Możliwości zastosowań LED

Dioda świecąca, LED (Light Emitting Diode), pojawiła się w produkcji seryjnej już w latach 60. XX wieku. Dopiero jednak rozwój technologii produkcji diod elektroluminescencyjnych ostatniego dziesięciolecia umożliwił zastosowanie tego źródła światła w wielu aplikacjach oświetleniowych.

Projektowanie układów optycznych – szanse i zagrożenia

Wprowadzenie układów LED ma znaczny wpływ na zmianę sposobu projektowania układów optycznych i stawia wyżej poprzeczkę programom wspomagającym projektowanie opraw oświetleniowych.

Nieznaczne rozmiary diod świecących stwarzają szansę na konstruowanie opraw oświetleniowych o mniejszych gabarytach, zapewniają lepszą kontrolę emitowanego światła, pozwalają na stosowanie rozwiązań w aplikacjach, które do tej pory były nie do zrealizowania.

Dobra kontrola światła umożliwia obejście części wymagań oświetleniowych, które regulują zapewnienie właściwych parametrów oświetleniowych. Takie potencjalne zagrożenia uwydatniają się szczególnie w przypadku możliwości obejścia przepisów dotyczących homologacji lamp sygnałowych czy lamp oświetlenia drogowego. Może się niebawem okazać, że ze względu na możliwości precyzyjnego sterowania rozsyłem światła, niektóre wymagania fotometryczne będą musiały ulec zmianie.

Problemy mogą mieć producenci programów wspomagających projektowanie układów optycznych. Dokładność wyników symulacji bazujących na układach LED wymaga wykonania dokładnego modelu źródła światła. Elementy optyczne, takie jak np. dodatkowa soczewka, często umieszczane są bardzo blisko źródła LED. Oznacza to, że model nie tylko musi zapewnić właściwą dystrybucję światła w przypadku zachowania granicznej odległości fotometrowania, ale równocześnie powinien zapewnić właściwy rozsył światła w odległości znacznie mniejszej od tej granicy. Zbieżność wyników symulacji komputerowych z rzeczywistym rozsyłem światła zależy więc w znacznym stopniu od sposobu zamodelowania źródła LED.

Obecnie najbardziej dokładne wyniki można uzyskiwać z użyciem 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, takim jak odbłyśnik czy soczewka, tworzą końcowy rezultat rozsyłu światła [2].

Możliwości i ograniczenia w zastosowaniu LED

Nieznaczne wymiary diody świecącej pozwalają projektantom na dobrą sterowalność układu optycznego i wdrażanie ciekawych rozwiązań konstrukcyjnych. Wyjątkowa odporność mechaniczna, odporność na wibracje i wstrząsy (brak żarnika i szklanej bańki, które mogłyby ulec zniszczeniu) to dodatkowe zalety, które wspierają zastosowanie diod wszędzie tam, gdzie trwałość i wytrzymałość ma kluczowe znaczenie.

Diody świecące, w odróżnieniu od stosunkowo wolno rozpalającego się żarnika, osiągają niemal natychmiast pełen strumień świetlny. Ta cecha nabiera szczególnego znaczenia w przypadku świateł hamowania, gdzie nawet ułamki sekund mogą decydować o życiu lub śmierci uczestników ruchu. Ponieważ czas reakcji diody LED na jej włączenie i wyłączenie jest ponad milion razy krótszy niż w żarowych źródłach światła, naciśnięcie hamulca jest natychmiast zauważalne i pozwala przyśpieszyć reakcję kierowcy znajdującego się za hamującym pojazdem.

Rys. 4. Oświetlenie Muzeum Palazzo Grassi – Wenecja, Włochy wg projektu Piotra Uklanskiego, realizacja za pomocą tablic LED-owych 1PLX Board [6]

Rys. 5. Pachinko ZAP Ofuna Hall – Kanagawa – popularne centrum karaoke i hazardu w Japonii ma oświetlenie zrealizowane za pomocą tablic LED-owych, sterowanie poprzez mikroserwy [5]

Diody w połączeniu z elektronicznymi układami sterowania dają możliwość tworzenia różnych barw światła. Łączenia ze sobą diod w grupy, budowanie modułów i paneli LED-owych czy tworzenie łańcuchów i matryc LED-owych pozwalają na kreowanie niewyobrażalnych dotąd scen świetnych, efektów i animacji wizualnych.

Wykorzystanie diod w nowych formach i układach konstrukcyjnych wprowadza dodatkowy wymiar projektowania. To już nie tylko skupianie się na realizacji podstawowych wymagań oświetleniowych, takich jak natężenie oświetlenia, równomierność czy rozkład luminancji. Nowoczesne rozwiązanie oparte na diodach pozwalają na tworzenie złożonych projektów integrujących zachowanie człowieka z oświetleniem. Ograniczeniem w zasadzie staje się tylko wyobraźnia projektanta i cena samego rozwiązania.

Zaletą diod jest brak w ich widmie szkodliwego promieniowania UV i IR. Źródła LED, w odróżnieniu np. od świetlówek, nie tracą strumienia świetlnego w niskich temperaturach. Biorąc jeszcze pod uwagę ich wyjątkową trwałość, wyższą od lamp wyładowczych, diody świecące stanowią ciekawą propozycję w oświetleniu zewnętrznym i iluminacji.

Projekty iluminacyjne oparte na źródłach LED należą wciąż do rozwiązań dość elitarnych, lampy diodowe są kilka, a nawet kilkadziesiąt razy droższe niż lampy z żarowymi źródłami światła. Wynika to z zastosowania nowych technologii produkcji, konieczności stosowania układów elektronicznych, odpowiedniego zabezpieczenia źródeł światła przed środowiskiem zewnętrznym, zapewnienia właściwej temperatury pracy itp. 

Dla diod elektroluminescencyjnych, szczególnie tych emitujących światło białe, dochodzi jeszcze jeden aspekt związany z trudnościami w wyselekcjonowaniu diod, które realizowałyby właściwie kryteria kolorymetryczne. Ma to szczególne znaczenie w oświetleniu samochodowym. 

W zintegrowanych układach, takich jak np. lampy sygnałowe czy moduły LED, w przypadku awarii jednej diody LED najczęściej nie można jej wymienić. W tym wypadku konieczna jest wymiana całej lampy czy całego modułu. Powstają więc kolejne problemy z doborem właściwej barwy światła, kosztami wymiany itp. W tym aspekcie jeszcze bardziej istotny jest wybór odpowiedniego producenta lamp LED. 

Niewłaściwie zaprojektowana lampa, źle dobrane elementy elektroniczne, zbyt wysoka temperatura czy zastosowanie do produkcji lamp diod świecących o niskiej jakości może znacznie skrócić trwałość układu.

Podsumowanie

Źródła LED mają obiecujące perspektywy rozwoju. W obecnej chwili ich skuteczności świetlne mogą być porównywalne ze skutecznościami świetlnymi wyładowczych źródeł światła. Dynamika wzrostu wydajności świetlnej jest jednak znacznie wyższa niż w przypadku innych elektrycznych źródeł światła. 

Szerokość zastosowań aplikacyjnych jest na tyle duża, że pozwala na osiąganie celów, które do tej pory były wyjątkowo trudne do realizacji bądź wręcz niewykonalne. Ciągła poprawa parametrów świetlnych diod zbliża nas do granicy, od której źródła LED zaczną być traktowane jako rzeczywista, powszechna alternatywa dla wyładowczych źródeł światła.

Barierę wciąż stanowi cena i stopień skomplikowania rozwiązań. W dużej części projektów praca projektantów oświetlenia wymaga od nich nowego spojrzenia na sposoby realizacji założeń czy wymagań oświetleniowych. Projektowanie oświetlenia przy wykorzystaniu LED może być z tego względu trudniejsze.

Niezależnie od wszystkich wymienionych w artykule ograniczeń i trudności, przekroczenie tej bariery wydaje się być już tylko kwestią czasu.

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 praktycznie każdej barwy.

Rozwój technologii LED wprowadził ją w różne aspekty naszego życia. Diody coraz częściej pojawiają się jako źródła światła w oświetleniu samochodowym, sygnałowym, oświetleniu akcentującym, ewakuacyjnym, w reklamach świetlnych, a nawet w oświetleniu ogólnym i drogowym. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie części możliwości i ograniczeń związanych z zastosowaniem źródeł LED.

Parametry i cechy źródła LED

Trwałość diody świecącej producenci określają na kilkadziesiąt tysięcy godzin. Jest to kilkadziesiąt razy więcej niż w przypadku klasycznych żarowych źródeł światła. Często są to wartości czysto teoretyczne, podawane dla idealnych warunków otoczenia i przy zapewnieniu optymalnych elektrycznie warunków pracy diody. 

W rzeczywistości wiele układów elektronicznych zasilających diodę nie zapewnia jej optymalnych warunków pracy. Ze względu na wadliwie wykonany projekt, nieprawidłowe odprowadzanie ciepła, czy podzespoły słabej jakości, czas działania diody może ulec znacznemu skróceniu. Na spadek trwałości lampy LED może również wpłynąć niewłaściwie zaprojektowana ochrona układu elektronicznego przed warunkami zewnętrznymi. 

Diody świecące cechuje spadek strumienia świetlnego wraz ze wzrostem temperatury i czasem eksploatacji. Degradację diody może również powodować prąd przekraczający wartości znamionowe. 

Właściwie zaprojektowany układ powinien uwzględnić wszystkie te czynniki i zapewnić stosunkowo najlepsze warunki pracy diody w całym okresie jej działania. Dlatego ważny jest wybór produktów – od znanych i sprawdzonych producentów, którzy spełniają opisane wcześniej wymagania i zapewnią należytą jakość – zarówno na etapie projektowym, jak również powtarzalność produkcji w produkcji seryjnej. 

Rys. 1. Oprawa LEDVANCE DOWNLIGHT XL (2000 lumenów, moc 34 W, trwałość – 50 tys. godzin) [1]	Rys. 2. Lampa obrysowa G06 LED polskiego producenta stosowana w oświetleniu samochodów ciężarowych, z nowoczesnym układem stabilizacji prądowej. Zakres pracy 9–30 V [4]

Wysokiej jakości układy ze źródłami LED są stabilizowane temperaturowo poprzez odpowiednio zaprojektowany układ odprowadzający ciepło (radiator) oraz dobrej jakości elektronikę, najczęściej ze stabilizacją prądową pracy diody. Diody sprawiają wciąż wiele problemów technologicznych. Nie ma możliwości wyprodukowania wszystkich diod o identycznych parametrach. Niezmiernie ważna staje się więc ich właściwa selekcja. 

Producenci diod różnicują je ze względu na strumień świetlny, światłość generowaną w osi optycznej, napięcie przewodzenia, a w przypadku diod emitujących światło białe – również ze względu na chromatyczność. Właściwie przeprowadzona selekcja jest jednym z kluczowych aspektów pozwalających na wytworzenie trwałych produktów o zbliżonych parametrach optycznych i kolorymetrycznych. Szanujący się producenci potrafią zapewnić serwis umożliwiający wymianę danych modułów LED czy diod na takie, które nie będą się nadmiernie odróżniać pod względem fotometrycznym i kolorymetrycznym od pierwotnie zainstalowanych.

Rozwój technologiczny diod świecących powoduje stałą tendencję wzrostu ich skuteczności świetlnej. W najlepszych rozwiązaniach skuteczność świetlna diod przekracza 100 lm/W. Większa skuteczność świetlna źródła 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 zamiennikiem tradycyjnych żarówek z trzonkiem E27 i E14.

Rys. 3. Model diody świecącej (Seoul Semiconductor P4) z rozdzielonym modelem chipu i otaczającego go układu optycznego, zastosowany w programie Photopia [3]

Pojawiają się również LED-owe zamienniki świetlówek liniowych, żarówek do oświetlenia lodówek, żarówek reflektorowych itp. Oszczędność energii jest również istotna w aspekcie oświetlenia pojazdów. Czynnik ten nabrał dodatkowego znaczenia z powodu konieczności stosowania ciągłego oświetlenia pojazdów samochodowych będących w ruchu.

Diody jako źródło światła coraz częściej są wybierane przez producentów samochodów ciężarowych, którzy ze względu na znaczne wymiary pojazdów i konieczność stosowania wielu lamp sygnałowych zmuszeni są do poszukiwania trwałych i energooszczędnych rozwiązań. Zamiana lamp obrysowych z klasycznych żarówek na diodowe źródła światła w samochodzie ciężarowym pozwala zmniejszyć pobór mocy zużywanej na oświetlenie nawet o ponad 80%.

Stały rozwój technologii pozwala rokować nadzieję na dalszy wzrost skuteczności świetlnej źródeł LED. Teoretycznie skuteczności świetlne diod mogą dojść nawet do 200 lm/W. 

Autor:

dr inż. Grzegorz Glinko