Reálný příkon a svítivost LED pásků a LED sestav

Jmenovité hodnoty parametrů LED páskůLED pásek datasheet

Námi uváděné hodnoty parametrů LED pásků – příkon na metr délky, proud na metr délky a svítivost na metr délky –  jsou hodnoty jmenovité, resp. maximální.
Vznikly matematickým přepočtem hodnot příkonu, odebíraného proudu a svítivosti jednoho samostatně napájeného modulu LED pásku  na jednotkovou délku jednoho metru. Jeden modul LED pásku obsahuje při napájení 12V typicky 3 LED v sérii  a u napájení 24V typicky 7 LED v sérii nebo 6 LED v sérii nebo 8 LED v sérii a na pásku je vizuálně vyznačen.

Jmenovité hodnoty umožňují snadno srovnávat parametry LED pásků různých konstrukčních řešení (pásky napěťově buzené s předřadnými odpory, pásky hybridní s napěťovým napájením a proudově buzenými LED, pásky s ryze proudovým napájením aj.).

Pomocí jmenovitých parametrů vztažených na metr délky také velmi snadno vypočtete celkové teoretické parametry sestavy LED pásků – jmenovitou hodnotu na metr délky vynásobíte celkovou délkou pásku.

V podrobné technické dokumentaci, zejména v datasheetech, rovněž uvádíme tolerance jmenovitých hodnot. Tyto jsou dány tolerancemi použitých komponentů, tolerancemi výrobní technologie a zejména rozptylem parametrů LED diod a závislostí parametrů LED diod na teplotě.

POZOR : Uváděné parametry LED pásků popisují LED pásky jako takové. Při stanovování parametrů Vaší LED světelné sestavy jako celku je třeba vzít v úvahu rovněž vlastnosti technologického okolí, které LED pásky ke svému fungování potřebují. Pro příkon je důležité zejména provedení a dimenzování kabeláže, pro svítivost světelné vlastnosti použitého korpusu resp. profilu a světelná propustnost difuzoru.

Světelná účinnost LED diod – LED pásku – LED svítidla

Světelná účinnost (lm/W) je definována jako podíl výstupního světelného toku a vstupního (činného) elektrického příkonu sestavy.
Pokud mluvíme o světelné účinnosti, musíme vždy precizně definovat, jakého celku se uváděný údaj týká. Světelná účinnost LED diody, LED pásku a LED svítidla jsou rozdílné pojmy. Pokud budete posuzovat světelné aplikace, je třeba srovnávat srovnatelné údaje.

LED pásky ve své struktuře obsahují další pomocné komponenty, na kterých vzniká výkonová ztráta. U klasických pásků to jsou předřadné odpory, u hybridních pásků proudové stabilizátory. Výjimkou jsou LED pásky s proudovým buzením, které ve své struktuře další prvky neobsahují a jejich účinnost je blízká účinnosti samotných LED. Bohužel práce s proudovými pásky je technicky poměrně obtížná a hodí se pouze pro speciální aplikace.

Jestliže se na problém dále podíváme ze svítidlářského hlediska, je LED pásek jako světelný zdroj světelnou výzbrojí a výsledný světelný tok je dán i světelnou účinnost svítidla. Tedy tím, jak je zdrojový světelný tok svítidlem dále zpracován, a to zejména konstrukčním provedením svítidla a světelnou propustností difuzoru (LT = Light Transmition). Nesmíme zapomenout ani na to, že primárním zdrojem energie je téměř vždy elektrorozvodná síť 230V/50Hz a započíst rovněž účinnost napájecího zdroje.

Počítejte tedy se mnou – vstupní údaje jsou obecné – dosaďte si vlastní konkrétní hodnoty
Podívejme se, jak se změní základní účinnost LED diody jako primárního světelného zdroje, když konstruujeme LED svítidlo
LED : 140lm/W – výchozí hodnota, obvyklá účinnost LED diod, které se pro pásky používají
LED+pásek : 105lm/W – standardní LED pásek 12V s předřadnými odpory, 3LED v sérii, 3V/LED – energetická účinnost pásku 75%
   Pozn. Alternativní LED pásek 24V, 7LED v sérii, 3V/LED – energetická účinnost 87,5%, tedy LED+pásek : 122lm/W
LED+pásek+zdroj : 94,5lm/W – účinnost zdroje 90%, kvalitní napěťový zdroj
LED+pásek+zdroj+profil : 75,6lm/W – podle typu profilu, resp. míry “utopení” pásku v profilu, budiž světelná účinnost profilu (mechanické stínění, odrazy aj.) 80%
LED+pásek+zdroj+profil+difuzor : 53lm/W – LT difuzorů může být různé, čirý má LT cca 90% (10% světla se ztratí i v čirém), opálový LT cca 50%, budiž jemně matný LT cca 70%

Ještě poznámka k samotným LED : Výchozí údaj 140lm/W je dnes hodnota obvyklá pro LED na páscích svítících neutrální bílou, s CRI>80 a s běžnou cenou. LED diody svítící teple bíle a nebo s CRI>90 mají světelnou účinnost nižší.

Primární účinnost LED diody jako světelného zdroje 140lm/W se po jejím zapracováním do svítidla sníží na celkovou účinnost svítidla 53lm/W.

Zkusme si to představit například na jednoduchém svítidle – LED profilu pro osvětlení pracovní desky kuchyňské linky z horních skříněk.
Jestliže tedy napájíme LED-ku vstupním příkonem 10W, dostaneme výstupný světelný tok 1400lm. Jestliže napájíme příkonem 10W kompletní LED lineární svítidlo, bude výstupní světelný tok jen 530lm.
A nebo obráceně.
Jestliže chceme vygenerovat světelný tok 1400lm přímo LED-kou, stačí nám k tomu příkon LED-ky 10W. Jestliže osadíme tuto LED-ku na napěťový LED pásek a vyrobíme z ní LED lineární svítidlo z hliníkového profilu s difuzorem, pro stejný výstupní světelný tok potřebujeme činný příkon z elektrorozvodné sítě 26,4W.
Ano, je to tak.
Klasické světelné zdroje (žárovka, zářivka) jsou na tom ještě mnohem hůře.
Světelná účinnost ale není jediná veličina pro posuzování osvětlovacích sestav.
Důležitá je kvalita světla resp. kvalita řešení z hlediska uživatele a jeho preferencí a tyto jsou z velké části subjektivní a individuální.

Rozhodující je účel …

U dekorativní světelné linie v nábytku svítící několik hodin denně jde především o to, aby interiér vypadal hezky. Svítivost linie je minimální, aby neoslňovala, a celkový příkon je malý. Světelnou účinnost takovéto aplikace bude řešit málokdo.
Pro relaxační osvětlení do obýváku pro večerní posezení budete chtít světlo teple bílé, měkké a co nejvíce difůzní, s CRI>80 a středně silné. Světelné ztráty při nepřímém osvětlení odrazem od stropu budou značné.
Pro náročnou každodenní pracovní směnu budete potřebovat světlo směrové a poměrně silné, ale rozptýlené, barva světla neutrální a podle povahy Vaší práce možná i s CRI>90. V mnohých provozech svítí osvětlení trvale. Osvětlení výrobních a kancelářských prostor je významný provozní náklad.
Na dálnicích svítíme sodíkovými výbojkami se světlem téměř monochromatickým. Mají ale ve srovnání s jinými světelnými zdroji dosud nedostižnou účinnost.

… a sodíkovou výbojkou si doma bude svítit málokdo.

Nejdůležitější je, že LED světlo bude vždy takové, jaké je chceme mít. Na rozdíl od jiných světelných zdrojů se parametry LED diod a LED světelných řešení trvale zlepšují a cena klesá. Časem budeme pomocí LED technologie osvětlovat i ty dálnice.

Pokles svítivosti LED pásku po délce linie

V praxi je u linie napěťově napájeného LED pásku s předřadnými odpory celkový příkon, celkový odebíraný proud a celková svítivost vždy menší, než hodnota vypočtená ze jmenovitých hodnot uváděných v technické dokumentaci. Příčinou jsou především podélné úbytky napětí po délce pásku.

LED diody v úseku v místě připojení vodičů mají plné napětí zdroje a teče jimi plný jmenovitý proud. LED diody v úseku na konci pásku mají napájecí napětí sníženo o úbytek napětí na plošném spoji pásku a teče jimi proud menší. Úbytek napětí podél linie pásku s jeho délkou je nelineární a závisí na druhu pásku (mj. na příkonu pásku, šířce pásku a tloušťce mědi plošného spoje pásku) a jeho celkové délce. Reálný celkový příkon pásku je tedy integrální hodnotou příkonů jednotlivých úseků a je vždy menší, než příkon vypočtený ze jmenovitých hodnot.

Pozitivem je, že reálné zatížení zdrojů je proto menší než vypočtená hodnota. To je důležité pro dlouhodobou životnost zdrojů a zejména jestliže nejsou známy dopředu jejich pracovní podmínky a za provozu dosahovaná teplota Tc. V každém případě nedoporučujeme na tuto skutečnost “hřešit” a zdrojovou soustavu je třeba vždy navrhovat s patřičnou výkonovou rezervou (cca 20%). Je třeba totiž také počítat s tolerancemi jmenovitého příkonu LED pásku do plusu a s vlivy teploty.

Negativem je bohužel skutečnost, že celková výsledná svítivost pásku je v důsledku podélných úbytků napětí na pásku menší, než je údaj vypočtený ze jmenovité hodnoty.

podelne_odpory_2

Pokles svítivosti LED pásku v důsledku úbytku napětí na přívodech

V reálné instalaci příkon napěťově napájeného LED pásku s předřadnými odpory dále zmenšují úbytky napětí na přívodních vodičích a zejména na spojovacích svorkách vodičů. Na pásku v místě připojení napájecího vodiče není plné napětí zdroje, ale napětí zmenšené o úbytky na vodičích a spojovacích svorkách.

Proto doporučujeme připojovat vodiče k pásku pájením a nikoli kontaktními klipy. Kontakty klipů mají při větších proudech značný úbytek napětí, vyhřívají se, oxidují a u sestav vyšších výkonů jsou při dlouhodobém provozu nespolehlivé.

ubytky_na_kabelazi_a_pasku

 

Přívodní kabeláž doporučujeme realizovat slaněnými vodiči typu lanko a spojovat je svorkami s WAGO pružinou. U šroubových spojů a šroubových svorek doporučujeme i z důvodů snazší montáže používat na vodiče návlačky, které se při dotažení šroubu zdeformují a tím zvětší kontaktní plochu a spoj zůstane pružný. Jde o to, aby styčná plocha spoje byla co největší a přechodový odpor co nejmenší. Výkonu 100W odpovídá při 12V proud přes 8A !!!  Vodiče typu lanko se rovněž snadno tvarují.

Pro snížení velikostí proudů tekoucích napájecími vodiči je rovněž vhodné napájecí kabeláž zapojovat s hvězdicovou topologií do více větví a nikoli liniově a pracovat s dostatečnými průřezy vodičů – typicky 0,75÷1mm2.

Standardní LED pásky 12V s napěťovým buzením a předřadnými odpory

Výše uvedená fakta jsou pro napěťově buzené LED pásky 12V s předřadnými odpory nepříjemnou objektivní skutečností. Toto konstrukční řešení je ale technicky a aplikačně velmi jednoduché a cenově výhodné a všeobecně rozšířené. Důsledným dodržováním základních zásad při návrhu a realizaci LED osvětlovacích sestav se ale dají tyto jevy snadno eliminovat.

Standardní LED pásky 24V s napěťovým buzením a předřadnými odpory

Pro dosažení vyšší účinnosti je možno použít LED pásky na 24V se 7 LED v sérii. Napájením 24V se sníží při stejném příkonu napájecí proud, citlivost na úbytky napětí ale v důsledku nižší obvodové linearizace vzroste. Napájecí napětí 24V umožňuje díky menším proudům konstrukci delších linií obecně. Slouží k tomu LED pásky 24V se 6 LED v sérii. Rovněž je možno vhodným sériovým elektrickým zapojením dvou stejně dlouhých úseků pásku 12V vytvořit sestavu s napájecím napětím 24V. Obecnou nevýhodou LED pásků a LED zapojení pásků na 24V je větší délka modulu a tím i delší nejkratší nedělitelný úsek. Proto se LED pásky na 24V většinou konstruují jako výkonové a s vysokou hustotou LED.

LED pásky hybridní 24V

Hybridní LED pásky se napájejí z napěťových zdrojů a obsahují ve své struktuře v každém úseku pro LED lokální proudový zdroj. Pásek je tedy napájen napěťově a LED diody proudově. Výhodou je vynikající stabilita parametrů LED pásku a jednoduchý konstrukční návrh sestavy, který je stejný jako u pásků s předřadnými odpory. Regulace jasu je snadná pomocí standardních PWM driverů. Hybridní pásek v rámci doporučené délky linie netrpí podélnými úbytky napětí a všechny úseky svítí stejnou svítivostí. Použité lokální proudové zdroje kompenzují kolísání napájecího napětí a pásek je méně citlivý na úbytky na napájecích vodičích a svorkách. Konstrukční provedení s úsekem 7 LED v sérii dosahuje velmi vysoké účinnosti. Konstrukční řešení s úsekem 6 LED v sérii má účinnost menší, ale je velmi odolné vůči kolísání napájecího napětí a úbytkům na napájecích vodičích. U hybridního pásku reálný příkon i svítivost pásku v sestavě odpovídá uváděným jmenovitým hodnotám. Nevýhodou je vyšší cena a větší délka modulu, proto se tyto pásky konstruují především jako výkonové s vysokou hustotou LED.

LED pásky s ryze proudovým napájením

LED pásky s ryze proudovým napájením ve své struktuře neobsahují předřadné odpory, ani jiné elektrické prvky. Obvodově se jedná pouze o sérioparalelně zapojené LED diody. Výhodou je vysoká účinnost pásku, která je velmi blízká účinnosti samotných LED. Nevýhodou je nutnost použití proudových napájecích zdrojů, konstrukční omezení při návrhu sestav a náročnost návrhu samotného. Tyto pásky jsou na úbytky napětí po délce linie pásku extrémně citlivé. Naopak úbytky na přívodních kabelech jsou kompenzovány proudovým zdrojem. Rozvaha sestavy a návrh napájení jsou složité a obvodově kritické, zvlášť při požadavku na regulaci jasu. Tyto pásky se používají především pro výrobu sofistikovných LED svítidel a speciální účely.