Světelné zdroje - srovnání

S rozmachem vývoje polovodičových LED se začíná rozmáhat i prosazování těchto součástek v mnoha nejrůznějších aplikacích. Jsou však skutečně tak “super”, jak se povídá? Jak jsou na tom reálně s účinností oproti dalším světelným zdrojům? Na tyto a mnohé další otázky se pokusím odpovědět v tomto srovnávacím článku. Neočekávejte, že ze srovnání vypadne nějaký jasný vítěz. Vždy jde spíše o to, zvolit světelný zdroj optimální pro danou aplikaci. Začnu tím nejstarším a nejznámějším zdrojem světla, který lidstvo využívá už nějaký ten pátek:)

Lidské oko a denní světlo

Dokud lidé neznali oheň (resp. způsob jak ho zažehnout), bylo denní světlo jediné, které bylo možné využívat. Protože doba, od které jsme začali užívat různé formy umělého osvětlení, je relativně krátká v porovnání s dobou, kdy jsme byli odkázáni na sluneční svit, je jasné, že lidskému organismu a očím bude právě tento svit svojí povahou nejvíce vyhovovat. Proto při porovnání jednotlivých umělých světelných zdrojů porovnáváme i to, nakolik je jich vyzařovací charakteristika podobná chrakateristice denního světla, přičemž je zřejmé, že čím podobnější si obě charakteristiky navzájem budou, tím kvalitnější je onen světelný zdroj (i když neplatí to vždy). Z tohoto důvodu zde uvedu některé základní charakteristiky, se kterými budem v průběhu celého článku pracovat. Ještě předtím ale krátce o anatomii lidského oka. Nejdůležitější je pro nás sítnice, na kterou jsou okolní světelné paprsky soustředěny za pomocí čočky. Sítnice je tkáň, na kterou paprsky dopadají, a která je následně za pomocí světločivných buněk (fotoreceptorů) převádí na signál putující po očním nervu do mozku. Lidská sítnice se skládá ze dvou druhů světločivných buněk - tyčinky a čípky. Tyčinky “vidí” jen odstíny šedi, jsou velice citlivé, ale používáme je jen v šeru a proto je můžem dále zanedbat. Čípky jsou trojího druhu. Červené, zelené a modré a rozlišují pravě tyto barvy, při čemž každou s trochu jinou citlivostí. Mozek pak z těchto tří složek složí skutečnou barvu daného bodu velmi podobně, jako např. v počítačové grafice. Rozsah vlnových délek světla, které lidksé oko vidí je přibližně 390 - 700 nm. Charakteristika citlivosti lidského oka na jednotlivé vlnové délky (pro jednotlivé čípky a pro celkový obraz):

Předchozí obrázek si dobře zapamatujte, budeme se k němu vracet. Jak vidíme, nejvyšší citlivost má oko někde kolem 555 nm, což odpovídá zeleno-žluté barvě. Celé této závislosti se říká luminozitní funkce, která je důležitá pro výpočet svítivosti (během výpočtu se zohledňuje citlivost lidského oka).

Spektrum denního světla ze Slunce pak vypadá takto:

Jak vidíme, spektrum denního světla ve viditelné části je docela rovnoměrně rozprostřené a jeho teplota je při jasné obloze asi 5500 K. Co to ona teplota znamená vysvětlím záhy.

Kandely, lumeny, barevná teplota, watty,…

Teď udělám takovou menší odbočku a vysvětlím význam všech důležitých jednotek ze soustavy SI, které se ve fotometrii používají. Nejprve uvedu 2 základní jednotky, které se používají pro jakékoliv elektromagnetické záření, tedy i pro světlo a souhrně se označují jako radiometrické. Základní jednotkou výkonu, tedy i toho světelného je 1 Watt (dále budeme veličinu označovat jako zářivý tok) a udává, kolik energie je vyzářeno za 1 sekundu. Další důležitou jednotkou je W/sr (Watt na steradián) a ta udává, kolik zářivého toku je vyzářeno do úhlu jednoho steradiánu a nazýváme ji jednotkou hustoty zářivého toku nebo také jednotkou intenzity záření. Teď přejdeme k jednotkám fotometrickým, které jsou převážně ekvivalentem k jednotkám radiometrickým, ale záření posuzují podle toho, jak je na něj citlivé lidské oko. Slovíčko záření je zde nahrazeno slovíčkem světlo a pracuje se s luminozitní funkcí (viz obr. citlivosti lidského oka).

Svítivost a světelný tok

Začnu základní fotometrickou jednotkou, jednotkou svítivosti, kterou je 1 cd (kandela). Její definice je poněkud vachrlatá. Svítivost jedné kandely má světelný zdroj, který vyzařuje monochromatické elektromagnetické záření o vlnové délce 555 nm (max. citlivost oka) a jehož zářivý tok činí 1/683 W/sr. Tato jednotka je ekvivalentem radiometrické jednotky intenzity záření. Přibližně odpovídá svítivosti jedné zapálené svíčky (odtud ten název). Další důležitou jednotku je 1 lm, který je definován jako 1 cd*sr. Jde o jedntoku světelného toku a odpovídá celkovému vysvícenému (nikoliv vyzářenému!!) “výkonu” nezávisle na úhlu. Existují i další jednotky, jako lux, ale ty pro nás teď nebudou podstatné.

Měl by vás napadnout dotaz, jak to tedy bude se svítivostí zdroje, který svítí jinou vlnovou délkou, než oněch 555 nm, které jsou definovány pro jednu kandelu, případně září celým spektrem vlnových délek (v praxi nejobvyklejší). Právě v tomto případě se vychází z luminozitní funkce. Bude-li se jednat o monochromatické záření s určitou vlnovou délkou, výpočet bude triviální:

Iv je výsledná svítivost v kandelách, I je intenzita záření ve W/sr, y je luminozitní funkce a lambda vlnová délka záření. Pro lambda=555 nm je luminozitní funkce rovna jedné. Pokud budeme chtít znát svítivost zdroje, zářícího celým spektrem, výpočet bude složitější o integrál (proč se použije je myslím zcela jasné - “projedeme” celé spektrum, výkony jednotlivých vln sečtem a jednotlivě je vynásobíme relativní hodnotou luminozitní fce, aby odpovídaly svítivosti):

Světelná účinnost a celková světelná účinnost

Velice důležitou veličinou, kterou budeme využívat při porovnávání jednotlivých světelných zdrojů, je světelná účinnost a ta nám udává, jak moc jsou vyzářené elektromagnetické vlny užitečné pro lidské vidění. Je to tedy poměr svítivého toku k toku zářivému. Její jednotkou tedy budou lm/W. Výpočet světelné účinnosti světelného zdroje pro jeho celé spektrum bude vypadat nějak takto (vzorec se opět vysvětluje sám za sebe):

J je spektrální zářivý tok, K výsledná světelná účinost. Již z tohoto by mělo být patrné, že maximální dosažitelná světelná účinnost činí 683 lm / W a sice v případě, že zářivý tok je roven světelnému toku, což je pouze za podmínky, že zdrojem světla je monochromatický zdroj zářící světelnou délkou 555 nm. Budeme-li chtít světelnou účinnost vyjádřit v procentech, výpočet bude jednoduchý: Kr=100*(K/683)[%] !POZOR! tento údaj nevypovídá nic o účinnosti samotného zdroje záření, tedy o tom, kolik dodané energie je přeměněno na elektromagnetické záření !!! Lidé si to často pletou a světelnou účinnost považují za absolutní účinnost toho daného zdroje, což je zcela mylná úvaha (hypotetický zdroj, který bude zářit pouze 555 nm při zářivém toku 1 W a jeho, dejme tomu elektrický, příkon bude 10kW, bude mít sice světelnou účinnost 100%, ale jinak ho asi moc účinným nazývat nebudeme:-)) Pokud chceme znát “skutečnou” účinnost, budeme jí nazývat celkovou světelnou účinností a vypočítáme ji jako poměr svítivého toku a příkonu, který byl zářiči dodán (nejčastěji ve formě elektrické energie).

Barevná teplota a absolutně černý zářič

Další, pro člověka důležitou, vlastností světla, je jeho barevná teplota. O co jde? Představte si, že rozžhavujete ocel nad ohněm. Nejprve je tmavá, pak mírně zrudne, poté zežloutne a nakonec je rozpálená do běla. Nyní si zjednodušme onu ocel na to, čemu fyzikové říkají absolutně černé těleso. To je těleso, jenž dokonale absorbuje úplně všechny dopadající světelné paprsky a při nulové teplotě (0 K = -273,16 stupňů C) se jeví jako dokonale černé. Budeme-li ho zahřívat, začne postupně vyzařovat světlo a to v následujícím spektru (pro různé teploty v Kelvinech):

Pokud nám bude toto černé těleso zářit na dokonale bílý podklad, který dokonale odráží všechny vlnové délky (pro hrubou představu si představte list bílého papíru), uvidíme onen bílý podklad v následující barvě (resp. viděli bychom, kdyby lidský mozek sám nevyvažoval bílou; ještě se k tomu dostanu):

Když se teď vyjádřím značně nefyzikálně, tak světelná teplota nám víceméně určuje, kterou barvou bude světelný zdroj svítit. Přesněji řečeno nám barevná teplota udává spektrum bílého světla, které bude náš zdroj vyzařovat. Všimněte si paradoxu - barvy, které lidé běžně nazývají jako teplé (červená, žlutá) mají ve skutečnosti nízkou barevnou teplotu a opačně. Lidský mozek má tu vlastnost, že i při různých barevných teplotách světelného zdroje dokáže bílý předmět stále vnímat(nikoliv vidět) jako bílý (i při žlutém svitu žárovky vnímáme list papíru jako bílý). Např. fotoaparát nebo kamera to ale nedokážou a každý správný fotograf by měl provést proces, jemuž se říká vyvážení bílé, aby bílá bílou byla (a ne třeba žlutou). Vlevo špatně vyvážená fotografie na denní světlo (5500 K), vpravo správně vyvážená fotografie na světlo ze žárovky (na 2800 K); obě jsou foceny při svitu žárovky:

Teplota denního světla je do jisté míry ovlivněna východem/západem slunce a oblačností. V poledne při jasném počasí je teplota světla zhruba 5500 K. S narůstající oblačností tepla stoupá a při západu/východu slunce naopak klesá (většina paprsků kromě červených je zalomena za obzor vlivem difrakce). Mohlo by se tedy zdát, že ideální teplota umělého osvěltení by měla být 5500 K. Není to ovšem tak docela pravda, lidé se většinou cítí lépe a relaxovaně při nižších teplotách (do 3500 K) a vyšší jsou naopak vhodné pro práci (např. pro osvětlení dílny). V profesionální fotografii se často používá teplota 5500 K (u blesku) a osvětlení ve filmových studiích mívá teplotu kolem 3 500 K (nižší teploty působí živějším a pestřejším dojmem). Půjdete-li někdy do supermarketu, všimněte si, že v sekci, kde mají ovoce jsou použity zářivky s nižší barevnou teplotou - to proto, že pod takovým světlem vypadá ovoce lépe a zraleji.

CRI (color rendering index)

K určení skutečné kvality světla nám nestačí znát pouze jeho teplotu - při jejím výpočtu pracujeme pouze s aproximací skutečné spektrální charakteristiky ke spektrální charakteristice ideálního černého tělesa. Ovšem značná část světelných zdrojů (vyjma žárovek a halogenek) má charakteristiku značně odlišnou od charakteristiky černého tělesa a vyskytuje se v ní řada špiček. Ty mají negativní vliv na to, jak v daném prostředí interpretujeme různé barvy. Představte si, že bychom si svítili červeným rozptýleným laserem, což je z principu monochromatický zdroj záření. Barvu všech předmětů bychom pak viděli jen jako odstíny červené. Proto se při určování kvality světelného zdroje měří i tzv. CRI (color rendering index). Test se provádí s referenčním barevným proužkem a posuzuje se, jak dobře jsou ony barvy podány ve srovnání když jsou osvětleny referenčním zdrojem (což by měl být zdroj maximálně podobný černému tělesu). Čím výšší vyjde tento index (maximum je 100), tím více odpovídá spektrální charakteristika měřeného zdroje spektrální charakteristice černého tělesa a tím kvalitnější osvětlení to je.

Vyzařovací diagram

Vyzařovací diagram je další důležitou vlastností světelného zdroje. V některých aplikacích vyžadujeme spíše bodové světlo (např. příruční svítilna) a v některých naopak vyžadujeme (chceme-li osvětlit místnost), aby se světlo vyzařovalo všemi směry a zdroj se tak blížil anizotropnímu zářiči. Směry, kterými je světlo vyzařováno (a v jaké intenzitě) dokonale vystihuje vyzařovací diagram. Může vypadat například takto (LED):

Myslím, že netřeba příliš popisovat, tato konkrétní LED nejvíce září v úhlu 20 stupňů.

U světelných zdrojů nás samozřejmě zajímájí i mnohé další parametry, jako například cena, složitost obvodu, možnosti regulace, životnost.. Proměnných je zkrátka příliš a vždy je potřeba hledat kompromisy pro konkrétní aplikace.

Žárovka

Nejstarší druh umělého elektrického osvětlení. Kdo by jí neznal? Skleněná baňka je vyplněná dusíkem a někdy je přidávána příměs argonu, či jiného vzácného plynu. Z objímky (obvykle E27) jsou do baňky vedeny vodiče, na kterých je zavěšeno wolframové vlákno. To se při průchodu elektrického proudu zahřeje na teplotu 2000 K - 3300 K (což pak přesně odpovídá barevné teplotě - wolfram můžeme aproximovat na absolutně černé těleso). Pricnip prostý, ale říká se, že Edison musel nejprve objevit tisíc způsobů, jak žárovku nevynalézt, než přišel na ten správný. Velké negativum žárovky je její nízká životnost (asi 1000 h)

Celková světelná účinnost

Velmi nízká. U běžné 40 W žárovky je to zhruba 12,5 lm/W nebo chcete-li 1,83 % (!) Nehodí se tedy do žádné aplikace, kde je vysoká účinnost (a tím nízká spotřeba) klíčovým požadavkem (prostory, kde je vyžadováno osvětlení 24/7 a nebo bateriově napájené aplikace). Naopak v aplikacích, kde není spotřeba důležitá (např. světlo na WC) je pro své další vlastnosti poměrně vhodná. S rostoucím výkonem žárovky mírně roste i její celková světelná účinnost (wolframové vlákno je rozpálené na vyšší teplotu a infračervený “odpad” se posunuje směrem do viditelného spektra).

Světelný tok, svítivost, vyzařovací diagram

Světelný tok 40 W žárovky je zhruba 500 lm. Žárovka je zároveň všesměrový zdroj světla, který svítí do všech směrů stejně. Z toho implikují 2 skutečnosti: je zbytečné uvádět vyzařovací diagram a svítivost půjde snadno vypočítat ze světelného toku. Steradián je definován jako úhel, který ze středu jednotkové koule vymezí na povrchu této koule jednotkovou plochu. Celková plocha jednotkové koule 4*π - tímto číslem musíme vydělit světelný tok, abychom získali svítivost na 1 sr. Svítivost je tedy přiližně 39 cd (odpovídá 39 zapáleným svíčkám).

Světelná teplota, CRI, spektrální charakteristika

Světelná teplota žárovky již byla v podstatě řečena v úvodu. Přímo odpovídá teplotě, na které je rozpáleno wolframové vlákno. Uvažujeme-li opět 40 W žárovku, její světelná teplota je 2800 K. To je poměrně malá hodnota. Světlo vidíme jako nažloutlé. Rozhodně se nehodí k fotografování nebo natáčení (je příliš vzdálená teplotě denního světla). Pro běžné osvětlení místností mi takto nízká teplota nepřijde na škodu a na mě osobně působí dobře; mohou ale být lidé, kterým světlo “do žluta” nemusí vyhovovat. Jelikož žárovka je téměř ideální černé těleso, poskytuje velmi dobré barevné podání a CRI činí 100. Tím pádem i spektrální charakteristika téměř přesně odpovídá charakteristice černého tělesa o dané teplotě.

VA charakteristika, zapojení v obvodu, regulace jasu

VA charakteristika je závislá na aktuální teplotě vlákna a vypadá následovně:

Pokud nevyžadujeme měnit jas, žárovka se zapojuje přímo na zdroj jmenovitého napětí, bez jakýchkoliv dalších součástek. Proud si reguluje sama rostoucím odporem vlákna při rostoucí teplotě. Potřebujeme-li přecejen jas regulovat, nejvýhodnější se (kvůli své účinnosti) ukazuje triaková regulace:

Halogenová žárovka

Od klasické žárovky se příliš neliší. Základní princip zůstal zachován. Rozdíl je především ve výplni baňky, která je napuštěná některým z halogenů (např. methylenbromid). Ten zvyšuje odolnost wolframu proti vypařování a ten je pak možný provozovat za vyšších teplot. Aby takovým teplotám odolala i baňka, musí se vyrábět z křemenného skla. Halogenová žarovka je ve valné části domácích svítidel umístěna v kovovém reflexním stínítku (viz obrázek). Často se s ní také setkáme ve světlometech automobilů. Narozdíl od obyčejné žárovky se výrábí převážně pro nižší napájecí napětí (typicky 12 V). Životnost se různí dle výrobce v rozptylu 2000-5000h.

Celková světelná účinnost

Účinnost je o něco vyšší, než u klasické žárovky, což je dáno vyšší teplotou a posunutím spektra více do viditelné části. Činí asi 20 lm/W nebo chcete-li 3%

Světelný tok, svítivost, vyzařovací diagram

Světelný tok je opět přímo úměrný výkonu. Máme-li 40 W halogenovou žárovku, bude činit 600 lm. Pokud nemáme baňku umístěnou ve stínítku a nebo parabolickém reflektoru, jedná se opět o všesměrový světelný zdroj, stejně jako klasická žárovka. Tím pádem lze svítivost opět snadno určit ze světelného toku a bude činit asi 48 cd.

Světelná teplota, CRI, spektrální charakteristika

Světelná teplota je o něco vyšší v porovnání s klasickou žárovkou - 3300 K. Spektrum je stejně jako u klasické žárovky téměř shodné s vyzařovacím spektrem černého tělesa. Tím pádem i CRI je rovno 100. Světlo bych si troufl označit za velice kvalitní. Teplota 3300 K je rovněž subjektivně příjemná a dává dobře vyniknout barvě pleti a oblečení. I díky tomu se halogenky používají pro osvětlování filmových studií.

VA charakteristika, zapojení v obvodu, regulace jasu

Vše naprosto stejné jako u klasické žárovky. Je zde ovšem jeden zásadní faktor - pokud vím, tak se většina jednotlivě prodávancýh halogenových žárovek nevyrábí přímo pro síťové napětí (u nás 230 V) a pokud je chceme napájet ze sítě, je možně je zapojit buď v patřičném počtu do série, ale častěji se používá transformátor, což výrazně sníží celkovou účinnost na nižší, než má klasická žárovka (!!!). Samozřejmě existují i vyjímky - např. OSRAM vyrábí i halogenky přímo s E14 závitem a provozním napětím 230 V.

Fluorescenční lampy

Lidově též zářivky. Původně jsem uvažoval nad-tím, zda-li si mohu dovolit nasypat všechny zářivky do jednoho pytle. Je jich nepřeberné množství a rozptyl parametrů je obrovský. Nakonec jsem se rozhodl, že popíši jen některé základní druhy a hodnoty které uvedu, budou značně orientační a je potřeba, aby si každý sám vyhledal parametry ke konkrétnímu druhu a modelu. Zářivky patří k jedněm z těch účinějších zdrojů světla. Kvalitou světla se ovšem žárovkám již z principu nemohou vyrovnat. Pro profesionální osvětlení se příliš nehodí a pokud ano, tak pouze velmi kvalitní modely. Životnost se pohybuje přes 10 000 h a je závislá na četnosti zapínání a vypínání.

Svým zařazením spadá do tzv. nízkotlakých výbojek. Fyzicky se jedná o trubici se žhavícími elektrodami na obou koncích. V trubici je poměrně nízký tlak, je naplněna argonem a rtuťovými parami. Na vnitřním povrchu je nanesena vrstva luminoforu. Výboj v zářivce je totiž silně monochromatický a ještě k tomu ultrafialový. Luminofor dokáže tento výboj “převést” na celé spektrum viditelných složek. Právě typ použitého luminoforu je klíčový pro většinu parametrů dané zářivky. Zářivka se nerozsvítí ihned, ale startuje. Během startu se nejprve nažhaví elektrody, čímž se ionizuje plyn uvnitř. Po té se vypne žhavení a vysokonapěťovým impulzem se zapálí výboj, který poté zůstane svítit. Z toho by mělo být jasné, že zářivková trubice nelze do obvodu zapojit “jen tak” a je potřeba podpůrného obvodu.

K dostání jsou buď ve formě klasické zářivkové trubice určené pro montáž do speciálního zářivkového svítidla a nebo ve formě populárních “úsporek”, což jsou kompaktní zářivkové trubice s integrovanou elektronikou a paticí jako běžná žárovka.

Celková světelná účinnost

Pro nejběžnější “úsporky” 5-24 W se pohybuje v rozmezí 45-60 lm/W, nebo chcete-li 6,5 - 8,8%. Velké trubice ale mohou dosáhnout účinnosti až 100 lm, čili 14,6 %. To už je značný pokrok oproti všem žárovkám.

Světelný tok, svítivost, vyzařovací diagram

Opět bude záležet, jak výkonnou zářivku máme a jaký druh. Uvažujme “úsporku” 24 W, taková bude mít celkový světelný tok asi 1 440 lm.(při 60 lm/W) Zářivka už není tak úplně všesměrový zdroj, ale nejvíce září ze své radiální osy. V těchto úhlech je svítivost u naší modelové úsporky asi 114 cd.

Světelná teplota, CRI, spektrální charakteristika

Tak, dostáváme se k části, která je pro každou zářivku úplně rozdílná. Záleží na tom, jak je namixovaná luminoforní směs. Existují zářivky se stejnou teplotou jako žárovka (2700 K) - ty jsou populární v domácnostech, protože jak jsem již zmínil, nižší barevná teplota u lidí vyvolává přijemnou relaxovanou náladu. Vyrábí se i zářivky s teplotou kolem 3500 K, 4100 K (to jsou ty “bílé”, populární hlavě v kancelářích) ale i s teplotami nad 5000 K. Zde je vidět jedna z výhod zářivek - můžeme si s klidem vybírat Co se týče CRI, situace už zdaleka není tak růžová. Na kvalitu vláknových zářičů můžeme zapomenout. Zářivka pracuje na zcela jiném principu, světelné paprsky jsou generovány úplně jiným způsobem a tak je spektrální charakteristika zcela odlišná od vyzařování černého tělesa. Spektrum zářivky s luminoforní směsí, která vytváří teplotu 4100K (luminofor je dosti složitá sloučenina, takže její vzorec udávat nebudu):

Teď už je doufám jasné, proč CRI nebude moc ideální. Spektrum je tvořeno mnoha rezonančními “špičkami” od různých sloučenin luminoforu. Konkrétně v tomto případě je CRI 64. U zářivek s nižší teplotou je to ještě horší a dostaneme se na nějakých 50 CRI, což už nemůžeme vůbec srovnávat s běžnou žárovkou. S moderní technologií tri-phosphor je možné dosáhnout CRI až 89 u “bílých” zářivek.

Zapojení v obvodu, regulace jasu

Jak jsem již zmínil, zářivkovou trubici nelze bezstarostně připojit do obvodu + - a konec, ale je potřeba tlumivka a startér. A to buď v klasické analogové podobě a nebo se používají tzv. elektronické startéry, které dokáží i regulovat protékající proud (simulovat různě velkou indukčnost) a tím i jas. Klasický analogový obvod má tuto podobu:

Té podivné věci dole se říká startér. Při startu je sepnutý a žhaví tak elektrody; asi po jedné sekundě, když už je zářivka ionizováná, rozepne; tím vznikne napěťová špička na cívce a ta zažehne výboj. Elektronický startér natož pak regulaci jasu popisovat ani uvádět nebudu, dalo by to rozsahem na další článek.

LED

A konečně se dostáváme k oněm, v úvodu zmiňovaným, LEDkám. Nebudu se zabývat různobarevnými LED, kterých je též celá řada, ale aby zapadli do tohoto článku, budu se zabývat výhradně výkonnými LEDkami bílými. Možná ještě stojí za krátkou zmínku RGB LED - to jsou 3 LED (červená, zelená, modrá) namačkané v jednom pouzdru a taková LED dovede při správném řízení měnit barvu na libovolnou. Zpět ale k bílým. Fungují na principu polovodičového PN přechodu. Elektron přecházející do díry přejde do nižší energetické hladiny a energie, která při tom byla ztracena se vyzáří jako foton. Bílé LED jsou vlastně klasické modré LED (nejčastěji s Galium-dusíkovým přechodem) potahované luminoforem (který část modrého záření převede na červené). U kažé LED je velice důležitý vyzařovací diagram (nebo alespoň divergence paprsku), protože LEDky jsou zpravidla vybaveny vlastní čočkou pro směrování světla. Spíše než k osvětlení místnosti se výborně hodí do bateriových aplikací (”baterek”), kde triumfují běžné žárovky. Pro osvětlení místnosti se nehodí, protože se obtížně shánějí velké LED s vysokým výkonem a je téměř nezbytná jejich paralelizace a navíc měnič ze síťového napětí dost ubere celkové účinnosti, v krajních případech i hluboko pod účinnost halogenky. Životnost je téměř nekonečná

Celková světelná účinnost

Hodně se liší typ od typu, ty nejhorší mají jen 15 lm/W, ty nejlepší atakují hranici 150 lm/W - takové jsou ale nekřesťansky drahé. Slušnější výkonové LED za přijatelnou cenu (do 20 USD za 10 W) mají účinnost kolem 70 lm/W.

Světelný tok, svítivost, vyzařovací diagram

Světelný tok u této 12 W LEDky je 900lm (75 lm/W). Tato konkrétní LEDka má vyzařovací úhel 130 stupňů (ale na trhu se pohybuje mnoho modelů a není problém vybrat si téměř libovolný vyzařovací úhel). V tomto úhlu má LEDka koncentrovánu veškerou svítivost. Výrobce sice neudává její velikost, ale hrubým výpočtem (360/130 * (900/12,56) ) jsem došel k číslu 198 cd. Toto je důležité. Díky tomu, že většina LEDek má určitým způsobem omezený vyzařovací úhel a veškeré světlo je soustředěno do onoho úhlu, je v onom úhlu i vyšší svítivost, než která by byla, kdyby LEDka svítila všesměrově.

Světelná teplota, CRI, spektrální charakteristika

Světelná teplota se opět liší druh od druhu, podobně jako u zářivek. Pohybují se v rozmezí od 2000K - 6300K (naše příkladová LED je ten poslední případ). Pokud bychom počítali i LED spíše žluté, než bílé, dostali bychom se i k nižším teplotám. Co se týče CRI, opět je situace podobná, jak u zářivek. Naše příkladová LED má CRI 70. Poněkud lépe jsou na tom LED, které používají více luminoforových vrstev. Spektrum pak vypadá nějak takto:

První vrchol je dán vyzářenými fotony z GaN přechodu. Za druhý vrchol je zodpovědný luminoforový potah, který část modrého záření přeměnil na červené.

VA charakteristika, zapojení v obvodu, regulace jasu

LEDku opět nelze zapojit do obvodu přímo. Minimem je alespoň omezovací odpor. Ideálním způsobem, jak zapojit LEDku, je nahrazení napěťového zdroje za proudový. Svítivost je totiž lineární funkcí procházeného proudu a tak lze změnou proudu snadno a lineárně měnit intenzita svícení. Zapojení s proudovým zdrojem má navíc tu výhodu, že můžeme LEDky v libovolném počtu řetězit do série. Dalším způsobem, jak můžeme regulovat jas, je použití pulzně-šířkové modulace. Napájecí napětí bílých LED se pohybuje v rozmezí 3 - 4V. K tomu snad jen taková poznámka. Napájeli-bychom LED ze sítě, potřebujeme měnič. Ten nám klidně může účinnost osvětlení zkrouhnout na polovinu (a ze 70lm/W máme rázem 35 lm/W), protože polovina se v něm ztratí. VA charakteristika LED:

Chceme-li LED využít v bateriové svítilně, vyplatí se použít měnič (byť velmi jednoduchý) místo omezovacího odporu (v případě, že napájíme pouz jedním článkem o napětí 1,5 V ani jiná možnost není, protože LED potřebuje alespoň 3 V):

Pokud budeme fajnšmekří, použijeme nějaký hotový sofistikovaný obvod (třeba z nabídky MAXIM-IC).

ZÁVĚR

Bohužel jsem nemohl uvést víc světelných zdrojů (už tak je článek dlouhý až až). Nicméně doufám, že je teď zřejmé, jakým způsobem by se posuzovali i ty zbylé. A že jich je! Určitě stojí alespoň za zmínku metalhalogenidové výbojky, CCFL, rtuťové a sodíkové výbojky, xenonové výbojky,….

Jak jsem zmínil v úvodu, žádný jasný vítěz ani jasný poražený neexistuje. Každý zdroj má svá pro a proti a vždy závisí na konkrétním použití. Osobně to vidím takto:

profesionální osvětlení (s dobrým barevným podáním): halogenová žárovka, případně bílá tri-phosphor zářivka

osvětlení domácnosti: tri-phosphor zářivky s teplotou do 3500 K (ať už trubice nebo úsporky)

příruční svítilny nebo bodová světla: bílé LED

pěstování marihuany či jiných rostlin: metal-halogenidová + sodíková výbojka

publikoval: Dandýs | kategorie: Elektronika |
Říjen 23, 2008 v 23:33