Jak działają lampy LED?

Skąd się wzięło oświetlenie LED, czym jest i jak zmieni projektowanie systemów oświetleniowych w budynkach mieszkalnych i obiektach handlowych. Czy ta nowa technologia całkowicie wyprze z rynku dotychczasowe źródła światła?

Co to jest lampa LED?

Lampa LED to elektroniczne urządzenie półprzewodnikowe o określonym składzie materiałowym, które pod wpływem przepływającego przez nie prądu emituje światło. Pierwszą możliwą do zastosowania w praktyce czerwoną lampę LED, wytwarzającą światło o spektrum widzialnym dla ludzkiego oka, opracowano w 1962 roku. Późniejsze badania pozwoliły stworzyć pomarańczowe, żółte, zielone, niebieskie i fioletowe układy scalone LED. Największym wyzwaniem technologicznym było zwiększanie wytwarzanej ilości światła w stosunku do energii dostarczanej do lampy diodowej.

W przypadku ogólnego oświetlenia w budynkach, głównym celem producentów lamp LED jest odtworzenie spektrum światła słonecznego. Ludzki wzrok jest przystosowany do widzenia właśnie tego tzw. „białego” światła.

Lampy LED można wykorzystać do generowania białego światła na dwa sposoby. Lampa może się składać z czerwonego, zielonego i niebieskiego źródła światła LED – źródła te w połączeniu emitują światło białe. Bardziej popularną metodą w przypadku oświetlenia ogólnego zastosowania jest użycie niebieskich źródeł światła LED i pokrycie ich związkami chemicznymi, znanymi jako luminofory, które zmieniają spektrum światła. Dzięki wykorzystaniu kilku powłok, widmo światła można upodobnić do tego emitowanego przez słońce. Każda warstwa luminoforu redukuje oczywiście strumień świetlny, a zatem głównym celem ciągłych prac rozwojowych jest uzyskanie idealnej równowagi pomiędzy poziomem i barwą emitowanego światła. Źródła fioletowego światła LED, opracowane i opatentowane przez Mitsubishi Chemical Corporation pod marką Verbatim, dają nadzieję na znaczną poprawę obu tych parametrów.

Co odróżnia lampy LED od innych?

Typowa 100-watowa żarówka - najbardziej rozpowszechnione źródło światła - emituje 17 lumenów światła widzialnego na każdy wat zużywanej energii elektrycznej. Określa się to jej „skutecznością” świetlną.

Lampy halogenowe są bardziej wydajne, a ich skuteczność sięga 30 lumenów na wat. Lampy te wytwarzają szerokie spektrum światła, którego długość fali jest przesunięta w kierunku niebieskiego krańca widma. O tego typu świetle mówi się, że ma stosunkowo wysoką „temperaturę barw”. Lampy o takiej charakterystyce spektrum często określa się jako „chłodne białe”, gdyż kolor niebieski postrzegamy jako zimny, a czerwony - jako ciepły.

Lampy fluorescencyjne są najczęściej spotykane w biurach i obiektach przemysłowych. Świetlówki kompaktowe (CFL) są szeroko, choć z ograniczonym powodzeniem, reklamowane jako energooszczędna alternatywa dla zwykłych żarówek. Ich skuteczność świetlna waha się zazwyczaj od 60 do 80 lumenów na wat. Jednak większość z nich nie pozwala regulować natężenia światła, emituje zimne światło, w którym kolory wyglądają nienaturalnie, a także powoli się nagrzewa. Co więcej, zawierają one rtęć, która jest metalem trującym. Emitujące ciepłą biel wersje o regulowanym natężeniu światła są droższe, ale również mają pozostałe, wyżej wymienione wady.

Techniczne wyzwania przy rozwoju lamp LED

Z produkcyjnego punktu widzenia wyzwaniem było opracowanie takich lamp LED, których cenę konsumenci byliby gotowi zaakceptować.

Wydajność lamp diodowych w dużym stopniu zależy od użytych materiałów. Niemal wszystkie dzisiejsze lampy LED do ogólnych zastosowań, w celu wygenerowania światła zbliżonego do białego wykorzystują niebieskie chipy LED z żółtymi luminoforami, choć zielona część widma jest raczej przytłumiona.

Oczywiście lampa LED to nie tylko chip. Każda dioda emitująca światło musi być zasilana prądem stałym (DC), podczas gdy w instalacjach elektrycznych budynków płynie prąd zmienny (AC) o znacznie wyższym napięciu niż wymagane przez układy LED. Przemianą steruje obwód konwersji i kontroli zasilania. Większość lamp LED do ogólnych zastosowań zaprojektowano do pracy pod napięciem 110 V - 115 V AC lub 220 V - 240 V AC. Jednak niektóre z nich mają zastąpić inne 12-woltowe lampy kierunkowe i działają pod napięciem 12 V DC.

Chipy LED są zamontowane w module elektronicznym, a cały zespół jest zabezpieczony pokrywą z przezroczystego szkła lub plastiku, która równomiernie rozprasza światło i minimalizuje oślepianie. W przypadku oświetlenia kierunkowego w pokrywie znajdują się soczewka, która skupia strumień światła, oraz reflektory za źródłem światła do jego kierowania. Niezbędne jest efektywne rozproszenie ciepła odpadowego, dlatego w lampę musi być wbudowany jakiś radiator. Ponadto lampa musi być podłączona do sieci elektrycznej za pośrednictwem styków na jej cokole. Aby spełnić wymogi wielkiego rynku artykułów do modernizacji, producenci lamp LED wykorzystują cokoły pasujące do standardowych gniazd.

Elektroniczne moduły do konwersji napięcia i sterowania, zwykle określane jako obwody sterowania LED, są najsłabszym ogniwem w większości lamp diodowych. Krytycznym czynnikiem określającym ogólną wydajność lampy jest również konstrukcja sterownika LED. Same moduły sterujące mają zwykle wydajność od 80% do 90% podczas pracy przy pełnym obciążeniu, tj. gdy lampa LED świeci z maksymalną jasnością.

Dlaczego rośnie popularność lamp LED

Doświadczenia użytkowników z kompaktowymi świetlówkami często nie były najlepsze, czego efektem było wolne przyjmowanie się tej technologii. W międzyczasie lampy LED stały się jaśniejsze i świecą ze skutecznością do 50 lumenów na wat. Oferują one światło przyjemniejsze dla oka, są odporne na uszkodzenia mechaniczne i dostępne w różnych oprawkach, dzięki czemu łatwo zastępować nimi konwencjonalne żarówki. Ponadto najnowsze lampy LED pozwalają na regulację natężenia światła, a w Japonii dostępne są już lampy z przestrajalną intensywnością barw, w tym - zdolne do różnicowania ciepła światła białego. Co najważniejsze, argument ekonomiczny jest teraz nie do odparcia. Choć wysokiej jakości lampy LED wciąż kosztują znacznie więcej niż tradycyjne żarówki, to przy spodziewanej żywotności na poziomie co najmniej 30 000 godzin i oszczędności energii rzędu 75–80% dzięki ich wyższej skuteczności początkowa inwestycja zwraca się w akceptowalnym czasie. Ten ekonomiczny argument jest jednak trafiony tylko wówczas, jeśli zostanie osiągnięta założona żywotność. Jeżeli lampę trzeba wymienić po 15 000 godzin pracy, to koszt oświetlenia w danym okresie znacznie wzrasta.

Jak określić jakość i niezawodność

Jak już wspomnieliśmy, najważniejsze czynniki określające jakość i niezawodność lamp LED nie są widoczne, gdy oglądamy lampę z zewnątrz. Największy wpływ na niezawodność mają jakość samych diod, konstrukcja sterowników oraz jakość komponentów użytych w tych obwodach, a także wydajność obudów lamp w rozpraszaniu ciepła. Zazwyczaj jednak produkty wyglądające solidnie mają równie starannie zaprojektowane obwody elektroniczne, więc dokładne ich obejrzenie może być pomocne. Sam wygląd produktu najczęściej odzwierciedla podejście do jego projektowania i sposobu produkcji.

Aby ocenić jakość, warto starannie porównać specyfikacje, zwłaszcza w odniesieniu do skuteczności świetlnej i deklarowanej żywotności. Jeśli jakaś nieznana marka deklaruje wartości dotyczące wydajności i niezawodności, które znacznie przekraczają wymogi, należy dokładniej zbadać prawdziwość tych danych.

Dostępność, ekonomiczność i jakość lamp LED

Oferta lamp LED będzie w najbliższych latach poszerzana, jednak większość dużych dostawców wytwarza produkty na rynek artykułów do modernizacji, więc w pierwszej kolejności wprowadzają oni wyroby z najbardziej typowymi oprawkami. Skuteczność świetlna osiągnęła taki poziom, że dostępne są już lampy mogące zastępować tradycyjne 40-watowe żarówki, natomiast wymiana żarówek do 100 W powinna być możliwa przed 1 września 2012 roku, gdy wszystkie konwencjonalne żarówki zostaną wycofane zgodnie z ustawodawstwem UE.

ierwsze lampy LED nie miały regulowanej intensywności świecenia. Dzisiejsze produkty mogą już być przyciemniane przy użyciu standardowych regulatorów przeznaczonych do użytku z konwencjonalnymi żarówkami.

Obecna żywotność wysokiej jakości lamp LED mieści się zwykle pomiędzy 15 000 a 45 000 godzin. Ogólnie rzecz biorąc, mniejsze lampy diodowe, takie jak lampy świecowe, mają niższą żywotność, gdyż pracują w wyższych temperaturach. Jeśli lampa jest używana przez sześć godzin dziennie, 35 000 godzin oznacza 16 lat eksploatacji. Niewielu konsumentów jest zainteresowanych dłuższą żywotnością i nawet, gdy takie lampy kosztują 20 - 30 razy więcej niż żarówki, trudno nie zauważyć wyższej opłacalności zakupu lamp diodowych. Lampy LED niskiej jakości, które mogą przestać działać znacznie wcześniej, nie oferują atrakcyjnego wskaźnika zwrotu z inwestycji, gdyż należy uwzględnić koszty ich wymiany.

W ciągu kilku najbliższych lat lampy LED powinny zastąpić większość innych form oświetlenia w domach i obiektach komercyjnych. Lampy diodowe obniżają nie tylko koszty energii, lecz także wymagania eksploatacyjne oraz oferują nowe możliwości budowy ciekawych instalacji oświetleniowych.