Jak vybrat správný světelný zdroj do domácnosti? – Část 2

Když bylo řečeno, že dopátrat se spektrálního složení světla světelného zdroje je obtížné, dopátrat se průběhu odebíraného proudu bez měřicích přístrojů je vcelku nemožné. Na první pohled se může zdát, že pro běžného uživatele bez elektrotechnického vzdělání je toto téma zbytečné a nepotřebné. Nicméně průběh odebíraného proudu světelného zdroje (obecně všech spotřebičů) má zásadní vliv na generování rušení ať už do elektrické sítě, nebo do oblasti bezdrátového přenosu (rádiový signál apod.).

Pokračování z časopisu Světlo 2/2015

Průběh odebíraného proudu, blikání (míhání)

V tomto ohledu je vhodné spotřebič dobře přizpůsobit k provozu ve střídavé síti, aby se nestal zdrojem rušení. Nemá smysl podrobně rozebírat způsob přizpůsobení spotřebičů, jelikož je problematika velmi složitá a závisí na mnoha aspektech, je ale dobré vědět, že se charakter proudu odvíjí od typu zátěže, resp. od elektroniky napájecího zdroje. Z hlediska zatížení a rušení je pro elektrickou soustavu nejvhodnější odporový typ zátěže, tj. se sinusovým průběhem proudu ve střídavé soustavě se sinusovým napětím. Spotřebičem tohoto typu jsou klasické a halogenové žárovky připojované přímo do sítě.

Jsou-li tyto zdroje připojeny přes transformátor či elektronický zdroj, stávají se, stejně jako zářivky nebo světelné diody, jiným než odporovým typem zátěže (indukčním nebo kapacitním). Takové spotřebiče je žádoucí tzv. kompenzovat, aby nevedly ke vzniku a přenosu tzv. jalového výkonu, který se nepodílí na činné práci, a jen zbytečně tepelně přetěžuje elektrické vedení. Bude-li se totiž muset sítí přenášet velké množství jalového výkonu, pro užitečný činný výkon už ve vodičích lidově řečeno „nemusí být místo“, což může vést k přetížení vedení a k vybavení ochranných prvků (jističe, pojistky) a k následnému odpojení.

Navíc jsou nevhodně přizpůsobené spotřebiče zdrojem velkého proudového nárazu, který může negativně ovlivnit životnost spínacích prvků (vypínače na zdi) či generovat do sítě rušení.

Někteří výrobci u světelných zdrojů, které pro svou činnost potřebují předřadníky (výbojky, zářivky, LED), řeší kompenzaci jalového výkonu propracovanějším zapojením, a to doplněním obvodu tzv. pasivními či aktivními PFC filtry (viz tab. 3 – kompaktní zářivka – GE Biax FEA 18TBX je opatřena aktivním PFC filtrem) [6]. Posláním těchto filtrů je upravit nesinusový tvar odebíraného proudu na sinusový o stejné fázi jako napájecí napětí. Toto zapojení je zpravidla o něco dražší, ale z hlediska sítě poskytuje lepší provozní podmínky. Důmyslnost zapojení se také odráží v odolnosti vlastního světelného zdroje proti rušení ze strany sítě. Je-li obvod předřadníku navržen bez filtrů, je světelný zdroj při výskytu rušení více náchylný k blikání (tzv. flikru).

Rovněž kvalita zpracování napájecí části má zásadní vliv na stabilitu světelného toku při normálním provozu. Bude-li světelný tok světelného zdroje při provozu ve střídavé síti vykazovat velké pravidelné poklesy, může se např. u osvětlení obráběcích strojů projevit tzv. stroboskopický jev, který je velmi nebezpečný. Při tomto jevu dochází k optické synchronizaci otáček např. řezného listu pily se světlem světelného zdroje, a pozorovateli se tak ve skutečnosti rotující objekt jeví jako nehybný. Podprahové i viditelné kolísání světelného toku v čase (tzv. míhání) může za určitých okolností představovat riziko pro osoby trpící epilepsií či migrénou.

Tomuto jevu se v současné době věnují vědecké kruhy po celém světě a v dohledné době je očekáváno přijetí legislativních podkladů k této problematice [7].Příklady průběhu proudu a světelného toku některých světelných zdrojů jsou uvedeny v tab. 3.

Tab. 3. Příklady odběru proudu a průběhu světelného toku některých světelných zdrojů 

Problematikou rušení světelných zdrojů se zabývá norma ČSN EN 61000- 3-2 Elektromagnetická kompatibilita [9], která definuje limity rušení pro světelné zdroje s příkonem do 25 W a nad 25 W. Obecně lze říci, že světelné zdroje s příkonem pod 25 W mají limity rušení mírnější; právě do této kategorie spadá většina současných kompaktních zářivek a téměř všechny LED zdroje se závitem E27. Při posuzování světelného zdroje z pohledu tohoto jediného kusu, pravděpodobně vyhoví limitům, jež definuje zmíněná norma, i méně kvalitní světelný zdroj. Velké riziko však hrozí v masovém rozšíření takovýchto nekvalitních zdrojů, kdy se může stát, že jejich velký počet způsobí v síti nadlimitní rušení.

Obr. 5. Kruithoffův diagram [8] 

Ekologická zátěž

Je též třeba se chovat společensky zodpovědně: v tom případě by neměla být nechána stranou ani otázka ekologie. Toto téma je v souvislosti s dříve zmiňovanou vyhláškou o ekodesignu médii často prezentováno velmi jednostranně. Problém má však dvě roviny. Tou první a často zmiňovanou rovinou je otázka efektivnosti světelného zdroje. Zde oproti jiným zdrojům klasické žárovky prohrávají. Se svou nízkou účinností řádu jednotek procent jsou při procesu přeměny elektrické energie na světlo skutečně neefektivním zdrojem a více topí, než svítí.

Naproti tomu se v tomto ohledu světelné diody jeví jako perspektivní světelný zdroj s vysokou účinností. V současné době jsou, co se týče světelných zdrojů pro domácnost, přibližně na stejné úrovni i kompaktní a lineární zářivky. U těchto zdrojů se však nepředpokládá další rozvoj, neboť pravděpodobně bylo dosaženo technického maxima.

Druhou často opomíjenou stránkou věci je použití toxických látek pro výrobu světelných zdrojů. Zde klasická žárovka oproti jiným vítězí, neboť neobsahuje žádné toxické látky a po jejím dosloužení ji lze bez obav vyhodit do komunálního odpadu. V současné době uživatel ani nemá žádnou jinou možnost, jak s vyhořelou žárovkou naložit (vyjma rozbité, kdy je možné alespoň oddělit sklo a kov), neboť žárovky zatím nejsou cíleně recyklovány. Proto běžné, reflektorové ani halogenové žárovky nepatří do nádob pro zpětný odběr a jsou podle legislativy z povinnosti zpětného odběru vyňaty. Situace je ale naprosto odlišná u LED zdrojů a kompaktních a lineár ve své podstatě nízkotlakými rtuťovými výbojkami, tudíž ke své činnosti potřebují rtuť, byť v malém množství a v současné době již zpravidla chemicky vázanou v podobě amalgámů. Avšak jejich nynější již hromadné zavedení z nich dělá velké potenciální nebezpečí pro životní prostředí. Je uváděno, že jedna průměrná zářivka dokáže svým obsahem rtuti znečistit až 10 000 l pitné vody. Navíc dostane-li se rtuť do potravního řetězce, je pro člověka velmi problematické ji ze svého těla vyloučit. Proto je zde na místě velmi podstatně zdůraznit, že kompaktní a lineární zářivky nepatří do komunálního odpadu! Pro příklad: v roce 2007 uniklo ze všech světelných zdrojů v celé EU 5,3 t rtuti do životního prostředí [4].

Bez poskvrny v tomto ohledu není ani LED zdroj prezentovaný médii jako „zelený“. Při výrobě světelné diody a podpůrných součástek jsou často používány látky, které ohrožují život. Navíc výroba těchto zdrojů je mnohdy energeticky velmi náročná a složitá. Výsledný produkt (LED zdroj) sice toxické látky přímo neobsahuje, je však nutné s tímto zdrojem po jeho dosloužení zacházet jako s elektronickým odpadem a odevzdat jej ve sběrné síti vybudované pro tento účel. Na téma ekologie a světelné zdroje byl v časopise Světlo (2/2014) publikován rozsáhlý článek Světelné zdroje a ekologie, věnující se této problematice.

Jaký tedy světelný zdroj do domácnosti vybrat?

Konečné rozhodnutí při volbě světelného zdroje je na vlastním uživateli a záleží především na jeho osobním vkusu. Nelze zapomínat na to, čeho chce uživatel osvětlením dosáhnout. Osvětlovací soustava by měla zajistit dostatečnou hladinu osvětlenosti pro zrakovou činnost, neměla by oslňovat a jako celek by měla vytvářet příjemnou atmosféru. Při debatě o zakoupení náhradního světelného zdroje do svítidla je nejjednodušší variantou pořídit zdroj, který byl součástí svítidla už při jeho nákupu. Tento zdroj společně se svítidlem utvořil celek, jenž zákazníka přesvědčil, aby koupil právě toto svítidlo, a preferoval je tudíž před ostatními, která byla v obchodě na výběr.

Bude-li zákazníka zajímat otázka finančních úspor, je problém komplikovanější. V první řadě by zákazník neměl podléhat mediálnímu tlaku a měl by zachovat chladnou hlavu, aby se nestal obětí nepoctivých obchodníků. Rozhodne-li se, že dá přednost alternativnímu zdroji před žárovkou, je třeba k němu nastudovat všechny dostupné informace. Zákazník by neměl při posuzování pořizovacích a celkových provozních nákladů zapomínat na to, aby porovnával světelné zdroje o stejném světelném toku, aby se nedočkal nižších hladin osvětlení, než na jaké byl zvyklý. Měl by si dát pozor na to, zda nově pořizovaný světelný zdroj nemůže být při provozu vystaven vlhkému prostředí, nebo bude-li více tepelně namáhán (např. v uzavřeném svítidle), aby nedošlo ke snížení jeho světelného toku, a především ke zkrácení doby života. Rovněž by měl pamatovat na to, zda výrobce svítidla nevylučuje některý ze světelných zdrojů, aby při případné montáži světelného zdroje nekolidoval se záručními podmínkami.

Taková situace většinou nastává při instalaci alternativního světelného zdroje, u kterého je nutná změna zapojení svítidla (např. u některých LED náhrad lineárních zářivek). Rovněž by si měl zákazník ohlídat, zdali se montáží alternativního světelného zdroje výrazně nezmění křivka svítivosti svítidla, což by mělo za následek naprostou změnu vizuálního dojmu z osvětlované scény. Stejná doporučení platí i pro další světelné parametry, jako je teplota chromatičnosti, index podání barev apod. Taktéž je dobré čtenáři doporučit, aby se zamyslel nad tím, kde výměna světelného zdroje přinese očekávanou finanční úsporu. V místnostech, kde se hodně svítí (kuchyně, pracovny), je výměna světelného zdroje za účinnější jistě lepší volbou než tam, kde se svítí zřídka (komory, kotelny, kůlny). Také jej vhodné zvážit, jak dlouho bude od doby zapnutí světelný zdroj v provozu, než jej uživatel opět vypne. Tam, kde je požadavek na svícení velmi krátký, např. v komoře, je vcelku nevhodné instalovat světelný zdroj s delší dobou náběhu (v porovnání se žárovkou jsou to typicky kompaktní zářivky). Stranou by neměla stát ani otázka častého spínání, kdy je třeba si ověřit i počet spínacích cyklů světelného zdroje. Obecně lze tvrdit, že v tomto ohledu jsou zdroje s LED ve srovnání s kompaktními zářivkami o stupeň lepší.

Při pořizování nového světelného zdroje společně se svítidlem je situace v mnoha ohledech jednodušší. Jednak má zákazník možnost vidět, jak bude vypadat osvětlení zprostředkované tímto svítidlem, popř. světelným zdrojem, a také má možnost si zvolit svítidlo, které je navrženo např. výhradně pro provoz se světelnými diodami. Poslední zmiňované je většinou řešeno v podobě neoddělitelného celku (svítidlo a světelné diody), čemuž je zpravidla přizpůsobena i vlastní mechanická konstrukce svítidla (lepší chlazení diod apod.). Co se týče volby teploty chromatičnosti, je dobré zvážit, k jakému účelu bude světelný zdroj využíván. V domácnostech je od osvětlovací soustavy očekáváno, že zprostředkuje příjemnou uklidňující atmosféru po náročném pracovním dni. Mnoha výzkumy bylo potvrzeno, že tuto atmosféru zprostředkovávají světelné zdroje s teplejší bílou barvou. K tomuto účelu jsou vhodné zdroje s teplotou chromatičnosti do 3 000 K. Pro srovnání: teplota chromatičnosti žárovky se pohybuje okolo 2 700 K. Naproti tomu zdroje s chladnějšími odstíny člověka stimulují k bdělosti a jsou vhodným řešením zejména do pracoven. Pro tyto účely se rozšířily zdroje o teplotě chromatičnosti okolo 4 000 K, které jsou rozumným kompromisem mezi zdroji simulujícími denní světlo (nad 5 000 K) a zdrojem teplotním – žárovkou.

Aby byl požitek ze světla dokonalejší, je dobré vyvážit intenzitu osvětlenosti s teplotou chromatičnosti. Tuto problematiku popisuje tzv. Kruithoffův diagram, který říká, že tam, kde je třeba volit nižší hladiny osvětlenosti, je vhodné použít zdroje s nižší teplotou chromatičnosti a naopak. Též je dobré zvážit směrový charakter světla (zde je úzká souvislost se svítidly). Takže pro místnosti, kde bude člověk relaxovat, je vhodnější volit tlumené světlo difuzního charakteru s nižší teplotou chromatičnosti. V současné době se v souvislosti se zaváděním LED do všeobecného osvětlová modrého světla (blue hazard) na zdraví člověka.

Toto téma navazuje na nedávno učiněný objev, kdy v oku byly objeveny receptory (cirkadiánní čidla), jež spolu s nervovou soustavou ovládají denní biorytmy v těle. Na uvedené téma autor doporučuje čtenáři vyhledat přednášky prof. Heleny Illnerové, která se této oblasti dlouhodobě věnuje.

Ve spektru současných bílých LED lze nalézt poměrně výraznou oblast modré barvy, která dosahuje vrcholu v místech, kde má největší citlivost cirkadiální čidlo (viz obr. 6). Tato skutečnost nutí k zamyšlení, zda může ono modré světlo nacházející se ve spektru diody negativně ovlivnit biorytmy, potažmo zdraví člověka. Podle dosavadních výzkumů modré světlo synchronizuje lidské biorytmy s denním světlem. Na základě této synchronizace se ráno utlumuje produkce spánkového hormonu melatoninu a do tělního oběhu začne být vylučován hormon kortizol, který probudí lidské orgány k denní činnosti. Tato činnost je úzce spjata s přírodou, neboť ve spektru denního světla je rovněž obsaženo velké množství modré barvy. Zde je dobré poznamenat, že kromě vlnové délky modré složky záleží i na její intenzitě.

Každý se určitě rychleji probere ze spánku, je-li vystaven intenzivní dávce denního světla, než když bude polehávat v zatemněné místnosti. Večer, kdy je třeba tělo připravit k noční regeneraci, nastává situace obrácená. Do krve je vylučován melatonin a ubývá kortizolu. Diskutované riziko spjaté s modrou složkou spočívá ve vykolejení lidských biologických hodin ze synchronismu a v následné nedostatečné regeneraci tělesných orgánů. Je-li zrak vystaven modré složce o vysoké intenzitě v době, kdy by se tělo mělo připravovat ke spánku, může být stimulováno k bdělosti, což by mohlo vést ke zkrácení regeneračního cyklu. Potenciál určitého nebezpečí tedy hraje roli u vysoce intenzivního studeného světla. Bude-li domácnost osazena LED světelnými zdroji o nízké teplotě chromatičnosti, bude riziko zanedbatelné, neboť ve spektru teplé LED je podíl modré složky vzhledem k ostatním minimální. Co se týče večerního sledování televize s LED podsvětlením, aby mohla mít modrá složka výraznější vliv na spánek, musela by být během filmu dostatečně dlouho promítána především modrá nebo bílá barva. Raději než řešit riziko ozáření modrým světlem od televize by bylo vhodné položit si otázku, zda rovnou nejít včas spát a připravit tělu snazší podmínky k regeneraci.

Závěr

Vzhledem k opravdu široké problematice, jakou řeší obor světelná technika, není v moci tohoto článku ze čtenáře vychovat odborníka na světelnou techniku. Článek si kladl za cíl přinést čtenáři obecné povědomí o tom, jaké parametry hledat u světelných zdrojů, aby si v prostředí svého domova v rámci možností zajistil co nejpříjemnější osvětlení. Zájemcům o světelnětechnický obor autor doporučuje vyhledat výbornou publikaci Světlo a osvětlování z nakladatelství FCC Public, ve které jsou shrnuty veškeré současné zákonitosti a trendy z tohoto oboru.

Poděkování

Rád bych poděkoval prof. Jiřímu Habelovi, DrSc., Ing. Petru Žákovi, Ph.D., a Ing. Jiřímu Novotnému za odborné rady k úpravám tohoto článku a také Centru výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie (CVVOZE), kde vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I (projekt č. LO1210) tento článek.

Literatura:

[1] HABEL, J. – DVOŘÁČEK, K. – DVOŘÁČEK, V. – ŽÁK, P.: Světlo a osvětlování. Praha, FCC Public, 2013, 622 s.,ISBN 978-80-86534-21-3.
[2] HABEL, J.: Základy světelné techniky (2): Zrak a vidění. Světlo, 2008, č. 6. s. 52–55, ISSN 1212-0812.
[3] DVOŘÁČEK, V.: Světelné zdroje (seriál). Světlo, 2/2008 až 2/2011, ISSN 1212-0812.
[4] KRBAL, M. – BAXANT, P. – ISKANDIROVA, M. – ŠKODA, J. – SUMEC, S.: Světelné zdroje a ekologie. Světlo, 2014, č. 2, ISSN 1212-0812.
[5] OSRAM. Energetický štítek [online]. [cit.2015-05-14]. Dostupné z: http://www.ledeshop.cz/media/catalog/product/energy-label/OSR4008321988553.pdf
[6] DRÁPELA, J.: Zpětné rušivé vlivy osvětlovacích soustav na napájecí síť. Vědecké spisy Vysokého učení technického v Brně, Edice PhD Thesis, 2007, č. sv. 399, s. 1–30, ISSN 1213-4198.
[7] Recommending practices for modulating current in High Brightness LEDs for mitigating health risks to viewers. In: IEEE PAR1789.
[8] Kruithoffův diagram. In: Wikipedia: the free encyclopedia [on-line]. San Francisco (CA), Wikimedia Foundation, 2001– [cit.2015-04-27]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Kruithof_curve.
[9] ČSN EN 61000-3-2. Elektromagnetická kompatibilita (EMC): Část 3-2: Meze – Meze pro emise proudu harmonických (zařízení se vstupním fázovým proudem <= 16 A). 2015.