plik

Rok LXXVIII 2010 nr 10

ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY

Mgr inż. Grzegorz Glinko – studia doktoranckie na Politechnice War-

szawskiej

Możliwości zastosowań LED

Grzegorz Glinko

Dioda świecąca, LED (Light Emitting Diode), pojawiła się

w produkcji seryjnej już w latach 60. XX wieku. Dopie-

ro jednak rozwój technologii produkcji diod elektrolumi-

nescencyjnych ostatniego dziesięciolecia umożliwił zasto-

sowanie tego źródła światła w wielu aplikacjach oświetle-

niowych.

Dioda LED może emitować światło w różnych kolorach. Barwa

emitowanego światła zależy od materiału półprzewodnikowego.

Może być to barwa żółta, pomarańczowa, czerwona, niebieska czy

zielona. Ze względu na możliwość mieszania barw podstawowych

(czerwonej, zielonej i niebieskiej) możliwe jest utworzenie prak-

tycznie każdej barwy.

Rozwój technologii LED wprowadził ją w różne aspekty nasze-

go życia. Diody coraz częściej pojawiają się jako źródła światła

w oświetleniu samochodowym, sygnałowym, oświetleniu ak-

centującym, ewakuacyjnym, w reklamach świetlnych, a nawet

w oświetleniu ogólnym i drogowym. Celem niniejszego artykułu

jest przedstawienie części możliwości i ograniczeń związanych

z zastosowaniem źródeł LED.

Parametry i cechy źródła LED

Trwałość diody świecącej producenci określają na kilkadziesiąt

tysięcy godzin. Jest to kilkadziesiąt razy więcej niż w przypadku

klasycznych żarowych źródeł światła. Często są to wartości czysto

teoretyczne, podawane dla idealnych warunków otoczenia i przy za-

pewnieniu optymalnych elektrycznie warunków pracy diody.

W rzeczywistości wiele układów elektronicznych zasilających

diodę nie zapewnia jej optymalnych warunków pracy. Ze względu

na wadliwie wykonany projekt, nieprawidłowe odprowadzanie cie-

pła, czy podzespoły słabej jakości, czas działania diody może ulec

znacznemu skróceniu. Na spadek trwałości lampy LED może rów-

nież wpłynąć niewłaściwie zaprojektowana ochrona układu elektro-

nicznego przed warunkami zewnętrznymi.

Diody świecące cechuje spadek strumienia świetlnego wraz ze

wzrostem temperatury i czasem eksploatacji. Degradację diody

może również powodować prąd przekraczający wartości znamio-

nowe.

Właściwie zaprojektowany układ powinien uwzględnić wszystkie

te czynniki i zapewnić stosunkowo najlepsze warunki pracy diody

w całym okresie jej działania. Dlatego ważny jest wybór produktów

– od znanych i sprawdzonych producentów, którzy spełniają opisane

wcześniej wymagania i zapewnią należytą jakość – zarówno na eta-

pie projektowym, jak również powtarzalność produkcji w produkcji

seryjnej.

Wysokiej jakości układy ze źródłami LED są stabilizowane tem-

peraturowo poprzez odpowiednio zaprojektowany układ odprowa-

dzający ciepło (radiator) oraz dobrej jakości elektronikę, najczęściej

ze stabilizacją prądową pracy diody. Diody sprawiają wciąż wiele

problemów technologicznych. Nie ma możliwości wyprodukowa-

nia wszystkich diod o identycznych parametrach. Niezmiernie waż-

na staje się więc ich właściwa selekcja.

Producenci diod różnicują je ze względu na strumień świetlny,

światłość generowaną w osi optycznej, napięcie przewodzenia,

a w przypadku diod emitujących światło białe – również ze wzglę-

du na chromatyczność. Właściwie przeprowadzona selekcja jest

jednym z kluczowych aspektów pozwalających na wytworzenie

trwałych produktów o zbliżonych parametrach optycznych i kolo-

rymetrycznych. Szanujący się producenci potrafią zapewnić serwis

umożliwiający wymianę danych modułów LED czy diod na takie,

które nie będą się nadmiernie odróżniać pod względem fotometrycz-

nym i kolorymetrycznym od pierwotnie zainstalowanych.

Rozwój technologiczny diod świecących powoduje stałą tenden-

cję wzrostu ich skuteczności świetlnej. W najlepszych rozwiąza-

niach skuteczność świetlna diod przekracza 100 lm/W. Większa

skuteczność świetlna źródła światła pozwala na zmniejszenie mocy

pobieranej na oświetlenie, a tym samym zapewnia redukcję kosztów

eksploatacji i wpływa pozytywnie na ochronę środowiska. Obecnie

na rynku występują już lampy LED, które mogą być bezpośrednim

zamiennikiem tradycyjnych żarówek z trzonkiem E27 i E14.

Rys. 1. Oprawa LEDVANCE

DOWNLIGHT XL (2000 lumenów, moc 34

W, trwałość – 50 tys. godzin) [1]

Rys. 2. Lampa obrysowa G06 LED polskiego producenta stosowana

w oświetleniu samochodów ciężarowych, z nowoczesnym układem

stabilizacji prądowej. Zakres pracy 9–30 V [4]

Rok LXXVIII 2010 nr 10

ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY

Pojawiają się również LED-owe zamienniki świetlówek linio-

wych, żarówek do oświetlenia lodówek, żarówek reflektorowych

itp. Oszczędność energii jest również istotna w aspekcie oświetlenia

pojazdów. Czynnik ten nabrał dodatkowego znaczenia z powodu

konieczności stosowania ciągłego oświetlenia pojazdów samocho-

dowych będących w ruchu.

Diody jako źródło światła coraz częściej są wybierane przez pro-

ducentów samochodów ciężarowych, którzy ze względu na znaczne

wymiary pojazdów i konieczność stosowania wielu lamp sygnało-

wych zmuszeni są do poszukiwania trwałych i energooszczędnych

rozwiązań. Zamiana lamp obrysowych z klasycznych żarówek

na diodowe źródła światła w samochodzie ciężarowym pozwala

zmniejszyć pobór mocy zużywanej na oświetlenie nawet o ponad

80%.

Stały rozwój technologii pozwala rokować nadzieję na dalszy

wzrost skuteczności świetlnej źródeł LED. Teoretycznie skuteczno-

ści świetlne diod mogą dojść nawet do 200 lm/W.

Projektowanie układów optycznych – szanse i zagrożenia

Wprowadzenie układów LED ma znaczny wpływ na zmia-

nę sposobu projektowania układów optycznych i stawia wyżej

poprzeczkę programom wspomagającym projektowanie opraw

oświetleniowych.

Nieznaczne rozmiary diod świecących stwarzają szansę na kon-

struowanie opraw oświetleniowych o mniejszych gabarytach, za-

pewniają lepszą kontrolę emitowanego światła, pozwalają na sto-

sowanie rozwiązań w aplikacjach, które do tej pory były nie do

zrealizowania.

Dobra kontrola światła umożliwia obejście części wymagań

oświetleniowych, które regulują zapewnienie właściwych parame-

trów oświetleniowych. Takie potencjalne zagrożenia uwydatniają

się szczególnie w przypadku możliwości obejścia przepisów doty-

czących homologacji lamp sygnałowych czy lamp oświetlenia dro-

gowego. Może się niebawem okazać, że ze względu na możliwości

precyzyjnego sterowania rozsyłem światła, niektóre wymagania fo-

tometryczne będą musiały ulec zmianie.

Problemy mogą mieć producenci programów wspomagających

projektowanie układów optycznych. Dokładność wyników symula-

cji bazujących na układach LED wymaga wykonania dokładnego

modelu źródła światła. Elementy optyczne, takie jak np. dodatkowa

soczewka, często umieszczane są bardzo blisko źródła LED. Oznacza

to, że model nie tylko musi zapewnić właściwą dystrybucję światła

w przypadku zachowania granicznej odległości fotometrowania, ale

równocześnie powinien zapewnić właściwy rozsył światła w odle-

Rys. 4. Oświetlenie Muzeum Palazzo Grassi – Wenecja, Włochy wg projektu

Piotra Uklanskiego, realizacja za pomocą tablic LED-owych 1PLX Board [6]

Rys. 3. Model diody świecącej (Seoul Semiconductor P4) z rozdzielonym

modelem chipu i otaczającego go układu optycznego, zastosowany

w programie Photopia [3]

głości znacznie mniejszej od tej granicy. Zbieżność wyników symu-

lacji komputerowych z rzeczywistym rozsyłem światła zależy więc

w znacznym stopniu od sposobu zamodelowania źródła LED.

Obecnie najbardziej dokładne wyniki można uzyskiwać z uży-

ciem programów, w których rozdziela się model diody na chip

i bezpośrednio otaczający go układ optyczny. Rozsył światła przez

diodę bazuje w tym wypadku na danych o luminancji chipu, które

są wykorzystywane do wygenerowania promieni świetlnych, a te

następnie – oddziałując z otaczającym chip układem optycznym,

takim jak odbłyśnik czy soczewka, tworzą końcowy rezultat rozsyłu

światła [2].

Możliwości i ograniczenia w zastosowaniu LED

Nieznaczne wymiary diody świecącej pozwalają projektantom

na dobrą sterowalność układu optycznego i wdrażanie ciekawych

rozwiązań konstrukcyjnych. Wyjątkowa odporność mechaniczna,

odporność na wibracje i wstrząsy (brak żarnika i szklanej bańki, któ-

re mogłyby ulec zniszczeniu) to dodatkowe zalety, które wspierają

zastosowanie diod wszędzie tam, gdzie trwałość i wytrzymałość ma

kluczowe znaczenie.

Diody świecące, w odróżnieniu od stosunkowo wolno rozpalają-

cego się żarnika, osiągają niemal natychmiast pełen strumień świet-

lny. Ta cecha nabiera szczególnego znaczenia w przypadku świateł

hamowania, gdzie nawet ułamki sekund mogą decydować o życiu

lub śmierci uczestników ruchu. Ponieważ czas reakcji diody LED

na jej włączenie i wyłączenie jest ponad milion razy krótszy niż

w żarowych źródłach światła, naciśnięcie hamulca jest natychmiast

zauważalne i pozwala przyśpieszyć reakcję kierowcy znajdującego

się za hamującym pojazdem.

Rys. 5. Pachinko ZAP Ofuna Hall – Kanagawa – popularne centrum karaoke

i hazardu w Japonii ma oświetlenie zrealizowane za pomocą tablic

LED-owych, sterowanie poprzez mikroserwy [5]

Rok LXXVIII 2010 nr 10

ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY

Diody w połączeniu z elektronicznymi układami sterowania dają

możliwość tworzenia różnych barw światła. Łączenia ze sobą diod

w grupy, budowanie modułów i paneli LED-owych czy tworzenie

łańcuchów i matryc LED-owych pozwalają na kreowanie niewyob-

rażalnych dotąd scen świetnych, efektów i animacji wizualnych.

Wykorzystanie diod w nowych formach i układach konstrukcyj-

nych wprowadza dodatkowy wymiar projektowania. To już nie tyl-

ko skupianie się na realizacji podstawowych wymagań oświetlenio-

wych, takich jak natężenie oświetlenia, równomierność czy rozkład

luminancji. Nowoczesne rozwiązanie oparte na diodach pozwalają

na tworzenie złożonych projektów integrujących zachowanie czło-

wieka z oświetleniem. Ograniczeniem w zasadzie staje się tylko wy-

obraźnia projektanta i cena samego rozwiązania.

Zaletą diod jest brak w ich widmie szkodliwego promieniowania

UV i IR. Źródła LED, w odróżnieniu np. od świetlówek, nie tracą

strumienia świetlnego w niskich temperaturach. Biorąc jeszcze pod

uwagę ich wyjątkową trwałość, wyższą od lamp wyładowczych,

diody świecące stanowią ciekawą propozycję w oświetleniu ze-

wnętrznym i iluminacji.

Projekty iluminacyjne oparte na źródłach LED należą wciąż do

rozwiązań dość elitarnych, lampy diodowe są kilka, a nawet kilka-

dziesiąt razy droższe niż lampy z żarowymi źródłami światła. Wy-

nika to z zastosowania nowych technologii produkcji, konieczności

stosowania układów elektronicznych, odpowiedniego zabezpiecze-

nia źródeł światła przed środowiskiem zewnętrznym, zapewnienia

właściwej temperatury pracy itp.

Dla diod elektroluminescencyjnych, szczególnie tych emitujących

światło białe, dochodzi jeszcze jeden aspekt związany z trudnościa-

mi w wyselekcjonowaniu diod, które realizowałyby właściwie kry-

teria kolorymetryczne. Ma to szczególne znaczenie w oświetleniu

samochodowym.

W zintegrowanych układach, takich jak np. lampy sygnałowe czy

moduły LED, w przypadku awarii jednej diody LED najczęściej nie

można jej wymienić. W tym wypadku konieczna jest wymiana całej

lampy czy całego modułu. Powstają więc kolejne problemy z doborem

właściwej barwy światła, kosztami wymiany itp. W tym aspekcie jesz-

cze bardziej istotny jest wybór odpowiedniego producenta lamp LED.

Niewłaściwie zaprojektowana lampa, źle dobrane elementy elek-

troniczne, zbyt wysoka temperatura czy zastosowanie do produkcji

lamp diod świecących o niskiej jakości może znacznie skrócić trwa-

łość układu.

Podsumowanie

Źródła LED mają obiecujące perspektywy rozwoju. W obecnej

chwili ich skuteczności świetlne mogą być porównywalne ze sku-

tecznościami świetlnymi wyładowczych źródeł światła. Dynami-

ka wzrostu wydajności świetlnej jest jednak znacznie wyższa niż

w przypadku innych elektrycznych źródeł światła.

Szerokość zastosowań aplikacyjnych jest na tyle duża, że pozwa-

la na osiąganie celów, które do tej pory były wyjątkowo trudne do

realizacji bądź wręcz niewykonalne. Ciągła poprawa parametrów

świetlnych diod zbliża nas do granicy, od której źródła LED zaczną

być traktowane jako rzeczywista, powszechna alternatywa dla wy-

ładowczych źródeł światła.

Barierę wciąż stanowi cena i stopień skomplikowania rozwiązań.

W dużej części projektów praca projektantów oświetlenia wymaga

od nich nowego spojrzenia na sposoby realizacji założeń czy wyma-

gań oświetleniowych. Projektowanie oświetlenia przy wykorzysta-

niu LED może być z tego względu trudniejsze.

Niezależnie od wszystkich wymienionych w artykule ograniczeń

i trudności, przekroczenie tej bariery wydaje się być już tylko kwe-

stią czasu.

LITERATURA

[1] Osram LEDVANCE™ Downlight XL 03 2010, www.osram.com
[2] Jongewaard M., Wilcox K.: LED Source Models.

LED Journal January/February

2009, www.ledjournal.com

[3] LTI Optics, LLC. Photopia Version 3.1 User’s Guide APPENDIX B: Lamp Model-

ing 2009

[4] Katalog produktów – lampy na wysięgniku przednio-tylne, diodowe 2009. GMAK

Sp. z o.o., www.gmak.pl

[5] Traxon Technologies Ltd, Pachinko ZAP Ofuna Hall – Kanagawa, Japan 06 2009,

www.traxontechnologies.com

[6] Traxon Technologies Ltd „Showcase Palazzo Grassi Museum – Venice, Italy, www.

traxontechnologies.com 06 2009

W okresie chińskiego Nowego Roku w parku

Lake Park w Nanjing w Chinach można było

oglądać oryginalnie oświetlone ozdobne kon-

strukcje, wyglądające jak pracowicie wykute

konstrukcje stalowe. Na zdjęciu pokazano

jedną z nich (włoską), oświetloną przy użyciu

560 000 diod świetlnych typu LED. Konstruk-

cja ta była eksponatem międzynarodowego

festiwalu artystycznego rzeźby świetlnej (Inter-

national Light Sculpture Art Festival) zorgani-

zowanego w tym czasie w Chinach. (wb-724)

IEEE Spectrum 2010 nr 4

NOWOROCZNE OZDOBY PARKU CHIŃSKIEGO