Současný stav techniky a odhad vývoje včetně OLED

10.10.2013, Zdroj: Verlag Dashöfer

7.2.5 Současný stav techniky a odhad vývoje včetně OLED

Technologie výroby LED se nachází ve fázi rychlého vývoje a hranice jejich měrného výkonu se velmi rychle posunuje. Současný rekord (květen 2013) drží firma Cree s 276 lm/W, podstatné je, že tohoto rekordu bylo dosaženo za podmínek, blížících se normálnímu použití (proud 350 mA). V případě komerčně dostupných LED je současný maximální měrný výkon 200 lm/W, tuto hodnotu dosahuje firma Cree typem MK-R při 350 mA. Jedná se o sestavu 4 LED na jednom společném substrátu.

Firma Phillips sází na řešení „remote phosphor“, tj. sestavu dvou modrých a jedné červené LED bez luminoforu v trubici, luminofor převádějící část světelného toku modré barvy na zelenou je až na vnitřním povrchu trubice. Ohlášený měrný světelný výkon je 200 lm/W. Bohužel není známo, za jakých podmínek bylo této hodnoty dosaženo a TLED má být v prodeji až v r. 2015. Pro úplnost je nutné uvést, že měrný výkon LED je silně závislý na jejich příkonu.

Obrázek 3: Závislost měrného výkonu LED

Je nutné si uvědomit, že uvedené rekordy byly naměřeny pro proudy a výkony podstatně nižší než jmenovité a aby bylo možné takové hodnoty využít v praxi, musel by se použít vyšší počet světelných diod a tím významně zvýšit cenu svítidla. Je vždy třeba zvážit, jakou bude mít takto konstruované svítidlo návratnost. Prakticky použitelné měrné výkony se pohybují v rozmezí 120–140 lm/W při použití nejlepších dosažitelných LED špičkových výrobců.

Technologie OLED (organické LED) se z pohledu rekordů ocitla v jisté stagnaci a prosazuje se hlavně při podsvícení přenosných zařízení, několik výrobců nabízí televize s podsvícením OLED, ale v oblasti osvětlování zatím tato technologie nenaplňuje očekávání do ní vkládaná.

Velkou výhodou těchto světelných zdrojů jsou nižší výrobní náklady a možnost výroby velkoplošných zářičů. Nevýhodou je zatím rychlé a nestejnoměrné stárnutí LED různých barev.

Tak jako se výroba LED přesunula od výrobců klasických světelných zdrojů k výrobcům polovodičových součástek, změnil jejich nástup i konstrukci svítidel. Zásadním problémem se stal odvod tepla z vlastního čipu do okolního prostředí, protože světlený tok i životnost jsou v případě světelných diod silně závislé na teplotě.

Obrázek 4: Závislost světelného toku na teplotě přechodu

Vysokovýkonné LED jsou obvykle pájeny na desku plošných spojů s kovovým nosičem (MPCB – metal printed circuit board), která je ze zadní strany osazená chladičem. Usilovně se pracuje na nových variantách tohoto uspořádání s cílem minimalizovat tepelné odpory mezi substrátem diody a chladičem a snížit tak teplotu a odpovídajícím způsobem zvýšit měrný výkon i životnost.

Významně se změnila i konstrukce optické části svítidel. U klasických světelných zdrojů převládaly optické systémy s reflektorem, který představoval optimální řešení s ohledem na nezanedbatelnou velikost světelného zdroje a malou přesnost jeho rozměrů. V případě světelných diod se ve většině případů prosazují předsazené optické prvky (čočky, refraktory) ze skla či plastů, které jsou v rozměrech odpovídajících LED vyrobitelné za přijatelnou cenu.

Ovšem objevují se i optické systémy s reflektory. Vzhledem k výrazně menším rozměrům světelných zdrojů je nutné při výrobě dosáhnout přesnosti nejméně o řád lepší ve srovnání s klasickými světelnými zdroji. I výroba svítidel se tedy posunula od klasického strojírenství směrem k výrobě a montáži elektrotechnických zařízení s vyššími nároky na přesnost, čistotu, ochranu proti statické elektřině a odlišnou kvalifikaci pracovníků.

Zásadně se změnila konstrukce napájecích zdrojů svítidel, které jsou u LED prakticky výhradně řešeny jak spínané zdroje na rozdíl od svítidel s klasickými světelnými zdroji, kde dodnes převažují řešení s tlumivkou.

Zásadní přednosti

• Vyšší měrný výkon ve srovnání s klasickými světelnými zdroji obzvláště u světelných zdrojů menších příkonů.

• Osvětlovaný objekt není vystaven tepelnému záření, které se vyzařuje na opačnou stranu než světlo.

Nedostatky

• Vyšší citlivost na poškození přepětím, nutnost podstatně lepší ochrany proti zásahu bleskem, k poškození může dojít i při nepřímém zásahu v okolí svítidla.

• Nutnost řešení odvodu tepla.

• Potřeba podstatně složitějších napájecích obvodů.

Současné aplikace LED je možné rozdělit do dvou skupin – náhrady konvenčních světelných zdrojů a výroba nových svítidel.

Snaha nahradit konvenční světelné zdroje kombinací LED o podobných rozměrech je s ohledem na počty již vyrobených svítidel a jistou setrvačnost uživatelů pochopitelná, ale je nutné přitom respektovat fyzikální realitu. Musíme si uvědomit, že přestože jsou LED jedním z nejúčinnějších světelných zdrojů, přeměňují na světlo 1/5 až 1/6 svého příkonu a zbytek se vyzáří ve formě tepla, které je nutné odvést do okolního prostředí, jinak hrozí razantní snížení životnosti a měrného výkonu LED. Současný stav techniky umožňuje odvedení tepla u LED náhrad klasických světelných zdrojů do příkonu cca 12–15 W. To odpovídá žárovce o příkonu do 100 W nebo zářivce o příkonu do 36 W. Pokusy nahradit klasické světelné zdroje o vyšších příkonech (např. sodíkové vysokotlaké výbojky 100–150 W) jsou zatím odsouzeny k nezdaru a pokud se takový pokus dostane do stadia prodeje, jedná se o nekorektní jednání ze strany prodejce, protože to není náhrada (poskytující stejný světelný tok), ale náhražka (její světelný tok je mnohonásobně nižší). Dalším problémem náhrad /nebo náhražek/ klasických světelných zdrojů je odlišné rozložení světelného toku, což v praxi znamená, že po výměně světelného zdroje svítidlo svítí zcela jinak (a v naprosté většině případů hůře). Příklad takové náhražky je na obr. 5.

Obrázek 5: Náhražky výbojek

Prodejce uvádí, že náhražka má světelný tok 1800 lm, měrný výkon je tedy žalostných 1800/32 = 56 lm/W. Halogenidová výbojka 150 W má světelný tok 12 000 lm a sodíková vysokotlaká výbojka 15 000 lm, tedy 8x více než tato náhražka.

Svítidla, konstruovaná od počátku pro LED, se vyznačují vysokým měrným výkonem a mohou dosáhnout významně lepšího rozložení světelného toku ve srovnání se svítidly osazenými konvenčními světelnými zdroji. Bohužel veřejnost od těchto svítidel očekává parametry (především minimální spotřebu), kterých není možné při současném stavu techniky dosáhnout. U špičkových svítidel lze očekávat měrný výkon až 160 lm/W (za cenu vyšší ceny svítidla), index podání barev Ra až 90 (za cenu nižšího měrného výkonu) a pokles světelného toku po 50 000 h o cca 10 %. Je ale nutné zdůraznit, že takových parametrů mohou dosáhnout správně konstruovaná svítidla osazená LED dvou až tří nejlepších výrobců.

Parametry svítidel osazených jinými LED mohou dosahovat jen zlomků těchto hodnot a často vedou ke zklamání z LED techniky jako celku. Typickým příkladem jsou svítidla pro veřejné osvětlení, kde se bezhlavě vyměňují svítidla s vysokotlakými sodíkovými za svítidla s LED, aniž by byl brán zřetel na skutečné parametry svítidel a jejich ekonomickou návratnost. Prodejce slibuje…