Inteligentní použití LED pro svícení

Úvod

Svítící diody – LED – zná dnes již každý. Zdají se být ideální náhradou žárovek ve spolehlivosti. Běžně se používají pro indikaci, v tisíci variantách barev, konfigurace a montáže, a velký růst zažívají i LED jako zdroje pro osvětlení.

Každý půlrok výrobci LED čipů zvyšují účinnost a zářivý výkon, výrobci řídicích obvodů přicházejí s novými typy, a přesto LED osvětlovací prvky jsou stále popelkou proti zářivkám či moderním žárovkám, a to hlavně v ceně a barevném podání. Někdy katalogové listy i těch nejznámějších výrobců „předbíhají dobu“ a jsou trochu moc optimistické v údajích o světelném výkonu. Před několika lety jsme si ve firmě Ryston pořídili spektrofotometr a goniometr OL-770 pro objektivní měření spektrálních a směrových vyzařovacích charakteristik. Nestačili jsme se divit a později jsme, podobně jako Saturnin a dědeček, téměř založili agenturu pro uvádění katalogů LED na pravou míru.

LED bílé a barevné

Hovoříme-li o LED pro osvětlování, máme zpravidla na mysli „bílé“ LED. Na rozdíl od barevných monochromatických, kde světlo je emitováno přímo čipem, bílé LED jsou zpravidla tvořeny jedním nebo více modře svítícími LED čipy, jejichž světlo částečně prochází luminoforem a částečně v něm budí luminiscenci převážně žluté barvy. Využívá se tak vlastnosti lidského oka, kdy kombinace modrého a žlutého světla z jednoho zdroje způsobí vjem bílého světla. To však je jen na první pohled. Chybějící barevné složky způsobí nesprávné zabarvení osvětlených předmětů a samo světlo z takového zdroje je i subjektivně jaksi nekvalitní, studené. Jeho spektrum se vyznačuje intenzivním maximem v oblasti modré a druhým, širším maximem ve žlutooranžové barvě. Okrajové složky (červená) a oblast minima (zelená) jsou hodně potlačeny, zpravidla o více než 20 dB.

Bílé světlo a jeho kvalita

Většina výrobců soutěží nejen v intenzitě světla, ale i ve zvyšování jeho „kvality“ jako bílého, a to rozšiřováním spektrálního pásma luminiscence, a tím vyrovnávání propadů v oblastech červené a zelené. Porovnávanými parametry jsou hlavně „barevná teplota“ (v Kelvinech) a CRI (asi v procentech).

Barevná teplota poměřuje subjektivní (lidský, tedy vážený křivkou spektrální citlivosti „průměrného občana“ v intervalu 400 až 700 nm) vjem svitu zdroje světla s vjemem svitu dokonale černého tělesa zahřátého na určitou teplotu. Paradoxně „teple bílá“ znamená zpravidla barevnou teplotu 2500–3000 K, a „studeně bílá“ se vztahuje k barevné teplotě kolem 6000 K. U LED zdrojů to znamená, že jejich spektrum obsahuje příliš mnoho modré (studená bílá), či více žlutooranžové (teplá bílá).

Obr. 1 Typické spektrum studené bílé LED, naměřeno na OL-770

CRI (color rendering index) je numerický faktor, popisující „kvalitu“ spektra vůči rovnoměrně rozloženému spektru bílé barvy, či schopnost vystihnout barevné podání. Je založen na výpočtu „barevné vzdálenosti“ (druhé mocniny rozdílu intenzit) dané barvy ve spektru od rovnoměrného – bílého spektra. Bílá (halogenová žárovka 3200 K) má CRI 100, monochromatické zdroje mají CRI typicky pod 10. Má-li zdroj CRI>50, lze ho považovat za „dobrý“. Třífosforové zářivky „warm white“ mají CRI kolem 75.

Fotometrie – Světelný tok, svítivost, osvětlení

„Světelný výkon“ zdroje světla je charakterizován světelným tokem (v lumenech), kterou zdroj světla vyzáří do okolí. Světelný tok je subjektivní veličina, tedy vážená statisticky stanovenou spektrální křivkou citlivosti lidského oka. Lumen je odvozená jednotka SI a platí, že:

1 lm = 1 cd · sr [1]

tedy, že zdroj o svítivosti 1 cd vyzáří do prostorového úhlu 1 steradián tok 1 lumen.

Základní jednotkou svítivosti je v soustavě SI kandela a je definována pomocí energie monochromatického viditelného světla (podrobnosti viz např. wikipedia. com). Vztah mezi svítivostí a světelným tokem všesměrového zdroje je:

1 cd · 4sr = 4≈12,57 lm [2]

Světelný tok je tedy zhruba řečeno „viditelný výkon“ světelného zdroje, vyzářený všemi směry, zatímco svítivost je dána směrovou vyzařovací charakteristikou zdroje (jak je jeho světelný tok směrován). Pro hrubé srovnání si pamatujme, že 1 svíčka (všesměrový zdroj) má zhruba svítivost 1 cd, a že 40W žárovka generuje tok asi 400 lumenů. Běžná současná bílá LED produkuje tok 1 až 5 lumenů.

Poslední zajímavou veličinou je osvětlení s jednotkou lux. Je to světelný tok rozložený (dopadající) na plochu. Platí: 1 lx = 1 lm/1 m2 [3]

Běžné hodnoty osvětlení v domácnosti jsou v rozmezí 50–2000 lx. Na přímém slunci naměříte až 20000 lx.

Chlazení

Polovodičové výkonové součástky, a bílé LED zvláště, jsou velmi náročné na dobrý odvod ztrátového tepla z nitra součástky (z přechodu, u LED i z luminoforu) do okolí. Nedostatečné chlazení má fatální vliv na životnost součástky, u LED degraduje přechod i luminofor. Tato zkušenost popírá představu toho, že LED, jako součástky v pevné fázi, jsou „věčné“.

Tak jako u jiných součástek, uplatňuje se celkový teplotní odpor přechod –>okolí Rthja, udávaný v K/W, tedy udává oteplení přechodu vůči okolí při jednotkovém ztrátovém výkonu. Úkolem návrháře je udržet tento odpor co nejmenší, uspořádáním tepelné cesty z čipu do okolí. Jak se ukázalo při měření, systematicky prováděným ve firmě Ryston Electronics po více než pět let, provozování LED za příliš špatných teplotních podmínek nejen že snižuje emitované světlo, ale drasticky snižuje životnost součástek, např. z katalogových 100 000 na skutečných 1 000 hodin.

Návrhem motivu plošného spoje, jenž je nejčastějším nosičem SMD LED, výběrem jeho materiálu (např. Thermal‑ Clad, kdy základním materiálem je hliník), a inteligentním řízením LED s měřením jejich teploty, je možno dosáhnout světelného zdroje s vysokou intenzitou a účinností a dlouhou životností.

Další faktory

LED jsou polovodičové součástky, a jako ostatní, i ony vyžadují jisté zacházení, které je chrání před poškozením. Je to ochrana před elektrostatickým výbojem a před vlhkostí. Elektrostatické výboje mohou, pravděpodobně i postupně, narušit polovodič v oblasti přechodu a postupně „vypálit“ oblast, produkující světlo. Výrobci moderních LED je zpravidla klasifikují jako velmi citlivé, protože přechod není chráněn žádným ochranným prvkem. Proto při manipulaci se součástkami i osazenými deskami by se mělo zachovávat antistatické prostředí.

Vlhkost součástkám sama neškodí, ale jelikož plastová pouzdra LED jsou porézní, vniklá vlhkost může při rychlém ohřátí expandovat jako pára a poškodit pouzdro (prasknutím). Toto zahřátí může být způsobeno pájením nebo i provozem. Proto se doporučuje vhodná povrchová ochrana bezbarvým antistatickým lakem.

Konfigurace LED

Zapojení světelného zdroje s více LED diodami závisí zaprvé na charakteru napájecího zdroje. Tímto charakterem je třeba rozumět to, zda se jedná o zdroj napětí, či proudu, jak je stabilní (min-max.), teplotně závislý, a zda se jedná o stejnosměrný nebo impulsní zdroj. Za zdrojem může, ale nemusí následovat regulátor, který přizpůsobí konfiguraci LED při dodržení jejich požadovaného pracovního rozsahu zdroji. Každý regulátor má však svou účinnost nižší než jedna a může být zdrojem rušení.

Svou voltampérovou charakteristikou se bílý LED čip v propustném směru blíží zdroji napětí asi 3,2 V (jako Zenerova dioda) se sériovým odporem kolem 20 ohmů (typická hodnota, zjištěná prakticky i dle katalogu). Při růstu teploty se propustné napětí snižuje asi o 0,1 V. To vedlo u paralelního řazení k obavě, aby při zvýšení teploty nedošlo k lavinovitému nárůstu proudu součástkou, která je k tomu nejnáchylnější. Praktickými zkouškami je však ověřeno, že LED stejného typu a šarže je možno řadit paralelně, neboť sériový odpor svým úbytkem kompenzuje pokles napětí, a tím zůstane rozdělení proudu zachováno. I výrobci součástek s více čipy bez obav interně spojují čipy paralelně.

Při sériovém řazení dochází jak ke zvyšování napětí v sérii LED na násobky 3,2 V, tak ke sčítání jejich sériových odporů. Výsledné napětí na sérii LED je součtem těchto složek. To klade jisté požadavky na napětí zdroje, které se běžně vyrábějí s pevným výstupem 12 V, 15 V, 24 V apod. Dostupné jsou i pevné zdroje proudu, většinou s proudem 350 mA a jeho násobky, což však ne vždy vyhovuje.

Prakticky se nejlépe osvědčilo sérioparalelní řazení. Například jako základ je možno vzít čtveřice LED součástek v sérii s omezovacím odporem v řádu desítek ohmů. Jako „součástku“ můžeme vzít i prvek, který má vevnitř několik paralelně řazených čipů, a adekvátně spočítat výsledný sériový odpor. Tuto konfiguraci je však nutno napájet zdrojem napětí 15 V, protože napětí 12 V na to nestačí.

Pro použití LED v automobilní technice, kde musíme počítat s pohybem napětí baterie v rozsahu 10 až 14,4 V, anebo s nestabilizovaným (transformátorovým) zdrojem, musíme sériové odpory dimenzovat tak, aby nebyl překročen maximální přípustný proud při 14,4 V, a současně, aby celá konfigurace dostatečně svítila ještě při minimálním napětí. Pro čtveřici je minimální napětí 12,8 V, takže se musíme smířit s tím, že bez běžícího motoru, při napětí baterie 12 V, bude svítidlo jen „mžourat“, anebo zkonfigurujeme LED po trojicích a oželíme zvětšený ztrátový výkon, protopený buď v sériových odporech, anebo v lineárním regulátoru (např. Infineon BCR205), anebo použijeme spínaný regulátor (např. NXP: PCA9635, TI:LM3492), který má zase jisté nevýhody (napájení, rozměry, cena).

Pokud máme k dispozici síťové napájecí napětí a síťový stabilizovaný spínaný zdroj, můžeme s výhodou použít nejlepší regulátor a to žádný. Tak je možno výhodně použít fixní napájecí zdroje 15 V (např. MW: APV-16-15 pro montáž šroubky do svítidla, nebo HN:HNPxx-150 do zásuvky) a LED moduly různých výkonů, sestavené na základě sériových čtveřic, jak bylo popsáno výše. Při tomto použití je typická účinnost elektrického výkonu dodaného zdrojem (sám spínaný zdroj má účinnost 82 %) do LED konfigurace lepší než 86 % (v sériových odporech se protopí pod 0,5 W z celkového příkonu 3,6 W, takže více než 3,1 W je spotřebováno v samotných LED součástkách na výrobu světla).

LED moduly jsou tvořeny elementy plošného spoje o rozměrech cca 4×4 cm s montáží až 16 kusů LED o ztrátovém výkonu120 mW/ks anebo 4 LED po 1 W/ks ale i více. Plošný spoj byl navržen jako jednostranný, což umožňuje použít jako základní materiál nejen FR-4 tloušťky 1,6 mm nebo 1 mm (pro lepší chlazení), ale též materiály ThermalClad (hliník, pro dokonalý odvod tepla na chladič) pro LED vysokých výkonů nebo Flex (ohebný plošný spoj) pro zajímavé tvary. Čtveřice pro napájení 15 V je možno také překonfigurovat na osmice (28 nebo 30 V) pro aero/mobilní použití. Elementy jsou vyráběny v přířezech po 16 a frézováním či drážkováním je možné je dělit na menší části, vhodné například do současných svítidel jako náhrada žárovky. Každý element má dvě montážní díry pro šroubky 3 mm pro montáž na chladič nebo na distanční sloupky do svítidla. Pokud je ve svítidlu více než jeden modul a pro lepší vyzařováním jsou moduly odděleny, napájejí se jediným zdrojem a mohou být zapojeny do průběžného rozvodu napájení.

Praktické ověření

Z popsaných modulů byly vytvořeny sady 2×2 elementy na materiálu FR4 s příkonem 4×3,6 W + zdroj 15 V/16 W a bylo jich vyrobeno 21 sad pro náhradu žárovkového osvětlení společných prostor v panelovém domě.

Obr. 2 Příklady konfigurace různých LED modulů, vlevo ukázka studené a teplé bílé

Pro ověření byly použity v současné době cenově optimální součástky LED, poskytující za nejnižší cenu a při rozumně malém příkonu maximum světelného toku. Jelikož jeden modul osazený 16 ks LED (Ledtech: LT5K63-3L) barvy „studená bílá“ generuje tok 130 lm, čtyři použité moduly o celkovém příkonu cca 15 W odpovídají zhruba žárovce 60 W, takže bylo dosaženo 75 % úspory příkonu. Ročně se tak na osvětlení schodiště ušetří 75 % z typických 2 500 kWh po 4 Kč/kWh, tedy 7 500 Kč ročně. Náklady na výrobu a instalaci byly kalkulovány 440 Kč/svítidlo (to je běžná současná cena jedné 2W LED „žárovky“), což při 21 svítidlech je 9 240 Kč. Investice se tedy na uspořené energii vrátí za asi 1,5 roku. Zvolené provedení navíc nevypadá jako žárovka, a proto lze doufat, že nepřiláká nenechavce. Z tohoto pohledu modernizace osvětlení vypadá jako dobrá investice. Spolehlivost, trvanlivost a uživatelská líbivost se teprve ukáží v provozu.

Závěr

Článek se zabývá inteligentním způsobem využití LED pro svícení. Jsou zde zběžně rekapitulovány fotometrické veličiny a jejich význam a jsou uvedeny některé prakticky porovnatelné hodnoty běžných zdrojů světla a LED diod.

Inteligence zde znamená sestavení LED součástek do modulů s optimální konfigurací tak, aby bylo možno použít levné napájecí zdroje z běžného sortimentu firmy Ryston Electronics. Volba byla prakticky vyzkoušena při modernizaci osvětlení schodiště v jednom panelovém domě a podložena ekonomickým výpočtem. Modernizace byla provedena bez dotací z EU.

Jako nosič LED byl vyvinutý stavebnicový systém konfigurovatelných modulů na deskách plošných spojů z různých materiálů: od běžných a levných až k moderním materiálům pro dokonalý odvod tepla ze součástek, což je jedním z předpokladů jejich dlouhé životnosti.

Další možné aplikace výkonových LED s inteligentním řízením pro nejnáročnější použití jsou uvedeny v inzerci dále v tomto čísle.