plik

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 11/2009 229

Małgorzata GÓRCZEWSKA

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Techniki Świetlnej i Elektrotermii

Zastosowanie diod LED w oświetleniu zewnętrznym

Streszczenie. Przedstawiono wyniki pomiarów i obliczeń parametrów charakteryzujących lampy i oprawy z diodami LED. Ten rodzaj źródeł światła
może stanowić efektywne energetycznie rozwiązanie w oświetleniu dróg i ulic. Diody LED emitują białe światło. Jego wpływ na warunki widzenia i na
możliwość obniżenia wymagań oświetleniowych są obecnie przedmiotem badań.

Abstract.

In the paper there are presented some properties of the LED lamp and LED luminaire. LED street lights will be energy efficient solution

to replace conventional High Pressure sodium lamps. LEDs produces white light and visibility conditions with such kind of lighting is currently under
study to assess to what degree lower requirements are warranted. (LEDs in exterior lighting).

Słowa kluczowe: projektowanie oświetlenia, oświetlenie drogowe, źródła światła, oprawy oświetleniowe.
Keywords: lighting design, lamps, road lighting, lamps, luminaires.

Wstęp

Szacuje się, że obecnie, na potrzeby zewnętrznego

oświetlenia publicznego w Polsce, zainstalowanych jest
3.200.000 punktów świetlnych o łącznej mocy ok. 560 MW i
średniej energochłonności na poziomie. 175W/pkt.
Najczęściej stosowanymi źródłami  światła w instalacjach
zewnętrznych są lampy sodowe wysokoprężne, którymi w
ciągu ostatnich 30 lat sukcesywnie zastępowano lampy
rtęciowe. Wprowadzenie opraw z lampami sodowymi,
stanowiącymi obecnie 70% - 75% ogółu stosowanych
opraw, znacząco obniżyło energochłonność  oświetlenia
oraz wpłynęło na poprawę jego jakości. Odpowiednie
oświetlenie dróg, ulic i miejsc publicznych jest nie tylko
istotnym elementem wpływającym na poziom
bezpieczeństwa, ale również decyduje o odczuwanym
komforcie wszystkich użytkowników oświetlenia.
Oświetlenie uliczne, zaprojektowane pod kątem spełnienia
wymagań normatywnych, koniecznych dla zapewnienia
bezpieczeństwa ruchu, jest niewystarczające dla stworzenia
klimatu i odpowiedniego wyeksponowania otoczenia –
zieleni, obiektów małej architektury, budynków. Stąd
potrzeba stosowania indywidualnie zaprojektowanych
systemów oświetleniowych, które stają się ważnym
elementem tworzenia atrakcyjnego wyglądu przestrzeni
miejskiej w porze nocnej. Rozwój nowoczesnych technologii
produkcji  źródeł  światła i opraw oświetleniowych stwarza
nowe możliwości kreowania otoczenia świetlnego nie tylko
we wnętrzach, ale również w oświetleniu zewnętrznym.
Nowe  źródła  światła umożliwiają lepsze dostosowanie
ilościowych i jakościowych parametrów oświetleniowych do
określonych potrzeb – innych dla dróg szybkiego ruchu,
innych dla staromiejskich uliczek, deptaków, rynków czy
parków.
  W  oświetleniu dróg szybkiego ruchu najczęściej
wykorzystywane są oprawy z lampami sodowymi. Lampy te
charakteryzują się bardzo wysoką skutecznością  świetlną,
trwałością i stabilnością strumienia świetlnego w czasie
eksploatacji, co jest szczególnie ważne dla zapewnienia
wysokich poziomów luminancji drogi. Mankamentem lamp
sodowych w oświetleniu ulic w centrach miast, skwerów,
zieleni itp. jest niski wskaźnik oddawania barw i żółta barwa
światła. Tych mankamentów pozbawione są lampy
metalohalogenkowe, szczególnie te o ciepło-białym świetle i
dobrym oddawaniu barw. Ich zastosowanie kreuje w
otoczeniu przyjazną atmosferę, kosztem jednak
pogorszenia skuteczności świetlnej i znaczącego obniżenia
trwałości.
    W porównaniu z zaletami i wadami lamp stosowanych
dotychczas, nowe źródła  światła – lampy LED, mogą
stanowić przyszłościowe rozwiązanie.  Źródła  światła

stosowane w oświetleniu zewnętrznym powinny
charakteryzować się wysoką efektywnością energetyczną,
trwałością i stabilnością parametrów w całym okresie
eksploatacji oraz odpowiednią jakością, związaną z barwą
światła. Wszystko wskazuje na to, że właśnie diody LED
spełnią w niedalekiej przyszłości te wymagania.

Parametry użytkowe diod LED
Wytwarzające białe światło diody LED o średnicy 5mm,
mają niewielką skuteczność świetlną, porównywalną z
lampami halogenowymi. Dodatkowo, istotnym
mankamentem tych źródeł jest znaczący spadek strumienia
świetlnego w czasie.

Fot.1. Lampy LED – zamienniki lamp halogenowych

Dostępne od 10 lat diody wysokiej mocy charakteryzują
się nie tylko dobrą jakością  światła i coraz wyższą
skutecznością świetlną, sięgającą obecnie 100 lm/W [1], ale
również coraz bardziej stabilnym w czasie strumieniem
świetlnym. W porównywalnym okresie eksploatacyjnym,
diody LED wysokiej mocy charakteryzują się lepszą
stabilnością utrzymania strumienia świetlnego niż lampy
metalohalogenkowe, ale gorszą niż lampy sodowe (rys. 1).
Trwałość i stabilność w czasie parametrów świetlnych jest
bardzo istotnym parametrem eksploatacyjnym lamp
stosowanych w oświetleniu zewnętrznym. W odniesieniu do
dotychczas stosowanych źródeł światła trwałość określa się
podając tzw. się trwałość  średnią 50%, tj. czas po którym
połowa  źródeł wygasa. Dla diod LED ten sposób
wyznaczania trwałości nie ma zastosowania, ponieważ
będą one świecić w bardzo długim czasie, jednak z coraz
mniejszym strumieniem świetlnym. Stąd w odniesieniu do
diod LED, zamiast kryterium wygasania, przyjęto jako
podstawowe kryterium spadku strumienia do określonego
poziomu. Najczęściej jest to 70% początkowej wartości
oznaczone symbolem L

. Podawane obecnie trwałości

230 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 11/2009

diod LED według tego kryterium wynoszą przeważnie 40 –
60 tys. godzin.

Rys.1. Zmiany strumienia świetlnego w czasie [1,2,3] : 1 - lampy
sodowe SON-T plus, 2 – białe LED wysokiej mocy, 3 – lampy MH
CPO-TW, 4 – białe LED 5mm

Cechą, która może przemawiać za stosowaniem diod
LED w oświetleniu zewnętrznym, jest barwa światła (rys.2).

Rys.2. Rozkład widmowy promieniowania białej diody LED

W wielu ośrodkach badawczych prowadzone są

eksperymenty, mające na celu ustalenie wpływu światła
białego na poziom widoczności dla niskich poziomów
oświetlenia. Wskazuje się, że strumień świetlny lamp jest
wyznaczany dla widzenia fotopowego [4]. Reakcja układu
widzenia wywołana przez strumień energetyczny jest
jednak zmienna i zależy od warunków adaptacyjnych, tj. od
poziomu i rozkładu luminancji w polu widzenia.
Przesuwanie się maksimum czułości oka ludzkiego w
kierunku fal krótszych, powoduje lepsze widzenie przy
oświetleniu o większej zawartości promieniowania w
krótkofalowej części widma. Ta zmiana jest uzależniona od
poziomu adaptacji wzroku. Dla poziomu luminancji 3 cd/m

czułość widmowa oka odpowiada widzeniu fotopowemu.
Widzenie skotopowe, pręcikowe, odpowiada poziomowi
luminancji adaptacji 0,001 cd/m

, który na oświetlonych

drogach nie występuje. Dla pośrednich luminancji czułość
oka ulega zmianie i odpowiada widzeniu mezopowemu. W
praktyce można przyjąć,  że dla dróg i ulic o wysokich
wymaganiach oświetleniowych, poziom adaptacji
odpowiada widzeniu fotopowemu. Dla niskich poziomów
luminancji adaptacja wzroku odpowiada widzeniu
mezopowemu.
  Jak wynika z badań opublikowanych przez Lighting
Research Center, przeprowadzonych dla lamp
metalohalogenkowych i sodowych, poprawę widoczności
dla  światła białego można zauważyć przy poziomach
luminancji poniżej 0,6 cd/m

. Przykładowo, obliczony dla

lamp metalohalogenkowych poziom luminancji 0,3 cd/m

należy przemnożyć przez współczynnik 1,4. Przy poziomie
luminancji 0,01 cd/m

ten mnożnik wynosi 2,7 [4].

Również stosowanie diod LED może być korzystne z uwagi
na rozkład widmowy ich promieniowania. Przesunięcie się
maksimum czułości oka w stronę fal krótszych, powoduje
przewartościowanie strumienia świetlnego na korzyść
źródeł światła, które emitują strumień energetyczny w
krótkofalowej części widma. Diody LED charakteryzują się
właśnie takim rozkładem widmowym promieniowania. Nie
oznacza to jednak, że można stosować stały, niezależny od
poziomu oświetlenia, współczynnik przeliczeniowy,
powiększający strumień świetlny diod LED np. w
porównaniu z światłem lamp sodowych. Wyznaczenie
takich współczynników, w konsekwencji prowadzących do
obniżenia wymagań

oświetleniowych dla instalacji

wykorzystujących diody LED, jest przedmiotem badań.
Należy oczekiwać, że rezultaty tych badań będą miały
istotne znaczenie dla doboru odpowiednich parametrów
fotometrycznych głównie dla dróg i miejsc publicznych o
niskich wymaganiach oświetleniowych, szczególnie dla
ciemnego otoczenia.

Diody LED w oświetleniu drogowym
Istotnym czynnikiem, wpływającym na parametry
fotometryczne i trwałość diod LED są warunki termiczne, w
jakich pracują. Diody LED nie emitują ani promieniowania
ultrafioletowego ani promieniowania podczerwonego, co
oznacza konieczność odprowadzenia znacznych ilości
ciepła „do tyłu” diody. Lampy lub oprawy diodowe
dostarczane są przez producentów jako całość, ponieważ
obudowa pełni rolę radiatora.
W oprawach oświetlenia drogowego stosowane są
najczęściej diody LED o mocy 1W. Dla ukształtowania
odpowiedniego rozsyłu strumienia świetlnego montowane
są zestawy diod z soczewkami lub z indywidualnymi
odbłyśnikami (fot. 2).

Fot.2. Diody LED w oprawach oświetlenia drogowego: z
soczewkami i z odbłyśnikami

Lampy

diodowe,

stanowiące bezpośrednie zamienniki

dotychczas stosowanych lamp (fot.3) lub kompletne
oprawy (fot.4) do wykorzystania w oświetleniu drogowym są
dostępne również w Polsce.

Fot.3. Lampa 28 LED do opraw oświetlenia drogowego

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Długość fali [nm]

450 500 550 600 650

1,2

700

400

lę

a m

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Długość fali [nm]

450 500 550 600 650

1,2

700

400

lę

a m

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 11/2009 231

Fot.4. Oprawa uliczna - 120 LED

Rodzaj i skuteczność zastosowanego sposobu
termicznej stabilizacji warunków pracy diod LED wpływa na
ostatecznie ustabilizowany strumień świetlny oprawy.
Na rysunku 3 przedstawiono wyznaczone dla lampy 28LED
i oprawy 120LED zmiany strumienia świetlnego od chwili
włączenia zasilania. Jak wynika z wykresu, parametry
świetlne stabilizują się po okresie ok. 15 - 25 minut. W obu
przypadkach następuje spadek strumienia świetlnego
związany z podniesieniem się temperatury pracy diod.

Rys.3. Względne zmiany strumienia świetlnego od momentu
włączenia zasilania lampy 28 LED i oprawy 120 LED

W informacjach, dotyczących parametrów użytkowych i

eksploatacyjnych opraw z diodami LED wiele danych budzi
wątpliwości. Szczególnie dotyczy to przewidywanych
oszczędności, jakie potencjalnie można uzyskać, stosując
tego typu oprawy.
W celu zbadania praktycznej przydatności opraw z diodami
LED do oświetlenia zewnętrznego, dla lampy 28LED i
oprawy 120LED, wyznaczono podstawowe parametry
użytkowe, tj. strumień świetlny, moc i skuteczność świetlną.
Wyniki tych badań przedstawiono w Tabeli 1.

Tabela 1. Pomierzone parametry elektryczne i fotometryczne
lampy/oprawy z diodami LED

Lampa LED

oprawa LED

Moc Strumień

świetlny

Skuteczność

świetlna

28 LED E40

- lampa

37W

1600 lm

43 lm/W

120 LED

- oprawa

134W

6800 lm

51 lm/W

W przybliżeniu, uzyskane parametry oprawy 120LED
stanowią odpowiednik dla lampy sodowej o mocy 70W lub
lampy metalohalogenkowej CosmoWhite o mocy 60W.
Porównanie skuteczności świetlnej opraw z takimi lampami
przedstawiono na rysunku 4.

Rys.4. Skuteczności świetlne opraw oświetlenia ulicznego

Jak wynika z pomiarów i obliczeń, wartości skuteczności

świetlnej badanych opraw z diodami LED są niższe od
parametrów pozostałych opraw dobrej jakości. Jeśli się
jednak uwzględni wyniki badań [4], to dla ulic o niskich
wymaganiach oświetleniowych – np. ME6, wykres ulega
zmianie (rys. 5).

Rys.5. Skuteczności świetlne opraw oświetlenia ulicznego dla
widzenia mezopowego, przy zastosowaniu mnożnika
odpowiadającego luminancji adaptacji 0,3 cd/m

[3]

Można stwierdzić, że w oświetleniu obszarów o niskich
wymaganiach, pod względem skuteczności świetlnej
oprawy z diodami LED są już konkurencyjne dla opraw z
lampami sodowymi.
W

oświetleniu dróg i ulic bardzo ważne są nie tylko

parametry samych źródeł światła, ale również odpowiednio
ukształtowany rozsył opraw. Na rysunku 6 przedstawiono
wyznaczone krzywe rozsyłu strumienia świetnego dla
badanej lampy 28LED.

Rys.6. Krzywe światłości lampy – oprawy 28LED

C90

C180

C270

232 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 11/2009

Pomierzony, przedstawiony na rysunku 6 rozsył
światłości lampy 28LED, kształtowany przez soczewki, jest
dostosowany do typowego kształtu oświetlanych
powierzchni (fot. 5).

Fot. 5. Plama światła na powierzchni oświetlonej lampą 28LED

Należy zwrócić uwagę na wyraźnie widoczne granice

strefy oświetlanej. Oznacza to konieczność precyzyjnego
doboru geometrii systemu oświetlenia dróg, szczególnie w
odniesieniu do modernizacji oświetlenia, dla których
rozmieszczenie słupów nie może ulec zmianie.
Istotną cechą lamp i opraw z diodami LED jest
możliwość ich stosowania w warunkach zasilania z
instalacji o niższym napięciu od znamionowego. Na rysunku
7 przedstawiono wykres pomierzonych zmian strumienia
świetlnego oprawy 28LED dla obniżonego napięcia
zasilania.

Rys.7. Względne zmiany strumienia świetlnego lampy 28 LED
przy zmianie napięcia zasilania

Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że obniżenie

napięcia zasilającego lampę LED o 30% powoduje
praktycznie nieistotny spadek strumienia świetlnego na
poziomie 2%.

Ta cecha układu zasilającego diody powoduje, że tego

typu oprawy doskonale nadają się do stosowania w
obszarach, w których występują znaczące wahania
napięcia – tj. np. na obszarach wiejskich oraz w strefach
zabudowy staromiejskiej.

Podsumowanie
Opierając się na przedstawionych wynikach badań
można oczekiwać, że w krótkim czasie oprawy z diodami
LED znajdą szerokie zastosowanie w oświetleniu
zewnętrznym. Przesądzi o tym coraz wyższa skuteczność
świetlna, znacząco wyższa trwałość w porównaniu do
pozostałych lamp, łatwość regulacji strumienia świetlnego,
korzystny dla warunków widzenia rozkład widmowy
promieniowania oraz praktyczna niezależność parametrów
pracy od warunków zasilania.

Niezbędne są jednak eksperymentalne badania

dotyczące zarówno psychofizjologii widzenia, jak i cech
eksploatacyjnych systemów oświetleniowych z diodami
LED.

Światło lamp LED, charakteryzujące się znaczną

zawartością promieniowania z krótkofalowej części widma,
może pogorszyć percepcję wzrokową u osób starszych, u
których występują związane z wiekiem zmiany w układzie
optycznym oka, objawiające się również obniżeniem
przepuszczalności światła niebieskiego [5]. Konieczne jest
także zweryfikowanie wymagań dotyczących parametrów
jakościowych i ilościowych oświetlenia zewnętrznego.

Prognozowana trwałość lamp LED, znacząco wyższa

niż dla tradycyjnych źródeł światła, zmienia zasady
eksploatacji instalacji oświetleniowych. Nie ma jednak
obecnie praktycznych doświadczeń, umożliwiających
opracowanie zaleceń, dotyczących harmonogramów
prowadzenia prac konserwacyjnych. Do tej pory w Polsce
zrealizowano niewiele systemów oświetlenia ulicznego z
wykorzystaniem LED. Wydaje się jednak, że te lampy w
krótkim czasie staną się jednym z podstawowych źródeł
światła, nie tylko w oświetleniu dróg i ulic, ale również
wnętrz. Dlatego tak ważna jest praktyczna, eksploatacyjna
weryfikacja parametrów określonych w warunkach
laboratoryjnych.

LITERATURA

[1]

http://www.philipslumileds.com

06.09.09

[2]

http://www.philips.com

05.09.09

[3]

http://www.eere.energy.gov

26.03.09

[4] Roadway Lighting. Lighting Research Center. Strona:

http://www.lrc.rpi.edu/programs. 22.02.2009

[5] S a g a w a K. Vision of the elderly and visual impared - for

accessible design In light and lighting, CIE Proceedings, Pekin
(2007), D1 62-65

Autor: dr inż. Małgorzata Górczewska, Politechnika Poznańska,
Instytut Elektrotechniki i elektroniki Przemysłowej, ul. Piotrowo 3a,
60-965 Poznań, E-mail:

luxel@hot.pl

;