Lampy LED nowej technologii – zamienniki żarówek tradycyjnych i halogenowych

STRESZCZENIE

W artykule przedstawiono ogólną informację na temat konstrukcji nowych typów lamp LED, które stanowią energooszczędne zamienniki tradycyjnych żarówek i żarówek halogenowych. Porównano podstawowe dane katalogowe oraz wyniki pomiarów głównych parametrów elektrycznych i świetlnych wybranych typów lamp LED reprezentujących dwie technologie wytwarzania światła. Opierając się na wynikach pomiarów, porównano podstawowe parametry elektryczne i świetlne badanych lamp LED.

ABSTRACT

This article presents general information on the design of new types of LED lamps, which are energy-efficient replacements for traditional incandescent lamps and halogen lamps. The article presents results of comparison basic catalogues data and measurements of basic electrical and light parameters of selected types of LED lamps representing two technologies of light production. Based on the results of measurements and calculations, the basic electrical and light parameters of the tested LEDs were compared.

Pokazana zostanie analiza porównawcza danych katalogowych oraz wyniki pomiarów podstawowych parametrów świetlnych i elektrycznych lamp LED. Rozwój konstrukcji lamp LED, które są energooszczędnymi zamiennikami żarówek tradycyjnych i halogenowych, jest bardzo dynamiczny. W ostatnim czasie pojawiły się nowe konstrukcje lamp LED, w których źródłem światła są rurki, w których wnętrzu umieszczone są diody elektroluminescencyjne. Lampy te stanowią kolejną już modyfikację konstrukcji lamp LED, która prowadzi do zwiększenia ich skuteczności świetlnej, przedłużenia trwałości i tym samym zmniejszenia kosztów eksploatacji oświetlenia. Dodatkową cechą wyróżniającą nowe rozwiązania konstrukcyjne jest brak radiatorów, dzięki czemu kształt i wymiary tych źródeł światła są bardzo zbliżone do kształtów i wymiarów tradycyjnych żarówek i żarówek halogenowych, które są ich odpowiednikami.

Rys. 1 Przykładowa konstrukcja lampy LED wykorzystująca rurki z LED [1]

Konstrukcja lamp LED nowej technologii

Obecnie dominują dwie technologie konstrukcji lamp LED. Pierwsza wykorzystująca diody SMD i druga wykorzystująca cienkie rurki, w których zamocowane są diody elektroluminescencyjne (rys. 1). Przykładowa konstrukcja rurki, w której
zastosowano źródła światła LED, przedstawiona jest na rys. 2. Rurka wypełniona jest w środku małymi diodami. Średnio w jednej rurce znajduje się od 20 do 25 LED. Diody umieszczone są na podłożu izolacyjnym i połączone szeregowo w całej długości rurki. Zasilanie LED zapewniają doprowadniki prądu.

Bańka lampy wypełniona jest gazem szlachetnym, zwykle helem. Gaz umożliwia dobre odprowadzenie ciepła z LED, dzięki czemu lampy nie wymagają stosowania radiatora. Do produkcji tego typu lamp LED stosuje się m.in. bańki szklane i aluminiowe trzonki dawniej używane do produkcji tradycyjnych żarówek. Białe światło w tego typu lampach LED wytwarzane jest na tej samej zasadzie, którą się stosuje od wielu lat w diodach SMD. Do wytwarzania białego światła stosuje się konwersję luminoforową [4]. Wewnątrz rurek umieszczone są diody wytwarzające światło barwy niebieskiej, które padając na luminofor, którym pokryta jest rurka, pobudza go do emisji światła o żółtej barwie. Część światła niebieskiego nie jest absorbowana przez luminofor i przenika przez niego. Na zewnątrz rurki zmieszane światło barwy niebieskiej, pochodzące bezpośrednio od LED, i światło barwy żółtej wytwarzane przez luminofor dają efekt światła barwy białej. Taki sposób wytwarzania światła zapewnia uzyskanie wysokiego ogólnego wskaźnika oddawania barw wytwarzanego światła.

Rozwój konstrukcji tego typu lamp LED jest dość dynamiczny. W ofercie firm pojawiają się coraz nowsze modele lamp.

Rys. 2. Przykładowa konstrukcja rurki z zamontowanymi LED [1], [3]

Oferta lamp LED nowej technologii

Nowe konstrukcje lamp LED oferowane są jako zamienniki tradycyjnych żarówek, żarówek reflektorowych oraz w formie dekoracyjnej. Oferta tego typu lamp LED marki OSRAM przedstawiona jest na podstawie danych firmy LEDVANCE. W ofercie tej firmy znajduje się szeroka gama lamp LED nowej generacji o nazwie FILAMENT. Na rys. 3-6 przedstawione są przykłady lamp LED nowej konstrukcji, które są zamiennikami tradycyjnych żarówek, żarówek halogenowych oraz żarówek reflektorowych. Na rys. 7-9 przedstawione są konstrukcje lamp, których przeznaczeniem jest oświetlenie dekoracyjne o nazwie VINTAGE 1906. Żarówki o kształcie bańki typu Edison nawiązują do konstrukcji pierwszych w świecie żarówek produkowanych na początku XX w.

W tab. 1 przedstawione są podstawowe dane techniczne i elektryczne wybranych typów nowych lamp LED stanowiących alternatywę do tradycyjnych żarówek, a w tab. 2 – wybranych typów lamp LED przeznaczonych do oświetlenia dekoracyjnego serii VINTAGE 1906. Charakterystyczną cechą wszystkich lamp LED jest to, że bańki zewnętrzne wykonane są ze szkła. Moc (strumień świetlny) wybranych typów lamp może być regulowana za pomocą regulatorów fazowych.

Rys. 3. Przykładowa konstrukcja lampy LED FILAMENT – zamiennik tradycyjnych żarówek świecowych typu B [2]

Lampy o oznaczeniu CLASSIC A mają kształt klasycznej żarówki, a CLASSIC B – kształt żarówki świecowej. Z przedstawionych danych technicznych wynika, że lampy nowej generacji mają wysoką skuteczność świetlną. Deklarowana trwałość tego typu lamp wynosi 15 000 godzin. Lampy wytwarzają światło o zbliżonej barwie światła, jakie wytwarzały tradycyjne żarówki, temperatura barwowa najbliższa 2700 K.

Charakterystyczną cechą lamp LED przeznaczonych do oświetlenia dekoracyjnego jest wysoka skuteczność świetlna, choć nieco niższa od skuteczności świetlnej lamp LED przeznaczonych do oświetlenia ogólnego. Niższa wartość skuteczności świetlnej jest spowodowana zastosowaniem złotego filtra na bańce zewnętrznej. Charakterystyczną własnością lamp LED przeznaczonych do oświetlenia dekoracyjnego jest wytwarzanie ciepłobiałej barwy światła o temperaturze barwowej najbliższej 2400 K. Barwa światła nawiązuje do barwy światła, jaką wytwarzały pierwszej konstrukcji żarówki z żarnikiem wykonanym z włókna węglowego. Ciepłobiałą barwę światła w lampach LED uzyskuje się przez złoty filtr umieszczony na bańce zewnętrznej. Deklarowana trwałość tego typu lamp LED wynosi 15 000 godzin.

Rys. 4. Przykładowa konstrukcja lampy LED FILAMENT – zamiennik tradycyjnych żarówek typu BA [2]

Tab. 1. Podstawowe dane techniczne lamp LED FILAMENT

Tab. 2. Podstawowe dane techniczne lamp LED przeznaczonych do oświetlenia dekoracyjnego

Porównanie wybranych danych katalogowych

W tab. 3 przedstawione jest porównanie wartości strumienia świetlnego, mocy i skuteczności świetlnej wybranych typów lamp LED reprezentujących dwie technologie wytwarzania światła, lampy LED (SMD) i lampy LED (rurki LED). Do porównania wybrano źródła światła o tym samym przeznaczeniu i porównywalnych kształtach i mocach. Porównywane lampy LED stanowią zamienniki tradycyjnych żarówek z bańką klasyczną typu A i bańką świecową typu B.

Z analizy porównawczej danych katalogowych wartości skuteczności świetlnej lamp LED (SMD) i lamp LED (rurki LED), które są zamiennikami tradycyjnych żarówek typu A i B, wynika, że skuteczność świetlna lamp LED nowej technologii jest wyższa, nawet o 33%.

Rys. 6. Przykładowa konstrukcja lampy LED FILAMENT – zamiennik tradycyjnych żarówek reflektorowych typu PAR [2]

Tab. 3. Wartości katalogowe podstawowych parametrów elektrycznych i świetlnych lamp LED

Pomiary podstawowych parametrów elektrycznych i świetlnych lamp LED

Pomiarów podstawowych parametrów elektrycznych i świetlnych wybranych typów lamp LED dokonano na próbce źródeł światła wynoszącej 39 sztuk.

Do badań wybrano 10 typów lamp LED, po trzy sztuki każdego typu, wykonanych w tradycyjnej technologii (diody SMD). Do testów wybrano trzy typy lamp LED wykonanych w nowej technologii, po trzy sztuki każdego typu; wybrane lampy stanowiły zamienniki tradycyjnych żarówek o kształcie typu A. Wyniki pomiarów posłużyły do ogólnego porównania rzeczywistych wartości wybranych parametrów elektrycznych i świetlnych lamp LED wykonanych w technologii tradycyjnej (z diodami SMD) z rzeczywistymi parametrami elektrycznymi i świetlnymi lamp LED wykonanych w nowszej technologii (pręcików LED). Do podstawowych zmierzonych parametrów świetlnych należały strumień świetlny i temperatura barwowa najbliższa wytwarzanego światła. Do podstawowych zmierzonych parametrów elektrycznych należała moc i prąd źródła światła. Na podstawie wykonanych pomiarów obliczono skuteczność świetlną lamp i współczynnik mocy.

W tab. 4 przedstawiono średnie wartości zmierzonych podstawowych parametrów elektrycznych i świetlnych 10 lamp LED, w których źródłem światła są diody SMD. Przykład konstrukcji testowanych lamp LED znajduje się na rys. 10.

Rys.8. Przykładowa konstrukcja lampy LED CLAS ST, seria VINTAGE 1906 [2]

W tab. 5 przedstawiono średnie wartości zmierzonych podstawowych parametrów elektrycznych i świetlnych lamp LED wykonanych w nowej technologii. Do badań wybrano lampy serii FILAMENT CLASSIC A 40, A 60, A 75 (po trzy lampy każdego typu, wersje z przezroczystą bańką). Wyniki pomiarów potwierdziły dane katalogowe. Lampy LED nowszej generacji mają wyższą skuteczność świetlną niż lampy LED wykorzystujące diody SMD.

W przypadku porównywanych źródeł światła wyniki pomiarów wykazały, że skuteczność świetlna lamp LED nowszej technologii jest wyższa nawet o 41%. Wszystkie porównywane lampy LED wytwarzają światło o ogólnym wskaźniku oddawania barw Ra > 80 i temperaturze barwowej najbliższej w zakresie od 2700 do 3000 K. Deklarowane trwałości lamp wynoszą 15 000 godzin. Współczynnik mocy lamp LED nowej technologii oferowanych przez firmę LEDVANCE jest wyższy od lamp, które posłużyły do pomiarów porównawczych.

Rys.9. Przykładowa konstrukcja lampy LED CLAS F [2]

Tab. 4. Średnie wartości pomiarów podstawowych parametrów elektrycznych i świetlnych lamp LED (SMD)

Tab. 5. Średnie wartości pomiarów podstawowych parametrów elektrycznych i świetlnych lamp LED nowej technologii

Wnioski

Rozwój technologii lamp LED stanowiących zamienniki tradycyjnych żarówek klasycznych i żarówek reflektorowych jest dynamiczny. Nowa technologia lamp LED wykorzystująca jako źródło światła rurki LED ma wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi lampami LED, w których źródłem światła są diody SMD. Do najważniejszych zalet lamp LED wykonanych w nowej technologii można zaliczyć:

– wyższą skuteczność świetlną,

– brak konieczności stosowania radiatora,

– wyższy współczynnik mocy,

– wymiary zbliżone do wymiarów żarówek.

Skuteczność świetlna badanych lamp LED nowej generacji jest bardzo wysoka, w zależności od typu lampy wartość skuteczności świetlnej waha się w granicach 85-134 lm/W. Tak duża skuteczność świetlna w połączeniu z długą trwałością zapewnia realizację wydajnego i taniego w eksploatacji oświetlenia. Dodatkowym atutem badanych lamp LED nowej generacji jest wysoka jakość i niezawodność produktów potwierdzona wieloletnim doświadczeniem w ich projektowaniu i produkcji.

dr inż. Andrzej Wiśniewski

Politechnika Warszawska Instytut Elektroenergetyki

Uwaga: artykuł ukazał się w nr. 12/2017 „Przeglądu Elektrotechnicznego”.

Literatura

1. Materiały techniczne firmy OSRAM, 2017.
2. Dane katalogowe firmy LEDVANCE 2017.
3. Katalog produktów firmy OSRAM 2017.
4. A. Wiśniewski, Lampy LED – ocena podstawowych parametrów, „Przegląd Elektrotechniczny” nr 5/2012.