LED-owa rewolucja w oświetleniu wewnętrznym

fot. Toshiba

Historia rozwoju diod LED, ich budowa i zasada działania. Zalety i wady stosowania diod LED. Analiza wybranych parametrów diod LED oraz możliwości ich zastosowania w oświetleniu wewnętrznym w aspekcie oszczędności energii.

Znaczny postęp technologiczny w produkcji półprzewodnikowych źródeł światła, jakimi są diody LED, w ostatnich kilku latach sprawił, iż stało się możliwe stosowanie ich jako pełnowartościowych źródeł światła. Coraz większe moce emisyjne tych źródeł pozwoliły na zastosowanie diod LED w oświetleniu w przemyśle motoryzacyjnym, do podświetlania dużych wyświetlaczy LCD, w oświetleniu dekoracyjnym, architektonicznym, w sygnalizacji ulicznej oraz w oświetleniu ogólnym, zarówno zewnętrznym jak i wewnętrznym.

Rozporządzenia Unii Europejskiej ustaliły harmonogram wycofania z rynku energochłonnych, żarowych źródeł światła. Zgodnie z planami proces ten będzie trwał od września 2009 do roku 2016 [12]. Rozporządzenie zakłada, że wszystkie wycofywane żarówki będą zastąpione przez lampy o większej efektywności. Innowacyjną i zarazem energooszczędną alternatywą dla tradycyjnych żarówek używanych często do oświetlania mieszkań mogą stać się, będące tematem artykułu, nowoczesne, diodowe źródła światła.

W artykule przedstawiono historię rozwoju diod, ich budowę i zasadę działania. Ukazano również wady i zalety stosowania tych źródeł światła. Przeprowadzono analizę kilku parametrów charakterystycznych diod LED oraz wskazano na możliwości ich zastosowania w oświetleniu wewnętrznym w aspekcie oszczędności energii.

Dioda LED jako źródło światła – budowa i działanie

Podstawą działania diod LED jest zjawisko elektroluminescencji. Po raz pierwszy zostało ono zaobserwowane w 1907 roku przez H. J. Rounda. Zaobserwował on wtedy emisję światła widzialnego z kryształu węglika krzemu (SiC). Kolejne badania związków półprzewodnikowych, pod koniec lat trzydziestych XX wieku, pozwoliły na zaobserwowanie zjawiska elektroluminescencji w siarczku cynku (ZnS).

Historycznie pierwsze diody LED wytworzono na bazie arsenku galu (GaAs) w 1962 roku. Początkowo emitowały one światło monochromatyczne, najpierw podczerwone, potem czerwone, zielone, niebieskie, a na końcu białe.

Obecnie technika świetlna dysponuje półprzewodnikowymi źródłami światła o wysokiej wydajności, emitującymi światło w trzech podstawowych barwach: czerwonej, zielonej i niebieskiej, a w wyniku połączenia tych trzech barw możliwe staje się otrzymanie światła białego, co umożliwia ich szersze zastosowanie.

Diody LED (Light Emitting Diode) są strukturami półprzewodnikowymi. W skład ich budowy wchodzi warstwa półprzewodnika typu n, obszar aktywny zwany złączem p-n, warstwa półprzewodnika typu p oraz para metalowych kontaktów – elektrody dodatniej (do materiału typu p) i elektrody ujemnej (do materiału typu n). Podstawą działania półprzewodnikowych diod emitujących światło, jak wspomniano wcześniej, jest elektroluminescencja. Dlatego diody te nazywane są diodami elektroluminescencyjnymi (luminescencyjnymi). Cechą charakterystyczną materiału p jest posiadanie nadmiaru dziur w pasmie walencyjnym, z kolei materiał n posiada w tym paśmie nadmiar elektronów. W momencie spolaryzowania diody w kierunku przewodzenia następuje przenikanie elektronów i dziur do warstwy aktywnej o niższym poziomie energetycznym. W złączu p-n, które jest połączeniem dwóch warstw materiałów półprzewodnikowych typu p i n, wzbudzone elektrony rekombinują z dziurami i pozbywają się nadmiaru energii, która zostaje wypromieniowywana w postaci kwantu światła (emisja fotonu).

Na rysunku 1 przedstawiono schemat półprzewodnikowego złącza p-n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia.

Rys. 1. Schemat przedstawiający półprzewodnikowe złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia [14]

Diody LED dzieli się na dwie podstawowe grupy:

• typowe diody LED o małej mocy (50 – 150 mW) i średnicy 5 mm oraz
• diody LED dużej mocy (1 – 5 W) nazywane potoczenie Power LED.

Diody świecące LED zasilane są napięciem stałym o wartości zaledwie kilku woltów. Wartość napięcia zasilającego dla pracy znamionowej jest zależna od energii emitowanych fotonów, im jest ona większa, tym wymagane jest większe napięcie.

Do podstawowych parametrów diod LED zaliczyć można prąd i napięcie przewodzenia. Obie wielkości są ze sobą ściśle powiązane i zależą od temperatury złącza p-n. Znamionowy prąd przewodzenia dla większości diod małej mocy wynosi 20 mA, natomiast znamionowe napięcie przewodzenia mieści się w przedziale od 1,4 do 3,5 V.

Dodatkową możliwością w przypadku diod LED jest stosunkowo proste i elastyczne regulowanie jasności. Realizowane dotychczas z klasycznymi źródłami funkcje ściemniania i rozjaśniania światła są drogie, trudne w realizacji i mało efektywne. Jasnością diod LED można sterować na kilka sposobów, na przykład poprzez regulację prądu diody czy regulację wysokości piku przy zasilaniu impulsowym.

Zalety i wady diod LED 

Diody oświetleniowe LED są czwartą generacją sztucznych źródeł światła. Stale prowadzone prace związane z ich rozwojem pozwalają przypuszczać, że w niedalekiej przyszłości wyprą większość z używanych dotychczas źródeł światła. Pod względem technicznym omawiane diody posiadają szereg zalet.

Zalety diod LED 

• Bardzo duża trwałość, obejmująca zakres od 50 tys. do 100 tys. godzin świecenia (białe diody LED posiadają jedną z najkrótszych trwałości, wynoszącą ok. 30 tys. godzin, jest ona jednak dwukrotnie większa w porównaniu z najdłużej świecącymi świetlówkami). Strumień świetlny diod maleje w czasie i w normalnych warunkach pracy dioda nie ulega nagłemu przepaleniu. Dlatego też w odniesieniu do trwałości omawianych diod należy korzystać z definicji połowicznego czasu życia lub użytecznego czasu życia. Zazwyczaj trwałość użyteczną wyznacza się przy spadku strumienia świetlnego do 70% wartości początkowej. Natomiast w przypadku wykorzystania diod do celów przemysłowych przyjmuje się określenie trwałości diod jako liczby godzin, w czasie których nastąpi spadek o 50% początkowej intensywności świecenia. Do czynników, które mają wpływ na trwałość diod zaliczyć można: prąd sterujący diody, temperaturę otoczenia złącza półprzewodnikowego, jak również wilgotność środowiska, w jakim złącze pracuje. Ponadto podczas rozpatrywania trwałości należy brać pod uwagę trwałość aparatury zasilającej, a także osprzętu dodatkowego wchodzącego w skład systemu oświetleniowego, który może mieć wpływ na skrócenie czasu użytkowania. Długi czas życia lamp LED pozwala na zmniejszenie kosztów, które związane są z serwisowaniem systemów oświetleniowych oraz na zwiększenie bezpieczeństwa tam, gdzie od sygnałów świetlnych zależy życie i zdrowie ludzi. Diody chętnie stosowane są również do wykonywania reklam świetlnych, podświetlania liter, jak również przy oświetleniach informacyjnych, na co duży wpływ ma ich stopniowy i rozłożony w czasie spadek intensywności świecenia.
• Istnieje możliwość zastosowania ich do oświetlenia budynków zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz.
• Posiadają szeroki zakres temperatury pracy od – 40 do + 850C.
• Posiadają stosunkowo dużą skuteczność świetlną, będącą wykładnikiem energooszczędności źródeł światła, która jest podstawowym parametrem eksponowanym w reklamach diod LED. Skuteczność świetlna wyrażana jest w lumenach na wat [lm/W]. Parametr ten określa, jaki strumień świetlny [lm] wytwarza źródło światła z dostarczonej jednostki mocy [W]. Diody osiągają tę skuteczność na poziomie ok. 20 lm/W, a w przypadku niektórych typów do 30 lm/W. Dla porównania skuteczność świetlna żarówek głównego szeregu wynosi do 18 lm/W, niskonapięciowych żarówek halogenowych do 25 lm/W, a nowoczesnych świetlówek do 105 lm/W.

W tabeli 1 przedstawiono prognozę rozwoju technologii diod LED. Prognozuje się, że w przyszłości wielkość emitowanego strumienia świetlnego wyniesie 1500 lm przy sprawności 150 – 200 lm/W. 

Tabela 1. Prognoza rozwoju technologii diod LED według raportu OIDA 2002 [14]

• Brak szkodliwej dla środowiska rtęci (która stosowana jest w wyładowczych źródłach światła).
• Niskie napięcie zasilania jak i zastosowanie II klasy izolacji zwiększajacej bezpieczeństwo (obniżenie ryzyka porażenia prądem elektrycznym lub powstania pożaru).
• Charakteryzują je małe wymiary i waga, ułatwiające projektowanie opraw.
• Solidna i zwarta budowa struktury półprzewodnikowej (brak wrażliwych na wstrząsy żarników lub elementów szklanych), jaka eliminuje uszkodzenia diod podczas transportu, a także kompletacji systemu oświetleniowego i jego montażu.
• Charakteryzuje je mała awaryjność, którą gwarantuje wysoka odporność na wstrząsy, uderzenia i wibracje.
• Możliwość natychmiastowego zaświecenia pełnym blaskiem po zaniku napięcia i jego powtórnym załączeniu.
• Światło pozbawione promieniowania IR i UV (podczerwonego i nadfioletowego).
• Niższy pobór energii potrzebny do wytworzenia tej samej ilości promieniowania świetlnego niż w przypadku innych źródeł światła (żarówek, świetlówek, lamp wyładowczych i neonów).
• Ograniczony zakres czynności obsługowych, które związane są z utrzymaniem prawidłowego stanu technicznego i użytkowego instalacji oświetleniowych z diodami, co związane jest z ich dużą trwałością, niskim napięciem zasilania oraz małym zużyciem energii.
• Niskie koszty eksploatacji.

Warto podkreślić również, że diody po długim okresie eksploatacji nie przestają świecić nagle. Wraz z upływem czasu maleje ich strumień świetlny. Na rysunku 3 pokazano charakterystyki spadku strumienia świetlnego w czasie w zależności od wartości prądu sterującego [4]. Z podanych zależności wynika, że im większy jest prąd sterujący, tym większy spadek intensywności świecenia diod w czasie. Ponadto można zauważyć, że strumień świetlny tych źródeł zmienia się w czasie stopniowo i nie ma charakteru skokowego. Możliwe jest jednak utrzymanie stałego poziomu natężenia światła poprzez odpowiednie sterowanie układem zasilania.

Rys. 3. Zmiany strumienia świetlnego diod w czasie dla czterech różnych prądów sterujących: 1) pomarańczowy – 20 mA, 2) granatowy – 50 mA, 3) fioletowy – 80 mA, 4) żółty – 100mA [10]