LED stanowią bardzo innowacyjne źródło światła i należy spodziewać się coraz szerszego ich zastosowania w technice świetlnej.
Diody elektroluminescencyjne (LED – Light Emitting Diode) należą obecnie do najnowocześniejszych i najszybciej rozwijających się typów źródeł światła. Powstanie LED wytwarzających białe światło umożliwiło zastosowanie ich w oświetleniu. Obecnie LED znalazły szerokie zastosowanie w reklamie świetlnej, sygnalizacji świetlnej, motoryzacji, oświetleniu dekoracyjnym. Pojawiają się nowe konstrukcje LED do zastosowań domowych. Tak zwane lampy LED można już stosować zamiast tradycyjnych żarówek i żarówek halogenowych. Powstają nowe konstrukcje LED, które mogą być również zastosowane w oświetleniu zewnętrznym, np. w oświetleniu drogowym.
Fot. 1. Iluminacja budynku (oprawy wall washer XB RGB, Traxon)
Zastosowanie LED w oświetleniu zewnętrznym ma przed sobą na pewno dużą przyszłość, choć obecnie stosowane rozwiązania techniczne nie są jeszcze tak energooszczędne jak tradycyjne rozwiązania z zastosowaniem lamp sodowych wysokoprężnych lub lamp metalohalogenkowych. Nowe konstrukcje diod elektroluminescencyjnych wytwarzających białe światło mają szanse szerokiego zastosowania w oświetleniu ze względu na wysoką skuteczność świetlną. Obecnie stosowane LED mają skuteczności świetlne 40–50 lm/W, ale pojawiają się wzmianki o nowych konstrukcjach LED, które osiągają skuteczności świetlne znacznie przewyższające 100 lm/W. Światło wytwarzane przez LED charakteryzuje się wysokim ogólnym wskaźnikiem oddawania barw Ra > 80, jeżeli wytwarzane jest na zasadzie przetwarzania światła barwy niebieskiej (lub promieniowania nadfioletowego) na światło barwy białej przez luminofor (podobnie jak w świetlówkach). Białe światło wytwarzane poprzez zmieszanie podstawowych barw światła (tak zwany system RGB) nie ma wysokiego ogólnego wskaźnika oddawania barw, zwykle waha się on w granicach Ra = 40–60. Dodatkowo LED charakteryzują się dużą trwałością (25–100 tys. godzin), brakiem emisji promieniowania UV i IR, dużą odpornością na drgania i wstrząsy. W artykule zostaną przedstawione wybrane typy LED wytwarzające białe światło, które mogą być zastosowane w oświetleniu miejsc pracy, oraz takie typy diod, które mogą być bezpośrednimi energooszczędnymi zamiennikami tradycyjnych żarówek stosowanych powszechnie w oświetleniu gospodarstw domowych. Moc LED nie jest zbyt wysoka, w przypadku pojedynczych diod wynosi ona 0,1–8 W. Diody, których moc jest większa od 0,8 W, można zaliczyć do diod dużej mocy. Bardzo często konstrukcje diod dużej mocy składają się z kilku pojedynczych diod połączonych w panel, w takim przypadku moc panelu może być znacznie większa, np. od 2 W do ok. 80 W.
Rys. 1. Zjawisko absorpcji i odbicia wewnętrznego w złączu p-n
Konstrukcja LED rozwija się bardzo dynamicznie, dlatego w krótkim artykule nie można przedstawić wszystkich obecnie stosowanych rozwiązań. Przedstawione zostaną te najbardziej typowe rozwiązania, które stosowane są już w oświetleniu.
Rys. 2. Przykłady soczewek Rys. 3. Przykład diody, w której zastosowano reflektor
Ogólna zasada działania LED
Projektując diody elektroluminescencyjne, dąży się przede wszystkim do uzyskania możliwie dużej skuteczności świetlnej. Sprawność emisji promieniowania (pośrednio skuteczności świetlnej) ograniczona jest głównie przez zjawisko absorpcji promieniowania w półprzewodniku i występowanie odbicia wewnętrznego promieni na granicy półprzewodnik–powietrze. Na rys. 1 pokazane jest w sposób poglądowy zjawisko absorpcji i odbicia wewnętrznego w złączu p-n.
W obszarze typu p promieniowanie jest silniej absorbowane przez półprzewodnik niż w obszarze typu n. Promieniowanie będzie ulegało całkowitemu odbiciu wewnętrznemu, jeżeli kąt, pod jakim pada na granicę półprzewodnik–powietrze, jest większy od kąta granicznego Øc. Ponieważ materiały półprzewodnikowe charakteryzują się dużymi współczynnikami załamania światła, kąty graniczne Øc są małe. W celu ograniczenia liczby wewnętrznych odbić światła w półprzewodniku (aby tym samym zwiększyć skuteczność świetlną diody) zwiększa się wartość kąta granicznego, np. przez stosowanie soczewek z tworzywa sztucznego lub materiału półprzewodnika. Przykładowa konstrukcja soczewek pokazana jest na rys. 2.
Kulista soczewka wykonana z półprzewodnika powoduje, że promieniowanie generowane w obszarze złącza pada na granicę półprzewodnik–powietrze zawsze pod kątem mniejszym niż kąt graniczny i nie ulega całkowitemu odbiciu wewnętrznemu. Soczewka tego typu nie ma zdolności skupiających, a dioda emituje promieniowanie w półpełnym kącie bryłowym. Soczewka z tworzywa sztucznego ma większy współczynnik załamania światła niż powietrze, w związku z tym zwiększa się kąt graniczny całkowitego odbicia wewnętrznego w półprzewodniku. Tworzywo ukształtowane w soczewkę sprawia, że promieniowanie pada na granicę tworzywo–powietrze zawsze pod kątem mniejszym od kąta granicznego. Soczewka powoduje jednocześnie skupienie wiązki światła. Kształt diody elektroluminescencyjnej ma bardzo duży wpływ na jej własności użytkowe. W niektórych konstrukcjach diod stosuje się reflektory odbijające światło, dzięki czemu znacznie wzrasta ich skuteczność świetlna. Zwykle światło, które kierowane jest w dolną część diody, jest tracone. Umieszczenie reflektora na dole diody powoduje jego odbicie i skierowanie w stronę okna wyjściowego (rys. 3).
Diody elektroluminescencyjne pracują przy gęstościach prądu w zakresie 1–10 A/cm2, przy mocach 2–20 W. Taka gęstość prądu powoduje znaczące zwiększenie temperatury diody. Zwiększenie temperatury diody powoduje znaczne zmniejszenie jej trwałości i skuteczności świetlnej. Dobre odprowadzanie ciepła ma duży wpływ na prawidłowe działanie LED. Za dobre odprowadzenie ciepła odpowiedzialne są m.in. jakość kontaktów elektrycznych i jakość stosowanych radiatorów. Dioda elektroluminescencyjna ma dwa kontakty elektryczne. Są one tak wykonywane, aby nie zwiększały rezystancji szeregowej diody i nie utrudniały emisji światła ze złącza. Te dwa wymagania – mała rezystancja i małe pochłanianie światła – są ze sobą sprzeczne i wymagają projektów optymalizacyjnych. Jedna z popularniejszych konstrukcji kontaktów jest taka, że jeden kontakt wykonany jest na półprzewodniku typu n i pokrywa całą powierzchnię struktury. Ten kontakt montuje się na radiatorze. Drugi kontakt wykonany jest na półprzewodniku typu p i pokrywa jak najmniejszą część struktury. Kontakt ten ma różne kształty, np. paska umieszczonego na krawędzi struktury lub przechodzącego przez środek, kilku pasków pokrywających strukturę lub inny kształt tak dobrany, aby pokrywał jak najmniejszą część struktury (zapewnienie dużej przepuszczalności światła) i odprowadzał jak największą ilość ciepła.
Rys. 4. Przykład oznaczenia punktu Tc na diodzie Rys. 5. Przykład wpływu temperatury w punkcie Tc na trwałość LED
Sposoby wytwarzania białego światła
Są dwa sposoby wytwarzania światła białego przez LED. Pierwszy sposób polega na mieszaniu podstawowych barw światła, tzw. system RGB. Światło z czerwonych, zielonych i niebieskich diod dodaje się tak, by uzyskać białą barwę światła. Główny problem w tej metodzie polega na tym, że trudno jest wydajnie mieszać barwy i uzyskiwać jednorodne odcienie. Dodatkowo białe światło wytworzone w ten sposób charakteryzuje się stosunkowo małymi wartościami ogólnego wskaźnika barw. Drugi sposób polega na wykorzystaniu promieniowania nadfioletowego wytwarzanego przez diodę do wzbudzenia luminoforu. Taki proces, podobny do tego, jaki wykorzystuje się w świetlówkach, jest prostszy niż mieszanie barw z trzech różnych LED, ale jednocześnie mniej wydajny, bo tracimy energię, gdy promieniowanie nadfioletowe o dużej energii jest przetwarzane na światło. Co więcej, pewna część światła jest tracona na rozpraszanie i absorpcję w luminoforze. Diody wytwarzające białe światło w pierwszy sposób (RGB) mają większą skuteczność świetlną niż diody wytwarzające białe światło w drugi sposób (luminofor), lecz drugi sposób wytwarzania białego światła zapewnia większą wartość ogólnego wskaźnika oddawania barw. Obie metody wytwarzania białego światła są stosowane i przydatne w różnych zastosowaniach.
Fot. 2. GOLDEN DRAGON® Fot. 3. PLATINUM DRAGON®
Fot. 4. Diody OSTAR®
Trwałość LED
Jedną z niewątpliwych zalet LED jest długa trwałość, która w niektórych rozwiązaniach technicznych osiąga 100 tys. godzin. Trwałość LED zależy w bardzo dużym stopniu od temperatury pracy. Użytkownicy i konstruktorzy modułów i opraw LED bardzo często nie doceniają wpływu temperatury na zmniejszenie trwałości LED. Zwykle producenci pojedynczych LED lub modułów LED wskazują miejsce, w którym należy dokonać pomiaru temperatury. Punkt ten zwykle oznacza się jako Tc (rys. 4). Trwałość eksploatowanej diody będzie równa trwałości deklarowanej przez producenta, jeżeli temperatura w punkcie Tc będzie zawierać się w dopuszczalnych granicach.
Na wykresie (rys. 5, str. 61) pokazany jest wpływ temperatury mierzonej w punkcie Tc na trwałość LED. Wynika z niego, że wpływ temperatury jest inny dla różnych typów LED. W wielu przypadkach zwiększenie dopuszczalnej temperatury ma bardzo duży wpływ na zmniejszenie trwałości diod elektroluminescencyjnych.
Fot. 5. Diody COINlight-OSTAR®
Fot. 6. Kształt modułu DRAGONtape® i soczewek
Przegląd wybranych typów LED
Rozwój konstrukcji diod jest bardzo dynamiczny, wybrane konstrukcje diod są nowymi rozwiązaniami technicznymi stosowanymi jako: pojedyncze diody, diody stosowane w modułach LED lub jako lampy LED, które mogą być stosowane bezpośrednio jako energooszczędne zamienniki tradycyjnych żarówek.
Fot. 7. BACKlight BL02 i BACKlight BL04
Pojedyncze LED
Moce tego typu diod (fot. 2) wahają się w granicach 1,2–2,3 W. Oferowane są w różnych barwach światła: żółtej, bursztynowej, czerwonej, niebieskiej, zielonej i białej. Diody tego typu stosowane są często w dużej liczbie w modułach diodowych.
W modułach diodowych zawierających po kilka pojedynczych diod stosowane są diody o większej mocy (3,4–4,6 W) – fot. 3. Wytwarzają światło w barwach: bursztynowej, czerwonej, żółtej, niebieskiej i zielonej.
Fot. 8. Przykłady zastosowania modułów typu BACKlight w reklamie
Moduły LED
Jako moduł LED (fot. 4–7) rozumiane jest połączenie kilku lub kilkudziesięciu pojedynczych LED stanowiących jedno autonomiczne źródło światła. Takie połączenie pojedynczych LED daje możliwość zwiększenia mocy jednego źródła światła, a tym samym uzyskanie źródła LED o większej mocy, które zapewnia wytworzenie wysokiego strumienia świetlnego. W tym przypadku zapewnienie odpowiednio dobrego odprowadzenia ciepła jest niezwykle ważne ze względu na uzyskanie odpowiednio długiej trwałości. Na przykład diody serii OSTAR® to diody o wysokich mocach (8–12 W). Diody tego typu umieszczone są na radiatorze. Wytwarzają światło białej barwy.
Z kolei diody COINlight-OSTAR® przypominają swoim kształtem żarówki halogenowe. Diody tego typu zasilane są prądem stałym o napięciu 24 V. Wytwarzają światło białej barwy.
Fot. 9. PARATHOM® Fot. 10. PARATHOM® , diody zamienniki żarówek reflektorowych
Moduł diodowy DRAGONtape składa się z sześciu diod dużej mocy Golden DRAGON® umieszczonych na elastycznej taśmie samoprzylepnej. Moc całego modułu wynosi 7,2 W (4,8 W barwa czerwona i żółta). Podstawowe wymiary modułu wynoszą 150 mm x 25 mm x 2 mm (dł. x szer. x wys.). DRAGONtape® może być opcjonalnie wyposażony w soczewki, które skupiają wiązkę światła do kąta 10 stopni i 30 stopni lub umożliwiają uzyskanie asymetrycznej wiązki światła.
Rodzina modułów BACKlight BL02 i BACKlight BL04 stosowana jest w reklamach świetlnych i napisach wykonanych na bazie tzw. liter kanałowych. Moduły typu BACKlight wykonane są w postaci łańcucha składającego się z małych paneli diodowych zawierających dwie diody (BACKlight BL02) lub cztery diody (BACKlight BL04). Panele BACKlight BL02 oferowane są w różnych barwach światła: biała, czerwona, pomarańczowa, żółta, zielona i niebieska. Panele BACKlight BL04 oferowane są w białej barwie światła.
Fot. 11. Oprawa typu NANO LINER XB i jej przykładowe zastosowanie [2]
Zamienniki tradycyjnych żarówek i żarówek halogenowych
Diody elektroluminescencyjne mają na tyle dużą skuteczność świetlną, że mogą stanowić energooszczędne zamienniki tradycyjnych żarówek i żarówek halogenowych. Dodatkową zaletą jest ich bardzo wysoka trwałość, która w tego typu rozwiązaniach LED osiąga 25 tys. godzin. Na fot. 9 pokazane są przykłady LED PARATHOM, które są bezpośrednimi zamiennikami tradycyjnych żarówek. Diody te mają moce 2 i 4 W, średnią trwałość 25 tys. godzin. Mogą być zamiennikami tradycyjnych żarówek o mocy 15 W i 25 W.
Diody mogą zastąpić również żarówki reflektorowe (fot. 10), mogą również być bezpośrednimi zamiennikami żarówek halogenowych reflektorowych, wyposażone są w trzonki E14, E27 i GU10. Mają moce 2 W, 5 W i 6 W. Dioda PARATHOM R50 o mocy 6 W może zastąpić żarówkę reflektorową R50 o mocy 25.
W tabelach 1 i 2 przedstawione jest porównanie zamienników LED z odpowiednimi tradycyjnymi żarówkami.
Tab. 1. LED jako zamienniki żarówek klasycznych
Tab. 2. LED jako zamienniki żarówek klasycznych reflektorowych
Wnioski
Diody elektroluminescencyjne są coraz częściej stosowane w oświetleniu wewnętrznym i zewnętrznym. Diody wytwarzające światło barwy białej, którego ogólny wskaźnik oddawania barw Ra jest wyższy od 80, a skuteczność sięga 100 lm/W, mogą być stosowane w oświetleniu niewielkich powierzchni. Diody takie jak OSTAR mogą zastępować żarówki halogenowe, ponieważ mają większą skuteczność świetlną niż żarówki halogenowe (dla żarówek halogenowych maksymalna skuteczność świetlna wynosi 26 lm/W), mają dłuższą trwałość od żarówek halogenowych. Dla diod wytwarzających białe światło trwałość dochodzi do 30 tys. godzin (żarówki halogenowe do 5 tys.). Takie zalety diod, jak wysoka skuteczność świetlna i trwałość, zapewniają energooszczędne i tanie w eksploatacji oświetlenie. Brak promieniowania UV i IR zapewnia duże bezpieczeństwo eksploatacji. Duża odporność na wibracje i wstrząsy zapewnia niezawodność działania. Możliwość łatwej regulacji strumienia świetlnego daje dodatkowy komfort w eksploatacji. Diody wytwarzające białe światło na zasadzie mieszania barw podstawowych (system RGB) można stosować w oświetleniu dekoracyjnym. System RGB, w którym każda z trzech diod sterowana jest oddzielnie, daje szerokie możliwości uzyskiwania różnych barw światła i ich płynną zmianę. Diody wytwarzające barwne światło są stosowane w motoryzacji, sygnalizacji świetlnej i reklamie świetlnej. Lampy LED z powodzeniem mogą stanowić energooszczędną alternatywę dla tradycyjnych żarówek i żarówek halogenowych. Oprawy LED są alternatywą do tradycyjnych opraw oświetleniowych głównie w obszarze oświetlenia miejscowego, akcentującego i iluminacji obiektów.
Pojawiają się oprawy LED do oświetlenia ulicznego. Do głównych zalet stosowania opraw LED w tych obszarach można zaliczyć: dużą niezawodność dzięki długiej trwałości stosowanych diod elektroluminescencyjnych, mniejsze wymiary dzięki innej konstrukcji układu optycznego, możliwość zastosowania w miejscach narażonych na drgania i wibracje. Oprawy LED RGB mają prostszą konstrukcję niż oprawy tradycyjne realizujące system RGB. W najbliższej przyszłości należy się spodziewać diod o coraz wyższej skuteczności świetlnej i większej mocy. W przypadku opraw LED należy się spodziewać nowych rozwiązań konstrukcyjnych do zastosowania w oświetleniu ulicznym i oświetleniu ogólnym wnętrz.
Bibliografia
1. Katalog firmy OSRAM – Katalog produktów 2009.
2. Katalog techniczny firmy TRAXON.
dr inż. Andrzej Wiśniewski
Politechnika Warszawska
Instytut Elektroenergetyki
Skomentuj ten artykuł na forum
