Komponenty do specjalistycznego oświetlenia LED

Oświetlenie LED to nie tylko diody. Nowoczesna oprawa oświetleniowa wymaga zasilania, układu optycznego, chłodzenia oraz istotnych drobiazgów, takich jak regulacja jasności, barwy lub komunikacji. W ostatnich latach coraz większe znaczenie zyskują nie tylko same źródła LED i oprawy oświetleniowe, ale przede wszystkim systemy zasilania i sterowania. Pozwalają one na dodatkowe ograniczenie zużycia energii, łatwą kontrolę stanu wszystkich instalacji oświetleniowych w danym obiekcie oraz elastyczne dostosowanie oświetlenia do różnych potrzeb i warunków.

Pozytywnym zjawiskiem wspierającym branżę oświetlenia LED jest to, że mamy w kraju wielu producentów, z czego wiele tych firm zajmuje się rozwiązaniami specjalistycznymi, o dużej funkcjonalności i jakości.

Podobnie jak w wielu innych branżach, zmagają się one z tanimi produktami importowanymi z Dalekiego Wschodu. Szansy szukają w dużej specjalizacji, produktach o atrakcyjnym wzornictwie lub tworząc projekty dopasowane ściśle do obiektów lub urządzeń. Częścią rynku oświetlenia diodowego są też firmy EMS-owe.

Rozwój rynku kieruje się dzisiaj w stronę zastosowań specjalistycznych, bo branża konsumencka nie daje już dużo możliwości. Coraz bardziej agresywna polityka cenowa producentów LED o wątpliwej jakości doprowadziła do znaczącego obniżenia rentowności produkcji diod LED. Liderzy rynku, tacy jak Osram, Cree, Philips, LG Innotek, stopniowo zmniejszali znaczenie tego segmentu w portfolio, najpierw odsprzedając działy produkcji opraw lub rezygnując z produkcji samych diod.

Najważniejsze cechy LED brane pod uwagę przy kupnie

 

Kupujący produkty oświetleniowe najwięcej uwagi poświęcają ich parametrom technicznym, jakości oraz niezawodności. Niska cena jest na trzecim miejscu tylko dlatego, że pytanie w ankiecie dotyczyło aplikacji profesjonalnych. Poza wymienionymi kryteriami dość duża liczba wskazań była na krótki czas dostawy, który w ostatnim roku stała się ważny nie tylko z uwagi na pandemię, ale na ogólne procesy w logistyce towarów oraz kolejki wywołane dużym popytem. Połowę skali na wykresie przekroczyło jeszcze znaczenie wsparcia technicznego.

Takie procesy przenoszą się niżej na kolejne poziomy rynku i prowadzą do tego, że rynek rozwija się obecnie w zastosowaniach przemysłowych a także rolnictwie i ogrodnictwie. Doskonałym przykładem zachodzących zmian jest znaczne zwiększenie zainteresowania wydajnymi diodami UV, które mogą być wykorzystywane do sterylizacji.

Wiele innowacyjnych rozwiązań to np. lampy przemysłowe, budynkowe, z certyfikatami Atex, DNV, górniczymi, GOST- R, z wbudowaną "inteligencją" sterowania i komunikacji w sieciach Mesh, o dużej jakości światła (oddawanie kolorów, temperatura barwowa) i podobne. Spory potencjał ma oświetlenie biurowo- -budynkowe o nowoczesnym i modnym wyglądzie, które pozwala nadać pomieszczeniom indywidualny charakter i zapewnić wysoką funkcjonalność. Oprawy tego typu mają dużą powierzchnię świecącą, dzięki czemu nie wywołują cieni i nie męczą oczu, a poza tym można je wbudować sufit lub ściany.

Przeniesienie ciężaru rozwoju rynku w taką stronę jest w części efektem tego, że klienci kupujący oświetlenie LED do zastosowań poza konsumencko- domowymi stawiają na jakość i trwałość produktów i interesują się innowacyjnymi projektami. To zainteresowanie jakością i funkcjonalnością nie bierze się z przypadku, można je traktować jako odpowiedź rynku na zalew tanich produktów z Azji.

Główne czynniki negatywne dla rynku oświetlenia LED

 

Za najbardziej istotne czynniki negatywne dla rynku oświetlenia uznano silną konkurencję i obecność wielu dostawców takich produktów. Ponieważ niewiele mniej głosów w ankiecie padło na to, że problemy tworzą wyroby o złej jakości, można przypuszczać, że w sumie chodzi o importerów najtańszych urządzeń z Dalekiego Wschodu, którzy konkurują ceną i niczym więcej. Trzeci istotny czynniki to trudność w ocenie produktów i ich porównywaniu, która wynika z konieczności posiadania skomplikowanej i drogiej aparatury pomiarowej oraz wiedzy klientów na temat, jak pojęcie to rozumieć w zakresie oświetlenia

WSZYSTKO DZISIAJ JEST "SMART", OŚWIETLENIE TAKŻE

Pojawiające się na rynku oświetlenie LED-owe ma coraz wyższą funkcjonalność w porównaniu do tradycyjnych źródeł, a niektóre żarówki i oprawy można już określać mianem inteligentnych. Lampy takie można łączyć w sieć za pomocą protokołu komunikacyjnego DALI, co umożliwia dalsze oszczędności poprzez dopasowywanie parametrów oświetlenia do aktualnych potrzeb, selektywne wyłączanie/włączanie, regulację jasności. Oprawy są integrowane ze zdalnym sterowaniem opartym na transmisji przewodowej lub bezprzewodowej, co pozwala na bieżący monitoring oraz inteligentne sterowanie oświetleniem za pomocą pilota lub smartfona. Ponieważ LED-y nie mają bezwładności świetlnej, a częste gaszenie i zapalanie nie powoduje pogorszenia trwałości, mogą być tworzone systemy oświetlenia na żądanie, a więc zapalającego się tylko na chwilę i w danym miejscu, gdy jest to potrzebne, np. z wykorzystaniem zintegrowanego czujnika ruchu PIR. Inteligentne lampy pozwalają na zaprogramowanie czasu włączenia i wyłączenia, ustawienie temperatury barwowej i jasności.

BUDOWANIE ŚWIADOMOŚCI RYNKU

Aby zaawansowane produkty o wysokiej jakości przebijały się na rynku i były wybierane przez klientów jako te bardziej wartościowe, musi za nimi iść większa świadomość rynku, wiedza kupujących na temat, jak te dobre cechy weryfikować, na co zwracać uwagę oraz co jest istotne, a co nie. Jak wynika z naszego badania ankietowego tą świadomością nie jest najlepiej, bo czynnik ten jest wskazywany jako jeden z najważniejszych hamulców dla rozwoju (patrz wykresy). Z tej przyczyny w tym opracowaniu koncentrujemy się głównie na aspektach technicznych oświetlenia diodowego. Opisujemy mniej znane zagadnienia, wyjaśniamy prostym językiem szczegóły związane z parametrami optycznymi, bo chcemy razem z innymi specjalistami budować tę wiedzę rynku. Wiemy też, że na fachowe publikacje nie jest łatwo trafić i dlatego staramy się pomóc.

Najważniejsze cechy oświetlenia LED od strony technicznej

 

Najważniejsza jest duża wydajność światła z jednostki mocy zasilającej, bo ona decyduje o opłacalności ekonomicznej inwestycji i oszczędnościach. 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, a na koniec pod uwagę brane są wszystkie dodatki, takie jak zasilanie oraz to, jak całość składowych tworzących oprawę oświetleniową została połączona (zintegrowana).

PRODUKTY ZŁEJ JAKOŚCI – TEMAT WIECZNIE AKTUALNY

Jednym z większych problemów trapiących rynek oświetlenia ledowego jest to, że wiele produktów to po prostu tandeta. W przypadku źródeł światła słabe parametry to głównie mała wartość współczynnika reprodukcji barw testowych CRI, brak powtarzalności, tj. duże rozrzuty między kolejnymi diodami oraz krótka trwałość, czyli szybki spadek wartości strumienia świetlnego w czasie. Ten ostatni parametr jest prawdopodobnie najrzadziej definiowany, a szkoda, bo przecież decyduje o opłacalności wielu inwestycji.

Zasadniczym problemem z oceną źródeł światła jest to, że przeciętny konsument nie ma żadnych narzędzi do weryfikacji tego, co podaje producent na etykiecie. W praktyce jest jeszcze gorzej, bo parametrów podaje się niewiele, te niewygodne pomija lub zbywa jakimś uogólnieniem, np. Ra>70. Na taśmach LED-owych logotyp producenta jest rzadkością, tak samo jak symbol produktu, a pojęcie karty katalogowej ze specyfikacją jest znane tylko nielicznym.

Multimetr do oceny parametrów elektrycznych można kupić już za kilkadziesiąt złotych, tak samo jak termometr. Ale zbadanie wydajności świetlnej emiterów w lumenach wymaga już posiadania kosztownej kuli całkującej i luksomierza. Do pomiaru CRI niezbędny jest natomiast spektrometr, którego koszt z akcesoriami w przybliżeniu można zakładać na 2 tysiące euro. Dla producenta oświetlenia nie jest to suma z Księżyca, ale dla małej firmy importowej tworzy ona dużą barierę kosztową.

Sytuacja w zakresie jakości produktów do zastosowań przemysłowych jest oczywiście lepsza, ale niestety oświetlenie ma ogromną część wspólną dla różnych branż i często aplikacje konsumenckie przeplatają się z profesjonalnymi w określonych miejscach lub u klientów i tym samym zła jakość jednych wyrobów ciąży na postrzeganiu innych. Podobnie jest z poziomem cen i oczekiwaniami kupujących, które też bywają podatne na stereotypowe podejście.

JAKOŚĆ REPRODUKCJI BARW, CZYLI CRI

Głównym problemem tanich diod LED o kolorze białym, które są przeznaczone do celów oświetleniowych, jest reprodukcja barwy czerwonej.

Uzyskanie wysokiej wartości współczynnika CRI (Color Rendering Index) wymaga takiego przygotowania charakterystyki widmowej, żeby emisja źródła nie była "punktowa", ale emisja była odpowiednio rozłożona w całym widmie widzialnym, od fioletu po głęboką czerwień. Rozkład energii promieniowania w widmie widzialnym (SPD, Spectral Power Distribution) musi odpowiadać czułości oka ludzkiego oraz specyfice postrzegania oświetlenia przez człowieka (tzw. charakterystyka obserwatora).

Nie wystarczy "złożyć" białego światła z trzech barw podstawowych za pomocą diody RGB z trzema chipami, gdyż wygenerowane trzy prążki nie zapewnią równomiernego pokrycia całego zakresu widzialnego. Dlatego w zastosowaniach oświetleniowych wykorzystywane są diody świecące w kolorze niebieskim lub fioletowym. Ich światło pobudza do świecenia luminofor, którym struktura półprzewodnikowa LED jest od góry przykryta. Dopiero warstwa tego materiału świeci w kolorze białym. Podobnie działają świetlówki, które wykorzystują zjawisko pobudzania luminoforu świecącego na biało za pomocą emisji w ultrafiolecie zachodzącej w parach rtęci pod niskim ciśnieniem.

Cienka warstwa luminoforu niedokładnie zasłania strukturę LED, co wywołuje wzrost emisji w zakresie barw niebieskich. W tanich diodach światło to przebija przez tę warstwę i wywołuje silny pik w zakresie krótszych długości fal. W konsekwencji relatywna emisja w całej reszcie charakterystyki widmowej staje się mniejsza, a takie zakłócenie w konsekwencji prowadzi do nierównomierności i pogorszenia parametrów takich jak CRI.

Poza tym używany w diodach luminofor jest mieszaniną wielu minerałów, z których każdy świeci w określonym zakresie (barwie). Wszystkie te materiały, połączone lepiszczem w formie mieszaniny ziarenek, pobudzane są wspólnie przez światło niebieskie wytwarzanie przez strukturę półprzewodnikową. Aby światło dostarczane przez luminofor było wysokiej jakości, a więc charakteryzowało się dużą wartością współczynnika CRI, proporcje składników i użyte minerały muszą zostać precyzyjnie dobrane. Największy problem jest z składnikiem od barwy czerwonej, bo luminofor w tym kolorze bazuje na pierwiastkach ziem rzadkich i jest drogi. Dodatkowo konwersja emisji niebieskiej z LED-a na czerwoną jest mniej wydajna od tej dla innych barw. Można w uproszczeniu wyjaśnić to tym, że różnica długości fali między pobudzeniem niebieskim a emisją czerwoną jest znacznie większa niż dla np. barwy zielonej. W diodzie wystarczy więc do efektywnego działania mała ilość składowej luminoforu niebieskiego i zielonego, bo ma on dużą wydajność, ale trzeba użyć dużo ziaren czerwonych, bo tu konwersja długości fali jest znacznie gorsza.

Istotne czynniki sprzyjające rozwojowi rynku nowoczesnego oświetlenia

 

Najistotniejsze czynniki sprzyjające rozwojowi rynku oświetlenia ledowego to malejące ceny takich rozwiązań a także to, że rynek się poszerza zarówno w obszarze produktów konsumenckich, jak i profesjonalnych. Produkty przyciągają konsumentów funkcjonalnością oraz doskonałymi parametrami, których tradycyjne oświetlenie nie było w stanie zapewnić. Rynek rozwija się także dzięki regulacjom UE, narzucającym konieczność wymiany oświetlenia na energooszczędne, blokującym możliwość sprzedaży zwykłych żarówek oraz coraz większej świadomości konsumentów. Warto też wymienić to, że dzięki LED-om oferta produktowa rynku znacznie się poszerzyła, bo są tu znacznie większe możliwości integracji, miniaturyzacji, a swoboda konstrukcyjna jest nieporównywalnie większa.

Efekt opisanych powyżej zjawisk jest taki, że współczynnik CRI diod psuje w 80‒90% reprodukcja czerwieni. Pozostałe problemy z małym CRI to efekt źle dobranych proporcji między minerałami luminoforu, który wywołuje pofalowanie charakterystyki widmowej i przebijanie emisji niebieskiej z półprzewodnika na spodzie.

Wiele tanich źródeł, takich jak niemarkowe żarówki LED, paski LED, na których nie ma żadnych oznaczeń ani danych producenta, ma współczynnik CRI około 70, ale mniejsze wartości też nie są rzadkością. Takie źródła już na pierwszy rzut oka źle oddają barwy. Większość lepszych produktów ma CRI rzędu 75‒80, ale bez problemu kupimy na rynku taśmy LED i żarówki z CRI powyżej 90, nawet rekordowe 95‒96, co już jest wartością bardzo dużą, w zasadzie równoważną oświetleniu obiektu przez klasyczną żarówkę halogenową. Tyle że takie produkty są znacznie droższe.

FLICKER, CZYLI MIGOTANIE

Kolejnym parametrem wyraźnie różnicującym kiepskie oraz dobre źródła światła LED jest migotanie. W przypadku źródeł wolframowych nie było z tym większego kłopotu, bo nawet przy zasilaniu żarówki napięciem przemiennym z sieci bezwładność cieplna niwelowała wahania strumienia. W przypadku LED-ów bezwładność jest minimalna, praktycznie do pominięcia w typowych aplikacjach, stąd wszystkie tętnienia napięcia zasilającego przenoszą się na wahania strumienia świetlnego.

Oczywiście nie są to zmiany liniowe. Gdy zasilacz ma 10 V napięcia nominalnego i tętnienia wynoszą 1 V, wcale nie znaczy to, że światło będzie miało 10-procentowy flicker. Zmiany tego 1 wolta są zamieniane przecież na prąd diody (rezystorem lub regulatorem), która to też ma nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową i nie przenosi ich bezpośrednio na światło. W kolejnym kroku jeszcze trzeba by uwzględnić nieliniowość samej emisji diody (strumień światła w funkcji mocy zasilającej) i luminoforu (jego wydajność w funkcji wielkości pobudzenia). Razem jest to zbyt dużo niewiadomych i problemów, aby zjawisko można było objąć analitycznie, dlatego w praktyce flicker mierzy się za pomocą odpowiedniego (specjalistycznego) miernika.

Struktura branżowa klientów na oświetlenie diodowe

 

Zestawienie branż będących najważniejszym od strony wartościowej odbiorcą rozwiązań oświetlenia diodowego otwierają przemysł i elektronika profesjonalna. One w skali naszego kraju stanowią najbardziej wartościową grupę. W kraju mamy dziesiątki producentów oświetlenia, którzy są odbiorcami, którzy kupują diody, moduły, optykę i systemy zasilania, a także wytwórców specjalistycznych rozwiązań oświetlenia dla przemysłu, energetyki, budynków. Firmy te sumarycznie mają duży potencjał i są istotnymi odbiorcami dla rynku dystrybucji.

Oczywiście drogą do zapewnienia małego poziomu migotania źródeł światła jest użycie zasilaczy dobrej jakości, a więc takich o stabilnym napięciu wyjściowym, które nie tylko nie mają tętnień związanych z prostowaniem napięcia sieci i przełączaniem PWM, ale także charakteryzują się dobrą dynamiką tj. stabilnością napięcia wyjściowego przy dużych zmianach prądu obciążenia. Gdy dynamika jest kiepska, a napięcie przy nagłym wzroście obciążenia mocno "siada", migotanie pojawi się przy regulacji jasności.

W 2021 roku wchodzi w życie kolejna rewizja dyrektywy Ekoprojektu, która wymusza kontrolowanie przez dostawców oświetlenia zjawiska migotania. Nawet jeśli jeszcze ta tematyka nie jest na topie, to na pewno niedługo będzie.

REGULACJA JASNOŚCI OŚWIETLENIA LED ORAZ STARZENIE

Prawidłowe działanie luminoforu w diodach LED wymaga pobudzenia go odpowiednią mocą promieniowania. Składowe mineralne, odpowiadające za tworzenie barw niebieskich i zielonych, wymagają relatywnie słabszego pobudzenia niż te odpowiadające za żółte i czerwone. Dlatego, gdy poziom wysterowania diody LED maleje, zmienia się widmo emisji. Z reguły zmiana ta polega na osłabieniu wierności oddawania barw czerwonych.

Z tej przyczyny jasności diod nie można regulować przez zmianę poziomu ich wysterowania za pomocą liniowych regulatorów, bo zmienia to parametry świetlne. Trzeba robić to za pomocą techniki PWM, co jest dodatkowym problemem przy kiepskich zasilaczach z dużym napięciem tętnień, bo złożenie częstotliwości tętnień napięcia sieci z kluczowaniem związanym z konwersją mocy, a dalej jeszcze z regulacją jasności PWM, może wywołać widoczny efekt stroboskopowy. Gdy obok siebie będzie pracować kilka lamp zasilanych z różnych zasilaczy, także może pojawić się charakterystyczne dla tego zjawiska falowanie jaskrawości.

Warto jeszcze zauważyć, że starzenie się diod LED dotyczy zarówno luminoforu, jak i struktury półprzewodnikowej. Luminofor w warunkach normalnych jest pobudzany z dużą mocą, bo przecież musi być zapewniona duża wydajność przy małych wymiarach. Pracuje on na dodatek w wysokiej temperaturze, stąd z czasem użyte w nim materiały degradują się. Te delikatniejsze składniki mieszaniny ziaren świecących minerałów tracą właściwości szybciej, inne wolniej, na skutek czego z czasem charakterystyka widmowa się zmienia. To, jak szybko się to dzieje, zależy m.in. od użytej kompozycji materiałów, temperatury pracy i zapewne jest też jakąś miarą jakości diod.

ZASILANIE DLA DIOD LED DUŻEJ MOCY

Kilka lat temu specjalizowanych produktów do zasilania diod na rynku było niewiele, teraz bez trudu można wybierać spośród ofert wielu producentów i typów jednostek zasilających. Rośnie też stopień zaawansowania technicznego zasilaczy ledowych, co ma korzystny wpływ na parametry oświetlenia i trwałość. Wiele z nich zapewnia regulację jasności, daje możliwość programowania albo sterowania za pomocą interfejsu cyfrowego.

Oferta rynku komponentów i jednostek zasilających jest z pewnością bardzo szeroka i obejmuje gotowe jednostki zasilające w obudowie, moduły OEM-owe i układy scalone specjalizowanych konwerterów impulsowych. Większość ze scalonych zasilaczy dla LED to przetwornice obniżające lub rzadziej podwyższające wejściowe napięcie stałe. Ich układ sterujący zapewnia ograniczenie prądu wyjściowego, stabilizację i regulację tego prądu oraz kompensację temperaturową. Do ich wyjścia można dołączyć zwykle od jednej do kilku diod połączonych szeregowo. Ich parametry pracy są stale monitorowane. Standardem wielu rozwiązań jest układ pomiaru prądu płynącego przez diody oraz obwody detekcji błędów. Kolejne obwody umożliwiają regulację jasności, generowanie efektów i podobne funkcje. Sprawność zasilaczy przekracza często 90%, napięcie wejściowe zmienia się od wartości charakterystycznych do zasilania bezpośrednio z baterii po współpracę bezpośrednio z siecią energetyczną.

Zasilacze w obudowach lub wykonane jako tzw. open frame, obejmują zwykle jednostki o mocy od kilku do kilkudziesięciu watów, maksymalnym napięciu na tyle wysokim, że możliwe jest zasilanie kilku diod połączonych szeregowo i z dodatkowymi funkcjami jak regulacja jasności. W sumie to nic zaskakującego, ale w tym przypadku liczy się głównie trwałość, spełnianie certyfikatów i ogólna bezproblemowość.

Zasilacze dla diod LED są w ofertach wielu producentów systemów zasilania. Niemniej z upływem czasu widać, że rynek zdecydowanie przejmują producenci dalekowschodni, celujący w tworzeniu szerokiego asortymentu standardowych konstrukcji o dobrym poziomie jakości.