Nazeleno.cz – úspory energie, izolace, zdravý životní styl, biopotraviny, ekologie [logo]

DOPORUČUJEME:

Ceny Energie

Najdeme nejlevnějšího dodavatele!

LED diody: Nobelova cena a problémy s modrou barvou

Nobelovu cenu za fyziku získali objevitelé principu modrých LED diod. LED diody se tak díky nejnovějším fyzikálním objevům stávají asi nejperspektivnějším zdrojem světla. Jaké jsou jejich výhody a problémy?

28. 01. 2015 | Karel Murtinger

Ve zkratce:

Jak správně používat LED osvětlení? Na co jsou LED diody háklivé a jak zajistit co nejdelší životnost LED žárovek? Připravili jsme pro vás článek shrnující problematiku LED osvětlení.

Jak je všeobecně známo, Nobelovu cenu za fyziku v roce 2014 získali objevitelé modrých světelných diod (LED). Možná je trochu přehnané tvrdit, že je to všeobecně známo; určitě se najdou lidé, které Nobelova cena za fyziku nezajímá. Celkem se tomu ani nelze divit, největší objevy ve fyzice jsou čím dál méně srozumitelné pro běžného člověka. Myslím ale, že právě tahle Nobelova cena je opravdu ryze praktická a hlavně viditelná (zvláště po setmění).

Je téměř nemožné udělat výčet, kde všude se dnes používají LED, jejichž základem je nitrid galia. Právě za přípravu prakticky použitelných polovodičů na bázi nitridu galia byla totiž zmíněná Nobelova cena udělena. Nitrid galia v krystalickém stavu byl známý už od sedmdesátých let 20.století a dokonce se z něj podařilo vyrobit i funkční modrou LED. Problém byl ale v tom, že se nikomu nepodařilo vyrobit natolik kvalitní vrstvy nitridu galia, aby tyto LED měly velkou svítivost a dobrou účinnost. To, že se to nakonec podařilo je zásluhou neobyčejné tvrdohlavosti jednoho z laureátů - Shuji Nakamury.

Mnoho svítidel navržených pro žárovky nebo kompaktní zářivky neumožňuje LED žárovkám dostatečné chlazení

Půvabné je, že Nakamura za vytvoření modré diody dostal odměnu ve výši přibližně 180 dolarů. V roce 2001 (to už bylo jasné o jak významnou technologii se jedná) zažaloval svého bývalého zaměstnavatele o adekvátní náhradu. V roce 2005 se obě strany dohodly na odměně ve výši skoro 10 milionů dolarů.

Význam modré barvy v LED diodách

Zde je možná na místě vysvětlit proč zrovna modrá LED je tak významná. Červené a zelené LED byly k dispozici již dříve, ale teprve přidání modré umožní složit libovolnou barvu (včetně bílé). Díky tomu jsou dnes na trhu jsou takzvané RGB LED se třemi polovodičovými čipy (červená, zelená a modrá), které umožňují řízením velikosti proudu do jednotlivých čipů vytvářet téměř libovolné barevné odstíny světla. Problém ovšem je, že jednotlivé barvy se příliš nepřekrývají a zrovna v oblasti kolem 550nm, kde je lidské oko nejcitlivější je ve spektru výrazný propad intenzity. V důsledku toho je barevné podání je poměrně špatné a takto vytvořené bílé světlo není pro účely osvětlování moc vhodné a používají se spíše pro vytváření barevných efektů.

LED pro osvětlování

Pro generování bílého světla se častěji používají, podobně jako u zářivek, takzvané luminofory. Jsou to látky schopné pohlcovat fotony kratší vlnové délky (vyšší energie) a vyzařovat fotony delších vlnových délek (nižší energie). Z modrého světla jsme proto schopni vytvořit světlo od zelené až po červenou barvu. Tento postup je sice z energetického hlediska méně výhodný (část energie toho modrého zdroje světla se promění na teplo), ale zase dostaneme spektrum, které se mnohem více podobá spojitému spektru denního světla nebo žárovky a má výrazně lepší index podání barev. Pro index podání barev se obvykle používá zkratka CRI a nabývá hodnot od 0 do 100. Halogenová žárovka má 95, běžná zářivka asi 80 a sodíková nízkotlaká výbojka 0 (vůbec neumožňuje rozeznat barvy). Na obrázku níže je typické spektrum LED s teple bílou barvou vytvořené pomocí modré LED a luminoforu. Je vidět, že v oblasti vlnových délek, na něž je lidské oko citlivé (čárkovaná křivka) je průběh spektra spojitý bez propadů. Také konstrukce LED je jednoduší, má jen jeden polovodičový čip a dva vývody pro napájení.

Spektrum teple bílé LED vytvořené pomocí modré LED a luminoforu - CRI přibližně 80. (Obr.: OSRAM)

Podání barev je velmi důležité například při osvětlení na výstavách obrazů či v galeriích ale také třeba při nákupu oblečení. Dnes již existují na trhu LED, které mají hodnotu CRI přes 90. Je to ale vždy vykoupeno nižší účinností.

Praktické problémy použití výkonných LED pro osvětlení

Náhrada žárovek, zářivek či výbojek LED zdroji světla není úplně jednoduchá, je to zcela jiná technologie a výrobci světelných zdrojů a svítidel musí řešit mnoho problémů, s nimiž se dříve nesetkávali:

Napájení LED diod

LED potřebují nízké stejnosměrné napájecí napětí, u modrých LED jsou to přibližně 3 V. To je výhoda u přenosných svítilen (zvláště ve spojení s lithiovými akumulátory), ale jistá nevýhoda u osvětlení napájeného ze sítě (zpravidla se řadí více LED do série, aby výsledné napětí bylo alespoň 12 V). LED čip má navíc poměrně strmou závislost proudu na napětí, a tak i relativně malé zvýšení napájecího napětí může vést k výraznému nárůstu proudu a zničit jej. Optimální je proto napájení ze zdroje konstantního proudu. Na trhu je už řada vhodných zdrojů.

Chlazení

Jako všechny polovodičové součástky i LED potřebují chladit, aby teplota p-n přechodu nepřekročila zhruba 100 °C. U LED pásků, které se skládají z velkého množství LED o malém výkonu, se to vyřeší nalepením pásku na hliníkovou lištu. Pokud ale chceme nahradit 60W žárovku LED lampou ve tvaru žárovky, tak tam už je chlazení trochu problém. Ta, kterou jsem si před časem koupil (Philips Master LED bulb) má sice příkon jen asi 13W a poměrně velkou plochu chladicích žeber, ale stejně se v lampičce značně přehřívala. Musel jsem nakonec do stínítka udělat další otvory pro chlazení. Troufnu si říci, že mnoho svítidel navržených pro žárovky nebo kompaktní zářivky LED žárovkám dostatečné chlazení neumožňuje.

LED žárovka s chladicími žebry (Foto: autor)

Životnost LED osvětlení

Životnost samotných LED čipů je velice dlouhá, pokud je zajištěno dobré chlazení (nízká teplota p-n přechodu); v literatuře se udává až 100tisíc hodin, většina výrobců obvykle udává 50tisíc hodin tj. skoro 6 let nepřetržitého svícení. V praxi je ale životnost zpravidla výrazně nižší. Je to dáno především tím, že chlazení je málokdy optimální. Například firma LEDOS tvrdí, že díky svému patentovanému systému chlazení prodlouží a životnost až na 80 tisíc hodin. Životnost LED diod omezují také některé součástky použité v napájecích zdrojích (hlavně elektrolytické kondenzátory).

Energetická účinnost

Špičková LED technologie se pomalu blíží teoretickému fyzikálnímu limitu v osvětlování. Zjednodušeně řečeno k hranici, kdy za jeden elektron do LED vstupující získáme jeden foton. V současné době je údajně účinnost kolem 50 procent teoretického maxima . Maximální účinnosti ovšem dosáhneme jen u jednobarevných LED a při optimálním proudu a nízké teplotě přechodu. Použití luminoforu vede k určité ztrátě účinnosti a většina LED je také provozována s větším než optimálním proudem, neboť snahou je dosáhnout co největší intenzity světla. Například bílá 10W LED od firmy CREE dosahuje při napájení proudem 0,7 A světelné účinnosti 145 lm/W, což je je zhruba dvojnásobek toho, co dosahují běžné zářivky. V tomto režimu dosahuje ovšem jen třetinu svého maximálního světelného výkonu. Účinnost dále snižuje napájecí zdroj - jejich běžná účinnost je zpravidla kolem 80 %, ty nejlepší mají účinnost až 96 %.

Jak využít výhod a omezit nevýhody u LED zdrojů pro osvětlení

  • Nejdůležitější je zajistit dobré chlazení. Tam kde je to možné nedávat LED žárovky do uzavřených krytů.
  • LED osvětlení je velmi flexibilní takže můžeme dodat světlo jen tam, kde jej potřebujeme a v množství, které je nezbytně třeba.
  • Tam kde je vhodné rozptýlené osvětlení, použít LED pásky. Pracuje se s nimi snadno, napájení je z 12V zdroje (bezpečné napětí), jejich intenzita se dá snadno regulovat. Ideální jsou pro nepřímé osvětlení pro práci na počítači nebo sledování televize.
  • Tam kde požadujeme úzký kužel světla použijeme LED s příslušnou optikou.
  • Pokud používáme přenosné LED svítilny (baterky, světla na kolo a pod.), pak je výhodné napájení z jednoho lithiového článku - zpravidla velikost 18650. Díky tomu, že LED dioda prakticky přestává svítit při napětí pod 2,5V nemůže dojít k jeho zničení přílišným vybitím.
  • LED se dobře zařazují do stejnosměrného rozvodu. Důležité je ale zajistit aby proud nepřekročil maximální povolenou velikost.

Související články

Tagy:

Nazeleno.cz - vše o úsporách energií

Katalog firem

CIKO - cihelné a nerezové komínové systémy

Cihelné a nerezové komíny určené pro všechny druhy paliv a všechny typy spotřebičů. Komínové systémy CIKO…

<!-- -->
Prefa Aluminiumprodukte s.r.o.

Prodej a technický servis hliníkových střešních, okapových a fasádních systémů Prefa. Solární systém Prefa…

<!-- -->
Družstevní závody Dražice – strojírna s.r.o.

Značka DZ Dražice, která existuje již od roku 1956, je zárukou kvality, výkonu a hodnoty ohřívače vody.…

<!-- -->
KOREK spol. s r.o., org. sl.

Jsme specialisté na dodatečné zateplení budov kontaktním tepelně izolačním systémem a v rámci revitalizace…

<!-- -->
Regulus spol. s r.o. - Tepelná čerpadla

Firma Regulus s.r.o. slouží v oblasti teplo - voda - plyn již od roku 1992 a v současnosti se orientuje…

<!-- -->
Chcete být na tomto místě? Zvolte zvýhodněný zápis!