Současné trendy ve veřejném osvětlení

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

 1. Nástup COB

 

Již v loňském roce bylo zjevné, že u LED svítidel pro veřejné osvětlení se prosazují COB (Chip on Board) – sestavy LED na jedné společné podložce z tepelně vodivé keramiky. Tento trend během posledního roku rozhodně zesílil a v současné době je na trhu řada svítidel pro VO vybavených těmito zdroji světla.

Soucasne-trendy-ve-verejnem-osvetleni-1

Obrázek 1 – Chip on Board (COB)

COB se vyznačují následujícími přednostmi:

  • vysokým měrným výkonem
  • jednoduchou montáží pomocí speciálních držáků místo pájení jednotlivých LED na plošný spoj s kovovým nosičem
  • výrazně lepším přenosem tepla na chladič – lze použít buď menší chladič nebo dosáhnout nižší teploty COB a tím vyššího měrného výkonu a delší doby života
  • celkově jednodušší konstrukcí svítidla, vedoucí k podstatnému snížení jeho ceny

Při provozování svítidel s COB se postupně ukázala další výhoda těchto prvků – díky odlišnému způsobu montáže ve srovnání s klasickými LED nedochází k poruchám pájených spojů mezi LED a plošným spojem. Při rozsvěcení/zhasínání LED se samozřejmě ohřívá i plošný spoj, který má navíc odlišnou tepelnou roztažnost a tímto cyklickým namáháním dojde po určité době k utržení pájeného spoje a přerušení vodivého spojení. Směrnice o bezolovnatém pájení, zavedená před několika lety v celé EU, bohužel vede k použití pájek, které jsou na toto cyklické namáhání podstatně citlivější než pájky s olovem. Ty zůstaly zachovány jen pro vojenské a lékařské přístroje.

2. Silikonové optické prvky

 

Obliba silikonových optických prvků se v tomto roce prohloubila a tyto prvky i materiály k jejich výrobě nabízí nyní několik výrobců. Ukazuje se, že tyto prvky mají ve srovnání s klasickými skleněnými prvky nebo prvky z termoplastů řadu výhod:

  • Vysoká chemická odolnost
  • Vysoká mechanická odolnost, prvky jsou prakticky nerozbitné
  • Optický prvek může být navržen včetně těsnění, případně i odlehčovacího ventilu pro řízený únik ohřátého vzduchu do atmosféry
  • Plná chemická slučitelnost s LED díky tomu, že se jedná o stejný materiál
  • Minimální technologická omezení ve srovnání s výrobou skleněných nebo termoplastových optických prvků umožňuje tvarovat prvky jinými postupy nevyrobitelné
  • Minimální smrštění silikonu během zpracování umožňuje vyrobit optické prvky s vysokou přesností

Soucasne-trendy-ve-verejnem-osvetleni-2

Obrázek 2  – příklad silikonového optického prvku

3. Regulace LED

 

Světelný tok LED lze poměrně snadno regulovat v širokém rozsahu.  Regulaci je možné provést buď změnou protékajícího stejnosměrného proudu, nebo pulsně šířkovou regulací protékajícího proudu. Regulace pomocí změny stejnosměrného proudu je výhodnější, protože měrný tok svítidla (jeho účinnost vyjádřená v lumenech/W příkonu) se se zmenšujícím proudem zvyšuje.

Průběh proudu LED v závislosti na čase pro oba tyto případy ukazuje obrázek 3.

Soucasne-trendy-ve-verejnem-osvetleni-3 Soucasne-trendy-ve-verejnem-osvetleni-4

Pulsně šířková modulace                            Řízení stejnosměrným proudem

Obrázek 3 – porovnání dvou způsobů řízení LED

V této souvislosti si dovolím upozornit na problém s „blikáním“ světla LED. Setkal jsem se s touto stížností již v několika případech a po proměření napájecích zdrojů jsem musel dát stěžovatelům zapravdu. Problém není způsoben použitím pulsně šířkové modulace, která používá kmitočty, jež už lidské oko nevnímá. Příčinou tohoto jevu je nedostatečná filtrace usměrněného střídavého napětí, která moduluje proud LED a tím i světelný tok frekvencí 50 Hz, což je kmitočet, který lidské oko obvykle vnímá poměrně rušivě. Ve všech případech se jednalo o velmi levné napájecí zdroje a předpokládám, že důvodem nedostatečné filtrace byla především snaha ušetřit na součástkách.

Možnosti snadno regulovat světelný tok LED se využívá ve dvou případech:

 

A. K regulaci světelného toku na jeho konstantní hodnotu

 

Světelný tok všech zdrojů s čase klesá a při výpočtech osvětlení je nutné tuto skutečnost vzít v úvahu. U výpočtu osvětlení k tomu slouží tzv. udržovací činitel, který v sobě zahrnuje jak stárnutí světelného zdroje, tak postupné znečistění svítidla a stárnutí jeho optických prvků. O hodnotu udržovacího činitele je pak navýšena celková osvětlenost tak, aby na konci doby života byla stále zaručena požadovaná minimální osvětlenost. Takto navýšená osvětlenost se nazývá udržovaná. Pokud budeme proud LED postupně zvyšovat tak, jak dochází k poklesu světelného toku, budeme udržovat světelný tok konstantní a udržovací činitel můžeme redukovat jen na stárnutí optických prvků a jejich znečistění. V praxi to znamená, že místo udržovacího činitele 0,7-0,8 (30-20% navýšení osvětlenosti na počátku svícení) můžeme použít udržovací činitel 0,9 (jen 10% navýšení osvětlenosti respektující znečistění a stárnutí svítidel). Hodnoty udržovacího činitele vyšší než 0,9 nepovažuji za podložené, u takových svítidel by nesmělo docházet k jejich znečistění, resp. by musely být umývány v extrémně krátkých intervalech. U svítidel s regulací na konstantní světelný tok narážíme často i na další nepřesnost – v katalogových listech je uváděn jmenovitý příkon odpovídající počátečnímu stavu a není brán zřetel na postupné zvyšování příkonu, kompenzujícího pokles světelného toku. To ale může být poměrně zavádějící a u svítidla, jehož světelný zdroj vykazuje na konci doby života pokles na 70% původní hodnoty, bude průměrný příkon svítidla o 15% vyšší (obrázek 4). Výrobce svítidel s regulací na konstantní světelný tok by tedy měl uvádět nejen počáteční, ale především průměrný příkon svítidla a dobu života, pro níž je tento příkon počítán.

Soucasne-trendy-ve-verejnem-osvetleni-5

Obrázek 4 – udržování konstantního světelného toku

Postupný pokles cen LED a prudké zlepšení jejich parametrů vedlo v posledních letech některé výrobce LED svítidel k opuštění konceptu udržování konstantního světelného toku elektronickou cestou. Pokud použijeme současné kvalitní LED a budeme je napájet např. polovinou jmenovitého proudu, bude pokles světelného toku po 70 000 hodinách (16 let provozu) minimální (3-5%). Kromě toho budou mít takto provozované LED podstatně vyšší měrný výkon a samozřejmě i nižší pravděpodobnost poruchy.  Je pochopitelné, že se zjednoduší i řešení napájecího zdroje.

Tím se dostáváme k stále často diskutované otázce doby života LED.  Dnes je za standard považována metoda měření dle směrnice LM-80, výsledky měření vypadají například takto (obrázek 5).

Soucasne-trendy-ve-verejnem-osvetleni-6

Obrázek 5 – výsledek měření dle směrnice LM-80

Měří se sady LED při třech různých teplotách čipu (dvě jsou dané) a sleduje se pokles světelného toku celé sady po dobu nejméně 6000 h. Z takto naměřených dat se poté metodikou danou směrnicí TM-21 provádí aproximace poklesu světelného toku, maximálně však pro dobu rovnou šestinásobku doby měření.

Za dobu života LED se považuje doba, po jejímž uplynutí bude LED poskytovat 70% původního světelného toku (odtud označení L70). Metodika měření LM-80 tedy neřeší, kolik LED z celkové sady bude na konci této doby svítit a hodnota zjištěná metodikou TM-21 se označuje jako užitečný život. Výsledek aproximace vypadá například jako na obr. 6.

Pokud není dodavatel svítidla schopen výsledky testů dle těchto směrnic doložit, nemohu použití takového výrobku v žádném případě doporučit. Renomovaní výrobci LED naopak na základě takto změřených hodnot poskytují na své výrobky časovou záruku (např. 5 let) bez omezení doby svícení.

Soucasne-trendy-ve-verejnem-osvetleni-7

Obrázek 6 – výsledek aproximace dle směrnice TM-21

V současnosti se usilovně pracuje na aktualizaci těchto směrnic tak, aby odpovídaly bouřlivému rozvoji LED technologie.  Dnes již na stránkách výrobců nejspíše neobjevíte výše uvedené grafy, ale jen jejich shrnutí v podobě L70 (10k) >80 000 hrs. Kromě zjednodušení se tím výrobci brání proti uvádění vypočtených dob života pro časy delší než šestinásobek doby měření.

 

B. Časová regulace LED svítidel

 

Časová regulace se s úspěchem používala i u svítidel se sodíkovými výbojkami, jejichž příkon byl v nočních hodinách snížen díky nižšímu napájecímu napětí. Rozsah této regulace je omezený, přesto tato metoda přinášela nezanedbatelné úspory. Vzhledem k tomu, že LED je možné řídit v podstatně širším rozsahu, je samozřejmě potenciál takto získaných úspor vyšší. Současné normy připouští snížení osvětlenosti až od dva stupně, tedy na ¼ původní hodnoty. V praxi se snížení osvětlenosti až na tuto hodnotu nedoporučuje. Příklad časového řízení svítidel s úsporou cca 30% je na obrázku 7.

Soucasne-trendy-ve-verejnem-osvetleni-8

Obrázek 7 – příklad časové regulace LED svítidel

Regulaci světelného toku svítidel je možno řešit buď autonomně (každé svítidlo má v sobě zabudovaný časovač), nebo centrálním řízením (po samostatném kabelu, bezdrátově nebo nejčastěji vyšší frekvencí po napájecích linkách).  Zásadní nevýhodou autonomního řízení je velmi obtížná změna časování (nutno provést v každém svítidle) a nesynchronnost změn – díky tomu může dojít k střídání osvětlenosti v poměru 1:4, což je z hlediska bezpečnosti silničního provozu velmi nežádoucí stav. Centrální řízení naopak provádí všechny změny synchronně a vyspělejší typy umožňují díky adresaci svítidel jejich individuální řízení a diagnostiku. Z hlediska způsobu řízení je obzvláště výhodné využít změnu stejnosměrného proudu, kdy při snížených světelných tocích pracuje svítidlo s vyšším měrným výkonem (rozdíl až 30%).

Časová regulace LED svítidel může při rozumném nastavení a s LED svítidly se stejnosměrným řízením přinést úspory až 40%, její smysl se ale projevuje až u svítidel vyšších příkonů (cca od 60W výše). U menších příkonů je návratnost investice do časového řízení problematická, protože úspora na svítidle je v rozsahu 100 – 150 Kč/ročně.

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