Zaloguj
Klasyczne żarówki zawierające rozgrzany żarnik, znane są od niemal dwustu lat. W szerokim użyciu były przez cały XX wiek, niestety z uwagi na ich niską sprawność i postęp technologii półprzewodnikowych, odeszły do lamusa. Zastąpione zostały świetlówkami kompaktowymi (tzw. „żarówki energooszczędne”) lub diodami elektroluminescencyjnymi (tzw. „żarówki LED”). Jest to nieskończone źródło pomyłek, problemów technicznych i nieustającej konfuzji, nie tylko wśród użytkowników tych źródeł światła, ale także inżynierów, którzy z nich korzystają do projektowania systemów oświetleniowych.
Wszystko, począwszy od nazwy tych źródeł światła, jest niejasne, ponieważ odnosi się do żarówek – domyślnego źródła światła, które mamy niemal „wpisane” w nasze umysły. Z nimi się wychowaliśmy, były od zawsze dookoła nas i dopiero niedawno zaczęły być zastępowane nowocześniejszymi rozwiązaniami. Dodatkowo, z uwagi na to, że ich mechanizm świecenia – emisja cieplna, jest w zasadzie taki sam, jak sposób świecenia światła naturalnego (czyli słońca), są one bardzo „przyjazne” i naturalne dla naszego wzroku. O tym, w jaki sposób diody LED odbiegają od optymalnego oświetlenia mówi szereg parametrów, które je charakteryzują.
W artykule przyjrzymy się diodom LED stosowanym do oświetlania pomieszczeń, z naciskiem na parametry, jakie używane są do ich charakteryzacji oraz tym, w jaki sposób się je mierzy. Zrozumienie tych zagadnień pozwoli na wybranie optymalnych komponentów do każdego zastosowania.
Budowa i zasada działania diody LED
Dioda elektroluminescencyjna jest złączem P-N, tak jak każda dioda półprzewodnikowa. Złącze pomiędzy dwoma warstwami półprzewodnika emituje światło, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Zjawisko to nazywa się elektroluminescencją. Elektrony przechodzą z obszaru N i rekombinują z dziurami znajdującymi się w obszarze P. Elektrony i dziury to cząstki i quasicząstki, reprezentujące ładunek elektryczny, odpowiednio ujemny i dodatni. O ile elektrony istnieją w rzeczywistości, to dziury są quasicząstkami – w rzeczywistości jest to wolne miejsce w materiale, które powstało na skutek przesunięcia elektronu dalej, poza materiał, pod wpływem przyłożonego napięcia.
Swobodne elektrony znajdują się na poziomie energetycznym zwanym pasmem przewodnictwa, natomiast dziury mają niższą energię i znajdują się w paśmie walencyjnym. Zatem poziom energii dziur jest niższy niż poziomy energii elektronów. Z tego wynika, że pewna część energii musi zostać rozproszona, aby ponownie połączyć elektrony i dziury (zrekombinować je). Energia ta jest emitowana w postaci ciepła oraz przede wszystkim światła.
Elektrony rozpraszają energię w postaci ciepła w przypadku diod krzemowych i germanowych (tj. takich, gdzie przerwa energetyczna jest skośna, co uniemożliwia emisję fotonów), ale w półprzewodnikach takich jak fosforek-arsenek galu (GaAsP) czy fosforek galu (GaP) przerwa energetyczna jest prosta, a to umożliwia emisję fotonów. To, że przerwa energetyczna danego półprzewodnika jest prosta czy skośna zasadniczo wykracza poza ramy tego artykułu – określenie to dotyczy parametru fizycznego, opisującego lokalizację elektronu i dziury w przestrzeni fizycznej i energetycznej. Prosta przerwa sprawia, że są one rozdzielone tylko energetycznie, a przerwa skośna, że także w przestrzeni krystalicznej, a co za tym idzie muszą się „przesunąć”. Objawia się to emisją fononu – kwantu drgania sieci krystalicznej, czyli (w uproszczeniu) ciepła. Jeśli przerwa energetyczna jest prosta, powstaje foton, który zostaje następnie wyemitowany, jeśli półprzewodnik jest dostatecznie cienki.
W ten sposób złącze P-N staje się diodą elektroluminescencyjną.
Długość fali emitowanego przez diodę światła, a tym samym jego kolor, zależy od energii przerwy energetycznej materiałów tworzących złącze P-N. W diodach krzemowych lub germanowych elektrony i dziury zwykle rekombinują w wyniku przejścia niepromienistego, które nie powoduje emisji optycznej z uwagi na skośną przerwę.
Materiały użyte do produkcji diod LED mają prostą przerwę energetyczną o energiach odpowiadających promieniowaniu elektromagnetycznemu od bliskiej podczerwieni, widzialnemu lub bliskiemu ultrafioletowi. To, jaka jest konkretna długość emitowanego światła, zależy, więc od użytego półprzewodnika.
Diody białe
Do oświetlenia używa się najczęściej białych diod LED. Diody o emisji zbliżonej do koloru białego uzyskuje się na dwa sposoby – łącząc trzy emitery w kolorach podstawowych lub stosując specjalne luminofory, świecące na biało, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego.
Pierwsze podejście polega na zintegrowaniu w układzie trzech pojedynczych diod LED, które emitują trzy podstawowe kolory – czerwony, zielony i niebieski. Kolory mieszają się ze sobą w celu uzyskania białego światła (rysunek 2). Rozwiązanie to pozwala również na tworzenie lamp RGB. Dzięki możliwości niezależnego sterowania natężeniem każdej z diod LED, możliwe jest uzyskiwanie innych kolorów niż tylko biały.
Zastosowanie materiału luminoforowego do konwersji światła monochromatycznego z (na ogół) niebieskiej lub ultrafioletowej diody LED na białe światło o szerokim spektrum (rysunek 3), działa podobne do lampy fluorescencyjnej (świetlówki). Żółty luminofor to najczęściej domieszkowane cerem kryształy YAG. Luminofor YAG powoduje, że światło diody LED zamieniane jest w żółte (fotografia 1), a przestrzeń między kryształami umożliwia przechodzenie niebieskiego światła z diody – tylko jego część jest konwertowana w żółty kolor. Obie barwy wspólnie dają wrażenie światła zbliżonego do białego. Alternatywnie, białe diody LED mogą zawierać inne luminofory, takie jak fluorokrzemian potasu (PFS) domieszkowany manganem (IV) lub inne, specjalnie w tym celu zaprojektowane luminofory. PFS pomaga w generowaniu światła czerwonego i jest używany w połączeniu z konwencjonalnym luminoforem Ce:YAG. W diodach LED z luminoforem PFS część niebieskiego światła przechodzi przez luminofory, luminofor Ce:YAG konwertuje światło niebieskie na światło żółte, a luminofor PFS konwertuje światło niebieskie na światło czerwone.
Barwę – widmo emisji, lub tzw. temperaturę barwową białych diod LED można zmieniać zmieniając natężenie poszczególnych kolorów (czerwony, zielony i niebieski) lub ilość i rodzaj luminoforu(ów) naniesionego na emiter. Pozwala to na uzyskiwanie różnych rodzajów bieli, o czym dokładniej w dalszej części artykułu.
„Żarówka” LED
Nic tak nie denerwuje inżynierów, jak nieprecyzyjne słownictwo. No chyba, że niepoprawne stosowanie terminów. Żarówka, jak sama nazwa podpowiada, to elektryczne źródło światła, które używa rozżarzonego żarnika (na ogół wolframowego włókna), do produkcji światła. Dlatego też termin „żarówka LED” jest zupełnie niepoprawny – w diodzie elektroluminescencyjnej nic się nie żarzy. Nawet więcej – podczas pracy musi być ona chłodzona, aby nie uległa uszkodzeniu.
Z drugiej strony język, jakim się posługujemy, żyje swoim życiem. W mowie potocznej termin „żarówka” wziął pod swoje skrzydła wszystkie elektryczne źródła światła – lampy LED, świetlówki kompaktowe, lampy wyładowcze itd. Pamiętajmy o tym i przymknijmy oko na powtarzane jak mantra określania „żarówka energooszczędna” czy „żarówka LED” kierowane do nowoczesnych źródeł światła.
Lampa LED
Do oświetlenia używa się lamp zawierających diody elektroluminescencyjne, zintegrowane z elementami optycznymi i elektroniką. Dzięki temu tworzą kompletny, zintegrowany system, który w prosty sposób zastępuje klasyczną żarówkę (fotografia 2). Do oświetlenia używa się również dyskretnych diod LED, jednak w tym artykule skupimy się na zintegrowanych lampach diodowych, które zawierają diody elektroluminescencyjne, elementy optyczne i podzespoły elektroniczne.
Diody elektroluminescencyjne
Kluczowym komponentem lampy LED są oczywiście diody LED. W zależności od tego, czy zastosowano diody RGB, czy diody z luminoforem, w lampie znaleźć możemy różną ilość struktur emitujących. W przypadku diody RGB na ogół instaluje się trzy diody lub ich wielokrotność. W niektórych lampach RGB – tak zwanych RGBW, oprócz trzech kolorowych diod montuje się diody w kolorze białym, aby poprawić współczynnik CRI lampy. Ilość diod LED ma też wpływ na geometrię wiązki emitowanego światła. Sama struktura diody LED emituje w ograniczonym stożku, dlatego też zastosowanie większej liczby emiterów pozwala na zwiększenie tego stożka w prosty i wydajny sposób. Ilość diod wpływa też na całkowite natężenie światła – pojedyncza dioda ma ograniczoną moc, więc najprostszym sposobem zwiększenia całkowitej mocy systemu jest zwiększenie ilości emiterów.
Elementy optyczne
Aby ukształtować wiązkę światła, ujednolicić światło pochodzące z wielu emiterów itd. stosuje się rozmaite elementy optyczne w lampie. Z jednej strony elementy odbijające światło – reflektory czy odbłyśniki, stosowane są także w klasycznych żarówkach (wystarczy spojrzeć na halogeny). Ich konstrukcja w lampach LED jest trochę inna, ale tak samo jak w halogenach pozwalają na zwiększenie kierunkowości emitowanego światła. Soczewki, dodawane do lamp LED, pozwalają na manipulację stożkiem światła, co pozwala na lepsze dobranie lampy do aplikacji. W zależności od tego, czy potrzebny jest element świecący szeroko, czy wąsko (jak np. teatralny), można dobrać odpowiednią lampę. Oprócz tych elementów w lampach LED często instaluje się matówki i rozpraszacze, które mają na celu wyrównać intensywność światła w obrębie wiązki. Konieczność stosowania takich elementów wynika z faktu, że w lampie LED często stosuje się wiele emiterów, więc strumień światła może być bardzo nierówny w swojej objętości.
Elektronika
Aby możliwe było podłączenie lampy LED do zwykłej oprawki, gdzie dotychczas pracowała żarówka, konieczne jest dodanie do lampy układu elektronicznego, który zmieni napięcie sieciowe (230 V AC) na takie, jakiego wymagają diody elektroluminescencyjne. Aby możliwe było zasilanie diod LED z napięcia sieciowego (na ogół), konieczne jest dodanie chociażby najprostszego układu elektronicznego, który byłby źródłem prądowym o odpowiednich parametrach. Stosuje się szereg różnych układów w lampach LED, od prostych zasilaczy beztransformatorowych, bazujących na kondensatorze ograniczającym prąd płynący przez diody, do złożonych przetwornic AC/DC, które w precyzyjny sposób sterują prądem diody. Schematy tych układów wykraczają poza zakres tego artykułu, gdyż ich zrozumienie nie jest konieczne do poznania parametrów lampy LED. Konstrukcja zasilacza w lampie LED ma wpływ na szereg parametrów gotowego produktu, takich jak np. sprawność elektryczna, współczynnik mocy czy bardzo często, trwałość i czas życia lampy.
Parametry i sposób ich pomiaru
Lampy LED, jakie używane są do oświetlenia, charakteryzowane są szeregiem różnych parametrów fizycznych. Poniżej przyjrzymy się najważniejszym z nich – ich znaczeniu dla doboru oświetlenia do konkretnej aplikacji oraz ich fizycznemu znaczeniu i definicji. Aby dopełnić kompletny obraz, opisane zostaną typowe metody ich pomiaru.
Natężenie światła
Jest to parametr opisujący, jak jasna jest badana lampa. Natężenie podaje się, jako strumień świetlny, wyrażany w lumenach. Strumień świetlny to jeden z najważniejszych czynników, jeśli chodzi o żarówki. Im wyższa wartość strumienia (podawanego w lumenach), tym jaśniej żarówka będzie świeciła.
Lumen to jednostka strumienia świetlnego w układzie SI. Definiuje się ją, jako strumień, wysyłany w kąt bryłowy równy jednemu steradianowi przez izotropowe źródło światła o światłości jednej kandeli. W dużym uproszczeniu, jednostka ta określa ilość światła emitowaną w pewnym kącie przez źródło. Kandela definiowana jest dla światła monochromatycznego o długości fali równej 555 nm, więc nie jest tak trywialne przejście do światła białego. W tym celu stosuje się specjalnie skalibrowane luksomierze, które dostosowane są do pomiaru światła białego.
Luksomierz posiada czujnik, który mierzy padające na niego światło i zapewnia użytkownikowi mierzalny odczyt natężenia oświetlenia wyskalowany w luksach (1 lx=1 lm/m2). Te przenośne urządzenia są powszechnie używane do charakteryzowania oświetlenia, przez fotografów, operatorów kamer itd. Luksomierze są standardowo skonfigurowane do oświetlenia w standardzie CIE A. Standardowy luksomierz nie będzie dobrze sprawdzał się w pomiarze oświetlenia LED z uwagi na inną charakterystykę spektralną. Do pomiaru strumienia świetlnego z lamp LED należy użyć specjalnego luksomierza, skalibrowanego do pomiaru tego rodzaju oświetlenia.
Na fotografii 3 pokazano przykładowe urządzenie tego rodzaju. Składa się ono z głowicy, która podłączona jest przewodem do zasadniczej części miernika.
Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest zmierzenie nie tylko natężenia światła lampy LED w jednym punkcie, ale pomiar całego widma jej emisji, tym bardziej, że potrzebne ono będzie również do wyznaczenia innych parametrów. Na podstawie widma oraz specjalnej krzywej kalibracyjnej wyznaczyć można wartość strumienia w lumenach.
Innym istotnym aspektem jest geometria pomiaru – całe światło emitowane przez lampę powinno trafić do detektora. Aby zebrać całe światło dowolnego emitera używa się tzw. stref całkujących. Strefa taka pokazana jest na fotografii 4. Strefa całkująca, to duża kula, wyłożona we wnętrzu materiałem, który rozprasza światło.
Zazwyczaj jest to Spectralon – materiał składający się w znacznym stopniu z teflonu, który charakteryzuje się reflektancją wyższą niż 99% w zakresie od 400 nm do 1500 nm – czyli w całym zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni. Sfera taka musi być na tyle duża, aby pomieścić w swoim wnętrzu badane źródło światła.
Lampa, umieszczona w środku, oświetla wnętrze sfery, a materiał, który znajduje się w jej wnętrzu rozprasza światło równomiernie na całej powierzchni wewnętrznej sfery. Jeśli teraz umieści się na powierzchni tej sfery fotodetektor (np. spektrometr czy luksomierz) w specjalnym porcie, tj. po prostu w otworze w pokryciu sfery, na detektor padnie strumień świetlny proporcjonalny do strumienia emitowanego przed badaną lampę. Współczynnikiem proporcjonalności w tym przypadku jest stosunek pola powierzchni detektora do całkowitej powierzchni wewnętrznej sfery. Wystarczy przemnożyć przez ten stosunek pomiar detektora, aby uzyskać dane lampy.
Wartość strumienia świetlnego jest najczęściej wykorzystywana do tego, aby porównywać między sobą różnego rodzaju źródła światła i dobierać je do konkretnej aplikacji. Dla wielu osób, przyzwyczajonych do żarówek i dobierania ich według mocy elektrycznej, to bardzo ważny parametr. Żarówka o mocy 25 watów odpowiada lampie LED mającej od 200 do 300 lm, 40 watów odpowiada od 300 do 500 lm, 60 watów to przedział od 500 do 750 lm, 75 watów daje od 700 do 1000 lm światła, a 100 W odpowiada źródło światłą od 900 do 1600 lm.
Jeśli chodzi natomiast o dobór konkretnej lampy do aplikacji, to kierować należy się ilością instalowanych punktów świetlnych oraz, oczywiście, rodzajem pomieszczenia i jego powierzchnią. W tabeli 1 umieszczono wartości strumieni świetlnych wymaganych w danym rodzaju pomieszczenia w przeliczeniu na metr kwadratowy.
Temperatura barwowa
Temperatura barwowa źródła światła to temperatura, która odpowiada temperaturze idealnego promiennika – ciała doskonale czarnego, który emituje światło o barwie porównywalnej z badanym źródłem światła. Temperatura barwowa jest cechą światła widzialnego, która ma ważne zastosowania w oświetleniu, fotografii, wideo, astrofizyce, ogrodnictwie i innych dziedzinach. W praktyce temperatura barwowa ma znaczenie tylko dla źródeł światła, które w rzeczywistości odpowiadają w pewnym stopniu promieniowaniu ciała doskonale czarnego, tj. emitują światło w postaci widma, które opisane jest rozkładem Plancka. Rozkład ten, dla różnych temperatur (3000 K, 4000 K oraz 5000 K) pokazano na rysunku 4.
Temperatura barwowa wyrażana jest w Kelvinach – jednostce miary temperatury bezwzględnej, gdyż odpowiada temperaturze ciała doskonale czarnego. W przypadku źródeł innych niż termiczne, takich jak lampy LED, nie jest możliwe dopasowanie rozkładu Plancka do zmierzonego widma, dlatego też konieczne jest wykorzystanie tzw. skorelowanej temperatury barwowej TC. Ona także wyrażana jest w kelwinach, jednak zdefiniowano ją tak, aby uwzględniała ludzką percepcję emisji o nie-planckowskim rozkładzie.
Temperaturę skorelowaną można wyznaczać można na szereg sposobów i co jakiś czas opracowywane są nowe, pół-empiryczne metody rzutowania parametrów fizycznych emiterów na wyidealizowaną przestrzeń barwną i wyznaczania w ten sposób skorelowanej temperatury barwnej. Dokładny opis tych metod wykracza poza zakres tego artykułu, dużo istotniejsze jest wyobrażenie sobie, jak wyglądają lampy w szerokim spektrum temperatur barwnych.
Temperatury barw powyżej 5000 K nazywane są „kolorami zimnymi”, ponieważ są niebieskawe, podczas gdy niższe temperatury barwowe (2700...3000 K) nazywane są „kolorami ciepłymi” (są żółtawe). Ciepły w tym kontekście odnosi się do koloru, a nie temperatury barwnej, bo ta jest zupełnie odwrotna – ciepła barwa światła pochodzi z chłodniejszych emiterów; te o najwyższej temperaturze barwnej w istocie daje światło chłodniejsze. W tabeli 2 zebrano przykładowe temperatury barwne różnych źródeł światła – naturalnych i sztucznych.
Współczynnik oddawania barw (CRI)
„Biel” wytwarzanego światła powinna być dopasowana do ludzkiego oka. Z powodu zjawiska metameryzmu możliwe jest zastosowanie różnych widm emisji, które wszystkie wydają się odbiorcy białe. Zjawisko metameryzmu polega na różnym odbiorze koloru barwnika przez nasze oczy, przy różnym oświetleniu. To kwestia oddawania barw, zupełnie niezależna od temperatury barwowej. O tym, jak dobrze dane źródła światła oddają barwy przedmiotów (w porównaniu do światła dziennego) mówi wskaźnik oddawania barw (CRI). Jest to ilościowa miara zdolności źródła światła do wiernego oddawania barw różnych obiektów w porównaniu z idealnym lub naturalnym źródłem światła. Najczęściej, jako miarę CRI wykorzystuje się CIE Ra. Parametr ten można wyznaczyć sposobem, jaki opisano dalej.
Źródła światła o wysokim CRI są pożądane w zastosowaniach, w których kolor ma krytyczne znaczenie, takich jak szpitale, zwłaszcza na oddziałach noworodkowych, pracownie renowacji dzieł sztuki, czy też warsztaty i inne miejsca, gdzie kolory są istotne. W naszych domach oświetlenie o wysokim CRI, także nie jest bez znaczenia – może nie jest krytyczne, ale jeśli mamy na to wpływ, powinniśmy wybrać lampy LED o wyższym CRI.
Numerycznie, najwyższa możliwa wartość CIE Ra wynosi 100 i jest przypisana tylko do źródła identycznego ze znormalizowanym światłem dziennym lub ciałem doskonale czarnym (lampy żarowe mieszczą się w tej kategorii). Wartość ta może dochodzić nawet do wartości ujemnych dla niektórych, wyjątkowo niekorzystnych źródeł światła. Niskociśnieniowe lampy sodowe mają ujemny współczynnik CRI, równy –44 z uwagi na to, że emitują one w zasadzie monochromatyczne, żółte światło. Świetlówki wahają się od około 50 dla podstawowych typów, do około 98 dla najlepszych świetlówek z odpowiednio dobieranymi, wielopasmowymi luminoforami. Typowe diody LED, używane do oświetlania pomieszczeń mają CRI 80 lub więcej – niektórzy producenci donoszą, że ich lampy LED osiągają CRI dochodzące nawet do 98. Uzyskuje się to, wstosując złożoną mieszankę luminoforów, co skutkuje jednak mniejszą sprawnością świetlną – wszystko jest jakimś kompromisem.
Współczynnik ten jest zdefiniowany przez Międzynarodową Komisję ds. Oświetlenia (ICI). CRI oblicza się, porównując oddawanie barw przy oświetleniu z testowego źródła do oświetlenia z pomocą źródła „idealnego”, które jest na ogół promiennikiem w postaci jakiegoś emitera ciała doskonale czarnego dla źródeł o skorelowanych temperaturach barwowych poniżej 5000 K, a poniżej tego wybraną fazą światła dziennego (np. D65).
Metoda testowa (zwana również metodą próbek testowych) wymaga jedynie informacji kolorymetrycznych, a nie spektrofotometrycznych. Zdefiniowany jest szereg kolorów – standardowych próbek testowych, które wykorzystuje się przy porównaniu. Oświetla się je najpierw badanym światłem, a następnie światłem z idealnego źródła porównawczego o takiej samej temperaturze barwowej, jaką ma badane źródło światła. Za każdym razem określa się kolor odbitego światła w przestrzeni barwnej CIE 1964. Dla każdej badanej próbki oblicza się niezależnie tzw. szczególne CRI, korzystając ze wzoru Ri=100–4,6×ΔEi, gdzie ΔEi to euklidesowa odległość pomiędzy idealnym a zmierzonym kolorem w przestrzeni kolorów. CIE Ra jest średnią arytmetyczną z poszczególnych Ri. Na ogół wykorzystuje się osiem pierwszych standardów (TCS01...TCS08) do wyznaczenia CIE Ra, a pozostałe sześć wstosuje się do ewentualnego uzyskiwania pomocniczych informacji, które jednak rzadko kiedy podawane są dla komercyjnych lamp LED. Kluczowe jest CIE Ra, które na opakowaniu podawane jest właśnie, jako CRI.
Kąt wiązki światła
Kąt wiązki światła to kąt, pod którym światło jest rozprowadzane lub emitowane ze źródła. Wiązka światła kształtowana jest w lampie przez optykę – odbłyśnik oraz soczewki, jakie użyte są w lampie. Na rynku dostępne są lampy, które emitują światło pod różnymi kątami od 45 stopni do 120 stopni. Na rysunku 5 porównano ze sobą, w uproszczony sposób, poszczególne rodzaje lamp.
Kąt emisji światła z lampy LED dobiera się do jej zastosowania. W przypadku większości lamp gospodarstwa domowego zamontowanych na suficie kąt wiązki światła w zakresie 30...40 stopni będzie wystarczający, biorąc pod uwagę standardową wysokość sufitu oraz rozmieszczenie i liczbę lamp na danym obszarze. Jeśli nasz sufit znajduje się niżej, lub lampy są rozmieszczone dosyć rzadko, należy wybrać lampy o szerszych wiązkach – 90 lub 120 stopni.
Pomiar kąta emisji jest bardzo prosty. Wykorzystuje się do tego luksomierze lub spektrometry zintegrowane z goniometrem. W dużym uproszczeniu jest to detektor światła o bardzo wąskim polu widzenia, który umieszczony jest na ruchomym ramieniu, co pozwala na pomiar natężenia światła lampy pod różnym kątem. Możliwe jest też obracanie samą lampą. Pozwala to na określenie kąta rozchodzenia się światła z tego źródła. Na fotografii 5 pokazano przykładowy goniofotometr, jaki wykorzystuje się do pomiaru rozkładu przestrzennego światła z lampy.
Pobór mocy
O tym, dlaczego pobór mocy jest kluczowym parametrem nie ma, co się rozwodzić. O ile powyższe parametry – temperatura barwna, CRI czy kąt emisji światła przekładają się na komfort użytkowania danej lampy LED, to pobór mocy przekłada się bezpośrednio na koszt użytkowania lampy.
Pobór mocy lampy LED jest parametrem, który nie wymaga dokładniejszego opisu. W przypadku lamp LED zasilanych z 230 V mierzy się bezpośrednio pobór mocy z sieci. Oznacza to, że na pobór mocy uzależniony jest od mocy, jaką pobierają same diody LED, ale także od sprawności wbudowanego w lampę LED zasilacza. Oba elementy mają wpływ na ekonomię używania danego źródła światła.
Sprawność
Dla oświetlenia najwięcej sensu ma definiowanie tzw. sprawności lub skuteczności świetlnej. Mówi ona o strumieniu świetlnym, jaki przypada na jednostkę mocy. Skuteczność tę wyraża się w lumenach na wat. Wyznaczenie tego parametru jest relatywnie proste, szczególnie na tym etapie – zmierzono już całkowity strumień świetlny analizowanej lampy oraz jej pobór mocy. Wystarczy podzielić przez siebie te dwie wartości, aby uzyskać sprawność świetlną. W tabeli 3 umieszczono listę różnych źródeł światła wraz z ich sprawnościami świetlnymi.
Współczynnik mocy
Współczynnik mocy to stosunek mocy rzeczywistej (watów) wykorzystywanej przez obciążenie do mocy pozornej (napięcie × prąd pobierany przez lampę) w obwodzie prądu zmiennego. Współczynnik mocy (PF) równy jest stosunkowy mocy rzeczywistej do mocy pozornej.
Większość dostawców energii elektrycznej rozlicza odbiorców domowych według mocy rzeczywistej. Oznacza to, że dwie diody LED o tej samej mocy, ale o różnych współczynnikach mocy, będą rozliczane niemal identycznie w przypadku zastosowań domowych. Jednakże w otoczeniu komercyjnym, w zależności od wypadkowego współczynnika mocy dla wszystkich odbiorników mocy u danego odbiorcy, naliczane mogą być dodatkowe opłaty, jeżeli będzie on odbiegał mocno od jedności. Chociaż kiepski współczynnik mocy – daleki od jedności, może wydawać się nieszkodliwy, to dużej mierze przekłada się na nadmierne obciążenie dla elektrowni. Zużywając więcej energii niż potrzeba, negatywnie wpływa także na środowisko, marnując więcej energii niż jest to potrzebne, co z kolei przekłada się na większą emisję gazów cieplarnianych do atmosfery itd. Aby temu zaradzić, Energy Star (międzynarodowa organizacja mająca na celu promowanie energooszczędnych rozwiązań i systemów) wymaga, aby lampy LED o mocy większej niż 5 W miały minimalny współczynnik mocy równy 0,7. Chociaż współczynnik mocy równy 1,0 byłby idealny, to w większości przypadków nie jest to możliwe z uwagi na integrowane w lampach LED przetwornice impulsowe do zasilania.
Podsumowanie
Jak opisano w artykule lampa LED charakteryzowana jest wieloma parametrami, które wydawały się jeszcze niedawno nieznane. W przypadku żarówek się ich nie podawało, jako że w większości wypadków, są one idealne – CRI równe w zasadzie 100, optymalna temperatura barwna, współczynnik mocny równy jedności (żarówka jest obciążeniem czysto rezystancyjnym) itd. Oczywiście, jest szereg parametrów, w których lampy LED pokazują swoją wyższość – pobór prądu czy sprawność świetlną. Dlatego też zyskały tak bardzo na popularności. W dobie kryzysu energetycznego, oszczędzanie prądu jest kluczowe dla wszystkich z nas.
Znajomość kluczowych parametrów lamp LED pozwala wybrać najlepsze i najbardziej dopasowane do naszej aplikacji z tych, jakie dostępne są na rynku. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie najlepszego efektu – optymalnie doświetlonej przestrzeni przy osiągnięciu minimalnego zużycia energii elektrycznej.
Nikodem Czechowski, EP
Źródła:
https://bit.ly/2VW6B5F
https://bit.ly/37GiJdf
https://bit.ly/3xHVREJ
https://bit.ly/3gkYUgv
