Modern LED fényforrások összehasonlítása hagyományos izzókkal
www.led.kte.hu
Modern LED fényforrások összehasonlítása hagyományos izzókkal Kis Péter, Nagypál Mihály (2010 szeptember 20.) Összefoglalás – Kevés olyan önálló háztartással rendelkező ember van, aki ne hallott volna a LEDek rohamos térhódításáról a világítástechnikában. Az új technológia töredék fogyasztással és nagy fényerővel kecsegtet, legalábbis ezt olvashatjuk gyártók honlapjain és különböző műszaki beállítottságú sajtóban. Sokszor azonban első kézből kell szembesülnünk azzal, hogy a hagyományos fényforrás kiváltása után bár minden dobozra írt paraméter stimmelt mégse világít új szerzeményünk úgy, mint elődje. Más szemszögből megközelítve a témát egyesek fény helyett a spórolás forrásaként tekintve a témakörre szintén többször kerülnek döntésképtelen állapotba, ugyanis rengeteg különvéleményt hallani, amik a LED világítótestek soha meg nem térülését elemzik. Mi tehát az igazság, hogyan váltsunk zökkenőmentesen és miképp kalkulálhatunk megtérülést? Ezekre a kérdésekre próbál ez a cikk választ adni. I.
TECHNOLÓGIAI ALAPOK
A LED alapú világítás olyannyira eltér a hagyományos izzóktól és a fénycsövektől, hogy gyakran kapjuk a legegyszerűbb összehasonlítási kérdésekre is azt a választ, hogy nem lehet összehasonlítani a technológiákat. Ez részben igaz, de pár alaposan megtervezett kísérlettel szó szerint rávilágíthatunk a tényekre. A kísérlet részletezése előtt térjünk ki pár alapvető fogalomra. Esőként fontos tisztázni, hogy a fényforrások „fehér” színének számtalan árnyalata van, amit színhőmérséklet skálába rendezhetünk a sárgástól (2700-3500K) a kékbe hajlóig (5500-7000K). Ez a paraméter hagyományos világítás tekintetében fix. A búra színezésén kívül nem változtatható a fény színhőmérséklete. Az 1. ábrán a kromatikus térben láthatjuk a különböző színhőmérsékleteket. A foszfor alapú teljesítmény LED felépítéséből fakadóan tetszőlegesen[1] hangolható bármelyik színkategóriába. A többnyire kék InGaN típusú LED felületét foszfor réteggel vonják be így a kibocsátott fény egy része alacsonyabb hullámhosszú fényként kerül a foszfor réteg külső felületére, onnan pedig tovább terjed a külvilágba. A LED eredeti színétől és a foszfor réteg típusától függ a kibocsátott fény színe. Több különböző típusú foszfor réteg felvitelével a kibocsátott spektrum szélesedik így a színhűség javul a fényerő rovására. A következőkben térjünk ki adott forrás fény erejére, vagyis milyen minőségben világítja 1. ábra meg környezetét. Az emberi szem által látott fénytartomány 390-750nm között van, különböző fényforrások erejének vizsgálatához egy ún. Vλ súlygörbét alkalmaznak, aminek a maximuma 550nm-nél adódik. Ez azt jelenti, hogy adott erejű, de különböző hullámhosszú (avagy színhőmérsékletű) fény mellett rosszabbul vagy akár jobban látjuk környezetünket. Érdekes tény, hogy napjainkban zajló kutatások egyre valószínűbben rávilágítanak arra, hogy ezen súlygörbe alkalmazása vitatható[2]. A gyártók által jelenleg katalógusokban és csomagolásokon is szereplő lumen érték félrevezető lehet, ugyanis ez a teljes térben kibocsátott fényáramot jelenti és nincs tekintettel a világító test fényének iránykarakterisztikájára. A fényáram mérése bonyolult, drága méréstechnikai eszközöket igényel és nem ad hű képet a fény forrásának világítási képességéről adott megvilágítandó felületre nézve.
1
www.led.kte.hu Méréseinknél ezért a megvilágítást vizsgáltuk. A megvilágítás mértékegysége a lux (lx). 1 lux az a megvilágítás, amelyet 1 Lumen fényáramot kibocsájtó pontszerű fényforrás 1 négyzetméter felületen hoz létre. Világítástervezésnél ezt a mértékegységet célszerű használni, mert a szükséges műszerek olcsók, a mérés elvégzése egyszerű. Nézzünk pár példát a megvilágításra: szükségvilágítás – 1lx; színérzékelés határa – 3lx; folyosó – 50lx; iroda – 500lx; nyári napfény – 105lx Boltok polcain sokszor egymás mellett találhatunk 1000Ft alatti és több tízezer forintos hasonló LED lámpákat, a laikus vásárló pedig értetlenül áll a helyzet előtt. Az elsődleges és árban ugrásszerű különbséget az alkalmazott LED chip okozza.
3. ábra
2. ábra
Fontos tény, hogy különböző technológiájú LED chipek egyszerre vannak jelen a piacon. A 2. ábrán egy műgyanta házas furatszerelt LED, a 3. ábrán pedig egy SMD LED chip (CREE Xlamp XP-G) látható. A különbség teljesítmény, megvilágítás és fogyasztás terén óriási a modernebb LED javára. Fizikai kialakítását tekintve avatatlan szemek előtt vagy a lámpatestben esetenként opál vagy bordázott búra alatt sajnos nehezen megkülönböztethetőek. A furatszerelt LED nagyon olcsó, egyszerű felépítésű, kézileg is könnyen beültethető és akár a 100.000 órát is elérheti élettartamuk. Teljesítményük csupán tized wattokban mérhető, de ami még szomorúbb, hogy fényhasznosításuk az izzóéval megegyező tehát minimális fogyasztásához roppant szerény fény párosul. Az ilyen lámpákat tehát első sorban kerüljük. Következő kritikus pont maga a lámpatest kialakítása. A LED (mint félvezető) élettartama üzemi hőmérsékletének függvénye, vagyis minél alacsonyabb hőmérsékleten működik annál hosszabb. Élettartamnak nevezzük ez esetben azt az időt, amikor a LED fényereje eléri a névleges 50%-át. Magasabb minőségű LED világítótestek burkolata éppen ezért jól disszipáló anyagból kialakított (alumínium, kerámia, stb.) lamellákból álló vagy barázdált formájú hűtőborda is egyben. Végezetül említhetjük a LED meghajtásáért felelős áramkört. A miniatürizált, foglalatba épített kapcsoló üzemű elektronikák közötti differencia szintén jelentős lehet. A beépített alkatrészek méretezése, a kapcsolás topológiája, az áram felharmonikus szűrés vagy akár a nyáklemez és az arra történő forrasztás minősége is mind olyan befolyásoló tényezők, amiket már a felkészültebb tudatos vásárlók sem tudnak megvizsgálni pedig mind a teljesítményt mind az élettartamot döntően befolyásolják. II.
FÉNYFORRÁSOK VIZSGÁLATA
Adott fényforrás fényerejének szemléltetéséhez mi képeket fogunk alkalmazni és támpontként kis pontosságú adott felület megvilágítási mértékét szemléltetető lux mérőműszer adatait használjuk a szubjektív látásunk kisegítésére, amivel a fényforrás alatt közvetlenül 1m-re mérjük. Fontos leszögezni, hogy mind a digitális tükörreflexes fényképező mind a megtekintésre szolgáló médium színhűsége és járulékos torzításaik csupán elnagyoltan adnak tájékoztatást, nem tekinthetőek referenciapontnak csupán szemléltető eszközök. Minden kipróbált lámpa mellett esetlegesen említett teljesítményfelvétel az adott lámpa kísérlet alatt mért hatásos teljesítményét jelenti.
2
www.led.kte.hu
4. ábra Referencia-képünk a 4. ábrán látható. A helyiségben színes tárgyakat helyeztünk egy asztalra, fölötte 1,5m távolságban rögzített fényforrásunk kikapcsolt állapotban. A helyiség enyhén túlvilágított a csupasz fehér falak miatt, a korábban deklarált ponton 500lx megvilágítás értéket állítottunk be, amit az MSZ EN 12464-1:2003 szabvány szerint alapnak tekintünk.
5. ábra Az 5. ábrán egy 40W-os hagyományos izzó látható. Vegyük észre, hogy az üvegbúra egyenetlenségei valamint a rá nyomtatott szöveg miatt a fény sávokban, egyenetlenül terül el. A megvilágítás 61lx, színhőmérséklete a meleg fehér tartományba esik.
3
www.led.kte.hu
6. ábra A 6. ábrán a 60W-os izzó látható. Fényereje nagyobb (81lx), itt is láthatóak a sugaras árnyékok. A megvilágítás itt is gömb formájú és egyenletesnek mondható meleg fehér színű.
7. ábra A 7. ábra az új generációs izzók családjából származik, egy 75W-os halogén izzót a hagyományos üvegburába helyezve azt egy 95W-os réginek feleltetik meg. A megvilágítás 66lx tehát hajszállal felülteljesíti a 40W példányét, de jóval alulmarad a hagyományos 60W-os izzóval szemben. Ebből azt szűrhetjük le, hogy a halogén izzó függőleges elhelyezése láthatóan előnytelen, fő fényudvara nem világítja be jobban az asztalt. Színhűsége jobb, hidegebb fényű elődeinél, de jobban is kápráztat. Tényleges fogyasztása 77W. 4
www.led.kte.hu Tekintsük most meg mit tudnak a LED fényforrások. Elsőként a 8. ábrán egy 2W-ot fogyasztó hideg fehér fényű tiszta üvegű példányt láthatunk. Teljesítménye a legkisebb izzóhoz képest is 30-ad akkora fénye azonban 26lx ami csak durván a fele.
8. ábra Látható, hogy drasztikus fogyasztáscsökkentés elérése érdekében ugyanazon foglalatba a lehető legkisebb LED fényforrást helyezve pocsék eredményt érünk el. A hideg fény alacsony fényerőnél természetellenesen hat és ilyen kis teljesítmény darabszámban képtelen felvenni a versenyt megvilágítás terén a hagyományos izzóval.
9. ábra
5
www.led.kte.hu A 9. ábrán egy nagyobb teljesítményű, 13W-os katalógus, 9W-os valós fogyasztású fényforrás látható. A bordázott üvegbúra a jobb fényszórást célzott elősegíteni, ami oldalirányba sikerült is, de maga alá már árnyékot vet így ott csak 64lx fényerő mérhető.
10. ábra A 10. ábrán látható következő példány irányítottabb és kategóriájában melegebb, fényt ad. A direkt világítást foncsorozással és a LED elé helyezett műanyag lencsével érik el, ami így 125lx megvilágítást produkál. Ez bár, messze fölülmúlja az összes izzót, de csak egy szűkebb 130°-ra korlátozódó vetítési szögben. Fogyasztása 4W. Egy asztal megvilágításához még épp szerény, de már elfogadható fényerőt produkál.
11. ábra 6
www.led.kte.hu A 11. ábrán látható fényforrás még egy árnyalattal melegebb színhőmérsékletű. 12W-os fogyasztással és nagyobb koncentrikus világítással bír. A referenciaponton mérve csak 117lx adódik, tehát az asztal irányába gyengébben teljesít, ugyanakkor fényterítése 360°-os, homogén és kellemes, így bátran ajánlható egy az egy cserére az izzók bármelyikével szemben, ha tekintélyes 145x92mm-es mérete engedi.
12. ábra A 12-es ábrán látható fényforrás színhőmérséklete az előző kettő között helyezkedik el, színvisszaadása szinte tökéletes, kellemes és természetes fényt ad, ami nem csoda, hiszen a legjobb minőségű Nichia LED chipek dolgoznak benne (az ára ennek megfelelően magasabb).
13. ábra 7
www.led.kte.hu 12,5W-os fogyasztással 300lx fényt produkál, de e mellett körkörösen egyenletesen is teríti a fényt, nem kápráztat. Bármelyik előbb bemutatott izzó cseréjére elsőrangú megoldásnak kínálkozik. A 13. ábrán látható szintén óriás méretű (180x130mm) fényforrás opál búrájának köszönhetően sokkal kontrollálatlanabb fénycsóvát mutat, lefele nagyon erős 485lx megvilágítása nem szórja be a teljes teret, lefele korlátozódik több fényudvarra bomolva. Színe inkább a hideg fehér kategóriába nyúlik, 14W-os fogyasztás és ezért jó teljesítményhasznosítás jellemzi. Mérete és súlya miatt nehéz elképzelni célzott megvilágításra, de ha elfér megállja a helyét.
14. ábra
15. ábra
8
www.led.kte.hu A 14. ábrán látható lámpa 30°-os viszonylag szűk vetítési szögben 1380lx fényerőt produkált 12W teljesítményfelvétel mellett. Bár másodlagos fényudvara 180°-ot zár, ez mégis kevés a sikerhez, direkt megvilágításnak elsőrangú erős, kellemes fényt ad, de nem világítja be a teljes teret. A 15. ábrán látható fényforrás speciális lencséinek köszönhetően 9000lx fölött teljesített a referenciaponton. A kép a sci-fi filmekből ismert földönkívüli űrhajó pásztázó-sugarát idézi, minden színt fehérré fakít, az abrosz matt tükörként veri vissza a rá eső fényt a falra, a fényudvaron kívül pedig sötétség uralkodik. Otthonokba erősen ellenjavallt, de kirakatokba vagy célzott beltéri világításhoz 13W-os fogyasztásával ideális választásnak tűnik. Élesebb szeműek érdekes fénycsíkokat figyelhetnek meg a foglalat fölött. Ezek a lámpa fém hűtőbordái közötti szellőző járatokon hátrafele kiszűrődő saját fényei.
16. ábra Nézzünk most egy típust hangulatvilágításra. A 16. ábrán látható spot kialakítású fényforrás 3,6W-os teljesítményfelvétel mellett 270lx fényt ad meleg fehér színben. 60°-os vetítési-szöggel világítja meg az asztalt, a falon pedig krómozott előlapjának és akril lencséjének fényjátéka látható. Ez a 3200K körüli gyenge fény hosszútávon minden bizonnyal fárasztóan hat a szemre ezért izzócsere nem ajánlott. Vegyük azonban számításba, hogy 16 példánnyal akár két szoba hangulatvilágításról gondoskodhatunk és még mindig egy 60W-os izzó fogyasztása jelentkezik a villanyszámlán. A képeken 4500-6000K közötti, vagyis inkább közép és hideg fehér fényű termékeket mutattunk be. Mint említésre került LED alapú világításnál ellentétben más technológiát képviselő fényforrásokkal a színhőmérséklet nem egy kötött paraméter így megadatik az a luxus, hogy többnyire minden típusból meleg és hideg fehér színt reprodukáló példány is létezik. Ezek tesztelésre is kerültek ám triviális, hogy paramétereikben olyannyira identikusak, hogy külön ismertetésük feleslegesnek bizonyult és túl hosszúra nyújtotta volna eme ismertetőt. Ezt igazolandó, a 17. ábrán látható különböző foszforréteggel takart LED chipekkel szerelt ugyanazon lámpatestek világítótere.
9
www.led.kte.hu
17. ábra A színtől eltekintve a különbség pusztán a hideg fehér színű példányok nüánsznyival erősebb fényében mutatkozik meg, minden egyéb paraméterben megegyeznek. Azonos megvilágítási igények mellett így a színválasztás egyénre szabott és ízlés kérdése. Tegyünk most egy olyan összehasonlítást ahol egymás mellett szerepeltetünk izzókat LED fényforrásokkal. A 18. ábrán látható a 40W-os izzó és a Big Bulb E27-700T-MW képe.
18. ábra Látható, hogy az izzó jelentősen torzítja a színeket és több mint háromszoros teljesítményfelvétele ellenére is gyengébben világít. A LED kontrolláltabb, homogén fényt ad. A 19. ábrán a 60W-os izzó és a Bulb E27-800N CW párost tekinthetjük meg fej-fej mellett. Látható, hogy a LED fényforrás világítási karakterisztikája inkább csepp alakú, több fényt juttat maga alá, mint az izzó, ami minden irányba egyformán szórja fényét. Itt csatolnék vissza a cikk elejére, ahol a gyártók lumenben adott referencia értéke került bírálásra. A két izzó ugyanis bár lumenben egy szinten van a LED 300lx értéke 3,7-szerese az izzóénak. A magasabb színhűség itt is a modernebb fényforrás sajátja, az izzó mindent sárgás színben láttat, ami akár az abrosz színén remekül tetten érhető. A hidegebb fehér fény élesebb, kontrasztosabb képet ad, gyengébben látó személyeknek így jobb látást biztosít.
10
www.led.kte.hu
19. ábra III.
GAZDASÁGI SZEMPONTOK
Tekintsük most át a LED fényforrás gazdasági pozícióját, vagyis mennyi idő alatt térül meg nekünk, ha hagyományos izzónkat lecseréljük. Először egy olyan faktort fontos elemezni, amit sokszor teljesen figyelmen kívül hagynak. Ez nem más, mint az energia ár drágulása. Az elmúlt 10 év adatainak tükrében[3] átlagosan évi 2,57Ft/kWh, azaz 7,34%-al kell számolnunk. A dráguló gáz árak mellett és abból a tényből fakadóan, hogy Magyarországon a kombinált ciklusú gáz erőművek nagy számban képviseltetik magukat feltehetőleg a közeljövőben nagyobb drágulásoknak nézünk elébe, de ez csak feltevés, a kalkulációkat fent meghatározott értékekkel végezzük 47,85Ft/kWh kiinduló áron (ELMŰ hálózat). Tegyük fel egy átlagos 20-35m2-es szobát világítunk be 4db 60W-os izzóval és ezt szeretnénk cserélni. Egy neves gyártó termékét alapul véve az izzók fényereje egyenként 750 lumen. Ezzel állítjuk versenybe a teletronik Bulb-800N-CW típust, ami 800 lumen leadására képes. A főbb paramétereket az alábbi táblázat taglalja: típus izzó LED
fogyasztás 60W 10W
élettartam 2.000 óra 35.000 óra 1. táblázat
fényáram 750 lumen 800 lumen
ár 75 Ft 10000 Ft
Közel azonos fényáram mellett a LED fényforrás fogyasztás hatoda, élettartama 17,5-szerese, ára pedig 133 szorosa az izzóénak. Mérjük most fel fogyasztásunkat. Átlagos családi körülmények között napi 6 órával számolva a hét minden napján jó közelítéssel átlagolhatjuk a hétvégi és hétköznapi szükségleteinket, ami éves szinten 2184 órát jelent. Nem maradt más hátra, mint a paramétereket az idővel felszorozni. A LED kezdeti 40.000Ft-os beruházási ára a fogyasztással minden órában kompenzálódik, de vajon milyen gyorsan? Feltesszük, hogy 2010 január elsején cseréltünk és minden fényforrás pontosan az élettartamának lejártakor megy tönkre, ami nekünk 500Ft-os csereköltséget ró fel. Az alábbi táblázat összehasonlítja a két fényforrás teljes éves világítási költségét öt évre előre:
11
www.led.kte.hu
izzó LED
2011 27.681 Ft 43.919 Ft
2012 56.903 Ft 48.125 Ft
2013 88.100 Ft 52.641 Ft 2. táblázat
2014 121.415 Ft 57.487 Ft
2015 157.004 Ft 62.688 Ft
A táblázatból látható, hogy az első évben a LED több mint 130-szoros bekerülési árával is csak másfélszeres összköltséget mutat kis fogyasztása miatt. A második évben már majdnem 9000Ft-al olcsóbban zár és ez azt jelenti, hogy már meg is térült a befektetésünk. Az ötödik évben már 2.5x annyi az izzó költsége, vagyis a megtakarításunk több mint 60%-ék és ez az érték folyamatosan nő. Téves tehát az a nézet miszerint a LED világítás nem térül meg magas ára miatt, példánkból jól látszik, hogy ebben az esetben 2 év már elegendő. IV.
KONKLÚZIÓ
Remélhetőleg, kísérletünkkel sikerült szemléltetni, hogy a LED alapú világítás technológiai szinten nem hogy elérte, de jóval meghaladja a hagyományos izzók képességeit. Ezekkel a modern világítótestekkel igenis el lehet érni, sőt túl is lehet szárnyalni az izzóval megegyező fényerőt, ráadásul célzott feladatokra, speciális igényekre minden tekintetben egyeduralkodó az, amit nyújtani tudnak. Ha a fogyasztó rendelkezik a beruházáshoz szükséges többlet-tőkével az akár rövid időn belül megtérül számára. 1:1 arányú csere esetén megfelelő típus választásával nem szenved csorbát lakásunk megvilágítása sőt, dizájn és hangulat terén is előrelépést érhetünk el jó minőségű LED fényforrásokkal. A KT-Electronic álláspontja, hogy magas minőségű fényforrásokkal, egyedülálló szigorú műszaki és minőségi ellenőrzésekkel meghonosítsa az elektromos energiát jelenleg leghatékonyabban hasznosító világító-testeket. Sajnos a tapasztalatunk az, hogy a vásárlók szkeptikus álláspontja sokszor megalapozott, mert a piacon sok olyan (elismert márkákat is magába foglaló) résztvevő szerepelteti magát, akik valótlan katalógusadataikkal próbálnak olyan paramétereket fényforrásaiknak tulajdonítani vagy adott paraméterek elhallgatásával megtéveszteni, amik végül a vásárló otthonában csalódáshoz vezetnek. Ne várjunk csodát. Egy 2-4W-os fényforrás nem képes helyettesíteni egy 40-60W-os izzót. A csomagolásra írt irracionális élettartam szinte biztos, hogy nem igaz. A magas fényerő gyakran takar 6500-7000K színhőmérsékletű elviselhetetlen kékes fényt, az olcsó kialakítás pedig inhomogén világítást, gyenge tápegységet. Figyeljünk az itt érintett sarkalatos pontokra: - Milyen a fényforrás hűtése - Milyen színhőmérsékletű - Mekkora a vetítési szöge - Milyen a gyártó termékeihez adott technikai/műszaki adatközlése - Lehet-e bekapcsolt állapotban is vizsgálni vásárlás előtt
V.
HIVATKOZÁSOK
[1] Tanabe, Fujita, Yoshihara, Sakamoto and Yamamoto, – YAG glass-ceramic phosphor for white LED (II): luminescence characteristics Proc. of SPIE vol. 5941: 594112-1. [2] Schanda János – Világosság és fénysűrűség ajánlások a mezopos fénysűrűség értékelésére Virtuális Környezet és Fénytani Laboratórium Pannon Egyetem, Veszprém [3] Magyar Energia Hivatal (http://www.eh.gov.hu)
12
