... a bude svetlo! #3 Mystery Cache

V predchádzajúcich dvoch častiach sme sa podrobnejšie pozreli na vznik vláknovej žiarovky, ktorá po dlhé desaťročia osvetľovala svet. Na konci druhej časti som spomenul aj iné typy svetelných zdrojov, s ktorými sa bežný spotrebiteľ mohol stretávať. Medzi ne patrili predovšetkým lineárne žiarivky (často nesprávne označované ako „neónky“) a kompaktné žiarivky. Tieto svetelné zdroje však už v EÚ čaká definitívny koniec, keďže v priebehu roka 2023 postupne vstúpili do platnosti zákony, ktoré zakazujú ich výrobu aj import do Únie. Po vyčerpaní skladových zásob už nebudú v obchodoch legálne dostupné. Takmer jedinou alternatívou svetelných zdrojov až na výnimky tak ostanú LED

Princíp fungovania LED svetiel preskočíme, kto má záujem, môže si základné informácie vyhľadať napríklad na Wikipédii. V tejto časti sa však bližšie pozrieme na technické parametre, s ktorými sa pri LED svietidlách a svetelných zdrojoch môžeme stretnúť v praxi.

Životnosť LED svetelných zdrojov

Životnosť LED svetelných zdrojov a svietidiel závisí od dvoch hlavných faktorov – kvality elektronického napájača a samotných LED diód. Napájač je zariadenie, ktoré mení napätie a prúd v elektrickej sieti (typicky striedavý prúd s napätím 230 V) na napätie vhodné pre LED diódy a jednosmerný prúd. Životnosť napájača je priamo závislá na kvalite použitých komponentov, pričom jeho životnosti neprospieva vysoká teplota a časté spínanie a vypínanie.

LED diódy dokážu svietiť tisíce hodín, ale podobne ako napájačom, ani im neprospieva vysoká teplota. V začiatkoch šírenia LED technológie výrobcovia udávali životnosť LED žiaroviek až 100 000 hodín, no neskôr tento údaj znížili na rozumnejšie hodnoty. Dnes sa bežne uvádza životnosť LED žiaroviek na úrovni 15 000 až 20 000 hodín, čo je stále 15 až 20-krát viac než pri vláknových žiarovkách, alebo 7 až 10-krát viac než pri halogénových. Aj keď LED diódy skutočne môžu svietiť aj 100 000 hodín, je dôležité pochopiť, že počas tejto doby svetelný tok postupne klesá. K záveru životnosti LED žiarovky môže jej svetelný tok klesnúť len na 1 % pôvodnej hodnoty, takže žiarovka miesto svietenia "tleje".

Aby sa predišlo zavádzaniu spotrebiteľov, životnosť svetelných zdrojov sa dnes definuje ako doba, počas ktorej svetelný tok neklesne pod 80 % pôvodnej hodnoty. Ak si teda kúpite LED žiarovku (napríklad 6W, ekvivalent 60W vláknovej žiarovky), ktorá má deklarovanú životnosť 20 000 hodín, bude na začiatku svietiť približne na 800 lm, a po odsvietených 20 000 hodinách jej svetelný tok klesne na 640 lm, teda o 20 %.

Je tiež dôležité spomenúť, že v súvislosti so znižovaním cien LED žiaroviek došlo k nahradeniu kvalitnejších komponentov tými menej kvalitnými, čo môže ovplyvniť životnosť zariadenia. Pre porovnanie, prvé LED žiarovky sa predávali za približne 30 €, dnes je cena podobných produktov desatinná. Takže aj tých 20 000 hodín životnosti pri LED žiarovkách je skôr ideálna hodnota, ktorá je najmä pri neznačkových produktoch len ťažko dosiahnuteľná.

Aj keď LED žiarovky, ktoré už majú svoje „odsvietené“, sú stále použiteľné v menej náročných aplikáciách, ako sú chodby alebo toalety, tak z pohľadu výrobcu sú už po dosiahnutí svojej životnosti a je vhodné ich vymeniť.

V tejto súvislosti  stojí ešte za zmienku spomenúť kalkulácia životnosti pri profesionálnych svietidlách. Pri nich sa udáva tzv. hodnota LB. L definuje percento svetelného toku v porovnaní s počiatočným svetelným tokom. Hodnota B znamená mieru zlyhania LED. Hodnota LB teda udáva skutočnú životnosť v priebehu určitého počtu hodín.  Lepšie to pochopíme na príklade: Máme svietidlo A s udávanou životnosťou L90B10 pri 100 000 hodinách, a svietidlo B so životnosťou L70B50 pri 100 000 hodinách. L90B10 znamená, že svetelný tok svietidla A po 100 000 hodinách neklesne pod 90% pôvodného svetelného toku, a len 10% LED svietidiel túto hodnotu nedosiahne. Alebo inými slovami len pri maximálne 10% svietidlách klesne v priebehu 100 000 hodín ich svetelný tok pod 90% v porovnaní s tým, ako svietili, keď boli nové. L70B50 znamená, že po 100 000 hodinách 70% pôvodného svetelného toku dosiahne iba 50% všetkých LED svietidiel, tá druhá polovica môže svietiť od 0-49%. Z toho je zrejmé, že čím vyššie L a nižšie B, tým je svietidlo kvalitnejšie a zachováva si vyšší svetelný tok dlhšiu dobu.

V praxi sa ale môžu hodnoty životnosti meniť v závislosti od teploty, pri ktorej sa svietidlo prevádzkuje. Napríklad svietidlo C má deklarovanú životnosť L80B80 Ta 45°C 50000h / L70B60 Ta 55°C 50000 h, kde je zrejmé, že vysoká teplota na životnosť LED čipov vplýva negatívne, prípadne sa udávajú scenáre poklesu svetelného toku pre rôzne doby prevádzkovania svietidla, napríklad  L80B80 (Ta 50 °C) = 70.000 h, L85B80 (Ta 50 °C) = 50.000 h.

Tu je dôležité ešte poznamenať, že údaj o životnosti je kalkulovaný podľa amerického systému TM-21, ktorý je však používaný a akceptovaný aj celosvetovo. Výrobcovia LED čipov ich testujú po dobu minimálne 6000 hodín a každých 1000 hodín premeriavajú svetelný tok. Tieto hodnoty sú potom za použitia systému TM-21 extrapolované do očakávanej životnosti svietidiel.

Pokiaľ sa na niektorom svietidle stretnete s hodnotou LB, jedná sa o profesionálne svietidlo určené zväčša na použitie v priemysle, v galériách, kanceláriách, športoviskách alebo verejnom osvetlení, v klasickom retail segmente na podobný parameter prakticky nenarazíme.

Farba svetla (teplota chromatickosti)

Teplota chromatickosti (alebo teplota farby svetla) je parameter, ktorý vyjadruje, akú farbu svetla vyžaruje konkrétny svetelný zdroj. Tento parameter sa udáva v Kelvinoch (K), čo je jednotka merania teploty. Rôzne teploty chromatickosti vyjadrujú rôzne odtiene svetla, ktoré môžeme vnímať – od teplých žltých tónov po studené modré odtiene.

Na rozdiel od bežnej teploty, ktorá je definovaná v stupňoch Celzia alebo Fahrenheita, Kelvinova stupnica začína od absolútnej nuly, teda teploty, pri ktorej sa pohyb molekúl úplne zastaví. Teplota chromatickosti teda nevyjadruje skutočnú teplotu svetelného zdroja, ale teplotu „farebnej“ zložky jeho svetla.

Vlákno bežnej wolfrámovej žiarovky dosahovalo teplotu okolo 2400°C až 2700°C, čo zodpovedá 2700 K až 3000 K. Čím nižšia bola teplota vlákna, tým svetlo žiarovky malo teplú žlto-oranžovú farbu, a naopak, čím vyššia bola teplota vlákna, tým svetlo svietilo studenejšie, do modra.

Pri LED žiarovkách je situácia trochu iná. LED čipy môžu dosahovať teploty farby až 6500 K, no to neznamená, že sa ohrievajú na túto teplotu. Teplota farby LED čipu je len ekvivalentom teploty vlákna bežnej žiarovky, ktorá by dosiahla túto teplotu. Napríklad LED žiarovka s teplotou farby 2700 K svieti ako klasická wolfrámová žiarovka pri teplote 2700 K, zatiaľ čo LED žiarovka s teplotou farby 4000 K svieti akoby svetila žiarovka pri teplote vlákna 3726°C (čo je teplota 4000 K). Tu je vhodné si povšimnúť, prečo bežné vláknové žiarovky neboli schopné svetiť "chladnejším" svetlom. 4000K totiž zodpovedá teplote 3726°C, ale teplota tavena wolfrámu je okolo 3400°C, teda takmer o 300 stupňov nižšia.

Rozdiel medzi LED žiarovkou a vláknovou žiarovkou je v tom, že LED žiarovky nie sú tak horúce, pretože svetelný tok je dosahovaný iným spôsobom, a nie prostredníctvom ohrevu vlákna.

1. Teplé svetlo - Warm White - WW (2700 K - 3000 K) – Tento rozsah je charakteristický pre svetlo, ktoré vyžarujú klasické vláknové žiarovky. Teplé svetlo vytvára príjemnú, útulnú atmosféru a je vhodné najmä pre obývacie izby, spálne alebo reštaurácie.

2. Neutrálne svetlo - Neutral White - NW (3500 K - 4100 K) – Svetlo v tomto rozsahu sa vyznačuje vyváženým odtieňom, ktorý nie je ani príliš teplý, ani príliš studený. Často sa používa v kanceláriách, kuchyniach a komerčných priestoroch, kde je požiadavka na prirodzené osvetlenie.

3. Studené svetlo - Cold White - CW (5000 K a viac) – Svetlo v tomto rozsahu je veľmi blízke prirodzenému denného svetlu a má tendenciu byť veľmi biele až modré. Je vhodné na pracoviskách, kde je potrebná vysoká koncentrácia, alebo v priemyselných aplikáciách.

Vplyv teploty chromatickosti na vnímanie farieb: Vyššia teplota chromatickosti (okolo 5000 K a viac) môže zlepšiť vnímanie farieb a kontrast, pretože je podobná prirodzenému denného svetlu. Na druhej strane, teplé svetlo (2700 K - 3000 K) zvyšuje komfort a subjekívne teplo v miestnostiach, avšak nie je také vhodné na detailné práce, kde je potrebná presnosť v farebnom podaní. Napríklad v škandinávskych krajinách, kde je chladnejšie podnebie, ľudia preferujú svietidlá s teplým svetlom, ktoré ich subjektívne zahrieva. Naopak v krajinách s teplým podnebím nie je neobvyklé stretnúť sa so svietidlami s teplotou chromatickosti 6500K až 10000K.

V praxi sa teplota farby svetla vyberá v závislosti od účelu osvetlenia. Pri výbere LED žiaroviek a svietidiel je dôležité vybrať teplotu farby, ktorá bude vyhovovať danému prostrediu, aby sa dosiahla požadovaná atmosféra a funkčnosť. Napríklad, na osvetlenie pracovných plôch je vhodnejšie vybrať svetlo so studenou teplotou farby, zatiaľ čo do relaxačných priestorov a domácnosti je vhodnejšie teplé svetlo.

Príklady farebných teplôt rôznych svetelných zdrojov:

• 1200 K - sviečka
• 2800 K - žiarovka, slnko pri východe a západe
• 3000 K - štúdiové osvetlenie
• 4500 K - zvyčajné denné svetlo, žiarivka
• 5200-5500 K - jasné poludňajšie priame slnečné svetlo
• 5500 K - fotografické blesky, zvyčajná farebná teplota používaná v profesionálnej fotografii, teplota na povrchu slnka
• 6000 K - ľahko zamračená obloha

SDCM (Standard Deviation of Color Matching) / MacAdamova elipsa

SDCM (Standard Deviation of Color Matching) je jednotka, ktorá sa používa na vyjadrenie presnosti farby svetla LED alebo iných svetelných zdrojov. Zjednodušene, SDCM opisuje, ako presne je farba svetla zhodná s pôvodnou referenčnou farbou. Čím nižšia hodnota SDCM, tým presnejšie a stabilnejšie je farbové podanie svetla.

MacAdamova elipsa je grafické znázornenie tejto presnosti farby. Ide o diagram, ktorý zobrazuje, ako sa rôzne svetelné zdroje líšia v farebnom podaní. Tento diagram zobrazuje tzv. elipsy, ktoré reprezentujú možné odchýlky farby. V ideálnom prípade je svetelný zdroj schopný vyžiariť svetlo, ktoré sa nachádza v strede týchto elips, čo znamená, že jeho farba je veľmi presná. Väčšie elipsy znamenajú väčšie odchýlky v farebnom podaní. Zaujímavosťou je, že orientácie a veľkostí elíps sa značne odvíjajú od umiestnenia v diagrame vo farebnom priestore. Pozorovaniami na bolo zistené, že väčšie kružnice sú v zelených poliach a menšie v červených a modrých. Ľudské oko je totiž najmenej citlivé na vlnovú dĺžku v rozsahu cca 490 - 570nm, čo zodpovedá zelenej farbe, a najviac vníma rozdiely v modrej a červenej oblasti. Preto sa pri výstražných nápisoch alebo dopravných značkách používa červná farba. Na semaforoch  je červené svetlo (naviac umiestnené hore) pre ľudské oko najlepšie rozoznateľné a viditeľné. V Japonsku sa však miesto zelenej farby na semafore používa modrá farba, čím sa lepšie eliminuje problém s farbosleposťou, ktorá prevažuje pri vnímaní zelenej farby. A viete, prečo majú majáky vozidiel záchranných zložiek červenú a modrú farbu? Červená je totiž najlepšie vidieť počas dňa, či už svieti slnko alebo je hmla, a modrá farba zasa v noci.

MacAdamsova elipsa bola pomenovaná podľa inžiniera David MacAdama, ktorý sa v 40. rokoch 20. storočia zaoberal farebným videním a vyvinul spôsob, ako kvantifikovať toleranciu farebných rozdielov. MacAdamove experimenty sa zakladali na vizuálnom porovnávaní tzv. "just noticeable difference" (JND), teda "skoro neviditeľného rozdielu" medzi dvoma veľmi podobnými svetelnými farbami. Tento rozdiel bol definovaný ako odchýlka v farebnosti, pri ktorej 50 % pozorovateľov dokáže vnímať rozdiel a 50 % ho nevidí.

V praxi to znamená, že pri hodnotách SDCM menších ako 3 sa LED svetlá vnímajú ako veľmi konzistentné, teda aj pri viacerých svetelných zdrojoch v tej istej miestnosti nebude dochádzať k výraznému vnímaniu farebných rozdielov. V prípade hodnoty SDCM nad 5 alebo 6 už môžu byť rozdiely v farbe očividné. Ak chromatické súradnice testovaných LED spadajú do 1 SDCM (čo zodpovedá MacAdamovej elipse prvého stupňa), väčšina ľudí nepostrehne žiadny rozdiel. MacAdamove výskumy preukázali, že veľkosť SDCM elipsy je relatívne malá, čo znamená, že ľudské videnie je veľmi dobré v rozlišovaní farebných rozdielov pri súčasnom pohľade na dva svetelné zdroje.

Väčšina bežne komerčne používaných LED diód je triedená (používa sa aj výbaz BINovaná) na úrovni 4-7 krokov MacAdamsovej elipsy. Pri nich voľným okom dokáže priemerný pozorovateľ rozlíšiť farebné rozdiely jednotlivých LED z takejto sorty.

Kvalitnejšie produkty využívajú LED diódy na úrovni 3 krokov MacAdamsovej elipsy. A úplne najlepšie produkty posúvajú túto hranicu až na 2 kroky MacAdams, čo si však už vyžaduje značné náklady pri výrobe a triedení LED diód, a preto aj konečná cena svietidiel je v inej kategórii ako bežne predávaných LED svietidiel. Len pre ilustráciu, svietidlá s hodnotou MacAdams 2 sa používajú v profesionálnych aplikáciách ako osvetlenie galérií, operačných sál alebo skutočne veľmi dobre vybavených grafických štúdiách, v laboratóriách a podobne, ceny začínajú zvyčajne u vyšších stoviek EUR za jedno svietidlo.

MacAdamove výskumy preukázali, že veľkosť SDCM elipsy je relatívne malá, čo znamená, že ľudské videnie je veľmi dobré v rozlišovaní farebných rozdielov pri súčasnom pohľade na dva svetelné zdroje. Ak vezmeme do úvahy veľkosť SDCM elipsy pri akejkoľvek 3000K farebnej teplote, tak ak rozdiel medzi dvoma LED diódami presiahne 60K, je pravdepodobné, že bude možné pozorovať farebný rozdiel.

CRI (Color Rendering Index) – Index vernosti podania farieb svetla

CRI alebo Index vernosti podania farieb je parametrova hodnota, ktorá vyjadruje, ako verne a prirodzene svetelný zdroj zobrazuje farby v porovnaní s prirodzeným svetlom (denným svetlom, teda svetlom zo slnka). Tento index je veľmi dôležitý pri hodnotení kvality svetelného zdroja, najmä v aplikáciách, kde je kritická presnosť farebného podania, ako sú napríklad galérie, obchody, fotoateliéry, nemocnice či niektoré priemyselné prevádzky.

Hodnota CRI sa pohybuje od 0 do 100, pričom 100 označuje ideálnu vernosť farieb, aké by sme videli pri prirodzenom (dennom) svetle. Čím vyšší je index CRI, tým lepšie svetelný zdroj reprodukuje farby. Ak je CRI nižší, farby môžu vyzerať skreslene alebo menej živé.

CRI sa vypočíta na základe porovnania farieb objektov osvetlených daným svetelným zdrojom s tými istými objektmi osvetlenými prirodzeným svetlom. Na tento účel sa používajú špecifické farebné vzorky, ktoré sú reprezentatívne pre širokú škálu farieb v prírode (napr. červená, zelená, modrá, žltá, atď.).

Podľa tejto hodnoty sa svetelný zdroj hodnotí v nasledovných kategóriách:

• Nízký CRI (pod 80): Obvykle sa používajú v technických a priemyselných aplikáciách, kde vernosť podania farieb nie je taká dôležitá, napríklad pri verejnom osvetlení
• Dobrý CRI 80-89:  Svetelný zdroj poskytuje pomerne verné podanie farieb, ktoré je vhodné pre väčšinu bežných aplikácií, tzn domácnosti, kancelárie, spoločenské priestory, väčšina priemyselných a výrobných závodov
• Vynikajúci CRI 90-100: Svetelný zdroj zobrazuje farby veľmi presne, čo je ideálne pre aplikácie, kde je dôležitá presnosť farieb, ako napríklad v umeleckých, fotografických, kozmetických alebo zdravotníckych priestoroch.

Svetelný zdroj s vysokým CRI (napríklad 90-100) sa používa všade tam, kde je dôležitý realistický vzhľad farieb. V praxi to znamená, že predmety, ktoré osvetľuje svetlo s vysokým CRI, budú vyzerať prirodzene a živé. Napríklad v galériách a obchodoch s oblečením  je požiadavka na vysoký CRI, aby sa zabezpečilo, že farby oblečenia a umenia budú vyzerať autenticky a atraktívne. Vysoké CRI je tiež nutnosťou v zdravotníctve, hlavne na operačných sálach, ošetrovniach, v stomatologických ambulanciach a podobne.

Naopak, svetelné zdroje s nízkym CRI (pod 80) môžu farby skresliť. To znamená, že predmety, ktoré by v prirodzenom svetle vyzerali červené alebo modré, môžu byť pod takýmto svetlom vnímané ako iné odtiene alebo menej živé. Svietidlá s CRI 80 sú vhodné pre použitie v domácnosti, svietidlá s CRI 70 sa používajú na osvetlenie ulíc a verejných priestorov, kde nie je potrebné dosiahnuť vysokú vernosť podania farieb.

Napríklad sodíkové výbojky, ktoré sa ešte stále vo veľkom používajú v lampách verejného osvetlenia našich miest (to sú tie, ktoré svietia výrazne do oranžova) majú CRI 20. Pre zaujímavosť si niekedy v noci všimnite farbu áut zaparkovaných pod takýmito svietidlami...

V minulosti mal CRI často problém s nižšími hodnotami pri LED svetelných zdrojoch, pretože technológia LED nebola schopná reprodukovať všetky farebné spektrá tak verne ako tradičné svetelné zdroje, ako sú žiarovky alebo halogény. Avšak s pokrokom v technológii LED sa hodnoty CRI pre tieto svetlá zlepšili. Moderné kvalitné LED svetelné zdroje môžu dosiahnuť CRI hodnoty 90 a viac, čím ponúkajú vysokú vernosť podania farieb.