LED SVĚTELNÉ ZDROJE A PŘÍSTROJE ČVUT FEL

ÚVOD ČVUT FEL Terminologie v oblasti LED LED světelné zdroje a přístroje ÚVOD Terminologie v oblasti LED rychlý vývoj v oblasti nových světelných zdrojů  nové termíny a definice jednotná terminologie – jednodušší komunikace a jasná specifikace v rámci projektování i realizace osvětlovacích soustav ČSN EN 13032-4 Světlo a osvětlení – Měření a uvádění fotometrických údajů světelných zdrojů a svítidel – Část 4: LED zdroje s paticí, moduly a svítidla ČSN EN 62 504 Všeobecné osvětlování – LED světelné zdroje a jejich příslušenství – Termíny a definice ČVUT FEL

Tradiční světelné zdroje LED světelné zdroje a přístroje ÚVOD Tradiční světelné zdroje ČVUT FEL

POLOVODIČOVÉ SVĚTELNÉ ZDROJE LED světelné zdroje a přístroje POLOVODIČOVÉ SVĚTELNÉ ZDROJE Historický vývoj LED 1907 – objev elektroluminescence 1962 – první světelná dioda – červená (N. Holonyak, GE) 1979 – modrá dioda v laboratoři (Nakamura) 1993 – modrá dioda (Nakamura, Nichia) 1995 – bílá dioda, 20mA , YAG luminofor (Nichia) 1999 – výkonová dioda 350 mA (Lumileds) 2005 – 2010: COB LED Polovodičové světelné zdroje (LED) vytlačují tradiční světelné zdroje ze sortimentu nevyvíjejí se svítidla pro tradiční světelné zdroje do svítidel pro tradiční světelné zdroje se vyrábějí záměnné LED zdroje některé firmy již mají svítidla pouze na LED světelné zdroje reorganizace výrobců světelných zdrojů vymizení svítidel pro tradiční zdroje z nabídky firem lze očekávat v horizontu 10 let ČVUT FEL

PRINCIP GENEROVÁNÍ SVĚTLA LED světelné zdroje a přístroje PRINCIP GENEROVÁNÍ SVĚTLA polovodičový PN přechod energetická bariéra úzké pásmo vyzařovaného spektra Spektrum barevných LED ČVUT FEL

PRINCIPY VZNIKU BÍLÉHO SVĚTLA POUŽÍVANÉ U LED LED světelné zdroje a přístroje PRINCIP GENEROVÁNÍ SVĚTLA PRINCIPY VZNIKU BÍLÉHO SVĚTLA POUŽÍVANÉ U LED PC-LED (phosphor converted LED) CM-LED (color-mixed LED) ČVUT FEL

TYPY SVĚTELNÝCH DIOD PODLE GENEROVÁNÍ BÍLÉHO SVĚTLA LED světelné zdroje a přístroje PRINCIP GENEROVÁNÍ SVĚTLA TYPY SVĚTELNÝCH DIOD PODLE GENEROVÁNÍ BÍLÉHO SVĚTLA RGB LED PC-LED (phospor- converted) modrá LED + luminofor, HY-LED (Hybryd LED) -modrá LED + luminofor (B+G) -červená LED (R) RGBA CM-LED (color-mixed) -červená (Red) -zelená (Green) -modrá (Blue) -žlutá (Amber) ČVUT FEL

PARAMETRY OVLIVŇUJÍCÍ ÚČINNOST LED LED světelné zdroje a přístroje VLASTNOSTI PARAMETRY OVLIVŇUJÍCÍ ÚČINNOST LED 1. Proudová hustota Proudová hustoty J (A/m2, A/cm2) určuje množství vyzařovaného světelného toku z čipu. Nejúčinnější LED mají měrný výkon 200 lm/W, ale pouze při nižších proudových hustotách, tedy nižších světelných tocích a větších nákladech Kč/lm. Při větší proudové hustotě dochází k poklesu měrného výkonu (efficiency droop). ČVUT FEL

PARAMETRY OVLIVŇUJÍCÍ ÚČINNOST LED LED světelné zdroje a přístroje VLASTNOSTI PARAMETRY OVLIVŇUJÍCÍ ÚČINNOST LED 2. Teplota PN přechodu Teplota PN přechodu Tj (°C) se stanovuje při teplotě okolí 25°C. Jde o teplotu na přechodu mezi polovodiči typu P a N tvořící LED. Se vzrůstající teplotou přechodu se snižuje vyzařovaný světelný tok (tepelný pokles). Výrobci často uvádějí vlastnosti LED při Tj = 85°C více odpovídající realitě. ČVUT FEL

PARAMETRY OVLIVŇUJÍCÍ ÚČINNOST LED LED světelné zdroje a přístroje VLASTNOSTI PARAMETRY OVLIVŇUJÍCÍ ÚČINNOST LED 3. Teplota chromatičnosti Náhradní teplota chromatičnosti Tcp (K). Dosažení vyšších účinností je v současné době náročnější u teple bílých LED než u chladně bílých LED, vlivem menší účinnosti červených LED a luminoforů pro tvorbu červené. Na grafu je uvedena závislost měrného výkonu pro různé Ra v závislosti na Tcp. Lidské oko je citlivější na červené světlo v porovnání s modrým proto se do budoucna předpokládá větší měrný výkon teple bílých LED. ČVUT FEL

PARAMETRY OVLIVŇUJÍCÍ ÚČINNOST LED LED světelné zdroje a přístroje VLASTNOSTI PARAMETRY OVLIVŇUJÍCÍ ÚČINNOST LED 4. Index podání barev Index podání barev Ra, přímo ovlivňuje měrný výkon LED. Změna Ra z 80 na 90 znamená u teoreticky dosažitelných účinností pokles měrného výkonu o 10%. V praxi je u současných PC-LED pokles v rozsahu 15% - 25%. Popis věrnosti vjemu barev se s nástupem LED vyvíjí a testují se nové metriky např. „index věrnosti“ „gamut index“ ČVUT FEL

VLASTNOSTI ČVUT FEL LED světelné zdroje a přístroje Obr. 7 Odhady vývoje měrného výkonu sériově vyráběných diod, 350 mA (zdroj: DOE, 2016) ČVUT FEL

VLASTNOSTI ČVUT FEL LED světelné zdroje a přístroje Prakticky dosažitelné hodnoty měrného výkonu LED v závislosti na teplotě chromatičnosti a indexu podání barev (zdroj: DOE 2012) Tcn (K) RGB modrá LED + luminofor Ra (-) 70 85 90 2 700 287 273 264 211 200 196 3 800 261 254 199 190 189 5 000 255 245 239 182 179 ČVUT FEL

Typy LED součástek ČVUT FEL Typ LED součástky Označení Parametry LED světelné zdroje a přístroje Typy LED součástek Klasifikace LED součástek v konstrukčním uspořádání SMD Typ LED součástky Označení Parametry příkon provozní proud světelný tok P (W) If (mA) Φ (lm) nízko výkonné LED LP-LED 0,01 - 0,1 V.20 0,1 - 6 středně výkonné LED MP-LED 0,1 - 0,5 30 - 150 0,2 - 20 vysoko výkonné LED HP-LED 0,5 - 5 200 - 1 500 > 50 velmi vysoko výkonné LED SHP-LED > 5 x > 400 barevné LED RBG-LED ČVUT FEL

ROZDĚLENÍ LED SOUČÁSTEK PODLE VÝKONU LED světelné zdroje a přístroje Typy LED součástek ROZDĚLENÍ LED SOUČÁSTEK PODLE VÝKONU MP LED HP LED COB LED P = 0.2 – 1 W Φ = 10 – 100 lm η = 160 – 220 lm/W P = 1 – 5 W Φ = 100 – 500 lm η = 160 lm/W P = 5 – 160 W Φ = 0,5 – 25 klm η = 160 lm/W Lineární a plošné zdroje světla Bodové a lineární zdroje světla Bodové zdroje světla (460 W/50klm/106lm/W) ČVUT FEL

Parametry LED Standardní LED LED světelné zdroje a přístroje Parametry LED Standardní LED Využití v lineárních pevných nebo pružných LED modulech a plošných modulech Barva světla Výrobce Typ Parametry Ra ( - )  (lm)  (lm/W) Chladně bílá Cree ML-C 80 31 96 Osram DURIS P5 36 119 Sharp Double dome 120 Nichia NSSW 85 33 107 Neutrálně bílá 110 34 114 Teple bílá 105 NSSL 30 ČVUT FEL

Parametry LED HP LED ČVUT FEL LED světelné zdroje a přístroje Parametry LED HP LED Využití ve svítidlech s přesnými optickými systémy pro směrové osvětlení (reflektory, čočky) Barva světla Výrobce Typ Parametry Ra ( - )  (lm)  (lm/W) Chladně bílá Cree XLM 65 150 154 Nichia NS9W x 151 149 Citizen CL-L430 144 133 Osram Oslon SSL 70 140 130 Philips Rebel ES 135 129 Neutrálně bílá XL-M 75 134 CL 80 121 111 124 Teple bílá 110 113 NS9L 122 104 82 115 107 Rebel A 95 97 92 ČVUT FEL

Parametry LED vícečipové LED (COB) LED světelné zdroje a přístroje Parametry LED vícečipové LED (COB) Směrová a přímá svítidla, optický systém - reflektory Parametry vybraných typů vícečipových diod COB, Ra > 80 Barva světla Výrobce Typ 1 000 lm 2 000 lm 3 000 lm P (W)  (lm/W) Neutrálně bílá Citizen CLL 7,9 123 16,8 119 24,6 120 Sharp Zenigata 10,0 100 26 79 42 71 Osram Soleriq E 7,5 130 20 118 29,3 110 Teple bílá 17,7 26,3 114 11,4 88 76 44 68 9,0 32 94 ČVUT FEL

Typy LED součástek ČVUT FEL LED součástka (LED package) LED světelné zdroje a přístroje Typy LED součástek LED součástka (LED package) mechanické upevnění elektrické připojení LED čipu Konstrukční řešení LED součástek DIP LED SMD LED COB LED ČVUT FEL

POLOVODIČOVÉ SVĚTELNÉ ZDROJE LED světelné zdroje a přístroje POLOVODIČOVÉ SVĚTELNÉ ZDROJE ČVUT FEL

Koncepce LED světelných zdrojů LED světelné zdroje a přístroje Koncepce LED světelných zdrojů LED čip LED součástka LED modul LED zdroj s paticí svítidlo DIP LED Tradiční svítidla SMD LED RGB LED LED svítidla COB LED ČVUT FEL

LED světelné zdroje LED předřadný přístroj, LED světelné zdroje a přístroje LED světelné zdroje Výrobce Termín 1 Termín 2 Hellux Driver   Modus LED driver Helvar_DNA Tridonic_S&S LED napaječ Beghelli Napájecí zdroj Elektrosvit Osmont Trevos Napaječ Černoch Proudový spínaný zdroj Elkovo Čepelík Předřadník Lucis Vyrtych Philips Thorn Zumtobel Deos Předřadník (elektronický) Elektrolumen Hormen Osram LED předřadný přístroj, LED ovládací zařízení (LED control gear) (nesprávně driver, napájecí zdroj, napaječ) napájecí jednotka (PS) řídicí jednotka (CU) Napájecí jednotka: Napěťová (CV) 12V, 24V 48V DC Proudová (CC) 350mA, 500mA, 700mA… Řídicí jednotka : DALI, 1-10BV, PB, DMX ČVUT FEL

LED světelné zdroje ČVUT FEL LED světelné zdroje a přístroje LED světelné zdroje LED MODUL – LED světelný zdroj bez patice, obsahující jednu nebo více LED součástek na desce s plošnými spoji a popř. jednu nebo více následujících součástí: elektrické, optické, mechanické a tepelné části, rozhraní a předřadný přístroj Integrovaný LED modul (LEDi modul)- LED modul, jehož součástí je předřadný přístroj a další prvky nezbytné pro jeho stabilní provoz, určený pro přímé připojení na napájecí napětí Částečně integrovaný LED modul (LEDsi modul) - LED modul, jehož součástí je řídicí jednotka předřadného přístroje, a pro svůj provoz potřebuje oddělenou napájecí jednotku předřadného přístroje Neintegrovaný LED modul (LEDni modul) -LED modul, který pro svůj provoz potřebuje oddělený předřadný přístroj Integrální LED modul LED modul, který obvykle tvoří nevyměnitelnou část svítidla LED sestava (LLE) - integrovaná sada, skládající se z LED modulu (modulů) a LED předřadného přístroje, určená pro přímé připojení na síťové napětí ČVUT FEL

LED světelné zdroje ČVUT FEL LED světelné zdroje a přístroje LED světelné zdroje LED zdroj s paticí – LED světelný zdroj opatřený paticí (paticemi) obsahující jeden nebo více LED modulů a případně jednu nebo více následujících součástí: elektrické, optické, mechanické a tepelné části, rozhraní a předřadný přístroj Integrovaný LED zdroj s patici (LEDi zdroj s paticí) - LED zdroj s paticí, jehož součástí je předřadný přístroj a další prvky nezbytné pro jeho stabilní provoz, určený pro přímé připojení na síťové napětí Částečně integrovaný LED zdroj s paticí (LEDsi zdroj s paticí) - LED modul, jehož LED zdroj s paticí, jehož součástí je řídicí jednotka předřadného přístroje, a pro svůj provoz potřebuje oddělenou napájecí jednotku předřadného přístroje Neintegrovaný LED zdroj s paticí (LEDni zdroj s paticí) - LED zdroj s paticí, který pro svůj provoz potřebuje oddělený předřadný přístroj ČVUT FEL

LED Zdroje – náhrada tradičních světelných zdrojů Současné trendy návrhu vnitřního osvětlení LED Zdroje – náhrada tradičních světelných zdrojů Záměnný LED zdroj s paticí (retrofit LED lamp)– LED zdroj s paticí určený pro náhradu světelných zdrojů jiných typů světelné zdroje, než jsou LED, bez nutnosti vnitřní úpravy svítidla Klasické žárovky Halogenové žárovky Zářivky lineární T8, T5 (CCG, EVG) Zářivky kompaktní Rtuťové výbojky ČVUT FEL

LED světelné zdroje ČVUT FEL LED světelné zdroje a přístroje LED světelné zdroje Schematické uspořádání variant LED světelných zdrojů (LED zdroj, LED modul) 1) Značí připojovací rozhraní LED světelného zdroje. Pokud jsou rozhraním svorky jde o LED modul, pokud je jím patice jde o LED zdroj s paticí. ČVUT FEL

Vlastnosti LED světelných zdrojů LED světelné zdroje a přístroje Vlastnosti LED světelných zdrojů Zásadní rozdíly LED světelných a tradičních světelných zdrojů Spektrální vlastnosti (spektrální barvy, různé barevné tóny, míchání barev) Výkon (velmi velký výkon z velmi malé plochy 780 lm / d=1mm) Tvar (libovolný tvar - bodový, přímkový plošný, objemový zdroj světla) Vyzařovací charakteristiky (difúzní, směrový, asymetrický, vějířový) Regulace (regulace výkonu, barevného tónu, barvy světla) Účinnost (vyšší než u všech tradičních světelných zdrojů) Doba života (vyšší než u všech tradičních světelných zdrojů) ČVUT FEL

LED moduly pro LED svítidla LED světelné zdroje a přístroje LED moduly pro LED svítidla 129 lm / 2W a=18 mm 6100lm/ 56W d=250 mm bodová LED svítidla 5000lm/ 50W d=140 mm 120 lm / 2W d=19 mm 1600lm/m 20 W/m lineární LED svítidla Micro prisma Mřížka Asymetrické 1 400 lm 14W d=300 mm 71 000 lm 620 W d=300mm plošná LED svítidla ČVUT FEL

LED zdroje a paticí – náhrada žárovek LED světelné zdroje a přístroje LED zdroje a paticí – náhrada žárovek Zdroj: žárovka Typ: matovaná Patice: E27 Příkon: 60W Typ Pz (W) Φz (lm) ηz (lm/W) TCP (K) Ra (-) zz (-) t (hod) Spínací cykly Stmívání žárovka 60 700 12 2700 100 0,9 1 000 x ano LED zdroj A1 9 806 90 80 0,7 15 000 100 000 ne A2 25 000 A3 8,5 95 2200-2700 50 000 A4 7 115 30 000 A5 A6 8 810 101 8 000 70 000 ČVUT FEL

LED zdroje s paticí – náhrada žárovek LED světelné zdroje a přístroje LED zdroje s paticí – náhrada žárovek Zdroj: žárovka Typ: matovaná Tcp: 2 700 K Patice: E27 Světelný tok Φ (lm) Příkon Pz (W) Úspora LED klasická žárovka halogenová žárovka kompaktní zářivka LED 500 40 35 11 7 83% 750 60 42 15 9 85% 1 300 100 70 23 ČVUT FEL

LED zdroje s paticí – náhrada žárovek LED světelné zdroje a přístroje LED zdroje s paticí – náhrada žárovek Zdroj: lineární zářivka Typ: T8 (d=26mm) Délka: 1 200 mm Patice: G13 Tcp 4 000 K Předřadník: el.mag Typ Pz (W) Φz (lm) ηz (lm/W) Ra (-) zz (-) t (hod) Spínací cykly Zářivka 36W 36 3 350 93 80 0,9 10 000 20 000 LED zdroj B1 16 2 400 150 0,7 50 000 200 000 B2 14 2 100 B3 17 1 700 100 30 000 B4 21 85 B5 1 600 83 40 000 B6 15 110 B7 B8 18 2 300 128 ČVUT FEL

1. Kompaktní zářivky x LED - Downlight (Dolnozářič), 4 000 K LED světelné zdroje a přístroje LED svítidla 1. Kompaktní zářivky x LED - Downlight (Dolnozářič), 4 000 K Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/W) sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Downlight Cloněné podhledové svítidlo pro kompaktní zářivky 2x26W (UGR<19) 64% 3600 2289,6 57 40,2   Cloněné podhledové svítidlo pro LED 32W (UGR<19) 83% 3000 2488 24 103 ČVUT FEL

LED svítidla 2. Difúzní svítidlo, 4 000 K ČVUT FEL LED světelné zdroje a přístroje LED svítidla 2. Difúzní svítidlo, 4 000 K Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/W) sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Difúzní svítidlo 300 mm Cloněné podhledové svítidlo pro kompaktní zářivky 2x18W 82% 2400 1980 36 55 lm/W   Cloněné podhledové svítidlo pro LED 27W 100% 2900 27 107 lm/W ČVUT FEL

Svítidla pro světelné diody LED světelné zdroje a přístroje Svítidla pro světelné diody 3. Světlomet do lišty (halogenidová výbojka x LED), 4 000 K Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/W) sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Spotlight Směrové svítidlo pro halogenidovou výbojku 35W, 4000K, F 74% 3400 2514 39 64   Směrové svítidlo pro LED W, 4000K, F 77% 3100 2382 31 76 ČVUT FEL

Svítidla pro světelné diody LED světelné zdroje a přístroje Svítidla pro světelné diody 4. Celkové osvětlení – kanceláře, 4 000 K Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/W) sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Celkové osvětlení Svítidlo pro celkové osvětlení T5, 2x28W, 4000K 70% 5 200 3 640 61 60   Svítidlo pro celkové osvětlení, LED 44W, 4000K 100% 3 690 3 390 28,2 131 ČVUT FEL

Svítidla pro světelné diody LED světelné zdroje a přístroje Svítidla pro světelné diody 5. Průmyslové svítidlo, 4 000 K Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/W) sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Průmyslové svítidlo Průmyslové svítidlo T5, 2x35W, 4000K, 1500mm 97,8% 7 300 7 140 70 102   Průmyslové LED svítidlo 58W, 4000K, 1500mm 91,9 % 8 000 7 350 58 127 ČVUT FEL

Svítidla pro světelné diody LED světelné zdroje a přístroje Svítidla pro světelné diody 5. Venkovní světlomet Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/W) sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Venkovní svělomet Venkovní světlomet 70W, HIT, 6600 lm 3000K, Ra =80, 28° 74% 6 600 4 902,5 82 59,8   Venkovní LED světlomet 58W, 3000K, 8400 lm, 30° 80 % 8 400 6 720 58 115,9 ČVUT FEL

Svítidla pro světelné diody LED světelné zdroje a přístroje Svítidla pro světelné diody 5. Silniční svítidlo Typ svítidel Obrázek Popis Účinnost Světelný tok Příkon svítidla (W) Měrný výkon svítidla (lm/W) sv. zdrojů (lm) svítidla (lm) Silniční svítidlo Silniční svítidlo100W, SON-T, 10 700 lm, 2200K, Ra =20, 86,6% 9 266 114 81,3   SilničníLED svítidlo58W, 3000K, 9 680 lm, Ra=70 100 % 9 680 83,7 115,7 ČVUT FEL

polovodičový zdroj světla plošné zdroje světla LED světelné zdroje a přístroje Zdroje OLED polovodičový zdroj světla plošné zdroje světla kovová katoda, světlo propustná anoda různé typy nosných materiálů pro světlo vyzařující vrstvy ČVUT FEL

dnes: stadium výzkumu a vývoje testovací sady vzorků LED světelné zdroje a přístroje Zdroje OLED plošné zdroje světla dnes: stadium výzkumu a vývoje testovací sady vzorků sériová výroba typ Orbeos (Osram) 2011 – nové výrobní závody fy. GE, Konica Minolta (56 lm/W), Osram OLED moduly Obreos (Osram), Lureon (Tridonic) Odhad vývoje OLED (DOE, 2012) ČVUT FEL

LED světelné zdroje a přístroje Zdroje OLED ČVUT FEL

LED světelné zdroje a přístroje Děkuji za pozornost ČVUT FEL