtů a vyvrátil pár obecně tradovaných lží.

LED jsou skutečně přelomovou technologií v osvětlování, jak už to ale u přelomových technologií bývá, vyžadují podstatně odlišný přístup ke konstrukci svítidel a podstatně jiné znalosti ve srovnání se svítidly osazenými konvenčními zdroji (žárovky, zářivky, výbojky). Tyto rozdíly můžeme pro přehlednost rozdělit do tří kategorií:

  1. LED vyžadují zcela odlišný způsob napájení pomocí zdroje konstantního proudu.
  2. Pro správnou a spolehlivou funkci vyžadují LED dobře vyřešený odvod tepla
  3. K účinnému využití jejich vlastností jsou nutné zcela jiné optické prvky

Nerespektování těchto odlišností může vést k zásadnímu snížení životnosti svítidel, případně až k jejich naprostému selhání. Vás jako koncové uživatele mohou postihnout právě následky těchto chyb, proto bych se jim věnoval trochu blíže.

Ad 1. Dnes je napájení LED řešeno prakticky výhradně elektronickými obvody, využívajícími techniku spínaných zdrojů. Asi se shodneme, že napájecí zdroj by měl mít nejméně tak dlouhou dobu života, jako zdroj světla /v našem případě LED/. Přesto narazíte na řadu jak svítidel, tak samostatně prodávaných napájecích zdrojů /podotýkám, že obvykle východní provenience/, které používají součástky, jejichž střední doba života v daném zapojení je 5 – 6 000 hodin. Při pořízení LED svítidla proto trvejte na záruce na napájecí zdroje, která by měla být stejná nebo delší než záruka na samotné LED.

Ad 2. Přestože jsou LED jedním z nejúčinnějších zdrojů světla, přibližně 2/3 jejich příkonu se stále přemění na teplo. Toto teplo je nutné pomocí chladiče odvést z čipu do okolního prostředí, protože střední doba života i světelný tok LED silně závisí na teplotě čipu:

LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-1LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-2

Přestože tyto údaje najdete v katalogu každého serióznějšího výrobce LED, je trh zaplaven svítidly se zcela nedostatečným chlazením, u nichž je deklarovaná střední doba života 100 000 hodin – k tomu zbývá jen dodat, že možná při chlazení tekutým dusíkem. Podobná je situace v oblasti takzvaných „LED náhrad“, kde je dostatečné chlazení prakticky neřešitelný problém, protože teplo není kudy odvést. Skutečná střední doba života těchto náhrad bude často menší než nahrazovaných zdrojů. Konkrétně mám na mysli náhrady zářivkových trubic a výbojek, kde k neřešitelným problémům s dostatečným odvodem tepla přistupuje ještě jeden zásadní legislativní problém. Naprostá většina těchto náhrad vyžaduje odstranění původního elektromagnetického předřadníku a zapalovače – oba zásahy představují z pohledu norem zásadní změnu svítidla, které by po takové úpravě mělo projít drahým a komplikovaným schvalováním. Pokud budete provozovat neschválené svítidlo, bude veškerá zodpovědnost za případné úrazy výhradně na Vás, navíc provozování takových svítidel lze kvalifikovat jako obecné ohrožení. Naopak v oblasti náhrad klasických žárovek se závitem E27 a halogenových nízkovoltových žárovek už existuje řada výrobků, které splňují potřebné technické i bezpečnostní parametry a mohu jejich použití doporučit.

Ad 3. Klasické světelné zdroje vyzařují světlo do všech stran, jedná se o takzvané všesměrové zdroje a k usměrnění světla do žádaného směru je možné výhodně použít reflektory. LED vyzařují světlo v úhlu 100 – 130 °, což znamená, že reflektory nejsou pro použití s LED příliš účinné a pro efektivní využití jejich světelného toku je nutné použít speciální čočky.  Z toho také vyplývá, že ve svítidlech konstruovaných pro klasické světelné zdroje nelze nahradit tyto zdroje LED /viz LED náhrady/, protože výsledná vyzařovací charakteristika svítidla bude úplně jiná. Všimněte si, že u většiny zářivkových a výbojkových svítidel je podstatná část reflektoru i za světelným zdrojem – pokud do takového svítidla použijeme LED, bude tato část reflektoru zcela nefunkční. To v důsledku znamená, že celá osvětlovací soustava nesplní závazné hygienické normy, pro které bylo původní osvětlení navrženo.

LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-3

K optickým prvkům svítidel s LED si dovolím ještě malou poznámku, týkající se použitých materiálů – dlouholeté zkušenosti s plasty mě vedou k názoru, že použití plastových optických prvků, přímo vystavených vlivu vnějšího prostředí, není nejlepší volbou a rozhodně v těchto aplikacích preferuji sklo. Pro příklad nemusíme chodit daleko – podívejte se na plastové kryty reflektorů jakéhokoliv automobilu, staršího 5 let nebo na plastové kryty svítidel VO – jejich schopnost propouštět světlo se s lety dramaticky snižuje.

Pár mýtů jsme už zbořili, ale ten nejdůležitější nás čeká – každý z Vás už určitě slyšel, že LED mají mnohem nižší spotřebu elektrické energie, někteří experti neváhají tvrdit, že až o jeden řád. Lituji, ale když se podíváme na fakta, zjistíme, že to je trochu jinak. Omlouvám se, ale bez trochy fyziky se neobejdeme….množství světla, které vyprodukuje světelný zdroj, takzvaný světelný tok, se měří v lumenech. Pro porovnání účinnosti světelných zdrojů je výhodné určit, kolik lumenů vyzáří zdroj na jeden watt příkonu, takzvaný měrný světelný tok. Porovnejme si tedy jednotlivé zdroje světla podle tohoto parametru.

Do přehledu jsem byl nucen zařadit pro LED dva údaje, protože mezi špičkovými LED a zbytkem je opravdu velký rozdíl. Navíc při zjišťování měrného výkonu LED musíte velmi pozorně sledovat podmínky, při nichž byla tato hodnota stanovena. Donedávna prakticky všichni výrobci LED uváděli tuto hodnotu pro podmínky, při nichž dosáhly co nejvyšší hodnoty – v praxi obvykle při teplotě čipu 25°C a cca desetině jmenovitého pracovního proudu, tedy podmínky pro praktickou aplikaci nepoužitelné. Skutečný měrný výkon pro konkrétní pracovní bod bylo nutné dopočítat pomocí grafů, a protože jste se dobrali k hodnotám podstatně méně optimistickým, nikdo se tím nezatěžoval. Nyní konečně seriózní výrobci uvádí měrný výkon pro reálné pracovní podmínky, tento měrný výkon se daří zlepšovat každý rok o cca 15-20%. V laboratoři se podařilo vyrobit LED, které dosahují v reálných pracovních podmínkách měrného výkonu 230 lm/W.

LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-4

LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-5

LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-6

Z výše uvedeného přehledu vyplývá, že LED jsou svým měrným výkonem šampiónem nižších výkonů, u vyšších výkonů nad 125 W je jejich měrný výkon stále nižší než nízkotlakých sodíkových výbojek. Předpokládám, že se shodneme i na tom, že má-li svítidlo osvětlovat plochu stejnou intenzitou, bude k tomu potřeba přibližně stejný světelný tok. Pak je ale zjevné, že jednoduchou záměnou výbojkových svítidel za svítidla s LED není možné při zachování stejné intenzity osvětlení dosáhnout úspor ve spotřebě vyšších než 30 – 35%. Záměrně jsem použil spojení jednoduchá záměna, protože LED nabízí jednu zásadní výhodu – lze je poměrně snadno stmívat. Pokud této vlastnosti využijeme ke snížení intenzity osvětlení v období např. 22:00 až 04:30 na 50 % (nižší pokles norma nedoporučuje), můžeme dosáhnout další úspory elektrické energie ve výši cca 25-30%. K tomu je ale nutné mít možnost jednotlivá svítidla řídit, jako nejvhodnější se jeví takzvaná PLC (Power Line Communication) – komunikace využívající stávající napájecí vedení. Bohužel takto vybavených svítidel je na trhu mizivě málo…. Shrnuto – ano, LED svítidla mohou uspořit i více než 50% spotřeby elektrické energie, ale jen za předpokladu použití opravdu těch nejlepších LED a svítidel poslední generace.

Druhým oblíbeným a hluboce zakořeněným mýtem je tvrzení, že LED mají prakticky neomezenou životnost. Už v přehledu odlišností LED ve srovnání s klasickými zdroji jsem se zmínil, že jejich skutečná doba života je ovlivněna především dobrým chlazením, velkým problémem je také vyčerpání luminoforu (bílé LED svítí v modré části spektra a ostatní barvy se získávají pomocí luminoforu naneseného na čip) a stárnutí optického materiálu, ve kterém je čip zapouzdřen. Poslední generace LED má tyto problémy už vyřešeny, jak dokazují výsledky dlouhodobého měření světelného toku LED CREE typ XP-G (podobnou konstrukci mají i LED firmy Luexeon).

LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-7

U takto konstruovaných LED je možné opravdu dosáhnout střední doby života 50 – 70 000 h, u starších konstrukcí to považuji za prakticky vyloučené, reálná střední doba života LED předchozí generace se pohybuje okolo 20 – 35 000 h u dobře konstruovaných svítidel.

Pro porovnání, jak důležité je používat LED od renomovaných výrobců, uvádím výsledky měření závislosti světelného toku na čase u dvou různých výrobců:

LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-8

LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-9

Je zjevné, že LED od  „noname“ výrobce jsou pro praktické aplikace naprosto nevhodné, jejich střední doba života je srovnatelná s obyčejnou žárovkou.

Toto je fyzikální realita, která samozřejmě nevyhovuje prodejcům svítidel z dolní části kvalitativního spektra. V zájmu prodeje se pak uchylují k různým trikům, které bych shrnul do těchto kategorií:

  • Svítí? Svítí!

Tento trik vycházel ze skutečnosti, že normy na veřejné osvětlení byly dlouho nezávazné. Bylo to pravděpodobně hlavně politické rozhodnutí, protože 80% veřejného osvětlení v ČR neodpovídá současným normám. Trik fungoval tak, že místo původních svítidel byla osazena svítidla s příkonem i světelným tokem podstatně nižším. Dosažená úspora elektrické energie byla úžasná, problém je, že takové veřejné osvětlení je prakticky nefunkční a normám zdaleka neodpovídá.

Od 1.4.2012 jsou normy řady 13201 závazné, takže se v tomto směru situace výrazně mění. Samozřejmě se najde spousta investorů, kteří tuto skutečnost netuší a nechají se takto napálit i za současného stavu. Podobně při výměnách starého veřejného osvětlení za nové s využitím stávajících stožárů bude obtížné splnit požadavky norem a ty se budou různými způsoby obcházet. Rozteče stožárů totiž běžně vychází z místních podmínek a podstatně se liší od optimální rozteče vhodné pro moderní svítidla. S ohledem na to, že svítidla jsou dostupná ve výkonových řadách v poměru 1:2, dochází pak často při snaze dodržet normy k přesvětlení. V těchto případech je jediným řešením svítidlo s plynulou regulací maximálního výkonu, což je prakticky možné jen u LED svítidel.

Obrana proti těmto trikům je jednoduchá – požadujte světelně-technický projekt, splňující normy. A nechte si nezávislým odborníkem ověřit, že dokončené veřejné osvětlení dosáhlo projektem deklarovaných parametrů.

  • Zatřídění komunikací

Tento trik bych nazval vylepšením předchozího triku na vyšší úroveň. Pro účely osvětlení norma zařazuje komunikace podle řady parametrů do jednotlivých tříd osvětlení, každé třídě odpovídají určité světelně technické parametry (jas nebo osvětlenost komunikace, rovnoměrnost osvětlení, míra oslnění, osvětlení okolí). Dodavatel tedy (v rozporu s normou) zatřídí komunikaci do podstatně nižší třídy, než odpovídá normě a opět vykáže úžasné úspory elektrické energie. Že se osvětlení zhoršilo? Vše je v souladu s normou! Obrana je jen o maličko složitější – nechte si světelně technický projekt od dodavatele posoudit nezávislým projektantem veřejného osvětlení.

  • Mezopické vidění

Mezopická oblast vidění spadá do rozhraní mezi denním (fotopickým) a nočním (skotopickým) viděním. Typickým příkladem, kdy náš zrak využívá mezopické vidění, je venkovní komunikace osvětlená veřejným osvětlením. V této oblasti skutečně oko vnímá světlo s vysokou barevnou teplotou jako vyšší než je ve skutečnosti. Platí to však pro nízké jasy do cca 0,3÷0,5 cd.m-2. Pro vyšší jasy jsou již rozdíly zanedbatelné. Ideální hladina osvětlení na komunikacích je asi 4 cd.m-2, normy však i pro ty nejnáročnější předepisují hodnotu poloviční. Je to kompromis mezi ideálními podmínkami pro vidění a technicko ekonomickými možnostmi. Pro nízké jasy bude „bílé“ světlo vnímáno jako intenzivnější, avšak stále to je méně, než jaký by byl optimální stav. Lze tedy vítat tento příspěvek bílého světla jako zvýšení bezpečnosti v nočním prostředí, není to důvod pro snížení požadavků normy. V tom spočívá také obrana – tuto argumentaci vůbec nepřipustit, závazná je norma.

  • Lepší distribuce světla

Konvenční zdroje světla, vyzařující do všech směrů, mohou pomocí reflektorů usměrnit jen světelný tok do horní poloroviny. To vede k tomu, že pod svítidlem je vyšší intenzita osvětlení, než je z hlediska normy nutné. LED svítidla s kvalitní optikou naproti tomu mohou směrovat světlo prakticky rovnoměrně na požadovanou plochu, což vede k lepšímu využití světelného toku. Teoreticky je toto tvrzení správné a dokonalou distribucí světelného toku by bylo možné dosáhnout ve srovnání s konvenčními zdroji úspory cca 30 % spotřeby elektrické energie. Problém je v tom, že současné optické prvky pro LED se tomuto ideálnímu modelu pouze přibližují.

Na obrázku je porovnání takových svítidel. Je třeba podotknout, že svítidla svítící přímo pod sebe nejsou vhodná všude, byť se hojně používají (např. kancelářská svítidla v podhledech). Důležité je tzv. naplnění prostoru světlem, kdy svítidlo svítí nejen do dolního poloprostoru, ale také do horního. Tím je zvýšená velikost odražené složky osvětlení – stíny jsou méně tvrdé, celý prostor má vyvážený jas, sníží se míra oslnění, vzroste tzv. zraková pohoda.

LED–fakta-a-myty-ing-Jakub-Cernoch-10

Obranou je opět světelně technický projekt a jeho posouzení nezávislým projektantem.  Po dokončení výstavby musí samozřejmě následovat měření celé osvětlovací soustavy opět nejlépe nezávislým odborníkem.

Podklady:

  • Firemní materiály CREE¨
  • Firemní materiály Luxeon
  • AGEING OF LEDS: A COMPREHENSIVE STUDY BASED ON THE LM80 STANDARD AND THERMAL TRANSIENT MEASUREMENTS

András POPPE1,2, Gábor MOLNÁR2, Péter CSUTI 3, Ferenc SZABÓ3, János SCHANDA3

1 Budapest University of Technology & Economics, Dept. of Electron Devices, Budapest, Hungary,

2 Mentor Graphics MicReD Division, Budapest, Hungary

3 University of Pannonia, Virtual Environment and Imaging Technologies Laboratory, Veszprém, Hungary

Leave a Comment

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Cookies help us deliver our services. By using our services, you agree to our use of cookies. More Information