ANALIZY  BADANIA  PRZEGL
DY
Możliwości zastosowań LED
Grzegorz Glinko
Dioda świecąca, LED (Light Emitting Diode), pojawiła się
w produkcji seryjnej już w latach 60. XX wieku. Dopie-
Rys. 1. Oprawa LEDVANCE
ro jednak rozwój technologii produkcji diod elektrolumi-
DOWNLIGHT XL (2000 lumenów, moc 34
nescencyjnych ostatniego dziesięciolecia umożliwił zasto-
W, trwałość  50 tys. godzin) [1]
sowanie tego z
ródła światła w wielu aplikacjach oświetle-
niowych.
Dioda LED może emitować światło w różnych kolorach. Barwa
emitowanego światła zależy od materiału półprzewodnikowego.
Może być to barwa żółta, pomarańczowa, czerwona, niebieska czy
zielona. Ze względu na możliwość mieszania barw podstawowych
(czerwonej, zielonej i niebieskiej) możliwe jest utworzenie prak-
tycznie każdej barwy.
Rozwój technologii LED wprowadził ją w różne aspekty nasze-
go życia. Diody coraz częściej pojawiają się jako z
ródła światła
w oświetleniu samochodowym, sygnałowym, oświetleniu ak-
centującym, ewakuacyjnym, w reklamach świetlnych, a nawet
w oświetleniu ogólnym i drogowym. Celem niniejszego artykułu
jest przedstawienie części możliwości i ograniczeń związanych
z zastosowaniem z
ródeł LED.
Rys. 2. Lampa obrysowa G06 LED polskiego producenta stosowana
w oświetleniu samochodów ciężarowych, z nowoczesnym układem
Parametry i cechy z
ródła LED
stabilizacji prądowej. Zakres pracy 9 30 V [4]
Trwałość diody świecącej producenci określają na kilkadziesiąt
tysięcy godzin. Jest to kilkadziesiąt razy więcej niż w przypadku
klasycznych żarowych z
ródeł światła. Często są to wartości czysto Wysokiej jakości układy ze z
ródłami LED są stabilizowane tem-
teoretyczne, podawane dla idealnych warunków otoczenia i przy za- peraturowo poprzez odpowiednio zaprojektowany układ odprowa-
pewnieniu optymalnych elektrycznie warunków pracy diody. dzający ciepło (radiator) oraz dobrej jakości elektronikę, najczęściej
W rzeczywistości wiele układów elektronicznych zasilających ze stabilizacją prądową pracy diody. Diody sprawiają wciąż wiele
diodę nie zapewnia jej optymalnych warunków pracy. Ze względu problemów technologicznych. Nie ma możliwości wyprodukowa-
na wadliwie wykonany projekt, nieprawidłowe odprowadzanie cie- nia wszystkich diod o identycznych parametrach. Niezmiernie waż-
pła, czy podzespoły słabej jakości, czas działania diody może ulec na staje się więc ich właściwa selekcja.
znacznemu skróceniu. Na spadek trwałości lampy LED może rów- Producenci diod różnicują je ze względu na strumień świetlny,
nież wpłynąć niewłaściwie zaprojektowana ochrona układu elektro- światłość generowaną w osi optycznej, napięcie przewodzenia,
nicznego przed warunkami zewnętrznymi. a w przypadku diod emitujących światło białe  również ze wzglę-
Diody świecące cechuje spadek strumienia świetlnego wraz ze du na chromatyczność. Właściwie przeprowadzona selekcja jest
wzrostem temperatury i czasem eksploatacji. Degradację diody jednym z kluczowych aspektów pozwalających na wytworzenie
może również powodować prąd przekraczający wartości znamio- trwałych produktów o zbliżonych parametrach optycznych i kolo-
nowe. rymetrycznych. Szanujący się producenci potrafią zapewnić serwis
Właściwie zaprojektowany układ powinien uwzględnić wszystkie umożliwiający wymianę danych modułów LED czy diod na takie,
te czynniki i zapewnić stosunkowo najlepsze warunki pracy diody które nie będą się nadmiernie odróżniać pod względem fotometrycz-
w całym okresie jej działania. Dlatego ważny jest wybór produktów nym i kolorymetrycznym od pierwotnie zainstalowanych.
 od znanych i sprawdzonych producentów, którzy spełniają opisane Rozwój technologiczny diod świecących powoduje stałą tenden-
wcześniej wymagania i zapewnią należytą jakość  zarówno na eta- cję wzrostu ich skuteczności świetlnej. W najlepszych rozwiąza-
pie projektowym, jak również powtarzalność produkcji w produkcji niach skuteczność świetlna diod przekracza 100 lm/W. Większa
seryjnej. skuteczność świetlna z
ródła światła pozwala na zmniejszenie mocy
pobieranej na oświetlenie, a tym samym zapewnia redukcję kosztów
eksploatacji i wpływa pozytywnie na ochronę środowiska. Obecnie
na rynku występują już lampy LED, które mogą być bezpośrednim
Mgr inż. Grzegorz Glinko  studia doktoranckie na Politechnice War-
zamiennikiem tradycyjnych żarówek z trzonkiem E27 i E14.
szawskiej
14 Rok LXXVIII 2010 nr 10
 ANALIZY  BADANIA  PRZEGL
DY
głości znacznie mniejszej od tej granicy. Zbieżność wyników symu-
lacji komputerowych z rzeczywistym rozsyłem światła zależy więc
w znacznym stopniu od sposobu zamodelowania z
ródła LED.
Obecnie najbardziej dokładne wyniki można uzyskiwać z uży-
ciem programów, w których rozdziela się model diody na chip
i bezpośrednio otaczający go układ optyczny. Rozsył światła przez
diodę bazuje w tym wypadku na danych o luminancji chipu, które
są wykorzystywane do wygenerowania promieni świetlnych, a te
następnie  oddziałując z otaczającym chip układem optycznym,
Rys. 3. Model diody świecącej (Seoul Semiconductor P4) z rozdzielonym
takim jak odbłyśnik czy soczewka, tworzą końcowy rezultat rozsyłu
modelem chipu i otaczającego go układu optycznego, zastosowany
światła [2].
w programie Photopia [3]
Możliwości i ograniczenia w zastosowaniu LED
Pojawiają się również LED-owe zamienniki świetlówek linio- Nieznaczne wymiary diody świecącej pozwalają projektantom
wych, żarówek do oświetlenia lodówek, żarówek reflektorowych na dobrą sterowalność układu optycznego i wdrażanie ciekawych
itp. Oszczędność energii jest również istotna w aspekcie oświetlenia rozwiązań konstrukcyjnych. Wyjątkowa odporność mechaniczna,
pojazdów. Czynnik ten nabrał dodatkowego znaczenia z powodu odporność na wibracje i wstrząsy (brak żarnika i szklanej bańki, któ-
konieczności stosowania ciągłego oświetlenia pojazdów samocho- re mogłyby ulec zniszczeniu) to dodatkowe zalety, które wspierają
dowych będących w ruchu. zastosowanie diod wszędzie tam, gdzie trwałość i wytrzymałość ma
Diody jako z
ródło światła coraz częściej są wybierane przez pro- kluczowe znaczenie.
ducentów samochodów ciężarowych, którzy ze względu na znaczne Diody świecące, w odróżnieniu od stosunkowo wolno rozpalają-
wymiary pojazdów i konieczność stosowania wielu lamp sygnało- cego się żarnika, osiągają niemal natychmiast pełen strumień świet-
wych zmuszeni są do poszukiwania trwałych i energooszczędnych lny. Ta cecha nabiera szczególnego znaczenia w przypadku świateł
rozwiązań. Zamiana lamp obrysowych z klasycznych żarówek hamowania, gdzie nawet ułamki sekund mogą decydować o życiu
na diodowe z
ródła światła w samochodzie ciężarowym pozwala lub śmierci uczestników ruchu. Ponieważ czas reakcji diody LED
zmniejszyć pobór mocy zużywanej na oświetlenie nawet o ponad na jej włączenie i wyłączenie jest ponad milion razy krótszy niż
80%. w żarowych z
ródłach światła, naciśnięcie hamulca jest natychmiast
Stały rozwój technologii pozwala rokować nadzieję na dalszy zauważalne i pozwala przyśpieszyć reakcję kierowcy znajdującego
wzrost skuteczności świetlnej z
ródeł LED. Teoretycznie skuteczno- się za hamującym pojazdem.
ści świetlne diod mogą dojść nawet do 200 lm/W.
Projektowanie układów optycznych  szanse i zagrożenia
Wprowadzenie układów LED ma znaczny wpływ na zmia-
nę sposobu projektowania układów optycznych i stawia wyżej
poprzeczkę programom wspomagającym projektowanie opraw
oświetleniowych.
Nieznaczne rozmiary diod świecących stwarzają szansę na kon-
struowanie opraw oświetleniowych o mniejszych gabarytach, za-
pewniają lepszą kontrolę emitowanego światła, pozwalają na sto-
sowanie rozwiązań w aplikacjach, które do tej pory były nie do
zrealizowania.
Dobra kontrola światła umożliwia obejście części wymagań
Rys. 4. Oświetlenie Muzeum Palazzo Grassi  Wenecja, Włochy wg projektu
oświetleniowych, które regulują zapewnienie właściwych parame- Piotra Uklanskiego, realizacja za pomocą tablic LED-owych 1PLX Board [6]
trów oświetleniowych. Takie potencjalne zagrożenia uwydatniają
się szczególnie w przypadku możliwości obejścia przepisów doty-
czących homologacji lamp sygnałowych czy lamp oświetlenia dro-
gowego. Może się niebawem okazać, że ze względu na możliwości
precyzyjnego sterowania rozsyłem światła, niektóre wymagania fo-
tometryczne będą musiały ulec zmianie.
Problemy mogą mieć producenci programów wspomagających
projektowanie układów optycznych. Dokładność wyników symula-
cji bazujących na układach LED wymaga wykonania dokładnego
modelu z
ródła światła. Elementy optyczne, takie jak np. dodatkowa
soczewka, często umieszczane są bardzo blisko z
ródła LED. Oznacza
to, że model nie tylko musi zapewnić właściwą dystrybucję światła
Rys. 5. Pachinko ZAP Ofuna Hall  Kanagawa  popularne centrum karaoke
w przypadku zachowania granicznej odległości fotometrowania, ale i hazardu w Japonii ma oświetlenie zrealizowane za pomocą tablic
równocześnie powinien zapewnić właściwy rozsył światła w odle- LED-owych, sterowanie poprzez mikroserwy [5]
Rok LXXVIII 2010 nr 10 15
 ANALIZY  BADANIA  PRZEGL
DY
Diody w połączeniu z elektronicznymi układami sterowania dają Niewłaściwie zaprojektowana lampa, z
le dobrane elementy elek-
możliwość tworzenia różnych barw światła. A
ączenia ze sobą diod troniczne, zbyt wysoka temperatura czy zastosowanie do produkcji
w grupy, budowanie modułów i paneli LED-owych czy tworzenie lamp diod świecących o niskiej jakości może znacznie skrócić trwa-
łańcuchów i matryc LED-owych pozwalają na kreowanie niewyob- łość układu.
rażalnych dotąd scen świetnych, efektów i animacji wizualnych.
Podsumowanie
Wykorzystanie diod w nowych formach i układach konstrukcyj-
nych wprowadza dodatkowy wymiar projektowania. To już nie tyl- y
ródła LED mają obiecujące perspektywy rozwoju. W obecnej
ko skupianie się na realizacji podstawowych wymagań oświetlenio- chwili ich skuteczności świetlne mogą być porównywalne ze sku-
wych, takich jak natężenie oświetlenia, równomierność czy rozkład tecznościami świetlnymi wyładowczych z
ródeł światła. Dynami-
luminancji. Nowoczesne rozwiązanie oparte na diodach pozwalają ka wzrostu wydajności świetlnej jest jednak znacznie wyższa niż
na tworzenie złożonych projektów integrujących zachowanie czło- w przypadku innych elektrycznych z
ródeł światła.
wieka z oświetleniem. Ograniczeniem w zasadzie staje się tylko wy- Szerokość zastosowań aplikacyjnych jest na tyle duża, że pozwa-
obraz
nia projektanta i cena samego rozwiązania. la na osiąganie celów, które do tej pory były wyjątkowo trudne do
Zaletą diod jest brak w ich widmie szkodliwego promieniowania realizacji bądz
wręcz niewykonalne. Ciągła poprawa parametrów
UV i IR. y
ródła LED, w odróżnieniu np. od świetlówek, nie tracą świetlnych diod zbliża nas do granicy, od której z
ródła LED zaczną
strumienia świetlnego w niskich temperaturach. Biorąc jeszcze pod być traktowane jako rzeczywista, powszechna alternatywa dla wy-
uwagę ich wyjątkową trwałość, wyższą od lamp wyładowczych, ładowczych z
ródeł światła.
diody świecące stanowią ciekawą propozycję w oświetleniu ze- Barierę wciąż stanowi cena i stopień skomplikowania rozwiązań.
wnętrznym i iluminacji. W dużej części projektów praca projektantów oświetlenia wymaga
Projekty iluminacyjne oparte na z
ródłach LED należą wciąż do od nich nowego spojrzenia na sposoby realizacji założeń czy wyma-
rozwiązań dość elitarnych, lampy diodowe są kilka, a nawet kilka- gań oświetleniowych. Projektowanie oświetlenia przy wykorzysta-
dziesiąt razy droższe niż lampy z żarowymi z
ródłami światła. Wy- niu LED może być z tego względu trudniejsze.
nika to z zastosowania nowych technologii produkcji, konieczności Niezależnie od wszystkich wymienionych w artykule ograniczeń
stosowania układów elektronicznych, odpowiedniego zabezpiecze- i trudności, przekroczenie tej bariery wydaje się być już tylko kwe-
nia z
ródeł światła przed środowiskiem zewnętrznym, zapewnienia stią czasu.
właściwej temperatury pracy itp.
Dla diod elektroluminescencyjnych, szczególnie tych emitujących
LITERATURA
światło białe, dochodzi jeszcze jeden aspekt związany z trudnościa-
[1] Osram LEDVANCE"! Downlight XL 03 2010, www.osram.com
mi w wyselekcjonowaniu diod, które realizowałyby właściwie kry-
[2] Jongewaard M., Wilcox K.: LED Source Models. LED Journal January/February
teria kolorymetryczne. Ma to szczególne znaczenie w oświetleniu 2009, www.ledjournal.com
[3] LTI Optics, LLC. Photopia Version 3.1 User s Guide APPENDIX B: Lamp Model-
samochodowym.
ing 2009
W zintegrowanych układach, takich jak np. lampy sygnałowe czy
[4] Katalog produktów  lampy na wysięgniku przednio-tylne, diodowe 2009. GMAK
moduły LED, w przypadku awarii jednej diody LED najczęściej nie
Sp. z o.o., www.gmak.pl
można jej wymienić. W tym wypadku konieczna jest wymiana całej
[5] Traxon Technologies Ltd, Pachinko ZAP Ofuna Hall  Kanagawa, Japan 06 2009,
lampy czy całego modułu. Powstają więc kolejne problemy z doborem
www.traxontechnologies.com
właściwej barwy światła, kosztami wymiany itp. W tym aspekcie jesz- [6] Traxon Technologies Ltd  Showcase Palazzo Grassi Museum  Venice, Italy, www.
traxontechnologies.com 06 2009
cze bardziej istotny jest wybór odpowiedniego producenta lamp LED.
NOWOROCZNE OZDOBY PARKU CHIC
SKIEGO
W okresie chińskiego Nowego Roku w parku
Lake Park w Nanjing w Chinach można było
oglądać oryginalnie oświetlone ozdobne kon-
strukcje, wyglądające jak pracowicie wykute
konstrukcje stalowe. Na zdjęciu pokazano
jedną z nich (włoską), oświetloną przy użyciu
560 000 diod świetlnych typu LED. Konstruk-
cja ta była eksponatem międzynarodowego
festiwalu artystycznego rzez
by świetlnej (Inter-
national Light Sculpture Art Festival) zorgani-
zowanego w tym czasie w Chinach. (wb-724)
IEEE Spectrum 2010 nr 4
16 Rok LXXVIII 2010 nr 10