Diody LED w oświetleniu.PDF

PRZEGLĄDY - POGLĄDY

Diody LED w oświetleniu

Robert Gabrysiak

Dynamiczny rozwój technologii i konstrukcji takich

przyrządów półprzewodnikowych jak diody LED

(ang. Light Emitting Diodę) pozwolił na zaliczenie ich

do grupy nowoczesnych źródeł światła.

Diody elektroluminescencyjne charakteryzują się

większą skutecznością świetlną niż źródła żarowe.

Poza tym mają jeszcze wiele innych zalet,

którym wytwarzają promieniowanie świetlne w takich samych

ilościach co źródła konwencjonalne, jednak przy znacznie mniej-

szym zużyciu energii.

• Czas życia - przyjmuje się, że diody mają czas życia w grani-

cach 50000-60000 godzin. Jako czas życia określa się liczbę

godzin, po której strumień świetlny diody spada w stosunku do jego

wartości początkowej o 20%. Poza tym unika się - jak ma to

miejsce w przypadku źródeł konwencjonalnych - nagłego przepa-

lenia źródła światła (powolne wypalanie diody). To powolne

wypalanie się diody można korygować poprzez odpowiednie jej

sterowanie. Odbywa się to dzięki regulacji wypełnienia impulsów

zasilających diodę lub poprzez regulację parametrów zasilania.

• Odporność na wstrząsy i uszkodzenia mechaniczne - w przeci-

wieństwie do lamp żarowych i fluorescencyjnych LED-y są

praktycznie niezniszczalne. Wynika to z ich budowy, a głównie

z faktu, że warstwa półprzewodnikowa oraz doprowadzenia diody

zalane są przezroczystym, wytrzymałym mechanicznie tworzy-

wem silikonowym.

• Możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur - diody LED

mogą bezproblemowo pracować zarówno w temperaturach ujem-

nych, jak i dodatnich. W przypadku diod przewlekanych białych

5 mm zakres temperatur pracy wynosi od —20 do +50°C i nie

występują tutaj problemy związane z utrudnionym zapłonem

w temperaturach ujemnych (co ma miejsce w przypadku źródeł

świetlówkowych).

• Małe rozmiary diod - umożliwiają projektowanie lekkich i ma-

łych opraw oświetleniowych, co ma zastosowanie np. w latarkach,

lampkach akcentujących, reklamach świetlnych, szyldach itp.

• Pełna sterowalność diody po zaniku napięcia zasilania - dioda

praktycznie bezzwłocznie reaguje (w ciągu 100 ns) na ponowne

pojawienie się napięcia zasilającego. Zaleta ta umożliwia częste

załączanie i wyłączanie diody bez ryzyka jej uszkodzenia oraz

sterowanie impulsowe diodami.

• Uzyskiwanie różnych barw światła pozwala na eliminację

filtrów, które trzeba stosować, wykorzystując konwencjonalne

źródła światła.

• Bezpieczeństwo użytkowania - dzięki niskiemu napięciu pracy

diody.

• Diody LED nie zawierają w swojej budowie pierwiastków rtęci,

dzięki czemu są przyjazne dla środowiska naturalnego.

• Wysoki współczynnik oddawania barw (CRI) - białe diody LED

mogą mieć współczynnik CRI na poziomie 95, jednak technologia

pozwala uzyskiwać dowolną jego wartość. CRI można określić na

etapie budowy diody lub poprzez zmianę sposobu uzyskiwania

bieli, np. przez mieszanie barw w diodach RGB.

Dioda LED to półprzewodnikowe złącze p-n, które emituje fotony

podczas polaryzacji dodatniej. Emisja światła następuje pod wpły-

wem pola elektrycznego, w wyniku rekombinacji dziur i elektro-

nów w paśmie energetycznym diody. W zależności od materiału

półprzewodnikowego, dioda emituje światło o różnych długościach

fali.

Dioda jest źródłem światła monochromatycznego. Zmianę jasności

świecenia diody reguluje się za pomocą zmiany wartości prądu

zasilania, a zmianę barwy świecenia można uzyskać tylko na etapie

produkcji, w wyniku doboru materiałów i domieszek wchodzących

w skład diody. Powoduje to dość kosztowne uzyskanie koloru

białego i niebieskiego. Istnieje jednak sposób zmiany barwy

świecenia, poprzez stosowanie luminoforów przy produkcji diod.

Diody LED, ze względu na sposób powstawania światła, należą do

tzw. IV generacji sztucznych źródeł światła (I - płomień, II - lampy

żarowe, III - lampy wyładowcze). Emisja światła opiera się na

zjawisku elektroluminescencji w ciele stałym.

Wyróżnia się bardzo wiele rodzajów diod LED (rys. 1). Do

najbardziej popularnych i najczęściej spotykanych zalicza się diody

LED 5- i 3-milimetrowe. Diody te występują w różnych kolorach:

od czerwonego poprzez pomarańczowy, zielony, niebieski i różo-

wy, aż do białego. Istnieją również inne rodzaje diod prze-

wlekanych, o kształtach prostokątnych, owalnych czy też okrąg-

łych, o większych średnicach (8, 10 mm). Diody przewlekane

występują także jako diody IR (podczerwień), UV (ultrafioletowe),

a także jako RGB (3-kolorowe). Poza tym wyróżnia się diody do

montażu powierzchniowego, tzw. SMD, diody 4-pinowe (high

flux) oraz tzw. Power LED - diody mocy.

W artykule nie zostaną szczegółowo opisane wszystkie typy diod

- w dalszej części omówione zostaną głównie diody białe, które

mają stanowić współczesne, alternatywne źródła światła.

Białe diody LED uzyskują przewagę nad konwencjonalnymi

źródłami światła, dzięki takim zaletom jak:

• Duża skuteczność świetlna - diody LED są zasilane prądem

stałym o niskim napięciu i wykorzystują procesy fizyczne, dzięki

Mgr inż- Robert Gabrysiak - Lena Lighting SA, Środa Wielkopolska

Rok LXXIII 2005 nr 10

PRZEGLĄDY - POGLĄDY

Niestety, w parze z uzyskaniem wysokiej wartości CRI nie idzie

uzyskanie wysokiej wydajności świetlnej, wyrażonej w lume-

nach/wat. Przyglądając się białym diodom łatwo zauważyć, że

emitują one różne odcienie bieli. Uzależnione jest to od tem-

peratury barwy bieli. Obecnie jest możliwe wytwarzanie diod

o tzw. bardzo ciepłej barwie (barwa ognia), barwie „żarówkowej",

barwie „słonecznej" oraz o barwach chłodnych i zimnych (niebies-

kawe lub lodowe).

• Brak lub bardzo niski poziom promieniowania UV - w diodach

kolor biały można uzyskać na dwa sposoby. Pierwszy z nich to

mieszanie barw RGB lub mieszanie światła niebieskiego z żółtym

luminoforem. Drugi sposób to pobudzanie luminoforu do świecenia

za pomocą diody UV. W pierwszym przypadku biała dioda nie

emituje promieniowania UV. W drugim - promieniowanie emito-

wane w porównaniu do lamp fluorescencyjnych można uznać za

znikome. Promieniowanie UV jest szkodliwe w takich miejscach,

jak muzea i galerie, gdzie eksponaty należy chronić przed zgubnym

dla nich wpływem promieni UV - wszędzie tam, dzięki swoim

zaletom mogą być stosowane diody LED.

Rys. 2. Diody 4-pinowe [14, 15]

Z reguły mają one kształt kwadratowy, przez co umożliwiają

uatrakcyjnienie źródła światła poprzez inną jego kompozycję

(zabudowę).

Następną bardzo ważną grupę tworzą diody mocy, tzw. Power

LED. Są to diody, których moce zaczynają się od l, a kończą na

5 W (rys. 3). Diody te - ze względu na dość dużą ilość ciepła

wydzielanego podczas pracy - muszą być wyposażone w radiator.

Obecnie w technice oświetleniowej znalazły zastosowanie głównie

trzy rodzaje białych diod.

Pierwszy z nich stanowią chyba najbardziej popularne i znane,

a jednocześnie najtańsze - diody przewlekane okrągłe (3 i 5 mm).

Diody te można również spotkać w wersjach o większych śred-

nicach czy też o kształcie prostokątnym lub owalnym (rys. 1).

Rys. 3. Diody Power LED [16]

Większość producentów oferuje do tego typu diod radiatory

- najczęściej w kształcie okrągłych lub kwadratowych płytek

aluminiowych. Zaleca się jednak, aby dodatkowo odprowadzać

ciepło poprzez stosowanie możliwie jak największych radiatorów,

gdyż im niższa temperatura złącza diody, tym lepsze jej parametry

świetlne. Zakłada się, że przy diodzie wyposażonej w fabryczny

radiator, maksymalna temperatura na radiatorze nie może prze-

kroczyć 80°C. Jednak im jest ona niższa, tym wartość strumienia

świetlnego emitowanego przez diodę rośnie. Diody Power LED

l W mają znamionowy prąd pracy 350 mA, a - przykładowo

- diody 3 W mają ten prąd już dwukrotnie wyższy.

Diody Power LED są produkowane zazwyczaj jako diody szeroko-

kątne (90°, 120° itp.). Uzyskanie bardziej skupionej wiązki światła

jest możliwe tylko poprzez zastosowanie układów soczewkowych,

które bez problemów można zakupić u producenta (rys. 4).

Rys. 1.

Różne rodzaje

diod LED

[6, 12-14]

Z reguły ich napięcia zasilania zawierają się w granicach

3,2-3,8 V, a prąd przewodzenia ciągłego wynosi ok. 20 mA

(impulsowego - ok. 50 mA). Diody te są wykonywane w wersjach

o różnych kątach świecenia (od 10 do 60°). Im większy kąt

świecenia diody, tym większa równomierność natężenia oświet-

lenia na danej powierzchni oraz mniejsze samo natężenie oświet-

lenia. Oznacza to, że chcąc uzyskać taką samą równomierność na

danej powierzchni dla diod wąskokątnych (np. 10°) jak dla diod

szerokokątnych (np. 60°), należy zastosować ich większą liczbę.

Dodatkowo uzyskamy wtedy znacznie większą wartość natężenia

oświetlenia. Wadą stosowania diod wąskokątnych są znacznie

wyższe koszty źródła światła, związane z ich większą liczbą.

Kolejną grupę stanowią diody LED 4-pinowe, zwane też diodami

high-flux lub super-flux (rys. 2). Diody te charakteryzują się,

w odróżnieniu od diod okrągłych 5 i 3 mm, lepszymi parametrami

świetlnymi (większą wydajnością świetlną).

V..- T Q

'^Sl^

Rys. 4. Soczewki dla diod Power LED [17]

Porównując diody Power LED z diodami 5 mm okrągłymi, warto

zwrócić uwagę, iż wydajność świetlna diody Power LED 3 W

sięga 100 Im/W, natomiast aby wyemitować 100 Im/W potrzebne

jest ok. 50 diod 5 mm. Dzięki temu można budować źródła światła

o znacznie mniejszych kosztach montażowych oraz o znacznie

mniejszych wymiarach. Jedyną wadą diod Power LED jest ich cena

-jest ona obecnie ok. 10-krotnie wyższa niż diod 5 mm.

Rok LXXIII 2005 nr 10

PRZEGLĄDY - POGLĄDY

Zastosowania diod LED

Początkowo diody LED znajdowały zastosowanie jako kontrolki

w urządzeniach sygnalizujących. Obecnie zakres zastosowań diod

LED bardzo się poszerzył. Dzięki coraz lepszym parametrom

świetlnym diod, możemy je spotkać w aparatach fotograficznych

(gdzie pełnią funkcję lamp błyskowych), telefonach komórkowych,

w tylnych reflektorach samochodowych, w oświetleniu parkowym,

ogrodowym i ulicznym, w oświetleniu wnętrz, reklamach, oświet-

leniu zewnętrznym - dekoracyjnym, a także w profesjonalnym

oświetleniu warsztatowym.

Na naszym rynku można obecnie kupić także żarówki diodowe

(rys. 6). Pozwalają one w łatwy i tani sposób zamienić konwenc-

jonalną żarówkę czy halogen na diodowe źródło światła. Żarówki

takie znajdują najczęściej zastosowanie w dekoracyjnym oświet-

leniu wewnętrznym (witryny sklepów, galerie, obrazy itp.). Poza

tym ostatnio bardzo popularne stały się rowerowe oprawy diodowe

(rys. 8). Mają one szczególną przewagę nad oprawami tradycyj-

nymi, ponieważ nie potrzebują dynama oraz emitują jasne i mocne

światło.

Ponadto diody w lampach rowerowych są bardzo energooszczęd-

nym źródłem światła, co znacznie wydłuża żywotność zastosowa-

nych do ich zasilania baterii czy akumulatorów.

Kolejną grupę lamp, w których znalazły zastosowanie diody LED,

stanowią latarki. Obecnie diody mocy (Power LED), dające

intensywny strumień światła, są stosowane w latarkach prze-

znaczonych dla służb specjalnych (wojsko, policja, straż) (rys. 9).

Latarki diodowe mają przewagę nad tradycyjnymi dzięki znacznie

większej wytrzymałości mechanicznej samego źródła światła oraz

energooszczędności.

Kolejne godne uwagi grupy opraw, w których zastosowano

technologię LED, to oprawy wewnętrzne (rys. 7), oprawy uliczne

(rys. 5) oraz oprawy warsztatowe (rys. 11). W przypadku oświet-

lenia zewnętrznego oprawy LED wykorzystywane są głównie do

oświetlenia dekoracyjnego, akcentującego czy iluminacji obiek-

tów. W tych zastosowaniach szczególne znaczenie mają na-

stępujące zalety diod: możliwość skutecznego działania w trudnych

warunkach atmosferycznych, duża odporność na uderzenia

i wstrząsy, zasilanie opraw bezpiecznym, niskim napięciem.

Rys. 5. Uliczne oprawy diodowe [22]

Rys. 6. Żarówka LED [18]

Rys. 7. Oprawy diodowe wewnętrzne [21]

Rys. 8. Rowerowe lampy diodowe [19]

Rys. 9. Profesjonalna latarka diodowa [20]

Rok LXXIII 2005 nr 10 Vv\T&

PRZEGLĄDY - POGLĄDY

LITERATURA

[1] http://www.utrzymanieruchu.pl/elektronika05.php47art = 288

[2] http://pl.wikipedia.org/wiki/LED

[3] http://www.port21.pl/technika/article _ 1109.html

[4] http://ise.pl/info/index.php7pid = 250

[5] http://www.elektroinstalator.com.pl/artyk/old/2003/2003-02/diody.htm

[6] http://led-display.chinasources.com.tw/led-lamps.htm

[7] http://www.jeybi.republika.pl/dioda_led.html

[8] http://www.lighting.pl/vademecu/diody _LED_2.htm

[9] http://www.lighting.pl/vademecu/diody„LED.htm

[10] http://www.lumex.com/product_listing.asp

[11] http://www.energieodnawialne.pl/publicystyka.php?pid= l&arid= 14

[12] http://www.lumex.com

[13] http://www.theledlight.com

[14] http://www.lc-led.com

[15] http://led-display.chinasources.com.tw/super-flux-leds.htm

[16] http://led-display.chinasources.com.tw/high-power.htm

[17] http://www.lediko.com/optyka-dla-diod-LED-XLamp.html

[18] http://led-display.chinasources.com.tw/led-lighting.htm

[19] http://www.allegro.pl

[20] http://www.streamlight.com/products.htm

[21] http://www.ludwig-leuchten.de

[22] http://www.ledtronics.com/datasheets/traffic_index/traffic_index.htm

[23] http://www.facom.com/cotn/index.htm

[24] http://www.lenalighting.pl

[25] http://www.zeca.it

[26] http://www.ledtronics.com/DS/GDL002-200/default.asp

Rys. 10. Naświetlacze diodowe [26]

Rys. 11. Oprawy warsztatowe [23-25]

Ponadto oprawy takie nie podlegają częstym przeglądom i konser-

wacjom, a długi czas życia diod powoduje, że praktycznie stają się

lampami nie wymagającymi obsługi. Oprawy takie najczęściej

służą do podświetlania elewacji budynków, wyznaczania alejek,

wjazdów, akcentowania istotnych elementów otoczenia. Projektuje

się je często jako oprawy ogrodowe stojące (w postaci słupków),

oprawy „wpuszczane" w podłoże (tzw. najazdówki) czy też

montowane w ściany.

Do oświetlania elewacji budynków często stosuje się tzw. paski

diodowe, które umieszcza się w przezroczystych rurkach lub

w aluminiowych profilach. Innym sposobem jest oświetlanie ścian

naświetlaczami LED (rys. 10).

W przypadku oświetlenia wewnętrznego projektuje się oprawy

wytyczające drogi komunikacyjne, oświetlające schody, korytarze

czy miejsca pracy. Ponadto można zakupić oprawy diodowe

warsztatowe. Charakteryzują się one brakiem przewodu zasilające-

go, co w wielu przypadkach stanowi wielką zaletę: są lekkie

i poręczne, dają światło skupione, dzięki któremu nie powodują

oślepienia użytkownika i dokładnie oświetlają wybraną powierzch-

nię (np. fragment silnika samochodowego). Ponadto lampy te nie

nagrzewają się i nie zagrażają użytkownikowi (takich możliwości

na pewno nie dają oprawy warsztatowe żarówkowe).

Jak widać, lampy diodowe mają szereg zalet odróżniających je od

lamp konwencjonalnych. Ich jedyną wadą jest cena. Kupując

oprawę diodową, musimy liczyć się ze znacznie wyższym wydat-

kiem. Pomimo to, rozwój technologii LED jest ciągle zauważalny

i dynamiczny. Diody stają się coraz bardziej wydajnymi źródłami

światła, a koszty ich produkcji powoli ulegają zmianie na korzyść

konsumenta. Zanosi się na to, że w ciągu kilku najbliższych lat

technologia LED zacznie wypierać konwencjonalne źródła światła

w znaczący sposób.

WYDARZENIA - ZAPROSZENIA

>• Międzynarodowe Targi Poznańskie na targi „Innowacje -Technologie

- Maszyny" (20-23 czerwca br., Poznań)

>• Forum EIB na konferencję prasową poświeconą standardom EIB oraz

KNX (2września br., Warszawa)

>• Polski Komitet Elektrostatyki na K Sympozjum „Nowoczesność

w procesach technologicznych" (8-9 września br., Augustów)

> Firma ASTOR na seminarium z cyklu ASTOR Tour 2005, po-

święcone zagadnieniom automatyki oraz systemów informatycznych (13

września br., Swierklaniec)

>• Firma Software-Konferencje na konferencję „Okablowanie struk-

turalne GigaCon 2005" (21 września br., Warszawa)

>• Miesięcznik Nowy Przemysł na konferencję „Klient na rynku energii"

(21 września br., Warszawa)

> Wydział Elektryczny Politechniki Białostockiej na XV Międzynarodo-

wą Konferencję EMD2005 (21-23 września br., Białystok)

> Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych oraz Związek

Inżynierów Litwy na VI Międzynarodową Konferencję „Wykorzystanie

odnawialnych źródel energii w gospodarce komunalnej Polski i Litwy"

(22-25 września br., Wilno)

>• Międzynarodowe Centrum Informacyjno-Konsultingowe ICIC na kon-

ferencję „Inwestycyjne interesy za granicą: Twoja firma na Ukrainie"

(24-25 września br., Lwów)

> Redakcja miesięcznika Elektroinstalator na ni Kongres Techniczno-

Ekonomiczny INSTALEXPO 2005 (27-28 września br., Warszawa)

>• Polski Związek Producentów i Pradcodawców Przemysłu Oświet-

leniowego na prezentację raportu dotyczącego sytuacji na rynku

oświetleniowym (30 września br., Warszawa)

> Warszawski Dom Technika NOT na cykl jubileuszowych spotkań (30

września, 25 października i 15 listopada br., Warszawa)

Rok LXXIII 2005 nr 10

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: