Pokud si chcete svépomocí vyrobit nějaké to LED světlo, musíte se (mimo jiné) trochu vyznat v parametrech LED čipů a jejich značení. Co je to LED čip, jak funguje a proč stavět světlo právě z nich, to tu vysvětlovat nebudu. Nebudu ani řešit, jestli čip je nebo není vhodný pro danou aplikaci (akvarijní osvětlení, lampičku na stůl atd.), to všechno je téma na další článek. Tenhle článek bude hlavně o elektrických a fotometrických veličinách LED čipů, o tom jak se vyznat v katalogových listech (datasheet) a jak to všechno souvisí s výrobními čísly LED čipů (CREE). Příklady budu demonstrovat na čipech a katalogových listech od společnosti CREE. Většina textu je ale obecně platná pro všechny čipy!
Na první pohled jednoduchá věc se může stát trnem v oku nejednoho bastlíře. Nevěříte? Podívejte se na web cz.mouser.com. V kategorii Výkonové LED – Bílé, je pro výrobce CREE asi 20 000 položek! To je naprosto šílené množství a pokud přesně nevíte co hledáte máte problém. Návody na netu zmiňují různá značení čipů např. XPG2, XM-L, XM-L2, jenže na eshopech není takové označení vždycky použito. Často se také setkáte s tím, že se parametry čipů udávané v návodech a eshopech značně liší a to i přes to, že se podle značení jedná o stejný typ čipu. Je složité se v tom vyznat a laik (jako já) má pak chuť se na to vy***t, páč vůbec neví co má vlastně objednat.
Všechny vlastnosti čipů jsou udávány pro nějakou výchozí (obvyklou, typickou) hodnotu budícího proudu a teplotu (obvykle 25 °C a 85 °C). Všechny informace o čipu najdete v katalogovém listu.
Nikdy, za žádných okolností nevyrábějte světlo (ani jiné elektrické zařízení) ze součástek, ke kterým nejsou dostupné katalogové listy!!! To samé platí o pochybném původu součástek.
If – Propustný proud (Forward current)
If udává jakým proudem je potřeba led čip budit. V katalozích se obvykle uvádí typická hodnota tohoto proudu! Podle zvolené hodnoty proudu si pak vyberete zdroj konstantního proudu, ke kterému budou vaše čipy připojeny. Např. oblíbené Meanwell LDD-xxxH/L drivery, nebo něco podobného. Pokud se podíváte do datasheetu většinou zjistíte, že budící proud můžete upravit směrem nahoru i dolů. Změnou nahoru stoupá světelný tok, vyzařované teplo, ale často klesá účinnost a také životnost čipu.
Změna budícího proudu mění všechny ostatní charakteristiky čipu! Pozor na to!
Pro sérii čipů XPG2 (standard) se udává typická hodnota budícího proudu 350 mA. Když se podíváte do datasheetu zjistíte, že hodnota může být v rozsahu od 0 – 1,5 A. Existuje ale i další řada XPG2 čipů (high eficacy), která má maximální budící proud 2 A. Pro XM-L2 čipy je typická hodnota 700 mA, ale podle datasheetu je možné je budit proudem až 3 A. Překročením maximálního proudu dochází ke zničení čipu. Pamatujte na to, že v drtivé většině případů, mají čipy ideální parametry (vyzářené teplo, účinnost atd.) právě při typické hodnotě proudu.
Dejte si pozor na hodnoty udávané v návodech a srovnávacích tabulkách na internetu. Vždy se podívejte na vlastnosti daného čipu do katalogového listu!!!
Původně jsem tady chtěl dát nějaké tabulky, kde bych porovnal jednotlivé série čipů jejich proudy atd. Nakonec jsem usoudil, že to bude spíše matoucí. Proč? Protože čipů bývá více i v rámci jedné série. Jejich vlastnosti se často liší a je tak vždy nutné se podívat do katalogového listu!
Uf – Propustné napětí (Forward voltage)
Uf udává jaké napětí bude na led čipu při teplotě TJ, pokud jím bude protékat budící proud If. K čemu to potřebujete? Při sériovém zapojení LED čipů, udává součet napětí na všech čipech v sérii minimalní hodnotu napětí proudového zdroje, který budeme potřebovat. Hodnotu napětí odečtete z grafu v datasheetu podle budícího proudu If. Pro čipy XM-L2 je vidět, že pro proud 500 mA je napětí na čipu zhruba 2,8 V, pro proud 1300 mA je napětí 3 V a tak dále.
Výkon čipu ve watech (W). Pozor! To že je u čipu napsáno 10 W ještě neznamená, že jeho výkon bude vždycky 10 W. Vždy záleží na budícím proudu a napětí, které zjistíte z grafu v datasheetu. Udávaná hodnota obvykle znamená maximální možný výkon čipu při maximálním budícím proudu. Vypočítá se podle vzorce P = U * I. Pro čipy XM-L2 je to podle grafu na obrázku, pro typický proud 700 mA a napětí 2,85 V výkon P = 0,7 * 2,85 = 2 W. Pro proud 1,3 A už to je 3,9 W a pro proud 3 A je to daných 10 W.
Vždycky se podívejte do datasheetu, jaké napětí je na čipu pro danou hodnotu budícího proudu!
Technicky vzato se nejedná o výkon čipu, ale o příkon. Tedy o elektrickou energii, kterou čip spotřebuje a přemění na teplo a světlo. Je to energie, kterou musíte do čipu dodat ze zdroje. Výkonem čipu je potom množství vyzářeného světla a tepla, ale to se s elektrickými veličinami srovnává poněkud blbě.
Teplota chomatičnosti (Color temperature, Chromaticity)
Zjednodušeně řečeno se jedná o barevný odstín světla. Odstín je ovlivňován poměrným zastoupením určitých vlnových délek světelného záření (z viditelného spektra) ve světle. Udává se v kelvinech (K). Všichni víme, že není každé bílé světlo stejné. Některé světelné zdroje produkují světlo spíše do červena. To je dáno větším zastoupením záření s vlnovou délkou 590 – 625 nm (oranžové) a 625 – 740 nm (červené). Jiné zase do modra 430 – 500 nm.
Barva je pouze zjednodušení zápisu v kelvinech. Obvykle udává jako Cool white, Neutral white, Warm white a vztahuje se k určitému rozsahu teploty chromatičnosti. Např. Neutral White je hodnota kolem 4500 – 5500 K. Lepší je se řídit přímo teplotou chromatičnosti proto, že to každý udává trochu jinak. Ani to ale není stoprocentní. Dva led čipy 6000 K můžou mít trochu jinou (okem rozpoznatelnou) barvu světla. Obrázek dole ukazuje procentuální zastoupení vlnových délek světla pro vybrané typy chromatičnosti čipu XM-L2.
XM-L2 Relative Spectral Power Distribution source: www.cree.com
Index podání barev (Colour rendering index)
CRI nebo taky Ra je schopnost čipu emitovat takové světlo, pod kterým budou barvy vypadat věrohodně. Věrohodně se vztahuje k podání barev při ideálním (denním) zdroji světla. Pro trvalý pobyt osob je vyžadováno normami CRI 80+. Problém s LED čipy je, že aby bylo dosaženo co nejlepší účinnosti čipů, obvykle se některé vlnové délky ořezávají. Tím dochází ke snížení CRI. Pro světlo do akvárka není potřeba to moc hrotit, protože voda a skla udělají stejně svoje.
Vyzařovací úhel (Viewing angle)
Vyzařovací úhel, spolu se vzdáleností od led čipu udává plochu, kterou je čip schopen osvětlit. Většinou se to u CREE čipů pohybuje kolem 100-135 stupňů. To je pro běžné osvětlení obytných a pracovních prostor rozumná hodnota, protože je díky tomu světlo příjemně rozptýlené. Pro osvětlení akvária to ale není ideální, protože většina světla dopadne mimo akvárium. To je většinou nežádoucí. Vyzařovací úhel se pak upravuje použitím vhodné optiky.
Světelný tok (Luminous flux, Radiant flux)
Každý čip při nějaké okolní teplotě, budícím proudu a napětí vyzáří do okolí nějaké světlo a odpadní teplo. Vyzářené světlo je naším světelným tokem a udává se v lumenech (lm). Čím vyšší budící proud, tím vyšší světelný tok. Obrázek níže ukazuje závislost světelného toku na budícím proudu. Proč je světelný tok v procentech, a ne v lumenech? Protože čipů XM-L2 (platí i pro jiné CREE čipy) je spousta a každý má trochu jiné fotometrické charakteristiky. Proto graf udává odchylku v procentech od základní hodnoty. Tu naleznete v datasheetu v tabulce (obvykle se to jmenuje flux characteristics)
XM-L2 relative flux source: www.cree.com
Světelný tok se vztahuje k (lidským okem) viditelnému spektru. Rostliny ale různé vlnové délky (barvy) světla využívají s různou efektivitou. Rostlinkáři by se měli řídit spíše než světelným tokem hodnotou PAR nebo PUR.
Co je to produktová rodina, typ čipu a bin?
Když se podíváte do nějakých katalogových listů společnosti CREE zjistíte, že LED čipů, které vyrábějí je opravdu mnoho. Obvykle jsou seskupeny podle několika parametrů, aby bylo jednodušší se v tom vyznat. Existuje tak něco čemu se říká produktová série (rodina, family). Např. série čipů XLamp, do které spadají i zmíněné čipy XM-L2, XP-G2 a asi 90 dalších typů. Konkrétní označení XM-L2 udává typ čipu. Stejné typy mají často (né vždy) podobné charakteristiky (krom těch fotometrických). Například typ XP-G2 se dělí ještě na dvě skupiny (Standard a High Efficacy), které mají i jiné maximální budící proudy.
Při výrobě LED čipů prakticky nejde pokaždé dosáhnout stejných fotometrických vlastností ani v rámci jednoho typu čipu. Čipy se proto po výrobě roztřiďují do určitých skupin (binnů). V rámci jednoho typu a binu by měly mít čipy při stejných proudech, stejné fotometrické vlastnosti (především světelný tok). Například čip XM-L2 má pro teplotu 6000 K několik binů (T6, U2, U3), které se liší v účinnosti. Zatím co XM-L2(T6) má při budícím proudu 700 mA světelný tok 280 lm, stejný čip XM-L2(U3) už má světelný tok 320 lm.
XM-L2 bin source: www.cree.com
Všechny tyhle vlastnosti se většinou nějakým způsobem promítají do sériových čísel. V datasheetu pro každý typ čipu najdete popis formátu kódů. Z toho je vidět, že například čipy XM-L2 musí mít v kódu na začátku XMLB, kde B udává druhou generaci čipu. Pokud je tam XMLA jedná se o čipy první generace XM-L. Z kódu lze také vyčíst jestli se jedná o T6/U2/U3 bin. Označuje to část kódu Luminous flux group. Čipy XP-G2 musí mít zase na začátku XPGB.
XM-L2 Code formats source:www.cree.com
XP-G2 Code formats source:www.cree.com
Účinnost světelného zdroje
Účinnost je veličina, která dává do závislosti světelný tok a výkon (příkon) čipu. Udává se v lm/W. Je to celkem podstatná veličina, protože se podle ní dají porovnávat čipy, a to i od různých výrobců. Říká nám, kolik světla čip vyzáří, při příkonu 1 W. Samozřejmě čím vyšší hodnota tím lépe. Pro bílé světlo (záleží na spektru) klasické LEDky, je teoretická maximální účinnost kolem 320 lm/W.
Mějte na paměti, že každý čip má nejlepší účinnost v nějakém rozsahu budících proudů a teplot.
Řekněme, že chci zjistit např. účinnost čipů XM-L2 s teplotou chromatičnosti 5000 K a binem U3. V datasheetu zjistím, že pro všechny typy binů a teploty chromatičnosti jsou elektrické charakteristiky shodné. To znamená, že pro budící proud 700 mA a napětí 2,85 V bude příkon čipu 2 W. Fotometrické veličiny se ale liší jak podle binu, tak podle teploty chromatičnosti čipu. Z tabulky v datasheetu odečtu, že pro proud 700 mA, bin U3 a 5000 K je světelný tok roven 320 lm. Účinnost čipu je tedy 320/2 = 160 lm/W.
Pro maximální budící proud 3000 mA, z grafu odečtu napětí 3,3V. Výkon čipu je pak roven cca 10W. Světelný tok je podle dalšího grafu roven asi 325 % typické hodnoty, což dělá světelný tok asi 1040 lm. Vypočítaná účinnost je rovna 104 lm/W. Jak je vidět světelný tok sice vzrostl o 320 %, ale účinnost o třetinu klesla.
K dnešnímu dni je na trhu mnoho led čipů od různých výrobců. Např. CREE, Lumileds, Osram atd. Účinnost běžně dostupných LED pásků se dneska pohybuje někde kolem 160 lm/w. CREE má na trhu čipy s účinností až 200 lm/w. Je dobré si uvědomit, že účinnost čipu nerovná se automaticky účinnost světla! Ve světle je totiž elektronika, která také spotřebuje nějakou energii (zdroje, převodníky atd.). Je velmi nepravděpodobné (k dnešnímu datu), že účinnost nějakého běžně prodávaného LED světla přesáhne 200 lm/W.
