Diody LED

Spis treści

Zasada działania i historia
Źródła światła białego LED
Parametry
Wydajność
Czas pracy
Oddawanie barw

Mało kto pamięta czasy, gdy nie było diod elektroluminescencyjnych – zamiast nich używano neonówek. Było to jednak całkiem niedawno – produkcję diod LED rozpoczął GE w 1962r, a ich masową produkcję rozpoczęła firma Mosanto w 1968 roku. W roku 1962r. jedna mała dioda kosztowała ok. 260USD, a w 1968r. około 1 funta – potwornie drogo, szczególnie, jeśli weźmie się pod uwagę znikomą ilość emitowanego światła.

No cóż – na początku cena zawsze jest wysoka.

Jednak, o ile żarówki tradycyjne zostaną niedługo całkiem zakazane, a świetlówki umrą śmiercią technologiczną, to oświetlenie LED na pewno ma przed sobą przyszłość.

Na rysunku obok widać jak rósł strumień emitowanego światła diod LED produkowanych w latach 1970-2000. Skala pionowa jest logarytmiczna!!

Zasada działania i historia

Aby włączyć oświetlenie niekoniecznie trzeba legitymować się wykształceniem z fizyki – nie jest to więc właściwe miejsce do omawiania fizycznych podstaw działania diod LED.

Istotne jest, iż dioda LED  to urządzenie elektroniczne zbudowane z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych (typu n - katoda i typu p - anoda), które charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu, od anody do katody (w drugą stronę prąd nie płynie). Za to, że dioda świeci, odpowiedzialne jest zjawisko elektroluminescencji – czyli świecenia w wyniku przepływu prądu elektrycznego.

Prawdopodobnie pierwszym, który to zjawisko zaobserwował i opisał był Henry Round. W roku 1907 zaobserwował on emisję światła widzialnego z kryształu węglika krzemu.

W latach 20-tych XX wieku radziecki technik radiowy Oleg Władimirowicz Łosew zauważył, że diody (wówczas kryształkowe) używane w odbiornikach radiowych emitują światło. Opublikował on, w okresie 1927-30, łącznie 16 artykułów opisujących działanie diod elektroluminescencyjnych.

Krzem oraz german używane do lat pięćdziesiątych XX wieku w badaniach elektroluminescencji mają słabe parametry optyczne, dlatego też trwały poszukiwania nowych związków półprzewodnikowych. W latach 1952-53 H.Walker opublikował wyniki prac nad nowymi związkami półprzewodnikowymi z grupy III-V tablicy Mendelejewa - udało mu się sztucznie wytworzyć takie związki półprzewodnikowe, jak: InSB, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP oraz InAs. Różne zespoły badawcze pracowały nad tworzeniem związków potrójnych oraz nad wprowadzaniem w struktury nowych półprzewodników domieszek, co pozwoliło na uzyskanie związków emitujących światło różnej długości.

Podobnie jak w produkcji procesorów, wielkie środki i wysiłek badaczy pochłania opracowanie procesów technologicznych pozwalających kontrolować parametry półprzewodników.

Spośród wielu przebadanych związków do dzisiaj używa się 7: arsenek galu (GaAs), związek arsenu, galu i glinu (AlGaAs), fosforek galu (GaP), związek galu, arsenu i fosforu (GaAsP) azotek galu (GaN), związek galu, indu i azotu (GaInN), oraz związek glinu, galu, indu i fosforu (AlGaInP).
Już w roku 1962 zaprezentowano pierwsze diody LED z arsenku galu (GaAs) emitujące promieniowanie w bliskiej podczerwieni (870-980nm).
Opracowano technologię wytwarzania diody emitującej światło czerwone i zielone, ale długo nie potrafiono skonstruować diody emitującej światło niebieskie.
Pierwszą wydajną diodę emitującą światło niebieskie stworzył w 1992r Isami Akasaki – zbudowana była na bazie azotku galu. W 1993 Shuji Nakamura zaprezentował niebieską diodę LED o światłości przekraczającej 1 cd. Jej wydajność była 100 razy lepsza od wykorzystywanych wówczas masowo niebieskich diod z węglika krzemu SiC. W roku 1994 Nakamura zaprezentował zielono-niebieską diodę LED o światłości 2 cd.
Pod koniec XX wieku były więc dostępne wysokowydajne diody LED emitujące światło czerwone, zielone i niebieskie. Łącząc te barwy można otrzymać światło białe – tak więc pod koniec XX wieku pojawiła się możliwość zastosowania diod LED do produkcji źródeł światła białego.
Technologia ta jest ciągle jeszcze intensywnie rozwijana - jesteśmy na początku drogi prowadzącej do rewolucji w oświetleniu.

Źródła światła białego

Diody LED emitują światło w wąskim zakresie długości fal, podczas gdy światło widzialne pokrywa zakres od ok. 425 nm do 675 nm. Opanowanie produkcji diod emitujących światło czerwone, zielone i niebieski umożliwiło otrzymywanie światła białego przez zmieszanie poszczególnych barw (w ściśle określonych proporcjach) podobnie jak to się dzieje w monitorach RGB.

Nie jest to jedyna możliwość. Otrzymywanie światła białego możliwe jest na 3 sposoby:

• przez zmieszanie barw (RGB)
• przez zastosowanie luminoforu – podobnie jak w świetlówkach kompaktowych
• metodą będącą połączeniem obu powyższych metod

ad 1.) mieszanie barw jest metodą o największej wydajności (nie ma strat w luminoforze) i dająca bardzo duże możliwości sterowania temperaturą światła białego i współczynnikiem oddawania barw (Ra). Przy zastosowaniu 3 diod w jednej obudowie można uzyskać współczynnik oddawania barw Ra=90. Zastosowanie dodatkowo diody turkusowej i żółtej pozwala na uzyskanie Ra=99 – czyli tak wierne odtwarzanie barw jak dla światła halogenowego.

Metoda ta ma jednak pewne minusy – każda dioda ma inną charakterystykę i wymaga osobnego obwodu zasilającego i sterującego. Każda inaczej się „starzeje” i ma inną charakterystykę termiczną. Powoduje to komplikację obwodów sterująco-zasilających i znacznie podwyższa koszt.

ad 2) technika ta jest podobna do stosowanej w świetlówkach. Diodę emitującą światło ultrafioletowe i/lub niebieskie pokrywa się luminoforem, który przekształca pochłaniane światło diody na światło białe.
Zaletą jest prostota technologiczna i niska cena. Wad jest więcej – luminofor ma swoją (zwykle pasmową) charakterystykę emisji, starzeje się, co nakłada się na proces starzenia diody i często powoduje zmianę temperatury barwowej światła oraz nadbarwienie. Dodatkowo efektywność takiego rozwiązania jest niska ze względu na straty w luminoforze. Nie ma możliwości kontrolowania parametrów emitowanego światła.

ad 3) w metodzie tej pokrywa się diodę emitującą światło niebieskie (470nm) żółtym luminoforem. Luminofor częściowo przepuszcza światło niebieskie a pochłoniętą część konwertuje na światło żółte.
Kolor żółty jest złożeniem barwy czerwonej i zielonej. Jeśli dołożymy do tego żółtego światła światło niebieskie (ta część emitowanego przez diodę świata niebieskiego, która nie została pochłonięta w luminoforze) to otrzymamy 3 składowe – RGB – światła białego. Stosując odpowiedni luminofor możemy ustalić proporcje składowych RGB. Mamy więc diodę emitującą światło białe, która nie emituje promieniowania UV, charakteryzuje się względną prostotą wykonania, prostym obwodem zasilania i niską ceną. Wadą tego rozwiązania jest zmienność w czasie parametrów luminoforu i stosunkowo niski współczynnik oddawania barw (70-90). Z tego powodu stosuje się modyfikacje tej metody – bądź to dwuwarstwowy zielono-czerwony luminofor lub 2 diody w jednej obudowie – czerwoną i niebieską pokrytą zielonym luminoforem (emituje światło niebieskie i zielone).
W konstrukcji z dwoma diodami układ zasilający jest bardziej skomplikowany niż w przypadku jednej diody pokrytej żółtym luminoforem lecz prostszy niż w konstrukcjach z trzema diodami.
Konstrukcja z dwoma diodami pozwala na sterowanie barwą światła, uzyskanie wysokiego współczynnika oddawania barw i wysokiej wydajności.

Parametry

Technologia źródeł światła LED błyskawicznie się rozwija, więc podane niżej dane mogą być po roku zupełnie nieaktualne. Dlatego proszę pamiętać, że dane są aktualne na koniec roku 2009. Postaramy się aktualizować te dane w miarę rozwoju technologii.

Wydajność

No cóż – z tym jest gorzej niżby się chciało. Co prawda pojawiają się doniesienia o produkcji coraz bardziej wydajnych diod – wiodąca w branży, amerykańska, firma Cree Inc. zaprezentowała w 2013r. diodę o wydajności 276 lm/W - lecz większość dostępnych ledowych źródeł światła ma wydajność podobną, lub nieco wyższą, od świetlówek kompaktowych.

Na przykład „żarówka” MASTER LEDbulb 7W E27 2700K 230V A60, firmy Philips, przy poborze mocy 7W emituje 400 lm strumienia światła zaś MASTER LEDbulb7-40W E27 2700K Designer przy poborze mocy 7W emituje 470 lm strumienia światła co odpowiada wydajności ok 57 lm/W i 67 lm/W.

Dla porównania popularna świetlówka   kompaktowa Softone ESaver 8W WW E27 firmy Philips, przy poborze mocy 8W emituje 380 lm strumienia świetlnego a jej wydajność wynosi 48 lm/W zaś współczynnik oddawania barw Ra=82.
Porównując te dwa produkty firmy Philips widzimy, że wydajność MASTER LEDbulb 7W E27 2700K 230V A60 jest o ok. 19% wyższa aniżeli wydajność świetlówki kompaktowej Softone ESaver 8W WW E27.

Tak jest dzisiaj - trzeba jednak pamiętać, że technologia LED rozwija się bardzo dynamicznie, natomiast świetlówki lata świetności i rozwoju mają za sobą.

Czas pracy - trwałość

Już dzisiaj „żarówki” LED mają zdecydowanie dłuższy czas pracy od świetlówek – o tradycyjnych żarówkach nie mówiąc. Czas ten wynosi od 25 000 do 50 000 godzin pracy.

Tutaj mała, ale zasadnicza uwaga – mówiąc o czasie pracy mamy na myśli czas, po którym strumień świetlny spada do 70% wartości początkowej dla połowy badanych źródeł – czyli mówimy o użytecznym czasie pracy (Philips stosuje oznaczenie B50/L70 – czyli 50% próbki wykazuje spadek strumienia do 70% strumienia początkowego).
Czasami mówi się też o połowicznym czasie pracy – czyli czasie, po którym strumień świetlny spada do połowy początkowej wartości – warto
na tą różnicę zwracać uwagę, gdyż niektórzy producenci robią z niedomówień strategię marketingową.

Jeśli kupimy już dzisiaj „żarówkę” LED o użytecznym czasie pracy 25000 godzin (czyli 3 lata ciągłego świecenia dzień i noc), to po tym okresie „żarówka” LED dalej będzie świecić, tyle że słabiej.

Jak wygląda ten czas pracy w porównaniu do żarówek tradycyjnych i świetlówek?

Żarówki tradycyjne świecą od 1 000h do 3 000h (niektóre halogenowe), przy czym po tym czasie ulegają przepaleniu i nadają się do kosza.

Firma Philips podając czas życia świetlówki podaje średni czas po którym połowa z nich ulega awarii. W przypadku świetlówki mówimy o awarii nie polegającej na spadku strumienia światła tylko na zaprzestaniu emisji.
Czas ten dla świetlówki kompaktowej Softone ESaver 8W WW E27 wynosi 8 000h. Dla „żarówki” LED MASTER LEDbulb 7W firma Philips podaje „średni czas życia” 25 00h. Nie jest to precyzyjne sformułowanie – zgodnie z publikowanymi materiałami („Technology White Paper - Understanding power LED lifetime analysis” ;  www.philips.com) należy pod tym sformułowaniem rozumieć użyteczny czas pracy.

W przypadku dwóch, porównywanych, produktów firmy Philips użyteczny czas życia źródła LED jest ponad czterokrotnie dłuższy niż czas życia świetlówki kompaktowej. W przypadku lampy LED do zabudowy sufitowej, LR6-230V, firmy Cree Inc. użyteczny czas życia wynosi co najmniej 50 000h – ponad 6 razy więcej niż czas życia świetlówki.

Oddawanie barw

Parametr opisujący wierność oddawania barw – określany jako CRI (Colour Rendering Index) lub Ra – jest niezwykle istotny, gdyż oko ludzkie nie jest tak czułe na zmianę intensywności światła jak na zmianę kolorów przedmiotów spowodowaną oświetleniem.

W przypadku zastosowań do oświetlenia wnętrz należy odrzucić wszystkie źródła światła, które charakteryzują się Ra<80 (no chyba, że chcemy czuć się jak w prosektorium).

Teoretycznie źródła LED mogą charakteryzować się Ra większym niż 90 jednak w praktyce mało jest dostępnych dzisiaj „żarówek” LED o takich parametrach.

Co więcej – im lepsze oddawanie barw tym mniejsza wydajność świetlna „żarówek” LED.
Przywoływana wyżej MASTER LEDbulb firmy Philips ma Ra=80 – tyle co świetlówka Softone Esaver.  Lampa LR6-230V firmy Cree Inc. ma Ra=95 – co oznacza znakomite oddawanie barw (przy wydajności ok. 54,2lm/W).
Natomiast oferowane na rynku polskim „żarówki” Hikari mają Ra=67. Większość polskich dostawców wstydliwie przemilcza parametr CRI (Ra).
Jeśli chcemy użytkować diody LED do oświetlenia pomieszczeń mieszkalnych to NIE KUPUJMY ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA LED O NIEZNANYM WSKAŹNIKU ODDAWANIA BARW LUB Ra<80!
Jeśli decydujemy się na zakup źródła LED, warto kupić produkt markowy o znanych parametrach, nawet trochę drożej.
Możemy używać diod LED o niskim Ra do oświetlenia zewnętrznego, oświetlenia akcentów architektonicznych, podjazdów, oświetlenia stopni schodów itd.