Technický koutek

LED

LED (LIGHT EMITTING DIODE)

LEDky jsou v současnosti skutečně nejúčinnější světelný zdroj. Zároveň jsou i velmi malé, prakticky nerozbitné a provozem se neničí. Proto se dnes používají v ručních svítilnách, čelovkách, světlech na kolo i v automobilech a domácnostech. Společnost CREE, jejíž diody řady XM-L2 používáme v našich čelovkách, udává dobu 36300 provozních hodin, po kterých klesne původní světlený tok na 70%. Tato doba je vypočítaná a odhadnutá dle metodiky na základě vzorku 6000h a vztahuje se k procházejícímu proudu 3A, u nižsích proudů je životnost ještě vyšší. Tzn. pokud by někdo s čelovkou svítil každý den jednu hodinu, tak by toto snížení svitu nastalo přibližně až po 99 letech. Takže tím se trápit nemusíme.

LED sama o sobě vytváří světelný kužel v úhlu 125°. To je velmi mnoho, proto je třeba světlo usměrnit přes optiku nebo reflektor. Obojím je možné dosáhnout rozumné šířky kužele a zároveň výrazně zlepšit dosvit do dálky. Širší nasvícení napomáhá orientaci v prostoru, velký dosvit se hodí pro bezpečnou jízdu na kole ve vyšší rychlosti. Běžné reflektory mají většinou odrazivou vrstvu z hliníku s účinností okolo 70%. Krycí sklíčko podle materiálu a počtu a složení antireflexních vrstev dále propuští jen 92%-96%. Lepší variantou je použití TIR optiky, která má účinnost až 93% a nepotřebuje před sebou mít žádné další krycí sklíčko. TIR optiky se vyrábějí z materiálu PMMA, který je sám poměrně tvrdý. Kužel z těchto optik je od středu do krajů mnohem plynulejší, nemá žádné ostré přechody. Mnoho současných - i značkových - světel používá reflektory a výsledný světelný kužel sice dosvítí daleko, ale nemá potřebné periferní nasvícení. My v tomto jdeme trošku proti proudu a vyrábíme světla, která se snaží docílit obojího.

Barva (teplota) světla je další důležitou věcí. Výrobci vyrábějí více tzv. tintů - tj. barevných odstínů diod. Nejúčinnější jsou vždy diody modře nebo zeleně zabarvené (8000K a více) a to je také důvod, proč mnoho levných svítilen svítí namodrale. Diody s rozumným barevným odstínem přicházejí na trh ve stejné účinnosti výrazně později. Barevná teplota světla však dramaticky ovlivňuje schopnost rozeznávat věrohodně přírodní tvary a barvy. Na kole nebo při běhu v terénu je tak možno rozlišit kameny, větve a jiné překážky.

V naší čelovce používáme nejvýkonnější diody XM-L2 od společnosti Cree. Standartně mají barevnou teplotu 5000K, což považujeme za příjemnou bílou barvu bez žádného nádechu modré. Nabízíme však také variantu s teplotou 4000K a variantu 3000K HiCRI s vysokým podáním barev. Parametr CRI (Color Rendering Index) - nabývající hodnot od 0 do 100 - označuje jak věrně toto světlo vykresluje všechny barvy. Normální LED mají CRI okolo 70, tato HiCRI LED dosahuje hodnoty 90.

Diody se dělí do více výkonnostních binů, podle toho kolik světelného výkonu při daném proudu produkují. U nás v současnosti používáme nejvyšší dostupný bin T6. Lze samozřejmě sehnat mnohem levnější biny T5 a T4, které mají 93% resp. 85% světelného výkonu, ale nechceme tak činit. Snažíme se vždy prodávat čelovky s nejnovějšími technologiemi, i když to něco stojí. 

Každá dioda má nejvyšší účinnost při malém procházejícím proudu. Čím více lumenů od ní potřebujeme, tím se její účinnost zhoršuje. Výrobci proto často dávají do světel více LED čipů. 

Podání barev – CRI (Color Rendering Index)

Obecným problémem LEDek je nízký index podání barev (CRI). CRI nabývá hodnot od 0 do 100 a definuje jak věrně zachycuje světlo barvy. Žárovka má CRI 100. LEDky mívají CRI od 65 do 95, ty nad 90 bývají označování jako HiCRI. Pro fotografii nebo natáčení se používají výlučně světla s CRI nad 90. Následující obrázek ukazuje rozdíly mezi různými hodnotami CRI.

Obrázek 4: Obrázek převzat ze stránek http://ledspots.org/color-rendering-index/

Horší zobrazení některých barev je proto, že LED negeneruje světlo ve všech vlnových délkách stejně intenzivně. Lidské oko dokáže vnímat vlnové délky od 390nm po 700nm, takže kraje tohoto spektra pravděpodobně podání barev neovlivňují. Problémem ale je propad vyzařování okolo vlnové délky 480nm (modré barvy) a nerovnoměrnost celého spektra.

LED_Spektrum

Obrázek 5: Obrázek převzat z datasheetu diody Cree XM-L2.

Běžné jednočipové diody (XM-L2, XP-G2 atp) mají při barevné teplotě 5000K tento index 75. Studenější odstíny mohou mít i jen 65. To je poměrně málo, ale je to kompromis. Výrobci jsou schopni vyrobit LED s vysokým indexem podání barev (Cree vyrábí s CRI 90), ale bohužel ne tak výkonné. XM-L2 s barevnou teplotou 3000K a HiCRI (CRI=90) svítí o 1/3 nižší intenzitou než varianta 5000K.

 

Li-ion 18650

Li-ion akumulátory (LITHIUM-ION)

Chceme-li co nejmenší a nejlehčí zdroj, tak jsou nejlepší volbou Li-ion akumulátory. Li-ion technologie má nejvyšší hustotu energie (Wh/Kg i Wh/m3). Běžně se dnes používá snad ve všech mobilních telefonech i počítačích. Dalšími výhodami je nízké samovybíjení, neexistence paměťového efektu a také schopnost dodávat vysoké proudy v hodnotách až několik amper bez dramatického poklesu kapacity. Články NiMh, NiCd by při takových odběrech vůbec nefungovaly nebo by jim poklesla kapacita (a tím samozřejmě i výdrž) třeba až na polovinu.

Nejpoužívanějším průmyslovým standardem Li-ion článků je typ 18650 (válcovitý tvar s rozměry 18mm x 65mm ), skládají se z něj baterie notebooků (po 6 nebo 9 článcích) a používají je i elektromobily (např. Tesla Roadster jich má v sobě asi 4000 ks). Jeho nominální napětí (tj. průměrné) je 3.6V, nabíjecí napětí je 4.2V. Články se prodávají v kapacitách od 1000 po 3600 mAh. Kvalitní články vyrábějí firmy Sanyo, Samsung či Panasonic. Na všechny Li-ion články je třeba speciální nabíječka, která se liší od té klasické na tužkové (AA) nebo mikrotužkové (AAA) baterie.

Používání Li-ion článků s sebou nese nutnost dodržovat bezpečnostní pravidla. Baterie obsahují tlakovou pojistku, která by měla v případě dlouhých zkratů a podobně zničujících stavů zamezit vznícení. Přesto dodržujte následující bezpečnostní zásady :

  • Nabíjejte baterie na vhodném místě na nehořlavé podložce pokud možno za dozoru.
  • Nabité baterie vyjměte po nabití z nabíječky, nenechávejte je v nabíječce zbytečně dlouho.
  • Chraňte články před zkratem a vysokou teplotou! Ani při nabíjení by se články neměly významně zahřívat.
  • Nepřebíjejte (více než 4.2V) ani nepodvybíjejte (méně než 2.5V nebo 2.8V) baterie.
  • Dbejte na správnou polaritu článků.
  • Mechanicky poškozené, přestárlé nebo zkratované baterie již nepoužívejte.
Napětí Zbývající
kapacita
4.2 V 100%
4.1 V 90%
4.0 V 80%
3.9 V 70%
3.8 V 50%
3.7 V 25%
3.6 V 5%

 

Baterie přirozeně stárne, ztrácí svoji maximální kapacitu nehledě na to, jestli je nebo není používána (již od výroby). Rychlost tohoto stárnutí se zvyšuje s vyšší teplotou, vyšším stavem nabití a vyšším vybíjecím proudem/zatížením. Pro maximální prodloužení životnosti nenechávejte zbytečně dlouho plně nabité nebo úplné vybité baterie stát, skladujte optimálně v chladu při 60% nabití a nevybíjejte je do úplného vybití.

Stupeň nabití baterie můžete ověřit batterytestem (funkce naší čelovky) nebo změřením napětí multimetrem. Změřte napětí baterie, následující tabulka vám poskytne orientační hodnoty nabití.

Běžná - pomalá - 0.5A li-ion nabíječka nabije batterypack se dvěmi akumulátory 3400mAh od 0 do maxima za cca 8h. Baterie lze nabíjet i rychle (vysokým proudem), tím se zkrátí doba nabíjení třeba až na 4tvrtinu původní doby, ale baterie se tím také více opotřebovává.

driver

Řídící elektronika

Řídící elektroniku čelovky představuje plošný spoj ukrytý uvnitř světla, na kterém jsou rozmístěny součástky a měděné cesty mezi nimi, případně i samotné LEDky a mikrospínače. Elektronika se skládá z měniče a driveru. Měnič (v našem případě tzv. spínaný) se zjednodušeně řečeno stará o to, aby čelovka svítila stále stejnou intenzitou. Je to proto, že  je svit LED závislý na proudu, který jí prochází. A procházející proud se odvijí od přivedeného napětí. Takže je třeba při měnícím se napětí baterie dodávat do LEDky stále stejné napětí (proud). 

Každý měnič snižuje nebo zvyšuje napětí s určitou efektivitou. Levné svítilny často obsahují jen tzv. lineární měnič, který přebytečné napětí jen spálí, takže jejich účinnost je i 60 - 70%. To pak znamená to, že se svítilna přehřívá a v lepším případě je výdrž na baterie nižší než by mohla být. V horším případě může dojít k přehřátí elektroniky a selhání čelovky. Nám se během několika let vývoje podařilo s využitím špičkových elektrosoučástek sestrojit dc-dc měnič, jehož efektivita je nad 95% a ani při maximální zátěží nehřeje. Můžete jej mít ve své čelovce i Vy. Elektronika je navíc navržená ze součástek s dostatečnými rezervami napětí a proudu, takže se naprosto minimalizuje riziko jejího náhlého selhání v delším horizontu.  

Driver řídí logiku čelovky, zapíná a vypíná ji, přepíná módy, monitoruje teplotu čelovky a signalizuje stav baterie. Snažíme se o to, aby svítilny měly co nejlepší ergonomii. Především to znamená skrytí strobo a sos módů a maximální zjednodušení ovládání, tak aby se člověk mohl soustředit například na řízení kola. Sami je používáme, uživatelský komfort je pro nás důležitý,

 

OPTIKY - ÚHEL OPTIK  - FWHM

Jak už jsme uvedli, LEDky produkují světlo v úhlu 125° a optiky jsou nutné pro jeho zacílení, zúžení. Úhel optik specifikujeme jako FWHM (Full Width at Half Maximum) a označuje to šířku kužele, do kterého směřuje většina světla z diody. Jelikož se těžko měří přesný okraj světla, měří se úhel kužele jako úhel, ve kterém je jas světla minimálně polovinou maximálního jasu (jas v prostředním bodě). Na obrázku je příklad optiky s FWHM 13°.

Obecně doporučujeme kombinaci optik13°+20°. Širší kombinace (13°+29°,20°+29°) jsou vhodné pro práci. Někteří orientační běžci také využívají optiky 13°+29° k tomu, aby si periferně osvětlovali mapu a nepřesvětlovali ji silným středem světla. 

 

LUMENY

Lumeny jsou jednotkou světelného toku a je to množství světla, které dané světlo (čelovka) produkuje. Lumeny jsou vhodnou poměřovací jednotkou mezi různými světly - světlo s více lumeny je silnější. Lumeny ale označují jen celkové množství světla, ale neříkají do jak úzkého nebo širokého paprsku se světlo soustředí. Světla, která svítí bodově nám pak připadají silnější než ty, která jsou rozptýlená do prostoru i když mohou mít méně lumenů (celkový světelný tok nižší).

Lumeny světla lze orientačně vypočíst z datového listu LED čipů, procházejícího proudu, ztrát zahříváním a ztrát na optikách. Lumeny lze přesně změřit v integrační kouli, což jsou drahá laboratorní zařízení.

 

LUXY

Luxy jsou jednotkou intenzity osvětlení a určují osvětlení v jednom konkrétním měřeném bodě. Bodová světla budou vykazovat vyšší hodnoty luxů než světla rozptýlená. Luxy lze jednoduše měřit luxmetrem, ale pro naše potřeby je to nic neříkající údaj. Zde jsou některé běžné hodnoty intenzit osvětlení:

1 lux - měsíční svit

10 luxů - svíčka ve vzdálenosti 30cm

400 luxů - běžná kancelář

50000 luxů - slunný den

DOSVIT

Dosvit se uvádí jako vzdálenost, na které poklesne intenzita osvětlení svítilny na hodnotu 0,25 luxu. To je přibližně intenzita osvětlení, kterou vytváří Měsíc v úplňku za jasné oblohy. Hodnota se dle normy ANSI/NEMA FL 1-2009 odečítá v intervalu mezi 30 - 120 vteřinami po zapnutí svítilny.

Lucifer čelovky
Čelovky Lucifer - Petr Dvořák © 2017