Mire és hogyan alkalmazhatók a LED-ek?
2013/11. lapszám | Molnár Károly Zsolt | 9258 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A LED-ek a világítástechnika oktatás tematikájába az ezredfordulón kerültek be. Akkor azt mondtuk, hogy ezek az eszközök fénykeltésre alkalmasak, de világítástechnikai alkalmazásuk nem várható. Azóta alig telt el egy fél emberöltő, és ma már azt tapasztaljuk, hogy a LED-es világítás egyre szélesebb körben terjed el, és a LED-ek egyre jobban szorítják ki az eddig használatos fényforrásokat.
A forgalmazók folyamatosan bővülő köre minden tisztességes (és kevésbé tisztességes) eszközt felhasznál arra, hogy a LED-ek népszerűségét növelje, mégis a közvéleményben ma is megfogalmazódnak az alábbiakhoz hasonló szkeptikus vélemények:
- „A LED-ben valakiknek nagy üzlet van, csak ezért nyomatják.”
- „Fele sem igaz mindannak, amit a LED-ekről mondanak.”
- „Az izzóknál jobb fényű lámpát soha nem fognak tudni kitalálni.”
- „Ezek a csodalámpák csak arra jók, hogy hamarabb elpatkoljunk.”
Láthatjuk, hogy a LED-szkeptikusok főként a gazdaságosság, a műszaki paraméterek hitelessége, a LED-ek fényének szubjektív megítélése és az egészségre gyakorolt hatásuk miatt kételkednek. Ugyanakkor találkozhatunk olyan rajongókkal is, akik ugyanezen szempontokra a következő válaszokat adják:
- „Lehet, hogy drágák, de rohamosan csökken az áruk, ráadásul örökéletűek, és alig fogyasztanak áramot.”
- „Néhány éve talán még lehettek gondok vele, de ma már kenterbe vernek minden lámpát.”
- „Végre egy lámpa, ami visszaadja a Nap fényét.”
- „Nincs semmilyen sugárzásuk. A méregzöldek csak a fejlődést akadályozzák.”
Felmerül tehát a kérdés: valóban a LED-ek azok a fényforrások, amelyek a jövő világítástechnikájában meghatározó szerepet fognak betölteni? Ha igen, akkor milyen célokra és hogyan használhatjuk azokat?
A válasz megfogalmazásánál először a LED-eket mint fényforrásokat vizsgáljuk. Ehhez három kérdésre kell válaszolnunk:
- Milyen fényforrás-típusok léteznek, amelyekkel a LED-ek „versenyezhetnek”?
- Milyen objektív műszaki paraméterekkel jellemezhetők a fényforrások?
- Ezen paraméterek tekintetében a LED-ek hogyan jellemezhetők?
A fényforrások - működési elvéből adódó - csoportosítási lehetőségeit az 1. ábra szemlélteti. Az ábrából kitűnik, hogy a LED-ek működési elve jelentősen eltér az eddig megszokott hőmérsékleti sugárzók (izzólámpák) és kisülő fényforrások működésétől, ezért egy új fényforrás-csoportot alkotnak. Ez azzal is jár, hogy alkalmazásuk során új műszaki megoldásokban kell gondolkodnunk. A megszokott világítási áramkörök egy az egyben nem alkalmazhatók a LED-ekre, azok megtáplálásához speciális áramköri elemre („meghajtóra” - driver) van szükség.
A fényforrások jellemzésére általában két gazdaságossági mutatót, két minőségi jellemzőt és három - főként az alkalmazhatósággal összefüggő paramétert alkalmazunk.
Gazdaságossággal összefüggő paraméterek:
- Fényhasznosítás, ami azt mutatja meg, hogy egy fényforrás 1 W betáplált villamos teljesítményből mekkora fényt (fényáramot) tud előállítani. Mértékegysége a lumen/watt [lm/W].
- Élettartam, ami kétféle módon is értelmezhető:
Átlagos élettartamnak nevezzük azt az időtartamot, ami alatt a fényforrás tönkremenetele („kiégése”) 50%-os valószínűséggel bekövetkezik. Az élettartam végét azonban nemcsak az jelentheti, ha a fényforrás működésképtelenné válik, hanem az is, ha már nem tud elegendő fényt szolgáltatni. Ennek megfelelően a szakirodalom megemlíti a „fényhalál” fogalmát - mint élettartamra vonatkozó jellemzőt - amikor a fényforrás fényárama a kezdeti fényáram 70%-ára csökken. A LED-ek esetében főként ez utóbbi meghatározással kell számolnunk, mert az a LED, amelyik - gyártási hiba következtében - nem megy tönkre az első néhány száz órában, az csaknem „örökéletű” lesz, miközben fényárama fokozatosan csökken.
Minőségi jellemzők:
A fényforrások minőségi jellemzői színtani tulajdonságaikkal függnek össze. Ennek megfelelően beszélhetünk a fényforrások színhőmérsékletéről és színvisszaadásáról:
- A színhőmérséklet egy kelvinben kifejezett mérőszám, ami azt mutatja meg, hogy a fényforrás színe mennyire közelít a „sárgás” illetve „kékes” színhez. Minél kisebb ez a szám (3300 K alatt) annál inkább sárgásnak tűnik a fényforrás színe, azaz annál „melegebb” pszichés érzetet kelt, és minél nagyobb ez a mérőszám (5500 K fölött) annál kékesebbnek látjuk a fényforrás színét, azaz annál „hidegebb” érzetet kelt. A két számérték között beszélünk semleges fehér színhőmérsékletről. Bár léteznek olyan vizsgálatok, amelyek alapján kimondható, hogy milyen esetben milyen színhőmérséklet a kedvező, mégis azt mondhatjuk, hogy ezen paraméter megítélése meglehetősen szubjektív.
- A színvisszaadás arról nyújt információt, hogy a fényforrás fénye mellett a különböző színeket mennyire vagyunk képesek felismerni. Ennek mérőszáma egy 0-100 közötti (mértékegység nélküli) szám, mely minél nagyobb, annál jobb színvisszaadású a fényforrás. 80-as érték fölött már kiváló színvisszaadásról beszélünk.
Alkalmazhatósággal összefüggő paraméterek
Egy fényforrás adott célra történő alkalmazhatóságát - az eddig felsorolt jellemzőkön túl - az határozza meg, hogy a fényforrás a fényét a térben hogyan osztja el, azaz milyen a fényeloszlási jelleggörbéje, milyen a fényforrás fénysűrűség-eloszlása - azaz mennyire kápráztat, valamint a bekapcsolást követően milyen gyorsan éri el maximális fényáramát (milyen gyorsan „melegszik be”), vagyis milyen hosszú a felfutási ideje. Ezen paraméterek részletezése meghaladja ennek a cikknek a kereteit, ezért ezekre jelenleg nem térünk ki.
A felsorolt paraméterek alapján a 2. ábrában összefoglaltuk a leggyakrabban alkalmazott fényforrások főbb műszaki jellemzőit.
A táblázatból kitűnik, hogy a LED-ek - műszaki paramétereik alapján - ma már szinte minden fényforrással felveszik a versenyt:
- Élettartamuk a legpesszimistább becslések alapján is meghaladják minden eddig használatos fényforrás élettartamát.
- Fényhasznosításuk megközelíti vagy meghaladja az eddigi fényforrások fényhasznosítását, főként ha figyelembe vesszük, hogy az eddig használatos, kiemelkedő fényhasznosítású fényforrások színtani tulajdonságai nem voltak kedvezők. Mindezek mellett azt is figyelembe kell venni, hogy a fényforrások működtetéséhez szükséges meghajtó eszközök is teljesítményveszteséget okoznak, és ezen a téren a LED-ek igen jó hatásfokúnak mondhatók.
- Színhőmérséklet szempontjából ma már - a fényportechnológiának köszönhetően - bármilyen LED előállítható a keresleti igényeknek megfelelően.
- A LED-ek színvisszaadása talán kissé elmarad néhány közismert, hagyományos fényforrástól (izzólámpák, fénycsövek, kompakt fénycsövek), de meg kell említenünk, hogy ma már ez sem jelent műszaki akadályt, mert már léteznek 95-97 színvisszaadással rendelkező LED-ek is, bár ezek árfekvése kissé nagyobb a kereskedelemben kapható szokványos LED-ek árszínvonalánál.
- A felfutási idő tekintetében a LED-ek kiválónak tekinthetők. A másodperc tört része alatt elérik fényáramuk maximumát, rendkívül jól tűrik a ki-és bekapcsolásokat, és nem közömbös az sem, hogy fényáramuk rendkívül tág tartományban, nagyon könnyen és minden negatív következmény nélkül szabályozható.
Mindezek alapján felmerül a kérdés: Ha a LED-ek - mint fényforrások - ennyire kedvező műszaki paraméterekkel rendelkeznek, akkor mi akadályozhatja még alkalmazásuk rohamos elterjedését? Mindenek előtt beszerzési áruk az, ami miatt ma még nem tudnak olyan gyorsan elterjedni, ahogy azt a forgalmazók szeretnék. Tény, hogy a LED-es fényforrások ára többszöröse a „hagyományos” fényforrásokénak, azonban nagyon egyszerűen kimutatható, hogy napjainkban ez az árkülönbség - az élettartam és a felhasznált villamos energia költségét figyelembe véve - viszonylag rövid idő alatt megtérülhet. Ennek mértéke nagyban függ attól, hogy milyen fényforrást milyen termékre váltunk ki.
A LED-ek rohamos elterjedését - látszólag paradox módon - akadályozza még rendkívül hosszú élettartamuk is. Mivel a LED-ek napjainkban rendkívül gyors műszaki fejlődésen mennek keresztül, a felhasználók aktivitását visszatartja az a tény, hogy nem látják célszerűnek olyan eszköz beszerzését, aminek élettartama évtizedekben mérhető, miközben ezen idő alatt sokkal jobb - és talán sokkal gazdaságosabb - konstrukciók jelenhetnek meg.
Van azonban néhány olyan műszaki jellegű probléma is, ami ugyancsak gátat jelent a LED-es fényforrások rohamos elterjedésének. Mivel a LED-ek rendkívül kis méretű és egyre nagyobb fényáramú fényforrások, ezért a „hagyományos” lámpatest konstrukciókban nem alkalmazhatók. Azok fényeloszlását ugyanis meghatározott méretű és fényáramú lámpákra tervezték, és amennyiben ezekben LED-eket alkalmazunk, úgy azok fényeloszlása jelentősen megváltozhat, aminek köszönhetően egy adott helyiség világítási paraméterei módosulhatnak. Ennek leggyakoribb megnyilvánulása, hogy kiemelkedően nagy és kis megvilágítású helyek alakulnak ki (a világítás „foltos” lesz), illetve a falak és a mennyezet „elsötétül”, miközben a munkaterület megvilágítása növekszik. Ezt a tényt egyes - nem teljesen korrekt - forgalmazók arra használják fel, hogy hamisan igazolják a LED-es lámpatestjük előnyeit, miközben elhallgatják a munkaterületen kívüli környezet fényviszonyainak jelentős romlását.
Ugyancsak a LED-ek nagy fényáramával és kis méretével függ össze az is, hogy így azok kápráztató hatása többszörösen meghaladhatja a „hagyományos” fényforrások által okozott káprázás mértékét. Ez természetesen megfelelő lámpatest konstrukcióval illetve a lámpatestek megfelelő elhelyezésével mérsékelhető, azonban ez azt jelenti, hogy vagy a lámpatestek átalakítására, vagy a világítási rendszer átépítésére (áthelyezésére) kell nagyobb beruházási összeget szánni, ami megkérdőjelezi az alkalmazás gazdaságosságát. A káprázás azonban olyan fontos világítástechnikai jellemző, amely felett egy gondos világítástechnikus nem hunyhat szemet (legfeljebb miatta csukja be a szemét), így ennek korlátozását a világítási rendszer átalakítása során mindenképpen figyelembe kell venni.
A fentiekben csak a LED-ek fénytechnikai nehézségeiről szóltunk, de meg kell említeni azok termikus viselkedését is. A LED-ek - ellentétben az eddig alkalmazott fényforrásokkal - az általuk termelt hőt nem tudják kisugározni, azt csak hővezetés formájában tudják leadni. (Téves az a nézet, hogy a LED-ek nem termelnek hőt. Igenis, a LED-ek meglehetősen sok hőt termelnek, csak azt nem hősugárzás formájában adják le, így közvetlenül nem is érzékeljük.) A LED-ek által termelt hőt tehát megfelelő hűtéssel el kell vezetni, ami vagy a LED-es lámpák kialakítását teszi bonyolultabbá (költségesebbé), vagy a hűtés jár bizonyos mértékű beruházási költséggel illetve energiaköltséggel. Amennyiben a LED-ek hűtését nem oldják meg, úgy a fényforrás fényárama, fényhasznosítása és élettartama is jelentősen csökkenhet. Sajnos egy egységes szerkezetbe integrált LED-es lámpa esetében - annak roncsolása nélkül - még laboratóriumban sincs lehetőség megállapítani, hogy a felhasznált LED-eket „túlfűtötték-e”, így a felhasználók csak a forgalmazó iránti bizalmukra támaszkodhatnak annak megítélésében, hogy a kapott fényforrás termikus tulajdonságai kedvezőek. Azt azonban mindenképpen leszögezhetjük, hogy egy kellő hűtéssel ellátott LED-es fényforrás (lámpatest) napjainkban olyan hűtési kialakítást igényel, ami jelentősen megnöveli a termék tömegét. (Egy megfelelő hűtéssel ellátott LED-es lámpatest esetében a hűtőbordák tömege akár 5-10-szerese is lehet a fényforrás és a meghajtóegység együttes tömegének.
A LED-ről - mint fényforrásról - tehát elmondhatjuk, hogy a világítástechnikában kiemelkedően nagy szerepet fognak betölteni az elkövetkezendő időben, de számolnunk kell azzal, hogy ezen eszközök csak akkor örvendhetnek közmegelégedésnek, ha a fentebb ismertetett problémákra a lámpatestgyártók és a világítástervezők kielégítő megoldást szolgáltatnak. Mindezek alapján ismételten feltehetjük a címben megfogalmazott kérdést: Mire és hogyan alkalmazhatjuk a LED-eket?
Miután jelen cikkünkben - nagy vonalakban - bemutattuk a LED-es fényforrások előnyeit és hátrányait, következő cikkünkben ezekre alapozva összefoglaljuk és jellemezzük azokat a követendő illetve elvetendő műszaki megoldásokat, amelyek a LED-es világítás területén napjainkban elterjedtek, valamint szeretnénk bepillantást nyújtani azokba a műszaki megoldásokba, amelyek a jövőben feltehetőleg a LED-es világítás meghatározó területeit fogják nyújtani.
