Porównanie właściwości aplikacyjnych oświetlenia

żarowego i diodowego LED

mgr inż. WOJCIECH GRZESIAK, mgr TOMASZ MAJ, mgr inż. JERZY POCZĄTEK

Instytut Technologii Elektronowej, Oddział w Krakowie

Oświetlenie realizowane za pomocą diod elektroluminescen-

cyjnych polega na użyciu od pojedynczej lub do całych grup

diod w zależności od wymaganych natężenia światła, kształtu

snopu światła oraz barwy i spektrum. Na taką sytuację silnie

rzutuje okoliczność, że według aktualnego stanu techniki moc

pojedynczej diody LED z reguły nie przekracza 10 W, a wciąż

najpopularniejszymi i stosunkowo najtańszymi są wykonania

o mocy ułamków W, chociaż prowadzone są intensywne

prace nad zwiększeniem mocy jednostkowej diod. Stąd naj-

częściej praktykowane składanie diod w grupy umożliwia

zwiększanie, skupianie, rozpraszanie i formowanie żądanego

strumienia świetlnego. Pewną komplikację stanowi tu oko-

liczność, że światło diod LED nie może być formowane za po-

mocą reflektorów czy odbłyśników, a jedynie za pomocą

soczewek, zwykle tworzących całość z korpusem diody. So-

czewki te są w stanie ogniskować strumień generowany przez

diodę w zakresie od kilku do ponad stu stopni kątowych. Po-

wyższe cechy w znacznym stopniu rzutują na kształt, kon-

strukcję i rozmiary oświetleniowej lampy LED.

Główne zalety oświetlenia diodowego to: wysoka spraw-

ność przetwarzania energii elektrycznej na świetlną, bardzo

długa żywotność i duża niezawodność w porównaniu z lam-

pami wolframowymi. Duża jest łatwość regulacji jasności, co

z kolei ułatwia modelowanie i kompozycję barwy oświetlenia,

począwszy od złożonej białej po czyste oddzielne trzy

składowe, jeżeli dysponuje się diodami o trzech kolorach, tzn.

R, G lub B. Diody LED charakteryzują się poza tym bardzo

małą bezwładnością świetlną, ok. miliona razy mniejszą od

bezwładności lamp wolframowych. Cecha ta umożliwia two-

rzenie całych połaci ekranów świetlnych dla celów telewizyj-

nych, reklamowych lub informacyjnych. Diody LED są odporne

na wstrząsy i wibracje, znikoma jest emisja podczerwieni i ul-

trafioletu, stąd znikome są szanse na zapoczątkowanie ognia.

Wśród wad największą jest konieczność zasilania

wyłącznie stałoprądowego, a nie napięciowego. W związku

z charakterystyką I-U diod zbliżoną do charakterystyki diod

Zenera, wchodzi w rachubę wyłącznie szeregowe ich

połączenie, przy czym źródło prądu winno - o ile to możliwe

dysponować stabilizowaną wartością prądu. Dla porównania

- wszystkie żarówki wolframowe bywają z reguły zasilane

mniej lub bardziej stabilizowanym napięciem i są zasadniczo

łączone równolegle.

Nadal wysokie są ceny rynkowe lamp LED w przeliczeniu

na 1 W pobieranej mocy w porównaniu z żarówkami wolfra-

mowymi. Można się spodziewać, że do 2030 r. ceny te zrów-

nałyby się, gdyby nie doszło do oczekiwanego wcześniejszego

nakazu likwidacji źródeł żarowych ze względu na nieuniknione

światowe oszczędności energetyczne. Wprowadzenie takiego

nakazu jest wysoce prawdopodobne w świetle już teraz for-

mułowanych wytycznych ze strony UE. Ponadto z uwagi na

generalną przewagę pozytywnych cech lamp LED już obec-

nie można mieć pewność co do szerokiego przyszłościowego

ich rozpowszechnienia.

Zestawienie porównawcze źródeł światła

żarowych i elektroluminescencyjnych

Jak zaznaczono wcześniej, celem niniejszej pracy jest doko-

nanie porównań wad i zalet omawianych głównych źródeł

światła, zarówno w wykonaniach aktualnych jak i przyszłoś-

ciowych. W tab. przedstawiono pewne interesujące dane po-

równawcze, charakterystyczne dla obu grup źródeł i nie tylko.

tana także w miejscach gdzie istniejąca dotychczas infra-

struktura komunikacyjna została zniszczona przez wystąpie-

nie klęski żywiołowej. Rozmieszczenie zasilanych bateryjnie

sensorów umożliwiłoby budowę tymczasowej sieci, pozwa-

lającej na komunikowanie się pomiędzy członkami zespołu,

przeprowadzającego akcję ratunkową.

Podsumowanie

W publikacji przedstawiony został unikatowy system automa-

tycznego pozycjonowania obiektów. Zainplementowano w nim

dwie metody pozycjonowania: lokalizacja przy użyciu RSSI

(dokładność określenia pozycji 3 metry) oraz lokalizacja za

pomocą ultradźwięków (uzyskana dokładność zostaje znacz-

nie zwiększona i stanowi rząd kilkunastu centymetrów).

Urządzenia, działając niezależnie od siebie i jednocześnie się

uzupełniając, tworzą w pełni skalowalną sieć ad-hoc. Uszko-

dzenie dowolnego węzła nie powoduje problemów w pracy

systemu, gdyż dzięki zaimplementowanym algorytmom, jak

i symetrycznej budowie każdego z nich jego funkcje przejmuje

dowolne urządzenie sąsiadujące. Rozwiązania sprzętowe

i programowe sprawiają także, że urządzenia sprawnie za-

rządzają poborem mocy, co umożliwia nawet kilkutygodniową

pracę systemu bez wymiany, bądź doładowania akumulato-

rów zasilających. Małe wymiary węzłów (29 x 33•10 mm) oraz

modułowa budowa pozwalają na ich zastosowanie w dowol-

nym systemie, lub dodanie układów realizujących dodatkowe

funkcję.

Literatura

[1] PalCom External Report no 35: Deliverable 26 (2.7.1).

[2] Grewel M. S., Weill R. L., Andrews A. P.: Global Positioning Sys-

tems, Integral Nawigation, and Integration. John Willey & Sons,

2001.

[3] Basagni S., Conti M., Giordano S, Stojmenovic I.: Mobile Ad Hoc

Networking. IEEE Press, 2004.

[4] Santi P.:Topology Control in Wireless Ad Hoc and Sensor Ne-

tworks . Joh.n Willey & Sons, 2005.

[5] Ilyas M.: The Handbook Of Ad Hoc Wireless Networks. CRC

Press, 2003.

230

ELEKTRONIKA 11/2008

Technologie/lata

SSL-LED

2002

SSL-LED

2007

SSL-LED

2012

SSL-LED

2020

Systemy

żarowe

Systemy

fluorescencyjne

Parametry

Wydajność świetlna (lm/W)

25

75

150

200

16

85

Trwałość (tys. godz)

20

> 20

> 100

> 100

1

10

Strumień świetlny (lm/lampę)

25

200

1000

1500

1200

3400

Moc pobierana (W/lampę)

1

2.7

6.7

7.5

75

40

Koszt 1 lm ($/klm)

200

20

< 5

< 2

0,4

1,5

Koszt 1 lampy ($/lampę)

5

4

< 5

< 3

0,5

5

Indeks odtwarzania barwy (CRI)

75

80

> 80

> 80

95

75

Obszary zastępowania dotychcza-

sowych źródeł światła

źródła mało-

strumieniowe

źródła

żarowe

źródła fluo-

rescencyjne wszelkie

-

-

Dane aktualne i prognozy rozwoju źródeł światła (za zezwoleniem OIDA)

Oświetlenie typu żarowego jest znane i szeroko stoso-

wane od wielu dziesięcioleci i związane z nim problemy tech-

niczne i technologiczne zostały już całkowicie opanowane.

Żarówki są powszechnie używane, a ich rynkowe ceny są nie-

zwykle niskie. Doprowadzenie do takiego stanu rzeczy i po-

ziomu wiedzy wymagało wieloletnich wysiłków i doświadczeń,

tym bardziej, że oświetleniowe własności źródła są ściśle po-

wiązane z czułością ludzkiego oka. Na rys. 1. przedstawiono

względną spektralną przeciętną czułość oka ludzkiego za po-

mocą dwóch charakterystyk, jednej dla światła dziennego (Vl)

i drugiej dla warunków nocnych (V’λ)[1].

Ograniczenie żywotności lamp żarowych wynika głównie

z wyparowywania wolframu w wysokiej temperaturze eks-

ploatacji. Wynoszą one w przypadku próżni 2500K, a nawet

2700K przy zastosowaniu atmosfery gazów obojętnych. To

wyparowywanie zatem jest powodem dwukrotnego skrócenia

żywotności włókna wolframowego oraz trzykrotnego jej

wydłużenia w przypadku odnośnej zmiany napięcia zasi-

lającego w granicach ±10%.

Część doświadczalna

Do badań dla przykładowych celów porównawczych użyto

trzech źródeł światła. Jednym była popularna rynkowa wersja

wolframowej żarówki 230 V 60 W, a drugim i trzecim lampy

złożone z 9. oraz 3. zgrupowanych diod LED, zmontowanych

we wspólnej obudowie wraz z typowym cokołem żarówko-

wym, również przeznaczone do zasilania z sieci 110…230 V

prądu przemiennego. Lampy te były oznaczone i reklamo-

wane jako cechujące się zbliżoną jasnością, pierwsza o mocy

znamionowej 10 W, stanowiąca odpowiednik żarówki wolfra-

mowej o mocy 60 W, druga o poborze mocy 8 W, stanowiąca

odpowiednik żarówki 40 W. Interesującą cechą obu lamp LED

była uniwersalność napięcia zasilania w przedziale

120…230 V napięcia sieci. Przeprowadzone pomiary inten-

sywności świecenia w tak szerokim zakresie wykazały jej

praktyczną niezmienność, co korzystnie świadczy o jakości

miniaturowego stabilizatora prądu lamp LED, umieszczonego

wewnątrz nasady cokołu każdej z lamp. Obie lampy były pro-

duktami firmy Brilliance Technologies Co. Ltd (rys. 2).

Charakterystyki rozkładu natężenia światła przedstawione

na rys. 3 i 4, zmierzone na płaskiej powierzchni z odległości

0,85 m wykazują w przybliżeniu takie samo natężenie w ob-

szarze centralnym, wielkością nie przekraczającym rozmia-

rów książki. Komentarze wydają się tu zbędne, bo kąt

przestrzenny emisji światła żarówki, bliski 360°, jest niepo-

równywalnie większy, niż w przypadku lamp LED. Jedynie

specjalna konstrukcja lampy LED o rozmieszczeniu wielu diod

na podłożu montażowym o kształcie małej kuli mogłaby w tym

względzie dorównać żarówce. Podobnie i charakterystyki kie-

runkowe lamp wolframowej (rys. 5) oraz LED 10 W (rys. 6.)

są całkowicie różne, chociaż każda z nich może znaleźć

osobne zastosowania w razie konkretnej potrzeby. Warto

Rys.1. Względna czułość spektralna oka ludzkiego

Fig.1. The relative spectral sensitivity of a human eye

Rys. 2. Lampy LED o uniwersalnym zasilaniu sieciowym [2,3]

Fig. 2. Universally AC mains powered LED lamps

ELEKTRONIKA 11/2008

231

Rys. 3. Rozkład natężenia światła żarówki wolframowej 60 W

Fig. 3. Light intensity distribution of a 60 W tungsten bulb

Rys. 4. Rozkład natężenia światła lampy LED 10 W

Fig. 4. Light intensity distribution of a 10 W LED lamp

Rys. 5. Charakterystyka kierunkowa żarówki wolframowej 60 W

Fig. 5. A 60 W tungsten bulb’s directional characteristics

Rys. 6. Charakterystyka kierunkowa lampy LED 10 W

Fig. 6. A 10 W LED lamp’s directional characteristics

Rys. 7. Charakterystyka kierunkowa lampy LED-owej 8 W

Fig. 7. An 8 W LED lamp’s directional characteristics

Rys. 8. Rozkład natężenia światła lampy LED-owej 8 W

Fig. 8. Light intensity distribution of an 8 W LED lamp

232

ELEKTRONIKA 11/2008

zwrócić uwagę, że trójdiodowa 8 W wersja lampy LED

o kształcie najbardziej zbliżonym do żarówki tradycyjnej wy-

kazuje już daleko posunięte podobieństwo charakterystyki

kierunkowej (rys. 7.) do tradycyjnej (rys. 5.), przy rozkładzie

intensywności oświetlenia uwidocznionym na rys. 8. Na rys. 9.

przedstawiono poglądowy wykaz intensywności w funkcji od-

ległości od lampy dla wyboru różnych barw.

Widoczne wyraźne granice kątowe wiązki światła ograni-

czają zastosowania lampy do oświetlania powierzchni lub

przedmiotów o określonych rozmiarach, co ma swoje zalety

i wady. Przebieg widma (rys. 10 i 11.) choć znacznie mniej

równomierny, niż w lampach żarowych nie budzi zastrzeżeń

poza przypadkami szczególnych wymagań w tym względzie.

Dużymi zaletami badanych typów lamp LED-owych jest gwa-

rantowana żywotność 50 tys. godzin, niezawodność bez-

cenna w niektórych przypadkach oraz niska temperatura

obudowy, nie przekraczająca 60°C.

Przebiegi widm emitowanych przez lampy wolframową

i LED-owe zarejestrowano z pomocą spektrometru typu SPM-

12-1. Wprawdzie typowe widma światła żarowego i „ciepłego”

białych lamp LED różnią się wyraźnie, to badane uśrednione

wyniki subiektywnych ocen z pomocą oka ludzkiego są bar-

dzo podobne, jak to zresztą potwierdza producent lamp LED.

Wnioski

Przedstawione trzy lampy, tradycyjna i dwie diodowe LED

różnią się pod wieloma względami. Obszary oświetlone z za-

pewnieniem takiej samej intensywności są kilkakrotnie więk-

sze w przypadku żarówek wolframowych, kilkakrotnie większy

jest jednak pobór energii zasilania. Z kolei porównywane

lampy LED są - jak na razie - ok. 100 razy droższe niż

żarówki, charakteryzują się ok. 40 razy dłuższą żywotnością

i niezawodnością, stosunkowo małym kątem stożka światła,

znacznie lepszymi własnościami w zakresie ochrony przeciw

pożarowej oraz ok. milion razy mniejszą bezwładnością

świetlną. Wszystkie te czynniki winny być już obecnie wszech-

stronnie rozważane przy projektowaniu oświetlenia. Pomimo

istniejących w dobie dzisiejszej jeszcze pewnych niedostat-

ków lamp LED jest niemal pewne, że w końcu to LED staną

się źródłami światła dnia jutrzejszego, chociażby z powodów

ekologicznych i nieuniknionych światowych ograniczeń ener-

getycznych.

Literatura

[1] Light Emitting Diodes (LEDs) for General Illumination” An Oida

Technology Roadmap Update 2002, website

http://lighting.san-

dia.gov/lightingdocs/OIDA_SSL_LED_Roadmap_Full.pdf

[2] Witryna internetowa:

http://www.trim-pot.com.pl

[3] Witryna internetowa:

http://www.brilliance-led.com/

Rys. 9. Poglądowy wykaz intensywności oświetlenia w zależności

od odległości dla lampy LED 40 W/8 W

Fig. 9. Demonstrative list of light intensities as a function of the dis-

tance from the LED lamp

Rys. 10. Wykres widma typu „ciepła biel” lampy LED 40 W/8 W

Fig. 10. LED 40 W/8 W lamp’s spectrum characteristics of the “hot

white” type

Rys. 11. Wykresy widma lamp żarowej 60 W i LED 60 W/10 W

Fig. 11. Spectrum characteristics of a 60 W tungsten lamp and a 60

W/10 W LED lamp

ELEKTRONIKA 11/2008

233