Ön itt jár: > >

Tudástár

Tudnivalók a LED lámpákról


 

  1. Bevezetés

 

A LED-lámpa (vagy LED izzó) egy szilárdtest lámpa, ami fénykibocsátó diódákat (LED) használ fényforrásnak. A LED lámpák csereszabatosak más típusú lámpákkal. Mivel a különböző technológiájú lámpák (LED, fénycső, izzólámpa) fényhatásfoka (az egységnyi villamos energia bemenettel előállított fény: [lm/W]), jelentősen különbözik, a kibocsátott fényáramot is feltüntetik, hogy lehetővé tegyék a különböző típusú lámpák összehasonlítását. A gyártók néha még azt is feltüntetik, hogy az adott LED lámpa mekkora teljesítményű hagyományos izzólámpának felel meg, szükségtelenné téve a fényárammal való számolgatást (az átlag felhasználó amúgy sem ismeri a hagyományos izzólámpa karakterisztikáját). A LED lámpák hatékonysága folyamatosan javul, néhány chip napjainkban már meghaladja a 100 lm/W (lumen per watt) fényhatásfokot. A LED-ek nem bocsátanak ki fényt minden irányban, ez a tulajdonság alapvetően befolyásolja a lámpák kialakítását. Mivel egy LED chip teljesítménye többnyire alacsony, így egy lámpába a megfelelő fényáram biztosítása érdekében több chipet szerelnek be. A LED diódák egyenárammal (DC) működnek. Ahhoz, hogy hálózatról lehessen üzemeltetni őket, egyenirányító és feszültségszabályzó áramkörökre van szükség. A LED-ek magas hőmérsékleten tönkremennek, így hűtésükről gondoskodni kell. Ha túl nagy teljesítményt zsúfolnak össze kis helyen, akkor hűtőbordával kell megnövelni a hő leadó felületet (természetes konvekció). A LED-es lámpák hosszú élettartamúak és magas hatásfokkal bírnak, de a kezdeti költségek magasabbak, mint a fénycső és hagyományos izzólámpa esetében. A LED-chipek kémiai bomlása csökkenti a fényáramot az életciklusa alatt. A LED lámpákban lehet hagyományos félvezető világító dióda, szerves LED (OLED) vagy polimer fénykibocsátó dióda (PLED). Ez utóbbi kereskedelmi forgalomban még nem kapható.

 

  1. LED chipek

 

Az általános célú világításnak fehér fényre van szüksége. A LED egy nagyon szűk hullámhossz tartományban bocsát ki fényt (a felhasznált félvezetőre jellemző középértékkel). Ahhoz, hogy ebből a szűk tartományból széles spektrumú fehér fényt kapjunk, két módszer áll rendelkezésre:

  • Különböző (egyszínű) LED-ek összeépítése és fényük keverése (tipikusan kék, zöld és piros). Ezeket nevezik RGB LED-eknek.
  • Foszfor alkalmazása.

Az első módszer (RGB-vagy háromszínű fehér LED-ek) többféle LED chip-et alkalmaz, mindegyik más hullámhosszú fényt bocsát ki, ezek keverésével (színösszeadás a monitorokhoz és TV-khez hasonlóan) hozzák létre a széles spektrumú fehér fényt.

Előny:

  • az egyes LED-ek intenzitása állítható, így a kibocsátott fény jellege is könnyen változtatható.

Hátrányai:

  • magas ár: több LED chipet kell beépíteni
  • rossz színvisszaadás (alacsony CRI): a piros és a zöld hullámhossz közötti rés sokkal nagyobb, mint a zöld és a kék közt, ami egyenetlen spektrális sűrűséget eredményez. Pl. egy narancs visszatükröz  valamennyi pirosat és zöldet, de nem olyan arányban, hogy az emberi retina narancssárgaként értelmezze. Így a legtöbb narancs színű tárgy vörösesnek látszik.
  • egy színkomponens degradálódása a spektrum eltolódását vonja maga után

Ezért az RGB LED-eket inkább bemutató célokra használják, megvilágítására ritkán. Ennek hatására néhány gyártó egy negyedik, borostyán színű LED-et ad a már meglévő háromhoz, amit RGBA LED, vagy tetrakromatikus (tetrachromatic) fehér LED néven forgalmaznak (nem tévesztendő össze a RGBA színtérrel). Várható, hogy a színek számát a jövőben növelni fogják, hogy egyenletesebb eloszlású spektrumot kapjanak.

through-hole RGB led

1. ábra: 4 lábú RGB led dióda

A másik módszer, a foszfor-konvertált LED (pcLED), egy rövid hullámhosszú LED-et (általában kék vagy ultraibolya) használ, olyan foszforral kombinálva, amely elnyeli a kék fény egy részét és egy szélesebb spektrumú fehér fényt bocsát ki. (A mechanizmus hasonló ahhoz, ahogy egy fluoreszcens lámpa konvertálja látható fehérré az UV fényt.)

Előnyök:

  • alacsony termelési költségek
  • magas CRI (színvisszaadási index)

Hátrány:

  • a foszfor konverzió csökkenti a lámpa hatékonyságát, részben a Stokes eltolódás miatt.
  • a fény spektrumát nem lehet dinamikusan megváltoztatni.

Az alacsony költség, valamint a megfelelő teljesítmény teszi ezt az eljárást a legszélesebb körben használt technológiává az általános világításban manapság.

through-hole white led

2. ábra: Színtelen "fehér fényű" led dióda

 

  1. Lámpákban használatos LED technológiák

 

  • through hole LED: a chipnek két hosszú, vékony lába van és egyszínű átlátszó epoxigyanta teste. Ezeket a LED-eket használták az első LED lámpákban. A lábakat a lámpa testen kiképzett furatokba dugják bele, majd odaforrasztják. Ezeknek a chipeknek a teljesítménye relatíve alacsony (40-60 mW), ezért sokat kellett egy lámpába beépíteni. Az újabb lámpákban az ilyen típusú diódákat -mind esztétikai, mind gyártástechnológiai okokból kifolyólag- már nem alkalmazzák.

through-hole_spot_lamp

3. ábra: Spot lámpa through-hole led diódákból

through-hole_corn_lamp

4. ábra: "Kukorica" izzó throgh-hole led diódákból

  • SMD (surface mounted) LED: a chip rövid lábakkal rendelkezik, valamint egy -többnyire fehér- testtel, aminek közepében egy -megintcsak többnyire- sárga felület található. Ezen felület alatt képezik ki az anódot és a katódot.

smd_spot_lamp

5. ábra: Spot lámpa SMD led diódából

smd_corn_lamp

6. ábra: "Kukorica" lámpa SMD led diódából

  • COB (chips on board) LED: több LED chip egy közös tokozásban. Célja, hogy a fény ne egy pontszerű forrásból jöjjön, hanem egy nagyobb felületről. SMD technológiával gyártják, csak az ún. SMD chipeknél jóval nagyobb felülete van. Alumínium, vagy jó hővezető kerámia hordozóra ültetik a chipeket, ezzel biztosítva a chip hűtését.

cob_spot_lamp

7. ábra: Spot lámpa COB led diódából

  • HP (high power) LED: nagy teljesítményű LED chipek, fém hűtőbordára 1 LED chipet szerelnek, ami akár 10 W teljesítményű is lehet.

hp_led

8. ábra: High power led dióda hőelvezető fémlapra forrasztva

  • flux (superflux, high flux, piranha) LED: 4 rövid, vastag lába van és átlátszó színtelen teste. A legjobb fényhatásfokkal rendelkezik a PCB-re integrált megoldások közül. A 4 lábnak köszönhetően jól ellenáll a rezgésnek és külső erőknek. A legalacsonyabb hőellenállással bír. Nagyon sokféle sugárzási szöggel gyártják. Főleg autóiparban használatos

piranha_led

9. ábra: Piranha led dióda

 

  1. A LED lámpák előnyei:

 

  • Nagy fényhatásfok (luminous efficacy), a jelenlegi technológiával a 100 lm/W is meghaladható. Ebből következik az alacsony villamos fogyasztás.
  • Azonnali reakció (nem kell várni, míg bemelegszik): bekapcsolási idő < 1 us
  • A többi fényforráshoz képest kevés veszteséghőt termel
  • A többi fényforrással összehasonlítva kevésbé érzékeny a külső fizikai behatásokra (leejtés, odaütődés), kevésbé törékeny
  • Relatíve magas élettartam (30000+ üzemóra)
  • Nem tartalmaz nehézfémet, így selejtezéskor nem minősül veszélyes hulladéknak
  • Ki/be kapcsolások száma nem befolyásolja az élettartamot
  • Nincs UV (ultraibolya) és IR (infravörös=hő) sugárzás, csak a látható tartományban sugároz
  • Mára a LED chipeket sok különböző színben gyártják, szükségtelenné téve különböző színszűrők használatát, amik a hatásfokot rontanák.

 

 

  1. A LED lámpák hátrányai:

 

  • Magas ár
  • A hagyományos izzólámpához képest alacsony CRI (színvisszaadási index)
  • A közvetlenül a hálózati váltakozófeszültségre csatlakoztatható lámpák (Európában pl. E14, E27, GU10) kiegészítő belső egyenirányító-feszültségszabályozó áramkörrel vannak ellátva -> plusz hibalehetőség
  • A dimmelhető (fokozatmentesen változtatható fényerejű) lámpák bonyolultabb szabályozó elektronikát igényelnek -> még drágább, még több hibalehetőség
  • A dimmelt lámpa alacsonyabb fényhatásfokkal működik
  • Élettartama vége felé a LED chipek fényereje csökken. 20%-os csökkenés a lámpa élettartamának végét jelenti (30000+ óra után)
  • Érzékeny a túlmelegedésre, ezért mindig biztosítani kell, hogy a hő távozni tudjon a chipekről. Kis teljesítménysűrűség esetén nem kell hűtőborda, ellenkező esetben igen. Nagy teljesítménysűrűség esetén (nem általános, beltéri világításban nem jellemző) a természetes konvekció nem elég -> ventillátor kell.
  • Hőmérsékletingadozások a forrasztásokban (ólmot nem tartalmazó forraszanyag esetén, azaz szinte minden esetben) fáradásos törést okozhatnak (ehhez jelentős hőingadozások kellenek: kültéri lámpák+szélsőséges körülmények)

borda_passziv_hutes

10. ábra: Kisebb teljesítmény: nagy felületű hűtőbordák passzív hűtéshez (természetes konvekció)

ventillatoros_hutesu_lampa

11. ábra: Nagyobb teljesítmény: kiegészítő ventillátor (mesterséges konvekció)

 

  1. Egyéb szempontok LED lámpa beszerzésekor:

 

  • A LED chipek kis szögben sugároznak fényt, ezt különböző megoldásokkal küszöbölik ki:

                - kukorica design: a chipeket körkörösen helyezik el (E27, E14)

                - a LED chip elé lencsét szerelnek, ami megnöveli a sugárzási szöget (spot)

                - a LED chip elé matt (tejüveg) burát szerelnek, ami szétszórja a fényt

Ezen megoldások bármelyike a hagyományos formától jelentősen eltérő designt eredményez, ami esztétikai szempontból többnyire hátrányos (a legutolsó megoldás még a hatásfokot is rontja)

  • - A LED technológia gyors ütemben fejlődik, így egy ma megvásárolt LED lámpa 1 év múlva (tervezett élettartamának töredékénél) már drágának/alacsony hatásfokúnak számíthat az akkori LED lámpákkal összevetve
  • - A bolti árak nagyon magasak, szinte csak webshop-ból éri meg vásárolni, ahol a vásárló nem próbálhatja ki, így csak a leírásokra hagyatkozhat. Triviális példa: ha a színhőmérséklet 4500 K-ben van megadva, nem biztos, hogy a vásárló azonnal tudni fogja, hogy ez mennyire meleg fehér, illetve, hogy mit jelent ez egyáltalán. Nem triviális példa: ha CRI=88, akkor mennyire narancssárga egy érett mandarin?
  • - A LED lámpák hatásfoka jelentősen magasabb a hagyományos izzóknál. A feltüntetett elektromos teljesítmény nem mond semmit arról, hogy mennyi fényt ad az adott lámpa. Ezért a fénykibocsátást is fel szokták tüntetni lumenben. Az emberek többségének viszont a lumen megint nem mond semmit, mert a hagyományos izzókon ezt nem tüntették fel. Így a vásárló részéről mindig marad egy megválaszolatlan kérdés: ...ez most hány wattos hagyományos izzónak felel meg? A kérdésre 3 válasz létezik:

                - A LED lámpa csomagolásán ezt az értéket is feltüntetik. Leolvasom, pont.

                - A hagyományos izzók karakterisztikájából ki lehet számolni, hogy ugyanakkora fénykibocsátást mekkora teljesítményű izzólámpával lehet elérni. Kiszámolom, pont.

                - Nem lehet megmondani, mert a LED lámpa spektruma jelentősen eltér a hagyományos izzóétól. Figyelembe véve az emberi szem "átviteli függvényét", azaz, hogy a spektrum mely frekvenciáira reagál jobban (nappali és éjjeli látás), nincs olyan LED lámpa, ami megfeleltethető lenne egy hagyományos izzólámpának

  • A hideg fehér LED lámpák fényhatásfoka (lm/W) általában néhány százalékkal jobb, mint a meleg fehéreké. A hideg fehér lámpáktól mégis idegenkedik a vásárlók nagy része, mert a hagyományos izzó meleg fehér/természetes fehér sugárzási tartományához szoktak.

 

  1. A LED lámpa mechanikai és elektromos kialakítása:

 

A LED chip egy alacsony feszültségű szilárdtest eszköz, és nem lehet közvetlenül üzemeltetni nagyfeszültségű váltakozó áramú (AC) hálózatról. Ehhez egy kiegészítő áramkörre van szükség, ami biztosítja a megfelelő alacsony egyen feszültséget (DC). Elvileg egy dióda és egy ellenállás sorba kapcsolásával el lehetne érni a kívánt hatást, de ez nem hatékony, mivel a feszültség nagy része az ellenálláson alakul hővé. Több, sorba kapcsolt LED-et már rá lehet kötni nagyobb feszültségre, de egy LED tönkremenetele az egész sor LED működésképtelenségét vonja maga után. A LED-eket párhuzamosan kötve a növelni lehet azok megbízhatóságát a redundanciának köszönhetően. A valóságban három vagy több füzért használnak. Hogy a gyakorlatban is használható megoldást kapjunk, számos LED-et kell egymás közelében elhelyezni, hogy hatásukat egyesítsük, mivel egy LED chip a hagyományos fényforrások fényének töredékét bocsátja ki.

led_lamp_assembly

12. ábra: through-hole ledes lámpa kialakítása. Piros drótok: ledek fűzérbe kötése. Elektronika: ún. driver (egyenirányító+feszültségszabályzó)

 

  1. Kandela, Lumen, Lux, Watt:

 

  • Watt: Az elektromos teljesítmény mértékegysége. Jele: W
  • Szteradián: A térszög mértékegysége. (egy teljes gömb 4pi szteradián). Jele: sr
  • Kandela: A fényerősség mértékegysége. 1 kandela olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, amely 555 nm hullámhosszú monokromatikus sugárzást bocsát ki, és sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W/sr. Jele: cd
  • Lumen: A fényáram mértékegysége. 1 lumen az a fényáram, amelyet az 1 kandela fényerősségű, minden irányban egyenletesen sugárzó, pontszerű fényforrás 1 szteradián térszögbe sugároz. Jele: lm
  • Lux: A megvilágítottság mértéke. Egy adott felületet megvilágítottsága 1 lux, ha azt négyzetméterenként 1 lumen fényáram éri.

Mit jelentenek ezek a mennyiségek? Az elektromos teljesítmény azt mutatja, hogy mennyire drága az adott fogyasztó üzemeltetése. A hagyományos wolframszálas izzók teljesítményét wattban nominálták. A fényáram megmutatja, hogy a lámpa milyen erősen világít. A LED fényforrások teljesítményét lumenben is megadják. A fényerősség ezzel szemben azt mutatja, hogy a lámpa egy adott térszögben (irányban) milyen erősen világít. Vegyünk például két izzót. Az egyik legyen egy villanykörte, ami minden irányban egyenletesen sugároz, a másik pedig legyen egy szpot lámpa 30 fokos sugárzási szöggel. Legyen mindkét lámpa hagyományos wolframszálas izzó és legyen mindkettő teljesítménye 50 W. Az 1. ábra szerint az izzók kb. 500 lm fényáramot bocsátanak ki. A körte kb. 39.79 cd fényerősséggel sugároz, míg a szpot 2336 cd-val

kandela_lumen_konverzio

13. ábra: Nomogram kandela-lumen konvertálására adott sugárzási szögek esetén

 

  1. Hagyományos izzó kiváltása:

 

Az 14. ábra megmutatja, hogy egy hagyományos wolframszálas izzó fényárama hogy alakul az elektromos teljesítménye függvényében. Pl. egy 100 W-os izzó kb. 1160 lm fényáramot biztosít. A 15. ábra a wolframszálas izzó fényhatásfokát mutatja. Az ábráról könnyen leolvasható, hogy a kisteljesítményű wolframszálas izzók fényhatásfoka a legkisebb, így azok LED fényforrással való kiváltása térül meg a leghamarabb.

wolfram_lumen

14. ábra: Wolframszálas izzó (220V) karakterisztikája

wolfram_efficacy

15. ábra: Wolframszálas izzó fényhatásfoka

 

  1. Halogén izzó kiváltása:

 

A 16. ábra megmutatja, hogy egy wolframszálas halogén izzó fényárama hogy alakul az elektromos teljesítménye függvényében. Pl. egy 100 W-os izzó kb. 1660 lm fényáramot biztosít. A 17. ábra a wolframszálas halogén izzó fényhatásfokát mutatja. Az ábráról könnyen leolvasható, hogy a kisteljesítményű wolframszálas halogén izzók fényhatásfoka a legkisebb, így azok LED fényforrással való kiváltása térül meg a leghamarabb. Az 18. ábrán a szakirodalomban közölt (Elméleti) és egy véletlenszerűen kiválasztott gyártó különböző sorozatú halogénizzóinak karakterisztikáit tartalmazza. A görbéket ugyan foglalatokkal jelöltük, de ez csak az adott gyártó termékeire igaz, valójában a foglalatoknak nincs befolyásuk a hatásfokra. Mint látható, ugyanazon gyártó különböző típusú halogén izzói is jelentősen különböző karakterisztikákkal rendelkeznek. Ezért elmondható, hogy ha korábban a halogén izzó megvásárlásakor spóroltunk, akkor most egy alacsony hatásfokú izzóval rendelkezünk, amit LED izzóval kiváltva gyors megtérülésre számíthatunk (hiszen ugyanannyi fényáramhoz egy gyengébb LED izzó is elég). Ugyanakkor egy jobb minőségű halogén izzó LED-el való kiváltásakor hosszabb megtérülési idővel lehet számolni.

halogen_lumen

16. ábra: Wolframszálas halogén izzó (220V) karakterisztikája

halogen_efficacy

17. ábra: Wolframszálas halogén izzó fényhatásfoka

halogen_lumen_real

18. ábra: Kereskedelemben kapható wolframszálas halogén izzók fényhatásfoka

 

  1. Különböző technológiájú lámpák összehasonlítása:

 

  • HP-Mercury: Nagynyomású higanygőz lámpa
  • Incandescent: Hagyományos wolframszálas izzó
  • Fluorescent: Neoncső, vagy kompakt fénycső
  • Halogén: Wolframszálas halogénizzó
  • LP-Sodium: Alacsony nyomású nátrium lámpa (utcai világítás, többnyire E40-es foglalattal)
  • HP-Sodium: Nagynyomású nátrium lámpa (utcai világítás, többnyire E40-es foglalattal)

A két alábbi diagram alapjául szolgáló értékek nem azonos forrásból származnak, így nem teljesen konzisztensek. Különösen a LED fényforrások esetén nehéz trendeket rajzolni a gyors fejlődés okán.

19. ábra: Különböző típusú izzók fényhatásfoka napjainkban

technologiak_fejlodese

20. ábra: Különböző technológiájú izzók fényhatásfokának fejlődése