Skip to main content

XLamp-fényforrások szórt fényű alkalmazásokra

Megjelent: 2011. május 24.

A világítástechnika rendkívül sokat vár a ledek általános elterjedésétől. Ezek az elvárások azonban nem válthatók valóra a fényforrások egyszerű cseréjével, hanem alapos megfontolást kíván, hogyan lehet a ledeket egy-egy alkalmazási területre bevezetni, és ettől milyen eredmény várható. A Cree-ledgyártó termékein keresztül bepillantást nyerhetünk a megoldandó feladatok körébe

figure_1-2

 
 

A legáltalánosabb definíció szerint egy szórt fényű fényforrásban egy fényes felületet használnak megvilágítási célra. Ha ezt a vonalas megvilágítás fogalmai szerint fejezzük ki, ezek a fényforrások 1…10 lm/cm hosszúságegységre vonatkoztatott fényáramot bocsátanak ki. Felületi megvilágításban kifejezve a fényforrások általában 0,25…2,5 lm/cm2felületegységre vonatkoztatott fényáramot állítanak elő, azaz a fényforrás közelében 2500…25 000 lx megvilágítást okoznak. Ez a definíció elég széles ahhoz, hogy bele lehessen érteni a fénycsöveket, a kompakt fénycsöveket és a kisméretű izzólámpákat (például a G5.3 méretű, 12 V-os halogénizzókat). Ha a fényforrást elfedjük, mint a bútorba épített vagy súrolófényes megvilágításnál, a fényforrások egységes világítástechnikai paraméterei nem kritikusak. Ha azonban a fényforrást közvetlenül látható helyen alkalmazzuk, jelentős esztétikai igény merül fel az egyenletesen világító felületek iránt.

A vonalsugárzóból (fénycsőből) kialakított felületi világítórendszereken kívül néhány alkalmazásban kisméretű izzólámpákat használnak, amelyek melegfehér fényt állítanak elő, de a 15 lm/W fényhasznosítású tartományban. A T8-as fénycsövek jobb hatásfoka révén a fényhasznosítás akár a 90 lm/W értéket is meghaladhatja, és egy jól tervezett világítással 70…90 lm/W fényhasznosítás érhető el. A fénycsöves megvilágítás tekinthető az egyenletes eloszlású, szórt fény legjobb megoldásának. Szórt fényű alkalmazásokban az izzólámpákat leggyakrabban olyan helyen használják, ahol a fényforrás rejtetten helyezkedik el – mint például bútorokba épített vagy indirekt fali és mennyezetvilágítókban.

Az F32T8 fénycsövek esetében a fényforrás 2460, az F28T5 pedig 2130 „nyers” lument állít elő méterenként. Ha ezt egy tipikus fluoreszcens lámpatestbe helyezzük, amelyben optika és tápegység is van, az akár 30%-ot is elérő veszteségek miatt valós felhasználási környezetben a „kezelt” fény egy T8-as fénycső hosszúságegységére vonatkoztatva 1720 lm/m, T5-nél 1490 lm/m értékre csökken. Ezeket a nagy hatásfokú fényforrásokat tipikusan általános mennyezetvilágításra használják. Mivel nagy hatásfokú, nagy tömegben gyártott és olcsó világítóeszközökről van szó, igen alkalmasak arra, hogy a ledes fényforrások összehasonlító vizsgálatának alapjául szolgáljanak.

A T8 fénycső helyettesítése

Mint mondtuk: ezúttal a T5 és T8 fénycsöveket tekintjük az egyenletes fényeloszlású, nagy hatásfokú és olcsó fényforrások összehasonlítási alapjának. 2008 óta számos ledes technológiával készült fényforrás került a piacra a T8-as fénycsövek helyettesítésére. Bár egyelőre egyikük sem ért el jelentős értékesítési sikert, van egy bizonyos növekvő piaci érdeklődés a T8-csöveket helyettesítő ledes fényforrások iránt. Viszont annak ellenére, hogy erős igény mutatkozik az egyenes fénycsövek ledes helyettesítésére, az USA energiaminisztériuma (Department of Energy – a továbbiakban DoE) 2010 tavaszán két hivatalos közleményben is figyelmeztetett arra, hogy a ledes fénycső-helyettesítőket csak nagyon megfontoltan célszerű kereskedelmi forgalomba hozni, mivel a sikertelen megoldások elbizonytalanítják a ledes technológia potenciális elfogadóit. Ezek az alaposan kidolgozott dokumentumok azt mutatják, hogy a CALiPER-program[1] 5. és 9. fordulójában a ledes helyettesítők nagy mintáját vizsgálva azok többsége a szabványosnál gyengébb fény- és energia-hatásfokot és CRI[2]-értéket mutatott, és elmaradt a jelenleg általánosan használt T8-fénycsövek teljesítményétől. A T8-as fénycsövek helyettesítésére szolgáló ledes eszközök minőségi specifikációjával kapcsolatban a jelentés javaslatokat is tartalmaz a fényforrások ezen kategóriájának műszaki teljesítőképességével kapcsolatban. Ezek szerint a minimális fényhozam  2700 lumen, a minimális élettartam 35 000 üzemóra, és a minimális CRI 80. A DoE azt állítja, hogy ez a szint az XLamp ML-E ledekkel teljesíthető. Az alábbiakban néhány lehetséges konfigurációt mutatunk be a Cree ledgyártó cég termékválasztó szoftvereszközére (Product Characterization Tool – PCT) támaszkodva, amely az XLamp-ledek elektromos, termikus és fénytani viselkedését szimulálja.

A rendszert néhány alapvető előfeltételezéssel konfiguráltuk, amely az 1. táblázat színnel kiemelt sorában látható: 2700 lumen, 90%-os optikai és 90%-os villamos hatásfokú rendszer, valamint 5 °C/W hőellenállás a fényforrás háza és a környezet között. Ha néhány jellemző fényáram-kategóriát kiválasztunk az ML-E rendelési kódok közül, látható, hogy a lehetséges konfigurációk között jó néhány van, amely megfelel a T8-fénycsövek helyettesítéséhez megfogalmazott fényáram- és hatásfokfeltételeknek. Ha a ledfüzért egységesen 150 mA-rel hajtjuk meg, a lehetőségek 60…80 ledből álló rendszer felépítését engedik meg, amelyek 60…80 lm/W fényhatásfokot eredményeznek, és fogyasztásuk rendszerenként 33 és 43 W közé esik. A ledeket egyenes vonalban, egyenletes távközökkel, 20…15 mm távolságban lehet elhelyezni. Nagy hatásfokú (> 90 lm/W) ledmeghajtó és optika nélkül csak nagyon alacsony meghajtóáramot tudnánk alkalmazni, és ezért további ledeket kellene elhelyezni, még sűrűbben, egymástól nagyjából 12,5 mm-enként. Ilyen rasztertávolságnál az XLamp ML-E fénye hatékonyan alakítható szórt fénnyé különféle diffúzor optikák segítségével. Az XLamp ML-E lehetőségeinek bemutatására néhány kisebb áramköri lapot terveztek 25,4, 12,7 és 9,5 mm-es rasztertávolsággal, melegfehér ML-E ledekkel beültetve. Fedő diffúzorként egy másik, kereskedelmi forgalomban levő T8-helyettesítő termék 25,4 mm átmérőjű, 180 fokos félhengerét alkalmazták. Ezen keresztül, 25,4 mm-es rasztertávolságnál az XLamp ML-E ledek könnyen megkülönböztethetők, 9,5 mm-nél tökéletesen összemosódnak. A 2. táblázatból látható, hogy egy diffúzor beépítéséért 9,1% fényáramveszteséggel kell fizetni, amely viszont még belül van a 90%-os optikai hatásfokot feltételező munkahipotézisünkön.

 

table_1 

 1. táblázat A Cree termékminősítő szoftvereszközének képernyőképe (sárga sávval kiemelve a 2700 lm-es T8-fénycsővel összehasonlítható megoldások).

 

table_2 

 2. táblázat A fényáram a led raszertávolság függvényében két kisméretű Cree-led esetében

 

A PCT-ből nyert eredményeket tovább finomítva összehasonlítható a teljes fényáram a rasztertávolság függvényében, amelyeket kétféle Cree-termékkel, a ScreenMaster CLA1A melegfehér és az XLamp ML-E hidegfehér ledekkel valósítottak meg.

Bútorba épített világítótestek

Gyakran használt technológia a bútorba (például falra függesztett konyhaszekrény alá) épített fényforrásokra a rövid (30…60 cm-es) T5 és T8 fénycsövek alkalmazása, kisfeszültségű izzólámpás fényforrásokkal vegyesen. Az izzólámpás világítótestek átlagos fényhatásfoka 15…16 lm/W. A legtöbb fénycsöves lámpatest sem sokkal jobb, aminek következménye egy nagyon gyenge, 25…35 lm/W rendszerhatásfok. Ezek a lámpatestek 656…853 lm/m lineáris megvilágításra képesek. Az ilyen világítótesteknél szokásos  45…60 cm-es beépítési magasságnál ezek 100…500 lux megvilágítást adnak, és ezzel megfelelnek az IESNA[3]megvilágítási kategorizálás szerinti D, E és F kategóriáknak. A ledek alkalmazásával nagyon vékony világítótestek építhetők. Ez jelentős előny a jelenleg elterjedt T8-fénycsövekből és izzólámpákból összetett megoldásokhoz képest. 

A bútor alá szerelt munkavilágítás gyakori, mégis gyakran elhanyagolt problémája a több fényforrásból eredő, többszörös árnyék keletkezése. A világítótest kialakításától függően ezek a többszörös árnyékok a munkát zavaró interferenciákat okozhatnak, és ez sok alkalmazásban komoly problémát jelent. A 45…60 cm magasságban szerelt bútor alatti világítás sok esetben okoz zavaró látási effektusokat a több fényforrásból összetett világítás többszörös árnyékhatása miatt. Ha a lineáris ledes elrendezéshez közel helyezünk el egy  diffúzort, az részben csökkenti ugyan az egyedi ledek felismerhetőségét, és ezzel együtt tompítja a többszörös árnyékok hatását, de nem szünteti meg azt. Ha ezekben az alkalmazásokban ragaszkodunk a nagy rasztertávolságra helyezett ledekhez, tükröző falú optikai üreget és diffúzort tartalmazó világítótestet kell alkalmaznunk. 

  

figure_1

1. ábra 5 db, 9 cm távközzel szerelt XLamp MX-6 led többszörös árnyékhatása

 

figure_2

2. ábra A ledek felületéhez közel elhelyezett diffúzor elmossa a többszörös árnyékot

 

 

A nagyobb fényhatásfokú, kisméretű ledek megjelenésével azonban egy másik, hatékonyabb technológia is lehetővé vált a bútor alá szerelt fényforrások megvalósítására: a nagy számú, alacsonyabb fényáramú ledek (mint például a Cree XLamp ML-E) kis rasztertávolságú beépítése révén. A pontforrások számának és sűrűségének növekedésével elegendő egy gyengébb diffúzor használata is az optikai teljesítőképesség növelésére – különös tekintettel a többszörös árnyékhatás kiküszöbölésére. Nincs ésszerű ok, amely megakadályozhatná, hogy a jól tervezett ledes világítótestek széles körben elterjedjenek a bútor alá szerelt világítási alkalmazásokban. A páratlanul vékony kialakítás, amely megfelelő nagyságú és eloszlású fényáramot szolgáltat, „nyerő kombináció” lehet az ilyenfajta világítástechnikai feladatok megoldásához. Különösen alkalmasak lehetnek erre az elosztott, vonalszerű vagy felület menti elrendezésekhez optimalizált ledek – mint például a Cree XLamp MX-3 és ML-E.

Tervezési módszerek

Tápegységek nagyobb ledes elrendezésekhez

A szétosztott és vonal menti világítástechnikai alkalmazásokban gyakran nagyszámú (tizes-százas nagyságrendű) ledből építik fel. Az ilyen mennyiségű led „szervezése” és tápellátása a rendszertervezés fontos feladata. Sok megoldás áll rendelkezésre a sorosan vagy párhuzamosan kapcsolt ledeket ellátó sokcsatornás tápegységektől az egycsatornásig, amely az összes sorosan vagy párhuzamosan kapcsolt ledet egymaga látja el tápárammal, és a kettő között számtalan átmeneti megoldást is találhatunk.  

Nyomtatott áramköri tervezés

Bár a közepes fényáramú ledek önmagukban nem disszipálnak túl nagy hőmennyiséget, összetett elrendezésben használva a hőterhelés már fontos tervezési szemponttá válhat. A Cree AP-38 jelű, „Optimizing PCB Thermal Performance for Cree XLamp LEDs.” (A Cree XLamp-ledek nyomtatott áramköreinek termikus optimalizálása) című alkalmazástechnikai útmutatójában bemutatott FR-4 NyÁK-terv a hőelvezetési célból tervezett galvanizált furatok (thermal via) előnyeit használja ki. Más esetekben, kisebb világítótesteknél elegendő lehet, ha a NyÁK-lapot a világítótest alumíniumból vagy más fémből készült házához rögzítjük.

Farnell

Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016-413

E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.farnell.com/hu, www.element-14.com



[1] CALiPER: (Commercially Available LED Product Evaluation and Reporting) a kereskedelmi forgalomban kapható ledes termékek értékelésére az USA energiaminisztériuma által finanszírozott folyamatos vizsgálatsorozat, amely a termékek rendszeres tesztelésének eredményeit publikálva tájékoztatja a közvéleményt a ledes világítástechnika gyakorlati használatra való „érettségéről”. (A szerk. megj.)

[2] CRI: Color Rendering Index: a fényforrások színvisszaadását jellemző minőségi paraméter.

[3] IESNA: az észak-amerikai világítástechnikai társaság nevének rövidítése. Az IESNA dolgozta ki az USA-szabvány (ANSI) alkalmazásfüggő kategóriáit. (a ford. megj.)