Terminologie LED světelných zdrojů

Světelná technika je v současné době ve znamení velmi rychlého technického rozvoje, zejména v oblasti světelných zdrojů a řízení osvětlovacích soustav. Nové polovodičové světelné zdroje nejen nabízejí nové možnosti v návrhu optických systémů a při řízení osvětlení, ale jsou také doprovázeny novými termíny a definicemi, které se vzhledem k dynamickému vývoji mění, doplňují a upřesňují, a přitom není zcela zřejmé, kdy, a zda vůbec, se ustálí. Nicméně vzhledem k neustále se rozšiřujícím technickým zařízením a jejich aplikačním možnostem i k nárůstu normativních dokumentů je vhodné, pro usnadnění komunikace při odborných diskusích a pro jasnější specifikaci požadavků v rámci projektové dokumentace, shrnout aktuální stav a pokusit se nové termíny uspořádat a zavést do českého jazyka. V současnosti již mají některé schválené normy svoji českou podobu včetně terminologie [1], u dalších norem se překlady připravují [2].

Elektrické světelné zdroje pro všeobecné osvětlování, určené k přeměně elektrické energie na optické záření, se dělí na světelné zdroje teplotní, výbojové a polovodičové. V tomto příspěvku jsou pro zjednodušení teplotní a výbojové zdroje označeny termínem tradiční světelné zdroje. Tradiční světelné zdroje pro všeobecné osvětlování jsou standardně opatřeny paticemi, které slouží k mechanickému upevnění a elektrickému napájení světelného zdroje. Patice současně umožňují snadnou výměnu světelného zdroje běžným uživatelem a díky standardizaci také záměnnost světelných zdrojů různých výrobců.

Nové polovodičové světelné zdroje se dělí na světelné diody (LED) a organické světelné diody (OLED). Zatímco organické světelné diody jsou stále ve fázi vývoje, světelné diody převzaly nadvládu nad oblastí elektrických světelných zdrojů za posledních deset let takovým způsobem, že svítidla na tradiční zdroje se již nevyvíjejí a jsou velmi rychle vytlačována ze sortimentu výrobců novými LED svítidly. Někteří výrobci již nabízejí pouze svítidla pro světelné diody a u ostatních výrobců svítidel už větší část sortimentu tvoří svítidla pro světelné diody. Při takovémto tempu vývoje je možné očekávat, že svítidla pro tradiční světelné zdroje budou kompletně vyřazena z nabídky výrobců nejpozději do deseti let. Současně se do tradičních svítidel začaly vyrábět energeticky účinnější náhrady tradičních světelných zdrojů (teplotních a výbojových) ve formě tzv. výměnných LED zdrojů.

Obr. 1. Schematický řez LED součástkou

Základem polovodičových světelných zdrojů je LED čip, který při buzení elektrickým proudem vyzařuje optické záření v úzkém rozsahu vlnových délek, tedy téměř čistou spektrální barvu světla. Bílou barvu světla, tedy tzv. plno-spektrální optické záření, lze u světelných diod získat třemi způsoby. První způsob používají tzv. pc-LED (phosphor-converted LED), složené z modré LED a luminoforu. Spektrum modré LED je doplňováno zelenou a červenou oblastí spektra, získanou buzením luminoforu modrou LED. Výběrem luminoforu lze volit barevný tón bílého světla. Druhý způsob používají tzv. hy-LED (hybrid LED), složené opět z modré LED a luminoforu. V tomto případě vytváří luminofor pouze zelenou oblast spektra, červená oblast se doplňuje spektrem červené LED. Poslední způsob používají tzv. cm-LED (colour mixed LED), složené z jednotlivých barevných LED (modrá, zelená, žlutá, červená), a bílé světlo se získává mícháním primárních barev jednotlivých LED [3]. Vlastní polovodičový zdroj světla, LED čip, je třeba pro další aplikaci mechanicky upevnit a elektricky připojit. Proto se osazuje do pouzdra nebo na mechanickou podložku a opatřuje se kontakty. Tím vzniká tzv. LED součástka (LED package) (obr. 1).

Obr. 2. Příklady konstrukčních typů LED součástek: zleva DIP LED, středně výkonná SMD MP-LED, vysoko výkonná SMD HP-LED, barevná SMD RGBW-LED, COB LED

LED součástka může mít různé konstrukční uspořádání (obr. 2). Nejstarším konstrukčním uspořádáním je tzv. DIP (Dual In-Line), které se používá i v současné době, ale vzhledem k malým světelným tokům pouze pro indikační a signalizační účely. Druhé konstrukční uspořádání, SMD (Surface Mounted Device), je určeno pro povrchovou montáž na desku plošných spojů. Je menší a kompaktnější než předchozí, umožňuje složitější konstrukční řešení a může obsahovat jeden nebo více LED čipů. LED součástky v provedení SMD mohou mít více kontaktů (dva, čtyři nebo šest) v závislosti na počtu LED čipů na desce plošných spojů. To umožňuje v jedné LED součástce vytvořit světelnou diodu s nastavitelnými spektrálními vlastnostmi vyzařovaného světla, v praxi označovanou jako RGB LED. U konstrukčního typu SMD LED existuje určitá klasifikace [4] podle výkonových parametrů, kterou používají výrobci, ale hranice mezi jednotlivými třídami nejsou oficiálně definovány (tab. 1).

Tab. 1. Klasifikace LED součástek v konstrukčním uspořádání SMD

Relativně novým konstrukčním uspořádáním je COB (Chip On Board). Konstrukčně jsou SMD a COB LED podobné, na desce plošných spojů se umísťují LED čipy, ale u konstrukčního uspořádání COB je jich zpravidla několik desítek i stovek. Proto se někdy toto konstrukční uspořádání označuje jako LED Array (LED pole). Důležitý rozdíl mezi COB a SMD je v tom, že u SMD má každý LED čip samostatný přívod, což umožňuje vytvořit „barevný“ světelný zdroj s nastavitelnými spektrálními vlastnostmi vyzařovaného světla (RGB LED). U provedení COB jsou všechny LED čipy zapojeny do jednoho obvodu se dvěma připojovacími kontakty. Proto se COB LED nevyrábějí v barevném provedení. Pro COB LED existuje několik klasifikačních systémů podle rozměru nosné desky, průměru svíticí plochy LES (Light Emitting Surface), světelného toku apod., zavedených organizací Zhaga [5] a následně normalizačními institucemi. Novým konstrukčním provedením LED součástek je MCOB (Multiple Chip on Board), u kterého je propojeno několik COB LED a které se používá při výrobě u záměnných LED zdrojů.

Nejpoužívanějšími typy LED součástek v současné době jsou SMD a COB LED. V praxi se SMD LED součástky používají k vytváření bodových, přímkových, plošných i objemových zdrojů světla a jejich světelný tok lze usměrnit rozptylnými kryty, reflektory, refraktory nebo optickými čočkami. Z pohledu spektrálního složení světla se SMD LED součástky vyrábějí v širokém rozsahu tónů bílého světla, resp. náhradních teplot chromatičností (2 700 až 6 500 K) i v různém barevném provedení (modrá, zelená, žlutá, červená). Pro vytváření světelných zdrojů s nastavitelnými spektrálními vlastnostmi vyzařovaného světla se používá buď kombinace SMD LED součástek s rozdílnou teplotou chromatičnosti, kdy lze měnit barevný tón bílého světla, tzv. tunable white (TW LED), nebo SMD LED součástky osazené LED čipy s různým spektrálním složením, u kterých lze nastavovat trichromatické souřadnice světla (RGB LED, RGBW LED). Novější COB LED součástky se uplatňují hlavně u bodových svítidel s difuzním vyzařováním nebo usměrněným světelným tokem (světlomety, dolnozářiče). U těchto typů svítidel postupně nahrazují SMD LED součástky.

Obr. 3. Příklady LED předřadníků: zleva předřadník s napájecí napěťovou jednotkou (CV) na lištu DIN, předřadník s napájecí napěťovou jednotkou (CV) ve vyšším krytí, samostatná řídicí napěťová jednotka (CV) předřadníku pro ovládání barevného tónu bílého světla a předřadník s integrovanou napájecí a řídicí proudovou jednotkou (CC)

Uvedené LED součástky (SMD, COB) nejsou určeny pro přímou montáž do svítidel, ale pro výrobu LED světelných zdrojů, které jsou již určeny pro přímou montáž do svítidel. LED světelné zdroje potřebují ke svému provozu LED předřadník, který obecně tvoří napájecí jednotka (PS) a řídicí jednotka (CU). Napájecí jednotka je pro provoz LED světelného zdroje nezbytná a může jí být buď stejnosměrný proudový zdroj CC (Constant Current), nejčastěji v rozsazích 350, 500, 750 mA, nebo stejnosměrný napěťový zdroj CV (Constant Voltage), nejčastěji v rozsazích 12, 24, 48 V. Řídicí jednotka slouží k řízení světelného toku LED světelného zdroje, ale není pro jeho provoz nutná. S napájecí jednotkou může tvořit jedno zařízení nebo může být fyzicky oddělená. Předřadníky se vyrábějí v provedení pro zabudování do svítidel nebo jako samostatné pro montáž mimo svítidlo, a to buď pro volnou instalaci, nebo pro instalaci na lištu DIN (obr. 3).

Obr. 4. Příklady LED modulů: zleva neintegrovaný LED modul pro dolnozářiče, neintegrovaný pevný lineární LED modul, neintegrovaný flexibilní lineární LED modul, integrovaný plošný LED modul

LED světelné zdroje se podle konstrukčního uspořádání dělí na LED moduly a LED zdroje. LED moduly (obr. 4) se vyrábějí z LED součástek v konstrukčním provedení SMD i COB. Podle toho, zda je součástí LED modulu předřadník, nebo jeho část (řídicí jednotka), se dělí na LED moduly integrované, částečně integrované a neintegrované (obr. 6). LED moduly lze použít přímo ve svítidlech nebo v LED zdrojích. LED modul, který je pevnou, nevýměnnou částí svítidla, se nazývá integrální LED modul.

Obr. 5. Příklady LED zdrojů pro LED svítidla: zleva LEDi zdroj (patice PHJ65d) pro dolnozářiče, LEDi zdroj (patice GH76p) pro dolnozářiče, LEDni zdroj pro dolnozářiče a světlomety, LEDni zdroj (patice GRD6) pro lineární svítidla

LED zdroj je LED světelný zdroj opatřený paticí a navržený tak, aby ho, v případě poruchy, byl schopen vyměnit běžný uživatel. LED zdroj obsahuje jeden nebo více LED modulů. Podle toho, zda je součástí LED zdroje předřadník, nebo jeho část (řídicí jednotka), se dělí na LED zdroje integrované, částečně integrované a neintegrované. LED zdroje mohou být určeny pro LED svítidla (obr. 5) nebo pro svítidla s tradičními světelnými zdroji, kdy fungují jako jejich energeticky účinnější náhrada (obr. 6). V tomto případě se pro jejich označení používá termín záměnné LED zdroje.

Obr. 6. Příklady záměnných LED zdrojů: zleva náhrada za žárovku 60 W (E27), reflektorovou halogenovou žárovku 20 W (GU5,3), lineární halogenovou
žárovku 100 W (R7s), halogenovou žárovku 10 W (G4), kompaktní zářivku 9 W (G24 q-3), lineární zářivku 1 500 mm (G13)

Spojení LED modulů a LED předřadníků, které může být jak integrované, tak se může skládat z několika fyzicky oddělených částí, se nazývá LED sestava, zkráceně LLE (LED light engine). V praxi se termín LED sestava postupně nahrazuje termíny LED modul a LED zdroj. Z předchozího textu je zřejmé, že uspořádání LED svítidla může mít několik variant. Ty se dále rozšiřují o situace, kdy předřadník nebo jeho část může být součástí svítidla, nebo může být samostatným externím zařízením. Z této variability vyplývá, že v rámci projektové dokumentace je třeba velmi pečlivě u LED zařízení specifikovat napájecí napětí, resp. proud a řídicí rozhraní. Vztah mezi jednotlivými LED zařízeními a LED součástkami je znázorněn na obr. 7. Jestliže připojovací rozhraní 1) LED světelného zdroje tvoří patice, jde o LED zdroj. Jsou-li připojovacím rozhraním svorky, jde o LED modul. Podle toho, zda je LED předřadník, nebo jeho část, tedy napájecí jednotka (PS) a řídicí jednotka (CU), součástí LED světelného zdroje, se LED světelné zdroje rozdělují na integrované (LEDi), částečně integrované (LEDsi) nebo neintegrované (LEDni).

Obr. 7. Schematické uspořádání variant LED světelných zdrojů (LED zdroj, LED modul)

Význam pojmu „světelný zdroj“ z hlediska konstrukčních a světelnětechnických parametrů se v případě tradičních a LED světelných zdrojů zásadně liší. U tradičních světelných zdrojů jsou konstrukční a světelnětechnické parametry pevně vymezeny primárním zdrojem optického záření (výboj, žhavené vlákno). Jejich spektrální vlastnosti lze v určitém rozsahu volit (např. u zářivek luminoforem), ale pro konkrétní světelný zdroj jsou konstantní a jejich světelný tok je dán výkonovou řadou. LED světelné zdroje se od tradičních světelných zdrojů liší velkou variabilitou v konstrukci i ve světelnětechnických parametrech. Základem LED světelných zdrojů jsou LED čipy, primární zdroje optického záření, osazené do LED součástek, které lze libovolně prostorově uspořádat (bodové, přímkové, plošné nebo objemové zdroje světla) do podoby LED světelných zdrojů. Při jejich vytváření je možné použít LED čipy rozdílných spektrálních vlastností a vytvářet tak spektrálně nastavitelné světelné zdroje (náhradní teplota chromatičnosti, trichromatické souřadnice). Výstupní světelný tok LED světelných zdrojů, určený počtem LED čipů a velikostí budicího proudu, lze při použití vhodných předřadníků volit a plynule regulovat. Světelný tok LED čipů lze pomocí optických systémů (refraktory, reflektory, čočky apod.) velmi přesně usměrnit do požadovaných směrů. V případě LED světelných zdrojů je možné vytvořit světelný zdroj „libovolného“ výkonu, tvaru, velikosti, charakteru vyzařování a spektrálních vlastností, což nabízí velice široký kreativní prostor při vývoji nových typů LED světelných zdrojů i svítidel.

Obr. 8. Schéma základních vztahů mezi LED zařízeními a LED součástkami

Přehled nejdůležitějších termínů a definic aktuálně používaných v oblasti světelných diod je uveden v tab. 2. Je třeba počítat s tím, že vlivem dynamického vývoje v této oblasti bude docházet ke změnám, úpravám a doplňování této terminologie.

Tab. 2. Základní terminologie z oblasti světelných diod

Literatura a zdroje:
[1] ČSN EN 62504. Všeobecné osvětlování – LED světelné zdroje a jejich příslušenství – Terminologie a definice.
[2] ČSN EN 13201-4. Světlo a osvětlení – Měření a uvádění fotometrických údajů světelných zdrojů a svítidel – Část 4: LED světelné zdroje a svítidla.
[3] Solid-State Lighting. R&D Plan, 6/2016. U.S. Department of Energy. DOE/EE-1418.
[4] http://www.strategies-u.com/articles/2014/03/mid-power-led-packages-are-getting-brighter-providing-the-output-of-high-power-led-packages.html[5] www.zhaga.org

---

Vyšlo v časopise Světlo č. 3/2017 na straně 24.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.