LED technologie

1. Moderní trendy v osvětlení, LED technologie, výhody, systémy inteligentního osvětlení velkých celků řízených počítačem, programování systémů, praktické návrhy řešení

   V dnešní době se LED diody používají stále více. Jsou jimi nahrazovány klasické žárovky a i úsporné žárovky. Jejich výhody jsou ve velké efektivitě a účinnosti oproti klasickým a úsporným žárovkám. Proto by bylo vhodné si tento typ osvětlení trochu více popsat.

1.1 LED dioda

   Zkratka LED znamená Light-Emitting Diode – dioda emitující světlo. Je to polovodičová součástka obsahující P-N přechod. „Prochází-li přes P-N přechod elektrický proud v propustném směru, přechod vyzařuje nekoherentní světlo s úzkým spektrem.“ Přechod může emitovat i jiné druhy záření (například IR nebo UV). Tento jev je způsoben tzv. elektroluminiscencí.

Materiály P-N přechodu.

IR – GaAs (1,6V)

Oranžová – GaAsP, GaP (2,2V)

Zelená – InGaN (2,6V)

Modrá – ZnSe, SiC (3,0V – 3,5V)

Fialová – InGaN (3,5V)

UV – AIGaN (3,5V)

1.2 LED moduly

   LED moduly obsahují 1 nebo několik LED čipů, které jsou osazeny na desce plošných spojů. Tato deska je také využita ke chlazení těchto čipů. Většinou bývají na této desce umístěny 3 nebo 4 LED čipy. Výkon těchto modulů se pohybuje kolem 0,5 – 0,7W a napájecí napětí bývá většinou 12V. Cena těchto modulů se pohybuje kolem 15 – 40Kč. Na jednom modulu může být umístěna pouze 1 dioda. Tato dioda má většinou velký výkon (1 – 2W). Cena těchto modulů bývá kolem 50 – 100Kč.

 1.2.1 LED modul

 

1.3 Parametry bílých LED diod

Napájecí napětí – typicky 3,5V

Výkony – 0,5W, 1W, 2W, 5W

Odebíraný proud – 350mA, 700mA

 

 1.3.1 Teplota barev

    U bílých LED diod rozlišujeme 3 základní teploty bíle. Teplou bílou, denní světlo a studenou bílou. Teploty bílé LED:

Teplá bílá – cca 3000K

Denní světlo – cca 4000K

Studená bílá – cca 5500K

 1.3.2 Teploty barev

  


1.3.3 Spektrum LED diod

   Spektrum u LED diod je poměrně vyrovnané v celém pásmu barev. Bílé světlo se vytváří tak, že čip diody svítí modře a je jím prosvětlován luminofor. Jeho barva je podle toho, jaký chceme odstín. U kompaktních zářivek, je spektrum většinou čárové. Čárové spektrum není obecně příliš kvalitní. Z toho vyplívá, že světlo z bílých LED diod je kvalitnější. Ve spektru u bílé LED je výrazná modrá, což odpovídá tomu, že se světlo vytváří z modré barvy. Kvalita světla se určuje indexem podání barev, který se označuje jako Ra nebo tzv. CRI (tzn. color rendering index). U zdrojů světla, které využívají luminofor (zářivky, LED), je kvalita parametrů Ra nebo CRI určena luminoforem.

1.3.4 Příklad spektra bílých LED

1.3.5 Příklad spektra úsporných žárovek

1.4 Světelný tok

   Světelný tok se udává v lumenech (lm). Světelný tok je světelná energie, kterou vyzáří žárovka za vteřinu.

Příklad světelných toků žárovek:

Typ žárovky

Světelný tok

Wolframová žárovka 25W

230lm

Wolframová žárovka 40W

380lm

Wolframová žárovka 60W

710lm

Wolframová žárovka 75W

920lm

Wolframová žárovka 100W

1340lm

 

Příklad světelných toků LED:

Typ LED

Světelný tok

LED 1W

100lm

LED 2,8W

335lm

LED 6W

650lm

LED 9W

750lm

LED 13W

1300lm

Osvětlení prostor:

Druh prostoru, úkolu nebo činnosti

Osvětlení (lx)

Schodiště

30

Garáží, chodeb, skladišť a odstavných prostor

60

Kuchyně, obývací pokoje a jídeleny

250

Příprava jídel nebo kancelářské a laboratorní práce

500

Haly, šatny, koupelny

720

  1. Světelný tok u LED

 

     Při výběru LED žárovky je třeba se řídit její svítivostí. Svítivost bývá vyjádřena v lumenech (lm). Na obrázku jsou nakresleny různé technologie osvětlení. Nejstarší druh osvětlení  je žárovka, která byla vynalezena v roce 1879. V roce 1938 byla vynalezena (LLP, což je klasická zářivka). V roce 1904 byla objevena sodíková výbojka a v roce 1959 halogenová žárovka. V roce 1981 byla vyrobena první úsporná zářivka. Bílé diody power LED se začínají vyrábět od roku 2000. Svítivost těchto diod se v dnešní době pohybuje kolem 100lm/W. A tato svítivost se stále zvyšuje.



  1. Druhy LED čipů

Klasické vysocesvítivé LED

– Použití pro osvětlování prostorů

- svítí v příliš úzkém úhlu (60°)

 

Výkonné LED (Power LED)

- nevýhoda – svítí v příliš úzkém úhlu (60°)

- při nejčastější konfiguraci mají výkon 3x1W, a světelný tok cca 220lm.

- jsou postupně nahrazovány SMD technologií.

 

SMD 3528 LED

- jednodiodové čipy s rozptylem světla 120°

- dobrá účinnost

- příkon jednoho čipu 0,08W.

 

SMD5050 LED

- trojdiodový čip s povrchem o velikosti 5x5mm a příkonem 0,24W.

- Vysoká svítivost při malém rozměru LED čipu, rozptyl světla 120° a vysoká účinnost způsobuje , že tento chip zcela vytlačil starší klasické LED.

 

SMD5630 LED – čip s příkonem 0,5W. Tento nový model LED čipů má ještě vyšší svítivost než SMD5050 a menší rozměr. Rozptyl světla 120° a velmi vysoká účinnost.

 

SMD3014 LED

je menší bratr čipu SMD 5630 s příkonem 0,08W, rozptyl světla 120°. Superflux LED známé.

 

Superflux LED

 

- PIRANHA LED nebo EAGLE-EYE LED (orlí oko)

- vysoce výkonná LED s dobrým rozptylem světla

- používaná zejména ve všesměrových LED žárovkách nahrazující klasickou žárovku se závi-  tem E27, ale i v jiných aplikacích.

 

COB LED

- vznikla spojením několika SMD LED čipů, do jednoho velkého čipu.

Má vyšší svítivost ze stejné plochy, jako skupina jednotlivých SMD čipů.

- Nevýhoda COB LED – vyšší provozní teplota – nutnost lepšího chlazení.

 

Multičipy (MCOB)

- Novinka v technologii LED osvětlení.

- Multičipy konstruované tak, že na ploše jednoho čipu je více menších.

- Dosaženo vyšší svítivosti při stejném výkonu.

- Na tyto MCOB čipy má patent pouze jedna továrna na světě – čínská továrna WAN BANG.

- Tyto čipy si lze od této firmy koupit.

- svítivost kolem 100lm/w.

1.5 Zapojení LED diod

1.5.1 Napájení LED diod

   Napájecí napětí u bílých LED diod bývá kolem 3,5V. Diody jsou napájeny ze zdroje konstantního proudu. Tento proud se pohybuje kolem 350mA u diody 1W. Pro napájení LED diod se používají speciální LED drivery. Tyto drivery mají výstupní napětí většinou kolem 25 – 50V, v závislosti na počtu LED a výstupní proudy mívají kolem 350mA – 1000mA. LED diody většinou bývají zapojeny v sérii (např. 3 – 10). Vstupní napětí driverů může být např. 12V nebo 230V.

 1.5.2 LED driver

1.5.3 Chlazení LED diod

    Účinnost světelného zdroje 100% odpovídá hodnotě světelného toku 640lm/W. Účinnost osvětlovacích LED diod je okolo 80 – 100lm/w, tedy cca 15% a zbylých 85% přiváděného příkonu se přemění na teplo. Čip LED diody je nutné během provozu chladit tak, aby teplota tohoto čipu byla pokud možno pod 80°. Při vzrůstání teploty čipu klesá životnost LED diod.

    U některých LED žárovek o rozměrech 12V halogenové žárovky bývá problém s chlazením a přehříváním se výrazně zkracuje jejich životnost. Problém rovněž nastane s chlazením LED žárovky na 230V s větším výkonem při jejím umístění do skleněné kouličky. Uživatel tohle obvykle neřeší a často není ani výrobcem na možné problémy upozorněn. Při použití LED modulů a správném návrhu svítidla s ohledem na jejich chlazení máme situaci pod kontrolou.

1.6 Graf chlazení LED

1.7 Graf účinnosti LED

 

Provedení chladiče:

     Provedení chladiče závisí na typu svítidla a na požadovaném světelném výkonu. Pro příkon ledkového modulu 15W stačí chladič s tepelným odporem 3K/W, lépe je počítat s rezervou a s tepelným odporem 2K/W. Potom si v případě potřeby můžeme proud zvýšit na 1A a získat tak více světla. Výpočetně i výrobně nejjednodušší je u stropních a nástěnných svítidel použít hliníkový plech schovaný za svítidlem.

Řešením je chladič, který rozvede teplo do velké plochy. Toto teplo se pak převede přes sádrokarton do místnosti. Chladič je řešený tak, aby bylo možné použít rámeček pro halogenové žárovky. Pod kroužek pro přichycení žárovky se vloží matné sklo. Přes díru s LED modulem je též možné namontovat vhodné ploché stropní svítidlo, jeho stínítko je pak z otvoru ve stropě osvětlováno.

1.8 Konstrukce LED žárovek

1.8.1 Žárovka 15W (kukuřice)

   LED žárovky jsou konstruovány tak, aby bylo co nejvíce využito výkonu diod v žárovce. Dále jsou žárovky konstruovány tak, aby byly diody dobře chlazeny. Uvnitř každé LED žárovky je umístěn nejčastěji spínaný zdroj, který upravuje vstupní napětí 230V na výstupní zdroj konstantního proudu. Vstupní napětí těchto zdrojů může být většinou kolem 100 – 240V. Zdroj bývá většinou přilepen silikonem k tělu žárovky. Diody bývají zapojeny v sérii.  Kukuřice bývá osazena LED čipy typu 5050, které jsou třídiodové. V tomto případě je zde zapojeno 14 diod v sérii. Což dává dohromady cca 3,5 * 14 V = 49V. Kukuřice je konstruována tak, aby vyzařovala světlo do všech stran. Je proto vhodná pro použití, kde je potřeba osvětlit prostor do všech stran.

 Fotografie žárovky typu kukuřice  

 1.8.2 3W bodová žárovka

     Tento typ žárovky obsahuje 3 diody, z nichž každá má výkon přibližně 1W. Uvnitř žárovky je opět spínaný zdroj, který převádí vstupní napětí z 230V na zdroj konstantního proudu, jehož proud je kolem 300mA. Diody jsou opět zapojeny v sérii. Čili jejich napájecí napětí je přibližně 12V. Kovový prsten je využit pro chlazení čipů. Bodová žárovka má úhel vyzařování cca 30°. Toto světlo je vhodné použít na místa, kde je potřeba osvítit jen určitou část např. kuchyňskou linku.

Fotografie 3W bodové žárovky

  

3W žárovka

    Tato žárovka obsahuje 3 diody o výkonu 1W. Kovový prsten slouží jako chlazení pro diody. Uvnitř obalu žárovky se nachází opět spínaný zdroj, který má vstupní napětí 230V a výstupní proud cca 300mA. Žárovka má patici E14. Napájecí napětí těchto diod je 12V. Zdroj je opět obalený ve smršťovací pásce, která zabraňuje, aby se zdroj dotkl kovové části. Tento typ žárovky slouží jako náhrada za cca 25W. Vyzařovací úhel této žárovky je přibližně 180°, což je vhodné pro použití např. u lustru.

Fotografie 3W žárovky

1.9 Konstrukce LED reflektorů

1.9.1 10W reflektor

   Tyto reflektory jsou určeny jako náhrada za klasické reflektory s halogenovými žarovkami, které mají několikanásobně nižší spotřebu oproti klasickým reflektorům. V tomto případě má popisovaný reflektor cca 10W. Reflektor obsahuje jeden LED čip. Tento LED čip je umístěn na hliníkovém chladiči, který slouží zároveň jako nosný obrouček. Reflektor dále obsahuje spínaný zdroj, který má vstupní napětí cca 100 – 240V. Reflektor je uchycen v hliníkové liště pomocí plastového držáku a vypínače.

Fotografie 10W reflektoru

 1.9.2 20W reflektor

   Tento reflektor slouží jako náhrada za cca 200W halogenový reflektor. Obsahuje jeden výkonný čip, který je přilepený pomocí teplovodivé pasty k chladiči, který slouží zároveň jako nosná konstrukce. V reflektoru je dále umístěn spínaný zdroj. Na LED čipu je umístěn reflektor. Vyzařovací úhel tohoto reflektoru je kolem 30°. Napájecí napětí čipu je kolem 30V. Reflektor je vhodný použít pro nasvětlení interiérů s obrazy nebo podobnými věcmi.

 Fotografie 20W reflektoru



1.9.3 30W reflektor s PIR

    Tento reflektor obsahuje jeden výkonný čip, což je čip typu MCOB, který má výkon cca 30W. Napájecí napětí tohoto čipu je cca 30V. K tomu odpovídá spotřebovávaný proud, který je přibližně 1A. Reflektor dále obsahuje pohybové PIR čidlo. Reflektor je určen k připevnění na např. na zeď nebo na trám. Zdroj reflektoru je utěsněný pomocí silikonu. Je to jeden ze způsobů, jak udělat ochranu IP65. Kovová část reflektoru je využita pro chlazení LED čipu.

 Fotografie 30W reflektoru s PIR






Kvalita LED čipů

- Světelný tok u LED čipů je přímo úměrný čistotě použitých materiálů.

- Například pro LED čip SMD5050 je maximální dosažitelný světelný tok 24 lm/kus.

- V běžných LED žárovkách se používají méně kvalitní čipy, nejčastěji mají světelný tok

 18lm/čip nebo slabší.

- Tento údaj je světelný tok při maximálním proudu LED čipem

 Úhel rozptylu světla

   Chcete-li osvětlit místnost svítidlem s jednou LED žárovkou, je třeba, aby svítila všemi směry, podobně jako klasická žárovka. Vhodné jsou například svíčková, kulovité nebo kukuřičná LED žárovka. Při použití více svítidel je možné použít i směrové, nejlépe SMD nebo COB LED žárovky. V současnosti je však trend používat více slabších svítidel. Neboť při jedné silné žárovce uprostřed místnosti, pokud nejste přímo pod ní, budete si stínit světlo.






NULLSep 23, 2020 Sep 23, 2020