Technologie v čelovkách – LED

Tento seriál bude o technologiích v LED svítilnách a čelovkách. Asi tím nejdůležitějším prvkem je vysoce svítivá dioda (LED), bez ní by to nešlo. A právě o níbude dnešní článek.

LED

Obrázek 1: Zprava: XT-E na hliníkovém kulatém chladiči, XP-G na hlinkovém staru (hvězdě), MT-G2 na hliníkovém staru, samostatný LED čip XM-L2, 2 čipy XM-L2 naletované přímo na měděném kusu (tak jak to vkládáme do našich výkonných čelovek). Všechno jsou čipy od společnosti Cree.

LED (light emitting diode) – světlo vyzařující diody – jsou malé polovodičové čipy, které při připojení napětí generují světlo. LED fungují pouze na stejnosměrné napětí a jen při zapojení v propustném stavu (obráceně nefungují). Nejčastějí začínají svítit okolo 2.5V. Každá dioda má specifikováný maximální proud, který diodou může procházet, aby se nezníčila. Pohybuje se obvykle v řádech jednoho až několika ampérů. Pokud přes ní protéká významně větší proud, tak se přehřeje a zničí.

Pokud jste se s diodami setkali, tak asi hlavně s těmi od americké společnosti Cree, které jsou v segmentu jednočipových diod do výkonu 10W v současnosti nejlepší. V našich čelovkách používáme řadu XM-L2 s čipem o velikosti 5x5mm. Občas také ve svítilnách či čelovkách narazíte na velikostně menší řadu XP-G2 nebo XP-L. Větší diody mají, kromě snadnějšího pájení, výhody v lepším prostupu tepla (menší tepelný odpor) a vyšším výkonu, který mohou poskytnout. Menší diody naproti tomu nepotřebují tak velikou optiku (nebo reflektor), aby světlo nasměřovaly do úzkého kužele.

Existují také tzv. multičipy – diody, které mají v sobě spojeno více čipů dohromady (nejčastěji 4 seřazené do čtverce). Ty sice nabízí vysoký výkon a dobrou účinnost, ale vyžadují optiku ještě větších rozměrů.

Zde je porovnání několika řad jednočipových diod a jejich výkonnostních binů, které lze běžně sehnat. Zaměřili jsme se na barevnou teplotu 5000K, aby srovnání mělo vypovídací smysl. 5000K je příjemná bílá barva.  Lze koupit i vyšší výkonnostní biny, ale jen pro barevné teploty nad 5000K, kdy má již světlo znatelný modrý odstín. V tabulce jsou uvedeny hodnoty při provozní teplotě čipu 85°C.

Řada Velikost čipu [mm] Tepelný odpor[°C/W] Maximální výkon [W] Maximální proud [A] Napětí při max. proudu [V] Nejlepší sehnatelný bin Světelný tok při max. proudu [lumenů] Účinnost při max. výkonu [lm/W] Cena při koupi 250ks Mouser.com [kč]

XM-L2

5 x 5

2.5

10

3

3.33

T6

920

92.1

5.60E

154 Kč

XP-G2

3.45 x 3.45

4

4.7

1.5

3.14

S2

488

103.6

2.87E

79 Kč

XP-L

3.45 x 3.45

2.2

10

3

3.34

V4

1012

101

6.49E

178 Kč

Řada XP-L je nejnověji uvedená na trh. Dokazuje, že jde vývoj každým rokem dopředu. I přes svoji malou velikost disponuje vyšším světleným tokem, než XM-L2.

Jak LED vypadá a kde ji lze koupit?

LEDku můžete koupit buď jako holý čip nebo čip, který je napájený na hliníkovém plošném spoji (kruhovém nebo hvězdě – star). Ten slouží pouze k odvodu tepla a sám o sobě diodu neuchladí. Je třeba, aby se teplo ze staru přenášelo někam dál, například na vnější hliníkový chladič s žebry. Star bývá k chladiči přišroubován šrouby a styčná plocha namazána teplovodivou pastou podobně jako u procesoru v počítači.

Holý polovodičový LED čip má na své spodní straně tři plošky. Dvě z nich slouží pro elektrický kontakt a třetí slouží k přenosu tepla. Lze jej – jako to děláme my – přímo naletovat na měděný chladič, kdy je přenos tepla excelentní. Měď je dobrý tepelný vodič a pájka na měď chytá velmi dobře. S trochou snahy se to dá zvládnout výkonnou pájecí stanicí, na sporáku nebo s pomocí obyčejné žehličky.

LEDky lze bez problému zakoupit v internetových obchodech. Doporučuji se ale vyhnout těm čínským, jelikož né vždy ke zboží uvádějí pravdivé informace. Lze je sehnat v kusovém množství i ve velkoobchodech, např. v již zmíněném Mouser.com.

Barevná teplota

Barevná teplota charakterizuje spektrum světla LED. Určitě jste si všimli, že každá LED svítilna nebo čelovka svítí trošku jinak zabarveným světlem, často modře nebo žlutě. Tak to je barevná teplota, udává se v kelvinech a LEDky často mívají hodnoty 2700K, 3000K, 4000K, 5000K, 6500K.

Barevna_teplota_LED

Obrázek 2: Obrázek převzat ze stránek http://ledspots.org/

Cree-XM-L2-comparison-small

Obrázek 3: Porovnání barevné teploty našich čelovek – zleva: 3000K, 3000K+4000K, 4000K, 5000K, 6500K.

Zde jsou příklady barevných teplot různých světelných zdrojů:

  • 1200 K: žhavé uhlíky
  • 1900 K: svíčka
  • 2700 K: žárovka, Slunce při východu a západu
  • 3400 K: halogenová žárovka
  • 4200 K: zářivka
  • 5000 K: obvyklé denní světlo
  • 5500 K: fotografické blesky, výbojky, profesionální fotografie
  • 6000 K: jasné polední světlo
  • 6500 K: standardizované denní světlo
  • 7000 K: lehce zamračená obloha
  • 8000 K: oblačno, mlhavo (mraky zabarvují světlo do modra)
  • 10 000 K: silně zamračená obloha nebo jen modré nebe bez Slunce

Jaká je tedy ideální barevná teplota pro LEDku? Sami jsme nad tím dlouho přemýšleli a nakonec pro kombinaci všech faktorů (existující nabídka teplot, sehnatelný bin, přijatelnost světla pro oči) zvítězily LEDky s 5000K. Studenější odstín 6000K nám už přijde nepříjemně modrý a stejně nenabízí o tolik více lumenů. Teplejší odstíny 3000K a 4000K máme v nabídce, ale je nutné se smířit s jejich nižším světleným výkonem.

Podání barev – CRI (Color Rendering Index)

Co mají obecně LEDky za problém 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.

Životnost LEDek

Životnost LEDek je opravdu veliká. Dokonce tak, že nemá smysl se tím trápit. Pokud byste svítili jednu hodinu každý den, pak by jas svitu LED klesnul na 70% původní hodnoty asi po 90 letech. Mnohem rychleji tedy LED zastará morálně – výrobce vyrobí výkonnější LEDky.

Co všechno ovlivňuje, jak LEDka svítí?

Účinnost LED – jak moc svítí – závisí především na tom, jakým proudem jí napájíme. Pokud např. LEDkou Cree XM-L2, bin T6 prochází proud 100mA, produkuje svit s účinností přeměny energie na světlo 180lm/W. Při 1A ale už jen 145lm/W a při maximálním proudu 3A pouze 102lm/W.

Je tedy velmi výhodné mít ve světle více LED čipů, které nepracují na hranici svých možností, tak aby jejich účinnost byla vysoká.

Druhým, méně významným, ovlivňujícím faktorem je teplota. Čím lépe je teplo odváděno pryč, tím efektivněji pracuje.

Jak řídít LED – proudem nebo napětím?

LEDka jednoduše řečeno při určitém přivedeném napětí povolí průchod určitého proudu. Čím větší napětí na ní přivedeme, tím větší proud ji bude procházet a tím více bude svítit. Dioda XM-L2 začíná svítit přibližně od 2.5V. Jediné smysluplné řízení LEDky je proudové. Konstantním napětím ji nelze řídit, jelikož při zahřívání se křivka mění. O toto řízení se stará elektronika světla, ale o tom příště.