6-7. Oświetlenie elektryczne

Diody świecące popularnie nazywane ledami (LED – Light Emitting Diode) należą obecnie do najnowocześniejszych i najszybciej rozwijających się źródeł światła. Są to półprzewodnikowe źródła promieniowania widzialnego (rys. 8).

Rys. 8. Diody świecące 

Budowa diod świecących
Pierwsza dioda świecąca powstała w 1962 r. Stosowane powszechnie, nawet do dzisiaj, diody wskaźnikowe powstały w 1970 r. Mają one moc 100 mW i średnicę 5 mm. Na rysunku 9. przedstawiono takie diody wraz ze szkicem prezentującym poszczególne elementy jej budowy.

Rys. 9. Budowa diod święcących 

Następnym etapem w rozwoju diod świecących było wyprodukowanie w 1994 r. diody o mocy 0,4 W, które zapoczątkowały całą serię diod o mocach 0,8, 1 W, 2 W, 3 W, 5 W i 6 W, czyli tzw. diod dużej mocy. Są to zarówno diody barwne jak i białe. (rys. 10). 

Rys. 10. Diody dużej mocy 

Najczęściej emitowane barwy przez źródła LED pokazano na rysunku 11.

Rys. 11. Najczęściej emitowane barwy przez źródła LED

Ewolucja źródeł LED została pokazana na rynku 12.

Rys. 12. Ewolucja źródeł LED 

Niewątpliwie producenci mieli największe trudności z wyprodukowaniem diod o barwie białej - które nadają się do oświetlania stanowisk pracy. Diody świecące wytwarzają promieniowanie w bardzo wąskim zakresie widma o szerokości nie przekraczającej kilkunastu nanometrów, są więc w praktyce źródłami światła monochromatycznego. Natomiast światło białe jest wrażeniem wzrokowym, które odczuwa człowiek w wyniku pobudzenia siatkówki oka światłem zawierającym fale świetlne z całego zakresu promieniowania widzialnego (od około 400 nm do 780 nm). Nie jest więc możliwe bezpośrednie uzyskanie światła białego z pojedynczego złącza półprzewodnikowego p-n, mimo to wytwarza się białe diody LED i są one niewątpliwie przyszłością w technice świetlnej.

Jest kilka sposobów wytwarzania światła białego przez diody świecące.

Pierwszy polega na mieszaniu trzech podstawowych barw światła: czerwonej, zielonej i niebieskiej (tzw. RGB – Red Green Blue). Światło z tych diod dodaje się tak, by uzyskać białą barwę. Jest to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż nie występują tu straty w luminoforze. Rozwiązanie to daje duże możliwości w zakresie uzyskiwania różnych wartości temperatury barwowej oraz wskaźnika oddawania barw rzędu 90. Natomiast zasadniczą wadą tej metody jest wysoki koszt i skomplikowana konstrukcja układu zasilająco-sterującego, gdyż każda z diod wymaga osobnego obwodu zasilającego ustalającego odpowiedni punkt pracy. Najistotniejsze w tym jest to, że poszczególne diody emitują różną ilość strumienia świetlnego oraz mają też odmienne charakterystyki termiczne i starzeniowe.

Druga grupa metod wykorzystuje zjawisko luminescencji zachodzące w luminoforze tj. konwersję długości fali (padające na luminofor promieniowanie o pewnej długości fali jest przez niego konwertowane na promieniowanie o dłuższej fali w stosunku do tej która padała na luminofor).

W pierwszych konstrukcjach chip LED wytwarzał promieniowanie nadfioletowe (UV) padające na luminofor trójpasmowy (wytwarzający światło w zakresie trzech barw tj. czerwonej, zielonej oraz niebieskiej). Różne barwy światła mieszają się ze sobą, emitując światło białe o najwyższej jakości (najwyższym wskaźniku oddawania barw R_a).

Jest to proces podobny do tego jaki jest w świetlówkach. Jest on prostszy niż mieszanie barw z trzech różnych diod, ale jednocześnie ma mniejsza skuteczność. Rozwiązanie to charakteryzuje się prostą technologią produkcji białej diody i nieskomplikowanym układem zasilania. Jednak ze względu na straty światła w luminoforze, jest ono mało efektywne energetycznie. Metoda ta nie daje możliwości dokładnego kontrolowania temperatury barwowej oraz oddawania barw produkowanych diod.

W źródłach LED produkowanych obecnie chip LED emituje światło barwy niebieskiej o długości fali około 450 nm. Światło niebieskie pobudza do świecenia luminofor (najczęściej trójpasmowy) umieszczony w obudowie diody. Luminofor emituje światło żółtozielone, które zmieszane ze światłem niebieskim diody emituje światło białe. W zależności od rodzaju luminoforu, można uzyskać białą barwę o różnej temperaturze barwowej. Część tego promieniowania pada na luminofor, który konwertuje go do barwy żółtej. To żółte światło miesza się z pozostałą częścią światła niebieskiego i w rezultacie otrzymuje się wrażenie światła białego o wyższym ogólnym wskaźniku oddawania barw R_a w porównaniu z metodą jednego luminoforu. Odcień białego światła może się różnić w zależności od grubości warstwy luminoforu. W ten sposób wytwarzane są różne odcienie światła białego (temperatury barwowe) takie jak ciepłe, neutralne lub chłodne.

Aktualnie przestarzałe źródła LED typu wskaźnikowego zastąpiła konstrukcja nowszej generacji – LEDy SMD. Mają one większą moc, skuteczność świetlną (prawie 100 lm/W) oraz trwałość. Są one stosowane w źródłach reflektorowych z tzw. zimnym lustrem – jako zamienniki żarówek halogenowych (rys. 13), a przede wszystkim w zamiennikach żarówek głównego szeregu (rys. 14). Pokazane na tym rysunki źródła z żarnikami przypominającymi żarówki to są również konstrukcje LEDowe.

Rys. 13. Nowsza generacja źródeł LED SMD 

Rys. 14. Źródła z żarnikami przypominającymi żarówki to są również konstrukcje LEDowe 

Przykładową konstrukcję źródła LED będącego zamiennikiem żarówki głównego szeregu pokazano na rysunku 15. 

Rys. 15. Przykładowa konstrukcja źródła LED 

Źródła LED typu SMD znalazły także zastosowanie w zamiennikach liniowych żarówek halogenowych, ale tylko do mocy 150 W żarówki halogenowej (rys. 16).

Rys. 16. Źródła LED typu SMD - zastosowanie w zamiennikach liniowych żarówek halogenowych 

Bardzo popularne są tzw. tuby LEDowe jako zamienniki świetlówek rurowych (rys. 17). Rzeczywiście są one bardziej energooszczędne od swoich odpowiedników świetlówkowych o tej samej długości, jednak szczególnie w tym wypadku należy pamiętać, że zamienniki LEDowe mają mniejszy strumień świetlny od 30% do nawet 50% w stosunku do świetlówek o tej samej długości.

Rys. 17. Tuby LEDowe jako zamienniki świetlówek rurowych 

Kolejnym etapem w rozwoju źródeł LED są tzw. moduły LED. Jest to połączenie od kilku do kilkunastu złączy p-n w jeden samodzielny moduł (rys. 18). Moduły takie mogą być odpowiednikami źródeł o strumieniu świetlnym rzędu 4 000 lm.

Rys. 18. Kolejny etap w rozwoju źródeł LED

Moduły LED są najczęściej stosowane w naświetlaczach (rys. 19) oraz w przemysłowych oprawach oświetlenia ogólnego. Na rysunku tym podano propozycje zamienników halogenów w naświetlaczach modułami LED , jednak również i w tym przypadku strumienie LED są mniejsze niż halogenów.

Rys. 19. Moduły LED są najczęściej stosowane
w naświetlaczach

Zalety źródeł LED

Bardzo duża trwałość, niskie - bezpieczne napięcie zasilania, odporność na wstrząsy. Diody barwne nie potrzebują żadnych dodatkowych filtrów w celu otrzymania określonej barwy. Dzięki temu nie występują straty strumienia świetlnego na filtrach, co ma istotny wpływ na ich energooszczędność, a określona barwa światła jest bardzo wyrazista.

Zastosowanie diod świecących

Z tymi źródłami mamy w praktyce do czynienia na co dzień, używając np. diodowych latarek o różnej wielkości ponieważ znacznie dłużej świecą od tych z żarówkami. Przykładowa latarka z zamontowanymi 14 diodami przy zasilaniu trzema bateriami typu AA świeci około 15 godzin. Przy takim zasilaniu klasyczna latarka z żarówką halogenową świeciłaby około 4-5 godzin, a trwałość takiej żarówki wynosi przeciętnie 20 godzin, podczas gdy trwałość tych źródeł LED sięga nawet stu tysięcy godzin.

Wśród wielu innych zastosowań diod świecących można wymienić: oświetlenie rowerowe, oświetlenie bezpieczeństwa, wyjść ewakuacyjnych i znaków ułatwiających orientację – wszędzie tam gdzie są zasilane z baterii lub akumulatorów. Ponadto stosuje się je w tablicach informacyjnych, reklamach świetlnych, sygnalizacji świetlnej, oświetlenie akcentującym lub dekoracyjnym - iluminacja obiektów.

Natomiast źródła LED wytwarzające światło o barwie białej i wskaźniku oddawania barw większym od 80 mogą być stosowane jako zamienniki żarówek głównego szeregu (o mocach 40, 60, 75, 100 W) oraz halogenowych. Przemawia za tym ich większa skuteczność świetlna oraz znacznie dłuższa trwałość od żarówek.

Jednak przy stosowaniu źródeł LED jako bezpośredniego zamiennika żarówki głównego szeregu o określonej mocy należy zwracać uwagę na ich strumień świetlny. Jak widać w tabeli  (6-7.slajd 17) musi on być większy od strumienia emitowanego przez wybraną żarówkę. Wartości strumienia świetlnego źródeł LED, a także ich moc, wskaźnik oddawania barw oraz temperaturę barwową producenci muszą podawać na ich opakowaniach.

6-7. slajd 17