Miešanie LED svetelných zdrojov jako nástroj pre zvyšovanie Ra

Ing. Marek Mácha
OMS spol. s r. o.

Čoraz viac a viac sa svetelné diódy dostávajú do popredia. Získať kvalitné osvetlenie je najmä otázkou svietidla a svetelného zdroja, ktorý je v ňom umiestnený. LED svetelné zdroje majú nespočetné množstvo výhod, ktoré už boli popísané vo veľa článkoch a odborných publikáciách.

Pri svetelných diódach je veľké množstvo variability teploty chromatickosti T_cp. Od teplej bielej 2 600 K až po studeno bielu 10 000 K. Jedným z kritérií pre kvalitu osvetlenia je aj index podania farieb R_a. Pri použití v interiéri (kancelárie) určuje index podania farieb európska norma EN 12464-1 Svetlo a osvetlenie: Vnútorné pracovné miesta na hodnotu R_a > 80. Na trhu sú LED svetelné zdroje s R_a 65 ale aj s R_a > 90. Ich nevýhodou je to, že čím účinnejšia dióda LED je (lm/W), tým horšieje R_a a naopak. Bežne sú dostupné LED T_cp 8 300 K, R_a 75 s merným výkonom 140 lm/W pre chladnú farbu a LED T_cp 2 600 K, R_a 90 s merným výkonom 110 lm/W. Je zrejmé, že rozdiel v účinnosti je až 30 lm/W, čo predstavuje takmer 22 %.

V súčasnosti sa odborníci v spoločnosti OMS zaoberajú tromi cestami, ako zvýšiť R_a pri zachovaní prednosti vysokého merného výkonu. Prvá možnosť je použiť optický materiál cestou odrazu alebo priestupu, ktorý pri prijateľnej miere strát zabezpečí zvýšenie indexu podania farieb na požadovanú hodnotu. Druhou cestou je miešane teplej a studenej farby pre zlepšenie R_a. A treťou je pridávanie rôznych farieb, ako sú červená, oranžová alebo zelená, k studeno bielej farbe.

Index podania farieb ako jedna zo základných charakteristík svetelného zdroja je merateľný spektrofotometrom, tedy zmeraním spektra vyžarovania svetelného zdroja a následným výpočtom. Používajú sa dve metódy výpočtu R_a. Prvou je tzv. testovacia metóda a druhá je metóda R96_a. Pri testovacej metóde sa výpočet R_a robí pre skupinu základných farieb, ktoré sú na obr. 2. Pomocou porovnávania s ideálnym svetelným zdrojom (absolútne čierne teleso) s R_a 100 sa dostávajú hodnoty pre jednotlivé farby. Výsledné R_a je aritmetickým priemerom čiastkových hodnôt pre jednotlivé farby.

Výhodou optického softvéru, ktorý je v OMS používaný, je možnosť vytvoriť svetelný zdroj s reálnymi vlastnosťami – nielen rozmermi, množstvom svetelného toku a zodpovedajúcej krivky svietivosti, ale aj kompletné spektrálne vyžarovanie. S kompletne vytvoreným svetelným zdrojom je potom možné počítať ako s reálnym. V praxi má tento postup veľa výhod a prináša množstvo poznatkov nielen o svetelnom zdroji, ale aj o chovaní svetla z daného zdroja pri strete s optickými materiálmi. Pre výpočet indexu podania farieb je to ideálny nástroj. Možno vytvárať nespočetné množstvo kombinácií svetelných zdrojov a vidieť výsledok ešte pred tým, než sa vyrobia fyzické kusy.

Pri LED svetelných zdrojoch sa najčastejšie miešajú dve farby: studeno biela s červenou farbou alebo studeno biela s oranžovou farbou. Zo spektrálneho vyžarovacieho diagramu na obr. 3 je zrejmé, že práve tieto oblasti spolu s oblasťou modrozelenou chýbajú najviac.

Avšak neplatí pravidlo aritmetického priemeru R_a pri miešaní teplej farby s chladnou. Preto ak sa zmiešajú dve LED, jedna teplo biela s R_a 85 a druhá studeno biela s R_a 75, výsledné CRI svetla nebude 80. To je častokrát mylný dojem; niektorí výrobcovia, ktorí vyrábajú vlastné LED moduly na báze viacerých jednotlivých čipov, dostávajú nekorektné hodnoty.

Veľmi výhodným riešením sa javí miešanie studeno bielej LED s R_a 75 s LED, ktorej spektrum vyžarovania je v oblasti 612 až 622 nm. Nájsť dve vhodné diódy LED na miešanie ešte nie je tou najťažšou úlohou. To najťažšie ešte len príde v otázke miešacieho pomeru a zachovaní požadovanej teploty chromatickosti. Treba vždy rátať s tým, že každé miešanie s chladnou farbou zníži T_cp. Postupným menením množstva svetelného toku z jednotlivých LED možno pozorovať zmenu Ra a Tcp v závislosti od miešacieho pomeru.

Postupným miešaním jednotlivých farieb a množstva svetla sa získa tab. 1 významných medzníkov hodnôt indexu podania farieb. Boli miešané svetelné zdroje s T_cp 5 795 K a R_a 77 spolu s LED, ktorá vyžaruje v oblasti 612 až 622 nm v rôznom pomere.

Z uvedených výpočtov vidieť, že vhodným miešaním chladných LED s vysokým merným výkonom s LED doplňujúcimi chýbajúce časti spektra možno využívať výhody vysokovýkonných a efektívnych LED svetelných zdrojov a dosiahnuť tak vyššie Ra celého systému. Ďalším krokom vo využívaní LED s vysokým merným výkonom v spoločnosti OMS bude zvyšovanie indexu podania farieb za použití optických materiálov.

OMS spol. s r. o.
906 02 Dojč 419, Slovensko
tel.: +421 346 940 857
fax: +421 346 940 856
mobil: +421 918 659 586
www.oms.sk
e-mail: marek.macha@oms.sk

Obr. 1. Rovnomerný diagram chromatickosti CIE 1976
Obr. 2. Základné farby pre výpočet R_a
Obr. 3. Spektrálny vyžarovací diagram LED s T_cp 5 795 K, R_a 77
Obr. 4. Spektrálny vyžarovací diagram LED s vyžarovaním¨v oblasti 612 až 622 nm
Obr. 5. Grafická závislosť pomeru svetelných tokov a R_a
Obr. 6. Grafická závislosť svetelných tokov a T_cp
Obr. 7. Výsledný spektrálny vyžarovací diagram pre R_a 93, T_cp 4 254 K pri miešacom pomere 10 : 1


Tab. 1 Pomer svetelných tokov a závislost R_a a T_cp zmiešaného svetla