Oświetlenie LED - emitery, optyka i zasilanie

Technologia LED pozwala na połączenie źródeł światła z czujnikami, algorytmami sterowania oraz komunikacją bezprzewodową, co w efekcie umożliwia tworzenie rozbudowanych systemów zarządzania oświetleniem w sposób efektywny, wysoce energooszczędny i dobrze dopasowany do aktualnych potrzeb użytkownika.

Efektywność energetyczna oświetlenia LED wzrasta z każdym rokiem rozwoju tej technologii, przy jednoczesnym spadku cen tego typu rozwiązań. Powszechnie uznaje się, że technologia LED to najbardziej przyjazny dla środowiska rodzaj oświetlenia – nie tylko ze względu na wysoką energooszczędność, ale także korzystanie w procesie produkcji z materiałów o niskim negatywnym wpływie na środowisko.

Już po rewolucji

Po okresie początkowej gorączki i nieładu rynek oświetlenia LED-owego wszedł w fazę dojrzałą i można obecnie podzielić go na dwie wyraźnie odrębne grupy. Pierwsza to segment konsumencki, obejmujący żarówki ze standardową oprawką E14/ E27 oraz zintegrowane rozwiązania oświetleniowe łączące w obudowie emitery LED w postaci modułu, zasilania i optyki. Drugi segment kryje w sobie rozwiązania specjalistyczne, grupujące wszystkie pozostałe źródła światła, których nie da się przypisać do pierwszej kategorii.

Oczywiście pod względem wartościowym największe szanse kryją się zapewne w specjalistycznych lampach przemysłowych, budynkowych, takich z certyfikatami: Atex, DNV, górniczymi, z wbudowaną "inteligencją" sterowania i komunikacji w sieciach Mesh, lampach o wysokiej jakości światła (oddawanie kolorów, regulowana temperatura barwowa) i podobnych. Spory potencjał ma oświetlenie biurowo-budynkowe o nowoczesnym i modnym wyglądzie, które pozwala nadać pomieszczeniom indywidualny charakter i zapewnić wysoką funkcjonalność. Duża wydajność świetlna emiterów LED i małe wymiary są głównymi czynnikami odpowiedzialnymi za to, że na rynku pojawiają się nowe typy oświetlenia, np. architektoniczne, sceniczne, medyczne, motoryzacyjne, a także do hodowli zwierząt i uprawy roślin.

Za takie oprawy nabywcy są skłonni zapłacić więcej, a konkurencja ze strony firm azjatyckich jest mniejsza. Jest to w części efekt tego, że klienci kupujący oświetlenie LED do zastosowań poza konsumencko-domowymi stawiają na jakość i trwałość produktów i interesują się innowacjami. Z tej przyczyny aktywność wielu firm w produktowym segmencie powszechnego użytku jest z roku na rok mniejsza, gdyż silna konkurencja dalekowschodnia nie daje możliwości swobodnego rozwoju.

Oświetlenie w warunkach przemysłowych oraz w wielu aplikacjach profesjonalnych jest ponadto dziedziną podlegającą regulacjom prawnym. Spełnienie wymagań nie zawsze jest proste, ale inwestujący w takie źródła biorą pod uwagę przepisy i chcą być z nimi zgodni.

Najbardziej wartościowe branże #1

Najbardziej istotną grupą odbiorców z punktu widzenia dostawców oświetlenia LED są klienci z przemysłu. Tacy odbiorcy kupują zarówno gotowe źródła światła (oprawy), jak też komponenty, za pomocą których realizowane są projekty. Razem z sektorem elektroniki profesjonalnej w skali naszego kraju stanowią najbardziej wartościową grupę. W kraju mamy dziesiątki producentów oświetlenia, którzy są odbiorcami diod, modułów, optyki i systemów zasilania, a także wytwórców specjalistycznych rozwiązań oświetlenia dla przemysłu, energetyki, budynków. Firmy te sumarycznie mają duży potencjał i jest są istotnymi odbiorcami dla rynku dystrybucji.

Więcej funkcjonalności

Coraz więcej wyrobów oferuje coś więcej niż tylko światło – pozwala na programowanie czasu włączenia i wyłączenia, aktywuje się w obecności osób, pozwala na regulację jasności, barwy, współpracuje ze smartfonem przez Wi-Fi lub Bluetooth itd.

Ostatni trend to coraz większy udział rozwiązań specjalistycznych, a więc przeznaczonych do wybranych miejsc i aplikacji. LED-y dają o wiele większe możliwości kompozycji źródeł z oprawą i resztą otoczenia i widać, że cieszą się zainteresowaniem. Są przeznaczone do oświetlenia budynków, stanowisk pracy, ulic, obiektów publicznych. Takie cenne obszary to również np. architektoniczne, sceniczne, medyczne, motoryzacyjne.

Oświetlenie smart coraz popularniejsze

Inteligentne oświetlenie to termin o szerokim znaczeniu, często też określane terminem "smart" w przypadku, gdy chodzi o źródła światła do pomieszczeń wewnętrznych. Niemniej systemy tego typu znajdują zastosowanie zarówno w pomieszczeniach (rozwiązania indoor), jak i w otwartej przestrzeni (outdoor). Koncepcja opiera się na tym, że do źródła światła dodajemy różne czujniki, obwody sterujące (jasnością, kolorem, odcieniem), aktywację ruchem człowieka, programowanie czasu działania oraz komunikację.

Jednym z najczęściej spotykanych funkcjonalności tego systemu jest możliwość dostosowywania temperatury barwowej oraz jasności świecenia ręcznie lub automatycznie w zależności od pory dnia oraz zdefiniowanego profilu. Do obsługi wykorzystywany jest typowo smartfon z odpowiednią aplikacją w rozwiązaniach konsumenckich. Takie możliwości dają Philips Hue działający w oparciu o protokół ZigBee Light Link i Ethernet.

Osram Lightify – przeznaczony do sterowania oświetleniem w rozwiązaniach domowych oraz przemysłowych też wykorzystuje ZigBee. Są systemy WeMo firmy Belkin i Lifix, a także Cree Connected, Flux Smart LED, SiteWorx/Digital Lumens i oczywiście Samsung SmartTh ings.

W wersji profesjonalnej elementy instalacji oświetleniowej połączone są interfejsem cyfrowym. Takie możliwości zapewniają profesjonalne oprawy przemysłowe, do budynków biurowych i stanowisk pracy. W systemach budynkowych sterowanie lampami realizuje się za pomocą DALI (Digital Addressable Lighting Interface) i Ethernetu lub ZigBee.

Niestety jednym z kłopotów branży oświetleniowej pozostaje brak jednomyślności co do standardu wymiany danych, co wywołuje spore problemy z interoperacyjnością poszczególnych modułów LED-owych. Od kilku lat trwają prace nad wprowadzeniem większej standaryzacji, ale idzie to opornie. W wielu przypadkach każda marka ma swoją aplikację i koncepcję sterowania. Kupuje się wizję, a nie interoperacyjność.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku oświetlenia LED #2

Za najbardziej istotny czynnik negatywny dla rynku oświetlenia uznano silną konkurencję i obecność wielu dostawców takich produktów. Słaba koniunktura na rynku, oszczędności w inwestycjach też istotnie degradują tempo rozwoju. Niewiele słabsze wskazania padły również na to, że problemy tworzą wyroby o złej jakości, można przypuszczać, że w sumie chodzi o importerów najtańszych wyrobów z Azji, którzy konkurują ceną i niczym więcej. Kolejny istotny czynnik to trudność w ocenie produktów i ich porównywaniu, która wynika z konieczności posiadania skomplikowanej i drogiej aparatury pomiarowej oraz wiedzy klientów na temat, jak rozumieć jakość w kontekście oświetlenia.

Interfejsy komunikacyjne

Coraz większe znaczenie dla funkcjonalności oświetlenia ledowego ma system sterowania i regulacji parametrów światła oraz komunikacja zapewniająca możliwość wymiany danych pomiędzy elementami instalacji. Istnieje wiele standardów komunikacyjnych, zarówno przewodowych, jak i bezprzewodowych, wykorzystywanych w tym obszarze. W przypadku infrastruktury o znaczeniu krytycznym oraz systemów oświetlenia ulicznego ze względu na wymaganą niezawodność bardzo często konieczne jest korzystanie z komunikacji przewodowej, zazwyczaj opartej na standardzie DALI, Ethernet lub po liniach zasilania.

Systemy oświetlenia domowego oraz inne niekrytyczne aplikacje mogą swobodnie korzystać z interfejsów bezprzewodowych. Do najbardziej popularnych zaliczyć można BLE (Bluetooth Low Energy), ZigBee Light Link, VLC oraz Wi-Fi w przypadku instalacji wewnątrz pomieszczeń, a także 6LoWPAN w przypadku instalacji na bardziej rozległym terenie.

Współcześnie jednym z kłopotów branży oświetleniowej pozostaje brak jednomyślności co do standardu wymiany danych, co wywołuje spore problemy z interoperacyjnością poszczególnych modułów LED. Od kilku lat trwają prace nad wprowadzeniem większej standaryzacji. Jeszcze większy bałagan jest w zakresie produktów konsumenckich, gdzie ścierają się własnościowe rozwiązania firmowe z projektami open source i chińskimi pomysłami skupionymi wokół aplikacji na smartfona, takimi jak Tuya.

Jakie znaczenie dla Waszego biznesu ma oświetlenie LED? #3

Dla większości dostawców oświetlenie LED, komponenty z nim związane i usługi stanową jedną z wielu pozycji w ofertach. Innymi słowy, dla większości tematyka ta nie stanowi specjalizacji. Mniej więcej co dziesiąta fi rma postrzega siebie jako dostawcę specjalizowanego, dla co czwartej ten sektor jest znaczącym pionem biznesowym. W porównaniu do naszych poprzednich opracowań poświęconych rynkowi oświetlenia stopień specjalizacji sukcesywnie się zmniejsza, co w jakimś stopniu odzwierciedla rynkowy trend komodyzacji branży.

Taśmy LED

Analizując rynek oświetlenia LED, nie sposób pominąć taśm ledowych, czyli wąskich pasków samoprzylepnego podłoża elastycznego z zamontowanymi diodami. Są one sprzedawane na 5-metrowych rolkach, pozwalają na zasilanie ze standardowych zasilaczy 12/24 V i są dostępne w wielu wersjach różniących się szerokością, wydajnością świetlną z metra (mocą), kolorem lub odcieniem światła białego.

Kolejne możliwości zapewniane przez taśmy to możliwość emisji bocznej światła, tj. równolegle do podłoża, a także dostępność wersji wielokolorowych i wielobarwnych (RGB i RGB-W) umożliwiających tworzenie światła dekoracyjnego lub dopasowującego się do warunków, np. odcień ciepły wieczorem, w dzień barwa naturalna. Są wersje zawierające pojedyncze diody LED, wykonania typu COB zawierające wspólny luminofor nałożony w postaci jednolitego paska żywicy, a także wersje uszczelnione silikonem, które są odporne na wilgoć (np. do akwariów/terrariów).

Na rynku taśmy są postrzegane jako produkty do realizacji oświetlenia reklamowego, meblowego, ale zakres ich zastosowań cały czas się poszerza. Powodem jest to, że taśmy są łatwe w aplikacji i proste w dopasowaniu do warunków instalacyjnych, stąd wynika ich duża popularność. Można je ciąć na segmenty, a montaż polega na przyklejeniu do podłoża. Zapewniają one coraz lepsze parametry świetlne, a jakością optyczną niczym nie ustępują innym źródłom.

Na ich korzyść przemawia ponadto możliwość zasilania ze standardowego zasilacza napięciowego, co pozwala ograniczyć koszty. Na koniec trzeba powiedzieć o cenach, których rozrzut jest bardzo duży i daje możliwość dopasowania produktu do budżetu i przeznaczenia. Oczywiście te najtańsze nie gwarantują jakości, zaś profesjonalne mogą być bardzo kosztowne, ale razem tworzą ofertę dla każdego.

Główne problemy rynku oświetlenia LED #4

Główne problemy rynku to nie najlepsza sytuacja w gospodarce krajowej oraz także, patrząc w szerszej perspektywie, także w europejskiej. Cały czas problemem jest sytuacja w łańcuchach dostaw, a wojna na Ukrainie też oczywiście nie pomaga w biznesie. Do niedawna, gdy sytuacja na rynkach z zachodniej strony Polski się pogarszała, można było się ratować eksportem na wschód. Teraz tej opcji nie ma. Dodatkowo wiele inwestycji w nowoczesne oświetlenie zostało zrealizowane w ostatnich dwóch latach, co zapełniło luki i potrzeby klientów, więc ogranicza też przestrzeń na nowe projekty.

Sterowniki do taśm LED

Wykorzystanie możliwości kryjących się w taśmach LED związane jest z koniecznością użycia specjalnego sterownika i oferta takich urządzeń dostępnych na rynku szybko się zwiększa. Sterownik pracuje w obwodzie niskiego napięcia i włącza się go między wyjście zasilacza a taśmę LED.

Jego podstawową funkcjonalnością jest regulacja jasności światła za pomocą techniki PWM, a także włączanie i wyłączanie z powolnym rozjaśnianiem/ ściemnianiem. Wersje wielokanałowe sterowników są przeznaczone do taśm RGB i dają możliwość regulacji i ustawienia barwy światła (koloru dla RGB, odcienia światła białego dla taśm zawierających diody ciepłe i zimne).

Sterowanie parametrami odbywa się za pomocą sensora dotykowego, przycisku instalacyjnego, pokrętła obrotowego (enkodera), pilota radiowego, a nawet aplikacji na smartfon łączącej się ze sterownikiem przez Wi-Fi/Bluetooth. Oprogramowanie i piloty umożliwiają tworzenie scenariuszy oświetleniowych, programowanie ustawień z możliwością przywołania jednym guzikiem, a także łączenia wielu sterowników w rozbudowany system obejmujący wiele pomieszczeń.

Wspólną wadą wielu sterowników będących na rynku jest brak standaryzacji i interoperacyjności, gdyż każdy producent promuje swój koncept. Z uwagi na to wymagania użytkownika muszą zostać dopasowane do tego, co dane rozwiązania realizują. Najtańsze wersje sterowników, dostępne w postaci "gołej" płytki, mają też problemy jakościowe oraz jak to często bywa w przypadku rozwiązań chińskich – przewymiarowane na plus deklarowane parametry.

Ocena warunków biznesowych panujących w branży oświetlenia w 2023 roku #5

Pytani w naszych ankietach o warunki panujące na rynku oświetlenia LED w 2023 roku specjaliści ocenili je jako zadowalające lub dobre, ale w porównaniu z naszym poprzednim badaniem ankietowym sprzed dwóch lat przybyło ocen, że warunki dla biznesu są kiepskie. Wówczas czerwonego pola na wykresie nie było wcale. Jest to niestety znak, że fala zapotrzebowania na LED-owe rozwiązania energooszczędne, która pojawiła się na rynku dwa lata temu w konsekwencji podwyżek cen energii, już wygasa, a na dodatek mamy dołek inwestycyjny na rynku i to nie tylko w Polsce.

Czujniki koloru zapewniają kontrolę starzenia

Na rynku mamy coraz więcej scalonych czujników koloru RGB, które mogą badać rozkład energii widma promieniowania emitowanego przez źródło światła, dzięki czemu możliwa jest kalibracja emisji, pozwalająca na uzyskanie określonej barwy światła.

Kiedyś były to drogie i specjalistyczne elementy, dzisiaj w formie scalonego MEMS-a nie stanowią one przeszkody przekreślającej możliwości uzyskania takiej funkcjonalności. Takie sensory pozwalają na dokładne dopasowanie parametrów oświetlenia do rytmu dobowego oraz na korekcję niedokładności emitowanego sygnału świetlnego, wynikającą m.in. ze zmian starzeniowych diod LED (zmiana strumienia i emisji). Są one elementem czegoś, czego dawniej nie było w ogóle, a więc regulacji parametrów oświetlenia w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego.

Jaka jest aktualna koniunktura w tym sektorze rynku? #6

Aktualna koniunktura w branży oświetlenia LED (pod koniec grudnia) oceniona została jako zadowalająca lub dobra, a więc w przybliżeniu ocena sytuacji bieżącej wypadła tak samo, jak dla zilustrowanej na drugim wykresie zestawienia obejmującej 2023 rok. Niemniej pole czerwone jest większe, co może sugerować, że warunki biznesowe stale się pogarszają. Być może odblokowanie środków z KPO, które już za moment nastąpi, przyniesie w kolejnych miesiącach jakieś odbicie w inwestycjach i nadchodzący rok będzie bardziej udany. Wszyscy na to liczymy.

Zasilanie CC czy CV?

Zasilacze do oświetlenia LED można podzielić na rozwiązania do zabudowy (open frame) i w obudowie. Te w obudowie mogą być w wersji zwykłej o IP20 przeznaczonej do montażu wewnątrz pomieszczeń i zalewanej ze współczynnikiem IP67. Od strony elektrycznej zasilacze LED wykonywane są w wersji stałonapięciowej (CV), a więc 12-woltowe lub 24-woltowe. Rozwiązania CV przeznaczone są z reguły do współpracy z taśmami LED.

Wersje stałoprądowe (CC) to jednostki przeznaczone do zasilania modułów oświetleniowych, w tym diod COB. Takie wersje dostarczają na wyjściu prąd o stałym natężeniu, np. 0,7 A, w szerokim zakresie napięć, od ok. 10…15 V do 70…120 V. Umożliwia to zasilanie łańcuchów szeregowo połączonych emiterów LED.

Najważniejsze cechy oświetlenia LED brane pod uwagę przy kupnie przez klientów #7

Rynek oświetlenia ledowego z pewnością można uznać za dojrzały, gdyż podstawą decyzji klientów są cechy takie jak jakość i niezawodność oraz parametry techniczne, funkcjonalność i podobne. Niska cena jest dopiero na czwartej pozycji od góry, co przekonuje, że rynek można postrzegać jako dojrzały. Podobny układ słupków na wykresie zanotowany został dwa lata temu w poprzedniej edycji raportu, co oznacza, że nie jest to nowość w relacjach rynkowych, ale trwały stan i cecha. Krótki termin dostawy to oczywiście znak obecnych czasów. Połowę skali na wykresie przekroczyło jeszcze znaczenie marki i renomy producenta. Czyli rynek utożsamia jakość z marką.

Na koniec warto zauważyć, że mamy coraz więcej diod zasilanych wysokim napięciem, nierzadko bezpośrednio z sieci napięcia przemiennego. Są to rozwiązania w formie pręcików montowane w bańkach żarówek dekoracyjnych lub moduły na laminacie z rdzeniem metalowym. Konstrukcja taka zawiera dwie grupy diod połączonych antyrównolegle z układem ograniczenia prądu. Każda grupa zawiera wiele emiterów połączonych szeregowo, dzięki czemu wypadkowe napięcie zasilania jest wysokie i nie ma potrzeby użycia konwertera/zasilacza.

Zapewne asortyment diod zasilanych wysokich napięciem będzie się powiększał, bo pozwala to na uproszczenie systemu zasilania i poprawę sprawności. To samo dotyczy zasilaczy CV do zasilania taśm LED – coraz większą popularność zyskują rozwiązania 24-woltowe, a niedługo można przewidywać skok w stronę napięcia 36 V. Większe napięcie oznacza mniejsze straty energii w okablowaniu i podłożu taśmy lub też ograniczenie nagrzewania.

Zasilacze LED różnią się od zwykłych wersji adapterowych typem użytej obudowy oraz sposobem jej montażu, który jest dostosowany do przykręcenia jej śrubami do podłoża. Druga różnica to przyłącza sieciowe i wyjściowe, w roli których wykorzystuje się złącza terminal-block. Wersje zalewane zasilaczy LED mają wyprowadzone z obudowy krótkie odcinki przewodu z końcówkami do lutowania, które łączy się z resztą instalacji kostką elektryczną śrubową lub zaciskową.

Główne czynniki sprzyjające rozwojowi rynku #8

Od strony elektrycznej zasilacze LED muszą spełniać wymagania normy EN55015 w klasie C w zakresie emisji elektromagnetycznej. Dotyczy to przede wszystkim poziomu zaburzeń emitowanych do sieci energetycznej (przewodzonych), których norma ta wymusza maksymalny poziom i to w szerszym zakresie częstotliwości, tj. od 9 kHz, a nie od 150 kHz jak w zasilaczach adapterowych. W praktyce oznacza to, że zasilacze LED o mocy większej niż 20 watów muszą mieć wbudowany korektor współczynnika mocy, po to, aby nie wprowadzać do sieci harmonicznych w większym zakresie, niż pozwala na to EN55015.

Układ PFC to dodatkowe elementy w zasilaczu na wejściu, m.in. dławik, stąd konieczność korekcji oznacza większe koszty materiałowe i dodatkową zajętość miejsca na płytce. W przypadku zasilaczy dużej mocy nie jest to wielkim problemem, ale upchanie PFC w wersjach 20–40 W jest wyzwaniem. Stąd wiele zasilaczy no-name oraz marek z dolnych półek PFC nie ma, mimo obowiązku prawnego.

Jak to możliwe? Zasilacze takie, mimo że wyglądają jak LED-owe (kształt obudowy, typ przyłącza, funkcjonalność), nie są oznaczane jako "Do LED". Często zawierają też celowo sprzeczne informacje na etykietach sugerujące, że jest to zasilacz LED, gdy rzeczywiście nie jest przeznaczony do takich aplikacji.

Wymagania związane z bezpieczeństwem użytkowania są definiowane przez normę IEC/EN 62368-1, która obwiązuje też dla zasilaczy adapterowych. Tutaj różnic praktycznie nie ma – zarówno zasilacz LED, jak i adapterowy muszą być jednostkami bezpiecznymi w czasie pracy, jak też w przypadku awarii.

Na koniec warto dodać, że zasilacze LED nie są objęte wymaganiami w zakresie Ekoprojektu, tzn. nie stosuje się do nich regulacji na minimalną sprawność i maksymalną moc pobieraną bez obciążenia z sieci.

Najważniejsze cechy oświetlenia LED od strony technicznej #9

Główne czynniki techniczne związane z oświetleniem ledowym to długi czas pracy, czyli żywotność produktu, duża wydajność świetlna i dobre odwzorowanie barw. Czynniki te determinują opłacalność ekonomiczną inwestycji i oszczędności. Drożejąca energia elektryczna, coraz trudniejsze warunki panujące w gospodarce cały czas utrzymują ten czynnik ekonomiczny na szczycie zestawienia. Podobne znaczenie ma też długi czas pracy, który uplasował się na drugiej pozycji. On też jest głównym czynnikiem w kalkulacji całkowitych kosztów posiadania produktu. Po ustaleniu opłacalności zaczyna się badanie jakości światła, a więc oddawania barw, powtarzalności i stabilności działania. Kolejnym kryterium jest powtarzalność parametrów, czyli to, że właściwości świetlne nie są dziełem przypadku. Z zapewnieniem tego ostatniego kryterium jest chyba najtrudniej na rynku zdominowanym przez azjatyckie źródła zaopatrzenia oraz silną konkurencję cenową.

Tętnienia i dynamika zasilaczy

Zasilacze ledowe powinny charakteryzować się małymi tętnieniami w napięciu wyjściowym po to, aby strumień świetlny nie migotał. Obecność w napięciu wyjściowym tętnień związanych z prostowaniem napięcia sieci, działaniem PFC lub przełączaniem PWM przy konwersji mocy powoduje szybkie i cykliczne zmiany strumienia.

Nawet jeśli tych wahań nie widać gołym okiem, to mimo wszystko mogą one objawić się w pewnych sytuacjach, gdzie dochodzi do mieszania się światła z wielu źródeł, gdy pada ono na elementy ruchome takie jak wentylatory. Wówczas nawet drobne i nieuciążliwe migotanie może wywołać przykry efekt stroboskopowy (falowanie).

Zasilacze LED muszą się ponadto charakteryzować dobrą dynamiką, tj. stabilnością (niezmiennością) napięcia wyjściowego przy dużych skokowych zmianach prądu obciążenia. Gdy dynamika jest kiepska, napięcie przy nagłym wzroście obciążenia mocno "siada" i migotanie pojawia się przy regulacji jasności, najczęściej przy ustawianiu niższego poziomu świecenia.

Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród dostawców produktów oświetleniowych LED w Polsce.