Előtérben a LED világítás
18 perc olvasás
A Magyarországi Elektronikai Társaság (MELT) 2013. júniusi rendezvényén a LED világítás témakörét és hazai alkalmazási példáit vette szemügyre. Az eseményt Göblös Imre, a MELT elnökségi tagja moderálta, aki bevezetőjében utalt a fénykibocsátó diódák, félvezető eszközök (LED-ek) gyors terjedésére, fejlesztésük jelentőségére. A LED-ek látható fénnyel kapcsolatos alkalmazásai különös szerepet töltenek be a világítástechnikában.
A Magyarországi Elektronikai Társaság (MELT) 2013. júniusi rendezvényén a LED világítás témakörét és hazai alkalmazási példáit vette szemügyre. Az eseményt Göblös Imre, a MELT elnökségi tagja moderálta, aki bevezetőjében utalt a fénykibocsátó diódák, félvezető eszközök (LED-ek) gyors terjedésére, fejlesztésük jelentőségére. A LED-ek látható fénnyel kapcsolatos alkalmazásai különös szerepet töltenek be a világítástechnikában.
Az elhangzott előadások:
Ángyán Balázs, vezérigazgató, Hitelap Zrt.: Innovatív profilbővítés a Hitelap-nál.
A Hitelap Zrt. cég a legnagyobb magyar tulajdonú nyomtatott áramköri lemezgyártó cég, legújabb fejlesztéseik LED eszközökre, azok gyártására irányulnak. A német gyártó, a SimpLED márkája mögé állva, a Hitelap Magyarországon gyárt, elsősorban ipari és irodai ingatlanok világítására szolgáló fénycsöveket, ill. LED-es mennyezeti világító testeket.
A LED-es felhasználáson gondolkodók a gyártmányok adatlapját szokták tanulmányozni amikor megoldásokat keresnek, de ezeket az adatokat érdemes óvatosan kezelni. A hazai LED fényforrás gyártást kb. tíz cég gyakorolja, lakossági és ipari, irodai fényforrások előállításához a többség a LED-eket Kínából importálja. A kínai termékek sorában már egészen jó minőségűek is találhatók, de a termékek jellemző élettartamát nem is elsősorban a LED maga, nem a meghajtó chip, hanem a bennük lévő elektrolit kondenzátor minősége határozza meg. A gyakorlat azt mutatja, a Magyarországon gyártott fénycsövekben sokkal jobb kondenzátorok vannak…A többi alkatrészben nincsenek túl nagy különbségek a Kínában és idehaza gyártott darabok között. Hirdetés szerint, 18 ezer Ft-ért bárki elindíthat egy web-shopos LED kereskedő házat, nagykereskedői tevékenységre.
A (Kínából) importált terméknek a forgalomba hozatalhoz meg kell szereznie az európai tanúsítványt, a CE-t
(Conformité Européenne = európai megfelelőség). A CE minőséget jelző matrica azonban könnyedén előállítható, a netről letöltve, kinyomtatva…, néhány másodperc elég hozzá.
A korrekt tanúsítvány kiállítását vállaló cégek több EMC paramétert mérnek a terméken; pl. a kisugárzott elektromágneses zavarjeleket, a hálózatra visszakerülő (vezetett) zavarjeleket, stb. Vannak érintésvédelmi és mechanikai vizsgálatok, majd kell egy hivatalos tanúsító intézet, aki a végén a CE tanúsítványt kiadja. Egyedi termék esetében néhány 100 ezer és milliós nagyságú közé tehető a vonatkozó költségek végösszege. Többféle teljesítmény, többféle kivitel, többféle elektronika esetén ez a vizsgálat mind-mind külön számítandó. Érdemes végig gondolni, hogy egy panellakásban működő web-kereskedő ezt megengedheti-e magának a hivatalos CE minősítés megszerzéséhez…
http://ce-jeloles.hu/utmutato/home.html
http://www.ce-marking.org/what-is-ce-marking.html
Mi a helyzet a termék teljesítményével?
Összehasonlításként; az átlagos 60 cm-es T5, v. T8-as hagyományos fénycsöveknek 18 Watt a teljesítményük,
a LED-es fénycsöveknél ez kb. 8 Watt. A cosinus φ (fáziseltolódás, teljesítménytényező) a hagyományos fénycsöveknél a termék adatlapokon többnyire 0,9-0,92 értékkel szerepel, a LED-eseknél a 0,95 feletti érték alapkövetelmény. http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1ziseltol%C3%B3d%C3%A1s Ebből adódik a kétféle termék un. látszólagos teljesítménye; 19,6 ill. 8,4 Watt.
A fényáram használatos a termékek minősítésére. http://hu.wikipedia.org/wiki/Fotometria
Ez az érték a hagyományos fénycsöveknél 1.100-1.300 lumen körül van, de ez az érték a felhasználási idővel, nagyjából 10 ezer óra elteltével drasztikus csökkenésnek indul. A LED-es fénycsöveknél 30-40 ezer óra üzemidő előtt ez az érték nem csökkenhet.
A szórási szög normál fénycsőnél alapból 360°, ezt helyezik valamilyen armatúrába, így alakul ki a kb. 120°-os szórási szöge. A LED-es fénycső egyik oldala hűtőborda, így a szórási szöge kb. 140-150°.
http://www.ledcenter.hu/eszkozok/szorasszog-bemutato.html
Az élettartam mérése nem bevett dolog, mivel klasszikus módon, a meghatározott idő (néhány évtized) elteltével végzett mérésként nem értelmezhető, ezért lép be itt a gyorsított élettartam mérése, pl. a BME jól felszerelt klíma-kamráiban. A megfelelő paraméterek beállításával 50 ezer órának megfelelő vizsgálat is elvégezhető (122-128-szoros gyorsítás). Az élettartam becsült módon is számolható az Arrhénius törvény szerint, amely egy félvezető- átmenet várható élettartamának az üzemi hőmérséklet függvényében való változásáról szól. A törvénynek megfelelő terhelés esetén az átmenet gyakorlati élettartama kb. 105 ezer óra. (http://hu.wikipedia.org/wiki/Reakci%C3%B3sebess%C3%A9gi_%C3%A1lland%C3%B3 )
(http://hu.wikipedia.org/wiki/Arrhenius-egyenlet )
A LED-es fénycsövek legszilárdabb pontjának egyébként a félvezetők tekinthetők. Egy 60 cm-es csőben 144 db LED van (más gyártóknál 120 v. 12 db), 12-es csoportokra osztva. Amikor egy LED tönkremegy, többnyire a p-n átmenete válik zárlatossá. Ilyenkor, az áramgenerátoros meghajtásának köszönhetően, egy LED tönkremenetele nem okozza az egész 12-es blokk meghibásodását, így szemmel észlelhető fényerőcsökkenés nem tapasztalható.
Még egy 12-es csoport kiesése sem mutatkozik jelentős fényáram csökkenésben, ezért mondható, hogy a LED a legredundánsabb és az élettartamot legkevésbé befolyásoló része a fénycsöveknek. A BME vizsgálata szerint,
50 ezer órás üzemidőnek megfelelő igénybevétel után 6%-os fényerő-csökkenés volt tapasztalható, a cső elektromos paraméterei jelentősen ekkor sem változtak. A szakirodalom szerint szemünk a 10% megvilágítás- csökkenést még nem érzékeli.
A világítótestek világító-képességét általában a fényárammal szokták jellemezni, lumenben megadva. Definíció szerint; 1 lumen az a fényáram, amelyet a látható fény tartományában minden irányban egyenletesen sugárzó pontszerű, 1 kandela fényerősségű fényforrás 1 szteradián térszögbe 1 méterre vetítve sugároz.
(http://hu.wikipedia.org/wiki/Lumen)
(http://hu.wikipedia.org/wiki/Kandela)
A terméklapokon ez az adat szerepel, a gyakorlatban azonban inkább a megvilágítás mértéke számít, ennek mértékegysége a lux. A munkavédelmi és a kapcsolódó jogszabályokban is luxban adják meg pl. a munkahelyekre előírt megvilágítás minimumát. 1 lux azonos az egy négyzetméterre eső 1 lumen fényárammal. Egy irodai munkahelyen legalább 400-500 luxnyi megvilágítást kell biztosítani, folyosókon kb. 300 lux a követelmény.
A luxban értelmezett megvilágítást tudjuk könnyen mérni, akár egy kereskedelemben kapható, olcsó megvilágítás mérővel. A lumenben mért fényáram érték a különböző fényforrások laboratóriumi összehasonlítására használható jól. (http://hu.wikipedia.org/wiki/Lux)
Egyetlen kínai gyártó sem állítja, hogy 60 cm-es csővel képes elérni azt az 1.100-1.300 lumenes fényáramot, amelyet egy átlagos hagyományos fénycsővel el lehet érni. 800-900 lumen közötti fényáram érték az, amit 60 cm-es D8-as csöveknél meg szoktak adni.
Lényeges momentum, hogy a fényáram értékét a gyártók a burkolattal együtt, vagy anélkül adják meg. A LED-es fényforrás a szó szoros értelmében nem tekinthető pontszerűnek, de alapvetően mégis un. szpotokban bocsátja ki fényét. Ezt, ha csupasz megvilágító testként raknánk fel, a pontokat még érzékelnénk is a napi munka során.
A LED-es fénycsövek fényeloszlása fényterelő nélkül nagyon egyenletes, ezért kell un. diffuzorokat, pl. anyagában színezett polikarbonát előtéteket alkalmazni hozzájuk. Ezek az előtétek kb. 40%-nyit csillapítanak a fényáramon, azaz, a kisugárzott teljesítmény 40%-a elvész a diffúzoron. A színezetlen polikarbonáron is elvész kb. 6%. Az eloszlás veszteség nélküli módosítására a simpLED csövek esetében az un. diffuzor fóliát használják. Ebben kis csillapítású mikro-lencsék helyezkednek el, amelyek a látható fényt szétszórják, ezek csillapítása a színezetlen polikarbonátos előtét csillapításához további 8%-ot tesz hozzá, így adódik a 14%-nyi össz-csillapítás.
A simpLED csövek beépítése további kérdéseket vet fel. Budapesten ma kb. 3 millió négyzetméternyi iroda-terület található, ennek egy részét világítják fénycsövekkel, de nagy piacról van szó. Fontos szempont, hogy LED-es fénycsövek alkalmazásakor ne legyen szükség az egész épület „átépítésére". A cég a meglévő armatúrákba teszi lehetővé a LED-es eszközök beillesztését. A működésben alkalmazott elektromos előtéteknek számos típusa létezik, Magyarországon néhányszor tíz, amit alkalmaznak. Egy osztrák cég már tett kísérletet mindent tudó fénycső előállítására, „tanuló" fénycsövet alkalmaztak mikro-vezérlővel, ami érzékeli a feszültség rákapcsolásakor beérkező jelalakot. Tárolt alakok alapján ebből felismeri az armatúrában lévő előtét típusát, s ennek megfelelő beállításokat léptetne életbe a fénycsőhöz. Az ötlet a kínai előtéteknél tapasztalható nagy jelalak-szórás miatt nem vált be. Olyan nagy számú jelalak mutatkozott, amihez nem lehetett alkalmazkodni, az elképzelés megbukpott. Ma egyetlen olyan cső van, ami teljesen „plug-in-play", ezt az USA-ban kínálják, 99 dollárért.
Valamilyen átmeneti megoldást kellett választani. Meglévő épületben LED-es fénycsövekre való átálláskor egyszerűen lecserélik az egész armatúrát. Választható megoldás az armatúra belső vezetékeinek átkötése is.
A Hitelapnak saját megoldása is van, amelynél a csövek beillesztésekor meghatározott sorrendet kell követni, egy kis teszt-cső segíti a válogatást, nincs szükség átkötésekre, vagy armatúra cserére.
Minden LED kereskedőnek van valamilyen kalkulátora a LED-es megoldások megtérülésére. Sok a nagyotmondás, három év alatti megtérüléseket ajánlanak…Az előadó 60 cm-es csövekre végzett számításokat, LED-re 8,4-es, hagyományos csőre 19,6 W-os meddő teljesítménnyel, meglévő világítótestek cseréjére, beszámítva a munkadíjat is. Eszerint; havi 20 nap működtetés esetén, legalább napi 12 óra üzemeltetéssel 5-5,5 év a fénycső árának megtérülési ideje. Tehát; nem valós az állítás, hogy 20 napos működés mellett ez napi 4-6 órában megtérül.
30 napnál esetén valamivel jobb a helyzet, de csak 365 nap során 24 órás működés esetén számolhatunk 1,5 éves megtérüléssel LED-es fénycsövek alkalmazásakor.
Ezen csövek élettartama 10-15 évre becsülhető, a tényleges működési időtől függően, így van olyan értelmes határ, amely alatt nem gazdaságos alkalmazásuk, viszont van olyan helyzet, amikor mindenképpen ajánlott.
Új beruházásoknál, nem meglévő fénycsövek cseréjénél, 16-18%-al javul a megtérülési idő.
Ki tudja ezt megfizetni? Hagyományos fénycsőhöz képest 3-12-szeres a LED-es megoldás ára, mérlegelni kell. Ma már a bankok és pénzintézetek is rájöttek, hogy elég nagy piacról és elég nagy összegekről van szó ahhoz, hogy érdemes legyen bérleti, tartós bérleti, lízing, vagy egyszerű hitelkonstrukciót erre alkalmazni, mert világos, hogy viszonylag gyorsan megtérül. Amennyiben pl. 10 millió Ft hitelt felveszek erre, s amit ma megtakarítok (60%-ot világítási díjban)
abból a hitelt ki tudom fizetni pár évig, annak lejártakor pedig még jó néhány évig tudom élvezni kedvező hatásait úgy, hogy a beruházáshoz egyetlen Ft pluszt sem költöttem el. Azaz, bárki megengedheti magának, ha megtalálja a megfelelő finanszírozást.
Mire kell figyelni, ha valaki LED-es fénycsövet akar vásárolni, legyen az olcsó kínai, középkategóriás magyar, vagy prémium, multi által gyártott termék?
Hol gyártották?
A kereskedő cég a garancia 2-3 évében várhatóan életben marad-e?
Van-e lehetőségünk legalább a termék kisebb mennyiségének tesztelésére paramétereire?
A moderátor megjegyzése; ezen termékeknél célszerű a várható, átlagos, vagy a vásárlóktól visszajelzett élettartam
fogalmát alkalmazni. A termék összetettsége, az adatlapok megbízhatatlansága miatt a kalkuláció rizikós.
Lambert Miklós, a MELT elnöke, a Milambi Bt. ügyvezetője: Világítás-célú LED-ek kiválasztása és meghajtó áramköreik. Négytagú team tagjaként foglalkozik LED-es világító eszközök fejlesztésével.
Hogyan került a LED fogalomköre a világítástechnikába? Az izzólámpa letűntével a fénycső még versenyben van a LED-es technológiával, de a jövőre nézve a LED világítás ígéretesebbnek tűnik. A LED-es eszközök fejlesztésénél viszont egy sor dolgot szem előtt kell tartani.
A LED előnyei ma már ismertek, a hátrányai közé tartozik:
a kápráztatás, a vakító fényerő, mivel kis ponton lép fel óriási fénysűrűség. Ezt pedig világító eszközök fejlesztésénél el kell kerülni. (http://www.erg.bme.hu/emania/2001/nyitraiz/Htm/viltech/kovetelm/1kovetel5.htm )
A LED-es beruházás költséges, nagy körültekintést igényel.
Optikai tervezésre van szükség LED-es fényeszközöknél, nem elegendő a villamosmérnöki szemlélet.
Az eszköz érzékeny a túlmelegedésre, 125°-nál a félvezető átmenet károsodik, 60-80-85° a megengedett maximum.
Az eszköz áramforrása viszonylag bonyolult.
LED-es világítóeszköz tervezési szempontjai:
Az izzólámpa élettartama ezer óra volt, a fénycsőé 6 ezer, vagy e felett, a LED feltehetően 50 ezer óra élettartamú
(6-8 év). LED-es lámpatest és világítóeszköz esetén a lámpatest erkölcsi elévülése már szükségtelenné teszi az összetevők cseréjét. Eldobható a beépített fényforrással együtt. A jövőben tehát a komplett világítótestet tervezzük, s nem magát a „villanykörtét", amit cserélhetnénk benne.
A kiindulás a világítástechnikából, a világítási igényből történik, nem a villamosmérnök számszerű adataiból.
Hány lux megvilágítás kell, ahhoz hány lumenes fényforrás, milyen térbeli magassággal, szöggel, hogy és mit sugározzon. Innen kell visszaszámolni azt, hogy ehhez milyen villamos követelményeknek kell megfelelni.
A hűtés összetett megoldást igényel, a félvezető max. 80°-os junction hőmérséklete a külső felületen 50-60°-ot jelent, ezt kell tartani.
A megfizethető ár és a tetszetős kialakítás további követelmény. A piac konzervatív része pl. a hagyományos foglalatot részesítené előnyben, de ennek a társaságnak kevés a pénze, a piac másik része szép, modern eszközöket kívánna kristályból üvegből, stb., ez viszont designt, tervezést kíván.
A piacképes LED-es világítás az érdekelt mérnökök együttműködéséből származik. A világítás-technikus hozza a feladatot, a villamosmérnök választja ki a LED típusát fényáramra, színhőmérsékletre.
A színhőmérséklet korábban nem játszott szerepet, az izzólámpa mindig egyféle színhőmérséklettel világított, a fénycsöveknél már változott a helyzet, nappali, vagy egyéb fényű változattal. A fehér LED-eknél a megfelelő fénypor alkalmas kikészítésével, adagolásával a színhőmérséklet beállítható 2.800-tól kb. 6.000 Kelvin fokig. A kékeshez közelítő színtől a hangulatlámpák színéig szinte minden beállítható.
Látásunk fiziológiájából adódik, hogy a valamilyen módon visszavert belső fényt dolgozza fel az agyunk, ezért, ha széles sávban sugároz egy fényforrás, mint a napsugár, akkor az folytonos színsávnak felel meg, úgy érzékeljük.
A mesterséges fényforrásoknak azonban bizonyos hullám-helyeken kicsi a sugárzása, más helyeken nagy, ezért teljesen más a fényvisszaadása. Ennek jellemzője a CRI, a színvisszaadási index, amely méréssel állapítható meg. (http://hu.wikipedia.org/wiki/Sz%C3%ADnvisszaad%C3%A1s) Az izzólámpa fényét és a napfényt vesszük 100%-os CRI-nek. A fénycsövek ebben elég rosszak, különösen a nátrium lámpák. A LED-eknél nagyon kritikus a helyzet, vannak olyan LED-ek, melyeket kimondottan nagy CRI-re fejlesztenek, a jobb minőségű LED-ek 90-92%-ig is eljutnak, a sztenderd LED azonban csak 60-70%-os CRI-jű.
A villamos táplálás lehet 230V-ról, vagy telepről, stb., a cosinus φ és a meddőteljesítmény 10 Wattig az erősáramú szolgáltató számára nem jelent gondot. A szabvány azt mondja, 5 Wattig tetszőleges lámpát készíthetek, 0,2-es cosinus φ-vel. Nem rendelkezik arról azonban a szabvány, hogy mi a helyzet, ha ilyen cosinus φ-ből száz alkalmazást elhelyezek egy helyen… Ilyenkor a józan villamosmérnöki meggondolás érvényesül.
A LED kiválasztása:
Tudjuk a LED-ről, hogy a vegyület félvezető kristály megfelelő gerjesztéssel különböző, eléggé szűk szín-spektrumot sugároz. Sokáig nem tudtak fehéret előállítani, végül is nem az elektro-lumineszcenciát, hanem a foto-lumineszcenciát hívták segítségül, fényport helyeztek a LED-be. A kéken sugárzó LED gerjeszti a közé helyezett fénypor réteget, így alakul ki a fehér LED. Fehér fényt elő lehet állítani más módon is, a három kiegészítő színnel,
az RGB színek megfelelő keverésével a fehér fény előáll. (http://hu.wikipedia.org/wiki/Kieg%C3%A9sz%C3%ADt%C5%91_sz%C3%ADnek)
Az RGB LED jól alkalmazható az elektronikában, de világításra kevésbé alkalmas, mivel a spektruma három csúcsból (piros, zöld, sárga) áll össze, közte mély lyukakkal. A CRI-je olyan rossz, hogy általános megvilágításra nem is ajánlott.
Teljesítmény:
A korábban alkalmazott, epoxi anyagú LED-ek a repedésre való hajlamuk miatt hosszú idejű tárolásra veszélyesek.
A szilikon gumi alkalmazása segített ezen, így az 50 ezer óra üzemidőt teljesíteni tudják.
Tokozás:
Az 5 mm-es LED-ek kimentek a gyakorlatból, követte a jól bevált PLC tokozás, előnye a 20 mA-es működtető áram, sorba kapcsolással könnyen lehetet tápegységet kialakítani. Ma már ezek sem használatosak, általában 50, 150,
200, 300 mA-es és amperes nagyságrendű LED-ek kaphatók, ill. az integrált LED tömb. Utóbbi LEDarray a kerámia lapra felvitt kristályok tömegéből áll. Elterjedésük sokkal jobb fényhasznosításuknak köszönhető. A LED-eknél ugyanis a kristály oldalirányú-, és előre-irányuló sugárzásának aránya 70:30%. Ezáltal a kristály kerülete sokkal jobban érvényesül, ezt hasznosították a LEDarray-nél. Hátránya; összpontosítva termeli a veszteségi hőt, viszonylag kis felületen, így előnyei a hűtési oldalon kárba veszhetnek.
A LED választás gyakorlatában a világ megoszlik, egyik fele elment a meleg-fényűek felé, s mindenre a 2.800 Kelvines LED-eket kívánja alkalmazni, de pl. munkahelyi megvilágításnál ez nem a legmegfelelőbb, mert kicsit altató hatású, erre a 4.000-5.000 Kelvin közötti a jó megoldás. Nem alkalmas a 7.000 Kelvines sem, mert az már nagyon kékes.
A LED gyártása:
A LED igazi félvezető tömegtermék, óriási mennyiségben állítják elő, majd válogatják színhőmérsékletre, és egyéb paraméterekre, ennek megfelelően is kell rendelni.
Az optikai sugárzási szög:
Az általános LED-ek 100-160°-os sugárban működnek, de elérhetők keskeny sugárban dolgozó LED-ek is.
Hatásfok:
A piacon ma már 140-150-200 lumen/watt-os fényhasznosítású LED-ek is kaphatók. Az elméleti határ 680 lumen.
A hőre való méretezés:
A félvezető eszközöknél ismert hőellenállás-méretezést kell itt kiegészíteni valamilyen nagyobb hőellenállású hűtőfelülettel, hogy a megfelelő veszteségi teljesítményt le tudjuk sugározni. Többnyire passzív hűtésre törekszünk,
kétoldalas nyomtatott áramköri lappal, rajta termikus átvezetésekkel, a LED-el ellentétes oldalt így hozzá lehet kötni hűtőfelülethez. Alumínium nyomtatott áramköri lapot is alkalmaznak, kerámia réteggel, laminált rézfóliával.
Mesterséges hűtésre alkalmazhatók Peltier elemek és ventillátorok is.
(http://hu.wikipedia.org/wiki/H%C5%91elektromoss%C3%A1g)
Az 50 ezer órás üzemet a 100 ezer órára hitelesített Magnetic ventillátorok képesek teljesíteni, mivel nincs bennük surlódás. (http://www.google.com/patents/US6194798)
Dudás Zsolt, ügyvezető, (Zaj Rendszerház Kft.), építőipari tapasztalatokról számolt be. A LED-ekre vonatkozó tudás mindenki számára adott, letölthetők az adatlapok, sokan foglalkoznak vele, oktatása jó színvonalon zajlik Magyarországon. A LED-es technológiák viszonylag egyszerűen alkalmazhatók, így alacsonyabb a piacra lépési korlát is, így nagyon vonzó lehet egy kis cég számára. A működési nehézségek nem szakmai jellegűek.
http://en.wikipedia.org/wiki/Power_factor
Harmat Lajos
