8
Rok LXXV 2007 nr 10
ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY
Półprzewodnikowe źródła światła – diody LED
Katarzyna Strzałka-Gołuszka
W ciągu kilku ostatnich lat znaczny postęp technologiczny
w produkcji półprzewodnikowych źródeł światła, jakimi są
diody LED, sprawił iż stało się możliwe ich stosowanie jako
niemal pełnowartościowych źródeł światła. Coraz większe
moce emisyjne tych źródeł pozwoliły na zastosowanie
diod LED w oświetleniu w przemyśle motoryzacyjnym,
do podświetlania dużych wyświetlaczy LCD, w oświetleniu
dekoracyjnym, architektonicznym, w sygnalizacji ulicznej
oraz w oświetleniu ogólnym (zewnętrznym i wewnętrznym).
W artykule przedstawiono krótką historię rozwoju diod,
ich budowę i zasadę działania. Ukazano również wady i zalety
stosowania tych źródeł światła. Przeprowadzono analizę kilku
parametrów charakterystycznych dla diod LED, takich jak
trwałość, skuteczność świetlna oraz wymiary.
Podstawą działania diod led jest zjawisko elektroluminescencji.
Po raz pierwszy zostało ono stwierdzone w 1907 roku przez h. j.
rounda. zaobserwował on emisję światła widzialnego z kryształu
węglika krzemu (sic). kolejne badania związków półprzewodniko-
wych, pod koniec lat trzydziestych XX wieku, pozwoliły na zaob-
serwowanie zjawiska elektroluminescencji w siarczku cynku (zns).
głównym celem naukowców było znalezienie związków półprze-
wodnikowych, które posiadałyby odpowiednie parametry elektrycz-
ne oraz optyczne i pozwoliły na wykonanie diod led.
historycznie pierwsze diody led wytworzono na bazie arsenku
galu (gaas) w 1962 roku. Początkowo emitowały one jednak świat-
ło monochromatyczne – najpierw podczerwone, potem czerwone,
zielone, niebieskie, a na końcu białe (wytworzone w wyniku połą-
czenia tych trzech barw).
Budowa i zasada działania
diody led (light emitting diode) są strukturami półprzewod-
nikowymi. zasadniczymi elementami ich budowy są: warstwa pół-
przewodnika typu n, obszar aktywny, zwany złączem p-n, warstwa
półprzewodnika typu p oraz para metalowych kontaktów – elektro-
dy dodatniej (do materiału typu p) i elektrody ujemnej (do materiału
typu n).
Podstawą działania półprzewodnikowych diod emitujących świat-
ło jest elektroluminescencja. dlatego diody te nazywane są diodami
elektroluminescencyjnymi (luminescencyjnymi). cechą charaktery-
styczną materiału p jest nadmiar dziur w paśmie walencyjnym, z ko-
lei materiał n w tym paśmie ma nadmiar elektronów. w momencie
spolaryzowania diody w kierunku przewodzenia następuje przeni-
kanie elektronów i dziur do warstwy aktywnej o niższym poziomie
energetycznym. w złączu p-n, które jest połączeniem dwóch warstw
materiałów półprzewodnikowych typu p i n, wzbudzone elektrony
rekombinują z dziurami i pozbywają się nadmiaru energii, która jest
wypromieniowywana w postaci kwantu światła (emisja fotonu). na
rysunku 1 przedstawiono schemat półprzewodnikowego złącza p-n,
spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. wartość energii emito-
wanego fotonu jest w przybliżeniu równa wartości przerwy między
stanami energetycznymi, charakterystycznej dla danego materiału
półprzewodnikowego.
w zależności od materiału użytego do wykonania diody, możliwe
jest uzyskanie praktycznie dowolnej barwy światła (żółtej, czerwo-
nej, zielonej, niebieskiej, pomarańczowej, a także białej). uzyskuje
się to poprzez odpowiednie domieszkowanie, tworzenie zestawów
diod o wybranych barwach światła oraz ewentualne sterowanie ich
strumieniem świetlnym.
Zasilanie i sterowanie
diody led dzieli się na dwie podstawowe grupy: typowe diody
led o małej mocy (50÷150 mw) i średnicy 5 mm oraz diody led
dużej mocy (1÷5 w), nazywane potocznie Power led.
diody świecące led są zasilane napięciem stałym o wartości za-
ledwie kilku woltów. wartość napięcia zasilającego dla pracy zna-
mionowej jest zależna od energii emitowanych fotonów: im jest ona
większa, tym większe napięcie jest wymagane, co przedstawiono na
rysunku 2.
do podstawowych parametrów diod led można zaliczyć prąd i na-
pięcie przewodzenia. obie wielkości są ze sobą ściśle powiązane i za-
leżą od temperatury złącza p-n. znamionowy prąd przewodzenia dla
większości diod małej mocy wynosi 20 ma, natomiast znamionowe
napięcie przewodzenia mieści się w przedziale od 1,4 do 3,5 V.
Podczas konstruowania zasilacza warto poświęcić uwagę zależno-
ści napięcia przewodzenia od temperatury otoczenia. wraz ze wzro-
stem temperatury zmniejsza się wartość napięcia, przy którym dioda
przewodzi. układ zasilający powinien stanowić stabilne termiczne
źródło prądowe. niewielkie zmiany napięcia zasilającego prowadzą
do dużych zmian prądu płynącego przez diodę led. wymagana jest
możliwie stała, bezpieczna wartość prądu diody, aby nie spowodo-
wać jej przegrzania, obniżenia poziomu jasności, a w konsekwencji
skrócenia czasu życia lampy.
stosowane są różne źródła prądowe; do najprostszych z nich moż-
na zaliczyć te z rezystorem włączonym w szereg z diodą. zastoso-
wane napięcie zasilające powinno być większe niż nominalne napię-
cie zasilające diodę led. w takim przypadku na rezystorze odkłada
się napięcie, które jest różnicą pomiędzy napięciem zasilającym
i napięciem przewodzenia diody. Poprzez dobranie odpowiedniej
rezystancji rezystora, zostaje ustalony prąd płynący przez układ.
rezystor dodatkowo pełni rolę kompensacji strumienia świetlnego
przy zmianach temperatury otoczenia.
diody led zazwyczaj łączy się w większe struktury, nazywane
modułami led, gdyż pojedyncze diody są zwykle niewystarcza-
jące. Poszczególne diody są łączone ze sobą szeregowo, a kolejne
Mgr inż. Katarzyna Strzałka-Gołuszka – Wydział Elektrotechniki, Automa-
tyki, Informatyki i Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej, Kraków
Rok LXXV 2007 nr 10
9
ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY
gałęzie równolegle. nie powinno się łączyć równolegle pojedynczych diod, nawet tego sa-
mego typu, gdyż poszczególne egzemplarze różnią się między sobą. w przypadku modułów
diod led stosuje się trzy podstawowe sposoby stabilizacji prądu za pomocą rezystorów:
ekonomiczny, podstawowy oraz bezpieczny, co przedstawiono na rysunku 3.
w technice świetlnej końcowym użytkownikom oferowane są oprawy i źródła światła
zawierające diody led, najczęściej z wbudowanymi układami zasilającymi. Prawidłowe
zasilanie zapewnia trwałość diod led, a błędy wynikające ze złego zasilania są podstawo-
wą przyczyną ich uszkodzeń.
dodatkową możliwością w przypadku
diod led jest stosunkowo proste i ela-
styczne regulowanie jasności. realizowa-
ne dotychczas z klasycznymi źródłami
funkcje ściemniania i rozjaśniania świat-
ła są drogie, trudne w realizacji i mało
efektywne. jasnością diod led można
sterować na kilka sposobów, na przykład
poprzez regulację prądu diody czy regula-
cję wysokości piku przy zasilaniu impul-
sowym. tak więc problem ściemniania,
rozjaśniania, czy nawet zmiany koloru
światła lampy led nie stanowi większego
problemu.
Zalety i wady diod LED
diody oświetleniowe led są czwartą
generacją sztucznych źródeł światła. stale
prowadzone prace związane z ich rozwo-
jem pozwalają przypuszczać, że w nieda-
lekiej przyszłości wyprą większość z uży-
wanych dotychczas źródeł światła. Pod
względem technicznym omawiane diody
mają wiele zalet, takich jak:
bardzo duża trwałość, obejmująca za-
kres od 50 tys. do 100 tys. godzin świecenia
(białe diody led mają najmniejszą trwa-
łość, wynoszącą ok. 30 tys. godzin, jest ona
jednak dwukrotnie większa w porównaniu
z najdłużej świecącymi świetlówkami),
możliwość ich zastosowania do oświet-
lenia budynków – zarówno wewnątrz, jak
i na zewnątrz,
szeroki zakres temperatury pracy: od
–40 do +85°c,
stosunkowo duża skuteczność świetlna,
brak szkodliwej dla środowiska rtęci
(która jest stosowana w wyładowczych
źródłach światła),
rys. 1. schemat przedstawiający półprzewodnikowe złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia [5]
rys. 2. zależność napięcia przewodzenia diod led
przy nominalnym prądzie przewodzenia
od szerokości przerwy energetycznej E
g
dla diod led emitujących od podczerwieni
po ultrafiolet [5]
Rys. 3.
Podstawowe sposoby stabilizacji prądu
za pomocą rezystorów [5]:
a) ekonomiczny,
b) podstawowy, c) bezpieczny
10
Rok LXXV 2007 nr 10
ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY
niskie napięcie zasilania i zastosowanie ii klasy izolacji, zwięk-
szające bezpieczeństwo (mniejsze ryzyko porażenia prądem elek-
trycznym lub powstania pożaru),
małe wymiary i waga, ułatwiające projektowanie opraw,
solidna i zwarta budowa struktury półprzewodnikowej (brak
wrażliwych na wstrząsy żarników lub elementów szklanych) elimi-
nuje uszkodzenia diod podczas transportu, a także podczas komple-
tacji systemu oświetleniowego, a później jego montażu,
mała awaryjność, zapewniająca wysoką odporność na wstrząsy,
uderzenia i wibracje,
możliwość natychmiastowego zaświecenia pełnym blaskiem po
zaniku napięcia i jego powtórnym załączeniu,
światło pozbawione promieniowania ir i uV (podczerwonego
i nadfioletowego),
niższy pobór energii potrzebny do wytworzenia tej samej ilości
promieniowania świetlnego w porównaniu do innych źródeł światła
(żarówek, świetlówek, lamp wyładowczych i neonów),
ograniczony zakres czynności obsługowych związanych z utrzy-
maniem prawidłowego stanu technicznego i użytkowego instalacji
oświetleniowych z diodami (co wynika z ich dużej trwałości, niskie-
go napięcia zasilania oraz małego zużycia energii),
niskie koszty eksploatacji.
warto też podkreślić, że diody po długim okresie eksploatacji
nie przestają świecić nagle. wraz z upływem czasu maleje ich
strumień świetlny. na rysunku 4 pokazano charakterystyki spad-
ku strumienia świetlnego w czasie, w zależności od wartości prą-
du sterującego [4]. z podanych zależności wynika, że im większy
jest prąd sterujący, tym większy spadek intensywności świecenia
diod w czasie. Ponadto można zauważyć, że strumień świetlny
tych źródeł zmienia się w czasie stopniowo i nie ma charakteru
skokowego. możliwe jest jednak utrzymanie stałego poziomu
natężenia światła, poprzez odpowiednie sterowanie układem za-
silania.
Pomimo przedstawienia licznych zalet diod led, nie są to jednak
elementy idealne. rozsył światła diody jest zależny od budowy ma-
trycy diodowej emitera. Plastikowa obudowa jest przyczyną pogor-
szenia niektórych właściwości diod. może ona negatywnie wpływać
na warunki termiczne pracy złącza p-n, a tym samym na stabilność
parametrów diody.
diody led stanowią tzw. skupione źródło światła, w którym
– wraz ze wzrostem skuteczności świetlnej – rośnie jego lumina-
cja. oznacza to, iż stosowanie diod oświetleniowych, zwłaszcza we
wnętrzach budynków, może być przyczyną powstawania olśnienia
i pogarszania warunków widzenia.
wadą diod dużej mocy jest występowanie przy ich pracy dużych
strat mocy. skutkiem tego jest wydzielanie większej ilości ciepła
i w konsekwencji konieczność zastosowania chłodzenia elementów
za pomocą radiatorów. Problem przegrzewania można rozwiązać,
stosując odpowiedni układ zasilania. zasilacz nie powinien do-
puszczać do dużych zmian temperatury na złączu półprzewodnika,
poprzez zapewnienie stabilizacji prądu diody. brak odpowiedniego
odprowadzania ciepła może prowadzić do skrócenia żywotności
diody i odchyłki w barwie emitowanego światła.
Parametry diod LED
Skuteczność świetlna
Podstawowym parametrem eksponowanym w reklamach diod
led jest ich energooszczędność. o energooszczędności źródeł
światła mówi ich skuteczność świetlna, która jest wyrażana w lu-
menach na wat [lm/w]. Parametr ten określa, jaki strumień świet-
lny [lm] wytwarza źródło światła z dostarczonej jednostki mocy
[w]. diody osiągają tę skuteczność na poziomie ok. 20 lm/w,
a w przypadku niektórych typów dochodzi do 30 lm/w. dla porów-
nania, skuteczność świetlna żarówek głównego szeregu wynosi do
18 lm/w, niskonapięciowych żarówek halogenowych do 25 lm/w,
a nowoczesnych świetlówek do 105 lm/w.
w tabeli przedstawiono prognozę rozwoju technologii diod led.
wynika z niej, że w przyszłości wielkość emitowanego strumienia
świetlnego wyniesie 1500 lm, przy sprawności 150–200 lm/w.
Trwałość diod LED
jedną z cech diod led, wyróżniającą je spośród pozostałych źró-
deł światła, jest ich bardzo duża trwałość, dochodząca nawet do 100
tys. godzin. strumień świetlny diod maleje w czasie i w normalnych
warunkach pracy dioda nie ulega nagłemu przepaleniu. dlatego
też w odniesieniu do trwałości omawianych diod należy korzystać
z definicji połowicznego czasu życia lub użytecznego czasu życia.
zazwyczaj trwałość użyteczną wyznacza się przy spadku strumienia
świetlnego do 70% wartości początkowej, natomiast w przypadku
wykorzystania diod do celów przemysłowych przyjmuje się okre-
ślenie trwałości diod jako liczby godzin, w czasie których nastąpi
spadek o 50% początkowej intensywności świecenia.
czynnikami mającymi istotny wpływ na trwałość diod są: prąd
sterujący diody, temperatura otoczenia złącza półprzewodnikowe-
go, jak również wilgotność środowiska, w jakim złącze pracuje. Po-
nadto należy wziąć pod uwagę trwałość aparatury zasilającej oraz
osprzętu dodatkowego, wchodzącego w skład systemu oświetlenio-
wego, który może mieć wpływ na skrócenie czasu użytkowania.
Prognoza rozwoju technologii diod LED, według raportu OIDA 2002 [5]
technologia
parametr
ssl-led
2002
ssl-led
2007
ssl-led
2012
ssl-led
2020
Żarowe
fluore-
scencyjne
wydajność świetlna
25
75
150
200
16
85
czas życia [tys. godz.]
20
>20
>100
>100
1
10
strumień świetlny [lm/lampę]
25
200
1000
1500
1200
3400
moc wejściowa [w/lampę]
1
2,7
6,7
7,5
75
40
Rok LXXV 2007 nr 10
11
ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY
długi czas życia lamp led pozwala na zmniejszenie kosztów,
które są związane z serwisowaniem systemów oświetleniowych,
oraz na zwiększenie bezpieczeństwa tam, gdzie od sygnałów świet-
lnych zależy życie i zdrowie ludzi. diody są również często stoso-
wane do wykonywania reklam świetlnych, podświetlania liter, jak
również przy oświetleniu informacyjnym, na co ma duży wpływ ich
stopniowy i rozłożony w czasie spadek intensywności świecenia.
Małe wymiary
cechą charakterystyczną i dużą zaletą diod led są ich niewiel-
kie rozmiary. można wykorzystywać elementy różnej wielkości: od
tych, które trudno jest zauważyć gołym okiem (diody typu smd,
stosowane w telefonach komórkowych), po największe, na radiato-
rach o średnicy kilku centymetrów. ta właściwość pozwala projek-
tantom opraw oświetleniowych na dowolność i elastyczność – tak
zaprojektowane lampy są lżejsze, mniejsze i prostsze w budowie.
Zastosowanie
diody led, dzięki swoim właściwościom, znajdują coraz szersze
zastosowanie w wielu instalacjach oświetleniowych. jeszcze kilka
lat temu były stosowane jedynie jako wskaźniki świetlne w mier-
nikach laboratoryjnych, wyłącznikach podświetlanych, przyciskach
sterujących, sprzęcie komputerowym, urządzeniach audio/wideo,
telefonach komórkowych, aparatach fotograficznych, a także w ele-
mentach sygnalizacyjnych i informacyjnych. Postępująca technolo-
gia i prace nad diodami pozwalają na coraz to nowsze ich zasto-
sowania. znaczący producenci branży oświetleniowej (gelcore,
osram, opto semiconductors, Paulmann, Vossloh & schwabe, ni-
chia) podają coraz więcej przykładów udanego wykorzystania diod
świecących.
jednym z zastosowań, w którym coraz częściej pojawiają się diody
led, jest oświetlenie zewnętrzne pojazdów. występuje ono w lam-
pach świateł hamowania, pozycyjnych oraz kierunkowskazach.
wśród wielu argumentów, które przemawiają za stosowaniem diod
w przemyśle motoryzacyjnym, można wymienić: mniejszy pobór
mocy, dłuższą żywotność, większą odporność na wstrząsy, krótszy
czas zaświecenia (co w konsekwencji skraca relatywną drogę hamo-
wania). niewielkie rozmiary diod pozwalają na większą dowolność
w projektowaniu opraw lamp pojazdów. stosowanie tych źródeł
światła pozwala dodatkowo na zmniejszenie lub całkowite wyelimi-
nowanie reflektorów, dzięki czemu uzyskuje się większą przestrzeń
wewnątrz pojazdu.
obecnie diody led najczęściej są używane do oświetlenia akcen-
towego oraz dekoracyjnego. nie wymagają one stosowania żadnych
dodatkowych filtrów barwnych – odpowiednią barwę światła deko-
racyjnego uzyskuje się poprzez zastosowanie odpowiedniej diody.
dodatkowo kąt rozsyłu światłości diody wynosi od kilku do ok.
130°, co ułatwia skierowanie strumienia świetlnego w wymaganym
kierunku.
innym przykładem oświetlenia wykorzystującego diody led jest
zewnętrzne oświetlenie słupowe. oświetlenie tego typu (umieszczo-
ne na słupie o wysokości ok. 3 m) można wykorzystać do oświet-
lenia alejek w parkach, reprezentacyjnych miejsc w miastach, jak
i oświetlenia użytkowego mostów i dróg.
iluminacja budynków lampami led pozwala na uzyskanie efek-
tów świetlnych, które dotychczas – przy użyciu klasycznych lamp
– były zbyt kosztowne. Przykładem zastosowania tych źródeł świat-
ła może być Pałac buckingham w londynie, gdzie zastosowano 59
opraw typu led. koszt instalacji wyniósł ok. 37 tys. funtów, lecz
godzina pracy takiego systemu kosztuje niecałe pół euro.
Podsumowanie
●
ciągły rozwój technologii led pozwala na stwierdzenie, iż
w niedalekiej przyszłości diody te staną się jednym z podstawowych
źródeł światła wykorzystywanych w oświetleniu. w porównaniu ze
standardowymi źródłami światła, diody led charakteryzują się
większą skutecznością świetlną, co oznacza, że są bardziej ekono-
miczne.
●
diody led zdecydowanie wyróżniają się spośród pozostałych
źródeł światła długością życia. w zależności od poziomu generowa-
nego promieniowania, mogą w praktyce świecić od 50 tys. do 100
tys. godzin.
●
diody led są bardzo wytrzymałe mechanicznie na uderzenia,
drgania, wstrząsy, wibracje oraz oddziaływanie otoczenia, takie jak
wysokie i niskie temperatury. jest to możliwe dzięki zwartej budo-
wie oraz wynika z braku części szklanych i żarników. umożliwia to
stosowane ich wszędzie tam, gdzie do tej pory instalacja oświetlenia
była niemożliwa lub znacznie utrudniona.
●
małe zużycie energii przez diody led zostało potwierdzone
m.in. w stanach zjednoczonych i w kanadzie. oszczędności energii
uzyskane dzięki zastosowaniu omawianych źródeł światła są szaco-
wane w tych krajach na miliardy kilowatogodzin.
literatura
[1] abramik s., władziński w.: nowoczesne systemy oświetleniowe z diodowymi
źródłami światła. gdańskie dni elektryki, oddział gdański seP, 2006
[2] konieczny g.: diody led w oświetleniu budynków mieszkalnych i użyteczności
publicznej. Elektrosystemy 2007 nr 1
[3] sadowski P.: zasilanie diod led. Elektroinstalator 2006 nr 11
[4] schnitzer k.: diody świecące. Informator Światło. dodatek do miesięcznika Elek-
troinstalator, warszawa 2004
[5] wilanowski a.: led know–how. www.lighting.pl
[6] zaremba k.: diody oświetleniowe led. Biuletyn Oddziału Białostockiego SEP
2005 nr 23
rys. 4. zmiany strumienia świetlnego diod w czasie,
dla czterech różnych prądów sterujących [4]:
1
– pomarańczowy – 20 ma, 2 – granatowy – 50 ma,
3
– fioletowy – 80 ma, 4 – żółty – 100 ma