Přečtěte si:  Elektrobusy, jejich standardizace a interoperabilita: Příklady projektů elektrobusů v ČR






Pozvánky na akce


Stalo se










Jak by mělo vypadat moderní LED svítidlo pro veřejné osvětlení (a jak nebude vypadat, dokud budeme vybírat podle nejnižší ceny)

21.1.2021 Každý návrh technického zařízení je vždy výsledkem kompromisů mezi řadou technických, ekonomických a marketingových požadavků. Pokud bude jeden z parametrů uměle upřednostněn, povede to k zúžení nabídky možných řešení a výsledné parametry budou obvykle horší. To je i případ veřejného osvětlení s LED. Naprostá většina dodávek veřejného osvětlení je vybírána na základě výběrových řízení, kde je hlavním kritériem nejnižší cena, technické parametry svítidel jsou druhotné. Dosavadní veřejné osvětlení v řadě obcí sloužilo více než 30 let a nelze předpokládat, že jeho obměna v budoucnu bude výrazně častější. Proto by mělo být k výběru svítidel přistupováno s mnohem větším důrazem na technické parametry svítidel a jejich schopnost zajistit funkčnost po dobu desítek let. V následujícím textu bych se chtěl pohledem konstruktéra věnovat klíčovým prvkům svítidel veřejného osvětlení a ukázat, jak požadavek nejnižší ceny vede k nevhodným řešením s dalekosáhlými následky na kvalitu svítidel.

Situace na trhu

Po bouřlivém rozvoji LED svítidel pro veřejné osvětlení (dále VO) v posledním desetiletí se situace na trhu postupně zkonsolidovala a trh ovládá několik velkých výrobců, kteří vyrábí svítidla téměř shodné konstrukce. Ta je založena na tlakovém odlitku z hliníkové slitiny, plošném spoji s kovovou nosnou vrstvou osazeným LED a předřazené plastové optice z PMMA nebo PC. Spíše výjimečně je plastová optika kryta ještě kaleným sklem, které ale zhoršuje fotometrické vlastnosti svítidla. Tato konstrukce je vhodná pro masovou výrobu, takže výsledný výrobek je poměrně levný, obzvláště při použití méně kvalitních LED a napájecích zdrojů. Výsledné fotometrické parametry takového svítidla jsou poměrně slušné, výrazně horší je situace ohledně životnosti jednotlivých dílů.

Slabiny vidím především v těchto bodech:

1.    Těleso svítidla z tlakově litého hliníku

Běžné slitiny hliníku pro tlakové lití se vyznačují zrnitou strukturou a jsou náchylné na mezikrystalovou korozi. Díky vysokému obsahu křemíku tyto slitiny nelze ochránit proti korozi eloxováním a jedinou ochranou je lakování, obvykle práškovými barvami. Doba života těchto barev na hliníkových slitinách je obvykle do 10 let, při i drobném poškození ochranné vrstvy podstatně méně. Jakmile vlhkost vnikne pod vrstvu laku, dojde k rychlé korozi hliníkové slitiny a ta ztratí své mechanické vlastnosti. Na vlastní oči jsem viděl hliníková tělesa svítidel, která bylo možné po 10 letech propíchnout lehkým tlakem tužky.

Nezanedbatelnou nevýhodou výroby tělesa svítidla z tlakově litého hliníku je vysoká cena formy. Ta nemá vliv přímo na dobu života, ale nutí výrobce k použití jedné a téže formy pro velký rozsah příkonů svítidel. To pak v důsledku vede k horšímu odvodu tepla u výkonnějších variant

2.    Optiky z PMMA nebo PC, přímo vystavené vlivu vnějšího prostředí

Všechny plastické hmoty stárnou a ztrácí své optické i mechanické vlastnosti, toto stárnutí se hodně urychluje působením UV záření. Pro výrobu optických dílů svítidel VO se používají plasty s UV stabilizátory, většinou shodné s plasty pro výrobu optických dílů používaných na automobilech. Stačí se podívat na takové díly u 10 let starého automobilu, aby bylo každému jasné, že se jejich optické vlastnosti po této době rapidně zhoršily a že pro dlouhodobé použití na svítidla VO je takové řešení nevhodné.

3.    Malý počet výkonných LED, případně použití COB (Chip on Board)

K dosažení co nejnižší ceny je výhodné použít jako zdroj světla menší počet výkonnějších LED, případně COB (Chip on Board). Cena za lumen vychází nižší, stejně tak jsou nižší náklady na osazování a optiku. Zásadní nevýhodou těchto řešení je vysoké oslnění, protože světelný tok je generován z poměrně malé plochy. Osobně tento problém považuji za mimořádně palčivý, a pokud mají lidé výtky k LED veřejnému osvětlení, je to téměř výhradně právě vysoké oslnění.

Kvalita použitých LED je dána především dvěma faktory. Tím prvním je měrný výkon, který odpovídá účinnosti přeměny elektrické energie na světelný tok, udává se v lumenech na Watt a u moderního svítidla by se měl pohybovat v rozmezí 160–200 lumen /W. Druhým faktorem je doba, za kterou světelný tok LED poklesne o 10 nebo 30 % původní hodnoty. Tento parametr se měří podle směrnice TM-21 a vyhodnocuje dle směrnice LM-80.

4.    Nekvalitní předřadníky

Dobu života předřadníků určuje především kvalita použitých elektrolytických kondenzátorů. Solidní výrobci to samozřejmě vědí, proto také vyrábí předřadníky v několika kvalitativních třídách s dobou života 20 až 100 tisíc hodin a střední dobou do poruchy 200 až 500 tisíc hodin. Pro ilustraci, předřadník s očekávanou dobou života 50 000 hodin bude na konci doby života po necelých 12 letech.

5.    Špatná nebo zcela chybějící ochrana proti přepětí

LED svítidla jsou na přepětí napájecího napětí mnohem citlivější než výbojková svítidla. Přesto na trhu najdeme mnoho svítidel pro VO, která nemají žádnou ochranu proti přepětí, případně ji mají zcela nedostatečnou. Opět je to otázka nákladů, přepěťové ochrany jsou poměrně drahé a často zaberou značnou část desky plošných spojů napájecího zdroje. Přepěťová ochrana by měla být součástí napájecího zdroje svítidla, doplňovat svítidla samostatnými přepěťovými ochranami je nepraktické a drahé.

Samostatnou otázkou je pak přepěťová ochrana samotných LED. Testem v bleskové zkušebně EGÚ jsme zjistili, že při úderu blesku v blízkosti svítidla (nikoliv do napájení) se na smyčce LED indukuje napětí a proud, který je spolehlivě schopen LED zničit.

Jak tyto nedostatky vyřešit?

Konstruktéři vědí, že nejlepší ochranou proti korozi je použití materiálů, které nekorodují. Takovým materiálem je například nerezová ocel, bohužel má malou tepelnou vodivost a donedávna se mělo za to, že pro těleso LED svítidel nejde použít kvůli nedostatečnému odvodu tepla. Ukazuje se, že vhodným uspořádáním svítidla je možné tento problém vyřešit a pro těleso svítidla použít nerezový plech bez nárůstu rozměrů. K tomu vedou dva kroky – místo běžného plošného spoje s kovovou nosnou vrstvou (MPCB) je nutné použít provedení, kde čip LED není od kovové nosné vrstvy oddělen izolací, ale je přímo spojen s kovem nosné vrstvy (obr. 1). Pro srovnání má takto vyrobený plošný spoj tepelný odpor mezi čipem a kovovou základnou 210 až 385 W/mK a standardní MPCB plošný spoj s kovovou nosnou vrstvou má tento odpor 1–4W/mK. Tímto řešením podle příkonu LED snížíme teplotu čipu o 5–20°C, což je velmi výrazné zlepšení.

O výhodách použití nerezových ocelí i pro méně obvyklé aplikace nás přesvědčuje i Elon Musk se svým automobilem Cybertruck a raketou SpaceX z nerezové oceli.

 

Obr. 1 Princip plošných spojů s přímým propojením čip-podložka (zdroj Adura)

Druhým krokem je použití teplo rozvádějících podložek s vysokou tepelnou vodivostí, vložených mezi desku plošných spojů a nerezové těleso svítidla. Tak je díky velké ploše přestupu tepla zajištěn dostatečně malý tepelný odpor a dobré chlazení LED. Toto uspořádání je předmětem chráněného průmyslového vzoru v ČR, na Slovensku, v Německu a Rakousku.

Poměrně zásadní průlom ve výrobě optických prvků pro LED představuje výroba optiky ze silikonu (obr. 2).

 

Obr. 2 Silikonová optika (zdroj Khatod)

Silikon představuje téměř ideální materiál pro tyto účely, protože je dlouhodobě otestován na vrchlících LED, kde je extrémně namáhán teplem i světlem. Také chemická odolnost silikonu je vynikající. Proto se nemusíme obávat jakékoliv degradace nebo žloutnutí. Tvar silikonové optiky není téměř vůbec omezen technologickými požadavky, optika je zároveň vybavena i utěsněním a je velice mechanicky odolná. Z hlediska dlouhodobého použití na svítidlech VO představuje silikon optimální řešení, byť s nepatrně vyšší cenou než u optik z PMMA nebo PC.

Řešení oslnění je v podstatě velmi jednoduché – je nutné generovat světelný tok z podstatně větší plochy, tedy použít větší počet LED s malým příkonem. Na základě pokusů jsme dospěli k zjištění, že při hodnotě 8–10 cm2 na Watt příkonu svítidlo  není vnímáno jako nepříjemně oslňující. U současných svítidel VO se tato hodnota běžně pohybuje podstatně níže v rozsahu 1–4 cm2 na Watt. Je zjevné, že podobně uvažují o omezení oslnění i další návrháři svítidel a potvrzuje to nejnovější generace LED napájecích zdrojů předních výrobců. Tito výrobci nabízí napájecí zdroje LED určené pro VO ve dvou provedeních s nízkým a vysokým výstupním napětím, přičemž verze s vysokým výstupním napětím je určená pro velký počet LED.

Použití LED s malým příkonem má jednu nezanedbatelnou výhodu – tyto LED se vyznačují nejvyššími měrnými výkony dosahujícími dnes ke 200 lumenům na Watt, což je u výkonnějších typů zatím nedosažitelná meta.

Sériové řazení velkého počtu LED ale přináší jedno nebezpečí – v tomto uspořádání každá porucha vede k vyřazení celého řetězce. Použijeme-li pro příklad 100 sériově řazených LED, každou se střední dobou do poruchy 1 milion hodin, bude výsledná střední doba do poruchy 10 tisíc hodin, což je samozřejmě zcela nepřijatelné. Pokud ovšem paralelně ke každé LED zařadíme ochranný prvek, který v případě poruchy LED převezme vedení proudu, porucha jedné LED bude bezvýznamná. Výhodou tohoto řešení je zároveň ochrana LED proti indukovanému přepětí vzniklému úderem blesku v blízkosti svítidla.

U napájecích zdrojů je výběr jednoduchý – pokud má mít zdroj dobu života srovnatelnou s dobou života LED, je nutné vybírat z typů, které očekávají bezporuchový provoz po dobu 100 000 hodin. Doba života kritických elektrolytických kondenzátorů je dána především poměrem skutečné provozní teploty a maximální povolené teploty kondenzátoru (obr. 3).  

 

Obr. 3 Závislost doby života elektrolytických kondenzátorů (zdroj Panasonic)

Samozřejmě provedení elektrolytických kondenzátorů s maximální povolenou teplotou stojí několikanásobně více než běžné verze.

Samostatnou kapitolou jsou pak napáječe, které místo elektrolytických kondenzátorů používají kondenzátory svitkové. U nich je předpokládaná doba života 200 a více tisíc hodin. Pro aplikace, kde je požadován provoz při extrémně nízkých i vysokých teplotách (VO v polárních oblastech a tropech, svítidla u pecí a v mrazírnách) jsou ale takové napáječe téměř nezastupitelné. Elektronika takových napáječů je o něco komplikovanější a celkově vychází takový napáječ na téměř dvojnásobek ceny běžného provedení s elektrolytickými kondenzátory. Proto se tyto napáječe na trhu prosazují velmi obtížně a kromě naší firmy vím jen o jediném dalším výrobci v USA. Naše firmy vyrábí takové napáječe již 10 let, ale velmi vážně uvažujeme, že jejich výrobu ukončíme a budeme používat napáječe renomovaných výrobců.

Ochrana proti přepětí na napájecí lince by měla být schopná zachytit špičky nejméně 6 kV, lépe však 10 kV. To jsou dnes běžně dosažitelné hodnoty a jsou dány v podstatě jen velikostí (a cenou) ochranných prvků. Důležité je, aby tato ochrana svedla přepětí nejen mezi přívodními vodiči, ale také mezi každým z přívodních vodičů a uzemněním.

Ochranu proti napětím indukovaným do smyčky LED je možné zajistit jednak ochrannými prvky u LED, současně je nutné zvolit vhodné uspořádání smyčky tak, aby její plocha byla co nejmenší.

Svítidlo založené na výše uvedených řešeních by mohlo vypadat například dle obr. 4.

Obr. 4 Neoslňující nerezové svítidlo 30W, světelný tok 5000 lm, svítící plocha 245 cm2 (zdroj Osvětlení Černoch)

Závěrem

Současná masově vyráběná svítidla mají dle mých zkušeností řadu nedostatků, které jsou výsledkem tlaku na co nejnižší cenu. Většinu těchto nedostatků lze úspěšně vyřešit, bohužel ale za cenu poněkud vyšší ceny. Ve srovnání se současnými standardně používanými svítidly pro VO se jedná o navýšení o 30 až 50 %, ale současně taková svítidla zaručují nejméně dvojnásobnou dobu života svítidla a podstatně vyšší odolnost proti zničení svítidla přepětím a indukovaným napětím.

Za současnou situaci při rekonstrukci VO v ČR nesou odpovědnost především ty státní orgány, které nastavily parametry výběrových řízení svítidel pro VO zcela nevhodně.  Je nutné si uvědomit, že svítidla pro VO nelze vybírat podle stejných kritérií jako kancelářský materiál. Dovolil bych si v této souvislosti připomenout známé rčení Tomáše Bati: „Nejsem tak bohatý, abych mohl kupovat to nejlevnější“. Pamatujte na to, až budete vybírat svítidla pro veřejné osvětlení ve Vaší obci.

Ing. Jakub Černoch, Osvětlení Černoch s.r.o.

Ilustrační foto © Smartcityvpraxi.cz

Další infomace:

led-lights.cz

machinery-lighting.eu

Přečtěte si také:

Světloemitující diody (LED) ve veřejném osvětlení – ano či ne?

9.12.2020 Nástup technologie LED znamenal poměrně zásadní změnu v konstrukci svítidel a na tuto změnu nedokázali zavedení výrobci reagovat s dostatečnou pružností. Naopak se pootevřela dvířka pro spoustu nových firem, které se do výroby svítidel s LED vrhly doslova po hlavě. Problém je, že technologie LED vypadá na první pohled velice jednoduše, bohužel na druhý pohled skrývá mnohá úskalí a k úspěšné konstrukci těchto svítidel je nutné znát a respektovat řadu fyzikálních zákonů. Naneštěstí prakticky všechny nové technologie přitahují „zlatokopy“, kteří zde tuší zlatou žílu a o co méně znají fyzikální zákony, o to lépe dovedou prodat i vysavač na samotě bez elektřiny. Díky tomu je náš trh zaplaven LED svítidly, která vykazují zásadní konstrukční vady 


Smart rozvaděč veřejného osvětlení založený na otevřených technologiích a na systému Tecomat Foxtrot 2

4.11.2020 Promyšlená rekonstrukce veřejného osvětlení v obcích a městech nemusí začínat prostou výměnou výbojkových svítidel za LED svítidla jenom proto, že dotace jsou podmíněny především imperativem úspor. Systematičtější přístup je začínat od rekonstrukce infrastruktury. Tímto směrem se vydala společnost Technologie hlavního města Praha, která ověřovala tento koncept na pilotních projektech začátkem roku 2020.


Regulátor a stabilizátor elektřiny pro osvětlení

7.10.2020 Elektrická energie je v dnešní době nezbytnou součástí našeho soukromého i veřejného života. Spotřeba elektřiny je proto opakující se každodenní záležitost, která navíc obvykle roste úměrně s počtem spotřebičů i s životní úrovní obyvatel. S řešením přichází česká společnost ENERTIG TECHNOLOGIES s.r.o. 


„Chytré“ propojené osvětlení Signify získalo certifikaci kybernetické bezpečnosti

22.5.2020 Kybernetická bezpečnost je výzvou pro stále se rozvíjející informační technologie a automatizované systémy, zasahující prakticky do všech oblastí lidské činnosti. Ve velké míře se týká technologií využívajících internet věcí, mezi něž patří i „chytré“ osvětlení – vnitřní i vnější. Prvním dodavatelem propojeného osvětlení, certifikovaným v oblasti kybernetické bezpečnosti podle normy IEC 62443-4-1, se stala v květnu 2020 společnost Signify, dříve Philips Lighting. 


Kolín nad Rýnem propojí 85 tisíc světelných míst systémem Interact City

27.3.2020 Více než miliónový Kolín nad Rýnem je jedním z německých smart cities. Čtenáři našich stránek ho znají zejména jako město provozující palivočlánkové autobusy. V příštích letech zde bude ve velkém rozsahu zaváděna další inovativní technologie: Všech 85 tisíc světelných míst ve veřejném osvětlení bude propojeno řídicím systémem Interact City od společnosti Signify (dříve Philips Lighting). Odborná veřejnost o tom byla informována v březnu 2020.


Naše tipy

















Copyright © 2012 – 2021 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services