LED-owa rewolucja w oświetleniu wewnętrznym

Wady diod LED 

Pomimo przedstawienia dużej liczby zalet charakteryzujących diody LED nie są to jednak elementy idealne. Rozsył światła diody zależny jest od budowy matrycy diodowej emitera. Plastikowa obudowa jest przyczyną pogorszenia niektórych właściwości diod. Może ona negatywnie wpływać na warunki termiczne pracy złącza p-n, a tym samym na stabilność parametrów diody.

Diody LED stanowią tzw. skupione źródło światła, w którym wraz ze wzrostem skuteczności świetlnej rośnie jego luminancja. Oznacza to, iż stosowanie diod oświetleniowych zwłaszcza we wnętrzach budynków może być przyczyną powstawania olśnienia i pogarszania warunków widzenia.

Wadą diod dużej mocy jest występowanie przy ich pracy dużych strat mocy. Skutkiem tego jest wydzielanie większej ilości ciepła i w konsekwencji konieczność zastosowania chłodzenia elementów przy pomocy radiatorów. Rozwiązanie problemu przegrzewania można uzyskać również stosując odpowiedni układ zasilania. Stosowany zasilacz nie powinien dopuszczać do dużych zmian temperatury na złączu półprzewodnika poprzez zapewnienie stabilizacji prądu diody. Brak odpowiedniego odprowadzania ciepła może prowadzić do skrócenia żywotności diody i odchyłki w barwie emitowanego światła.

Koszty zakupu i eksploatacji 

Kwestia kosztów w przypadku rozwiązań opartych na diodach LED jest nadal problematyczna. Na poziomie inwestycyjnym nowa technologia wymaga dużo większych nakładów w porównaniu z dotychczas panującymi rozwiązaniami. Wysoka cena oświetlenia realizowanego przy pomocy diod LED jest obecnie jednym z głównych czynników, który hamuje dynamiczny rozwój omawianego oświetlenia LED-owego.

Techniczne zaawansowanie produktów LED-owych wpływa przede wszystkim na początkowe, wysokie koszty zakupu. Odbiornik jest urządzeniem dość skomplikowanym, które składa się z szeregu elementów wspomagających. W jego skład oprócz samej matrycy z diodami wysokiej jakości wchodzą: zaawansowany układ optyczny z kolimatorami, zasilacz oraz element odpowiedzialny za odprowadzanie ciepła – radiator. Każda z wymienionych części musi być ściśle dobrana pod specyfikację samej diody i dodatkowo współgrać z pozostałymi, aby dioda pracowała w idealnych warunkach zasilania, wilgotności czy temperatury. Ma to decydujący wpływ na trwałość użyteczną tego systemu (oprawy).

Dlatego też dobór odpowiednich elementów, ich projektowanie jak i sama jakość wykonania muszą znajdować swoje odzwierciedlenie w kosztach. Użytkownicy końcowi często widzą koszty, które ponoszą na początku przy zakupie systemów, zapominając tym samym, że jest to tak naprawdę część kosztów rzeczywistych. Pozostałą część stanowią opłaty za eksploatację i konserwację zakupionych systemów. Jeśli na nasz kosztorys popatrzymy, uwzględniając wszystkie te czynniki, wówczas diody LED to jedyna w swoim rodzaju inwestycja, która bardzo szybko się zwraca.

Znaczący producenci branży oświetleniowej proponują coraz więcej przykładów udanych rozwiązań z zastosowaniem diod świecących.

Producenci wprowadzają na rynek swoje produkty składając deklarację wobec UE na temat parametrów funkcjonalnych i jakości swoich produktów. Niektórzy z nich proponują oświetlenie diodowe, które w rzeczywistości nie spełnia tych warunków.

Niestety na półkach sklepowych, obok markowych produktów, znaleźć można tanie LED-y, importowane z Azji i innych części świata, kuszące ceną jednak i charakteryzujące się:

• brakiem jednolitości światła,
• niespójną barwą,
• niską jakością,
• krótką trwałością,
• nieefektywnym odprowadzaniem ciepła.

Duże koszty produkcji oświetlenia LED-owego wymuszają szukanie tańszych rozwiązań kosztem jakości. Gorsza jakość powoduje z kolei niezadowolenie klientów, tym samym zmniejszenie popytu na oprawy LED-owe i powrót do konwencjonalnych źródeł światła.

Stosowanie tanich LED-ów z zainstalowanymi w nich niskiej jakości podzespołami jest przyczyną krótkiej trwałości lamp LED, jak i wytwarzania światła o słabszej jakości. Dodatkowo „złe” LED-y mogą powodować uszkodzenie oprawy oświetleniowej lub elementów instalacji elektrycznej (zwarcia, stopienie obudowy lampy). Nieuczciwa konkurencja niszczy rynek i producentów przez co hamuje postęp techniczny, dlatego też jedynie markowi producenci (np. OSRAM) gwarantują, że ich źródła światła bazujące na technologii LED będą produktem nowoczesnym i najwyższej jakości.

Zastosowanie 

Diody LED dzięki swoim właściwości znajdują coraz to szersze zastosowanie w wielu instalacjach oświetleniowych. Jeszcze kilka lat temu były stosowane jedynie jako wskaźniki świetlne w miernikach laboratoryjnych, wyłącznikach podświetlanych, przyciskach sterujących, sprzęcie komputerowym, urządzeniach audio/wideo, telefonach komórkowych, aparatach fotograficznych, a także w elementach sygnalizacyjnych i informacyjnych. Postępująca technologia i prace nad diodami pozwalają na coraz to nowsze ich zastosowania.

Znaczący producenci branży oświetleniowej, tj.: GELCORE, OSRAM Opto Semiconductors, PAULMANN, VOSSLOH&SCHWABE, NICHIA, podają coraz więcej przykładów udanych rozwiązań z zastosowaniem diod świecących.

Postęp technologii półprzewodnikowej LED umożliwia zastępowanie tradycyjnych źródeł nowoczesnymi odpowiednikami LED. Poniżej podano ich zastosowania.

● Oświetlenie zewnętrzne pojazdów. Występuje ono w lampach świateł hamowania, pozycyjnych oraz kierunkowskazach. Istnieje wiele argumentów, które przemawiają za stosowaniem diod w przemyśle motoryzacyjnym. Wymienić można: mniejszy pobór mocy, dłuższą żywotność, większą odporność na wstrząsy oraz krótszy czas zaświecenia, co w konsekwencji skraca relatywną drogę hamowania. Niewielkie rozmiary diod pozwalają na większą dowolność w projektowaniu opraw lamp pojazdów. Stosowanie tych źródeł światła pozwala dodatkowo na zmniejszenie lub całkowite wyeliminowanie reflektora, co pozwala na uzyskanie większej przestrzeni wewnątrz pojazdu.

● Oświetlenie akcentowe oraz dekoracyjne. Nie wymagają one stosowania żadnych dodatkowych filtrów barwnych, uzyskanie odpowiedniej barwy światła dekoracyjnego uzyskuje się poprzez zastosowanie odpowiedniej diody. Dodatkowo kąt rozsyłu światłości diody wynosi od kilku do około 1300, co ułatwia skierowanie strumienia świetlanego w wymaganym kierunku.

● Zewnętrzne oświetlenie słupowe. Oświetlenie tego typu (umieszczone na słupie o wysokości ok. 3 m) można wykorzystać do oświetlenia alejek w parkach, reprezentacyjnych miejsc w miastach, jak i oświetlenia użytkowego mostów i dróg.

● Systemy zewnętrznej iluminacji wszelkich obiektów architektury. Podstawowe cechy, takie jak: wysoka trwałość, mały pobór mocy, możliwości skutecznej pracy w niskich temperaturach i łatwe sterowanie zadecydowały o tym, że diody świecące są szeroko stosowane do oświetlenia iluminacyjnego obiektów zarówno zabytkowych, jak i nowoczesnych budynków. Iluminacja budynków lampami LED pozwala na uzyskanie efektów świetlnych, które dotychczas przy użyciu klasycznych lamp były zbyt kosztowne. Przykładem zastosowania tych źródeł światła może być Pałac Buckingham w Londynie, gdzie zastosowano 59 opraw typu LED. Koszt instalacji wyniósl około 37 tys. funtów, lecz godzina pracy takiego systemu kosztuje niecałe pół euro.

● Oświetlenie wnętrz (omówione dokładniej w dalszej części artykułu).

Zastosowanie LED do oświetlenia wnętrz 

Pomimo szerokiego użytkowania diod LED ich zastosowanie w oświetleniu nie jest jeszcze dość powszechne; lampy LED wciąż stanowią mniej niż 4% całości rynku sprzętu oświetleniowego. Jednak na obecną chwilę stanowią one najnowocześniejszą technologię oświetlenia wnętrz. Produkcja diod światła białego pozwoliła na wykorzystanie ich do ogólnych celów oświetleniowych. Zastosowanie diod świecących do profesjonalnego oświetlenia wnętrz jest bowiem możliwe za pomocą szeroko dostępnych obecnie rozwiązań. Należy oczekiwać, że udział opraw LED w oświetleniu pomieszczeń będzie rósł szybko ze względu na konieczność wycofania tradycyjnych żarowych źródeł światła.

Obecnie w ofercie rynkowej nie brakuje opraw wytyczających drogi komunikacyjne, korytarze, schody i wyjścia ewakuacyjne. Oprawy te montowane są w podłodze lub dość nisko w ścianach.

Kolorowe diody LED stosowane są do wytworzenia we wnętrzach dynamicznych efektów barwnych. Znalazły szerokie zastosowanie jako elementy dekoracyjne i akcentujące w pomieszczeniach wystawowych, sklepowych, reprezentacyjnych, muzeach i galeriach. Brak promieniowania w zakresie UV i IR pozwala na bezpieczne stosowanie ich do podświetlania obiektów muzealnych bez narażania ich na niszczące działanie światła. Omawiane systemy LED pozwalają na iluminację przedmiotów światłem w wybranych kolorach, bez konieczności stosowania barwnych filtrów, które nakładane są na standardowe oprawy, dlatego też cały wysyłany przez nie strumień światła jest wykorzystywany do celów iluminacji. Oświetlane przedmioty, dzięki dużemu nasyceniu barw światła kolorowego nabierają nowej jakości i nowego wyglądu. Wykorzystanie kolorów wzbogaca wizerunek iluminowanego przedmiotu.

W katalogach firm pojawiają się w pełni funkcjonalne oprawy LED do oświetlenia miejscowego i ogólnego. Wyróżnić można żarówkidiodowe. Posiadają one wiele zalet. Ich wydajność zbliżona jest do świetlówek. W dodatku nie zawierają rtęci i mogą pracować 20 tys. godzin. Mają typowy gwint, typową przeźroczystą bańkę, ale zamiast wolframowych włókien znajdują się w nich diody LED świecące w postaci żółtawych pasm. Po włączeniu emitują światło o temperaturze barwowej 2500 st. Kelvina, co w przybliżeniu odpowiada światłu zwykłej żarówki (ok. 27000K). Dodatkowo są 9 razy oszczędniejsze.

Na rysunkach 4 – 7 przedstawiono przykładowe diodowe zamienniki żarówek, z kolei w tabeli 2 zestawiono analizę kosztów użytkowania żarówki reflektorowej (R50) i diodowego źródła światła (ACRICHE R50) w barwie białej zimnej.

Rys. 4. Przykładowe źródła światła LED

Rys. 5. Energooszczędne źródła światła na diodach LED, doskonale imitujące tradycyjne żarówki

Rys. 6. Diodowe źródła światła

Rys. 7. Przykładowe zamienniki żarówki halogenowej w wersji LED:
a) 1 W, 12V, b) 1W, 12V, c) 1,5 W, 230 V [7]

Wartości przedstawione w tabeli 2 przemawiają za celowością stosowania oświetlenia diodowego ze względu na aspekt ekonomiczny. Dodatkowo w tabeli 3 przedstawiono porównanie kosztów na podstawie 25 tys. godzin użytkowania lamp w hotelu Leonardo, które także potwierdziły wyjątkową wydajność, jakość i niezawodność produktów ledowych.

Tabela 2. Analiza kosztów użytkowania żarówki reflektorowej i diodowego źródła światła [8] 

Z kolei na rysunku 8 ukazano możliwość, jaką niesie ze sobą stosowanie oświetlenia diodowego, którą jest dostosowywanie barwy światła w zależności do potrzeb.

a)	b)

Rys. 8. Oświetlenie sali konferencyjnej diodami LED; a) zimne światło sprzyjające koncentracji; b) ciepłe światło rozluźniające i stwarzające pogodny nastrój [14]

Na rynku dostępne są również oprawy LED zaprojektowane z myślą o zastosowaniach przemysłowych. Symetryczny układ optyczny sprawia, iż światło rozkłada się równomiernie. Wytrzymałość na działanie czynników zewnętrznych ma decydujące znaczenie w urządzeniach przemysłowych, dlatego od opraw LED oczekuje się wysokiej jakości wykonania i szczelności obudowy. Zintegrowany zasilacz umożliwia podłączenie bezpośrednio do linii zasilającej (o napięciu 230 V). LEDowe oprawy przemysłowe, ze względu na swoje walory znajdują szerokie spektrum zastosowań jako oświetlenie hal produkcyjnych oraz magazynowych.

Tabela 3. Porównanie kosztów na podstawie 25 tys. godzin użytkowania lamp w hotelu Leonardo [6]

* Średni koszt elektryczności w Europie - 0,17 euro/kWh
** Emisje CO₂, kg - 0,5kg CO₂/kWh
*** Obliczenia wg dzisiejszych wartości

Podsumowanie 

Ciągły rozwój technologii LED pozwala na stwierdzenie, iż w niedalekiej przyszłości diody te staną się jednym z podstawowych źródeł światła wykorzystywanych w oświetleniu. Dodatkowo przemawia za tym fakt wprowadzenia przez Komisję Europejską rozporządzenia, które przewiduje stopniowe wycofywanie z użycia tradycyjnego źródła światła, jakim jest żarówka. W porównaniu ze standardowymi źródłami światła diody LED charakteryzują się większą skutecznością świetlną, co świadczy o tym, iż są bardziej ekonomiczne.

Diody LED zdecydowanie wyróżniają się spośród pozostałych źródeł światła długością życia. W zależności od poziomu generowanego promieniowania mogą w praktyce świecić od 50 tys. do 100 tys. godzin. Diody LED są bardzo wytrzymałe mechanicznie na uderzenia, drgania, wstrząsy, wibracje oraz oddziaływanie otoczenia, takie jak wysokie i niskie temperatury. Jest to możliwe dzięki zwartej budowie, braku części szklanych i żarników. Umożliwia to zatem stosowane ich wszędzie tam, gdzie do tej pory instalacja oświetlenia była niemożliwa lub znacznie utrudniona.

Małe zużycie energii przez diody LED zostało potwierdzone przez Stany Zjednoczone i Kanadę. Oszczędności energii uzyskane dzięki zastosowaniu omawianych źródeł światła są szacowane w tych państwach na miliardy kilowatogodzin. Obliczono, że gdyby każda tradycyjna żarówka w USA została zamieniona na diodowe źródło Philips, przyniosłoby to rocznie oszczędność energii wynoszącą 34 terawatogodzin i 3,9 miliarda dolarów, a także ograniczenie emisji dwutlenku węgla o 20 milionów ton [5].

Eksperci unijni najbardziej zachwalają żarówki diodowe. Komisja Europejska szacuje, że po całkowitej rezygnacji z energochłonnych żarówek kraje Unii Europejskiej zaoszczędzą rocznie około 12,5 procent zużywanej obecnie energii. Po przeliczeniu na gospodarstwa domowe daje to oszczędności rzędu 25 – 50 euro w skali roku [15].

Literatura:

[1] Abramik S., Władziński W.: Nowoczesne systemy oświetleniowe z diodowymi źródłami światła. Gdańskie Dni Elektryki 2006, s. 255 – 266

[2] Hemka L.: Wpływ zmian parametrów zasilania oraz geometrii ustawienia źródeł światła LED na ich parametry świetlne i barwowe. Nowa Elektrotechnika 2009, nr 7 – 8, s. 38 – 40

[3] Konieczny G.: Diody LED w oświetleniu budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Elektrosystemy styczeń 2007, s. 70 – 73

[4] Krześniak T.: Oświetlenie LED-owe zyskuje na znaczeniu. Elektrosystemy, Technika Świetlna, październik 2008, s. 32 – 34

[5] Materiały Firmy Philips: LEDowa rewolucja w źródłach światła. Elektroinstalator, listopad 2011, s. 6 – 7

[6] Materiały firmy Verbatim: Studium przypadku: lampy LED w hotelu, Elektroinstalator, październik 2012, s. 82 – 83

[7] Pawlak A.: Diody świecące jako źródła światła. Bezpieczeństwo Pracy 2007,nr 12, s. 24 – 27

[8] Pilśniak A.: ACRICHE R50 Kolejne ledowe źródło światła z ELGO. Elektroinstalator, Technika Świetlna 2009, nr 9, s. 72 – 77

[9] Sadowski P.: Zasilanie diod LED. Elektroinstalator 2006, nr 11, s. 64 – 66

[10] Schnitzer K.: Diody świecące. Dodatek do miesięcznika Elektroinstalator, Informator Światło, 2004, s. 24 – 26

[11] Strzałka–Gołuszka K.: Możliwości zastosowania diod LED w oświetleniu wewnętrznym. Materiały IV Krajowej Konferencji Naukowo-Technicznej „Inżynieria elektryczna w budownictwie”. Kraków, 22.10.2009., s. 147 – 160

[12] Strzyżewski J.: Co zamiast żarówki? Elektroinstalator 2009, nr 5, s. 56 – 58

[13] Strzyżewski J.: Źródła światła (3). Elektroinstalator 2009, nr 5, s. 46 – 48

[14] Wilanowski A.: LED Know-How. www.lighting.pl

[15] Wojtala D.: Koniec ery Edisona. Pracodawca, wrzesień 2009, s. 11

[16] Zaremba K.: Diody oświetleniowe LED. Biuletyn Oddziału Białostockiego SEP, nr 23, listopad 2005, s. 20 – 22