Vývojové tendence ve světelných zdrojích a svítidlech

To nutí výrobce svítidel zkracovat dosud běžný, přibližně dvouletý, cyklus výzkumu, vývoje a výroby nových typů svítidel. Velmi výrazné zkrácení doby zavádění nových typů světelných zdrojů do výroby naráží na limity trhu se svítidly, který takovou rychlost není schopen absorbovat, což přináší řadu problémů při praktických aplikacích u konečných zákazníků.

Úvod

Mezi další aspekty, které významně ovlivňují rozvoj světelných zdrojů, patří požadavky na energetickou účinnost provozu. V posledních letech byla v Evropské unii, ve Spojených státech amerických, v Austrálii a v dalších zemích přijata řada legislativních opatření obsahujících minimální požadavky na jejich účinnost. Ta se u světelných zdrojů hodnotí měrným výkonem η (lm/W), který uvádí jaké množství světla v lumenech Φ (lm) se získá z jednoho wattu elektrického příkonu P (W). V rámci Evropské unie byl přijat soubor nařízení, podle kterých budou postupně světelné zdroje s nízkými měrnými výkony stahovány z trhu. V důsledku těchto nařízení dojde do roku 2012 k úplnému stažení žárovek pro všeobecné osvětlování z obchodní sítě. Pokud se v relativně krátkém časovém období nepodaří výrazněji zvýšit měrný výkon halogenových žárovek, budou i tyto světelné zdroje staženy z prodeje. Tím by se v oblasti všeobecného osvětlování přestala používat celá skupina teplotních zdrojů, využívaná již od druhé poloviny 19. století. Zmíněná nařízení mají zcela obdobný dopad i na oblast výbojových zdrojů, kde se to zpočátku dotkne zejména klasických vysokotlakých rtuťových výbojek.

Obr. 1 Vývoj měrných výkonů η (lm/W) u běžně používaných světelných zdrojů pro všeobecné osvětlování [1]

Při hodnocení světelných zdrojů se vedle měrného výkonu dostávají do popředí zájmu také jejich spektrální vlastnosti, související nejen s kvalitou vjemu barev, ale také se zrakovým výkonem. Toto hledisko se sleduje při vývoji nových typů světelných zdrojů, mezi které patří především polovodičové a bezelektrodové světelné zdroje. Například sodíkové výbojky jsou sice světelné zdroje s vysokým měrným výkonem, ale mají velmi nízký index podání barev. Jakmile zmíněné nové typy zdrojů dosáhnout měrných výkonů srovnatelných se sodíkovými výbojkami, ztratí praktické využívání sodíkových výbojek pro všeobecné osvětlování z hlediska světelně technických parametrů význam.

V současnosti z běžných světelných zdrojů vyhovují požadovaným hlediskům nejlépe zářivky a halogenidové výbojky. V dlouhodobém výhledu nelze ovšem vyloučit, že světelně technické parametry i těchto světelných zdrojů budou překonány novými ať již bezelektrodovými nebo polovodičovými světelnými zdroji. Vývoj měrného výkonu běžně používaných světelných pro všeobecné osvětlování je uveden na obr. 1.

1. Moderní světelné zdroje

Mezi moderní světelné zdroje jsou v tomto příspěvku zahrnuty bezelektrodové výbojové a polovodičové světelné zdroje. K bezelektrodovým světelným zdrojům patří jednak nízkotlaké zdroje označované jako indukční výbojky a dále vysokotlaké zdroje označované jako plazmové výbojky. V oblasti polovodičových světelných zdrojů se pozornost zaměřuje na světelné diody (LED) a organické světelné diody (OLED).

1.1 Bezelektrodové světelné zdroje

Bezelektrodové světelné zdroje patří mezi výbojové zdroje, kde primárním zdrojem zářivé energie je oblouk.

 

Obr 2. Bezelektrodové indukční zdroje: QL, Philips (vlevo), Endura, Osram (vpravo)

V klasických výbojových zdrojích hoří oblouk mezi dvěma elektrodami, jejichž opotřebení zkracuje dobu života zdroje. V případě bezelektrodových zdrojů hoří oblouk uvnitř výbojové trubice bez použití elektrod a doba života těchto zdrojů proto výrazně narůstá. Prvními bezelektrodovými světelnými zdroji zařazenými do sériové výroby byly nízkotlaké bezelektrodové zdroje, tzv. indukční výbojky, u nichž se, podobně jako u zářivek, zářivá energie vytvářená obloukovým výbojem transformuje s využitím luminoforu do viditelné části spektra. Prvním typem byl zdroj pod názvem QL od firmy Philips, uvedený na trh v roce 1990. V roce 1996 uvedla firma Osram na trh indukční výbojku pod obchodním označením Endura, která měla odlišné konstrukční řešení (obr. 2). Hlavní výhodou indukčních výbojek proti stávajícím světelným zdrojům byla již zmíněná dlouhá doba života (od 60 000 do 100 000 hodin).

K většímu rozšíření indukčních výbojek z důvodů vysoké ceny a různých technických problémů nedošlo a další vývoj této skupiny světelných zdrojů v průběhu 90. let stagnoval. Teprve začátkem 21. století některé asijské firmy (např. Tungda Lighting, Hongyuan a další) znovu, na základě obou zmíněných konstrukčních řešení, obnovily a rozšířily výrobu indukčních výbojek a intenzivně je prosazují nejen na domácím, ale i zahraničním trhu (USA, Evropa). V dnešní době jsou hlavními aplikačními oblastmi indukčních výbojek venkovní osvětlení a osvětlení průmyslových prostorů. Základní parametry indukčních výbojek jsou uvedeny v tab. 1.

Zvláštní skupinu nově vyvíjených světelných zdrojů představují tzv. plazmové výbojky. Jejich princip formuloval M. Ury, Ch. Wood se svými spolupracovníky v roce 1990. Základem prvního prototypu byl kulový hořák se sírnou náplní. Pro vytvoření plazmatu se využíval magnetron jako zdroj mikrovlnného záření. Jedním z hlavních technických problémů, který bránil sériové výrobě, bylo chlazení hořáku. Praktické provedení tohoto prototypu představila firma Fusion Lighting (USA). Obdobné pokusy byly řešeny i v dalších zemích (např. Švédsko, Rusko), nicméně se nepodařilo najít vhodné technické řešení.

 

Obr 3. Bezelektrodové plazmové zdroje; zleva: Luxim, Topanga Technologies, Ceravision

V druhé polovině tohoto desetiletí se objevilo několik nových typů plazmových zdrojů, kdy firmy Luxim (2006), Topanga Technologies a Ceravision (2009) uvedly na trh nové konstrukční řešení (obr. 3) [6]. V porovnání s indukčními výbojkami mají plazmové zdroje bodový charakter a umožňují lepší usměrnění jejich světelného toku optickými systémy svítidel. Základních technické parametry plazmových zdrojů jsou uvedeny v tab. 2.

1.2 Polovodičové světelné zdroje

 

Obr. 4 Příklady světelných diod 1 W, 350 mA; zleva: XP-G (Cree), Rebel ES (Philips Lumileds), Golden dragon (Osram)

Prvním polovodičovým světelným zdrojem, který se již v oblasti všeobecného osvětlování začal používat, jsou světelné diody (LED). Světelné diody jsou v principu bodové zdroje světla, vhodné hlavně pro směrové osvětlení. Po několika letech rychlého technologického vývoje, kdy byla oblast světelných diod poměrně nepřehledná, se začala v průběhu posledních dvou let stávat čitelnější. Je to dáno jednak postupně přijímanou standardizací a také zavedením světelných diod 1 W (350 mA) do nabídky většiny hlavních výrobců. S příchodem světelných diod došlo k velmi významné změně struktury výrobců světelných zdrojů. Klasické světelné zdroje (teplotní a výbojové) byly doménou několik velkých výrobců (Philips, Osram, GE, Sylvania). Vznik dalších firem, které by byly schopné získat větší podíl na trhu, byl z hlediska technologické náročnosti výroby těžko představitelný. S nástupem světelných diod, jejichž výroba je založena na výrobních postupech polovodičových součástek, se počet výrobců zásadně rozšířil (Cree, Nichia, Seoul Semiconductors...), čímž výrazným způsobem vzrostla také konkurence (obr. 4). Tato skutečnost ovlivňuje jak tempo vývoje nových typů LED, tak i vývoj jejich ceny.

Obr 5. Odhad vývoje měrného výkonu u sériově vyráběných chladně bílých LED 1 W (350 mA) [1], [2], [3], [4]

Tab. 3 Parametry vybraných typů světelných diod 1 W (350 mA)

Barva světla	Výrobce	Typ	Parametry
			PD [W]	Φ [lm]	η [lm/W]
Chladně bílá	Cree	XP-G	1.05	139	132
	Nichia	NCSW	1.16	130	113
	Osram	Golden dragon plus	1.12	130	116
	Philips	Rebel ES	1.00	130	130
	Seoul Sem.	Z5	1.16	113	98
Neutrálně bílá	Cree	XP-G	1.05	130	124
	Osram	Golden dragon plus	1.12	130	116
	Philips	Rebel ES	1.00	125	125
	Seoul Sem.	P4	1.14	84	74
Teple bílá	Cree	XP-G	1.05	107	102
	Nichia	Top Emitting	1.16	95	82
	Osram	Golden dragon plus	1.12	97	87
	Philips	Rebel	1.05	85	81
	Seoul Sem.	P4	1.14	77	68

Měrný výkon světelných diod významně roste každý rok. V loňském roce přesáhl hranici 130 lm/W. O rychlosti vývoje LED vypovídá porovnání odhadů vývoje jejich měrných výkonů. V roce 2004 se předpokládalo, že měrného výkonu okolo 150 lm/W u sériově vyráběných LED bude dosaženo v roce 2012. Nicméně dnes lze již s velkou pravděpodobností předpokládat, že v letošním roce bude dosaženo měrného výkonu u sériově vyráběných bílých LED 160 lm/W (obr. 5). Dokladem akcelerujícího vývoje je zpráva firmy Cree z ledna tohoto roku, ve které se uvádí, že se v laboratorních podmínkách podařilo dosáhnout měrného výkonu 208 lm/W (1 W, 350 mA, 4579 K) [6]. Hodnoty měrných výkonů sériově vyráběných bílých diod jsou uvedeny v tab. 3.

Velmi důležitým parametrem, který ovlivní rychlost zavádění světelných diod do sériové výroby a na trh, je jejich cena, respektive cena světelného toku, které LED vyprodukují. Předpokládá se, že náklady na jednotku světelného toku klesnou v roce 2012 oproti dnešním cenám na polovinu.

Vývoj technických parametrů světelných diod v předchozích letech původně ukazoval na významnou závislost měrného výkonu na náhradní teplotě chromatičnosti vyzařovaného světla. Tento předpoklad ovlivnil odhadované trendy vývoje měrného výkonu světelných diod. Na obr. 6 vlevo je odhad vývoje měrného výkonu světelných diod uváděný ve zprávě Ministerstva energetiky Spojených států amerických (DOE) na začátku roku 2009. Výsledky dalších výzkumů a teoretických prací publikovaných v průběhu let 2009 a 2010, zaměřené na teoretické maximum světelného účinku záření a prakticky dosažitelnou hodnotu měrného výkonu, však ukázaly, že zmíněná maxima měrných výkonů světelných diod s různými teplotami chromatičnosti vyzařovaného světla se při aplikaci moderních výrobních technologií nemusejí významně lišit [5]. Na výsledky těchto výzkumů reagovalo DOE ve své zprávě o trendech vývoje LED na začátku roku 2010 (obr. 6, vpravo).

Obr. 6 Předpokládaný vývoj měrného výkonu LED 1 W, 350 mA s chladně a teple bílý barevný tónem; rok 2009 (vlevo); rok 2010 (vpravo) [1], [2]

Ukazuje se, že ani všeobecný index podání barev nemusí mít výraznější vliv na měrný výkon. V tab. 4 jsou uvedeny teoretické maximální a prakticky dosažitelné hodnoty měrných výkonů pro světelné diody vyzařující bílé světlo, vytvářené míšením tří základních barevných složek (RGB). Prakticky dosažitelná hodnota měrného výkonu, související s účinností přeměny elektrické energie na zářivou, odpovídá 67 % teoretické hodnoty [1].

Údaje v tab. 4 ukazují, že při teplotách chromatičnosti vyzařovaného světla v rozsahu od 2 700 K do 6 500 K se hodnoty prakticky dosažitelných měrných výkonů při stejném indexu podání barev neliší o více než 15 %. Při změnách indexu podání barev v rozsahu od 70 do 90 se hodnoty prakticky dosažitelných měrných výkonů při stejné teplotě chromatičnosti neliší o více než 5 %. Získává-li se bílé světlo světelných diod transformací záření z oblasti kratších vlnových délek do oblasti delších vlnových délek s využitím luminoforu, odhaduje se, že dosažitelná hodnota měrného výkonu se bude pohybovat okolo 250 lm/W [1].

Obr. 7 Předpokládaný vývoj měrného výkonu η (lm/W) OLED, rok 2010 [1]

Druhým zástupcem polovodičových světelných zdrojů jsou tzv. organické světelné diody (OLED). Zatímco světelné diody představují bodové zdroje světla, v případě organických světelných diod jde o plošné zdroje světla. Organické světelné diody jsou v současné době stále ještě ve fázi výzkumu a vývoje. Předpokládaný vývoj měrných výkonů OLED je uveden na obr. 7.

Obr. 8 Organická světelná dioda Orbeos, Osram

Řada firem již nabízí sady testovacích vzorků, ale pravděpodobně jediných výrobkem zařazeným do standardní nabídky je v současné době světelný zdroj Orbeos firmy Osram (obr. 8). Přechod od vývojové fáze k sériové výrobě lze očekávat od roku 2011, kdy například firmy GE Lighting a Konica Minolta oznámily otevření nových výrobních závodů s technologiemi výroby vycházejícími z polygrafického průmyslu, které výrazným způsobem sníží výrobní náklady. Tyto firmy oznámily dosažení měrných výkonů OLED 56 lm/W.

2. Světelné zdroje pro náhradu klasických žárovek

Určitým mezistupněm mezi světelnými zdroji a svítidly jsou světelné zdroje, které jsou svojí konstrukcí a provedením určeny pro náhradu klasických žárovek. S ohledem na značné rozšíření různých typů původně žárovkových svítidel je stále snahou nahradit klasické žárovky úspornějšími typy světelných zdrojů. První typy světelných zdrojů, určené pro přímou náhradu za klasické žárovky, byly kompaktní zářivky s integrovaným předřadníkem, které se objevily v 80. letech minulého století.

 

Obr. 9 Bezelektrodové indukční zdroje v kompaktním provedení; zleva: Genura (GE), Ball YOU (Matsusthita)

Dalším typem, který následoval, byla bezelektrodová indukční výbojka. Na začátku 90. let oznámilo vývoj kompaktních indukčních světelných zdrojů několik firem, např. Thorn Lighting, Intersource Technologies, Matsushita, ale jejich výrobky se na trhu neobjevily nebo byly brzy staženy z výroby. Jediným kompaktním indukčním zdrojem, který se dlouhodobě udržel na trhu, je výbojka Genura (GE), určená pro přímou náhradu reflektorových žárovek (obr. 9).

Na začátku tohoto století se objevily další typy kompaktních indukčních zdrojů od čínských firem. U indukčních výbojek v kompaktních provedeních dochází ke vzájemnému teplotnímu ovlivňování předřadného přístroje a vlastního světelného zdroje, což vede k podstatnému zkrácení doby života (cca 15 000 hod.). To přibližně odpovídá době života kompaktních zářivek, které jsou však doposud výrazně levnější. To lze považovat za jeden z hlavních důvodů, proč nedošlo k většímu rozšíření těchto kompaktních indukčních zdrojů.

 

Obr. 10 Světelné diody pro přímou náhradu běžných žárovek; zleva: Philips, Osram, Sharp, Toshiba

Tendence nahrazovat klasické žárovky úspornějšími světelnými zdroji se v současnosti promítá i do oblasti světelných diod. Koncem roku 2009 a v průběhu roku 2010 se začala poměrně rychle zvětšovat nabídka světelných zdrojů LED určených pro přímou náhradu žárovek (obr. 10). Běžně jsou nyní k dispozici zdroje se světelnými diodami (LED) opatřené paticemi E27, resp. E14 se světelnými toky cca od 400 do 600 lm, odpovídajícími přibližně tokům žárovek 40–60 W.

3. Svítidla

V návaznosti na současný stav a předpokládaný vývoj v oblasti světelných zdrojů se rozšiřuje i sortiment svítidel. Nová svítidla se zpravidla vyvíjejí pro takové aplikační oblasti, kde se uplatní hlavní výhody použitých světelných zdrojů a kde to jejich světelně technické parametry umožní.

3.1 Svítidla s bezelektrodovými světelnými zdroji

První svítidla pro bezelektrodové světelné zdroje byla navržena v průběhu 90. let minulého století v návaznosti na vývoj indukčních výbojových zdrojů. Dlouhá doba života (60 000 h) a relativně vysoká cena těchto zdrojů vymezovala jejich aplikační použití, jimž byly prostory s dlouhou dobou provozu, s náročnější přístupností svítidel nebo prostory, kde výměna světelných zdrojů je technicky i finančně náročná. Takové charakteristice odpovídají aplikační oblasti jako je veřejné osvětlení, osvětlení tunelů, osvětlení průmyslových hal apod. Jistou nevýhodou indukčních výbojek jsou relativně velké rozměry, které znemožňují přesnější usměrnění světelného toku do požadovaných směrů. Další nevýhodou je, že stávající předřadné přístroje neumožňují regulaci světelného toku. Vybrané příklady svítidel pro indukční výbojky jsou uvedeny na obr. 11.

 

Obr. 11 Příklady svítidel pro indukční výbojové zdroje; zleva: Metropolis (Philips), Pollux (Norka), Solina (Zumtobel), Gem (iGuzzini)

 

Obr. 12 Příklady svítidel pro plazmové zdroje; zleva: Sentinel (Pemco Lighting), Alvara (Ceravision)

S rozvojem bezelektrodových plazmových zdrojů se v průběhu let 2009 a 2010 objevila první svítidla pro tyto zdroje. Plazmové světelné zdroje mají bodový charakter, což umožňuje, aby optické části svítidel poměrně přesně usměrňovaly jejich světelný tok do požadovaných směrů. Předřadné přístroje zmíněných zdrojů dovolují plynulou regulaci světelného toku v rozsahu 20–100 %. Hlavními aplikačními oblastmi jsou veřejné osvětlení a osvětlení průmyslových prostorů. V letošním roce se také objevily snahy využít svítidla s plazmovými výbojkami pro osvětlování ve sklenících. Vybrané příklady svítidel pro plazmové zdroje jsou uvedeny na obr. 12.

3.2 Svítidla s polovodičovými světelnými zdroji (LED, OLED)

Světelné diody jsou bodové zdroje se směrovým charakterem vyzařování s relativně malým jednotkovým světelným tokem. Proto se jejich využití zpočátku zaměřilo na oblast orientačního a nouzové osvětlení, kde s ohledem na požadované hladiny osvětlenosti postačují světelné zdroje s malým světelným tokem. Dalším využitím byly aplikační oblasti, kde je třeba světelný tok usměrnit na poměrně přesně vymezenou plochu, jako je tomu například u směrových svítidel nebo u svítidel pro osvětlení pozemních komunikací.

Z pohledu aplikace světelných diod ve svítidlech existují v současné době dvě základní konstrukční řešení. Poměrně dobře lze rozdíl mezi nimi popsat u svítidel pro veřejné osvětlení. V prvním případě tvoří diody modul, který se chová jako běžný světelný zdroj a pro usměrnění světelného toku do požadovaných směrů se používá optický systém svítidla (obr. 13a, 13b). Ve druhém případě mají světelné diody vlastní optický systém, zpravidla čočky (obr. 13c) nebo reflektory (obr. 13d), který usměrňuje jejich světelný tok požadovaným způsobem. V tomto druhém případě navíc existují dvě řešení. Optický systém jednotlivých LED, např. čočka, buď přímo vytváří požadovanou křivku svítivosti (obr. 13c) nebo jednotlivé LED vytvářejí dílčí části křivky svítivosti (obr. 13d).

 

a)

b)

c)

d)

Obr.13 Ukázky svítidel pro osvětlení pozemních komunikací s LED: a) Koffer (Philips), b) Aresa (Schreder), c) Stela (Indal), d) Warp (Kim Lighting)

V letošním roce se trhu objevila první přímá svítidla (tzv. downlight) osazená světelnými diodami. Tento typ svítidel, nejčastěji s kompaktními zářivkami (18, 26 W), se používá například pro osvětlování konferenčních sálů nebo vnitřních komunikací. Světelný tok kompaktních zářivek není v těchto svítidlech efektivně využit a účinnost těchto svítidel se proto běžně pohybuje od 40 % do 50 % a u kvalitních svítidel až do cca 65 %. Světelné diody jako směrové zdroje jsou velmi vhodné právě pro zmíněnou aplikaci a uvedená svítidla s nimi dosahují účinnosti přes 90 %. V současné době například svítidla typu downlight osazená světelnými diodami o příkonu okolo 30 W dosahují srovnatelných světelně technických parametrů jako svítidla s kompaktními zářivkami 2×26 W (obr. 14).

 

Obr. 14 Příklady přímých svítidel (tzv. downlight) pro LED; zleva: LuxSpace (Philips), Panos (Zumtobel), Quintessence (Erco), Cruz (Thorn Lighting)

Dalším typem svítidel, kde se začínají používat světelné diody, jsou směrová svítidla pro akcentové osvětlení určená například pro výstavní prostory nebo obchody. V současné době jsou tato svítidla s LED schopna nahradit svítidla s halogenovými žárovkami přibližně do 100 W nebo s halogenidovými výbojkami do 20 W. Na obr. 15 jsou ukázky těchto typů svítidel.

 

Obr. 15 Příklady směrových svítidel do lišty pro LED; zleva: Optec (Erco), Primopiano (iGuzzini), Discus (Zumtobel), Optagon (Targetti)

Organické světelné diody jsou plošné zdroje světla a jejich využití se předpokládá hlavně ve svítidlech pro celkové osvětlení prostorů. Vzhledem k tomu, že současné technické parametry jako je povrchový jas, měrný výkon nebo doba života nedosahují odpovídající úrovně a výrobní náklady jsou vysoké, nedostaly se organické světelné diody do sériové výroby. Z tohoto důvodu nejsou v současné době na trhu sériově vyráběná svítidla se světelnými zdroji OLED. Zlom lze očekávat v příštím roce, kdy některé z firem (GE lighting, Konica Minolta) oznámily otevření nových výrobních závodů s progresivními výrobními technologiemi, které mají výrazným způsobem zlevnit výrobu těchto světelných zdrojů [6].

Literatura a odkazy

• [1] Bardsley Consulting, Navigant Consulting, Inc., Radcliffe Advisors, Inc. SB Consulting a Solid State Lighting Consulting Inc., Solid-State Lighting Research and Development: Multi-Year Program Plan, March 2010
• [2] Navigant Consulting, Inc., Radcliffe Advisors, a SSLC Inc., Solid-State Lighting Research and Development, March 2009
• [3] Navigant Consulting, Inc., Radcliffe Advisors, Inc. a SSLS, Inc.,: Solid-State Lighting Research and Development, March 2008
• [4] Navigant Consulting, Inc., Radcliffe Advisors, Inc.,: Solid-State Lighting Research and Development, March 2007
• [5] Ohno Y., Improving the color spectrum to increase LED efficacy, 2010 DOE SSL Transformations in Lighting Workshop, Raleigh, NC, February 2. – 4., 2010
• [6] www.osvetle.cz