Led diody a svítilny - pár postřehů

 Ještě v roce 2002 se svítilny s LED diodami považovaly za neperspektivní, předraženou a pro podzemí nepoužitelnou technologii. Dnes se nové svítilny s klasickými žárovkami prakticky nevyrábějí a diody nalezneme ve svítilnách  nejrůznějších kvalit a výkonů od High tech až po levné kopie.

V lepší orientaci v pojmosloví, vlastnostech a principech funkce LED svícení by mohl pomoci následující článek, který se podařilo vyloudit na jednom z prodejců. Je to v podstatě kompilát odpovědí na dotazy,  kterými byl prodejce vytrvale obtěžován, až odpovědi vydaly na celý článek. Autorem je Josef vrabec z firmy Ledshop.cz

 

Světlo

Viditelné světlo je část elektromagnetického záření o vlnové délce 400 nm až 800 nm.
Podle vzorce: c = f x Λ  (kde c je rychlost světla ve vakuu, f je frekvence, Λ (lambda) je vlnová délka), lze provést přepočet na frekvenci v jednotkách Hz.
Rychlost světla ve vakuu je definována přesnou hodnotou 299 792 458 metrů za sekundu.

Barva a vlnová délka

Různé frekvence světla vidíme jako barvy, od červeného světla s nejnižší frekvencí a nejdelší vlnovou délkou po fialové s nejvyšší frekvencí a nejkratší vlnovou délkou.
Hned vedle viditelného světla se směrem ke kratším vlnovým délkám nachází ultrafialové (UV) a směrem k delším vlnovým délkám infračervené záření (IR).
Bílé světlo je složeno z vícero barevných světel, o tom se můžeme přesvědčit například při pozorování duhy.

Absorpce světla

Když světlo narazí na povrch, část je pohlcena molekulami povrchu daného předmětu, přičemž pohlcené fotony se promění na teplo, takže povrch se velmi slabě zahřeje. Každý druh molekuly pohlcuje určité vlnové délky (barvy) světla. Barva povrchu záleží na tom, které vlnové délky pohltí a které odráží. Např. list rostliny je viděn jako zelený, protože pohlcuje všechny barvy, kromě zelené, a my vidíme jen odražené zelené světlo.

LED diody

Zkratka LED znamená Light Emiting Diode, slovo "dioda" je tedy v této zkratce již obsaženo, ale slovní spojení LED dioda je zažité a proto ho používáme.

LED dioda je elektronická polovodičová součástka obsahující přechod P-N. Prochází-li přechodem elektrický proud v propustném směru, přechod vyzařuje (emituje) světlo s úzkým spektrem (jednobarevné).

Obr. č. 1 : modul Petzl 5 LED - jedne z prvních doplňků pro přechod z žárovkového na diodové svícení

 

Barva světla LED diody je závislá na chemickém složení použitého polovodiče. Ledky jsou vyráběny s vyzařováním od ultrafialového, přes různé barvy viditelného spektra, až po infračervené záření. LED dioda nemůže přímo emitovat bílé světlo, proto se používá modrá dioda, před jejíž vyzařující část se nanese luminofor, který část světla přemění na žluté. Díky smísení s modrým světlem pak vznikne světlo bílé.

Se zvětšující se frekvencí emitovaného světla roste propustné napětí LED diody. Například zelená ledka z GaP polovodiče musí být připojena na napětí 1,7 V, aby svítila. Modrá z SiC polovodiče potřebuje již 2,5 V. Bílé Power LED diody potřebují pro plnou svítivost cca 3V - 4V.

Vršek diod bývá překryt kulovými vrchlíky z epoxidového, akrylového, nebo silikonového plastu. Tvar těchto vrchlíků ovlivňuje úhel vyzařování.

 

Výhody použití LED
  • Produkují více světla na Watt spotřebované energie, než žárovky, což je zvláště užitečné v zařízeních napájených bateriemi, nebo v úsporných zařízeních.
  • Mohou vyzářit světlo v požadované barvě bez použití barevných filtrů.
  • Jejich pouzdro může být navrhnuto k soustředění světla na určité místo.
  • V zařízeních, kde potřebujeme funkci "stmívání" nemění svou barvu při snížení napájecího proudu, na rozdíl o žárovek, které při snížení napájení vydávají žlutější světlo.
  • Jsou odolnější vůči otřesům.
  • Jsou ideální na použití v zařízeních, kde dochází k jejich častému vypínání a zapínání. Žárovkám se při častém zapínání a vypínaní rychleji přepálí vlákno. Výbojkám (úsporným žárovkám) časté zapínání též nesvědčí.
  • Mají extrémně dlouhou životnost. Výrobci obvykle udávají dobu životnosti jejich LED 50 000 - 100 000 hodin. U zářivek je obvyklý údaj 30 000 hodin a u typických žárovek 1000 – 2000 hodin.
  • Nejčastější příčinou jejich selhání je postupný úbytek jasu, na rozdíl od žárovek, u kterých se nejčastěji přepálí vlákno.
Nevýhody LED

Mají vyšší pořizovací náklady (počítáno v ceně za lumen), než tradiční světelné zdroje.
Jejich výkonnost hodně závisí na teplotě okolního prostředí. V případech vyšších teplot se musí zajistit dostatečné chlazení.
Musí být napájeny správným proudem, což komplikuje použití.
Barevná teplota světla LED diody záleží na použitém luminoforu

Mmnohé levné ledky se vyrábí s nekvalitním luminoforem, který způsobí nepříjemnou namodralou barvu světla.
Světlo bílých LED diod je nerovnoměrné (jednotlivé barvy světla nejsou zastoupeny ve stejném poměru, jako ve světlu z tepelného zdroje), takže může mírně zkreslovat barvy.

 

 

Obr. č. 2: detail čipu výkonné diody Cree 3W

 
LED svítilny

 

Žárovky jako zdroj světla jsou známy již z dob pana Edisona a během své dlouhé existence se příliš nezměnily. Původní uhlíkové vlákno sice nahradilo vlákno wolframové, ale základní nevýhodu žárovek, nízkou účinnost, se odstranit nepodařilo. Uvážíme-li, že rozžhavené wolframové vlákno žárovky vyzáří pouze cca 5% viditelného záření (světla) a zbytek je záření infračervené (teplo), je zřejmé, že žárovka je spíše dobré topidlo než svítidlo. Mírné zvýšení účinnosti se docílilo u žárovek halogenových, u kterých je wolframové vlákno žhaveno na vyšší teplotu.

S příchodem výbojek se naskytla možnost v mnohých případech žárovku nahradit tímto výrazně účinnějším zdrojem světla, ale žárovky v ručních a čelových svítilnách výbojky (zářivky) nahradit nemohou. Vyrábí se sice přenosné svítilny s výbojkou, ale tyto lampy musí mít elektroniku měnící napětí baterií na více jak 200V. Výbojkové trubice nejsou bodový zdroj světla, takže tyto svítilny mají jednoduchý oválný reflektor, případně nemají žádný, takže osvítí jen blízký prostor. Alternativa k žárovkám v ručních svítilnách vznikla až s příchodem vysocesvítivých LED diod.

LED svítilny jsou díky vyšším výrobním nákladům (komplikovanější konstrukce, dražší součástky a díly) dražší, než jejich žárovkové sestřičky. Jejich užitná hodnota je však vyšší.

Několik důvodů, proč zvolit svítilnu s LED diodou (diodami):

LED dioda má oproti žárovce vyšší účinnost přeměny na světlo, běžné LED svítilny při stejné svítivosti spotřebovávají cca 4 × méně energie z baterií.
LED dioda má výrazně delší životnost než žárovky, u Power LED diod bývá udávána životnost cca 50 000 h, je tedy zhruba stejná, jako životnost celé svítilny (většinou odejde dřív spínač). Výměny spálených žárovek jsou díky tomu minulostí (čímž můžeme dost ušetřit, neboť halogenky nejsou nejlevnější).
Díky elektronice máme možnost provádět různá kouzla se světlem (bývá možnost volby několika stupňů intenzity světla, blikání, signál SOS).
Další výhodou LED je vyšší mechanická odolnost, rozžhavené vlákno žárovky je choulostivé na otřesy, ledkám otřesy nevadí.

Velkou výhodou LED diod je stálá barva světla. Při vybíjení baterek v žárovkové svítilně klesá s proudem teplota wolframového vlákna, což způsobí nejen pokles intenzity světla, ale i zvyšování podílu červeného světla oproti ostatním barvám, které dohromady tvoří světlo bílé (světlo nejdříve žloutne a postupně přechází do oranžové). U LED diod s poklesem proudu klesá vyzářený světelný výkon, ale světlo má stále stejnou vlnovou délku, takže bílé ledky nemění barvu světla (barevnou teplotu) s poklesem proudu. Jelikož lidské oko snáze zaregistruje mírnou změnu barvy světla, než mírný pokles jeho intenzity, nepůsobí snižování svítivosti LED svítilny tak rušivě, neboť to postřehneme později, než u žárovkových svítilen.
Díky této výborné vlastnosti můžeme výkon LED svítilen regulovat pomocí vestavěné elektroniky, aniž by se to projevilo na barvě světla.

Hlavní nevýhodou použití LED diody ve svítilně je značné zvýšení výrobních nákladů, takže ceny LED svítilen jsou o dost vyšší, než u jejich žárovkových sestřiček.

 

Volba LED svítilny

S jakou LED diodou?

Svítilny s vícero 5mm ledkami nemohou světelným výkonem konkurovat výkonovým ledkám s velkoplošným polovodičem (Power LED). Nicméně na posvícení v domácnosti či nenáročné svícení v přírodě postačí.
Pokud však potřebujete vyšší výkon, je třeba se poohlédnout po svítilně s power ledkou. Svítilny osazené výkonovou ledkou se liší světelným výkonem a kuželem, použitou elektronikou a použitými bateriemi (pomineme-li design).
Světelný výkon je dán typem použité ledky a velikostí proudu, kterým je napájena. V nejlevnějších svítilnách se používají neznačkové power ledky, nebo napodobeniny značkových, které mají vesměs bídnou účinnost. Značkové power LED diody (Cree, Luxeon, SSC, Osram.....) vyzáří podstatně více světla při stejné spotřebě energie odebírané z baterií, účinnost těch nejlepších se dnes pohybuje kolem 100 lm/W.
Nejčastěji lze v LED svítilnách nalézt power ledky s max. výkonem 3 W, skutečná svítivost svítilny však záleží na elektrickém výkonu, kterým je ledka napájena. Takže pouhý údaj, že ve svítilně je použita 3W LED nic nevypovídá o svítivosti. Světelný výkon svítilny bývá uveden v jednotkách lumen a u svítilen s jednočipovou power ledkou se pohybuje nejčastěji v rozmezí 80 - 250 lm.
Při porovnávání svítivosti je potřeba přihlédnout k tomu, jak oko vnímá nárůst světelného výkonu, např. rozdíl mezi 100 lm a 120 lm je na hranici rozlišitelnosti. Pokud kupujete novou svítilnu s tím, že musí být výkonnější než původní, je vhodné, aby její svítivost byla alespoň o třetinu vyšší.

S jakým reflektorem?

Další důležitou vlastností svítilny je charakter světelného kuželu. Ten se skládá ze středového světelného kruhu (hotspot) a vnějšího kruhu (halo).
Mnoho začátečníků se zajímá hlavně o dosvit svítilny, což je ale jen jedna z vlastností, která nic neříká o celkovém světelném výkonu. Svítilny s dalekým dosvitem musí mít světelný kužel s velmi úzkým středovým světelným kruhem, taková svítilna se ale příliš nehodí na svícení nablízko, protože na osvícené ploše vytváří malý, intenzivně osvícený bod, na který se přizpůsobují oči a díky tomu zbytek scény tone v temnotě.

Aby měla svítilna co nejdelší dosvit (takovým svítilnám se říká throwery), musí mít velký a hluboký reflektor. Je nereálné očekávat extrémní dosvit od svítilny s průměrem reflektoru stejným, jako zbytek těla na AA či CR123A baterie.
Délka dosvitu svítilny je velmi subjektivní a často značně přikrášlený údaj.

Některé svítilny mají středový kruh širší, s plynulým přechodem do vnějšího, což je pro běžné svícení mnohem příjemnější. Takové svítilny lze velmi dobře použít např. na noční outdoor, nebo na jízdní kolo. Tyto svítilny mají většinou malý strukturovaný reflektor.

Stejně jako žárovky, i power LED diody vytvářejí v reflektoru světelný kužel s různými kruhy a nerovnoměrnostmi (artefakty). Pro odstranění těchto drobných vad používá většina LED svítilen reflektor s drobnými hrbolky (orange peel), které způsobí rovnoměrnější rozptýlení světla. Čím jsou hrbolky větší, tím hladší má svítilna světelný kužel. V throwerech se používají hladké reflektory, a to nikoliv kvůli vyšší odrazivosti, jak se někdy tvrdí, ale protože rozptýlení světla je v tomto případě na závadu.

Baterie v LED svítilnách.

Napájení LED svítilen je nejčastěji řešeno tužkovými (AA) bateriemi, nebo Lithiovými bateriemi CR123A. Alkalické AA baterie jsou vhodné pouze do méně výkonných svítilen, nebo při použití nižších režimů. LED svítilny totiž z baterií odebírají při max. výkonu značný proud, který alkalické baterie nejsou schopny dlouhodobě dodávat a rychle jim klesá napětí. Mnohem vhodnější jsou NiMH akumulátory, které sice mají nižší počáteční napětí, ale toto napětí drží i při vysokém odběru.

Lithiové baterie CR123, které jsou velmi často používány pro napájení LED svítilen, jsou mnohem výkonnější, než alkalické a na víc jsou lehčí, bohužel jsou dost drahé. Pokud si koupíte svítilnu na tyto baterie, je výhodné pořídit si Li-ion akumulátor 16340 (RCR123A) a nabíječku, čímž lze provoz svítilny výrazně zlevnit.
Méně běžné jsou svítilny na Li-ion akumulátory 18650. Jelikož jsou tyto akumulátory velmi výkonné, používají se většinou ve svítilnách s vysokým výkonem.

Elektronika v LED svítilnách.

LED diody jsou choulostivé na překročení maximálního proudu. Proto musí obsahovat alespoň ochranný rezistor.
Většina LED svítilen má měnič napětí, který napětí baterií upraví na požadovanou velikost.
Nutnost použití elektroniky nejen komplikuje konstrukci, ale způsobuje též snížení energetické efektivity svítilny. Je dobré si uvědomit, že bezeztrátovou elektroniku nelze vyrobit, výše ztrát závisí na tom, jakou práci odvede výrobce při jejím návrhu a konstrukci. Pokud tuto důležitou věc odbyde, mohou být ztráty vysoké. U nejlevnějších, a tedy většinou i nejhůře zkonstruovaných LED svítilen se účinnost elektroniky pohybuje většinou v rozmezí 30% - 60% (tedy ztráta 70% - 40%). U kvalitních výrobků je ztráta omezena na minimum, účinnost bývá nad 60% a u těch nejlepších nad 80%. Není nic neobvyklého, že kvalitní svítilna se srovnatelným světelným výkonem a stejným akumulátorem vydrží svítit několikrát déle, než svítilna, u které je elektronika špatně navržena či špatně vyrobena.

Obr. č. 4 : elektronika pro řízení výkonných LED, made in China


Elektronika v LED svítilnách sice spotřebuje část výkonu zdroje, jelikož však LED diody zbylý výkon přemění na světlo s mnohem vyšší účinností, poskytnou i levné svítilny delší dobu svícení, než svítilny s žárovkou.
Ač je elektronika menší či větší žrout výkonu, dává nám obrovské možnosti. Díky ní totiž může být svítilna vybavena speciálními funkcemi, jako např. přepínání výkonu, blikání, vysílání signálu SOS, upozornění na vybití baterek atd. U některých svítilen elektronika udržuje stabilní proud ledky, který jinak s vybíjením baterek mírně klesá. Takto vybavené svítilny mají konstantní jas a teprve těsně před vybitím baterek dojde k poklesu.


Proč koupit značkovou LED svítilnu?

Jako u každého jiného typu spotřebního zboží i u LED svítilen máte možnost volby, zda koupit noname svítilnu a nebo si připlatit za značkovou. Pokud kupujete košili u vietnamců, rozhodnutí máte jednoduché, neboť vidíte střih a kvalitu látky. Bohužel u LED svítilny zjistíte její vlastnosti až při používání.
Na noname svítilně může být uvedeno, že používá prémiovou Cree Q5 LED, ale není to náhodou obyčejná P4 ledka?
Svítivost je uvedena 200 lm. Poznáte, jestli skutečná svítivost této hodnotě odpovídá?
Výdrž může být uvedena 2 h, ale vám vydrží svítit jen půl hodiny. Čím to asi může být, že by elektronika s žalostně nízkou účinností?
Elektronika bývá často výkonostně poddimenzována, takže může po čase odejít.
Ledka bývá často špatně přichycena k chladiči, takže přenos tepla není dobrý a při vysokém režimu dochází k přehřívání a snižování účinnosti ledky. Kamenem úrazu bývají také spínače.