A LED korlátai  a  világítástechnikában

Készült 2010.  évben.

Vass László
Percept kft

Az elmúlt évtized egyik látványos fejlődése a LED-ekhez mint fényforrásokhoz kapcsolódik. A ’90-es évek vége felé jelent meg az első kereskedelmi forgalomban kapható fehér- fényporral bevont kék- LED. Ezek a  <70 mW felvett teljesítményű, hengeres vagy négyszögletes tokozású LED-ek a maguk 0,2—2 lumenes fényáramukkal jelzéstechnikára voltak csak alkalmasak és ma is azok.

Itt be kell szúrnom egy közbevetést. A LED egy elektromos alkatrész, amelyet valamilyen készülék fényforrásaként használunk, de a felhasználó nem tudja és nem is dolga kezelni. Ha jó LED-et használtunk és jól terveztünk, a LED-et nem kell cserélni, mert a lámpatest előbb elöregszik. Nem kell foglalat, nem kell nyitási lehetőség. Az izzópótlók és fénycsőpótlók nem ilyenek. Miért is teszünk be egy üzembiztos LED-et a kontakthibás, lötyögő foglalatokba? Ezenkívül legtöbbjük kisméretű LED-del készül, ezért a fényárama sem elegendő.

Tehát a fényporral ellátott kék LED eredő fehér fénye [ 7 ] színe alapján már alkalmas volt a világítástechnikai felhasználásra, ezért szintén a ’90-es évek végén megjelentek a nagyobb méretű LED-ek, 1 mm²-t meghaladó morzsával. Ezek teljesítmény felvétele 1 W körüli. Kezdetben  20 lumen, ma viszont 140 lumen fényáram is előállítható egy teljesítmény LED-re adott kb. 1W teljesítménnyel. A morzsa hőelvezetése természetesen kritikus ( mint minden félvezetőé ), tehát ahogy sikerült csökkenteni a tokozás hőellenállását, úgy növekedhetett a bevitt teljesítmény. Ma egy jó minőségű, kb. 0,5 cm²  alapterületű tokban megfelelő hűtés mellett 3 W bevitt teljesítmény is megengedett, a hatásfok és az élettartam valamelyes csökkenése árán.

1.-Elérkeztünk a LED egyik legfontosabb korlátjához, a kristály hőmérsékletéhez. [ 6 ]
Csak akkor tudjuk kihasználni a LED-es fényforrások tetemes előnyeit, ha jól ismerjük és már a tervezésnél figyelembe vesszük a korlátait. Minden fényforrásunkra hat a környezeti hőmérséklet, az izzóra a legkevésbé. A LED-re viszont, félvezető lévén, igen erősen. A gyártók megadják a kristályra megengedett legmagasabb hőmérsékletet,  amelynek szokásos értéke a kisteljesítményű LED-eknél általában 85 ºC , a világítástechnikában használt nagyteljesítményű ( power ) LED-eknél  120 ºC – 150 ºC közt lehet. A kristályhőmérséklet és az élettartam közti összefüggés részleteinek a bőséges szakirodalomban és a jobb gyártók honlapján lehet utána nézni. Érdemes! Rengeteg tévhitet, hamis információt lehet így kiszűrni. A legtöbb, főleg kisteljesítményű LED-nél csak derültséget válthat ki a 100’000 órás élettartam dicsekvés, hiszen még megfelelően kézben tartott hűtés mellett is nagyon jó  a  40’000 órás élettartam. A hőmérséklet tehát igen fontos a tervezés és az üzemeltetés szempontjából. Később is, minden megfontolásunkban előbukkan. Jó tanács a barkácsolóknak: 1 W LED teljesítményhez legalább 0,5 dm²  alumínium lemezt alkalmazzunk, függőlegesen.

2.-Második fontos korlát, illetve szempont a tápellátás. [ 5 ] A LED elektromos szempontból dióda, amelynek nyitófeszültsége 2,7—3 V, munkaponti feszültsége 3—3,6 V, fehér LED esetén.  A szokásos diódákhoz képest még annyi megkötés van, hogy a teljesítmény LED-ekre zárófeszültség nem megengedett. Tehát szó sem lehet váltófeszültségű táplálásról! A dióda áramát külső eszközzel korlátozni kell. Egyszerű esetben ellenállás is megteszi a hatásfok csökkenés és fokozottabb melegedés árán. Viszont induktív előtét a zárófeszültség, és a váltófeszültségű táplálás  tiltása miatt nem használható, és még az antiparallel kötött LED-ek esetén sem javaslom a rossz kihasználtság okán. Legjobb a LED-ek meghajtására tervezett áramgenerátoros üzemű tápegység, amelyekből folyamatosan bővül a választék. Szokásos áramértékek a 350 mA és annak többszörösei, de előfordul 500 mA is.

3.-Harmadik korlátunk az ár, ami most még igen erős korlát. A LED jóval drágább  minden hagyományos fényforrásnál! Fényforrás szinten különösen. Ha az üzemeltetési költségeket is figyelembe vesszük, változatosabb a helyzet. Az árak összevetéséhez az egyik fontos paraméter a fényhasznosítás. Szokásos értékei:

Hagyományos izzólámpa                            10 – 15            lumen/watt

Halogén izzó                                             20 – 25            lumen/watt

Kompakt fénycső                                      50 – 65            lumen/watt

Fénycső                                                    60 – 80            lumen/watt

Fémhalogén lámpa                         70 – 80            lumen/watt

Nátriumlámpa                                          100 – 120         lumen/watt

LEDlámpa (kicsi)                                      30 – 60           lumen/watt

LEDlámpa  (nagyteljesítményű)                60 – 140          lumen/watt      

Ezeken  az értékeken  a szokásos  tápegységek, a foglalatok, burák, lámpatestek 25—40 %-t csökkenthetnek.  

A táblázatból rögtön látszik, hogy a kisméretű LED-ből készült izzó- és fénycsőpótlók nem térülnek meg, mert nagyjából azonos fényhasznosításúak, de a LED drágább. Egy 18 W-os fénycső ára pár száz forint, egy hasonló teljesítményű LED-es  tíz euro körül, azaz 2500 Ft fölött van. Az egyéb technikai problémákkal most nem foglalkozunk, néhány megfontolás található az [ 1 ] hivatkozásnál.

Az izzóénál valóban jobb a fényhasznosítás. Nézzünk azonban egy példát: talán a leggyakoribb alkalmazás, amikor egy 35 wattos halogén izzó ( fényárama kb 750 lumen ) helyett egy kisméretű LED-ekből készült kb. 3 wattos LED-es lámpát szerelnek. A LED-es lámpa azért legfeljebb 3 wattos, mert abba a térfogatba még a 3 watt is sok egy kicsit,  a melegedés miatt az élettartam várhatóan nem éri el a 30’000 órát, ami igen messze van a 100’000 órától. Ennek a fényforrásnak a fényárama 100—200 lumen, ez aztán jócskán  elmarad a halogén izzóétól. Igaz, hogy keveset fogyaszt, de fényt sem ad. Négyet—ötöt kellene használnunk hogy elegendő megvilágítást kapjunk. Bármekkora kereskedelmi érdek fűződik hozzá, műszaki és gazdaságossági okokból a fénycső- és izzópótló LED-ek alkalmazása nem indokolt .

Más a helyzet a teljesítmény- LED-ekkel.  2009-ben kereskedelmi forgalomba került  140 lumen/W fényhasznosítású LED. Mivel nemcsak a fényhasznosítás jobb a legtöbb hagyományos fényforrásénál, de a kisugárzott fény is jobban kezelhető, irányítható. Eredően pontosabb fényirányítást, kisebb fogyasztást és a nátriumlámpához képest sokkal jobb színfelismerést kapunk. A teljesítmény LED-ek más paramétereikben is jóval meghaladják a kisméretű LED-eket.  A  legjobb LED-ek 140--150 ºC megengedett kristályhőmérséklete kb 60 ºC –kal magasabb hőmérséklet tűrést eredményez. A LED-ek öregedése is hő aktivált folyamat, ezért az öregedés Arrhenius egyenlet szerint  négyszer—ötször hosszabb idő alatt zajlik le a magasabb hő tűrésű LED-ekben. Közvilágítási lámpáknál, amelyek szinte csak az éjszakai, hidegebb környezetben üzemelnek, előfordulhat a 100’000 óra, vagy annál hosszabb élettartam is.

Eddigiekből a tanulság:

 -  A kereskedelemben kapható izzópótlók sokkal rosszabb hatásfokúak, általában nem, vagy alig  érik el a kompakt fénycsövek hatásfokát, vagyis azokkal szemben soha nem térülnek meg. Energia megtérülésről csak az izzóval szembe állítva érdemes beszélni, de mint az előző példában láttuk, ott a létrehozható fényárammal van gond.

-  A teljesítmény LED-ekkel készült ipari jellegű fényforrásokat már érdemes összevetni a hagyományos, szintén ipari jellegű  ( pl. közvilágítás ) fényforrásokkal.

Csak a fényforrás árából számoljuk 1 lumen árát

Ezek a költségek beruházás jellegűek.

 Ez az összehasonlítás persze nem teljes. Ahol szükséges, figyelembe kell vennünk az előtét, a táp, a lámpatest árát is.

Hasonlítsuk össze háromféle közvilágítási lámpatest gazdaságosságát. Számoljuk ki a beruházási és az üzemeltetési költségeket.

Vegyük  figyelembe a fényforrás és az esetleges lámpatest csere költségét, és mindezt vonatkoztassuk 1 lumenre.

Ezek a költségek beruházás jellegűek.

Az energia árát egyszerűség kedvéért  40 Ft/kWórával számolom.  

Ezek a költségek üzemeltetés jellegűek.

Adjuk össze a fajlagos energia költséget és a fajlagos amortizációt  1 lumenre és 1’000 órára vonatkoztatva. A nátrium lámpa lámpatestjére 100’000 órát, a fénycső lámpatestjére 50’000 óra  élettartamot számolok, ami igen optimista feltételezés.

Adataink nem voltak pontosak, ezért az eredmények  5--7 % hibával terheltek.

Ebben az esetben a LED-es világítás energia fogyasztása   25%-kal gazdaságosabb a nátrium lámpánál, és több mint 50%-kal jobb a kompakt fénycsöves világításnál. A LED-es lámpatest  és fényforrás jelenlegi magas ára miatti nagy amortizáció a megtérülést kétségessé teszi.

Ha egyéb szempontokat ( pl. megbízhatóság, dimmelhetőség, rázásállóság, hidegállóság, stb ) is figyelembe kell venni, akkor sok feladatnál egyértelműen a LED-es világítás a jobb.

További példák is sorolhatók, de most nézzük az utolsó, nem túl jelentős korlátozást, ami a hőmérséklet korlátból következik:

4.-Negyedik korlát a teljesítmény növelésének korlátja. A mai LED hatásfokokkal csak intenzív, keringetett levegő vagy folyadékhűtéssel célszerű egy kompakt fényforrásban 120—150 W fölé növelni a teljesítményt.. Ez 10’000—15’000 lumen fényáramot jelent. Az eredő felületi fénysűrűség korlátozott. Reflektorok, szpotlámpák, pontos eloszlás függvényt igénylő készülékek, például gépkocsi  fényszórója  tervezésénél előfordulhat, hogy nem megoldható a feladat.

Ezek a korlátok elsősorban úgy korlátok, hogy másképp kell használni, másképp kell tervezni mind műszakilag, mind gazdaságilag a LED-es fényforrásokat.

-  Másképp kell használni, tehát jó lenne elérni, hogy a felhasználó igencsak gondolja át, megveszi e az izzó- és fénycsőpótló bóvlikat.

-  Máskép kell tervezni, mert fokozottabb figyelmet kell fordítani a hűtésre.

-  Másképp kell tervezni gazdaságilag is, mert míg a hagyományos fényforrások ára már nem, a
 LED-es fényforrásoké rendkívül gyorsan változik. Okai:

-Az energia árának növekedése erős nyomást fejt ki az igen jó hatásfokú LED-ek alkalmazása irányába.

- A LED-ek fényhasznosítása két három évente duplázódik, és ez a tendencia még két három évig eltart. Ebből eredően a megtérülési idő erősen csökken.

- Igen sok alkalmazásban fontos előny a nagyon kicsi gondozási igény. A LED-eknél ez tovább csökkenti az üzemeltetési költséget.

- Az erősebb elterjedtség nagyobb szériát, az pedig alacsonyabb árat jelent.

A gyors változás miatt hangsúlyoztam ki a dolgozat elején, hogy 2010.  évben készült.

Összegezve:  a LED a világítástechnikában igencsak új eszköz. Érdemi alkalmazása még nincs tíz éves. Előnyei mellett a korlátait is jól kell ismernünk, hogy megfelelően használhassuk.

Néhány szó az irodalomról.

LED-del foglalkozó cikk rengeteg jelenik meg. Ezek jó része egyszerű dicsekvés, vagy egy adott típus műszaki ismertetése. Míg tíz évvel ezelőtt a LED-es irodalom számottevő részét ismertem, ma már képtelenség áttekinteni a LED-ekkel  foglalkozó irodalmat.

Termékek mérése:

 [ 1 ]         

Villanyszerelők Lapja 2010 július-augusztus

                  LED fénycsövek vizsgálata

               MEEI kft vizsgálata szerzők megnevezése nélkül.

Gyártói honlapok:

[ 2 ]           www.cree.com

[ 3 ]           www.luxeon.com

[ 4 ]           www.zLED.com

Alkalmazói:

[ 5 ]           www.percept.hu

Fizikai paraméterek mérése:

[ 6 ]      Dr Tichy Géza, dr Kojnok József

               ELTE TTK Szilárdtestfizikai tanszék: Világítódióda lámpatestek fejlesztése 2002-2004

            OMFB-00757/2002 – Percept kft  pályázat.   Kutatói jelentések

[ 7 ]      Schanda J, Muray K, Kránicz B.

LED Colorimetry

AIC-Conference, Rochester, 2001

 

Szakdolgozatok:

      [ 8 ]         Varga Károly

                         Mérési módszer kifejlesztése LED-ek ellenőrző vizsgálatához 2003

Szakdolgozat BMF KVK 2003 N-CXXXII-282/99

[ 9 ]         Takács Gábor

                        LED alapú világítás

Szakdolgozat BMF KVK 2007 KVK-O-NV-04-315

Világítástechnikai jegyzetek  és könyvek:

[ 10 ]      Poppe Kornélné:

                  Világítástechnikai eszközök, és rendszerek I.

               KKVMF Jegyzet 1997

[ 11 ]       Dr. Borsányi János – Várkonyi László :

                  Világítástechnikai eszközök, és rendszerek II.

               KKVMF Jegyzet 1997

[ 12 ]       Poppe Kornélné - Dr. Borsányi János :

                  Világítástechnika I.

               BMF KVK Jegyzet 2005

[ 13 ]       Arató András - Dr. Borsányi János – Dr. Kovács Károly – Dr. Majoros András –Molnár  Károly:

                  Világítástechnika II.

               BMF KVK Jegyzet 2004

[ 14 ]       Gergely Pál szerkesztésében

               Gyakorlati világítástechnika

               Műszaki könyvkiadó 1977