HISTORIE, SOUČASNOST A TECHNICKÉ POJMY LED ZDROJŮ SVĚTLA OBSAH: 1. Historie LED 2. Legislativa ČR a EU 3. Typy provedení LED zdrojů světla 4. Porovnání světelných zdrojů 5. Možnosti použití LED zdrojů světla 6. Technické pojmy LED světelných zdrojů A) Chip LED B) Patice C) Příkon D) Světelný tok E) Barva světla F) Měrný výkon G) Úhel svitu H) Index podání barev I) Účinnost J) Napětí K) Intenzita osvětlení L) Životnost M) Třída krytí 16.8.2012 1:15 Stránka 1 z 12
1. HISTORIE LED Název LED pochází z anglického Light-Emitting Diode, v překladu dioda emitující světlo. Podstatu jevu elektroluministence, který s pozdější LED diodou souvisí, objevil roku 1907 Henry Joseph Round. Trval dalších celých 55 let, než byla roku 1962 vytvořena první polovodičová součástka s názvem LED dioda, která si následně na dlouhou dobu musela vystačit pouze s emitací červené barvy. Roku 1971 došlo k zásadnímu zlomu ve vývoji LED diody, kdy bylo docíleno nových emitací barev typu žlutá, oranžová a zelená, čímž došlo k masivnějšímu použití těchto polovodičových součástek především v kontrolních panelech různých elektro zařízení. Až následným vynálezem technologicky náročné diody, která vyzařovala modré světlo, se otevřela cesta k vývoji diod, které vyzařovaly světlo bílé. Dalším významným krokem ve vývoji diod byla technologie, která dokázala vyrobit vysokovýkonné LED diody. Od tohoto okamžiku získaly LED diody nový rozměr a začaly se využívat k výrobě osvětlení pro obecné použití. Vývoj ve výrobě LED diod jde velice rychle dopředu a dnes již jsou běžně vyráběny diody, které vyzařují více jak 100 lm/w ( lm Lumen). Tento výkon překonává výkon klasických žárovek a zářivkových trubic a dokonce i některých výbojek. Řez s popisem dnešních LED zdrojů světla: Výhody LED zdrojů světla: A) Nízká spotřeba Zdroj světla s LED technologií, díky své vysoké efektivitě, uspoří až 90% nákladů B) Dlouhá životnost Dle provedení vlastního zdroje světla s LED technologií je provozní doba 40 000 100 000 hodin C) Bez dalších nákladů Dle typu osvětlovacího tělesa odpadají další náklady na výměnu elektrických komponentů typu tlumivka, či startér, včetně nákladu na údržbu D) Nízká provozní teplota LED zdroje světla produkují, díky své vysoké efektivnosti, velmi nízké provozní teploty E) Okamžitý start LED zdroje světla nabíhají okamžitě po zapnutí na plný výkon F) Vysoká odolnost Při vhodně zvolené technologii jsou LED zdroje světla vhodná jak do interiérů, tak i do exteriérů G) Kompaktnost Malé rozměry předurčují LED zdroje světla jako ideální pro světelné aplikace, či světelný design H) Světelná pohoda a ergonomie LED zdroje světla vyzařují stálé, nekmitavé světlo a neprodukují UV ani IR záření I) Spolehlivost a Regulace Potřeba častého spínání nezkracuje životnost LED zdroje světla. Některé typy jsou vhodné i pro stmívání J) Ekologie LED zdroje světla neobsahují škodlivé látky a jsou plně recyklovatelné 16.8.2012 1:15 Stránka 2 z 12
2. LEGISLATIVA ČR a EU Všeobecný světový trend ve snižování energetické náročnosti a tím i snižování ekologické zátěže ve všech oblastech činnosti člověka se samozřejmě promítá i do oblasti osvětlení. Z důvodů úspory elektrické energie a především úspory energetických zdrojů naší planety, došlo ze strany Evropské unie k restriktivnímu opatření směřujícímu ke snižování energetické náročnosti v oblasti osvětlení. Nařízení Evropské komise č. 244/2009 stanovuje postupné ukončení používání a distribuce zdrojů pro jednotlivé typy osvětlení s vysokou energetickou náročností. Přehled postupného ukončování distribuce energeticky náročných zdrojů světla: 1. září 2009: ukončení prodeje klasických čirých žárovek se světelným tokem vyšším než 950 lm (cca 80W a více) ukončení prodeje všech nečirých (matné, mléčné) baňek majících energetickou třídu nížší než A 1. září 2010: ukončení prodeje klasických čirých žárovek se světelným tokem vyšším než 725 lm (cca 65W a více) 1. září 2011: ukončení prodeje klasických čirých žárovek se světelným tokem vyšším než 450 lm (cca 45W a více) 1. září 2012: ukončení prodeje klasických čirých žárovek se světelným tokem vyšším než 60 lm (cca 7W a více) 1. září 2013: ukončení prodeje zdrojů s paticemi S14, S15 nebo S19 a zdrojů s napětím do 60V a bez integrovaného transformátoru Po tomto datu zůstanou v prodeji pouze LED zdroje světla a halogenové žárovky energetické třídy B *. Dále je plánováno i zrušení všechny zdrojů energetické třídy C a to do roku 2016. * je povolena výjimka na přesně specifikované zdroje světla, především speciálního charakteru Třída Třída Třída Třída Třída A: LED zdroje světla a efektivní Kompaktní zářivky B: neefektivní Kompaktní zářivky a efektivní Halogenové zářivky C: průměrné Halogenové žárovky D: neefektivní Halogenové žárovky E-G: klasické Wolframové žárovky 16.8.2012 1:15 Stránka 3 z 12
3. TYPY PROVEDENÍ LED ZDROJŮ SVĚTLA Vzhledem k vlastním rozměrům polovodičových součástek emitující světlo typu LED dioda jsou v aktuální nabídce výrobců, kteří vyrábí kompaktní zdroje světla využívající LED technologii, různé varianty těchto kompaktních svítidel. S ohledem na konstrukční vlastnosti osvětlovacích těles, které musí splňovat dané normy ČSN EU, jsou nejčastěji používány tvary kopírující klasickou žárovku, bodovou žárovku, zářivkovou trubici, reflektor, halové světlo a další Náhledy typů LED zdrojů světla: LED Klasická žárovka LED Bodová žárovka LED Zářivková trubice LED Halové světlo LED Reflektor LED Podhledová světla LED Street komplet LED Svíčka LED Kukuřice 16.8.2012 1:15 Stránka 4 z 12
4. POROVNÁNÍ SVĚTELNÝCH ZDROJŮ Jednou z největších předností LED technologie je nízká energetická náročnost a vysoká účinnost, která se uživatelsky přepočítává na finanční úsporu podle konkrétního tarifu odebírané elektrické energie, dle zvoleného dodavatele v daném místě. LED diodové osvětlení spotřebuje v porovnání s běžnou, wolframovou žárovkou až o 90% méně elektrické energie! Pro potřeby orientačního porovnání lze použít tabulku + graf: 16.8.2012 1:15 Stránka 5 z 12
5. MOŽNOSTI VYUŽITÍ LED ZDROJŮ SVĚTLA Parametry a možnosti LED osvětlení představují Světlo budoucnosti, které je aktuálně nejvhodnější náhradou stávajícího, neefektivního osvětlení. LED zdroje tohoto inovativního, efektivního, úsporného a ekologického typu osvětlení je vhodné do všech domácností, obchodů, kanceláří, restaurací, ordinací a mnohých dalších interiérů. Díky vývoji LED technologie dokáže adekvátně osvítit velké prostory typu hal, skladů, krytých sportovních a kulturních sálů podobných zařízení. LED osvětlení ovšem proniká i do oblasti exteriérů jako jsou pozemní komunikace, veřejná prostranství a další plochy kolem nás, kde není jen potřeba vidět, ale i být viděn! Náhled použití LED zdrojů světla v interiérech: Náhled použití LED zdrojů světla v exteriérech a halách: 16.8.2012 1:15 Stránka 6 z 12
6. TECHNICKÉ POJMY LED ZDROJŮ SVĚTLA A) CHIP LED Chip LED je v podstatě řídící a výrobní jednotkou LED zdroje světla samotného. Nejvýznamnějšími výrobci LED chipů v tuto dobu jsou společnosti CREE, BRIDGELUX a EPISTAR. Chip LED, jako nejvýznamnější část LED diody jako celku se dále dělí dle provedení této polovodičové součástky. Varianty vychází z technologického pokroku, který se rychle mění. Tím prochází tato polovodičová součástka rychlým vývojem, kde hranice zatím nejsou omezeny. LED = elektronická polovodičová součástka obsahující přechod P-N. Na rozdíl od klasických diod, LED vyzařuje viditelné světlo v úzkém spektru barev a používá se v široké řadě aplikací SMD LED = Konstrukčně představují LED součástku, v níž je kontaktovaný čip (nebo kombinace čipů) zastříknut materiálem s požadovanými optickými vlastnostmi (LED se vyrábějí v bodovém či rozptylném provedení, s různým vyzařovacím úhlem). Nejpoužívanější typy SMD 3528, 3535, 5050 (kód uvádí rozměr čipu, např. SMD 3528 = 35x28 mm) COB LED = Konstrukčně podobné vlastnosti jako SMD LED. Vynikají mnohem vyšší svítivostí za úměrně vyššímu příkonu. Nutno dostatečně chladit. Použití pro velké prostory typu hal, parkovišť apod. Dnes jsou LED diody bez chipu a LED chip diody dělí dle provedení: Klasická LED dioda (není vedena jako s LED chip) DIP [Dual In-line Package] (nízko-výkonný LED chip) SMD [Surface Mounted Diode] COB [Chip On Board] * (nízko-výkonný LED chip) (vysoko-výkonný LED chip) * další vysoko-výkonné typy LED chipů s označením MCOB, MCCOB již v nabídce výrobců 16.8.2012 1:15 Stránka 7 z 12
B) PATICE Konstrukční část osvětlovacího tělesa, do kterého instalujeme vlastní zdroj světla (žárovku, trubici). Většinou je řešena formou závitu, či typizovaného nástrčného konektoru. Veškeré typy patic musí odpovídat ČSN, dle platné legislativy ČR. Nejběžnější typy Patic používaných v LED zdrojích světla: C) PŘÍKON [ P ] Příkon-spotřeba je fyzikální veličina, která vyjadřuje množství energie spotřebované za jednotku času. Značí se stejně jako výkon písmenem P, jeho základní jednotkou je v soustavě SI watt (značka: W). Spotřebiče jsou podle těchto parametrů rozděleny do Energetických tříd: Energetická třída Druh světelného zdroje A LED žárovky, efektivní Kompaktní zářivky B neefektivní Kompatní zářivky, efektivní Halogenové zářivky C průměrné Halogenové žárovky D neefektivní Halogenové žárovky E-G Klasické žárovky Pozn. LED žárov ky prozatím Energetickou třídu uv ádět nemusejí 16.8.2012 1:15 Stránka 8 z 12
D) SVĚTELNÝ TOK [ Φ ] Jednotka: lumen [lm]. Světelný tok označuje světelnou energii, kterou zdroj vyzáří za časovou jednotku, tzn. 1 s. Je to však energie posuzovaná z hlediska citlivosti oka na různé vlnové délky světla. Světelný tok udává celkové množství záření, vydávaného světelným zdrojem, které je posuzováno spektrální. Orientační porovnání světelných toků zdrojů světla vzhledem k příkonu: Jmenovitý světelný tok světelného zdroje ϕ [ lm ] Kompakní zářivky Halogenové žárovky LED světelné zdroje Uváděný ekvivalentní příkon Wolframové žárovky [ W ] 125 119 136 15 229 217 249 25 432 410 470 40 741 702 806 60 970 920 1055 75 1398 1326 1521 100 2253 2137 2452 150 3172 3009 3452 200 E) BARVA SVĚTLA / Teplota chromatičnosti [ K ] Teplota chromatičnosti - Jednotka: Kelvin [K]. Teplota chromatičnosti světelného zdroje se definuje porovnáním s tzv. černým tělesem a znázorňuje se v Planckově křivce. Jestliže se zvýší teplota černého tělesa, zvětší se ve spektru podíl modré složky a podíl červené složky se zmenší. Žárovka s teplým bílým světlem má např. teplotu chromatičnosti 2 700 K, zářivka se světlem podobným dennímu cca 6 000 K. Barva světla je teplotou chromatičnosti velice dobře popsána. Přitom lze rozlišit tři hlavní skupiny: - teplá bílá (Warm White) < 3 300 K - studená bílá (Cool White) 3 300 5 000 K - denní bílá (Daylight) > 5 000 K Navzdory stejné barvě světla mohou mít světelné zdroje v důsledku spektrálního složení svého světla velmi rozdílné vlastnosti podání barev. 16.8.2012 1:15 Stránka 9 z 12
F) MĚRNÝ VÝKON [ η ] Měrný výkon světelného zdroje - Jednotka: lumen na Watt [lm/w]. Měrný světelný výkon η udává, s jakou hospodárností je dodávaný elektrický příkon přeměňován na světlo. G) ÚHEL SVITU Určuje úhel dopadu kužele světla z LED zdroje světla na osvětlenou plochu. Jednotka [deg / ] H) INDEX PODÁNÍ BAREV [ CRI - color rendering index ] Index podání barev, jednotka ( Ra ) - vyjadřuje vliv spektrálního složení světla na barevný vjem. Užívá se stupnice o 100 bodech, přičemž index Ra = 100 dosahuje osvětlení denním světlem, tj. rozptýleným slunečním světlem. Ilustrační diagram Indexu podání barev: 16.8.2012 1:15 Stránka 10 z 12
I) ÚČINNOST Poměr mezi elektrickou energii přijatou a světelným tokem vytvořeným LED zdrojem světla. Udáva se v %. J) NAPĚTÍ [ U ] Jednotka: Volt [V]. Elektrické napětí je určeno jako práce vykonaná elektrickými silami při přemísťování kladného jednotkového elektrického náboje mezi dvěma body v prostoru. Jako každý elektrospotřebič musí být i LED osvětlení připojeno ke zdroji elektrické energie buď přímo do sítě (230 V), nebo přes transformátor (220V/12V) a to na základě potřeb uživatele s ohledem na platné normy ČSN. K) INTENZITA OSVĚTLENÍ / Osvětlenost [ E ] Osvětlenost, intenzita osvětlení je podíl té části světelného toku, která dopadá na plošku povrchu tělesa, a této plošky. Jednotkou je lux (lx). Osvětlení jednoho luxu je vyvoláno světelným tokem jednoho lumenu rovnoměrně rozprostřeného na ploše 1 m2. Osvětlení za úplňku je 0,24 luxů, zatažená zimní obloha dává osvětlení 3 000 luxů, za slunečného letního dne je osvětlení až 100 000 luxů, ale 100 W žárovka ve vzdálenosti 2 m má intenzitu osvětlení jen 35 luxů. Ilustrační grafický příklad: 16.8.2012 1:15 Stránka 11 z 12
K) ŽIVOTNOST Jedná se o časové udání životnosti LED zdroje světla v aktivním, tedy zapnutém, stavu. Jednotka v hodinách [h]. Při současné LED technologii je životnost zdroje LED osvětlení cca 50 000 provozních hodin. M) OCHRANNÉ KRYTÍ [ IP ] IP Krytí jde o důležitý údaj u výrobků, znázorňuje vhodné použití umístění výrobku. Krytí je konstrukční opatření, které je součástí el. předmětu. Poskytuje ochranu před dotykem s živými a pohybujícími se částmi a dosahuje se jím ochrana před poškozením vniknutím cizích předmětů, prachu, vody, plynů apod. Předpisem, který v současnosti specifikuje stupně krytí el. zařízení je ČSN EN 60 529. Grafický přehled: 16.8.2012 1:15 Stránka 12 z 12