Współczesne zastosowania diod
elektroluminescencyjnych
Autor: Łukasz Siłacz
Promotor: Dr inż. Jan Deskur
2
1. Podstawy teoretyczne
2. Sposoby otrzymywania światła białego
3. Parametry lamp LED
4. Zastosowania diod elektroluminescencyjnych
5. Podsumowanie - zalety i wady diod LED
DIODY LED
3
Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na
emitowaniu światła pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego.
Świecenie jest wynikiem rekombinacji promienistej nośników (dziur i
elektronów) w spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu p-n.
Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy
powoduje wydzielenie energii w postaci światła (fotonu).
1.1. Elektroluminescencja
4
1.2. Historia diody LED
5
1.3. Budowa i symbol
6
Diody LED standardowo zasilane są napięciem stałym. Napięcie należy do diody
przykładać tak, aby pracowała ona w kierunku przewodzenia (napięcie dodatnie do anody
i napięcie ujemne do katody). W zależności od szerokości przerwy energetycznej w
półprzewodniku, a co za tym idzie w zależności od długości i barwy emitowanej fali
świetlnej, wymagane są różne poziomy napięcia zasilającego.
Lp.
Typ i kolor diody
Napięcie
typowe
Napięcie
maksym.
1
Zwykła zielona
2,2
2,5
2
Zwykła czerwona
2
2,5
3
Zwykła niebieska
4
4,5
4
Zwykła żółta
2,1
2,5
5
Zwykła pomarańczowa
2
2,5
6
Super jasna zielona
3,7
4,1
7
Super jasna czerwona
1,9
2,5
8
Super jasna niebieska
3,7
4,3
9
Super jasna żółta
2,3
2,8
10
Super jasna biała
2,4
2,8
1.4. Zasilanie i łączenie diod LED
7
1.4. Zasilanie i łączenie diod LED
8
1.5. Główne parametry techniczne
9
1.6. Odmiany diod elektroluminescencyjnych
10
2.1. Mieszanie światła
- w jednej obudowie umieszcza się 3 chipy LED tworzące
diodę RGB. W wyniku addytywnego sumowania barw
otrzymywany jest kolor biały,
-
to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż nie
występują tu straty w luminoforze związane z konwersją
światła,
-
wysoki współczynnik oddawania barw CRI,
-
duży koszt i komplikacja obwodu zasilająco-sterującego.
2. Sposoby otrzymywania światła białego
11
2.2. Konwersja światła
-
diodę LED promieniującą w paśmie nadfioletu
pokrywa się luminoforem,
-
luminofor składa się z 3 warstw, z których każda
realizuje konwersję światła UV na jedną z 3 barw
podstawowych,
-
wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor
biały,
-
prostota produkcji i nieskomplikowany układ
zasilania,
-
mało efektywne energetycznie – straty w luminoforze,
-
brak kontroli barwy światła białego i CRI,
-
szczątkowe promieniowanie UV przedostające się
przez luminofor.
2. Sposoby otrzymywania światła białego
12
2.3. Metoda hybrydowa
-
połączenie zalet metody 2.1 i 2.2,
-
wzbudzenie żółtego luminoforu za pomocą światła
diody niebieskiej 470nm,
-
mieszanie barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje
barwę białą,
-
prostota wykonania, prosty układ zasilania, większa
wydajność energetyczna, brak promieniowania UV,
-
zimna temperatura barwy otrzymywanego światła
białego oraz współczynnik oddania barw na
poziomie 75-80.
2. Sposoby otrzymywania światła białego
13
3.1. Energooszczędność
3. Parametry lamp LED
14
3.2. Czas życia
3. Parametry lamp LED
15
3.3. Strumień świetlny i skuteczność świetlna
3. Parametry lamp LED
Japońska firma NICHIA w warunkach laboratoryjnych
wyprodukowała diodę o skuteczności 249 lm/W.
16
3.4. Współczynnik oddawania barw CRI (ang. Colour Rendering Index) –
wyrażony jest liczbą z przedziału od 0 (dla światła monochromatycznego)
do 100 (dla światła białego). Określa, jak wiernie postrzegamy barwy
oświetlonych przedmiotów. Im współczynnik ten jest wyższy, tym barwy są
lepiej oddawane.
3. Parametry lamp LED
17
3.5. Wytrzymałość
Diody LED są bardzo wytrzymałe mechanicznie na uderzenia, wstrząsy,
wibracje oraz wysokie i niskie temperatury.
3.6. Temperatura barwowa bieli
Diody są produkowane w praktycznie całym spektrum temperatur barwowych
od barwy ciepło białej (2 700K) do barwy zimno białej (10 000K).
3. Parametry lamp LED
18
3.7. Brak lub niski poziom promieniowania IR i UV
Diody LED, w których kolor biały uzyskuje się na zasadzie mieszania barw
podstawowych lub konwersji światła niebieskiego w luminoforze, w
odróżnieniu od lamp fluorescencyjnych nie posiadają w swoim widmie
szkodliwego w niektórych zastosowaniach promieniowania UV.
Promieniowanie UV oraz podczerwone jest szkodliwe dla wzroku człowieka,
a ponadto przyciąga owady.
3.8. Ukierunkowany strumień świetlny
Diody LED mają ściśle zdefiniowany kąt bryłowy rozsyłu światła. Nie
występują straty związane z rozsyłem światła na boki. Łatwiej jest dzięki temu
wykonywać układy optyczne dla diody LED, gdyż są one praktycznie
pierwszymi źródłami światła dla techniki oświetleniowej, które można
traktować jako punktowe.
3. Parametry lamp LED
19
3.9. Małe wymiary
Diody LED w porównaniu z klasycznymi źródłami światła mają bardzo niewielkie
rozmiary. Od ledwie dających się zauważyć gołym okiem diod typu SMD stosowanych
w telefonach komórkowych po diody na radiatorach o średnicy kilku centymetrów.
3. Parametry lamp LED
20
3.10. Czas włączenia i wyłączenia
Czas włączenia diod LED nie przekracza 100ns, a czas wyłączenia 200ns. W
porównani z żarówkami są to czasy 2 miliony razy krótsze! Typowa żarówka
osiąga 90% swej światłości po czasie 200ms. Czasy włączenia lamp
fluoroscencyjnych i wyładowczych są jeszcze dłuższe i czasem sięgają nawet
kilku minut (np. uliczne lampy sodowe i rtęciowe).
3.11. Bezpieczeństwo
- zasilane napięciem bezpiecznym 12V DC,
- brak iskrzenia,
- nie zawierają trujących substancji i kruchych, szklanych elementów,
- ochrona środowiska poprzez oszczędzanie energii.
3. Parametry lamp LED
21
4.1. Oświetlenie domowe
-
podświetlane schody, półki, światło łazienkowe, dekoracyjne, podświetlanie
ścianek kominkowych,
-
bary, restauracje i miejsca publiczne.
4. Współczesne zastosowania diod LED
22
4.1. Oświetlenie domowe
4. Współczesne zastosowania diod LED
Żarówki
Lampy LED
Przyjmijmy, że istnieje osiedle
mieszkaniowe, wyposażone w 100
tradycyjnych żarówek 60W.
60W x 100sztuk = 6kW
Zakładając, że pracują 10h dziennie:
10h x 6kW = 60kWh
60kWh x 0,40PLN/1kWh =
24PLN/Doba
24h x 365dni rocznie=
8760PLN/Rok
Dla takiego samego osiedla
mieszkaniowego wyposażonego w 5W
lampy LED.
5W x 100sztuk = 0,5kW
Zakładając, że pracują 10h dziennie:
10h x 0,5kW = 5kWh
5kWh x 0,40PLN/1kWh =
2PLN/Doba
24h x 365dni rocznie=
730PLN/Rok
OSZCZĘDNOŚCI W SKALI ROCZNEJ: 8760PLN – 730PLN =
8020PLN
23
4.2. Oświetlenie zewnętrzne i uliczne
-
ozdoby świąteczne,
-
oświetlenie ogrodowe i balkonowe,
-
oświetlenie uliczne (coraz częściej
stosowane z modułami PV i turbinami
wiatrowymi),
-
podświetlanie mostów i budynków.
4. Współczesne zastosowania diod LED
24
4.2. Oświetlenie uliczne – porównanie lamp ulicznych HPS (ang. High Pressure
Sodium) oraz lamp LED
4. Współczesne zastosowania diod LED
Parametr
Lampa HPS
Lampa LED
1. Moc
250W + urządzenia
zapłonowe 30W
112W (odpowiednik
300W lampy sodowej)
+ zasilacz 33W
2. Roczne zużycie
energii przy pracy
4000h rocznie
1120kWh
580kWh
3. Roczne wydatki na
energię elektryczną
448PLN
232PLN
4. Żywotność
2 lata
12 lat
5. Cena
około 500zł
około 3000zł
25
4.2. Oświetlenie uliczne – porównanie lamp ulicznych HPS (ang. High
Pressure Sodium) oraz lamp LED
LAMPA LED
LAMPA HPS
4. Współczesne zastosowania diod LED
26
4.3. Oświetlenie – latarki
- dzięki wysokiej odporności na wstrząsy i niekorzystne warunki zewnętrzne diody
LED znalazły zastosowanie jako latarki używane przez służby specjalne, takie jak:
policja, straż graniczna czy wojsko,
- małe rozmiary diod LED pozwalają na minimalizację gabarytów produkowanych
latarek oraz na zastosowanie w nich dodatkowych funkcji.
Latarka z modułem PV
Latarka z korbką
Latarka z kamerą
4. Współczesne zastosowania diod LED
27
4.4. Sygnalizacja uliczna
-
bardzo dobra widoczność nawet w
słoneczne dni, wynikająca z dobrych
właściwości kierunkowych jakie
posiadają diody,
-
diody LED świecą dość mocno w
punktowy sposób, w przypadku
oświetlenia pomieszczeń nie jest to
zaletą, jednak doskonale sprawdza się
w sygnalizacji,
-
brak wydzielania ciepła przez diody
powoduje osiadanie się śniegu i lodu
na sygnalizatorach podczas zimy.
4. Współczesne zastosowania diod LED
28
4.5. Motoryzacja
Diody LED są 120 razy szybsze od żarówek, dzięki temu możliwe jest
maksymalne skrócenie czasu, np. od momentu naciśnięcia pedału hamulca do
zapalenia świateł STOP. Dla kierowcy jadącego z prędkością 100km/h za
pojazdem wyposażonym w oświetlenie LED oznacza to dodatkowe 3,5 metra na
bezpieczne zatrzymanie i zwiększa o około 8% szansę na uniknięcie kolizji.
Pierwszym samochodem z lampami czołowymi w całości wykonanymi
w technologii LED jest Cadillac Escalade w najdroższej wersji, nazwanej
Platinum.
4. Współczesne zastosowania diod LED
29
4.5. Motoryzacja – wykorzystanie technologii LED
4. Współczesne zastosowania diod LED
30
4.6. Medycyna
-
„anti – aging”, zabieg przeciwko procesom starzenia się,
-
leczenie zmian skórnych np. trądzik, za pomocą lamp LED - czerwonych i
niebieskich,
-
leczenie nowotworów mózgu za pomocą sondy zbudowanej ze 144
miniaturowych diod LED,
-
oświetlenie stołów operacyjnych i specjalnych turbin stomatologicznych.
4. Współczesne zastosowania diod LED
31
4.7. Reklama
-
świecąca elektroniczna reklama diodowa wyświetlająca dynamiczne treści
informacyjno-reklamowe w postaci poruszającego, mrugającego jaskrawego tekstu,
zwiększa zainteresowanie potencjalnych klientów promowanym produktem nawet o
80%,
-
tablice reklamowe na ulicach, przy drogach, na budynkach, na stadionach, miejscach
publicznych: bary, restauracje, kina,
-
prawdziwe ekrany LED.
4. Współczesne zastosowania diod LED
32
4.8. Ekrany LED – „TV LED”
LCD z podświetlaniem CCFL
LCD z podświetlaniem LED
4. Współczesne zastosowania diod LED
33
4.8. Ekrany LED – „TV LED”
- telewizory z podświetlaniem LED wyposażone są w taką samą matrycę LCD
jak tradycyjne telewizory LCD z podświetlaniem CCLF,
- pełna jaskrawość od razu po włączeniu,
- „local dimming” – podświetlanie całego obrazu, uzyskanie wysokiego
kontrastu oraz znaczna poprawa głębi czerni,
- „edge – lit” - diody LED zamiast znajdować się za panelem LCD zostały
umieszczone na jego krawędziach. Taki typ rozwiązania pozwala na
projektowanie niezwykle cienkich telewizorów.
4. Współczesne zastosowania diod LED
34
4.9. Niecodzienne zastosowania diod LED
4. Współczesne zastosowania diod LED
35
5. Podsumowanie
Zalety
Wady
- małe rozmiary,
- duża sprawność,
- szeroka gama kolorów światła,
- odporność na wstrząsy, wilgotność i
niską temperaturę,
- długa żywotność,
- są ekologiczne,
- bezpieczne napięcie zasilania,
- bezpieczeństwo – brak
promieniowania UV,
- łatwość sterowania,
- niska temperatura pracy,
- szybkość reakcji.
- wrażliwość na „złe” zasilanie
(przepięcia),
- punktowe świecenie (bywa zaletą),
- cena,
- brak współpracy z typowymi
ściemniaczami oświetlenia.
36
1. Burek D.: LED-owa sygnalizacja świetlna wielkim zagrożeniem podczas zimy, 20.12.2009,
http://nvision.pl/News-15531-moderate-2217.html
2. Chwaleba A., Moeschke B., Płoszczajski G.: Elektronika, Warszawa, WSIP 1996
3. Dribko T.: Rozwiązania energooszczędne w gminach, 23.04.2010,
www.mae.com.pl/files/energooszczednosc_tomasz-dribko.pdf
4. Mazur A.: LED TV, szum marketingowy, czy zwykłe oszustwo?, 05.01.2010,
www.proline.pl/?n=led-tv-szum-marketingowy-czy-zwykle-oszustwo
5. Pióro B., Pióro M.: Podstawy elektroniki, Warszawa, WSIP 1994
6. Ratyński K.: Dioda LED – co to jest i jak to działa?,
www.enterius.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=29&Itemid=48
7. Redakcja świat motoryzacji: Lepsze od ksenonów, 05.2008, Świat motoryzacji
8. Reyes S.: Leczenie nowotworów mózgu, 30.10.1998,
www.sklep.ibg.pl/leczenie_nowotworow_mozgu.doc
9. Wilanowski A.: LED Know-How,
http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/1_elektroluminescencja.htm
10. Wróblewska A.: Niecodzienne zastosowania LED-ów, 30.08.2010,
http://www.elektroonline.pl/a/2785
11. Wikipedia – wolna encyklopedia: Light emitting diode,
http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
Główne źródła