Zásady správného použití LED

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

Anotace

 

Přednáška se zabývá nejprve srovnáním energetické bilance jednotlivých světelných zdrojů; toto srovnání je základem pro vysvětlení předností vysoce svítivých LED, jejich konstrukce a požadavků na konstrukci svítidel s LED obecně.  Zásady pro správnou konstrukci svítidel s LED jsou poté demonstrovány na řadě praktických příkladů.  Přednáška je určena všem zájemcům o technologii osvětlení s LED a jejím cílem je usnadnit orientaci v poněkud nepřehledné situaci na trhu.

Obsah

 

1.Energetická bilance jednotlivých světelných zdrojů

  1. Jak fungují vysoce svítivé LED
  2. Zásady správné konstrukce svítidel s vysoce svítivými LED
  3. Příklady řešení svítidel s LED

 

1. Energetická bilance jednotlivých světelných zdrojů

 

LED (světlo emitující diody) se v poslední době stávají doslova hitem, bohužel díky časté neinformovanosti jak výrobců tak prodejců svítidel dochází často při jejich praktickém použití k velkému rozčarování. Cílem této přednášky je seznámení se zásadami použití těchto moderních zdrojů světla tak, aby výsledná svítidla maximálně využila jejich přednosti a potlačila jejich nedostatky.

Na úvod se podívejme na celkovou energetickou bilanci jednotlivých světelných zdrojů:

bílé LED Zářivka HMI výbojka 60 W žárovka
Viditelné záření 25% 21% 27% 8%
Infračervené záření ~0% 37% 17% 73%
Ultrafialové záření 0% ~0% 19% 0%
Celková vyzářená energie 25% 58% 63% 81%
Zbývající energie – teplo 75% 42% 37% 19%

 

Není jistě žádným překvapením, že poslední typy bílých LED dosahují účinnosti 130 –150 lm/W a řadí se tak k nejúčinnějším světelným zdrojům. Pro jejich aplikaci je podstatné, že nevyzařují prakticky žádnou energii ve formě nežádoucího UV nebo infračerveného záření. To ale současně znamená, že všechna energie, která se nepřemění na světlo, musí být odvedena ve formě tepla.

LED dioda je stejně jako jakákoliv jiná polovodičová dioda tvořena přechodem mezi polovodičovým materiálem obohaceným o elektrony a polovodičovým materiálem o elektrony ochuzeným. Po přivedení napětí na tento přechod dochází  k rekombinaci elektronů a děr, v případě LED je takto vzniklá energie vyzařována ve formě světla, jehož barva závisí na materiálu a tloušťce p-n přechodu.  Vzniklé světlo je monochromatické a k vytvoření bílého světla se využívají dvě metody:

  1. Míchání světla modrých, červených a zelených LED poskytuje vynikající barevný gamut a index podání barev, vyžaduje však poměrně složitou elektroniku a nemá příliš vysokou účinnost.
  2. Použití modrých LED s povlakem luminoforu, který část modrého světla transformuje na žluté. Žluté světlo stimuluje v oku jak červené, tak zelené receptory a napodobuje tak bílé světlo s dobrým indexem podání barev.

 

Příklad spektrálního rozložení výkonu LED XR-E od firmy CREE:

Zasady-spravneho-pouziti-LED-1

Nevýhodou této konstrukce je kolísání výsledné barevné teploty v závislosti na tolerancích výrobního procesu, takže je nutné takto vyrobené LED  testovat a rozřazovat do skupin s podobou barevnou teplotou. V osvětlovací technice se v současnosti používají prakticky výhradně diody této konstrukce.

Praktické provedení LED se samozřejmě liší podle jednotlivých výrobců, ale řadu detailů mají všechny výkonové LED shodné. Polovodičový přechod je upevněn na keramické nebo kovové podložce, uzpůsobené jako součástka pro plošnou montáž. Přechod je krytý obvykle silikonovou krytkou, která zaručuje dlouhodobou propustnost světla.

 

Příklad konstrukce LED CREE MC-E

 

Zasady-spravneho-pouziti-LED-2

 

Pro úspěšné použití LED v osvětlovací technice je nutné splnit následující parametry:

 

1. Napájení

Polovodičový přechod vyžaduje napájení zdrojem konstantního proudu, při napájení ze zdroje konstantního napětí dojde díky proudovému přetížení  prakticky okamžitě k destrukci p-n přechodu. S ohledem na celkovou účinnost svítidla a na jeho tepelnou bilanci je nezbytné používat spínané zdroje, které v současnosti nabízí řada výrobců. Při volbě vhodného zdroje je nutné znát maximální pracovní proud LED v propustném směru a počet LED zapojených v sérii. Použitý napájecí zdroj by měl být schopen dodávat konstantní proud i při napětí o trochu větším než je součet maximálních napětí všech LED v propustném směru. Normy dále požadují, aby zdroj konstantního proudu pro napájení LED měl omezení maximálního výstupního napětí při otevřené napájecí smyčce. Je výhodné řadit do série jenom tolik KLED, aby napájecí napětí v žádném případě nepřesáhlo 50 V; svítidla s napájecím napětím pod tímto limitem nepodléhají povinnosti schvalování. Napáječ musí dále splňovat požadavky na EMC kompatibilitu a bezpečnost a být označen v souladu s normami.

2. Chlazení

Pro konstrukci svítidel s LED je chlazení naprosto zásadní, protože významně ovlivňuje jak životnost, tak účinnost svítidel. Obecně samozřejmě platí, že čím lépe je LED chlazena, tím delší bude její životnost. Praktické provedení chlazení je samozřejmě kompromisem mezi cenou, rozměry a požadovanou životností, z praktických konstrukcí a dlouhodobých zkoušek považuji za rozumný kompromis chlazení na cca 60°C za normálních podmínek. Pokud teplota pouzdra LED (je prakticky shodná s teplotou přechodu díky malém tepelnému odporu pouzdra) přesahuje 70°C, dojde k drastickém snížení životnosti .

Mechanické provedení chlazení je oblastí, kde se projevuje schopnost konstruktéra dosáhnout co největší teplosměnné plochy při co nejmenším objemu a zároveň optimálního ofukování nejlépe přirozeným prouděním. LED je prakticky výhradně připájena na nosnou desku plošných spojů (DPS) s nosnou vrstvou z hliníku pro co nejlepší odvod tepla. Deska DPS je pak šrouby nebo svorkami přitisknuta na chladič, který se vyrábí obvykle z tažených žebrovaných Al. profilů.  Jako velmi výhodné se jeví prstové hliníkové chladiče, vyráběné buď tlakovým litím, nebo částečným vytlačováním. Poslední novinkou při výrobě chladičů je lisování ze speciálních tepelně vodivých termoplastů, výhodou této metody je nízká výrobní cena a možnost optimálního tvarování. Mezi DPS a chladič je nutné aplikovat speciální pasty, které významně snižují tepelný odpor přechodu mezi DPS a chladičem. Doporučuje se používat chladiče s černěným povrchem,  který vykazuje asi o 20% lepší přestup tepla do vzduch. Návrh celé sestavy LED-DPS-chladič se obvykle ověřuje modelováním metodou konečných prvků, která umožňuje poměrně věrně simulovat teplotní poměry všech prvků a optimalizovat jejich rozměry.

Závislost životnosti LED na teplotě ilustruje velmi dobře tento graf:

Zasady-spravneho-pouziti-LED-3

 

3. Optická soustava

Bílé LED pro osvětlovací techniku mají obvykle vyzařovací charakteristiku  podobnou této

Zasady-spravneho-pouziti-LED-4

Z vyzařovací charakteristiky je zřejmé, že samotná LED je pro osvětlovací účely nevhodná a vyžaduje optický systém.  Ten je možné realizovat dvěma způsoby:

  • Reflektorem, případně kombinací se světlovodem
  • Čočkou nebo kombinací čoček a světlovodu

Optický systém s reflektorem posazeným za LED umožní částečně ovlivnit okraje vyzařovací charakteristiky, vyzařování světla okolo osy bohužel neovlivní. Optický systém  s LED svítící do reflektoru  naráží na problém ztrát stíněním LED a především nezbytným chladičem, navíc vyzařovací charakteristika LED je pro tento systém nepříliš vhodná. Firma Luxeon vyráběla LED s optickým členem, který zajišťoval stranové vyzařování, bohužel jeho účinnost byla nízká a reprodukovatelnost ještě nižší. Systém kombinující světlovod a reflektor je schopen vyřešit problém stínění a nevhodné vyzařovací charakteristiky, jeho účinnost je ale nižší a konstrukce s ohledem na požadovanou tvarovou přesnost hodně náročná. Protože LED je polovodičová součástka, nesmí být vystavena vlivu vnějšího prostředí a to znamená, že všechna uvedená řešení s reflektorem musí mít čelní ochranný kryt, který razantně sníží účinnost celé optické soustavy.

Optický systém s předsazenou asférickou čočkou je schopen teoreticky zajistit libovolnou vyzařovací charakteristiku. Čočka je s ohledem na rozměry LED přijatelně malá a díky pokroku ve výpočetních metodách asférických čoček a technologii jejich výroby lisováním ze skla i plastů je toto řešení dostupné i finančně, byť vyžaduje na výrobu svítidel vyšší přesnost osazování a montáže.  Standardní provedení takto řešené optické soustavy je založeno na použití plastových čoček, nabízených obvykle přímo výrobci LED, viz. Obr. 1.

Zasady-spravneho-pouziti-LED-5

Legenda

1 – chladič s DPS

2 – LED

3 – asférická plastová čočka

7- krycí sklo

Toto řešení má dvě zásadní nevýhody:

  • pro ochranu LED před atmosférickými vlivy je nutné použít ochranné čelní sklo, které výrazně sníží účinnost soustavy
  • plastové čočky i přes použití UV stabilizátorů a velmi kvalitních plastů poměrně rychle stárnou a degradují, což je v přímém rozporu s očekávanou dlouhou dobou života LED.

Jako výrazně výhodnější se jeví konstrukce, kdy čočka zároveň tvoří kryt LED , čímž odpadá nutnost použít samostatné krycí sklo. Pokud je takováto čočka vyrobena ze skla, zaručuje i dlouhodobou životnost optické soustavy, převyšující životnost LED.  Praktické uspořádání je vidět na obr. 2.

Zasady-spravneho-pouziti-LED-6

Legenda

1 – chladič

2 – LED

3 –  vlastní čočka

4 – část čočky tvořící kryt LED

5 – část čočky tvořící dosedací plochu pro těsnění

6 – těsnění

Protože výkon jednotlivých LED je u typů s nejvyšší účinností omezen na 3-9W, je nutné pro větší výkony použít často i desítky LED. Zde se samozřejmě nabízí možnost modelovat vyzařovací diagram svítidla naklápěním jednotlivých optických systémů, bohužel zde narazíme na následující problémy:

  • Barevná teplota jednotlivých kusů LED i ze stejné výrobní série se liší a pokud osvítíme plochu tak, že vedle sebe poskládáme  plošky osvětlené jednotlivými LED, bude výsledek velmi rušivý.
  • U naklopených LED nastane velmi obtížně řešitelný problém s oslněním
  • Slušné rovnoměrnosti osvětlení nelze v tomto případě dosáhnout s jednoducho optikou a už v žádném případě bez ní jen s krycím sklem
  • Přesné směrování jednotlivých LED je obtížně řešitelné, protože vyžaduje extrémní přesnost osazování LED, výroby čoček i jejich montáže.

Osobně považuji na základě řady vlastních pokusů i na základě studia konkurenčních výrobků tuto cestu za nevhodnou; výrazně vhodnější se mi jeví princip, kdy každá LED má optický systém se stejnou vyzařovací charakteristikou a je orientována stejným směrem.

 

Literatura

[1]    Firemní materiál firmy Cree  „Cree Xlamp MC-E LED Data Sheet

[2]    Firemní materiál firmy Cree „Cree XLamp Long-Term Lumen Maintenance“

[3]    Firemní materiál firmy Luxeon „Understanding power LED lifetime analysis“

[4]    Užitný vzor CZ19871 U1

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