PC Press: Šta bi rekao Edison?
Klasičnim sijalicama je, kažu, odzvonilo – treba ih zameniti fluoroscentnim štedljivim sijalicama, ili, ako želite najbolje rešenje, LED osvetljenjem. U čemu je, zapravo, razlika i kako u rafu punom sijalica izabrati ono što vam najviše odgovara? — Voja Antonić
Od prve Edisonove sijalice sa užarenim ugljenim štapićem pa do danas malo šta se promenilo u našim pokušajima da osvojimo noć. Tek je u poslednjih nekoliko godina poluprovodnička tehnologija ponudila revolucionaran i nov način pretvaranja električne energije u svetlosnu. Svi su izgledi da će svetleća dioda (ili LED, Light Emitting Diode) postati izvor svetla budućnosti.
Šta je LED rasvetu učinilo toliko privlačnom? Prednosti su mnogobrojne. Pre svega visoka efikasnost u prevaranju električne energije u svetlosnu, male dimenzije svetiljki, lako podešavanje jačine i boje osvetljenja, duži radni vek i to bez naglog pregorevanja izvora svetla, odsustvo infracrvenog i ultraljubičastog opsega, otpornost na udarce i vibracije, trenutno postizanje pune snage kao i otpornost na često uključivanje i isključivanje.
Tu su, kao što to već biva, i određeni nedostaci – pre svega visoka cena i neophodnost ugradnje ispravljača za napajanje niskim naponom sa strujom stabilisane (ili barem ograničene) jačine. Dalje, hlađenje je neophodno, jer su LED‑ovi manji od drugih rasvetnih tela, a veoma su osetljivi na pregrevanje. Nisu zanemarljive ni primedbe na kvalitet (spektralnu karakteristiku) svetla koji proizvode beli LED‑ovi, a primedba se upućuje i usmerenosti svetlosnog zračenja – još ne postoji LED koji isijava svetlost na sve strane podjednako, kao obična sijalica.
U poslednje vreme je ekologija važna tema, pa je Evropska unija, u cilju uštede energije i očuvanja okoline, objavila da će od 2012. godine zabraniti upotrebu klasičnih sijalica sa grejnim vlaknom. Umesto njih koristiće se tzv. štedljive sijalice, koje su zapravo fluoroscentne svetiljke sa ugrađenim elektronskim startnim mehanizmom. Zanemarena je činjenica da štedljive sijalice sadrže živu, koja je veoma otrovna, pa je naknadno uvedena obaveza odlaganja iskorišćenih štedljivih sijalica kao rizičnog otpada. Tu leži jedna od velikih prednosti LED rasvete, jer ona objedinjuje sve prednosti koje se tiču ekologije: najnižu potrošnju energije, najduži životni vek i potpuno odsustvo otrovnih materija.
U sledećim brojevima PC‑ja predstavićemo nekoliko konkretnih realizacija LED rasveta u kućnom ambijentu, što je rezultat entuzijazma naših sugrađana. Prenećemo njihova iskustva i daćemo savete budućim konsktruktorima. Naravno da ni autor ovog teksta nije ostao imun na izazov, pa je deo svog životnog prostora osvetlio LED rasvetom, a svi su izgledi da će u dogledno vreme proterati i poslednju sijalicu i fluroscentnu lampu. Za početak ćemo se pozabavimti teorijskim pitanjima.
Vrste LED‑ova
Osim podele po boji, potrebno je upoznati se i sa osobinama raznih oblika u kojima nam LED‑ovi stižu. Nemoguće je nabrojati ih sve, ali ih grubo možemo podeliti na LED‑ove u epoksidnom (plastičnom) kućištu, na minijaturne SMD (Surface Mounted Device) i na LED‑ove velike snage, koji imaju metalnu površinu za termički kontakt sa hladnjakom.
Ovi poslednji su najzanimljiviji za rasvetu. Klasifikovani su kao LED‑ovi snage 1 W, 3 W, 10 W, 20 W a postoje i jači, mada deklarisanu snagu treba shvatiti uslovno. Za svaki od njih navedena je maksimalna jačina struje koju mogu da podnesu. Recimo, za LED snage 1 W, bez obzira na boju, maksimalna jačina struje je 350 mA, a za 3 W ona iznosi 700 mA.
Kako nastaju boje
Ljudsko oko opaža tri boje: crvenu, zelenu i plavu, a ostale sintetiše mešanjem te tri. O ovome smo pisali pre 14 godina, PC #10. Ovaj tekst, pod naslovom „I bi svetlost“, možete preuzeti sa našeg sajta – adresa je www.pcpress.rs/download/broj/10/pc010073.pdf
Umesto prostog posmatranja boje izvora svetla, mnogo bolji uvid u njegove karakteristike pružiće ispitivanje spektroskopom, instrumentom koji uz pomoć prizme razlaže svetlost i meri intenzitet u svakoj tački spektra. Rezultat takvog ispitivanja je na dijagramu spektralnih karakteristika koji, mada na prvi pogled deluje komplikovano, pruža podatke korisne za analizu boja pojedinih LED‑ova i za poređenje njihovih karakteristika sa karakteristikama svetla koje nam daje Sunce, klasična sijalica sa grejnim vlaknom i fluoroscentna lampa (štedljiva sijalica). Moguća su odstupanja prikazanih karakteristika, jer one zavise od proizvođača, naročito za fluoroscentne izvore i bele LED‑ove. Prikazan je samo vidljivi deo spektra; levo od njega nalazio bi se ultraljubičasti, a desno infracrveni.
Pogledajmo najpre obojene površine na dijagramu: one predstavljaju tipične karakteristike plavog, zelenog i crvenog LED‑a. Deo spektra koji ovi LED‑ovi isijavaju je prilično uzan, svega oko 25 nm, što nam omogućava da dobijemo veoma zasićenu („čistu“) boju ako nam je to potrebno, ali i da napravimo svaku boju koju poželimo, pa čak i belu. Uzgred rečeno, na isti način i televizijski ili kompjuterski ekran generišu sve boje iz spektra.
Delimično „nazubljena“ spektralna karakteristika belog svetla, dobijena pomoću crvenog, zelenog i plavog LED‑a, ne smeta ljudskom oku, ali postoje i beli LED‑ovi koji, kao što vidimo na šrafiranim površinama dijagrama, imaju ravniju spektralnu karakteristiku (purpurna i narandžasta linija). Oni se prave tako što se direktno na kristal plavog LED‑a nanese sloj fosfora, koji „pomera“ učestanost plave svetlosti ka toplijem delu spektra. Ova pojava se naziva Strouksov pomak (Strokes shift), po irskom fizičaru Džordžu Strouksu, koji ju je prvi zapazio i objasnio.
Pored belih LED‑ova koji rade na principu Strouksovog pomaka, postoje i beli LED‑ovi koji u jednom kućištu objedinjuju crveni, zeleni i plavi LED. Najavljeni su i beli LED‑ovi zasnovani na tehnologiji cink-selena (ZnSe), koji istovremeno emituju plavu i žutu svetlost, što u zbiru daje belu, ali su oni još u eksperimentalnoj fazi. Priča se i o organskim LED‑ovima (OLED), ali se oni koriste uglavnom za matrične LED displeje, jer su jeftini i jednostavni za pravljenje matrica visoke rezolucije, dok za rasvetu nisu pogodni jer im je projektovani životni vek jedva nešto duži od 1.000 radnih sati. Postoje još i LED‑ovi koji emituju svetlost u nevidljivom infracrvenom ili ultraljubičastom delu spektra, što je nezanimljivo za rasvetu.
Tako za sada moramo da se zadržimo na belim LED‑ovima koji su, kao što smo videli, zapravo plavi sa fosfornim premazom. Svaki proizvođač ima svoju tehnologiju, pa time i karakteristike svojih proizvoda, tako da priložene dijagrame treba shvatiti samo kao orijentaciju. Zato smo priložili dve karakteristike na dijagramu, pošto većina proizvođača nudi dve vrste belih LED‑ova: Cool White (hladno bele) i Warm White (toplo bele). Šta im to znači?
Temperatura boje
Sunčeva svetlost pokriva praktično sve talasne dužine koje naše oko opaža (380‑750 nm). Ova karakteristika zavisi od temperature Sunca; da je ono toplije, imali bismo više „hladnih“ boja (u levom delu dijagrama), a kada bi bilo hladnije, kriva linija dijagrama bi bila povišena u „toplom“ (crvenom) delu spektra. Kada bismo liniju „zategli“ tako da bude prava (ali ne obavezno horizontalna), od nagiba bi zavisio utisak toplote svetlosnog izvora, pa je to poslužilo kao jednostavno merilo za predstavljanje temperature izvora svetla.
Svako telo, čija je temperatura iznad apsolutne nule (a to su sva tela u poznatom svemiru), emituje elektromagnetne zrake. Što je telo toplije, učestalost ovih zraka je viša, a talasna dužina manja. Na sobnoj temperaturi, sva tela emituju zrake u infracrvenom opsegu (na čemu se zasniva rad beskontaktnih IC termometara i pasivnih IC protivprovalnih senzora), ali već kada se zagreju na 470 stepeni Celzijusa, počinju da emituju tamnocrvenu svetlost. Kako temperatura raste, pretežna vrednost te svetlosti se pomera ka plavom delu spektra. Površina Sunca ima temperaturu od oko 5.500 stepeni i ono će emitovati svetlost čija je temperatura boje (zapamtite taj izraz) znatno viša. U grani fizike koja se zove kolorimetrija, umesto Celzijusove skale koristi se kelvinova, ali preračunavanje u ovu skalu, srećom, nije komplikovano: vrednosti u Celzijusovim stepenima treba dodati samo 273 i već smo dobili kelvine. Tako bismo, uz malo zaokruživanja, mogli da kažemo da je temperatura Sunca oko 5800 K.
Zvuči poznato? Kada podešavate monitor, u meniju vam se nudi da podesite i temperaturu boje u kelvinima. Ako izaberete temperaturu 4800 K, odnos boja ste podesili tako da bela boja bude kao da je isijava hipotetično Sunce (ili bilo koji drugi predmet) zagrejano na 4800 K, što je približno 4500 stepeni Celzijusa. Malo je neobično to što viša temperatura boje daje „hladnije“ boje (bliže plavoj) a niža „toplije“, ali je to konvencija zasnovana na čovekovom psihološkom doživljavanju boja i koju kao takvu treba prihvatiti.
Beli LED‑ovi se, zavisno od vrste i debljine fosfornog premaza, proizvode sa različitim spektralnim karakteristikama, pa samim tim i sa različitim temperaturama boje. Obično su to temperature između 5000 K i 8000 K za hladno bele, a od 3000 K do 4000 K za toplo bele. Ovi drugi simuliraju temperaturu boje sijalice sa grejnim vlaknom, jer temperatura tog užarenog vlakna je obično oko 2700 K (kod halogenih lampi oko 3300 K).
Ljudska vrsta je, kada je otkrila vatru i naučila kako da osvetli tamu noći, verovatno doživljavala svoje najprijatnije trenutke uz toplotu vatre, njenu crvenu svetlost i miris hrane na ognjištu. Nije onda ni čudo što je u naše gene utkana ljubav prema toplim bojama.
A štedljive sijalice?
Fluoroscentne sijalice (klasične, u obliku cevi ili tzv. štedljive – razlika je samo u obliku) su, zapravo, izvori ultraljubičastog svetla sa specijalnim premazom koji, ponovo na proncipu Struksovog pomaka, pretvaraju ultraljubičastu boju u belu. Zbog toga one imaju veoma „neravnu“ spektralnu karakteristiku, ali svaka vrsta ima definisan odnos između toplih i hladnih boja, pa samim tim i broj koji određuje temperaturu boje izraženu u kelvinima.
Štedljive sijalice se prodaju u šest različitih grupa, obeleženih numeričkim kodom i opisnom bojom svetlosti: Toplo bela, Bela, Hladno bela, Sunčeva svetlost, Hladna dnevna svetlost i Nebesko bela. Ovaj opis nam daje važan podatak o temperaturi boje, ali nazivi nisu baš najsrećnije odabrani jer, recimo, sijalica deklarisana kao Sunčeva svetlost daje hladniju svetlost (višu temperaturu boje) nego Hladno bela. Zato je korisnije pročitati numerički kolor kod, koji je uvek napisan na pakovanju. To je trocifreni broj, kod koga poslednje dve cifre treba pomnožiti sa 100 da bi se dobila temperatura boje svetla u kelvinima. Tako 850 ili 950 daje hladno belu svetlost čija je temperatura boje 5000 K.
Da bismo znali šta predstavlja prva cifra kolor koda, koja je kod savremenih štedljivih sijalica uvek 8 ili 9, trebalo bi da razumemo CRI, Color Rendering Index odnosno indeks prenosa boje.
Jeste li primetili da kod nekih starih fluoroscentnih lampi ljudska koža ima neku nezdravu sivu, ili čak zelenkastu boju, mada je isijana svetlost zapravo bela? To je zbog toga što je spektralna karakteristika te lampe tako „nazubljena“ i ispresecana oštrim vrhovima da, iako pruža subjektivni utisak belog svetla, ne može da generiše normalan odziv sa nekih obojenih površina. Uzmimo za primer da je 70% boja iz spektra reflektovano realno (kao kod Sunčevog svetla), a 30% boja je izgubljeno i prikazano kao lažne boje, koje generišu „špicevi“ u spektralnoj karakteristici. Takva lampa bi imala CRI=70. Dakle, veći CRI znači vernije prikazivanje boja osvetljenih objekata – idelano bi bilo CRI=100, kao kod Sunčevog svetla.
Stare neonske lampe imaju CRI oko 50, što je loše. Današnje štedljive lampe imaju CRI oko 85 (to su tzv. trifosforne cevi, kod kojih numerički kolor kod započinje cifrom 8) ili oko 95 (multifosforne cevi čija oznaka počinje sa 9). To je već blizu idealnoj vrednosti; ako možete da birate, opredelite se za kod 9. Tako bi 927 bila najbolja zamena za klasične sijalice.
Halofosfatne fluoroscentne cevi, koje smo nekada masovno koristili, i dalje koriste stare dvocifrene numeričke kolor kodove (27 i 33 za temperature boje 2700 K i 4100 K respektivno), a CRI kod njih nije precizno definisan i kreće se u opsegu od 50 do 79. Brojevima 83 i 84 obeležene su savremenije cevi sa temperaturom boje 3000 K i 4100 K, ali je CRI povećan i iznosi najmanje 80.
Kome smeta plava svetlost?
Znamo da se treba čuvati ultraljubičaste svetlosti i da je vidljivi deo elektromagnetnog zračenja bezopasan, ali izgleda da to pravilo ima izuzetak. Novija istraživanja pokazuju da veća količina vidljive plave svetlosti, koja je u opsegu od 400 do 500 nm, pod određenim uslovima može da bude štetna za mrežnjaču oka. Ovo više važi za manje talasne dužine (koje su bliže uljtraljubičastom delu spektra), a manje za one koje su bliže vrednosti od 500 nm, pa postoji i spor oko toga da li vrednosti preko 470 nm spadaju u kritičan opseg. U svakom slučaju, ispitivanja koja su pokazala da duže izlaganje pojačanoj plavoj svetlosti ubrzava neke oksidacione procese u oku, pa su pod radnim nazivom ANSI/IESNA RP‑27.1‑05 izdate preporuke kojima se definišu fotobiološke sigurnosne mere za rasvetna tela.
Ovo ne treba da bude razlog za zabrinutost, jer je kritični deo spektra već zastupljen u prirodnoj dnevnoj svetlosti, a naročito u fluoroscentnoj i halogenoj (od kojih, pored plave, dobijamo i porciju još opasnijeg ultraljubičastog dela spektra, što se na dijagramu ne vidi), ali neka to posluži kao argument za „toplo bele“ LED-ove. Kratak pogled na dijagram će nam razjasniti razloge za ovaj savet.
Na koje grupe ljudi se odnosi ovaj savet? To su, pre svega, dijabetičari, zatim ljudi koji redovno uzimaju lekove koji povećavaju osetljivost mrežnjače (npr. beta‑blokatore i ostale lekove za bolesti srca, diuretike, nesteroidne antiinflamatorne lekove – NSAIL, kao i neke antidepresive). U grupu ugroženih spadaju i ljudi koji već imaju oštećenje rožnjače, a i svi ljudi stariji od 55 godina.
Pri projektovanju LED rasvete možemo da biramo boju svetla, čime možemo da izbegnemo opasnost od prekomernog izlaganja naših očiju plavoj svetlosti. Uopšteno govoreći, bezbedan je svaki izvor svetla koji ima nižu temperaturu boje: plamen sveće, obična sijalica (koja će nam, kako stvari stoje, uskoro biti i zakonom uskraćena) i svi LED‑ovi koji su podešeni tako da ne emituju suviše „hladnu“ svetlost.