Mini vademecum źródeł światła - DIODY ŚWIECĄCE LED

Diody LED zdobywają rynek Sprzęt audiowizualny, komputery stacjonarne i przenośne, telefony komórkowe, mierniki i wiele przyrządów elektronicznych - wszystkie te sprzęty zawierają specyficzne źródła światła, diody świecące (LED). Wielu użytkowników widząc ich słabe światło nie zdaje sobie nawet sprawy skąd ono pochodzi. Dioda LED nie była bowiem do niedawna wymieniana jako pełnoprawny członek rodziny źródeł światła. Niski strumień świetlny i mała różnorodność barw ograniczały poważnie możliwość jej stosowania do celów oświetleniowych. W ostatnich latach konstrukcja i technologia tych przyrządów półprzewodnikowych została jednak udoskonalona do tego stopnia, że można już mówić o nowym rodzaju źródeł światła o skuteczności świetlnej wyższej niż w lampach żarowych. Istnieją już także możliwości produkcji diod o dowolnej barwie promieniowania. Sprawia to, że diody świecące LED z powodzeniem zaczynają wkraczać na obszar zastosowań oświetleniowych. Półprzewodnikowe źródła światła Prawie jedna trzecia energii elektrycznej wytwarzanej na świecie zużywana jest przez źródła światła. Poszukiwania coraz to doskonalszych i tańszych sposobów generowania promieniowania widzialnego doprowadziły do tego, że diody świecące, spełniające dotychczas rolę zaledwie wskaźników świetlnych, stały się w ciągu zaledwie kilku lat, najszybciej rozwijającym się źródłem światła. Przewiduje się, że w niedalekiej przyszłości oświetlenie wykorzystujące półprzewodnikowe źródła promieniowania widzialnego będzie miało rewolucyjny wpływ na technikę oświetleniową. Opiera się ono na oprawach używających diod LED jako źródeł światła zamiast lamp żarowych, fluorescencyjnych lub wyładowczych. W przeciwieństwie do swych tradycyjnych konkurentów pracujących przy napięciu zmiennym, diody LED korzystają z zasilania prądem stałym o niskim napięciu, wykorzystując procesy, w wyniku których mogą wytworzyć takie same ilości promieniowania świetlnego przy znacznie mniejszym zużyciu energii elektrycznej. Diody świecące LED będą więc w istocie pierwszymi na świecie, prawdziwie energooszczędnymi źródłami światła. Szacuje się np. że w USA dzięki zastąpieniu diodami LED, żarówek stosowanych w sygnalizacji ulicznej, można zaoszczędzić rocznie 2,5 biliona kWh. Półprzewodnikowe źródła światła mają wiele istotnych zalet pod względem technicznym i środowiskowym: stosunkowo dużą skuteczność świetlną, bardzo długą trwałość (od 50 000 do 100 000 godzin), wyjątkowo małą awaryjność m.in. dzięki, wysokiej odporności na wstrząsy, uderzenia i wibracje, różne barwy światła eliminujące potrzebę użycia filtrów, wysoki wskaźnik oddawania barw w przypadku diod o świetle białym, małe wymiary i waga ułatwiające projektowanie opraw, możliwość natychmiastowego zaświecenia nawet po zaniku napięcia i związana z tym możliwość częstego załączania, praca przy niskim napięciu zasilania zwiększająca bezpieczeństwo, brak promieniowania nadfioletowego i podczerwonego, brak zawartości rtęci szkodliwej dla środowiska. Wysoka skuteczność świetlna Pierwsze diody świecące osiągały sprawność rzędu 10%. Obecnie kształtuje się już ona na poziomie 20% i przewiduje się, że w niedługim czasie dojdzie do 30%. Jest to znaczne różnica w porównaniu z lampami żarowymi, których sprawność kształtuje się w zakresie 3-4 % i świetlówkami osiągającymi 20%. Diody LED są przyrządami półprzewodnikowymi, dokonującymi bezpośredniej zamiany energii elektrycznej na promieniowanie świetlne. Sprawność tej przemiany jest bardzo wysoka dzięki temu, że większość energii jest wypromieniowywana w widzialnym zakresie widma. Już dzisiaj skuteczność świetlna wysokowydajnych, białych diod LED osiąga 17 lm/W, a w niektórych przypadkach dochodzi nawet do 30 lm/W, jest więc porównywalna do skuteczności żarówek halogenowych. Przewiduje się, że najdalej w ciągu dziesięciu lat LED osiągną skuteczność świetlną na poziomie 100 lm/W porównywalną z dzisiejszymi wysokoprężnymi lampami wyładowczymi. Wysoka trwałość Eksploatacja konwencjonalnych źródeł światła kończy się po pewnym czasie ich nagłym, bezpowrotnym wygaśnięciem. Inaczej jest z diodami LED. Nie ulegają one raptownym awariom, natomiast zmniejszają stopniowo ilość generowanego promieniowania. W zależności od dostarczanego poziomu oświetlenia mogą w praktyce świecić od 50.000 godzin do nawet ponad 100.000 godzin. Średnia, użyteczna trwałość LED jest kilkukrotnie wyższa niż dla popularnych lamp fluorescencyjnych i kilkudziesięciokrotnie wyższa niż dla żarówek. Dzięki tak dużej trwałości konserwacja urządzeń oświetleniowych może być bardzo ograniczona co oznacza duże oszczędności. W systemach oświetleniowych z diodami LED problemem do pilnego rozwiązania dla konstruktorów jest obecnie uzyskanie dostatecznie wysokiej trwałości pozostałych elementów systemu, takich jak układy zasilające i mechaniczne elementy opraw oświetleniowych. Ekstremalnie wysoka żywotność diod LED ma również dodatkowy aspekt. W systemach z innymi źródłami światła problem może stanowić wcześniejsze wygasanie poszczególnych lamp, tworzące ciemne plamy. Zjawisko to jest krytyczne dla dekoracyjnego oświetlenia architektonicznego i zastosowań światła do tworzenia wizerunku firm i wymaga natychmiastowej interwencji konserwatora. Stopniowe zmniejszanie intensywności świecenia LED pozwala opóźnić konserwację do dogodnego momentu. Wytrzymałość i kolorystyka Półprzewodnikowe systemy oświetleniowe są szczególnie odporne na szoki mechaniczne i wibracje dzięki swej zwartej budowie, brakowi części szklanych i żarników. Najnowsze udoskonalenia w konstrukcji i technologii diod świecących sprawiły, że możliwe jest osiągnięcie dowolnej barwy promieniowania z całego obszaru widma widzialnego. Jest to możliwe dzięki temu, że nowoczesne diody LED dostarczają promieniowania o potrzebnej barwie bezpośrednio z jednej struktury, a nie ze zmieszania promieniowania struktur o różnych barwach. Rozsył światła Rozsył światła diody LED jest zależny od budowy matrycy diodowej emitującej światło, ale może być także kształtowany dzięki kształtom jej obudowy i właściwościom materiałów z których jest ona zbudowana. Obudowy matryc powodują wprawdzie pogorszenie niektórych właściwości związane np. ze zmianą warunków termicznych pracy złącza półprzewodnikowego, wpływającą na stabilność parametrów, ale w zamian mogą pełnić rolę elementu optycznego kształtującego bryłę światła. Łatwe współdziałanie z systemami kontroli i sterowania Półprzewodnikowe systemy świetlne są w zasadzie cyfrowymi źródłami światła, które można łatwo integrować z komputerowymi systemami kontroli. Stwarzają one także możliwość łatwego sterowania światłem. Zmiana prądu pracy diody umożliwia regulację jej strumienia świetlnego, przy czym skuteczność świetlna pozostaje stała. Z kolei niższe prądy pracy diod powodują zwiększenie jej trwałości. Przy zapewnieniu stabilizacji termicznej, zmiana prądy pracy diody nie powoduje zmiany barwy emitowanego promieniowania. Wszystkie te cechy i zalety czynią z diod świecących energooszczędne źródła światła z możliwością łatwego sterowania, nie wymagające w praktyce żadnej konserwacji. Problemy do rozwiązania Diody LED są źródłami światła o małej powierzchni, stanowią więc skupione źródło światła, podobnie jak żarówki halogenowe. Ze wzrostem skuteczności świetlnej diod LED rośnie ich luminancja. Ich stosowanie, szczególnie we wnętrzach, niesie więc niebezpieczeństwo powstawania olśnienia i pogarszania warunków widzenia. Rodzi to szczególne wymagania dla konstruktorów opraw i projektantów oświetlenia. Białe diody świecące Przez długi okres główną barierą ograniczającą obecność LED w kręgu zastosowań oświetleniowych był brak możliwości wytwarzania diod emitujących wysokiej jakości promieniowanie białe. Pierwsze diody LED dostarczały promieniowania o niemal monochromatycznym, jedno prążkowym widmie, w odróżnieniu od tradycyjnych źródeł, których światło ma znacznie bogatsze widmo złożone z wielu prążków i podkładu ciągłego. Promieniowanie elementarnych diod było więc postrzegane jako barwne. Jedynym sposobem wytwarzania LED o białej barwie promieniowania było połączenie trzech diod o barwach czerwonej, zielonej i niebieskiej w jednej obudowie. Jednak nawet łączenie struktur o tych trzech barwach na poziomie matryc diodowych nie przynosiło zadawalających rezultatów i stwarzało wiele kłopotów zwłaszcza z uzyskaniem powtarzalnych parametrów produktu. Dzisiejsza technologia pozwala na produkcję białych diod LED w formie pojedynczej struktury. Wiele białych diod świecących wytwarza się przy użyciu diod niebieskich domieszkowanych fosforem. Dostarczają one promieniowania o temperaturze barwowej około 4000 K i wskaźniku oddawania barw do 75. Ich wadą jest niestety mała stabilność parametrów i zauważalne po pewnym czasie świecenia różnice w barwie promieniowania poszczególnych egzemplarzy. Najnowsze generacje diod LED działają na zasadzie wytwarzania promieniowania ultrafioletowego, które dzięki zastosowaniu odpowiedniego luminoforu jest transformowane na promieniowanie widzialne na zasadzie analogicznej jak w lampach fluorescencyjnych (świetlówkach). Wygląd współczesnej diody typu LumiLeds 5W Luxeon Star przedstawia rysunek 1. Rys.1. Wygląd współczesnej diody świecącej LED     Innowacje   Wiodące firmy koncentrują się obecnie na wykorzystaniu wszystkich wcześniejszych doświadczeń do opracowania i wdrożenia w praktyce technologii produkcji półprzewodnikowych źródeł światła w postaci modułów LED w formie linijek, krążków lub tabliczek. Moduły liniowe są produkowane w wersji sztywnej wraz ze specjalnymi elementami optycznymi ograniczającymi kąt wypromieniowania do zakresu 20^o dla diod kolorowych i 25^o dla diod białych. Przykładem takiego wyrobu są moduły Luxeon Line firmy Luxeon lub LINEARlight firmy Osram (rysunek 2). Moduły o mocy 5W składające się z 4 diod osiągają już strumień świetlny rzędu 120 lumenów przy współczynniku oddawania barw ponad 80. Spadek strumienia świetlnego w trakcie 100 tys. godzin eksploatacji wynosi 20% wartości początkowej. Pozostawia to wprawdzie dalsze pole do ulepszeń, umożliwia już jednak wiele praktycznych zastosowań.   Rys.2. Liniowy moduł LED o nazwie LINEARlight wraz z elementem optycznym LINEARlight Optics firmy Osram.   Producenci W początkowym okresie rozwoju diod świecących, czołowa rolę odegrali producenci półprzewodników. Jednak gdy tylko głowni wytwórcy źródeł światła dostrzegli potencjał jaki niesie ze sobą nowy sposób generacji promieniowania widzialnego, natychmiast aktywnie włączyli się w rozwój badań. Trzy największe firmy przemysłu oświetleniowego utworzyły przedsięwzięcia typu joint venture dla dalszego rozwoju techniki LED. Obecnie prace rozwojowe w tej dziedzinie prowadzone są przez firmy : ·         LUMILEDS - joint venture Philips / Agilent Technologies ·         OSRAM Opto Semiconductors ·         General Electric / Emcore Jedynym, niezależnym dostawcą diod LED jest firma Nichia, formalnie nie związana dotąd z żadną firmą oświetleniową. Ważnymi graczami na rynku są także firmy Gelcore i Tridonic. Zastosowania Pierwsze, barwne diody świecące w zastosowaniach zewnętrznych zostały użyte w ciężarówkach, w wysoko montowanych światłach „stop”. Pojawiły się także w sygnalizatorach sterujących ruchem ulicznym. Jako źródła światła używane w sygnalizatorach wyjść ewakuacyjnych, oświetleniu bezpieczeństwa oraz wszelkiego rodzaju znakach świetlnych w osiemdziesięciu procentach zdominowały rynek w USA. Diody LED stosuje się w oprawach oświetlenia miejscowego umożliwiających czytanie pasażerom samochodów, autobusów i samolotów. Możemy je spotkać w światłach pozycyjnych i stopu wielu samochodów osobowych i zwykłych rowerów. Rozwój konstrukcji diod świecących jest coraz szybszy, a dzięki produkcji diod światła białego jego głównym celem stało się obecnie ich zastosowanie do ogólnych celów oświetleniowych. Wysoka skuteczność świetlna, poziom strumienia świetlnego, dobre oddawanie barw (diody białe) i powtarzalność parametrów współczesnych LED sprawiają, że ich obecność w codziennych zastosowaniach oświetleniowych staje się coraz szersza. Należy jednak pamiętać, że źródło światła którym bez wątpienia można już dziś nazwać diodę LED, to jeszcze nie system oświetleniowy. Do jego zaistnienia potrzebne są także funkcjonalne oprawy oświetleniowe, dla których znajdą się pola zastosowania. Nad stworzeniem takich systemów pracuje już wielu producentów opraw. Zastosowanie LED w oświetleniu zewnętrznym W oświetleniu zewnętrznym oprawy z diodami świecącymi stosowane są przede wszystkim jako oświetlenie dekoracyjne i akcentujące. Wykorzystuje się tu możliwość skutecznego działania LED w bardzo trudnych warunkach pogodowych, nawet we mgle czy podczas opadów deszczu i śniegu, gdy inne źródła światła często zawodzą. Zewnętrzne oprawy z LED instalowane są w podłożu, na słupkach lub niskich masztach. Do zastosowań zewnętrznych produkowane są na przykład akcentujące lub dekoracyjne oprawy ogrodowe o wysokim stopniu szczelności oraz oprawy wytyczające drogi instalowane w podłożu. Mogą one tworzyć instalacje oświetleniowe chodników i dróg spacerowych, parkingów, torowisk tramwajowych, tuneli drogowych i mostów. Są przydatne zwłaszcza w miejscach trudnodostępnych i takich gdzie brak możliwości stosowania słupów. Dzięki wysokiej trwałości, możliwości pracy w niskich temperaturach i minimalnemu poborowi mocy niezbędna konserwacja jest ograniczona do minimum, a koszty eksploatacji są znacznie ograniczone. Rys. 3. Oprawa JOKER VISION LED firmy Prisma Zastosowanie LED do iluminacji obiektów architektonicznych Dzięki wysokiej trwałości, małemu poborowi mocy, możliwości skutecznej pracy w niskich temperaturach i łatwemu sterowaniu, diody świecące są szczególnie przydatne do budowy systemów zewnętrzne iluminacji wszelkich obiektów architektury. Szczególnie przydatne są tu oferowane przez producentów elastyczne taśmy z diodami LED, które często umieszcza się w przeświecalnych rurach z tworzywa sztucznego lub specjalne profile aluminiowe z diodami. Zastosowanie LED do oświetlania wnętrz Choć daleko jeszcze do wyeliminowania starszych źródeł światła przez diody świecące LED, to jednak zapowiedzi szybkiego podwyższenia ich skuteczności świetlnej powodują, że producenci opraw wnętrzowych coraz częściej podejmują próby ich wykorzystania także do oświetlenia wnętrz. Należy oczekiwać, że udział opraw LED w oświetleniu pomieszczeń będzie rósł szybko, a jeśli zrealizowane zostaną zapowiedzi producentów LED, to z pewnością będzie oznaczać to rewolucję w zakresie opraw. Już dziś w ofercie rynkowej nie brakuje opraw wytyczających drogi komunikacyjne, korytarze, schody i wyjścia ewakuacyjne. Oprawy te montowane są w podłodze lub dość nisko w ścianach. Oprawy takie oferują między innymi firmy Prisma (rysunek 4 i 5) oraz firma Wever & Ducre (rysunek 6). Rys.4. Oprawa JOKER QUADRO S LED firmy Prisma Rys.5. Oprawa PROFIL 15L IP65 firmy Prisma Rys.6. Oprawa LED'S WALK firmy Wever&Ducre Na targach oświetleniowych i w katalogach pojawiają się już także pierwsze, w pełni funkcjonalne oprawy LED do oświetlenia miejscowego i ogólnego. Oprawy takie oferuje miedzy innymi firma Ludwig Leuchten (rysunek 7, 8, 9, 10). Rys.7. Oprawa wisząca LED'S FLY firmy Ludwig Leuchten   Rys.8. Oprawa biurkowa LED S1 firmy Ludwig Leuchten   Rys. 9. Oprawa wisząca LED PE firmy Ludwig Leuchten Rys. 10. Oprawa biurkowa YELED firmy DGA Kolorowe diody LED stosowane są do wytworzenia we wnętrzach specjalnych, często dynamicznych efektów barwnych. Znalazły też szerokie zastosowanie jako elementy dekoracyjne i akcentujące w pomieszczeniach wystawowych, sklepowych, reprezentacyjnych, muzeach i galeriach. Ze względu na brak promieniowania w zakresie UV i IR można je stosować do podświetlanie obiektów muzealnych bez narażania ich na niszczące działanie światła.

Artykuł ukazał się drukiem w dodatku TECHNIKA ŚWIETLNA
do miesięcznika ELEKTROSYSTEMY nr 10 / 2003

Autor : Marek Kołakowsk 

 

 

---