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: