Projektowanie systemów oświetlenia LED – od wyboru komponentów do optymalizacji efektywności

fot. pexels

Wybór odpowiedniej architektury montażowej to kluczowy element projektowania efektywnego systemu LED. Geometria, materiał obudowy oraz sposób kontaktu termicznego diody z podłożem wpływają na rezystancję termiczną i możliwości odprowadzania ciepła. Diody SMD w standardowych obudowach 2835 (ok. 2,8×3,5 mm), 3030 (ok. 3×3 mm) oraz 5050 (ok. 5×5 mm) różnią się konstrukcją wewnętrzną i przeznaczeniem, co przekłada się na ich parametry.

W typowych zastosowaniach 2835 wykorzystują pojedynczy chip, podczas gdy 5050 mogą zawierać trzy i więcej niezależne chipy LED, dzięki czemu osiągają większy strumień świetlny oraz większą moc. Diody 3030 zwykle mają lepsze odprowadzanie ciepła i umożliwiają pracę przy wyższych prądach niż 2835, dzięki czemu często charakteryzują się wyższą efektywnością energetyczną. Rzeczywiste wartości strumienia świetlnego dla tych obudów zależą jednak od producenta, barwy światła, technologii chipu oraz zastosowanego fosforu i mogą różnić się nawet kilkukrotnie.

Diody SMD w obudowach 3528 zazwyczaj cechują się wyższą rezystancją termiczną niż nowsze konstrukcje, co wymaga odpowiednio zaprojektowanych pól lutowniczych na PCB. Obudowy o większej powierzchni kontaktowej, takie jak 2835, 3030 lub 5050, umożliwiają skuteczniejsze odprowadzanie ciepła. Jeszcze niższe wartości rezystancji termicznej uzyskuje się przy montażu na podłożach metalowych typu MCPCB (Metal Core PCB), jednak końcowa wartość zależy od konkretnego modelu diody i dielektryka zastosowanego w PCB . Rezystancja termiczna może się różnić istotnie między producentami, dlatego w każdym przypadku należy opierać się na danych katalogowych konkretnej serii LED.

Profil spektralny światła LED zależy od materiału półprzewodnika i rodzaju zastosowanych fosforów, a nie od geometrii obudowy. Obudowa wpływa natomiast na sprawność optyczną, przesył światła,żywotonośc oraz poziom strat wewnętrznych. Nowoczesne konstrukcje, takie jak flip-chip czy reverse-mount, pozwalają zmniejszyć straty absorpcyjne i poprawić odprowadzanie ciepła, co może podnieść efektywność świetlną w porównaniu z klasycznymi konstrukcjami top-emitter , jednak z drugiej strony mają także swoje minusy jak na przykład wyższy koszt, wrażliwość na naprężenia. Kształt odbłyśnika i elementów optycznych wewnątrz obudowy wpływa na charakterystykę kątową emitowanego światła, jednak nie zmienia jego składu spektralnego.

Diody LED THT przewlekane – niszowe zastosowania i specyficzne wymagania

Przewaga mechaniczna elementów THT wynika z ich osadzenia w metalizowanych otworach oraz większej powierzchni lutu, co zapewnia dobrą odporność na drgania w porównaniu z elementami SMD. W prototypowaniu LED-y przewlekane umożliwiają łatwe ustawienie osi świecenia przed lutowaniem, co ułatwia szybkie modyfikacje projektu.

W zastosowaniach o wyższych napięciach THT pozwalają zachować większe odstępy izolacyjne niż małe obudowy SMD, jednak standardowy rozstaw pinów 2,54 mm nie jest wystarczający dla napięć rzędu setek czy tysięcy woltów – wymagane odstępy określają normy izolacyjne i mogą wynosić nawet kilka do kilkunastu milimetrów.

Napięcie przewodzenia LED zmienia się typowo o około –1,5 do –2,5 mV/°C, dlatego przy dużych wahaniach temperatury zmianie ulega także prąd w układach zasilanych rezystorem szeregowym; odchylenia mogą sięgać kilku–kilkunastu procent, zależnie od konfiguracji układu.

LED high power – termodynamika i architektura systemów oświetleniowych

Nowoczesne diody LED o wysokiej sprawności mogą osiągać ponad 200 lm/W przy niskich prądach pracy, natomiast w typowych zastosowaniach komercyjnych realne wartości wynoszą około 160–190 lm/W. Spadek wydajności świetlnej przy wzroście temperatury złącza, określany jako thermal droop, zależy od konstrukcji diody, lecz dla współczesnych LED mocy wynosi zwykle około 0,2–0,5% na każdy 1 °C powyżej temperatury odniesienia. Skuteczne chłodzenie pozostaje kluczowe dla utrzymania pełnej wydajności i długiej żywotności źródła światła.

Warstwa materiału termoprzewodzącego (TIM) umieszczona między modułem LED a radiatorem może stanowić znaczącą część całkowitego oporu termicznego układu, zazwyczaj od kilkunastu do kilkudziesięciu procent, zależnie od grubości, jakości aplikacji oraz rodzaju materiału. Typowe pasty termiczne charakteryzują się przewodnością cieplną rzędu 3–8 W/ (m·K), natomiast pady grafitowe mogą osiągać wartości w zakresie około 5–17 W/(m·K), przy czym dobór materiału zależy od wymagań konstrukcyjnych i mechanicznych.

Profesjonalne zasilacze impulsowe typu buck stosowane w oświetleniu LED osiągają sprawności zwykle powyżej 90%, nierzadko 92–95% przy optymalnym doborze komponentów. Regulacja jasności za pomocą modulacji PWM przy częstotliwościach powyżej około 1 kHz minimalizuje zauważalne migotanie dla większości zastosowań, chociaż w aplikacjach o podwyższonych wymaganiach komfortu wizualnego stosuje się częstotliwości rzędu kilku kHz.

Promieniowanie UV-C – fotochemia i mechanizmy dezaktywacji mikroorganizmów

Diody LED UV-C emitują światło o długości fali 260–280 nm, czyli dokładnie w tym zakresie, który skutecznie dezaktywuje bakterie i wirusy. Promieniowanie w tym paśmie uszkadza materiał genetyczny drobnoustrojów, dzięki czemu tracą zdolność do namnażania. W praktyce oznacza to, że przy odpowiednio dobranej mocy i czasie ekspozycji można osiągnąć bardzo wysoką skuteczność dezynfekcji – zwykle od kilku do kilkudziesięciu mJ/cm², w zależności od rodzaju mikroorganizmu.

Nowoczesne oprawy oparte o LED-y UV-C mają dodatkową przewagę nad tradycyjnymi lampami rtęciowymi: pracują od razu po włączeniu, nie wymagają nagrzewania i są wolne od toksycznych substancji. Typowa trwałość dzisiejszych diod UV-C to około 5–10 tysięcy godzin, przy czym dłuższą żywotność można uzyskać dzięki odpowiedniemu chłodzeniu i obniżeniu prądu pracy. Technologia rozwija się bardzo szybko – sprawność diod UV-C wynosi obecnie około 3–10%, a z każdym rokiem rośnie.

Projektując komory lub urządzenia dezynfekcyjne, stosuje się materiały o wysokim odbiciu UV-C, takie jak polerowane aluminium czy PTFE. Pozwala to maksymalnie wykorzystać emitowane promieniowanie i zwiększyć skuteczność całego systemu. Oczywiście bezpieczeństwo pozostaje priorytetem: wszystkie profesjonalne urządzenia UV-C muszą spełniać normy fotobiologiczne i są wyposażane w zabezpieczenia, które chronią użytkowników przed kontaktem z promieniowaniem.

Projektowanie systemów oświetlenia LED to proces, który obejmuje świadomy dobór komponentów, właściwe zarządzanie termiką, wybór odpowiedniej optyki oraz dopasowanie elektroniki zasilającej do warunków pracy. Każdy z tych elementów wpływa na finalną jakość oświetlenia. Kluczowe jest zrozumienie zależności między parametrami diod, ich chłodzeniem, sterowaniem oraz konstrukcją mechaniczną, aby stworzyć rozwiązanie, które zapewni wysoką sprawność i niezawodność przez cały okres użytkowania.