ElEktronika 9/2010
145
Biało-świecące diody LED rewolucjonizują technikę
oświetleniową
prof. dr hab. inż. BOHDAN MROZIEWICZ
Instytut Technologii Elektronowej, Warszawa
Obszar zastosowań diod elektroluminescencyjnych (LED)
nieustannie się poszerza i nie ma obecnie wątpliwości, że
w niedalekiej przyszłości będą to podstawowe źródła światła
w urządzeniach oświetlających i sygnalizacyjnych. Ich uzupeł-
nieniem mogą być ewentualnie organiczne diody elektrolumi-
nescencyjne (OLED), lecz technologia produkcji tych ostat-
nich wymaga jeszcze dodatkowych prac badawczych.
Ogólnie biorąc, pole zastosowań LED można podzielić na
trzy grupy. Pierwsza obejmuje diody służące do sygnalizacji.
Są to diody emitujące światło o barwach rozciągających się
na całe widmo promieniowania widzialnego od barwy niebie-
skiej do czerwonej oraz światło białe. Grupa druga obejmuje
diody emitujące promieniowanie niewidzialne dla oka, odpo-
wiednio podczerwone i ultrafioletowe. Diody tej grupy służą
w pierwszej kolejności do transmisji informacji lub znajdują
specyficzne zastosowania np. w medycynie.
Szczególnie dużego znaczenia nabrała jednak ostatnio
trzecia grupa diod LED, do której należą diody emitujące
światło białe służące do podświetlania wyświetlaczy LCD
(z ciekłymi kryształami), w tym monitorów, ekranów telewizyj-
nych i telefonicznych oraz diod wbudowanych w duże oprawy
i służące do oświetlania ulic, innych obiektów zewnętrznych
oraz wnętrz domowych.
O dużym i wciąż rosnącym znaczeniu diod LED emitujących
światło białe decyduje kilka czynników, a wśród nich takie jak:
• Biało-świecące diody LED charakteryzują się bardzo wy-
soką skutecznością świetlną dochodzącą do 200 lm/W [1],
a w przyszłości parametr ten może osiągnąć wartość 250 lm/
W (rys. 1). Chociaż w praktyce, po wbudowaniu do oprawy,
wyroby rynkowe mają skuteczność świetlną rzędu 100…150
lm/W ich sprawność energetyczna i tak jest znacznie więk-
sza niż żarówek (8%) i co najmniej porównywalna ze spraw-
nością źródeł fluorescencyjnych (25%). Zastosowanie LED
do oświetlenia ogólnego pozwala więc na znaczne oszczęd-
ności w zużyciu energii elektrycznej, a tym samym na obni-
żenie poziomu emisji szkodliwych gazów w tym CO
2
.
• Diody LED wykazują sprawdzoną trwałość rzędu 35 000
godzin do 50 000 godzin [2] uważa się jednak, że może ona
dojść nawet do 100 000 godzin [3]. Wysoka trwałość diod
prowadzi do znacznych oszczędności energii potrzebnej
do produkcji źródeł światła w zestawieniu z żarówkami, dla
których czas życia wynosi ok.1000 godzin. Fakt, że lampy
LED mogą pracować kilkadziesiąt razy dłużej niż lampy
z żarówkami ma oczywisty wpływ na koszty oświetlenia.
• Biało-świecące diody LED nie zawierają rtęci występującej
w lampach fluorescencyjnych, której utylizacja pociąga za
sobą znaczne koszty.
• światło emitowane przez biało-świecące diody LED może
mieć barwę kontrolowaną przez producenta i szczególnie
korzystną dla oka (np. temperatura barwowa może być
rzędu 3500 K, patrz definicje w ref. [4, 5]), a charaktery-
styka widmowa tego światła nie zawiera szkodliwego pro-
mieniowania krótkofalowego występującego w źródłach
fluorescencyjnych.
• Konstrukcja diod LED z założenia prowadzi do miniatury-
zacji źródeł światła, co może być wykorzystane do celów
dekoracyjnych w tym architektonicznych.
Podział rynku na poszczególne grupy zastosowań diod
LED nie odzwierciedla jeszcze w pełni znaczenia segmentu
diod służących do oświetlenia ogólnego jak pokazuje to rys. 2a
dotyczący roku 2009, ale prognozy przewidują, że proporcje
te będą ulegały zmianom w kierunku zasygnalizowanym na
wykresach z rys. 2b i rys. 3. Perspektywy na największy rynek
zbytu biało-świecących LED wiążą się z ich zastosowaniem
do podświetlania ekranów telewizyjnych. Zastosowanie to
pojawiło się w roku 2004 i zostało wprowadzone przez firmę
Sony, ale prawdziwego rozmachu nabrało w roku 2008 po
włączeniu się do tej technologii firmy Samsung, która zasto-
sowała biało-świecące diody z luminoforem w miejsce diod
RGB (Red, Green, Blue). Obecnie przewiduje się, że w latach
2009–2014 rozwój rynku monitorów TV spowoduje aż 5-krot-
ny wzrost zapotrzebowania na niebiesko-świecące diody LED
Rys. 1. Prognozy wzrostu skuteczności świetlnej biało-świecą-
cych diod LED oparte na dotychczas osiągniętych wynikach la-
boratoryjnych i produkcyjnych [1]
Fig. 1. White LED package efficacy targets, laboratory and com-
mercial [1]
Rys. 2. Podział rynku zbytu biało-świecących diod LED według
ich zastosowań; a) w roku 2009, b) przewidywany na rok 2012
[6]
Fig. 2. Market shares for white LEDs; a) recorded in 2009, b) ex-
pected for 2012 (after [6])
ElEktronika 9/2010
146
i wartość tego rynku osiągnie poziom 6 mld USD rocznie [8].
Przyczyną opisywanej sytuacji była początkowo możliwość
podwyższenia kontrastu obrazów na monitorze poprzez lo-
kalne zmiany światłości ekranu. Ekrany LCD były wówczas
oświetlane przez matrycę diod LED, których światłość można
było dowolnie kontrolować zmieniając natężenie prądu zasi-
lania. Wadą tego rozwiązania była konieczność użycia bar-
dzo dużej liczby diod i związana z tym wysoka cena nowego
ekranu. Problem obecnie rozwiązano przez zastosowanie
odpowiedniej optyki i oświetlenie krawędziowe, co nie tylko
zmniejsza liczbę użytych diod, ale pozwala także na znaczne
zmniejszenie grubości ekranu.
Szybkiemu wzrostowi rynku biało-świecących diod LED
służących do celów oświetleniowych (rys. 4) sprzyjają bez
wątpienia inicjatywy rządowe podejmowane w wielu krajach
świata w celu osiągnięcia założonych celów ekologicznych
i gospodarczych. Dla przykładu, znaczna część europejskich
dyrektyw dotyczących polityki i aktywności Komisji Europej-
skiej jest stymulowana przez cele wytyczone do osiągnięcia
w roku 2020 w zakresie klimatu i energii. Sprowadzają się
one do zredukowania emisji gazów cieplarnianych o 20%
oraz do zmniejszenia zużycia energii o 20% przy jednoczes-
nym osiągnięciu poziomu generacji elektryczności ze źródeł
odnawialnych o 20% [10]. Jednak poprawa końcowej spraw-
ności energetycznej u odbiorców tej energii jest uznawana za
najszybszą i najtańszą drogę do redukcji emisji CO
2
w roku
2020. Odpowiedzialne za 10% końcowego zużycia energii
elektrycznej w 27 krajach UE, w roku 2007 było oświetlenie.
Składało się na to zużycie 84 TWh/rok na oświetlenie ze-
wnętrzne miejsc zamieszkałych, 164,5 TWh/rok na tzw. trze-
ciorzędne oświetlenie wewnętrzne pomieszczeń (biura, szkoły
oraz przemysł) z wyłączeniem gospodarstw domowych oraz
36 TWh/rok na oświetlenie ulic. W marcu 2009 roku Komisja
Europejska przyjęła Eco-Design Regulation w celu poprawy
sprawności energetycznej oświetlenia w gospodarstwach
domowych. Program ten będzie zakończony z końcem 2012
roku. Stosuje się on do lamp nie-kierunkowych (bez reflekto-
rów) i w konsekwencji jego realizacji mają zniknąć z rynku ża-
rówki o mocy przekraczającej przyjęte ograniczenia [11–13].
Podobne decyzje podejmowane są również w innych rejonach
świata, np. przez Kongres USA (programy Energy Star and
Title 24 in California) [14, 15] Niedawne doniesienia zawierają
informację, że amerykański Department of Energy (US DOE)
przyjął za wytyczne osiągnięcie liczb podanych w tabeli.
Rys. 3. Prognozy wzrostu rynku na diody HB-LED w tym diod
biało-świecących stosowanych do podświetlania ekranów LCD
i oświetlenia [7]
Fig. 3. History and market forecast for white HB-LEDs used for
backlighting. Diagram shows separately market forecast for
LEDs to be used for backlighting LCD monitors including note-
books [7]
Rys. 4. Prognozy wzrostu przychodów z tytułu sprzedaży lamp
zawierających biało-świecące diody LED [9]
Fig. 4. Market outlook for solid-state lighting, showing revenue
for LED based luminaires and replacement lamps (after [9])
Przyjęte przez US DOE założenia odnośnie rozwoju techniki oświet-
leniowej w latach 2009–2020 [16]
2009
2010
2012
2015 2020
Cool white efficacy (lm/W)
113
134
173
215
243
Cool white price ($/klm)
25
13
6
2
1
Warm white efficacy (lm/W) 70
88
128
184
234
Warm white price ($/klm)
36
25
11
3,3
1,1
Cool white oznacza temperaturę barwową 4746–7040 K oraz indeks CRI
70–80
Warm white oznacza temperaturę barwową 2580–3710 K oraz indeks CRI
80–90.
Liczby dotyczą pomiarów przeprowadzanych w temperaturze 25°C przy
gęstości prądu 35 A/cm
2
. Czas życia LED określany jako L
70
ma wynosić
50 000 godzin (definicje wyjaśniono w tekście dalej)
Administracja miasta Taipei (Taiwan) podjęła decyzję
o zastąpieniu w najbliższym czasie 140 000 lamp ulicznych
ze źródłami klasycznymi przez lampy zawierające diody LED
[6]. Równie agresywny jest program modernizacji oświetlenia
przyjęty przez rząd chiński, który rozwój produkcji diod LED
uznał za priorytet narodowy. W tym celu, w 21 miastach przy-
gotowano projekty wprowadzenia oświetlenia za pomocą diod
LED, aby pokazać jego zalety i wytypowano 7 regionów w kra-
ju, w których będzie rozwijana produkcja diod LED [17].
Biało-świecące diody LED w zastosowaniu
do oświetlenia
Dobrze przemyślany projekt oświetlenia zarówno zewnętrz-
nego jak i wewnętrznego, musi odpowiadać potrzebom wi-
dzialności, wymogom estetycznym oraz szeroko rozumia-
nej ekonomii, w tym sprawności energetycznej. Dodatkowo,
oświetlenie zewnętrzne musi spełniać jeszcze pewne unikal-
ne wymogi związane z tym, że jest ono stosowane w nocy.
W zależności od konkretnej sytuacji mogą być również sta-
wiane wymagania, aby zapewniało ono poczucie pewności
i bezpieczeństwa. Oświetlenie mające na celu zapewnienie
bezpieczeństwa powinno ułatwiać wykrywanie i identyfikację
ludzi zwierząt i obiektów. Poza zastosowaniami oczywistymi
takim jak oświetlenie dróg czy ulic wymienić tu można parkingi
samochodowe, stacje kolejowe czy magazyny. W przypadku
tych ostatnich występują dwie opcje. Można jasno oświet-
lić cały teren zapewniając, co najmniej podwójne natężenie
oświetlenia w stosunku do otaczającego terenu, albo też
utrzymywać oświetlenie na niskim poziomie natężenia, lecz
ElEktronika 9/2010
147
bardzo jasno oświetlić wyjścia w taki sposób, aby wywoły-
wać efekt olśnienia i wrażenie, że miejsce to jest szczególnie
pilnie obserwowane. To drugie rozwiązanie musi być jednak
analizowane pod kątem omówionego niżej „zanieczyszczenia
ekologicznego”.
Dobrze zaprojektowane oświetlenie zewnętrzne może
przyciągać przechodniów przyczyniając się do promocji
centrów handlowych, ośrodków kulturalnych lub wypo-
czynkowych, jak również wyjątkowej architektury i staje się
w ten sposób elementem witalizacji ekonomicznej danego
obszaru. Pod uwagę w tym przypadku należy brać nie tyl-
ko skuteczność oświetlenia i jego natężenia w stosunku do
otoczenia, ale również jego formę i barwę. Ta ostatnia ma
znaczenie szczególne zważywszy, że kolor skóry ludzkiej
jest funkcją widma padającego na nią światła i w pewnych
warunkach może być odpychający. Wszystko to powinno być
zapewnione przy jednoczesnym ograniczeniu „zanieczysz-
czenia” środowiska nadmiernym światłem. Problemy tech-
niki oświetleniowej wykraczają zatem znacznie poza same
diody LED i występujący tu kompleks zagadnień obejmu-
je także kształt i konstrukcję opraw w tym ich optykę i od-
prowadzanie ciepła, oraz zasilanie lamp i jego sterowanie.
Wybrane szczegóły dotyczące biało-świecących diod LED,
mechanizmu ich działania i właściwości, opisano w Ramce
A. Ważniejsze definicje parametrów fotometrycznych wyjaś-
niono w Ramce B.
Problem widzialności i komfortu
wzrokowego w warunkach oświetlania
lampami, w których źródłem światła są
diody LED
Widzialność zależy od poziomu natężenia oświetlenia i jed-
norodności jego rozkładu oraz kontrastu między obszarem
oświetlonym i nieoświetlonym. Zdolność widzenia może być
chwilowo osłabiona przez efekty wzrokowe związane z prze-
mieszczaniem się obserwatora z miejsca jasnego do ciem-
nego. W konkluzji, oświetlenie zewnętrzne powinno zapewnić
natężenie oświetlenia i poziom jego jednorodności właściwy
dla danego zastosowania pozwalający na akceptację wizu-
alną w sytuacji, kiedy poruszamy się pomiędzy obszarami
jaśniejszymi i ciemniejszymi. W kategoriach kontrastu, różni-
ce w natężeniu oświetlenia obiektów ze sobą sąsiadujących
w zestawieniu z natężeniem oświetlenia otoczenia powinny
być odpowiednie do konkretnego celu zastosowania lamp
oświetlających. Szczególnie dyskomfortowe i obniżające
widoczność może okazać się zjawisko olśnienia wywołane
przez samo źródło światła, lub światło odbite od powierzchni
otaczających to źródło obiektów np. od szyb okiennych i mo-
krych chodników. Jednoczesne oświetlenie całej powierzchni
pomaga ten efekt zmniejszyć lub wyeliminować, podczas gdy
ekranowane odpowiednio oprawy świetlne mogą zminimalizo-
wać olśnienie pochodzące od źródeł światła.
Skuteczność spełnienia sprecyzowanych wyżej wymagań
powinna być poddawana ocenie za pomocą odpowiednich po-
miarów fotometrycznych. Konwencjonalna fotometria jest op-
arta jedynie na funkcji fotopowej skuteczności świetlnej (patrz
Ramka B), co może skutkować w niewłaściwej wzrokowej
ocenie efektywności i energetycznej sprawności niektórych
źródeł światła stosowanych zewnętrznie w warunkach noc-
nych. Ogólnie rzecz biorąc pozostaje niejasne, która z funkcji
skuteczności świetlnej – fotopowa, skotopowa, czy ich kom-
binacja powinny być użyte, aby charakteryzować mezopowe
zastosowania oświetleniowe.
Przyjęty obecnie w technice oświetleniowej standardowy
system kolorymetryczny jest wprawdzie szeroko stosowa-
ny, ale zawiera poważne wady w odniesieniu do oświetle-
nia wykorzystującego jako źródło diody LED. Nowy stan-
dard kolorymetryczny ma być oparty na fizjologii czopków
wzrokowych, w tym przypadku ich funkcji odpowiedzialnej
za czułość widmową i postrzeganie kolorów. Pracuje nad
nim obecnie Komitet Techniczny CIE (Commission Interna-
tional de L’Eclairage) pod nazwą TC1-36 [10]. Nowy system
ma być zasadniczo różny od istniejącego, w szczególności
w zakresie spektralnym światła niebieskiego. Uważa się, że
wady ma również standard dotyczący wskaźnika CRI (Co-
lor Rendering Index) za pomocą, którego określa się naj-
dokładniejsze podobieństwo kolorów przy oświetleniu refe-
rencyjnym. Ma on być zastąpiony wskaźnikiem określanym
jako „wskaźnik wierności koloru”, który ma jednocześnie
uwzględniać preferencje kolorystyczne ludzkiego oka. Jest
to koncepcja bardziej złożona, lecz lepiej odzwierciedlająca
zjawisko generacji światła białego przez luminofor pobudza-
ny światłem fioletowo-niebieskim. Nad zmianami tymi pra-
cuje grupa CIE 1-69 [10].
Podobne prace standaryzacyjne prowadzone są również
w USA. Amerykańska Agencja LRC (Lighting Research Cen-
ter
, Troy, NY) stwierdziła w wyniku przeprowadzonych eks-
perymentów, że przez zastosowanie tzw. „zunifikowanego sy-
stemu fotometrycznego” (Unified System of Photometry) dla
oświetlenia ulicznego, może być ono zaprojektowane w taki
sposób, że osiąga się obniżenie zużycia energii elektrycznej
zachowując przy tym polepszoną percepcję i widzialność.
To ostatnie przekłada się bezpośrednio na bezpieczeństwo
i ochronę. System ten został zaprojektowany w taki sposób
aby móc charakteryzować światło na dowolnym poziomie na-
tężenia oświetlenia włącznie z poziomem mezopowym [18].
Wszyscy zgadzają się, że nowy system fotometryczny móg-
łby lepiej niż obecny charakteryzować skuteczność oświetle-
nia w warunkach nocnych, nie jest na razie jednak jasne czy
w tej sytuacji CIE wyda własną wersję zunifikowanej fotometrii
dla oświetlenia zewnętrznego, czy też dojdzie do wspólnych
uzgodnień w tej sprawie.
Jak dotąd brak jest także oficjalnie zaakceptowanej kate-
goryzacji lamp ulicznych (i innych), zawierających jako źród-
ła światła diody LED, pod względem wielkości emitowanego
strumienia. Dotychczas przyjęte normy określają ten strumień
w kategoriach zużywanej mocy elektrycznej wyrażanej w wa-
tach. Zastosowanie diod LED dramatycznie zmienia skutecz-
ność świetlną (lm/W) takich lamp, co rzutuje na ich sprawność
energetyczną. Wobec braku innych rozwiązań, na okres przej-
ściowy przyjęto za miarę strumienia emitowanego przez lam-
py z diodami LED moc wyrażaną w watach, przy założeniu,
że strumień świetlny odpowiada temu, który jest generowany
przez źródła klasyczne. Dodatkowo podawana jest często
również faktyczna moc elektryczna pobierana przez lampę
z sieci o nominalnym napięciu 220…240 V, co ma uzmysłowić
uzyskiwaną oszczędność. Niestety z reguły brakuje informacji
na temat barwy emitowanego przez lampę światła.
Zagadnienie ekologicznego zanieczyszczenia
światłem
Problem zanieczyszczenia atmosfery ziemskiej sztucz-
nym oświetleniem dostrzeżono niedawno, gdy obserwacje
przeprowadzone z pokładu satelitów uwidoczniły skalę tego
zjawiska i rozkład nocnego oświetlenia powierzchni plane-
ty, a ekolodzy podjęli badania nad destrukcyjnym wpływem
tego zjawiska na jej przyszłość. Pod względem technicznym
rozróżnia się 3 objawy zanieczyszczenia, o którym mowa.
Są to: jarzenie nieba, przekraczanie światła (Light trespass)
i olśnienie.
ElEktronika 9/2010
148
Jarzenie nieba polega na jego rozjaśnianiu, które powodu-
je, że przestają być widoczne gwiazdy. Jest ono między inny-
mi powodowane przez skierowane ku górze oprawy lamp lub
przez światło odbite od oświetlonych obiektów. Stopień jarze-
nia nieba zależy od położenia geograficznego źródeł światła,
warunków pogodowych, ilości kurzu w powietrzu bliskim po-
wierzchni ziemi i innych zanieczyszczeń powietrza, a także
zawartości pary wodnej i gazów w atmosferze. Stopień jarze-
nia nieba może być wskaźnikiem energii traconej na naszej
planecie.
Zjawisko „przekraczania” światła występuje wówczas, gdy
światło przenika do obszarów, których oświetlenie jest niepo-
żądane lub niepotrzebne. Czynniki, od których to zależy mogą
być dyskusyjne, lecz odpowiednie ukierunkowanie i ekrano-
wanie strumienia świetlnego może skutecznie temu zapobiec,
co powinno być brane pod uwagę przy projektowaniu opraw
lampowych.
Olśnienie jest odczuciem wzrokowym spowodowanym
przez nadmierne i niekontrolowana jaskrawość źródła światła
i może rozciągać się od dyskomfortu wzrokowego do pełnego
oślepienia. Jest to zagadnienie niezwykle poważne w przy-
padku stosowania w lampach diod LED. Wynika to stąd, że
nowoczesne diody LED charakteryzują się bardzo wyso-
ką światłością, a ich konstrukcja zachęca do do stosowania
w oprawach optycznych elementów skupiających takich jak
soczewki. Uzyskuje się dzięki temu wymagany lokalnie po-
ziom natężenia oświetlenia, ale skierowanie wzroku na taką
lampę może prowadzić do znacznego olśnienia.
Szczególny problem dotyczy jednak zagrożenia stwarza-
nego dla ludzi i świata zwierzęcego przez fakt, że światło
emitowane przez większość diod LED jest w istocie światłem
biało-niebieskim o temperaturze barwowej ok. 5500 K, a cha-
rakterystyka spektralna wykazuje znaczny komponent światła
niebieskiego (rys. 5). Stwierdzono, że światło o takim widmie
zagraża widzialności w nocy i naraża na niebezpieczeństwo
środowisko naturalne. Problem wynika to z faktu, że diody
elektroluminescencyjne w istocie generują światło fioletowo-
niebieskie, a na światło białe przetwarzają je dopiero specjal-
ne luminofory. Biało świecące diody LED można wprawdzie
uzyskać również umieszczając we wspólnej obudowie 3 chipy
LED RGB [5], ale jest to rozwiązanie kosztowniejsze i dlatego
obecnie rzadko stosowane.
Tymczasem niebieski komponent światła białego tylko
w niewielkim procencie jest potrzebny do fotopowego wi-
dzenia przez ludzkie oko. Natomiast niebieskawe światło
jest w wysokim stopniu źródłem zanieczyszczenia światłem
ze znaczny skutkiem środowiskowym. Lampy emitujące
takie światło powodują wzrost olśnienia w szczególności
w przypadku oka, które jest w zaawansowanym wieku.
Krótkofalowe światło nieproporcjonalnie zwiększa też jarze-
nie się nieba. W dodatku, niebieskawe światło ma większą
tendencję do oddziaływania na żywe organizmy poprzez
dezorganizację ich biologicznych procesów, które opierają
się na naturalnych cyklach światła dziennego i ciemności
nocnej. Nowe źródła nie muszą być aż tak szkodliwe pod
warunkiem stosowania diod LED o widmie przesuniętym
w kierunku niższej temperatury barwowej. Zaleca się, aby
temperatura ta była niższa od 3000 K. Technologia takich
LED jest już znana. Ostatnio reklamowano np. takie diody
pochodzące z produkcji firmy Osram Semiconductors oraz
Cree. Sprawa nabiera znaczenia i jest propagowana np.
przez organizację IDA (International Dark-Sky Association,
Tucson, USA), która zaleca, aby producenci lamp oświetle-
niowych stosowali diody LED o zredukowanej emisji w za-
kresie widma poniżej 500 nm [19]. Można oczekiwać, że
inicjatywy te zakończą się procesem legislacyjnym i zosta-
ną przyjęte jako normy.
Zagadnienia odprowadzania ciepła
generowanego przez diody LED
i problemy ich zasilania
Sprawą znacznie łatwiejszą, a jednocześnie bardziej oczywi-
stą, od omówionej wyżej sprawy barwy emitowanego światła,
jest rozwiązanie problemu odprowadzania ciepła generowa-
nego w diodach. Jest to zagadnienie niezmiernie ważne z kil-
ku powodów, w tym zależności luminancji LED od tempera-
tury, ale przede wszystkim w związku z czasem życia diod.
Pod tym ostatnim pojęciem rozumiemy liczbę godzin przepra-
cowanych przez diodę do momentu spadku generowanego
przez nią strumienia świetlnego do poziomu 70% wartości po-
czątkowej. Parametr ten określany jest symbolem L
70
. Bada-
nia prowadzone przez firmę Cree (USA) − jednego z najbar-
dziej znaczących producentów wysokiej jakości chipów i diod
LED wykazały, że zahamowanie procesu starzenia się diod,
wyrażające się spadkiem strumienia świetlnego w czasie
życia czynnej diody, jest uzależnione od temperatury złącza
p-n, wielkości natężenia prądu zasilającego oraz temperatury
Rys. 5. Charakterystyka widmowa LED emitujących światło bia-
ło-niebieskie o temperaturze barwowej ok. 5500 K w zestawieniu
z charakterystykami czułości ludzkiego oka dla widzenia fotopo-
wego i skotopowego [19]
Fig. 5. Spectral characteristics measured for white „cool” LED
(temperature 5500 K) superimposed on luminous efficiency of
eye for photopic and scotopic vision [19]
Rys. 6. Zależność między wielkością czasu życia diod LED okre-
ślonego przez parametr L
70
, a temperaturą otoczenia diody [20]
Fig. 6. LED lifetime curves L
70
versus ambient temperature [20]
ElEktronika 9/2010
149
powietrza otaczającego diodę. Źródła ciepła generowanego
w typowej diodzie LED opisano w Ramce A. Temperatura ma
bezpośredni wpływ nie tylko na optyczne i elektryczne charak-
terystyki diod LED ale także na ogólną jakość i niezawodność
zawierających je opraw.
Dla przykładu na rys. 6 pokazano zależność spadku warto-
ści parametru L
70
od temperatury otoczenia. Relacje pomiędzy
spadkiem napięcia na diodzie, a jej temperaturą wyrażane są
przez pochodną dV/dT, gdzie V oznacza napięcie, a T − tem-
peraturę złącza p-n. Rozrzut wartości tego parametru i jego
zależność od temperatury uniemożliwia równoległe łączenie
diod bez wcześniejszej ich segregacji. Wynika to stąd, że po
osiągnięciu przez system swojej optymalnej temperaturę pra-
cy, jej zmiana wskutek zależności dV/dT może pociągnąć za
sobą znaczne różnice w prądzie zasilania, a tym samym roz-
rzut wielkości strumienia generowanego światła. Biorąc to pod
uwagę, projektanci lamp oświetleniowych muszą rozważać
kompromis pomiędzy osiąganymi parametrami lampy a kosz-
tami, jakie wiążą się z produkcją lamp o zoptymalizowanej pod
tym kątem konstrukcji. Zagadnieniem podstawowym w tym
względzie jest sposób montażu wewnętrznego diody, rodzaj
zastosowanych ciepłowodów i chłodnic, jak również użyte do
tego celu materiały. Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na
to, że temperatura złącza p-n może tylko chwilowo przekro-
czyć temperaturę dopuszczalną przez producenta diod, lecz
i tak spowoduje to uszkodzenie diody. Właściwości półprze-
wodnikowego złącza p-n biorącego udział w generacji światła
wymagają zasilania diod odpowiednio dobranym napięciem
stałym lub jednokierunkowym na poziomie 3…4 V. Wielkość
ta może być zwielokrotniona przez szeregowe łączenie wie-
lu diod lub też można zastosować relatywnie proste elektro-
niczne układy zasilające. Powstała również seria rozwiązań
konstrukcyjnych diod LED, które można zasilać napięciem
zmiennym (diody typu Acriche firmy Seoul Semiconductors)
[22]. W każdej sytuacji pozostaje problem obniżania napięcia
z poziomu 230 V występującego w sieci. Układy zasilania lamp
z diodami LED stanowią wielkie pole do popisu dla nowoczes-
nej elektroniki. Z samej zasady działania diod wynika moż-
liwość wykorzystania wszystkich zdobyczy mikroelektroniki
włączając w to możliwości sterowania strumieniem świetlnym
w czasie i przestrzeni. Dodatkowo, zaletą oświetlenia dioda-
mi LED jest to, że w odróżnieniu od lamp fluoroscencyjnych
nie wykazują one praktycznie opóźnienia w natychmiastowym
rozjaśnianiu się po włączeniu napięcia zasilającego. Niestety
parametry diod LED są wyjątkowo czułe na zmiany tempera-
tury złącza p-n, co zmusza do szczególnego potraktowania
problemu odprowadzania ciepła i właściwość ta wymusza sto-
sowanie odpowiednich rozwiązań układowych w systemach
sterujących. W szczególności, projektując układ zasilania diod
należy uwzględnić nie tylko monitorowanie prądu pod kątem
zapewnienia odpowiedniego poziomu natężenia oświetlenia,
lecz także monitorowanie temperatury diody i dostosowanie
do niej natężenie prądu zasilającego. Na rys. 7 pokazane są
przykładowe charakterystyki ilustrujące automatykę zasilania
diody. Nachylenie charakterystyk po przekroczeniu tempera-
tury krytycznej może być stałe albo zmienne w zależności od
zastosowanego rozwiązania sposobu uzyskania sprzężenia
zwrotnego w układzie sterującym.
Reasumując należy przyznać, że ranga problemów ter-
micznych jest ogólnie biorąc doceniana w przemyśle lamp
oświetleniowych z diodami LED, jednak wskutek złożoności
występujących tu zagadnień nie do końca są one popraw-
nie rozwiązywane. Mimo to nie od rzeczy będzie wspomnieć
w tym miejscu, że problemy odprowadzania ciepła z nowo-
czesnych opraw zawierających diody LED są przedmiotem
zainteresowania wielu firm i ośrodków badawczych.
Optyka lamp z diodami LED
Konfiguracja opraw oświetleniowych do diod LED może być
generalnie podzielona pod względem optycznym na dwie
grupy: iluminacja bezpośrednia i iluminacja pośrednia. Diody
LED są z reguły wyposażone w soczewki skupiające i ilumina-
cja bezpośrednia sprowadza się do umieszczenia wymaganej
ilości diod w oprawie, tworzących płaską matrycę. Cechą za-
sadniczą iluminacji pośredniej jest natomiast to, że obserwa-
tor nie widzi diod, gdyż emitowane przez nie światło odbijane
jest od odpowiednio ukształtowanych reflektorów. Rozkład
natężenia oświetlenia jest w tym przypadku całkowicie kontro-
lowany przez optykę reflektora, a wybór rodzaju konfiguracji
optyki lampy zależy od konkretnego jej przeznaczenia. Zaletą
iluminacji pośredniej może być to, że umożliwia ona uniknięcie
zjawiska olśnienia. Nie bez znaczenia przy projektowaniu re-
flektora jest charakterystyka kierunkowa promieniowania emi-
towanego przez diodę. Chipy diod LED mają z reguły kształt
płaskiej powierzchni emitującej promieniowanie o rozkładzie
lambertowskim. Projektując reflektor należy jednak brać pod
uwagę, że na ogół emitująca powierzchnia diody przykryta
jest soczewką, która zmienia charakterystykę kierunkową
promieniowania diody. Geometria reflektora powinna ten fakt
uwzględniać, co zmusza do wnikliwej optymalizacji geometrii
całego sytemu optycznego. Działanie to może jednak dopro-
wadzić do istotnego zwiększenia natężenia oświetlenia osią-
ganego w wybranym obszarze oświetlanego obiektu.
Problemy natury ekonomicznej
Dynamicznie zmieniająca się technologia produkcji diod oraz
jej skala pozbawia sensu podawanie konkretnych liczb, nie
ma jednak obecnie wątpliwości, że ostatecznie tego typu
oświetlenie zdominuje rynek.
Do rosnącego zastosowania diod LED do celów oświet-
leniowych przyczyniły się w czasie ostatniej dekady liczne
ulepszenia ich technologii, wliczając w to opracowanie diod
dużej mocy, zwiększenie ich skuteczności świetlnej oraz
Rys. 7. Charakterystyki ilustrujące działanie dwóch systemów
kontroli prądu zasilającego diodę w zależności od temperatury
złącza p-n [21]
Fig. 7. Curves showing two types of feedback between p-n jun-
ction temperature and supply current (after [21])
ElEktronika 9/2010
150
wprowadzenie na rynek diod o „cieplejszym” świetle. Obecnie
producenci lamp oświetleniowych mają dostęp do diod o stru-
mieniu przekraczającym 100 lm. W rezultacie nacisk ze strony
przemysłu przesuwa się powoli z pola zagadnień technolo-
gicznych takich jak zwiększenie strumienia czy sprawności na
problemy związane z oddziaływaniem na potencjalnych klien-
tów, których interesuje wielkość emitowanego strumienia,
jednorodność barwy białego światła i cena lampy. Z punktu
widzenia producenta oznacza to konieczność wprowadzania
ulepszeń w technologii prowadzących do eliminacji niezbęd-
ności szczegółowej segregacji diod pod względem skutecz-
ności świetlnej, napięcia zasilania i barwy, a także napięcia
zasilania i niezawodności. Ta ostatnia cecha i czas życia diod
są szczególnie ważne w odniesieniu do oświetlenia, gdyż
w przypadku, gdyby użytkownik zawiódł się na tych para-
metrach, poniesione przez niego koszty na zmianę systemu
oświetlenia pociągnęłyby za sobą zniechęcenie i opóźniłyby
proces wprowadzenia systemów oświetlenia opartych na za-
stosowaniu diod LED.
Niezależnie od powyższego uważa się, że wprowadzenie
diod do systemów oświetlenia ulicznego osiągnie sukces i bę-
dzie on wzrastał z czasem. Już obecnie diody LED są do-
statecznie jasne, aby można było je stosować do tych celów.
Niestety, mimo zaoszczędzanej energii nadal pozostają kosz-
towne pod względem inwestycji początkowych, a ponadto
nowe systemy oświetlenia wymagają standaryzacji i należy
opracować wytyczne dla produkującego je przemysłu. Doty-
czy to np. pomiarów świetlnych obowiązujących w sytuacji,
gdy lampy pracują w warunkach oświetlenia mezopowego.
Mimo różnych trudności, atrakcyjność diod LED jako no-
woczesnych źródeł światła, w tym światła białego, jest na tyle
duża, że liczba produkujących je fabryk w skali światowej
sięga setek i ciągle pojawiają się doniesienia o budowaniu
kolejnych, szczególnie w krajach dalekiego wschodu. Dio-
dy emitujące światło białe znalazły się w sytuacji szczegól-
nie uprzywilejowanej z uwagi na ich szerokie zastosowanie
zarówno w urządzeniach przenośnych, jak i w systemach
oświetleniowych (patrz rys. 8).
Analizując sytuację w obszarze produkcji biało-świecących
diod LED należy jednak zwrócić uwagę na to, że dotychczas
dominują producenci diod raczej małej mocy, emitujących
strumień o skuteczności świetlnej na poziomie 70…100 lm/W.
Diody te znajdują zastosowanie w lampach służących do ce-
lów oświetlenia dzięki łączeniu ich w matryce liczące dziesiątki
sztuk. Jednak za rozwiązanie docelowe uważa się diody dużej
mocy zdolne do generacji strumienia o skuteczności świetlnej
o wartości co najmniej 150 lm/W. Maksymalna wartość teore-
tyczna tego parametru jest oceniana na 200 lm/W, ale pojawia-
ją się doniesienia, że granica ta może przesunąć się do 250
lm/W (rys. 1) [1]. Są też szanse na zwiększenie wymiarów chi-
pów diod lub też łączenia ich w matryce na wspólnym podłożu.
Przykład takich diody pokazano na fotografii z rys. 9 [24]. Dąży
się również do tego, aby temperatura barwowa emitowanego
światła nie przekraczała 3000 K, co poza walorami estetyczny-
mi usunie zagrożenie „zanieczyszczenia” środowiska.
Niebiesko-świecące diody produkowane są w ilości po-
nad 50 mld sztuk rocznie i liczba ta ma wzrosnąć do ponad
200 mld sztuk rocznie w roku 2014. Produkcja ta jest rozwija-
na w ok. 91 fabrykach zlokalizowanych głównie na Tajwanie
(40%), w Japonii (23%) i w Chinach (22%) [25] (rys. 10).
Wśród producentów diod dużej mocy wymienić nale-
ży przede wszystkim firmy: Cree, Nichia, Philips Lumileds
Lighting, Osram Opto Semiconductors i Seoul Semiconduc-
tors. Na szczególną uwagę zasługuje firma Cree, która dyspo-
nuje bardzo zaawansowaną technologią produkcji niebiesko-
świecących diod, a w listopadzie b.r. doniesiono o zakupieniu
przez nią fabryki w Chinach nastawionej na produkcję biało-
świecących diod do celów oświetleniowych [26]. Fabryka ta
będzie subwencjonowana dodatkowo przez chiński rząd i ma
Rys. 8. Prognozy rozwoju rynku diod HB-LED z zaznaczeniem
zastosowań do podświetlania monitorów, oświetlenia ogólnego
i innych aplikacji [23]
Fig. 8. HB-LED market forecast for lighting, displays, and other
applications (after [23])
Rys. 9. Fotografia biało-świecących diod serii XLamp ® LEDs
produkowanych przez firmę Cree. Strumień emitowany przez po-
szczególne modele wynosi odpowiednio: 1500 lm (pobór mocy
200 W), 855 lm (10 W) i 493 lm (5 W) [24]
Fig. 9. Manufactured by Cree white emitting LEDs of XLamp ®
LEDs type. Their outputs are 1500 lm (at 22 W), 855 lm (at 10 W)
and 493 lm(at 5 W), respectively [24]
Rys. 10. Rozkład geograficzny największych firm produkujących
diody LED. W objaśnieniach podano liczbę fabryk zaznaczonych
na mapie [25]
Fig.10. Map showing geographical layout of the biggest produ-
cers of LEDs. Number of the factories is given in insets [25]
ElEktronika 9/2010
151
się przyczynić do rewolucji techniki oświetleniowej w Chinach.
Kraj ten zaczyna juz przodować w produkcji opraw do oświet-
lenia zewnętrznego. W listopadzie 2009 r. doniesiono na przy-
kład o asortymencie lamp oświetleniowych oferowanych przez
firmę BBE LED (Shenzhen Bang Bell Electronics Co., Ltd).
który obecnie obejmuje co najmniej 7 typów lamp emitujących
strumień białego światła o wielkości 2000…16 800 lm. Firma
ta powstała w 1998 r. i zainstalowała swoje wyroby w celach
oświetlenia ulicznego już w ponad 120 krajach [27].
Warto dodać, że biało-świecące diody LED dużej mocy
i wysokiej jakości, projektowane do celów oświetleniowych,
produkuje już firma Osram. Dla przykładu, wprowadzane
obecnie na rynek przez te firmę diody charakteryzują się
skutecznością świetlną wynoszącą 104 lm/W i generują
strumień 124 lm o barwie 3000 K przy zasilaniu prądem
350 mA [28].
Rys. 2A. Charakterystyki diod InGaN/GaN ilustrujące zjawisko
“opadania” występujące wskutek wzrostu prądu zasilającego;
a) moc wyjściowa, wstawka pokazuje charakterystykę spektral-
ną diod wykonanych na podłożu GaN, b) zewnętrzna sprawność
kwantowa, wstawka pokazuje strukturę diody (typu mesa). ULD
oznacza „ultra mała gęstość dyslokacji”. Nasilenie zjawiska za-
leży od rodzaju podłoża [29]
Fig. 2A. Output power (a) and external quantum efficiency (b)
for mesa structure LEDs. Diagrams show the droop effect de-
pending on the LED substrate. ULD stands for “ultra low density
dislocations” (after [29])
Podsumowanie
Typowe biało-świecące diody LED w zależności od bar-
wy światła (temperatury barwowej), charakteryzują się już
obecnie skutecznością świetlną rzędu 70…100 lm/W, lecz
oczekuje się, że wkrótce zaczną dominować diody, dla któ-
rych wartość tego parametru będzie wynosiła co najmniej
150 lm/W. Do celów oświetleniowych niezbędne są jednak
źródła światła generujące strumień rzędu dziesiątków a na-
wet setek tysięcy lumenów. W dalszym ciągu konieczne za-
tem będzie stosowanie matryc zawierających odpowiednio
dużą liczbę diod. Nie jest to rozwiązanie optymalne, ale licz-
ne zalety diod LED jako źródeł światła przesądzają o tym,
że cała technika świetlna będzie zmierzała w kierunku za-
stąpienia nimi przeważającej większości dotychczas stoso-
wanych źródeł światła.
Ramka A
Spotykane powszechnie biało-świecące diody LED zawie-
rają chip diody emitującej światło fioletowo-niebieskie oraz
luminofor. Wzbudzenie tym światłem luminoforu generuje
komponenty o barwie zielonej i czerwonej, które po synte-
zie wszystkich składników prowadzą do emisji światła bia-
łego o wymaganej temperaturze barwowej. Efekt ten można
również uzyskać stosując trzy osobne chipy LED emitujące
odpowiednio barwy RGB (red, green, blue), ale jest to roz-
wiązanie stosowane jedynie w wyjątkowych przypadkach ze
względu na wysoką cenę i komplikacje związane z doborem
napięć i prądów zasilania każdego z chipów. Schematyczny
przekrój standardowej struktury diody fioletowo-niebieskiej
pokazano na rys. 1A. Cechą szczególną diod tego rodzaju
jest to, że magnez stanowiący domieszkę typu p w materia-
łach azotkowych sprzyja rekombinacji niepromienistej. Aby
temu zapobiec, nie domieszkowany obszar czynny diody
odgrodzony jest od obszaru typu p barierą dla elektronów
(EBL). W celu uzyskania możliwie dużej koncentracji noś-
ników biorących udział w rekombinacji promienistej (patrz
wzór) obszar czynny ma zwykle strukturę wielokrotnych
studni kwantowych (MQW).
Oczywistym kierunkiem rozwoju diod fioletowo-niebieskich
jest uzyskanie maksymalnie dużej sprawności energetycznej
i wielkości strumienia emitowanego światła. Niestety na prze-
szkodzie staje nie spotykane dotąd w przypadku innych diod
zjawisko „opadania” (ang. droop) charakterystyki sprawności
kwantowej i ograniczania przyrostu wyjściowego strumienia
świetlnego w miarę zwiększania gęstości prądu zasilającego,
jak pokazano to dla przykładu na rys. 2A.
Rys. 1A. Schematyczny przekrój poprzeczny nowoczesnej diody
InGaN/GaN
Fig. 1A. Cross-section of a present day InGaN/GaN LED
ElEktronika 9/2010
152
Jako wartość progową często uważa się gęstość elektro-
nów rzędu 50 A/cm
2
. Występowanie tego zjawiska stanowi
często przeszkodę w uzyskaniu źródeł o dużym strumieniu
niezależnie od tego na ile skutecznie potrafimy odprowadzić
generowane w diodzie ciepło. Jest to o tyle ważne, że zmu-
sza do zwiększania emitującej powierzchni diody, a w konse-
kwencji do stosowania wielu diod jednocześnie, jeśli mamy
zbudować lampę o wymaganej światłości. Przyczyny zja-
wiska „opadania” nie są dotychczas jasne. Poniżej zostaną
przedstawione najczęściej prezentowane ostatnio tezy i próby
usprawnienia technologii LED pod kątem jego minimalizacji
[29–32].
ziom energetyczny. Schematy tych procesów przedstawiono
na rys. 3A, a zależność między utratą nośników ładunku wy-
rażoną przez zmianę gęstości prądu J
str
a koncentracją nośni-
ków N wyznacza wzór:
J
str
= an + Bn
2
+ CN
3
gdzie A, B i C są pewnymi wielkościami stałymi.
Należy jednak zaznaczyć, że obowiązuje on w zakresie
stosunkowo niskich gęstości nośników kiedy ich rozkład pod-
lega prawu Boltzmanna, a nie Fermiego jak to ma miejsce po
przekroczeniu progu określanego jako inwersja obsadzeń.
Jako jedną z przyczyn zjawiska „opadania” upatruje się
w tym, że elektrony „przelewają” się poprzez barierę EBL jeśli
ich gęstość przekroczy pewną wartość krytyczną, a następ-
nie rekombinują z dziurami poza obszarem czynnym MQW.
Byłoby to wskazówką, że standardowa struktura diod GaN
jest niewystarczająca do tego, aby ograniczyć elektrony do
obszaru MQW.
Bardziej szczegółowe badania wskazały jednak na wystę-
powanie dodatkowych subtelności zjawiska opadania, takich
jak np. wpływ temperatury na jego przebieg, lub zależność
położenia na skali gęstości prądu zasilającego punktu, gdzie
sprawności osiąga maksimum. W konsekwencji przyjęto
tezę, że prawdopodobną przyczyną „opadania” może być
niedopasowanie potencjałów polaryzacyjnych na interfej-
sach obszaru MQW, gdy jest to heterostruktura InGaN/GaN.
Elektryczne pola polaryzacyjne powstają wskutek częściowo
jonowej natury wiązań pomiędzy składnikami półprzewod-
ników azotowych zawierających pierwiastki grupy III (Ga,
In) i grupy V (N). Występują one zarówno spontanicznie jak
i wskutek efektu piezoelektrycznego zależnego od naprę-
żeń. Niedopasowanie polaryzacji prowadzi do formowania
ładunków na powierzchniach interfejsu i modyfikuje przebieg
krawędzi pasm w obszarze MQW i EBL. Powstają bariery
potencjałowe, które stanowią przeszkodę dla przepływu noś-
ników ładunku i zwiększenie prądu wymaga dodatkowego
zwiększenia napięcia zasilania. Pola polaryzacyjne mogą
również ułatwiać występowanie zjawiska „przelewania” elek-
tronów. Wniosek o szkodliwym oddziaływaniu tych pól zo-
stał częściowo potwierdzony przez wyeliminowanie zjawiska
„opadania” po zastosowaniu barier AlGaInN zamiast GaN.
Jednakże hodowanie struktury czteroskładnikowej stwarzało
dodatkowe trudności technologiczne i ostatecznie zastoso-
wano heterostrukturę InGaN/InGaN o odpowiednio dobra-
nych składach. Pozwoliło to na zwiększenie mocy wyjścio-
wej diod o 18% przy gęstości prądu 300 A/cm
2
w stosunku
do diod InGaN/GaN oraz zwiększenie sprawności kwanto-
wej o 22%.
Hipoteza o negatywnym wpływie pól polaryzacyjnych zna-
lazła również pewne potwierdzenie w doświadczeniach prze-
prowadzonych z diodami wytworzonymi na podłożach GaN
wyciętych w płaszczyźnie krystalograficznej „m”. Należy wy-
jaśnić, że jak dotąd standardowe diody LED wytwarzane są na
podłożach GaN wyhodowanych lub wyciętych w płaszczyźnie
„c”. Porównanie charakterystyk sprawności kwantowej oby-
dwu grup diod wykazały, że diody wykonane na podłożach „c”
charakteryzowały się znacznie większym „opadaniem” spraw-
ności niż te wykonane na podłożach „m”. Niestety technologia
tych ostatnich jest bardziej kosztowna ze względu na droższe
podłoża o takiej orientacji.
Zaskoczeniem może być fakt, że w zasadzie efektu „opada-
nia” nie wiązano na ogół ze zjawiskiem Auger, chociaż zgodnie
z równaniem podanym wyżej powinien on być brany pod uwa-
gę w pierwszej kolejności. Wynikło to stąd, że znane są prace
teoretyczne, w których stwierdzono, że efekt Auger ma małe
Rys. 3A. Schematyczna ilustracja procesów rekombinacyjnych
występujących w półprzewodnikach z prostą przerwą energe-
tyczną; a) rekombinacja promienista oraz proces S-R-H, b) re-
kombinacja niepromienista typu Auger zachodząca w wyniku
zderzenia, odpowiednio, elektronów i dziur
Fig. 3A. Schematic diagrams illustrating recombination proces-
ses that take place in semiconductors with direct band gap; a)
radiative recombination and process S-R-H, b) nonradiative Au-
ger recombination caused by collisions of electrons and holes,
respectively
Dla przypomnienia należy wyjaśnić, że generacja świat-
ła przez przyrządy półprzewodnikowe uzależniona jest od
zdolności elektronów i dziur do rekombinacji w wyniku któ-
rej, redukcja energii układu zachodzi poprzez emisję fotonów.
Proces ten nosi nazwę rekombinacji promienistej. Nie jest to
jedyna droga prowadząca do pozbycia się uwolnionej ener-
gii elektronów. Na przykład, zamiast generacji światła układ
może tę energię zaabsorbować i zamienić na ciepło. Jedną
z dróg prowadzących do tego procesu jest mechanizm SRH
(Shockley-Reed-Hall), w którym biorą udział centra rekom-
binacyjne zlokalizowane na poziomach pośrednich wystę-
pujących w paśmie zabronionym. Poziomy takie powstają
w wyniku obecności obcych atomów w półprzewodniku lub
defektów jego struktury krystalicznej. Mogą także wiązać się
z powierzchnią półprzewodnika oraz z interfejsami w hetero-
strukturze diody. Wreszcie trzeci, często występujący mecha-
nizm rekombinacji niepromienistej, to proces Auger. W pro-
cesie tym energia uwolniona przez rekombinację elektronu
z dziurą jest przekazywana do innego elektronu lub dziury,
których energia odpowiednio rośnie i zmienia zajmowany po-
a)
b)
ElEktronika 9/2010
153
znaczenie w przypadku półprzewodników z szeroką przerwą
energetyczną, do jakich należą półprzewodniki azotkowe.
Obecnie zwrócono jednak uwagę na to, że studnie kwantowe
w tych materiałach są znacznie węższe, a czas życia nośników
znacznie dłuższy, niż w półprzewodnikach o węższej przerwie,
co powoduje zwiększenie gęstości nośników przy założonym
prądzie. Pośrednie obliczenia wartości współczynnika Auger
dla heterostruktur QW InGaN/GaN o składzie odpowiada-
jącym długości fali badanych LED wykazały w rezultacie, że
efekt „opadania” da się jednak wytłumaczyć jako efekt Auger.
Wynik ten został następnie potwierdzony doświadczalnie [33].
Innym ważnym ograniczeniem wielkości strumienia świet-
lnego emitowanego przez diody LED jest wytwarzane w nich
ciepło, które wpływając na temperaturę obszaru czynnego
diody (obszaru, w którym zachodzi generacja światła) de-
cyduje o wielu jej parametrach.
Należy do nich np. wielkość
skuteczności świetlnej, ale przede wszystkim czas życia
diod. Pod pojęciem tym rozumiemy liczbę godzin przepra-
cowanych przez diodę do momentu spadku jej strumienia do
poziomu 70% wartości początkowej. Parametr ten określany
jest symbolem L
70
. Badania prowadzone przez firmę Cree
(USA) − jednego z najbardziej znaczących producentów wy-
sokiej jakości chipów i diod LED wykazały, że zahamowa-
nie procesu starzenia diod jest uzależnione od temperatury
złącza p-n w diodzie, wielkości natężenia prądu zasilające-
go, oraz temperatury powietrza otaczającego diodę. Źródła
ciepła generowanego w typowej diodzie LED przedstawiono
na rys. 4A
oświetlenia dróg lub wnętrz. W każdym przypadku należy
brać pod uwagę właściwości naszego narządu wzroku,
który wykorzystuje dwie klasy fotoreceptorów określanych
odpowiednio pojęciem pręciki i czopki. Są to zakończenia
nerwów siatkówki oka dostrojone do różnych części widma
promieniowania elektromagnetycznego, przy czym w zależ-
ności od poziomu oświetlenia w różnym stopniu przyczy-
niają się do jego czułości widmowej. Czopki są aktywne
w warunkach dziennego oświetlenia przestrzeni otwartej
i wnętrza pomieszczeń oraz niemal zawsze w pomieszcze-
niach oświetlanych za pomocą elektrycznych systemów
oświetleniowych (tzw. fotopowe poziomy oświetlenia). Na-
tomiast w warunkach nocnych, gdy źródłem oświetlenia
są jedynie gwiazdy (tzw. skotopowe poziomy oświetlenia),
informacji wzrokowych dostarczają tylko pręciki. Pomiędzy
tymi skrajnościami występuje wiele sytuacji pośrednich jak
np. oświetlenie zewnętrzne ulic lub parkingów w warunkach
nocnych. Poziom takiego oświetlenia określa się terminem
„mezopowy”, a w procesie widzenia biorą udział zarówno
pręciki jak i czopki. Pewien pogląd na to zagadnienie dają
wykresy z rys. 1B.
Przedstawione wyżej właściwości narządu wzroku na-
rzucają konieczność korzystania z fotometrycznego układu
jednostek pomiarowych różniących się od analogicznych
pojęć dotyczących energii promieniowania elektromagne-
tycznego. Punktem wyjścia w układzie fotometrycznym jest
światłość źródła definiowana jako iloraz elementarnego
strumienia świetlnego wypromieniowanego w we wnętrze
Rys. 1B. Porównanie spektralnych charakterystyk czułości oka
dla widzenia skotopowego i mezopowego z charakterystyką wi-
dzenia fotopowego, odniesione do tego samego poziomu natę-
żenia oświetlenia [34]
Fig. 1B. Scotopic and mesopic luminous efficacy functions com-
pared to photopic function for one light level [34]
Rys. 4A. Schematyczny przekrój diody LED ze wskazaniem ob-
szarów decydujących o jej temperaturze [wg 20]
Fig. 4A. Schematic cross-section of a LED displaying heat sour-
ces in the diode (after [20])
(
definicje: T
j
– temperatura złącza p-n wewnątrz diody,
T
sp
/ T
c
/ T
s
– odpowiednio: temperatura warstwy lutu,
chłodnicy i obudowy diody, I
f
– prąd zasilający LED,
T
AIR
− temperatura powietrza otaczającego diodę LED
Temperaturę T
j
można oszacować ze wzoru:
T
j
= T
sp
+ (R
th
× V
F
× I
F
),
gdzie R
th
jest opornością cieplną obszaru pomiędzy
złą-
czem p-n a chłodnicą).
Ramka B. Wybrane definicje parametrów fotome-
trycznych istotnych dla urządzeń, w których źród-
łem światła są diody LED
Szczegółowa ocena optoelektronicznych właściwości diod
LED zwykle wiąże się z ich przeznaczeniem. Inne są bo-
wiem wymagania w przypadku, gdy są to diody sygnaliza-
cyjne, a inne gdy mają służyć jako źródło światła w systemie
nieskończenie małego stożka obejmującego dany kieru-
nek oraz kąta bryłowego tego stożka. Światłość określa-
na jest za pomocą jednostki zwanej kandelą, która należy
grupy siedmiu podstawowych jednostek miar w systemie
SI. Zgodnie z obowiązującą definicją jest to natężenie
źródła światła monochromatycznego o częstotliwości 540
THz i światłości 1/683 W/sr. Częstotliwość 540 THz odpo-
wiada długości fali 555 nm, przy której czułość ludzkiego
oka wynosi maksimum. Arbitralnie dobrana liczba 1/683
nawiązuje do poprzedniej tradycyjnej definicji tej wielko-
ści. Pochodną światłości jest luminancja w danym kierunku
definiowana przez iloraz elementarnej światłości, jaką ce-
chuje się nieskończenie małe otoczenie punktu oraz pola
pozornej powierzchni tego otoczenia widzianego w tym
kierunku [4].
ElEktronika 9/2010
154
Z praktycznego punktu widzenia źródeł światła interesu-
ją nas jednak głównie wielkości takie jak strumień świetlny
mierzony w lumenach (lm) oraz skuteczność świetlna źródła
światła mierzona w lumenach na wat (lm/W) mocy elektrycz-
nej dostarczonej do źródła. Skuteczność świetlna źródła dla
widzenia przy oświetleniu na poziomie fotopowym jest jednym
z najbardziej powszechnie stosowanych miar w ocenie sto-
sunku zalet do kosztów dla systemów oświetlających. Jednak
uważa się, że lepszą miarą oświetlenia zewnętrznego byłoby
uwzględnianie warunków widzenia przy oświetleniu na pozio-
mie mezopowym.
W niektórych przypadkach stosowana jest również wiel-
kość określana terminem sprawność świetlna. Jest to miara
procentowa strat w wielkości strumienia wychodzącego z ukła-
du optycznego w stosunku do strumienia wprowadzanego do
tego układu. W tym przypadku obydwie jednostki mocy muszą
być wyrażone w lumenach lub watach w zależności od tego,
co chcemy określić. Jeżeli obydwie jednostki mocy wyrażone
są w watach mamy ocenę zużycia energii elektrycznej. Na-
tomiast, np. dla oceny oprawy musimy określić sprawność
świetlną definiowaną przez stosunek mocy w lumenach.
Stosownie do definicji jednostek świetlnych, o których
mowa, najwyższa teoretycznie osiągalna wartość skuteczno-
ści świetlnej wynosi 683 lm/W i dotyczy ona monochromatycz-
nego światła zielonego. Maksymalna teoretyczna skutecz-
ność dla światła białego przy całkowitej jego mocy wyjściowej
rozłożonej równomiernie względem długości fali oceniana jest
na ponad 200 lm/W. Wartość ta dotyczy światła białego o zbli-
żonej do 100% wartości wskaźnika CRI (Color Rendering In-
dex)
za pomocą, którego określa się najlepsze podobieństwo
kolorów przy oświetleniu referencyjnym.
Skuteczność świetlna diod LED (oznaczana zwykle sym-
bolem η), jest ilorazem:
gdzie Φ oznacza strumień świetlny, zaś P jest mocą elektrycz-
ną dostarczoną do diody.
Wielkość strumienia zależy od sprawności diody definio-
wanej w procentach w postaci iloczynu:
w którym kolejne współczynniki η oznaczają wewnętrzną
sprawność kwantową, sprawność ekstrakcji światła oraz
sprawność energetyczną układu zasilającego. Pod tym ostat-
nim terminem kryją się między innymi straty energii elektrycz-
nej występujące w diodzie wskutek spadku napięcia na jej
rezystancji szeregowej oraz złączu p-n.
[
]
W
lm
P
/
Φ
=
η
d
ext
E
η
η
η
η
×
×
=
int
Literatura i źródła danych
[1] LEDs Magazine, 5 Apr. 2010, Industry News, DOE publishes up-
dated R&D plan for solid state lighting,
[2] Narendran N., Gu Y., Jayasinghe L., Freyssinier J.P., Zhu Y.:
Long-term Performance of White LEDs and Systems, Proc.
First Int. Conf. on White LEDs and Solid State Lighting, Tokyo,
Nov. 26–30,2007, P174-P179.
[3] Laser Focus World, Roadmap projects significant LED penetra-
tion of lighting market by 2010, www. laserfocusworld.com/arti-
cles/177632.
[4] Żagan W., Podstawy techniki świetlnej, Oficyna Wydawnicza Po-
litechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
[5] Mroziewicz B.: Półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne
(LED). Część III. Diody LED emitujące światło białe, Elektroniza-
cja 7–8/2003, ss. 6–11.
[6] Compound Semiconductor, April May 2010, LED-backlit displays
and street lighting fuel Taiwan’s LED growth, pp. 26–30, www.
compoundsemiconductor.net
[7] LEDs Magazine, April 2010, Strategically speaking: LCD back-
lights and lighting drive largest growth yet seen in HB-LED mar-
ket, pp. 23–26.
[8] Stevenson R., Chipmakers will reap the rewards of an explosion
in LED TV sales, www.compoundsemiconductor.net, Oct. 2009.
[9] LEDs Magazine, April 2010, Markets, pp. 9–10, SSL market to
reach $14 billion by 2013.
[10] LEDs Magazine, Jan/Feb 2010, Lyon illuminates European view
on LED lighting, pp. 32–34.
[11] LEDs Magazine, Feb. 2009; European Member States approve
the phasing-out of incandescent bulbs by 2012, www.ledsmaga-
zine.com/news/6/1/15.
[12] Whitaker T.: LEDs Magazine –Tech note: LED street light design
technology, www.ledsmagazine. com/features/6/3/1.
[13] LEDs Magazine, Funding and Programs: European regulations
outlaw inefficient incandescent lamps, www.ledsmagazine/fea-
tures/6/2/9.
[14] Laser Focus World, Roadmap projects significant LED penetra-
tion of lighting market by 2010, www. laserfocusworld.com/arti-
cles/177632.
[15] Strategies Unlimited, Five-Year Market Forecast, 2008-2012,
chapter 4.2.8 Residential Lighting.
[16] LEDs Magazine, April 2010, Funding programs, DOE publishes
updated R&D plan for solid-state lighting, p.19.
[17] LEDs Magazine, Dec. 2009, Bhandarkar V., Strategically speak-
ing: For Replacement Lamps, LEDs are Different.
[18] LEDs Magazine, Nov. 2009, Industry News; LRC method reduc-
es energy consumption of street lighting.
[19] LEDs Magazine, Oct. 2009, Press Releases, Blue light threatens
animals and people.
[20] Whitaker T.: Air temperature emerges as a crucial factor in de
Zarr R.:LEDs: Beyond High Brightness, Photonics Spectra,
Nov/2009, pp. 38–39
[22] Semiconductor Today, 14 April 2010, News, Seoul Semiconduc-
tor plans Q4 launch of 150 lm/W Acriche LED as 100 lm/W enters
production.
[23] LEDs Magazine, April 2010, LED Market, Strategically Speaking:
LCD backlights and lighting drive largest growth yet seen in HB-
LED market, pp.23-26, LEDsmagazine.com.
[24] Product Focus eNewsletter, June 8, 2010.
[25] Semiconductor Today, News, 8 April 2010, LED industry enter-
ing fast growth stage in 2010, http://www.semiconductor-today.
com/news_items/2010/April/S...
[26] LEDs Magazine, Nov. 2009, Industry News; Cree to open LED
chip production facility in China.
[27] LEDs Magazine, Nov. 2009, Products; BBE LED releases com-
plete range of LED Street Lights.
[28] LED professional, http://led–professional.com/research/33/1522
Osram-LED-produces Warm White Light with High Efficiency
and True Colors.
[29] Semiconductor Today, 2 Feb 2009, News, Following the thread
of LED efficiency droop, http://www.semiconductor-today.com/
news_items/2009/FEB/(Maier et al., Appl. Phys. Lett., vol 94,
p. 041103, 2009).
[30] Semiconductor Today, Dec. 2009, InGaN LED spillover and
efficiency droop, http://www.semiconductor-today.com/news_
items/2009/DEC/, (Lee et al, Appl. Phys. Lett. vol.95, . 201113,
2009).
[31] Semiconductor Today, 54 Technology focus: LEDs, Solutions
don’t solve droop controversy, http://www.semiconductor-today.
com
[32] Compound Semiconductor,, March 2010, Shedding light on the
mystery of LED droop, pp. 18–21 www.compoundsemiconduc-
tor.net
[33] Semiconductor Today, Auger largely responsible for limited
LED efficiency, http://www.semiconductor-today.com/news_
items/2009/DEC/(Zhang et al, Appl. Phys. Lett.,vol 95, pp.
201108,2009).
[34] Lighting Research Center, The Long and Lighted Road: Lighting
and Driving, http://www.lrc.rpi.edu/programs/Futures/LF-Auto/
roadway.asp.