Všechno, co jste kdy chtěli vědět o LED osvětlení

Historie zdrojů světla sahá až do roku 1962, kdy byla představena první svítivá vyzařující červené . Zpočátku byly LED využívány pouze jako kontrolky kvůli malým výkonům a dostupnosti několika málo barev, kterých ale postupně s objevy nových materiálů přibývalo. V posledních letech jsou čím dál tím oblíbenější tzv. , které vynikají výrazně nižší spotřebou elektřiny.  
osvětlení LED žárovka Sylvania

Roku 1993 se objevily na trhu modré svítivé diody, takže bylo možné vyrobit složením několika barev bílou multičipovou . V roce 1995 byl objeven jiný princip dosažení bílého světla LED pomocí modré diody a luminoforu. Výhodou tzv. „multičipových“ LED může být možnost nastavení barvy napájením dílčích LED ze kterých se pak „složí“ barva výsledného světla.

Zkratka LED označuje Light Emitting Diode (světlo emitující diodu). Svítivá dioda je elektronický prvek, který vyzařuje světlo při průchodu proudu jeho polovodičovým přechodem v propustném směru. Dochází ke generaci párů elektron-díra a při rekombinaci je vyzářeno kvantum energie, které může být posléze pohlceno materiálem LED (dojde k zahřátí diody) nebo je vyzářeno ve formě fotonu. Záření je omezeno na úzké spektrum.

Jak lze srovnávat?

Pro skutečně komplexní srovnávání světelných zdrojů různých technologií jako jsou právě LED, klasické vláknové nebo třeba , je třeba znát mnoho parametrů:

  • elektrický příkon ve wattech [W]
  • světelný tok v lumenech [lm]
  • měrný světelný výkon v lumenech na watt [lm/W] vztahující velikost světelného toku na jeden watt
  • dobu života v hodinách [h]
  • teplotu chromatičnosti v kelvinech [K] určující barevnou jakost světelného zdroje
  • index podání barev [Ra] udávající kvalitu vjemu barev povrchů
  • stabilitu světelného toku
  • provozní vlastnosti (závislost světelného toku na napájení)
  • rozdělení toku do prostoru a řadu dalších

Zkusme se tedy nyní podívat, jak si stojí LED v porovnání s jinými zdroji světla. Zatímco klasické žárovky se vyrábějí s příkony v rozmezí 25 až 300 W, LED náhrady žárovek seženeme s příkony pouze do zhruba 10 wattů.

Žárovky mají měrný světelný výkon pohybující se od 9 do 17 lm/W, běžně dostupné LED náhrady za žárovky dosahují měrného světelného výkonu 50 až 60 lm/W.

Znamená to, že pokud bychom chtěli nahradit 60W žárovku se světelným tokem 600 lm, potřebovali bychom při měrném výkonu 60 lm/W LED náhradu žárovky o příkonu 10 W.

Dnes se již s takovými příkony můžeme v obchodech setkat. Halogenové žárovky s reflektorem vykazují měrný světelný výkon 16 až 20 lm/W. Jsou tedy učinnější než klasické žárovky a navíc vykazují větší poměr výkonu na objem.

LED náhrady s paticemi GU10 a GU5.3 lze použít namísto 20W halogenové žárovky. Takto nízké příkony se však v praxi používají zřídkakdy.

Pokud bychom chtěli nahradit lineární zářivku trubicí s LED, opět narazíme na problém malých příkonů. Lineární zářivky se vyrábějí s příkony 15 až 58 W a měrným světelným výkonem v rozmezí 60 až 100 lm/W.

LED trubice lze sehnat s příkonem do 20 wattů. Již víme, že měrný světelný výkon LED je 50 až 60 lm/W. Běžně dostupné LED trubice tedy vykazují menší nebo srovnatelný měrný světelný výkon.

Výhody a nevýhody LED

Důvodem k náhradě zářivky LED trubicí může být absence rtuti a rychlý náběh, tzn. dosažení jmenovitého světelného toku během okamžiku. Stroboskopický efekt nastává jak u zářivky s tlumivkou, tak u LED trubice bez předřadníku.

Je to dáno tím, že střídavé napětí sítě je přivedeno přímo na světelný zdroj a tak dochází k pohasínání s frekvencí 100 Hz vždy, když se napětí pohybuje kolem nuly. U LED zdroje bude nejspíše přidán usměrňovací můstek, aby LED svítily pro obě polarity síťového napětí. Pokud má zářivka nebo LED trubice elektronický předřadník, ke stroboskopickému efektu nedochází z důvodu vysokých, pro oko, nepostřehnutelných frekvencí.

Doba životnosti LED se udává až do 100 000 hodin. Klasické žárovky vydrží nepřetržitě svítit 1000 hodin, halogenové 2000 až 3000 hodin a zářivky až 20 000 hodin, záleží na tom, zda je použita tlumivka či elektronický předřadník.

Problém však spočívá v tom, že v případě LED se nemůžeme omezit pouze na životnost čipu. U modulu s předřadníkem musíme uvažovat i životnost předřadníku.

Navíc, pokud je např. LED náhrada za žárovku složena z desítek LED zapojených do série (za sebou), klesá doba života, protože s každou další diodou v sérii stoupá pravděpodobnost rozpojení tohoto řetězce poruchou nějaké LED. Tomuto lze ale předejít chytrou konstrukcí.

Na co se zaměřit?

Další okolnost ovlivňující životnost LED čipu je jeho provozní teplota. Se stoupající teplotou klesá životnost.

Teplota chromatičnosti klasické žárovky je 2900 kelvinů, halogenové žárovky z důvodu vyšší teploty vlákna 3000 kelvinů. Teplota chromatičnosti zářivky je dána luminoforem, který přeměňuje UV záření výboje zářivky na viditelné světlo.

Luminoforem můžeme dosáhnout teplot od 2900 do 6500 kelvinů. V případě multičipové LED s RGB diodami i bílé LED s luminoforem může být namíchána celá škála barev odpovídající jisté teplotě chromatičnosti.

Index podání barev udávající kvalitu vjemu barev povrchů je důležitým parametrem zdrojů světla. Tento parametr udává zda a s jakým rozlišením poznáte ve světle daného zdroje různé barvy povrchů.

Tato bezrozměrná veličina se může pohybovat od 0 do 100, kde maximum odpovídá světlu teplotního zářiče, jako např. žárovky, a 0 odpovídá např. nízkotlaké sodíkové výbojce.

Žárovka vydává spojité spektrum, tzn. že vidíme všechny barvy s rozlišením denního světla. Nízkotlaká sodíková výbojka vydává monofrekvenční záření oranžové barvy, tzn. vše má barvu různě světlých odstínů této oranžové. Lineární zářivka s několika pásmovým luminoforem vykazují index podání barev až do 98. Kvalitní bílé LED se mohou dostat také s indexem podání barev nad 90.

Prostor je důležitý

Rozdělení toku do prostoru je dalším důležitím parametrem světelných zdrojů. Pokud budeme chtít nahradit klasickou žárovku LED náhražkou, budeme nejspíš vyžadovat rovnoměrné rozložení světelného toku do prostoru od LED náhrady žárovky.

U LED náhražek za zářivky může nastat problém se směrovostí. LED trubice mají totiž tok rozložený pouze do poloprostoru.

Reflektor svítidla pro zářivku využívá světelného toku zářivky horního poloprostoru a směruje jej vhodně např. mezi jednotlivá svítidla tak, aby došlo k rovnoměrnější osvětlenosti povrchů pod svítidly.

Pokud ovšem LED trubice do horního poloprostoru nesvítí, reflektor ztrácí funkci a dojde ke zhoršení rovnoměrnosti osvětlenosti. Při náhradě halogenové žárovky s reflektorem za LED (např. patice GU10 nebo GX5.3 (MR16)) narazíme na zmíněný problém nízkého výkonu LED a malým vyzařovacím úhlem.

Vyplatí se LED místé klasické žárovky?

LED žárovky se jako náhrada v určitých aplikacích vyplatí. Problémy však mohou nastat s nekvalitními výrobky, kdy LED s deklarovaným 100 000 hodin životnosti přestanou po několika měsících svítit.

Pokud bychom tedy uvažovali pouze kvalitní výrobky, vyhovoval nám index podání barev a teplota chromatičnosti, nevadil nižší světelný tok a jeho rozložení, můžeme říct, že LED náhrada bude výhodná.

Ne všude je ale dobré šetřit. Dobrým příkladem může být zrcadlo v koupelně, kde jsou potřeba vysoké hladiny osvětlenosti a indexu podání barev nejen z důvodu bezpečnosti např. při holení, ale třeba i při líčení, kdy je třeba vědět přesně jak člověk ve skutečnosti vypadá.

Pokud bychom chtěli cenově srovnávat jednotlivé zdroje během jejich života, je třeba srovnat pořizovací náklady původních a náhradních LED zdrojů a sledovat, kdy a zda za celou dobu života začne být LED náhrada výhodná.

Trocha počítání

Pokud budeme uvažovat pro žárovku hodnoty měrného světelného výkonu 10 lm/W a 1000 hodin životnosti za cenu 20 Kč, pro zdroj značky Philips Master LED máme dán příkon 7 wattů, světelný tok 155 lumenů a životnost 45000 hodin za cenu 1200 Kč, lze spočítat, že pro tok žárovky 155 lumenů bude třeba příkon 15,5 wattů.

Tato LED náhrada žárovky má měrný světelný výkon 22,14 lm/W, což se na první pohled může zdát velmi málo. Musíme však uvažovat optický systém této LED náhrady, který rozptyluje světelný tok do všech směrů za cenu snížení účinnosti, a dále elektronický předřadník, který také na účinnosti ubere. Celkově tedy bude tato LED odebírat dvakrát menší výkon.

Uvážíme-li 4,5 Kč za kWh, použití této LED se začne vyplácet až po 20 257,51 hodinách svícení, což je před katalogovým údajem životnosti 45 000 hodin a po 19 výměnách klasické žárovky. U předních značkových výrobců můžeme většinou spoléhat na katalogové údaje.

Pokud bychom zkusili do našeho výpočtu nahradit Master LED od firmy za neznačkovou LED s laboratorně ověřenými hodnotami příkonu 6,4 wattů a měrnou světelnou účinností 40 lm/W a cenu odhadneme na 500 Kč, dospějeme k výsledným 4549,76 hodinám, po kterých bude použití této LED náhrady výhodné.

LED žárovky nebo trubice a zářivky?

Obdobně lze počítat i s LED trubicemi a zářivkami. Protože jsou však zářivky mnohem účinnější, mají delší životnost a nestojí o tolik víc než žárovky, vycházejí LED trubice výhodnější až za delší dobu.

Podívejme se tedy na příklad zářivky 18 wattů s tokem 1300 lumenů o délce 590 mm a LED trubice s tokem 1081 lumenů a příkonu 12,7 wattů. Abychom srovávali zdroje se shodným tokem, ubereme zářivce výkon tak, aby vydávala stejný světelný tok jako LED trubice. Znamená to že zářivka bude mít příkon 14,97 wattů a tok shodný s LED trubicí 1081 lumenů.

Při uvažování ceny za kWh 4,5 Kč, pořizovací cena LED trubice 1000 Kč a zářivky 100 Kč a životnosti zářivky 20000 hodin, vyjde 59 152,15 hodin svícení, po kterých začne být LED trubice výhodná. Protože je pravděpodobné, že tato LED trubice nebude mít takovou životnost, náhrada se nevyplatí.

Vidíme tedy, že v některých případech může být nahrazování běžných zdrojů za šetrné LED žárovky nebo zářivky výhodné, jindy ovšem nikoliv. Celkově však lze v průběhu následujících let očekávat další zvyšování měrného světelného výkonu a snížení ceny LED, čímž jejich užití v domácích aplikacích dále stoupne.


Autor: Rudolf Bayer, nar. 1983 v Karlsruhe, Německo. V současné době student Fakulty elektrotechnické na ČVUT Praha, katedra Elektroenergetiky. V minulosti pracoval pro společnosti Metrolux a GME.

Sdílet:

12 komentářů: „Všechno, co jste kdy chtěli vědět o LED osvětlení

  • 23. 12. 2014 (14.23)
    Permalink

    A další autorův nesmysl, cituji:
    „ke stroboskopickému efektu nedochází z důvodu vysokých, pro oko, nepostřehnutelných frekvencí“.

    Reagovat
  • 4. 11. 2011 (10.10)
    Permalink

    Dobrý den, jmenuji se Tomáš Sýkora a jsem zástupcem společnosti Top Konstrukt, která patří mezi přední dovozce a prodejce LED technologie v Čr. Chci se s Vámi podělit o informace, které je určitě dobré vědět při výběru vhodných svítidel, poradit Vám s výběrem správných ekvivalentů a dát Vám pár typů, jak se vyvarovat koupi nekvalitního zboží či jak rozpoznat spolehlivé prodejce a obchodníky.
    V prvopočátku je potřeba se na problematiku nynějších možností osvětlení, dívat jinak než doposud. Nyní jsme byli zvyklí jednou za čas dojít do obchodu a tam si koupit žárovku za „pár kaček“ nebo úspornou žárovku, která je plná jedovatých plynů a těžkých kovů, která po celou dobu deklarované životnosti nemá stejný odstín světla a aby nám vydržela svítit dostatečně dlouho, musí se dbát na způsob jejího užívání. Svět LED technologie otevírá v oblasti svícení nové možnosti, které může každý z nás využít naplno. Pokud si pořídíte produkty, kde máte zaručenou kvalitu zpracování, kvalitní komponenty a hlavně splňují veškeré parametry, které jsou uvedeny, stává se okamžik nakoupení dlouhodobou investicí, která se Vám bude postupně vracet.
    Při výběru vhodné náhrady Vašich stávajících svítidel je zapotřebí zjistit dostatek informací o tom, jaké mají současné světelné zdroje hodnoty. Pro to, aby běžný spotřebitel docílil stejného stupně osvětlení, postačí hodnota světelného toku, která je udávaná v lumenech (lm). Pro spotřebitele, kteří se v této oblasti pohybují, určitě není na škodu znát i hodnotu dopadu světla, která je uváděna v luxech (lx). Bezespornou výhodou, kterou LED svítidla disponují je následný výběr barvy světla, který je samozřejmě na vkusu každého z nás.
    Pokud se zaměříme na nejběžnější světelný zdroj v domácnostech, čili na žárovku, která patří v oblasti LED technologie k nejpropagovanějším na internetu, na různých stránkách narazíte na často se lišící informace, které Vás jednak mohou zmást, nemusí hovořit pravdivě a jediným výsledkem pro Vás je zklamání a nedůvěra v nové technologie.
    Účinnost jednotlivých LED žárovek je leckdy patrná již na první pohled. Mezi první žárovky, které se na našem trhu objevily, patří tzv. Low power LED. Jedná se o soustavu běžných diod, které známe kupříkladu z dálkových ovladačů, které mají poměrně malý světelný výkon a k tomu, aby byly schopné být adekvátním ekvivalentem, jich je zapotřebí opravdu mnoho – až několik desítek kusů. U každé takovéto žárovky je vždy nízká cena, minimální spotřeba, ale efekt většinou žádný. Proto pokud je uváděno, že např. žárovka s těmito diodami má spotřebu 4W a dokáže nahradit klasickou žárovku 60W, rozhodně se nejedná o pravdivé tvrzení. V těchto případech si povšimněte, že u tohoto zboží není uváděn dostatek technických specifikací. Zásadním problémem této zastaralé LED technologie je, že pokud se jedna dioda spálí a přestane svítit, tak během pár dnů nebo týdnů odejde celá žárovka. Ano deklarovaná životnost je např. 50.000 hodin, ovšem to je životnost samotných diod. Délku životnosti elektroniky, která je uvnitř většinou nikdo neuvádí.
    Dalším druhem žárovek, na které narazíte, jsou žárovky osazené SMD čipy. Jsou rozhodně spolehlivější než Low power diody a v oblasti LED technologie jsou hojně používány i pro jiné typy svítidel (led trubice, led panely, led pásky). Světelný efekt je dostačující, ale kvůli malé světelné účinnosti jednotlivých čipů, která není moc vysoká, jsou žárovky osazeny opět několika desítkami a můžeme je znát pod označením „corn“. Tyto žárovky už vydávají pěkné plnohodnotné světlo, disponují dlouhou životností, ovšem nevýhodou je jejich nepraktičnost a to jak z hlediska rozměrů a jejich následné aplikace tak z hlediska designu.
    Jako plnohodnotnou náhradu za klasické žárovky můžeme v dnešní době považovat zdroje s High Power čipy. Jedná se o čipy, kterých je zapotřebí minimum, nebo v některých případech pouze jeden a dosahují potřebné svítivosti. Nejčastěji se zde setkáme s čipy o hodnotě 1W, které dosahují světelného toku okolo 100lm/W. V tomto případě doporučuji zjistit, od jakého výrobce danné čipy pochází. Mezi nejkvalitnější výrobce high power čipů patří Cree, Bridgelux, Sharp a Osram. Zde se dostáváme opravdu na vysoké hodnoty, žárovky mají tvar nejvíce podobný klasickým vláknovým žárovkám, a to i rozměrově, pěkný design a některé dosahují vyzařování světla v 360°
    Kromě kvalitních čipů, které žárovka bezesporu musí mít, aby dlouho a spolehlivě svítila, je dobré brát ohled na to, jakým způsobem je řešeno chlazení. Vzhledem k tomu, že elektronika uvnitř žárovky se zahřívá na vysoké teploty, což má vliv na celkovou životnost. Nejčastěji je chlazení vyrobeno z hliníku nebo keramiky. Pokud tedy LED žárovky žádné chlazení nemají, tak bych nedoporučoval o koupi takového produktu uvažovat.

    Rozhodně „tahouny“ na poli LED osvětlení jsou společnosti, jako jsou např. Osram a Philips. Velké firmy, které za svoji dlouhou dobu působnosti přišli leckdy s revolučními řešeními a nápady. Produkty mají precizně zpracované a v případě koupě máte jistotu, že jste si pořídily spolehlivý výrobek. Nevýhodou ovšem je poměrně vysoká cena, která může od koupě odradit.
    Převážná část produktů z oblasti LED technologie je k nám dovážena z Číny, v různých kvalitách provedení. Proto pokud jste si vyhlídli v některém z e-shopů zboží, které je pro Vás zajímavé především cenou, určitě doporučuji si takový výrobek předem prohlédnout, protože ve většině případů Vám to hodně napoví.
    Na závěr bych Vám rád popřál šťastnou ruku při výběru LED osvětlení, na základě mého povídání, a k tomu přidal cíl, přání a myšlenku naší společnosti, že rozumným a ekologickým využitím světla můžeme přispět ke zdraví našemu a naší planety.
    V případě jakýchkoliv dotazů mě prosím kontaktujte, rád s Vámi proberu veškeré možnosti osvětlení a doporučím Vám nejvhodnější řešení.

    Reagovat
  • 14. 4. 2011 (20.27)
    Permalink

    …ale přesto doufám, že těm, co můj příspěvek dočtou, objasní přístup autora, který je jiný, než těch, co nasvětlují koupelny.

    Reagovat
  • 14. 4. 2011 (20.18)
    Permalink

    Bezvadný článek. Jen z diskuze dostávám dojem, že se tu setkává praxe těch, co osazují koupelny svítidly (zkušenosti Karla2 z „každého učňáku“) s praxí a teorií odborníka, který tráví čas přesnými výpočty a měřením v laboratoři.
    Luxy a lumeny, zrovna jsem to někomu vysvětloval. Proč se ale rozepisovat – je to na wikipedii. Jak moc něco svítí? Odpověď je v lumenech. Jak moc bude osvětlená podlaha? Odpověď je v luxech. Záleží tu na tom, jak daleko je svítidlo a jaký má tvar. Luxy naměřím po celé místnosti různé a právě normy vypovídají o tom, jak má být která plocha nasvětlená.
    Pro ty, kterým to ještě není jasné: Když se budu ohánět výkonem sv. zdroje v lumenech, zeptá se hygienik (ten, který tématice rozumí): „A jak vysoko máte ten zdroj, jaká je směrová charakteristika svítidla?“
    Když se bude nadšenec do LED ohánět luxy, zeptá se „Rudolf“: „A to myslíte při nasvětlení koule o poloměru jeden metr zevnitř svítidlem, které svítí všemi směry stejně?“
    Některé parafráze mohou být nepřesné, já totiž tuto problematiku nestuduji.

    Reagovat
  • 14. 4. 2011 (11.17)
    Permalink

    Zdravím higienické měření nepoužívá jednotku lumen ke svému měrění vždy používá počet dopadajícího světla v uživatelském rozhraní tedy lux kde jsou jasně dané hygienické normy o lumenech se nikde nepíše je to zneužívaná jednotka hlavně výrobci..Lumen jako jednotka světelného výkonu není zařazen v jakékoli České světelné normě tak proč se neustále okolo ní točíme lidé tuto jednotku jednoduše nahradí výkonem ve watech.

    Reagovat
  • 14. 4. 2011 (7.05)
    Permalink

    to Karel2:
    Máte pravdu, je to nepřesně formulované. Měl jsem na mysli, že část světelného toku se přesměruje reflektorem. Nemusí to být pouze část toku vycházející z trubice zářivky do horního poloprostoru. Každopádně se tento odražený světelný tok vhodně nasměruje tvarem reflektoru. Lze tak zvýšit rovnoměrnost osvětlenosti např. podlahy.

    to jirka martinek:
    Díval jsem se na stránku spol. Mobigem. 4W LED do patice GU10 má podle stránek firmy 250 lumenů. Pokud beru v úvahu halogenovou žárovku s malou účinností 16 lm/W a příkonem 50 wattů, dostávám i tak 800 lumenů. Neznamená to však, že by luxmetr nemohl v případě LED ukázat větší hodnotu, protože světelný tok je souhrn toku do všech směrů. Pokud budu mít LED s malým vyzařovacím úhlem, mohu tedy naměřit vyšší osvětlenosti v určitých místech prostoru. Pro některé aplikace by se tato směrovost mohla hodit. Podle mého názoru nikoliv pro koupelnu.

    Reagovat
  • 13. 4. 2011 (20.26)
    Permalink

    Zdravím Vážený „študente“ v prvním specializovaným elektru zakup luxmetr také zakup např halogenovou gu 10 50w která je běžným zbožím osaď třeba do koupelky jak popisuješ a do druhé patice osaď např.4w gu led.spol.mobigem a garantuji,že velmi dobře uvidíš ten extrém jak ve vnímání okem tak řečí čísel o kolik pouze 4w led přesvítí 50w halogen.A ještě žádám o vysvětlení jaký vliv má doba svítivosti u klasické zářivky při použití tlumivky či předřadníku rád se poučím…

    Reagovat
  • 13. 4. 2011 (20.09)
    Permalink

    Karle, to však neplatí u LED světel, které nesvítí všesměrově a tenhle článek je o LED světlech.

    Reagovat
  • 13. 4. 2011 (13.13)
    Permalink

    Autor clanku by se mel vzdelat sam, nez toto napise. Naslo by se nekolik pasazi co odporuji realite.
    Nejvetsi blbost je ale tato:

    „Reflektor svítidla pro zářivku využívá světelného toku zářivky horního poloprostoru a směruje jej vhodně např. mezi jednotlivá svítidla tak, aby došlo k rovnoměrnější osvětlenosti povrchů pod svítidly.“

    AUTORE, TA ODRAZNA PLOCHA ZA ZARIVKOU JE Z DUVODU, ZE TRUBICE VYZARUJE DO VSECH STRANA A TAK JE NUTNOST ODRAZI SVETLO SMERUJICI DO SVITIDLA ZPET DO PROSTORU, NEMA TO NIC SPOLECNEHO S ROZNOMERNOSTI BO JINAK BY TA ODRAZNA PLOCHA BYLA KULOVA.

    P.S. Toto se uci uz na ucnaku, tak zde nepis blbosti.

    Reagovat

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna.