Parametry LED světelných sestav a jejich měření


Veličin týkajících se LED diod, LED sestav a osvětlovací techniky je celá řada a proto se dále omezíme jen na ty s největším významem pro každodenní praxi. Podrobné a konkrétní údaje vždy uvádějí katalogové listy k LED diodám a LED výrobkům. Na webech renomovaných výrobců LED diod naleznete vedle datasheetů k LED rovněž různé další informační, popisné, konstrukční a metodické materiály, „kalkulačky“ světelného toku LED, nástroje pro skládání LED s různými barevnými BINy, optické a 3D modely LED diod pro počítačové simulace svítidel, obrazce pro návrh plošných spojů, aplikační doporučení a návody pro konstrukci svítidel, LED test reporty z měření a další.

MK350N-LED-SPECTROMETER3Barevná teplota, resp. teplota chromatičnosti (K=Kelvin) : Charakterizuje spektrum bílého světla vyzařované LED diodou. Přesnější popis dávají chromatické koordináty, resp. popis BINu barevné teploty konkrétních LED. Standardem je systém ANSI (ANSI C78.377 Quadrangle) a MacAdam ellipses (1931 CIE Color Space), mnozí výrobci používají systémy vlastní. Velmi zjednodušeně je teplá bílá cca 3000K, neutrální bílá cca 4000K, studená bílá cca 6000K, případně průmyslová, resp. venkovní bílá cca 5000-5500K. Systém BIN-ování barevné teploty a popis světelného spektra LED diod podle vlnových délek najdete v dokumentaci k jednotlivým typům LED. Měřit barevnou teplotu a složení spektra případně další veličiny je velmi jednoduché a stačí k tomu např. cenově dostupný kapesní analyzátor MK350 výrobce UPRtek nebo jiný. Při měření je třeba dbát na to, aby na měřící prvek nedopadalo jiné parazitní světlo, nejlépe je provádět měření v naprosté tmě s vyloučením odrazů od okolí.

Koeficient barevného podání CRI = Color Rendering Index, resp. Ra faktor (-) : Vyjadřuje schopnost rozlišit při daném světle různé barvy světelného spektra. Sluneční světlo má hodnotu 100, žárovka cca 95. Pro umělé osvětlení je dnes standardem hodnota 80 a pro náročné aplikace, kde je nutno rozpoznávat věrně barvy (lakování, barvení, míchání barev, textilní průmysl, klenoty, knihtisk aj.), se používá hodnota 90, případně pro speciální účely (výtvarníci, lékařství, chirurgie) hodnota 95 a více. K měřená koeficientu CRI postačí kapesní analyzátor MK350 výrobce UPRtek nebo jiný.

Světelný tok (lm=kumen) : Udává kolik světla za daných podmínek (při daném proudu protékajícím LED diodou v propustném směru If a teplotě čipu Tj, resp. Tsp, resp. Tc) LED všesměrově vyzáří. K měření světelného toku LED diod a případně dalších veličin je nutný sofistikovaný měřící systém “světelná koule”, což je kulový integrátor s analyzátorem (spektrofotometr) a řízený napájecí zdroj. Sestava je řízena počítačem pomocí speciálního software a její cena je značná. Jiným zařízením změřit světelný tok regulérně nelze. V praxi se světelný tok pro další výpočty stanovuje pomocí „LED kalkulačky“, kterou poskytují výrobci LED diod jako technický support.

Vyzařovací úhel (°) : Popisuje vyzařovací charakteristiku LED diod. LED diody mívají typicky kuželovou vyzařovací charakteristiku s vyzařovacím úhlem cca 110°÷120°.  V LED sestavách se generovaný světelný tok dále formuje přídavnými optikami nebo difuzory. Někteří výrobci integrují pro část své produkce LED optické členy přímo do pouzdra LED diod a dávají jim světelné charakteristiky podle předpokládaného použití, pro svítidla nejčastěji vyzařovací úhel 60°. U LED diod popisují jejich prostorové vlastnosti datové 3D modely a jejich vyzařovací charakteristiky datové soubory, které se pak dál používají pro CAD konstrukci a počítačové návrhy a simulace svítidel (stp data, ies data aj.). U svítidel popisují jejich optické vlastnosti a zejména vyzařovací charakteristiky tzv. eulumdata, resp. podobné datové souborů jiných formátů (ies data aj.). Tyto soubory se pak dále používají pro světelné návrhy a výpočty osvětlení prostorů v osvětlovací technice. K měření vyzařovací charakteristiky LED diod je nejlepší použít měřící světelnou kouli. K měření vyzařovacích charakteristik svítidel se používá speciální měřící zařízení goniometr plus nezbytné příslušenství. Sestava je řízena počítačem pomocí speciálního software a její cena je značná. Náhradním, levným, ale velmi zjednodušeným a pracným řešením je měření světelné charakteristiky bod po bodu v jednotlivých rovinách luxmetrem.

Intenzita osvětlení, resp. osvětlenost (lx=lux) : Je definovaná jako světelný tok dopadající na jednotku plochy. Pro homogenní světelné pole je intenzita osvětlení podíl celkového světelného toku a plochy. U bodového světelného zdroje intenzita osvětlení klesá se čtvercem vzdálenosti. Rovněž čím paprsky dopadají na plochu šikměji, tím je její osvětlenost nižší. Osvětlenost není parametr světelné sestavy, ale popisuje, jak světelná sestava působí na okolí, resp. popisuje výsledek. V praxi se na základě vlastností osvětlovaného prostoru a požadavků na osvětlenost včetně normativních požadavků volí typ a počet svítidel a pomocí jejich eulumdat provede světelný návrh. Po instalaci svítidel se shoda osvětlenosti podle výpočtu a osvětlenosti dosažené prakticky ověří měřením luxmetrem. Luxmetr je běžný měřící přístroj dostupný v různých kategoriíích přesnosti a s různě bohatým příslušenstvím.

multimeter_true_rms

Úbytek napětí na LED v propustném směru (V=Volt) : U bílé LED je úbytek napětí v propustném směru Uf (f=forward – přední napětí) typicky cca 3V/čip a závisí především na typu LED, napěťovém BINu, proudu LED a teplotě LED. Pro celkové hodnocení propustného napětí LED ale záleží na tom, kolik čipů daná LED dioda obsahuje a jak jsou uvnitř LED zapojeny. Pro LED komponentu nebo sestavu je podobně důležité, kolik LED diod sestava obsahuje, jak jsou tyto LED zapojeny a jestli nejsou LED doplněny předřadnými odpory nebo dalšími elektronickými obvody. Tyto údaje by měly být uvedeny v dokumentaci k zařízení. Úbytek napětí na LED se zvyšujícím se proudem roste. Úbytek napětí na LED a se zvyšující se teplotou klesá. Oba tyto jevy je třeba zohlednit při návrhu napájení sestav, zejména v případech s mnoha diodami zapojenými v sérii, kdy se propustná napětí sčítají. Při volbě předřadného odporu nebo parametrů napájecího proudového zdroje je třeba brát v úvahu parametry LED sestavy v okamžiku zapnutí “zastudena” a jejich změnu při zahřátí na provozní teplotu “zatepla”. Při volbě předřadného odporu nesmí “zatepla” proud diodami překročit maximální hodnotu, resp. hodnota proudu by se měla nacházet v optimalizovaném pásmu. Při volbě proudového napájecího zdroje se musí “zastudena” celkové propustné napětí sestavy nacházet v regulačním pásmu výstupního napětí zdroje. Napětí na LED diodě nebo LED sestavě se měří volmetrem, resp. multimetrem.

POZOR : Obyčejné multimetry jsou schopny měřit regulérně pouze napětí stejnosměrné hodnoty. Pokud chcete měřit střední napětí na diodě buzené impulsně např. PWM modulací, dostanete zkreslenou hodnotu. Zkreslenou hodnotu dostanete rovněž při měření na střídavém rozsahu voltmetru, protože průběh napětí na LED při PWM buzení není sinusový, ale stejnosměrný impulsní. Zkreslenou hodnotu dostanete i při měření na LED diodě i při střídavém napájení (korektním napájení s usměrňovacím můstkem), protože LED dioda je nelineární elektrický prvek a napětí na ní nemá sinusový průběh. Sinusové nejsou ani průběhy napětí na samotném usměrňovacím můstku. Ke korektnímu měření je nutno použít měřící přístroje označené k měření TRUE RMS hodnot.

Maximální proud LED diodou (A=Ampér) : Tento údaj najdete v katalogovém listu k LED. Je to maximální hodnota proudu LED diodou v propustném směru a udává se pro trvalé napájení LED stejnosměrným proudem. V některých případech se udává jeho hodnota i pro multiplexní buzení (hodnota, střída). Buzení LED signálem PWM je jiný princip než multiplex a znamená, že do LED při jakémkoli nastavení regulátoru pouštíte proud menší střední hodnoty, než je hodnota maximální stejnosměrná. Proto se PWM regulované sestavy navrhují pro stejnosměrný proud sestavy. Maximální možný proud LED diodou s teplotou klesá.  Pro posouzení průběhu proudu při impulsním buzení vzhledem k parametrům LED (např. jestli není překročena maximální hodnota) je třeba brát v úvahu okamžité, resp. maximální hodnoty proudu a časový průběh zobrazit např. na osciloskopu.

Proud LED diodou v propustném směru (A=Ampér) : Je to proud, který teče LED diodou v pracovním režimu, kdy je její anoda připojena na kladný pól a katoda na záporný pól napájecího zdroje – If (f=forward – přední proud). Jmenovitý proud je pak hodnota, na který je konkrétní sestava navržena. S rostoucím proudem účinnost LED klesá a to velmi výrazně. Při volbě jmenovitého pracovního bodu je třeba volit kompromis. Proud diodou musí být co největší, aby dioda byla z cenových důvodů co nejvíce využita, a na druhé straně by měl být co nejmenší, aby byl dosaženo co nejvyšší účinnosti. V praxi se jmenovitý proud volí podle aplikace cca 50-70% maximálního proudu LED. Abychom docílili stejné střední hodnoty jmenovitého proudu při střídavém, resp. impulsním buzení, musela by maximální hodnota impulsu výrazně převýšit hodnotu optimální a dioda by v této oblasti pracovala s mnohem menší účinností a větší tepelnou ztrátou, nebo bychom dokonce museli překročit maximální proud LED. Proto se impulsní buzení u výkonových LED s výjimkou regulace PWM, ale tam regulujeme od maximální stejnosměrné hodnoty dolů, používá jen ve speciálních případech..

infra_thermometerPOZOR : Obyčejné multimetry jsou schopny měřit regulérně pouze proud stejnosměrné hodnoty. Pokud chcete měřit střední hodnotu proudu tekoucího LED diodu např. při buzení PWM modulací, dostanete zkreslenou hodnotu. Zkreslenou hodnotu dostanete rovněž při měření na střídavém rozsahu ampérmetru, protože průběh proudu LED diodou při PWM buzení není sinusový, ale stejnosměrný impulsní. Zkreslenou hodnotu proudu dostanete i při střídavém buzení LED. Ke korektnímu měření je nutno použít měřící přístroje označené k měření TRUE RMS hodnot. Pro posouzení průběhu proudu při impulsním buzení vzhledem k parametrům LED (např. jestli není překročena maximální hodnota) je třeba brát v úvahu okamžité, resp. maximální hodnoty proudu a časový průběh zobrazit na osciloskopu.

POZOR : Měříte-li proud LED v napěťově napájené sestavě ampérmetrem zapojeným sériově s LED diodou, dostanete i při stejnosměrném napájení zkreslený údaj. Předřadné odpory LED mají malou hodnotu a vnitřní odpor ampérmetru je s nimi při měření srovnatelný a zapojení ampérmetru do obvodu mění elektrické poměry sestavy.  Při měření použijte nejvyšší proudový rozsah měřidla, kdy bývá vnitřní odpor měřidla nejmenší, ale i v tomto případě může dojít ke zkreslení údaje.  Korektní metodou je měřit napětí na předřadném odporu zapojeném v sérii s LED diodou a proud ze známé hodnoty odporu a změřeného napětí na něm dopočítat.

Maximální teplota Tj, Tsp, Tc (°C, K) : Tj (j = junction – teplota uvniř LED), Tsp (sp = solder point – teplota v místě připájení teplotního padu, resp. elektrického přívodu), Tc (c = control, resp. case – teplota v místě definovaném výrobcem). Jedná se o teploty popisující teplotní stav LED diod za provozu, který úzce souvisí se životností LED. Každý renomovaný výrobce uvádí v technické dokumentaci k vyráběným k LED informace popisující jejich životnost v závislosti na protékajícím proudu a teplotě, většinou Tj nebo Tc. Na základě výsledků dlouhodobého měření světelného toku LED diod za konstantních napájecích podmínek mezinárodní metodou LM80 a zpracování obdržených dat metodou TM21 je pak predikována předpokládaná doba životnosti LED pro pokles světelného toky na 70% počáteční hodnoty L70. Je samozřejmé, že potřebné údaje s dostatečnou vypovídací schopností jsou k dispozici až po určité a relativně dlouhé době testování a s délkou testování se zpřesňují, což je při dnešním velmi rychlém rozvoji LED a rychlém vzniku nových LED typů problém. Na druhou stranu, nové LED bývají vždy parametrově lepší, než ty staré. Při návrhu LED světelných sestav se tedy nevychází z maximálních hodnot uváděných v datasheetech, ale z teplot odpovídajících požadované životnosti LED pro daný proud. Chladič, resp. okolní chladící prvky (korpus svítidla, LED profil) musejí být schopny v daných provozních podmínkách, zejména proudu tekoucím diodou a jemu odpovídajícímu světelnému toku a teplotě okolí Ta (a=ambient – okolí), LED diodu na tuto teplotu uchladit. Teplota LED diody Tsp nebo Tc se měří nejlépe bezdotykovým teploměrem a nebo dotykovou teplotní sondou (příslušenství velké části multimetrů, přesnost je pro orientační měření při správném zajištění kontaktu sondy a měřeného povrchu dostatečná).