LEDIKO | Obecne i przyszłe parametry lamp LED

Spis treści:

Od autora

1. Elektroluminescencja
2. Diody elektroluminescencyjne - rys historyczny
3. Sposoby wytwarzania białych diod LED
4. Obecne i przyszłe parametry diod LED
5. Zasilanie diod LED
6. Optyka diod LED
7. Zarządzanie ciepłem (chłodzenie diod LED)

Część 4. Obecne i przyszłe parametry lamp LED

Energooszczędność diod LED

Jednym z kluczowych parametrów decydujących o popularności danego źródła światła jest to, ile zużywa ono energii elektrycznej. Im źródło światła wydajniejsze tym potrzebuje mniej dostarczonej energii by w ten sam sposób oświetlić otoczenie. Diody LED są wysoko wydajnymi źródłami światła monochromatycznego i mają potencjał technologiczny potrzebny by być w przyszłości wysoce wydajnymi źródłami światła – nawet 200lm/W. To właśnie ze względu na możliwości osiągnięcia oszczędności energii elektrycznej technologia białych diod LED jest jedną z tych najszybciej się rozwijających. Szacuje się, że w przyszłości wymiana stosowanych obecnie źródeł światła na diody LED pozwoli na zredukowanie ilości energii elektrycznej wykorzystywanej w oświetleniu o połowę. Obecnie około 20% energii elektrycznej produkowanej na świecie wykorzystywane jest przez oświetlenie. Po przejściu na źródła światła IV generacji udział ten zmniejszy się do 10%.

Czas życia diod LED

Diody LED zdecydowanie wyróżniają się spośród pozostałych źródeł światła długością życia. Wymawiana jest tu często liczba 100 tyś. godzin pracy, która określa średni czas, po którym dioda LED przestanie świecić. W rzeczywistości parametr ten jest jednak mało użyteczny i w odniesieniu do diod LED należy korzystać z definicji połowicznego czasu życia oraz użytecznego czasu życia.

Połowiczny czas życia, to czas działania diody LED, po którym jej jasność obniży się do wartości 50% jasności początkowej. Połowicznym czasem życia charakteryzuje się na ogół diody LED przystosowane do aplikacji innych niż typowo oświetleniowe.

Użyteczny czas życia, to czas określający pracę diody LED, po którym jej jasnoś obniży się do 70% wartości początkowej. Taką zmianę natężenia światła jest w stanie zaobserować użytkownik w przypadku aplikacji oświetleniowej. Z twgo też względu użytecznym czasem życia charakteryzuje się źródeł światła LED wykorzytwane w technice oświetleniowej.

Zaletą diod LED jest to, że w ich przypadku nie występuje katastroficzne zaprzestanie działania, jak ma to miejsce w przypadku klasycznych źródeł światła. Strumień świetlny diod LED ulega stopniowej degradacji w miarę upływu czasu. Po czasie, gdy stwierdzimy, że nasza lampa świeci już zbyt słabo, to my użytkownicy decydujemy o terminie wymiany źródła światła, a nie lampa, która z nieprzewidywalnym wdziękiem przepali się w najmniej odpowiednim momencie. Przykładowo, gdy w biurowcu wszystkie światła wykorzystujące diody LED zostaną zainstalowane jednocześnie, to również ich wymiana po zużyciu będzie mogła być przeprowadzona całościowo i na dodatek w dogodnym dla administracji budynku terminie. Stopniowa degradacja strumienia może jednak stanowić wadę w zastosowaniach, gdzie wymagany jest stały poziom natężenia światła (np. sygnalizacja). Problem ten można rozwiązać poprzez odpowiednie sterowanie lampą (regulacja zasilania, regulacja współczynnika wypełnienia impulsu). Ponadto długi czas życia diod LED wymaga by pozostałe elementy wchodzące w skład konstrukcji lampy LED wytrzymały równie długi okres pracy. Długi czas życia lamp LED pozwoli na zmniejszenie kosztów związanych z serwisowaniem systemów oświetleniowych oraz na zwiększenie bezpieczeństwa tam, gdzie od sygnałów świetlnych zależy życie i zdrowie ludzi (motoryzacja, lotnictwo, marynistyka itd.).

Strumień świetlny

Technologia diod LED umożliwia wykonywanie emiterów o szerokim zakresie wartości strumienia świetlnego. Od pojedynczych mili lumenów po setki lumenów emitowanych przez pojedynczy chip. Oczywiście wraz ze wzrostem wartości strumienia świetlnego rosną wymagania, co do technologii produkcji, wymiarów struktury półprzewodnikowej diody oraz dostarczanej do niej odpowiedniej ilości mocy. Prognozuje się, że w przyszłości wielkość emitowanego strumienia świetlnego z jednego chipu LED wyniesie 1500 lm przy sprawności 150-200 lm/W.

Współczynnik oddawania barw

Białe diody LED mogą mieć regulowany współczynnik oddawania barw CRI, czy to w stadium produkcji diody, czy też bezpośrednio poprzez użytkownika (w zależności od sposobu otrzymywania bieli). Zwłaszcza w przypadku mieszania barw RGB (lub większej ilości barw) regulacja współczynnika CRI pozwala na osiągnięcie szerokiego zakresu jego wartości. W technice oświetleniowej stosowane są źródła światła o współczynniku CRI: niskim, średnim, wysokim i bardzo wysokim. Wszystkie te zakresy są w zasięgu możliwości lamp LED. Należy zauważyć, że współczynnik CRI jest powiązany zależnością z wydajnością świetlną. Im większa wartość tego współczynnika tym mniejsza wydajność świetlna. Zależność tą zamieszczono na rys. 1a.

Rys. 1. Jakość światła:
a) zależność CRI od wydajności świetlnej lampy LED i ilości zastosowanych kolorów diod; b) Zależność wydajności świetlnej od temperatury barwy światła CCT dla białej diody RGB

Technologia diod LED umożliwia produkcję źródeł światła o bardzo wysokim CRI 95, a w przyszłości również i o wysokiej wydajności świetlnej (>150lm/W). Szacuje się, że za kilka do kilkunastu lat oświetlenie uliczne sodowe i rtęciowe zostanie zastąpione przez diody LED. Miasta nocą będą oświetlane światłem bardziej zbliżonym do światła dziennego i noc stanie się przyjaźniejsza ludziom.

Temperatura barwy bieli

Możliwe jest wytwarzanie białych emiterów LED w szerokim zakresie temperatur – od tych odpowiadających światłu ognia o bardzo ciepłej barwie, poprzez barwę światła żarówki, idealną biel odpowiadającą światłu słonecznemu, po chłodne i bardzo zimne światło charakterystyczne dla lamp fluoroscencyjnych i rtęciowych. Istnieje zależność pomiędzy temperaturą światła białego, a samopoczuciem człowieka. Najlepiej czujemy się w otoczeniu oświetlonym światłem możliwie zbliżonym do światła dziennego. Światło dzienne zwiększa wydajność pracy, polepsza zdolność koncentracji i uczenia, a nawet zwiększa sprzedaż w sklepach. Co więcej, istnieje dodatkowa zależność pomiędzy samopoczuciem człowieka, a temperaturą barwy bieli w zależności od pór dnia. Z wielu względów (głównie ekonomicznych) czynnik wpływu barwy światła na człowieka jest często pomijany. Klasyczne źródła światła nie mają możliwości prostej regulacji barwy światła. Z wykorzystaniem kolorowych diod LED można o wiele prościej i z lepszym efektem wykonywać oprawy oświetleniowe z płynnie regulowaną temperaturą barwy.

Rys. 2. Testy i praktyka
a) pokój testów do badania oświetlenia LED zdolnego do zmiany temperatury barwy. Oprawa zawiera diody czerwone, pomarańczowe, zielone, niebieskie oraz białe; b) sala konferencyjna w jednym z austriackich banków z zainstalowanym oświetleniem LED nad stołem mającym pozytywnie wpływać na nastrój i wydajność pracowników

(źródło: Bartenbach LichtLabor)

Rys. 3. Oświetlenie LED może dostosowywać barwę światła w zależności od potrzeb a) zimne światło sprzyjające koncentracji; b) ciepłe światło rozluźniające i stwarzające pogodny nastrój

(źródło: Bartenbach LichtLabor)

Wytrzymałość

Diody LED są bardzo wytrzymałe mechanicznie na uderzenia, wstrząsy, wibracje oraz oddziaływanie otoczenia – wysokie i niskie temperatury. Dzięki temu diody LED mogą być stosowane tam, gdzie do tej pory instalacja oświetlenia była niemożliwa lub znacznie utrudniona. Oprawy oświetleniowe z diodami LED nie wymagają specjalnych zabezpieczeń, gdyż mają nieporównywalnie większą wytrzymałość mechaniczną niż lampy żarowe i fluoroscencyjne. W porównaniu z nimi mogą wydawać się wręcz niezniszczalne. Wynika to przede wszystkim z braku kruchych elementów w konstrukcji diody oraz tego, że chip diody i doprowadzenia elektryczne są pokrywane, i przez to zabezpieczane, przezroczystym, wytrzymałym tworzywem sztucznym lub silikonem.

Brak promieniowania podczerwonego (IR) w emitowanej wiązce swiatła

Diody LED dzięki istocie samego procesu powstawania światła (zjawisko rekombinacji promienistej), teoretycznie mogłyby nie wytwarzać ciepła, gdyż proces rekombinacji promienistej może być wydajny niemal w 100%. Jednakże część światła powstającego wewnątrz chipu diody nie wydostaje się na zewnątrz ze względu na całkowite wewnętrzne odbicie. Fotony są absorbowane przez sieć krystaliczną półprzewodnika i rozgrzewają strukturę diody. Wraz ze wzrastającymi mocami (większe prądy zasilające diodę) coraz nowocześniejszych diod temperatura chipu diody będzie rosła. Obecnie wynosi ona typowo 80°C i maksymalnie do 155°C, lecz w przyszłości może nawet osiągnąć 250°C. Stąd konieczne jest skuteczne odprowadzenie energii cieplnej za pomocą radiatorów lub specjalnych podłoży metalowo-ceramicznych ułatwiających rozproszenie ciepła. Problemy termiczne w przypadku diod LED są kluczowe w procesie projektowania niezawodnych lamp LED. Należy podkreślić, że emitowane ciepło przez diodę w kierunku strumienia światła jest znikome. Dzięki temu diody nie ogrzewają przedmiotów, na które świecę. Ciepło powstające w chipie diody jest odprowadzane przez wyprowadzenia diody do podłoża i ewentualnie do radiatora, a dalej w kierunku przeciwnym do kierunku świecenia diody. Stąd powierzchnie czołowe opraw LED są chłodne i bezpieczne w dotyku, a światłem diod LED można ośiwetlać przedmioty nie odporne na promieniowanie cieplne.

Brak lub niski poziom UV

Diody LED, w których kolor biały uzyskuje się na zasadzie mieszania barw podstawowych lub konwersji światła niebieskiego w luminoforze, w odróżnieniu od lamp fluorescencyjnych nie posiadają w swoim widmie szkodliwego w niektórych zastosowaniach promieniowania UV. Promieniowanie UV mogą natomiast emitować diody białe, w których luminofor jest pobudzany do świecenia diodą ultrafioletową. Wydostawaniu się promieni UV z takiej białej diody zapobiega się poprzez dokładne pokrycie chipu diody luminoforem oraz wykorzystywanie pokrycia z żywic epoksydowych pochłaniających fale UV. W tym przypadku problem szczątkowego promieniowania UV jest mniejszy niż w przypadku lamp fluoroscencyjnych. Wynika to z tego, że lampy fluoroscencyjne mają 2 maksima emisyjne w zakresie fal UV (254nm i 185nm) i konieczne jest wykonywanie luminoforów, które pochłaniają fale UV z obu maksimów. Diody ultrafioletowe natomiast mają tylko jeden pik na charakterystyce spektralnej i to w zakresie fal o niższych energiach (370 do 410 nm), które są z tego względu mniej szkodliwe. Co więcej pik w ultrafiolecie diod UV LED jest ściśle zdefiniowany, przez co łatwiej jest dobrać odpowiedni luminofor i warstwy nie przepuszczające UV. Dzięki praktycznemu brakowi promieniowania UV i IR diody LED szybko znalazły zastosowanie w oświetleniu wrażliwych na te promieniowania eksponatów w muzeach, galeriach oraz w iluminacji zabytków.

Ukierunkowany strumień świetlny

Diody LED mają ściśle zdefiniowany kąt bryłowy rozsyłu światła. Nie występują straty związane z rozsyłem światła na boki. Łatwiej jest również dzięki temu wykonywać układy optyczne dla diod LED, gdyż są one praktycznie pierwszymi źródłami światła dla techniki oświetleniowej, które można traktować jako punktowe, co z kolei znacznie ułatwia konstrukcje odbłyśników, kolimatorów i soczewek. Wykonuje się diody o kącie rozsyłu na poziomie pojedynczych stopni po diody o kącie emisji przekraczającym 150 stopni. Wiązka światła może być ponad to eliptyczna – szeroka w jednej osi i wąska w drugiej. Finałem rozwoju diod LED będą między innymi wysoko wydajne i o długim czasie życia w warunkach pokojowych laserowe diody UV. Emitowana przez nie światło będzie mogła być przesyłane w wąskiej wiązce na duże odległości. Miejsce, na które będzie padać światło UV będzie pokrywane odpowiednim luminoforem, który wzbudzony będzie emitować światło widzialne we wszystkich kierunkach.

Małe wymiary

Diody LED w porównaniu z klasycznymi źródłami światła mają bardzo niewielkie rozmiary. Od ledwie dających się zauważyć gołym okiem diod typu SMD stosowanych np. w telefonach komórkowych po diody na radiatorach o średnicy kilku centymetrów. Wszystkie jednak zapewniają projektantom opraw oświetleniowych niedostępną do tej pory dowolność i elastyczność przy projektowaniu opraw. Lampy z diodami LED są przez to mniejsze, lżejsze i prostsze w budowie. Łatwiej jest je również dostosować do najróżniejszych zastosowań.

Rys. 4. Największe diody LED mają kilka milimetrów średnicy, a z radiatorami na ogół nie przekraczają 20mm.

Czas włączenia i wyłączenia

Od poprzednich generacji źródeł światła różnią się diody LED bardzo krótkim czasem włączenia i wyłączenia. Czas włączenia diod LED nie przekracza 100ns, a czas wyłączenia 200ns. W porównani z żarówkami są to czasy 2 miliony razy krótsze! Typowa żarówka osiąga 90% swej światłości po czasie 200ms. Czasy włączenia lamp fluoroscencyjnych i wyładowczych są jeszcze dłuższe i czasem sięgają nawet kilku minut (np. uliczne lampy sodowe i rtęciowe). Dzięki bardzo dużej szybkości włączenia i wyłączenia diod LED możliwe jest sterowanie PWM (szerokością wypełnienia impulsu). Pozwala to na łatwe ściemnianie lamp LED oraz na bezpośrednie wysterowania ich sygnałem cyfrowym, co dotychczas nie było na ogół praktykowane w technice oświetleniowej (wyjątkiem jest oświetlenie sceniczne i dyskotekowe sterowane cyfrowym protokołem DMX512). Szybkości diod LED pozwalają również na swobodne wykorzystanie ich do konstrukcji wielkoformatowych ekranów wideo o praktycznie nieograniczonych wymiarach (cena około 100 tys. zł/m2). Przejście na szybkie diody zwiększa znacząco bezpieczeństwo na drogach. Dzięki temu, że światła stopu w samochodach czy sygnalizacji świetlnej zapalają się w krótszym czasie kierowcy prędzej reagują i mogą dzięki temu uniknąć jednego z najczęstszych wypadków - stłuczki.

Łatwość w sterowaniu i obsłudze

Ponieważ diody LED są urządzeniami półprzewodnikowymi mogą być zasilane i sterowane w identyczny sposób jak wszelkiego rodzaju urządzenia elektroniczne. Problem ściemniania czy nawet zmiany koloru światła lampy LED nie stanowi większego problemu. W lampie można umieścić układ elektroniczny zawierający mikroprocesor, który steruje lampą LED i daje użytkownikowi nieosiągalne dotychczas za przystępną cenę możliwości.

Bezpieczeństwo

Lampy LED są znacznie bezpieczniejsze dla użytkownika niż pozostałe źródła światła. Po pierwsze są zasilane bezpiecznym stałym napięciem (najczęściej 12V i poniżej) i nie grożą porażeniem przy nieostrożnym postępowaniu. Po drugie brak iskrzenia, które może być przyczyną wybuchu lub pożaru w kopalniach, zakładach chemicznych, czy wszędzie tam, gdzie korzysta się z instalacji gazowej. Po trzecie charakteryzują się dużą niezawodnością wynikającą z długiego czasu życia, energooszczędności, wytrzymałości mechanicznej itp. Po czwarte diody LED nie zawierają trujących substancji oraz nie mają kruchych elementów szklanych, które mogą zostać stłuczone i grozić zranieniem. Zagrożeniem dla zdrowia ludzi może być jednak oddziaływanie światła monochromatycznego o dużej intensywności na wzrok. Dlatego lampy LED powinny posiadać konstrukcje optyczne zapobiegające olśnieniu.

Nowe obszary zastosowań światła

Parametry i właściwości diod LED tworzą nowe możliwości zastosowania światła w technice oświetleniowej i nie tylko. Dzięki łatwości sterowania cyfrowego opraw LED rozwija się oświetlenie inteligentne. Łatwość sterowania cyfrowego w połączeniu z szeroką gamą kolorowych diod LED poskutkowało powstaniem branży oświetlenia dekoracyjnego zmieniającego dynamicznie kolor. Diody znajdują zastosowania w medycynie klasycznej i niekonwencjonalnej. Nowe, nieznane zastosowania diod LED wciąż czekają na odkrycie.

Rys. 5. Dekoracyjne oświetlenie LED
a) iluminacja budynków lampami LED pozwala na uzyskanie efektów świetlnych, które dotychczas przy użyciu klasycznych lamp były zbyt kosztowne (źródło a i b: Color Kinetics); b) zastosowanie kolorowego oświetlenia na wystawach sklepowych zwiększa zainteresowanie produktami i sprzedaż

Tania produkcja masowa

Diody LED są produkowane masowo w wysoce zautomatyzowanych fabrykach półprzewodników. W chwili, gdy zwrócą się producentom nakłady na badania i budowę nowych fabryk produkcja diod zacznie gwałtownie tanieć i koszty ponoszone w momencie zakupu lamp LED będą systematycznie maleć. Należy zauważyć, że w przypadku diod LED mamy doczynienienia z dwoma opustami ceny jednocześnie - pierwszy wynikający z malejących kosztów przy coraz większej produkcji masowej ( maleje koszt 1 diody) oraz drugi opust wynikający z wzrostu wydajności świetlnej diod LED (maleje koszt 1lm światła).

Ochrona środowiska

Zastąpienie klasycznych źródeł światła nowoczesnymi rozwiązaniami opartymi o technologię emiterów SSL doprowadzi do blisko 10% zmniejszenia zapotrzebowania na energię elektryczną na świecie. Proporcjonalnie do tej obniżki zmniejszy się emisja dwutlenku węgla i tlenku węgla. Ostatnim dużym plusem diod i lamp LED jest łatwość utylizacji w porównaniu z energooszczędnymi lampami fluoroscencyjnymi, które zawierają między innymi trujące związki rtęci. Diody LED są wykonywane z materiałów nie szkodliwych dla środowiska. Jedynym wyjątkiem jest wykorzystywany na podłoża czerwonych emiterów arsenek galu GaAs.