plik

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

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

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

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

150

200

czas życia [tys. godz.]

>20

>100

strumień świetlny [lm/lampę]

200

1000

1500

1200

3400

moc wejściowa [w/lampę]

2,7

6,7

7,5

Rok LXXV 2007 nr 10

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,

– fioletowy – 80 ma, 4 – żółty – 100 ma