Ing. Petr Žák, Ph.D./ Praha
VÝVOJ A TRENDY TRENDY V OSVĚTLOVÁNÍ : nové polovodičové světelné zdroje světelné zdroje; řízení osvětlení; napájení osvětlení; biodynamické účinky světla; mezopické vidění; nové metricky pro hodnocení osvětlení; komplexní přístup k řešení vnitřního osvětlení budov; koncepční přístup k řešení venkovní osvětlení měst a obcí;
Akcelerace vývoje ve světelných zdrojích legislativní opatření: EU, USA, Austrálie, Čína, Taiwan omezení nehospodárných světelných zdrojů (měrný výkon, doba života, pokles sv. toku, Ra, obsah Hg) Evropa Ecodesign (EC 244/2009, EC 245/2009) Důsledky x (žárovky, rtuťové výbojky, halogenové žárovky)
Rozdělení světelných zdrojů pro všeobecné osvětlování SVĚTELNÉ ZDROJE PRO VŠEOBECNÉ OSVĚTLENÍ Teplotní zdroje Výbojové zdroje Polovodičové zdroje Žárovky Hal. žárovky Vysokotlaké Nízkotlaké Elektrodové Bezelektrodové Bezelektrodové Elektrodové Rtuťové Sodíkové Halogenidové Sodíkové Zářivky Plasmové Indukční OLED LED
Základní parametry světelných zdrojů Spektrální průběh Φ e = f (λ) Světelný tok Φ (lm) Teplota chromatičnosti T c (K) Index podání barev R a (-) Příkon Měrný výkon Doba života Cena P (W) η (lm/w) t (hod) c (Kč/lm)
Historický vývoj měrného výkonu světelných zdrojů η (lm/w) 200 LED Chladně bílá Kompaktní LED (E27) 150 Panel OLED Měrný výkon η (lm/w) 100 Vysokotlaké výbojky, nízké příkony Vysokotlaké výbojky, vysoké příkony Lineární zářivky Plasmové výbojky Indukční výbojky 50 Žárovky Halogenové žárovky Kompaktní zářivky (E27) 0 1940 1960 1980 2000 2020 Rok 2025
Porovnání základních parametrů světelných zdrojů Typová skupina světelných zdrojů Příkon (W) Měrný výkon (lm.w -1 ) Život (h) Index podání barev R a Teplota chromatičnosti (K) Žárovky klasické 25-100 9-13 1000 100 2700 Žárovky halogenové 20 300 10-20 2000-3000 100 3000 Zářivky lineární 14 80 70-100 až 20 000 80-98 2700-6500 Zářivky kompaktní 5-80 50-100 až 20 000 80 90 2700-6500 Výbojky halogenidové 20-2000 65-100 až 18 000 65-90 3000 6000 Výbojky Na vysokotlaké 50-1000 75-150 až 28 000 24 2000 Výbojky Na nízkotlaké 18-180 100-175 16 000 10-20 1700 Bezelektrodové výbojky 35-300 50-80 60000 80 2700-6500 Světelné diody (LED) 0.2 180 100-200 100 000 70-90 2700-6500
Koncepce LED světelných zdrojů
Koncepce LED světelných zdrojů LED čip LED součástka LED modul LED zdroj (patice) svítidlo DIP LED SMD LED Tradiční svítidla RGB LED LED svítidla COB LED
Vlastnosti LED světelných zdrojů Zásadní rozdíly LED světelných a tradičních světelných zdrojů 1. Spektrální vlastnosti (spektrální barvy, různé barevné tóny, míchání barev) 2. Výkon (velmi velký výkon z velmi malé plochy 780 lm / d=1mm) 3. Tvar (libovolný tvar - bodový, přímkový plošný, objemový zdroj světla) 4. Vyzařovací charakteristiky (difúzní, směrový, asymetrický, vějířový) 5. Regulace (regulace výkonu, barevného tónu, barvy světla) 6. Účinnost (vyšší než u všech tradičních světelných zdrojů) 7. Doba života (vyšší než u všech tradičních světelných zdrojů)
1. Spektrální vlastnosti LED čipů Průběhy spektrální složení optického záření různých typů LED
1. Spektrální vlastnosti LED čipů PRINCIPY VYTVOŘENÍ BÍLÉHO SVĚTLA Luminofor Míšení barevných složek pc-led (phospoor converted) hy-led (hybryd) cm-led (color-mixed)
Parametry ovlivňující výkonové parametry LED 1. Proudová hustota J (A/cm 2 ) Určuje množství vyzařovaného světelného toku z čipu. Nejúčinnější LED mají měrný výkon 200 lm/w, ale pouze při nižších proudových hustotách, tedy nižších světelných tocích a větších nákladech Kč/lm. Při větší proudové hustotě dochází k poklesu měrného výkonu. 2. Teplota PN přechodu T j ( C) Teplota na přechodu mezi polovodiči typu P a N. S rostoucí teplotou PN přechodu se snižuje vyzařovaný světelný tok. Standardně se uvádí při teplotě okolí 25 C. Výrobci často uvádějí vlastnosti LED při Tj = 85 C více odpovídající reálným provozním podmínkám
Parametry ovlivňující účinnost LED 3. Náhradní teplota chromatičnosti T cp (K) Dosažení vyšších účinností je v současné době náročnější u teple bílých LED než u chladně bílých LED, vlivem menší účinnosti červených LED a luminoforů pro tvorbu červené. Na grafu je uvedena závislost měrného výkonu pro různé R a v závislosti na T cp. Lidské oko je citlivější na červené světlo v porovnání s modrým proto se do budoucna předpokládá větší měrný výkon teple bílých LED. 4. Index podání barev R a (-) Index podání barev přímo ovlivňuje měrný výkon LED. Změna Ra z 80 na 90 znamená u teoreticky dosažitelných účinností pokles měrného výkonu o 10%. V praxi je u současných PC-LED pokles v rozsahu 15% - 25%.
Parametry LED Obr. 7 Odhady vývoje měrného výkonu sériově vyráběných diod, 350 ma (zdroj: DOE, 2016)
Parametry LED Prakticky dosažitelné hodnoty měrného výkonu LED v závislosti na teplotě chromatičnosti a indexu podání barev (zdroj: DOE 2012) T cn (K) RGB modrá LED + luminofor R a (-) R a (-) 70 85 90 70 85 90 2 700 287 273 264 211 200 196 3 800 273 261 254 199 190 189 5 000 255 245 239 189 182 179
Typy LED součástek ROZDĚLENÍ SVĚTELNÝCH LED SOUČÁSTEK PODLE VÝKONU MP LED HP LED COB LED P = 0.2 1 W Φ = 10 100 lm η = 160 220 lm/w Lineární a plošné zdroje světla P = 1 5 W Φ = 100 500 lm η = 160 lm/w Bodové a lineární zdroje světla P = 5 160 W Φ = 0,5 25 klm η = 160 lm/w Bodové zdroje světla (460 W/50klm/106lm/W)
Tvary svítidel - typy LED modulů pro LED svítidla bodové 129 lm / 2W a=18 mm 120 lm / 2W d=19 mm 6100lm/ 56W d=250 mm 5000lm/ 50W d=140 mm lineární 1600lm/m 20 W/m Micro prisma Mřížka Asymetrické plošné 1 400 lm 14W d=300 mm 71 000 lm 620 W d=300mm
LED Zdroje náhrada tradičních světelných zdrojů Klasické žárovky Halogenové žárovky Zářivky lineární T8, T5 (CCG, EVG) Zářivky kompaktní Rtuťové výbojky
LED Zdroje náhrada žárovek Zdroj: Typ: Patice: Příkon: žárovka matovaná E27 60W Typ P z (W) Φ z (lm) η z (lm/w) T CP (K) R a (-) z z (-) t (hod) Spínací cykly Stmívání žárovka 60 700 12 2700 100 0,9 1 000 x ano LED zdroj A1 9 806 90 2700 80 0,7 15 000 100 000 ne A2 9 806 90 2700 80 0,7 25 000 100 000 ano A3 8,5 806 95 2200-2700 80 0,7 25 000 50 000 ano A4 7 806 115 2700 80 0,7 15 000 30 000 ne A5 9 806 90 2700 80 0,7 15 000 50 000 ne A6 8 810 101 2700 80 0,7 8 000 70 000 ne
LED Zdroje náhrada žárovek Zdroj: Typ: Patice: žárovka matovaná E27 Světelný tok Φ (lm) klasická žárovka Příkon P z (W) halogenová žárovka kompaktní zářivka LED Úspora LED 500 40 35 11 7 83% 750 60 42 15 9 85% 1 300 100 70 23 15 85%
LED Zdroje náhrada žárovek Vítěz soutěže L Prize Porovnání kompaktních zdrojů (2012) Parametr Označení Požadavky soutěže L Prize Klasická žárovka Kompaktní zářivka Kompaktní induční výbojka Kompaktní LED, Philips Světelný tok Φ (lm) > 900 710 900 750 910 Příkon P (W) > 10 60 16 15 9.7 Měrný výkon η (lm/w) > 90 11.8 56 50 94 Teplota chromatičnosti T cp (K) 2 700-3 000 2 700 2 700 2700 2 727 Index podání barev R a (-) > 90 100 82 80 93 Doba života t (hod) > 25 000 1 000 12 000 60 000 > 25 000
LED Zdroje náhrada žárovek Zdroj: lineární zářivka Typ: T8 (d=26mm) Délka: 1 200 mm Patice: G13 Předřadník: el.mag Typ P z (W) Φ z (lm) η z (lm/w) R a (-) z z (-) t (hod) Spínací cykly Zářivka 36W 36 3 350 93 80 0,9 10 000 20 000 B1 16 2 400 150 80 0,7 50 000 200 000 B2 14 2 100 150 80 0,7 50 000 200 000 B3 17 1 700 100 80 0,7 30 000 200 000 LED zdroj B4 21 2 100 100 85 0,7 50 000 50 000 B5 16 1 600 100 83 0,7 40 000 50 000 B6 15 1 600 110 83 0,7 50 000 200 000 B7 16 1 600 100 80 0,7 20 000 30 000 B8 18 2 300 128 80 0,7 50 000 50 000
LED Zdroje náhrada žárovek SVĚTELNÉ ZDROJE PRO NÁHRADU LINEÁRNÍCH ZÁŘIVEK Příklady lineárních světelných diod pro náhradu lineárních zářivek
LED svítidla 1. Kompaktní zářivky x LED - Downlight (Dolnozářič) Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Příkon svítidl a (W) Měrný výkon svítidla (lm/w) Downlight Cloněné podhledové svítidlo pro kompaktní zářivky 2x26W (UGR<19) Cloněné podhledové svítidlo pro LED 32W (UGR<19) 64% 3600 2289,6 57 40,2 83% 3000 2488 24 103
LED svítidla 2. Difúzní svítidlo Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/w) Difúzní svítidlo 300 mm Cloněné podhledové svítidlo pro kompaktní zářivky 2x18W Cloněné podhledové svítidlo pro LED 27W 82% 2400 1980 36 55 lm/w 100% 2900 2900 27 107 lm/w
Svítidla pro světelné diody 3. Světlomet do lišty (halogenidová výbojka x LED) Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/w) Směrové svítidlo pro halogenidovou výbojku 35W, 4000K, F 74% 3400 2514 39 64 Spotlight Směrové svítidlo pro LED W, 4000K, F 77% 3100 2382 31 76
Svítidla pro světelné diody 4. Celkové osvětlení - kanceláře Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/w) Celkové osvětlení Svítidlo pro celkové osvětlení T5, 2x28W, 4000K Svítidlo pro celkové osvětlení, LED 44W, 4000K 70% 5 200 3 640 61 60 100% 3 690 3 390 28,2 131
Svítidla pro světelné diody 5. Průmyslové svítidlo Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/w) Průmyslo vé svítidlo Průmyslové svítidlo T5, 2x35W, 4000K, 1500mm Průmyslové LEDsvítidlo 58W, 4000K, 1500mm 97,8% 7 300 7 140 70 102 91,9 % 8 000 7 350 58 127
Optické systémy 1. Plošná svítidla 1. Bodová svítidla
Děkuji za pozornost