Záměnné světelné zdroje

Úvod 
Historie vývoje světelných zdrojů zaznamenala řadu přelomových vynálezů přinášejících významná zlepšení jejich užitných parametrů (např. zvládnutí halogenového cyklu u žárovek, vývoj nových luminoforů u zářivek a rtuťových výbojek, zvládnutí halogenového cyklu u halogenidových výbojek kvalitativně odlišného od žárovek, náhrada křemenného skla za korundovou keramiku u vysokotlakých sodíkových a následně i halogenidových výbojek a v poslední době zejména „raketové“ zlepšení parametrů světelných diod podmíněné i současným objevením jejich modré varianty).

V daných obdobích se tak setkávají „staré“ světelné zdroje s jejich novou generací a právě tehdy se objevují i tzv. záměnné světelné zdroje. Tento termín byl poprvé zaveden v ČSN EN 62504 v souvislosti s širokým používáním různých variant světelných zdrojů na bázi světelných diod, v níž byly definovány jako LED světelné zdroje určené pro přímou náhradu tradičních teplotních nebo výbojových zdrojů bez nutnosti vnitřních úprav svítidla. Lze jej však s úspěchem rozšířit i na celou řadu dalších světelných zdrojů, které se pravidelně objevovaly v průběhu přechodných období po vzniku jejich novějších skupin. Všeobecně tedy jde o světelné zdroje využívající nový princip generování světla, které ale svou konstrukcí jsou přizpůsobeny svítidlům původně konstruovaným pro předchozí generace zdrojů, takže svítidla nevyžadují buď žádné, anebo pouze nenáročné změny konstrukce (v zahraniční odborné literatuře se pro tyto zdroje používá termín „retrofit“, který občas pronikne i do češtiny společně s dalším nelibozvučným slovem „substitut“).

Každý světelný zdroj, jako nejdůležitější prvek každé osvětlovací soustavy, vyžaduje příslušné svítidlo nebo světelný přístroj, který respektuje jeho základní technické parametry (elektrické, světelnětechnické, geometrické, život nebo potřebné příslušenství – předřadníky, měniče, zapalovače aj.) tak, aby účinnost svítidla byla maximální.

Účelem jejich zavedení je získání úspor energie při minimální investici

V osvětlovací praxi však nastávala a pravidelně nastává situace, že existující investičně nákladná osvětlující soustava (zejména svítidla) ještě zdaleka nevyčerpala svoji životnost, ale uvedení na trh nové skupiny světelných zdrojů, které jsou zpravidla podstatně účinnější než jejich starší generace, by mohlo vést k významným úsporám energie. Je proto logické, že v takovém případě je v zájmu uživatele co nejdříve a nejúsporněji (tedy při zachování osvětlovací soustavy, zejména je-li zcela funkční a neamortizovaná) jejich přednosti využít. Těmto požadavkům se snaží výrobci světelných zdrojů vycházet vstříc vývojem uvedených záměnných světelných zdrojů. Tyto snahy jsou však spojeny s určitými kompromisními řešeními, protože s cílem v maximální možné míře využít dosavadní svítidla je nutné jim přizpůsobit některé parametry nového světelného zdroje, tj. zasáhnout do jeho konstrukce. Zmíněné zásahy obvykle s sebou přinášejí určitou oběť v dílčím zhoršení jeho užitných parametrů, které jsou však i přesto lepší než při používání původního světelného zdroje.

Příklady záměnných zdrojů z historie Příkladů je spousta, ale zřetelně se objevují v současné dominantní generaci LED světelných zdrojů. Vraťme se ještě do minulosti a popišme pro ilustraci několik příkladů takového postupu, který ve své době současně napomohl rychlejšímu a širšímu uplatnění nových světelných zdrojů. Tento článek se věnuje pouze světelným zdrojům pro všeobecné použití.

Obr. 1. Halogenová žárovka záměnná za obyčejnou žárovku

Nejrozšířenějším světelným zdrojem, zejména v domácnostech, je stále obyčejná žárovka. V praxi se dosud nachází nepřeberné množství žárovkových svítidel, zejména dekoračních, která jejich uživatelé a majitelé z nejrůznějších důvodů ještě dále využívají. Obyčejné žárovky našly své záměny mezi halogenovými žárovkami. Klasické wolframové vlákno je nahrazeno malou halogenovou žárovkou, jejíž rovněž wolframové vlákno je umístěno v křemenné baňce, umožňující využít halogenový cyklus při zvýšeném měrném výkonu při současném prodloužení jejího života (např. namísto obyčejné žárovky 60 W s měrným výkonem asi 12 lm/W, životem 1 000 h lze použít žárovku obsahující miniaturní halogenovou žárovku 46 W s měrným výkonem asi 15 lm/W a životem 2 000 h (obr. 1). Žárovky s vyšším příkonem 300 až 1 000 W lze nahradit zdrojem, v němž je lineární dvoustisková halogenová žárovka umístěná ve válcové baňce s paticí E 40. Je tak rovněž možné dosáhnout při delším životě i vyššího měrného výkonu (27,5 lm/W). Úspěšnému zavedení takových zdrojů do sériové výroby předcházel poměrně dlouhý technologický vývoj vhodné halogenové žárovky i výrobního zařízení (vyplývající z nutnosti umístit tenké wolframové vlákno na síťové napětí do malého prostoru halogenové žárovky anebo použít miniaturní halogenovou žárovku na malé napětí – převážně na 12 V, a umístit do prostoru baňky nebo patice vhodný měnič). Přitom bylo zapotřebí zachovat obrysové rozměry vnější baňky obyčejné nebo dekorační (např. svíčkové) žárovky, aby je bylo možné použít v původním žárovkovém svítidle bez výraznějšího zkreslení rozložení svítivosti.

S proniknutím na trh prvních kompaktních zářivek s odlišnými geometrickými parametry a novými paticemi (G23, G24-d, G24-q aj.), které pro svůj efektivní provoz vyžadují i zcela novou konstrukci svítidel, se opět hledala možnost, jak přizpůsobit jejich konstrukci existujícím žárovkovým svítidlům. Začaly se postupně a velmi úspěšně objevovat i kompaktní zářivky, jejichž výbojová trubice měla různé geometrické tvary (namísto původních dvou nebo čtyř vzájemně propojených paralelních trubic se objevily odlišné varianty – nejčastěji svíticí trubice ve tvaru šroubovice (obr. 2) nebo ve tvaru písmen U, 2U, 3U aj.), s cílem co nejvíce přiblížit celkovou délku výsledného zdroje obvyklé délce obyčejné žárovky. Významnou roli zde sehrály úspěchy v miniaturizaci součástkové základny, které umožnily široké rozšíření elektronických předřadníků, resp. měničů, jež bylo možné vměstnat do obrysů žárovky a použít patici E 27, popř. E 14. Tímto způsobem bylo možné alespoň části žárovkových svítidel bez větších problémů prodloužit dobu využití, ačkoliv jsou známy i odstrašující příklady jejich aplikace v nevhodném svítidle. Ne všechna svítidla jsou totiž vhodná pro tyto kompaktní zářivky pro jejich délku nebo odlišnou křivku rozložení svítivosti. Konstrukční změny výbojové trubice spolu s integrovaným předřadníkem, jehož ztráty se též započítávají do celkového příkonu zdroje, ovšem způsobily pokles měrného výkonu z hodnot 50 až 80 lm/W u zářivek s paticemi řady G na hodnoty 45 až 65 lm/W s paticemi E, byť toto porovnání není zcela korektní, protože u zářivek s paticí G se do této hodnoty nezapočítávají ztráty v externí tlumivce (a navíc tyto zářivky vyžadují nové svítidlo).

Obr. 2. Kompaktní zářivka s paticí E27 záměnná za obyčejnou žárovku

Jiným příkladem záměnného světelného zdroje jsou směsové výbojky, které umožnily ve starších průmyslových nebo uličních svítidlech pro žárovky s velkým příkonem (300 až 500, popř. 1 000 W) využít ve své době moderní vysokotlaké rtuťové výbojky. Rtuťový výboj v hořáku z křemenného skla byl stabilizovaný žárovkovým vláknem (které současně doplňuje spektrum vyzařovaného světla o červenou složku), umístěným společně s hořákem do jedné baňky pokryté luminoforem. To dovolilo využít podstatně vyšší měrný výkon (až 60 lm/W) a delší život vysokotlakých rtuťových výbojek, byť výsledná směsová výbojka má v porovnání s klasickou rtuťovou výbojkou provozovanou s indukčním předřadníkem (běžnou tlumivkou) o poznání nižší účinnost (max. 25 lm/W). Je však vhodná pro provoz ve svítidlech určených pro vysokowattové žárovky bez jakékoliv úpravy. Současně byla vyvíjena nová svítidla konstruovaná již speciálně pro rtuťové výbojky s využitím tlumivek a s optickými prvky svítidla odpovídajícími technickým parametrům vysokotlakých rtuťových výbojek. Nicméně směsové výbojky jsou ve výrobním sortimentu některých výrobců dosud v poměrně široké příkonové řadě (100 až 1 000 W) – obr. 3, byť jejich použití je omezeno pouze na některé speciální oblasti osvětlení. Objevila se rovněž varianta směsové výbojky, v níž je výboj ve rtuťovém hořáku stabilizovaný lineární halogenovou žárovkou umístěnou souběžně s hořákem, takže tuto sestavu lze instalovat do čiré válcové baňky o podstatně menším průměru než v předchozím případě. Výsledný zdroj vykazuje vedle prodlouženého života měrný výkon 27,5 lm/W.

Obr. 3. Směsové výbojky – záměnné za žárovky s vyšším příkonem

Po vysokotlakých rtuťových výbojkách se objevila velmi zajímavá nová generace světelných zdrojů – halogenidové výbojky, u nichž není zapotřebí používat luminofor, protože světlo vzniká přímo v hořáku a díky existenci halogenového cyklu lze využít záření velkého počtu chemických prvků podle oblasti použití daného zdroje (všeobecné osvětlení nebo různé aplikace v průmyslu, zemědělství, lékařství aj.). Jejich měrný výkon dosahuje až 100 lm/W. Převážná část základního sortimentu těchto výbojek (250 až 1 000 W vesměs s válcovou baňkou), pro něž bylo nutné vyvinout i příslušná svítidla, byla doplněna variantou s eliptickými baňkami pokrytými luminoforem anebo pouze levnější rozptylnou vrstvou. Opět jde o záměnné světelné zdroje, protože je lze použít ve svítidlech pro vysokotlaké rtuťové výbojky, která je však nutné doplnit přídavným zapalovacím zařízením. Taková úprava je ale poměrně snadná a výsledkem je zvýšení osvětlenosti na osvětlované ploše až o 40 % při současném významném zkvalitnění dalších jejich parametrů, jako např. podání barev.

Rovněž další skupina světelných zdrojů (vysokotlaké sodíkové výbojky) obsahuje „své“ záměnné zdroje, též za vysokotlaké rtuťové výbojky. Výrazně vyšší měrný výkon sodíkových výbojek (až 150 lm/W oproti max. 60 lm/W u rtuťových výbojek) a velké množství nákladných svítidel v průmyslovém a zejména uličním osvětlení nutilo výzkumné pracovníky nalézt přijatelné řešení. To spočívalo ve vývoji vysokotlakých sodíkových výbojek s tzv. Penningovou směsí. Zatímco svítidla vyvinutá speciálně pro nejúčinnější variantu vysokotlakých sodíkových výbojek s optimální čirou válcovou baňkou se vyznačují menšími rozměry, mají odlišné elektrické parametry, a musí tedy být vybavena i jinými tlumivkami a navíc i příslušnými vnějšími zapalovači, a představují proto značně vysoké pořizovací náklady na nové osvětlovací soustavy, jsou výbojky s Penningovou směsí (u nichž je ve vlastním hořáku xenon nahrazen směsí neonu s malým obsahem argonu) přizpůsobeny svými elektrickými parametry (lze tedy použít i tlumivky pro rtuťové výbojky). Kromě toho nepotřebují ke svému provozu vnější zapalovač, jehož funkci plní kovová pomocná elektroda navinutá na hořák nebo vodivý proužek na trubici hořáku. Dále jsou opatřeny eliptickou baňkou pokrytou rozptylnou vrstvou, takže tvar svíticího tělesa je shodný s rtuťovou výbojkou, a nedochází tudíž ke zkreslení tvaru křivky rozložení svítivosti. Nicméně i v daném případě dochází k určitému snížení měrného výkonu, který je při menším příkonu i tak podstatně vyšší než měrný výkon vysokotlakých rtuťových výbojek (např. vysokotlakou rtuťovou výbojku 400 W s měrným výkonem 60 lm/W bylo možné nahradit sodíkovou výbojkou s Penningovou směsí o příkonu 350 W a měrným výkonem převyšujícím 90 lm/W). Přínos v úspoře elektrické energie je zřetelný.

V současnosti dominují záměnné světelné zdroje na bázi světelných diod

V posledních několika letech lze pozorovat „drtivý“ nástup světelných diod v důsledku nebývalého technického a technologického pokroku v oblasti základní stavební jednotky všech LED světelných zdrojů, LED modulů a LED svítidel – čipů. Využívají se nové, vysoce čisté materiály, dokonalejší a velmi drahá technologická zařízení, kterými disponují pouze nejsilnější světové firmy. Zvládnutí výroby modrých světelných diod (za což byla vloni udělena Nobelova cena) umožnilo poprvé vyvinout čipy s bílým světlem s dosud nevídanými hodnotami měrného výkonu při velmi dobrém podání barev s R_a > 80 a odstartovalo doslova revoluci v osvětlovací praxi. Využití jejich vynikajících vlastností vyžaduje i vývoj nových svítidel, koncepčně se zcela odlišujících od svítidel pro tradiční skupiny světelných zdrojů. LED čipy se stávají jejich neoddělitelnou součástí, takže se zde nehovoří o měrném výkonu světelného zdroje, ale již jen o měrném výkonu svítidel. Přitom u tradičních světelných zdrojů nejsou ztráty v předřadných obvodech a ve svítidlech při vzájemném porovnávání vždy uvažovány, takže výsledný světelný tok tradičních svítidel je ještě o poznání nižší, a tedy skutečný přínos LED zdrojů je ještě významnější. Tyto parametry je však nutné zaplatit, a tak nepřekvapí, že nové osvětlovací soustavy jsou ještě poměrně drahé, nicméně poskytují i několik dalších funkcí, které tradiční zdroje neposkytovaly (např. kontinuální regulace chromatičnosti světla, stmívání ve velmi širokém intervalu, okamžitý náběh jmenovitých parametrů, mimořádně dlouhý život aj.). Navíc lze s jistotou tvrdit, že obdobně jako u jiných skupin světelných zdrojů a elektronických prvků postupně klesne cena i LED. Měrný výkon LED světelných zdrojů (přesněji řečeno LED svítidel) je zhruba 130 až 150 lm/W s perspektivou dosáhnout další magické hranice: až 200 lm/W. Přitom ani LED zdrojům se nevyhnul trend vývoje záměnných variant, spíše naopak. Objevují se desítky až stovky jejich nových typů, a to pro všechny tradiční skupiny zdrojů, a již v současné době dosahují velmi zajímavých parametrů. Tomu napomáhá i mimořádně vhodný miniaturní tvar základních čipů, který nabízí široké možnosti vytváření svíticích těles nejrůznějších tvarů a rozměrů s ambicí zasáhnout i do těch nejstarších osvětlovacích soustav.

Obr. 4. LED zdroj záměnný za obyčejnou žárovku

Záměnné LED zdroje nahrazují v těchto soustavách:
– žárovky (sestavením čipů do tvaru vlákna obyčejných a dekoračních žárovek (obr. 4)),
– zářivky (použitím čipů sestavených do lineární konfigurace umístěné do tělesa s krytem z rozptylného materiálu (k nerozeznání od zářivkového svítidla s klasickou lineární zářivkou T8 s rozptylným krytem – měrný výkon asi 120 lm/W),
– kompaktní zářivky, a to v provedení s téměř všemi tvary výbojové trubice (obr. 5 – LED typ s baňkou ve tvaru U) a všemi typy patic včetně patic řady G (přitom LED varianta má v současné době měrný výkon až dvojnásobný),
– vysokotlaké rtuťové výbojky s paticí E27 (záměnný LED typ má měrný výkon téměř 140 lm/W, „LED výbojka“ – novinka na letošní výstavě Interlight v Moskvě – obr. 6, má měrný výkon asi 160 lm/W),
– halogenidové výbojky (měrný výkon záměnného typu je vyšší než 150 lm/W).

Obr. 5. LED zdroj záměnný za kompaktní zářivku

Obr. 6. „LED výbojka“ – novinka na letošní výstavě Interlight
v Moskvě, má měrný výkon asi 160 lm/W

Závěr

Na závěr stručné shrnutí základních rysů záměnných světelných zdrojů:
– jejich konstrukce se přizpůsobuje již existujícím svítidlům, přičemž současně probíhá vývoj nových svítidel, který optimálním způsobem respektuje vlastnosti nových světelných zdrojů,
– nejsou vhodné do nových osvětlovacích soustav, což je obvykle zdůrazňováno v katalozích a jiných obchodních materiálech seriózních firem, protože jsou vesměs méně účinné než originální světelný zdroj provozovaný ve svítidle speciálně konstruovaném pro daný zdroj, nicméně rozvoj záměnných LED zdrojů s vynikajícími parametry toto tvrzení poněkud relativizuje,
– spoří a i nadále budou významně spořit elektrickou energii při současné úspoře investičních nákladů a přijatelné ceně.

Záměnné světelné zdroje v minulosti umožňovaly a i do budoucna budou umožňovat rychlejší zavádění nových principů generování světla v důsledku nižší ceny díky větším objemům výroby zdrojů nové generace.

Rozhodnutí o vhodném výběru světelného zdroje a svítidel musí však vycházet z důkladné analýzy s respektováním všech důležitých technických, ekonomických a provozních parametrů.

---

Vyšlo v časopise Světlo č. 1/2020 na straně 13.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.