Technologia otrzymywania diod światła białego przyczyniła się
do dynamicznego rozwoju diodowych źródeł światła

Diody LED są najbardziej obiecującym zamiennikiem lamp żarowych. Mają bardzo dobre parametry oświetleniowe, charakteryzuje je znaczna oszczędność energii w stosunku do wszystkich znanych źródeł światła, długi okres użytkowania, dochodzący teoretycznie nawet do 100 tys. godzin, niewielkie wymiary, często pomijalny ciężar i, jak dotychczas, nie zaobserwowano ich szkodliwego oddziaływania na środowisko naturalne.

Diody LED (ang. Light Emitting Diode) są półprzewodnikowymi punktowymi źródłami światła. Zjawisko elektroluminescencji zachodzące w diodach LED powstaje w wyniku pobudzenia prądem elektrycznym materiału półprzewodnikowego i w konsekwencji przemian energetycznych w strukturze molekularnej złącza półprzewodnikowego. W złączu tym następuje przetworzenie energii elektrycznej bezpośrednio na energię światła widzialnego i niewielką ilość promieniowania podczerwonego rozproszonego w postaci ciepła. Kompletna dioda LED składa się z modułu (kryształu) półprzewodników, reflektora, przewodów i obudowy tworzącej soczewkę rozpraszającą światło. Intensywność świecenia diody zależy od wartości prądu – jest ona liniowa w szerokim zakresie zmian natężenia prądu.

Tedi LED7W GU10 firmy Kanlux – przykład aplikacji z diodami SMD w połączeniu z mlecznym kloszem

Właściwości i parametry diod LED

Najistotniejsze właściwości diod LED to:
• oszczędność energii, największa spośród wszystkich współczesnych źródeł światła,
• skuteczność świetlna przewyższająca lampy żarowe – większa od 50 lm/W; przyjmuje się, że 1 W LED jest równorzędny pod względem strumienia świetlnego 10-15 W lampy żarowej,
• bardzo duża trwałość, praktycznie rzędu 30-50 tys. godzin czyli do około 25 lat, (zakładając generowanie strumienia świetlnego na poziomie 70% strumienia początkowego); trwałość LED zależy od szeregu czynników zewnętrznych m.in. od wahań napięcia zasilającego i warunków termicznych złącza półprzewodnikowego,
• mała wrażliwość lub brak wrażliwości na częstość załączania (cecha ta zależy w dużej mierze od parametrów i jakości zasilaczy prądu stałego),
• znaczna odporność na wpływy warunków atmosferycznych i wstrząsów,
• żywe nasycone barwy bez konieczności stosowania filtrów,
• ukierunkowane światło, zwiększające sprawność optyczną systemu,
• natychmiastowy zapłon,
• dowolna pozycja pracy,
• brak emisji szkodliwego promieniowania ultrafioletowego,
• łatwość sterowania strumienia świetlnego w przypadku diod o białym świetle,
• brak szkodliwego wpływu na środowisko – brak metali ciężkich i związków toksycznych: rtęci, ołowiu, kadmu, dioksyn itp.,
• wysoka wydajność w niskich temperaturach,
• możliwość startu zimnego, nawet w temperaturze -40^oC,
• możliwość zamknięcia w szczelnych wodoodpornych oprawach IP66 lub IP68.
Diody świecące są bardzo odporne na działania mechaniczne, wstrząsy i wibracje, bowiem w odróżnieniu od innych źródeł światła nie mają żarnika, części mechanicznych, części szklanych i elementów wypełnionych gazem lub parami rtęci. Mogą pracować w dowolnej pozycji i w szerokim zakresie temperatur zewnętrznych, zazwyczaj od -40 do 100oC. Diody LED zasilane są napięciem 12 albo 24 V ze źródła prądu stałego. Mają niewielki pobór prądu, rzędu 20 do 100 mA. Są źródłem światła jednobarwnego o barwie zależnej od materiałów użytych do ich produkcji.
Podstawowe parametry diod LED to:
• napięcie zasilania,
• maksymalny prąd przewodzenia,
• maksymalne napięcie wsteczne,
• moc wyjściowa,
• częstotliwość graniczna,
• sprawność kwantowa,
• skuteczność świetlna,
• długość fali emitowanego światła,
• szerokość widmowa,
• czas narastania lub opadania.

LED-owe źródła światła białego firmy Smart:
a – o temperaturze barwowej 6000-6500K (zimna biała),
b – o temperaturze barwowej 3000-3200K (ciepła biała)

Diodowe źródła światła

Diody LED stosowane w technice oświetleniowej dzieli się na dwie podstawowe grupy – diody małej mocy, których moc jednostkowa jest mniejsza od 1 W, i diody dużej mocy, najbardziej zaawansowane technicznie, równej 1 W i więcej tzw. Power LED. Najbardziej rozpowszechnione są diody małej mocy, zazwyczaj od 10 do 100 mW, o prądzie znamionowym przewodzenia od 10 do 20 mA. Znamionowe napięcie przewodzenia wynosi zazwyczaj od 1,4 do 3,5 V i zależy od typu diody, prądu przewodzenia Ip i temperatury złącza p-n. Właściwości świetlne pojedynczych diod małej mocy są zwykle niewystarczające do celów praktycznych i z tego powodu łączy się je w większe grupy, nazywane modułami LED lub matrycami. Przy wyborze typu diody można, spośród oferowanych na rynku, wybrać wartość jej strumienia świetlnego z zakresu dostępnych tzw. selekcji diod, czyli grup o określonym strumieniu świetlnym. Możliwy jest wybór wartości strumienia świetlnego od kilkudziesięciu do ponad stu lumenów.
Różnego rodzaju zadania oświetleniowe mogą wymagać odmiennych odcieni światła białego określonych temperaturą barwową światła. Do wyboru są trzy zakresy temperaturowe światła białego:
• światło białe zimne o temperaturze barwowej 5000-10000 K,
• światło białe neutralne o temperaturze barwowej 3700-5000 K,
• światło białe ciepłe o temperaturze barwowej 2600-3700 K.
Ostateczny kształt rozsyłu światła oprawy lub lampy może być ukształtowany przez wybór jednego z dwóch rodzajów soczewek umieszczanych na każdej diodzie: o symetrycznym i o niesymetrycznym rozsyle światła. Każdy z tych rodzajów rozsyłu światła ma sprecyzowaną wartość kąta rozsyłu światła charakteryzującą lampę lub oprawę.

Wybrane zastosowania

Do niedawna diody LED stosowane były głównie do sygnalizacji optycznej, jako wskaźniki, w elektronice i w motoryzacji. Obecnie są również integralną częścią maszyn i urządzeń przemysłowych, sprzętu ADG i RTV. Jednak największym osiągnięciem było opracowanie diody emitującej światło białe, początkowo o niewielkiej mocy. Stworzyło to nowe możliwości wykorzystania tych produktów.
Diody LED umożliwiają tworzenie barwnych scenerii we wnętrzach i na zewnątrz budynków. Użycie jednobarwnych diod lub kombinacji trzech kolorów – czerwonego, zielonego i niebieskiego (RGB) powiększa przestrzeń i umożliwia miksowanie barw w obrębie jednej oprawy lub z różnych opraw. Użytkownik ma możliwość kontroli nad wzajemnym oddziaływaniem kolorów i ich intensywnością oraz powrotu do pierwotnych ustawień.
W ostatnim czasie następuje dynamiczny postęp technologiczny w wytwarzaniu diod LED o coraz większej skuteczności świetlnej, wysokim wskaźniku oddawania barw Ra i wysokiej trwałości. W wyniku tych prac powstały diody LED nowej generacji – diody dużej mocy. Diody o mocy 1-3 W generują jasne światło o wysokim natężeniu. Wykazują w stosunku do poprzedniej generacji wyższą jakość i moc generowanego strumienia świetlnego, szeroki zakres barwy białej, trwałość i szerokie możliwości zastosowań. Cechy te spowodowały, że diody dużej mocy są wykorzystywane do produkcji nowoczesnych źródeł światła, zużywających do 90% mniej energii elektrycznej niż tradycyjne lampy żarowe.
Diody LED, jako źródło światła są stosowane coraz częściej do oświetlenia wnętrz i terenów otwartych. Przykładem może być umieszczenie zespołu diod wraz z zasilaczem we wspólnej oprawce na podobieństwo tradycyjnej lampy żarowej. Tak skonstruowana „żarówka” LED-owa z trzonkiem o gwincie E27 lub E14 może być bezpośrednim zamiennikiem lampy żarowej. Oprawy oświetleniowe z LED-owymi źródłami światła stosowane są już do oświetlenia m.in. pomieszczeń o różnym przeznaczeniu, dróg, ciągów pieszych, ścieżek rowerowych i parków.

Inteligentna oprawa LED Lumiqs firmy Züblin Elektro. Dzięki detekcji ruchu i wzajemnej komunikacji oprawy pozwalają tworzyć dynamiczne grupy świetlne uruchamiane obecnością osób, poruszających się pojazdów itp.

Oświetlenie drogowe
Technologie oświetleniowe oparte na diodach LED stosowane są coraz częściej do oświetlenia dróg, ulic i związanych z nimi obiektów inżynieryjnych. Najważniejsze są aspekty związane z oszczędnością energii elektrycznej i bezpieczeństwem. Moc oferowanych na rynku lamp kształtuje się w zakresie od 28 do 168 W i więcej. Oferowane są lampy uliczne wykonane na wzór i podobieństwo tradycyjnych żarówek z trzonkami E40, co znacznie ułatwia modernizację istniejących systemów oświetleniowych. W oświetleniu ulicznym bazującym na diodach LED możliwe jest uzyskanie znacznej światłości przekraczającej 5000 lumenów. W niektórych konstrukcjach opraw wyeliminowano światło o za niskiej lub za dużej ostrości i temperaturze. Ważną cechą oświetlenia zewnętrznego realizowanego za pomocą lamp LED-owych jest postrzeganie barw przedmiotów takie samo jak przy świetle dziennym, co zdecydowanie przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa zarówno pieszych jak i kierowców. W szerokiej ofercie rynkowej sprzętu oświetleniowego na bazie diod LED znajdują się oprawy przystosowane do oświetlenia ściśle określonych i ograniczonych powierzchni oraz do oświetlania dużych powierzchni. Niektóre konstrukcje opraw zapobiegają efektowi olśnienia.

Źródło Dropi LED2,2 G9 firmy Kanlux, przykład technologii uzyskiwania białego światła – niebieska dioda w połączeniu z „kapturkiem” z dodatkiem luminoforu emituje ciepłe białe światło, technologia remote phosphor zapewnia szeroki, dookólny kąt świecenia

Reflektorowe lampy LED
Lampy reflektorowe LED-owe oferowane na rynku oświetleniowym są przystosowane do oświetlenia punktowego i rozproszonego oraz oświetlenia akcentującego. Oferowane są lampy LED z trzonkami E14, E27, GU5,3 i GU10 umożliwiające wykorzystanie tradycyjnych opraw oświetleniowych. Światło emitowane przez te lampy nie zawiera promieniowania UV. Oferowane źródła mają światło ciepło lub zimno białe, czerwone, niebieskie, zielone i żółte.

Lampa LED Eco GU10 7W Power firmy Smart:
• moc znamionowa: 7 W,
• napięcie znamionowe: 220-240 V / ~50 Hz,
• temperatura barwowa: 3000K (ciepła biała),
• nominalny okres trwałości: 30 tys. h,
• ilość diod: Power 7 x 1 W

Świetlówki LED
Tradycyjne świetlówki liniowe zawierają pary rtęci i wymagają utylizacji przez wyspecjalizowane firmy, a w razie przypadkowego rozbicia pary rtęci przedostają się do otaczającego środowiska. Wszelkiego rodzaju źródła światła generują znaczne ilości ciepła. Lampy złożone z diod LED na podobieństwo świetlówek, nazywane „świetlówkami LED” prawie całą pobraną energię elektryczną przekształcają na światło. Charakteryzują się one brakiem migotania i nie przyciągają owadów, bo nie emitują promieniowania ultrafioletowego.

Galanteria oświetleniowa
Do galanterii świetlnej wyrabianej z diod LED można m.in. zaliczyć: węże świetlne o świetle ciągłym i błyskającym, łańcuchy świetlne, kurtyny świetlne, sople świetlne i podobne wyroby dekoracyjne. Węże świetlne znajdują różnorodne zastosowanie w dekoracji ulic, ciągów pieszych obiektów budowlanych. Mogą być stosowane jako alternatywa neonów przy tworzeniu napisów informacyjnych i reklamowych wewnętrznych i zewnętrznych. Łańcuchy świetlne o świetle stałym i błyskającym przeznaczone są m.in. do dekoracji drzew, krzewów i choinek, zazwyczaj mają długość 12 m i 20 m. Do popularnych wyrobów dekoracyjnych LED należą kurtyny świetlne z LED białych i kolorowych, sople świetlne i inne wyroby wytwarzane jako wyroby galanteryjne lub na zamówienie.

Źródło LED COB7W DIM GU10 firmy Kanlux– dioda COB w połączeniu z odbłyśnikiem

Diody LED w motoryzacji
Coraz większą popularność zyskują diody LED w przemyśle motoryzacyjnym. W oświetleniu zewnętrznym diody LED stosowane są głównie w światłach tylnych, zaś z przodu samochodu wykorzystywane są jako oświetlenie do jazdy w dzień a więc w światłach nie służących do oświetlenia drogi. Zastosowanie diod w tych światłach jest korzystne ze względu na natychmiastowy zapłon po załączeniu, intensywną barwę światła, znacznie mniejsze obciążenie oprzewodowania samochodu i oszczędność energii elektrycznej. W motoryzacji niebagatelne znaczenie ma długa żywotność LED-owych źródeł światła i ich odporność na wstrząsy.

Zasilanie diod LED

Diody LED i systemy diodowe zasilane są zazwyczaj z ogólnodostępnej sieci elektroenergetycznej za pomocą urządzeń zasilających. Do zasilania diod LED konieczne jest napięcie prądu stałego o niewielkiej wartości. Podstawowym warunkiem jest zgodność jego polaryzacji z kierunkiem przewodzenia diody – biegun dodatni powinien być połączony z anodą, zaś biegun ujemny z katodą. Oświetlenie LED to technologia o bardzo wysokich wymaganiach w zakresie jakości zasilania. Funkcjonowanie systemu oświetlenia diodowego, przede wszystkim jego trwałość, niezawodność oraz jakość światła zależy od jakości zasilania, tzn. od jakości zasilacza. Zasilanie obwodów diodowych powinno się charakteryzować: niezawodnością, odpowiednią mocą, stabilnością napięcia co do wartości i kierunku, ograniczeniem szumów i tętnień na zaciskach wyjściowych zasilacza.
Podstawowym podzespołem zasilaczy jest prostownik. We współczesnych zasilaczach stosuje się dwa rodzaje prostowników:
• tradycyjne – transformatorowe, nazywane również liniowymi, oparte na typowym transformatorze i liniowej stabilizacji napięcia lub prądu za pomocą tranzystora, który przez zmianę stopnia przewodzenia reguluje parametry wyjściowe,
• impulsowe – oparte o cyfrowy układ przełączający napięcie z wysoką częstotliwością i kontrolujący jego średnią wartość za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM).
Prostowniki transformatorowe są bardzo wrażliwe na parametry napięcia zasilającego. Transformowana energia zależy głównie od wartości napięcia sieci i od jego częstotliwości. W przypadku jakichkolwiek odchyleń od wartości znamionowych zasilania pojawiają się mniejsze lub większe odchylenia od znamionowych wartości na uzwojeniu wtórnym transformatora. Dodatkowym źródłem zakłóceń może być również urządzenie odbiorcze. Zasilacze transformatorowe – liniowe mają ograniczone zastosowanie w systemach oświetleniowych LED ze względu na znaczne wymiary, duży ciężar, niską sprawność i wydzielanie znacznych ilości ciepła.
Alternatywą dla prostowników transformatorowych są prostowniki impulsowe. Prostowniki impulsowe nie są tak wrażliwe na zakłócenia. Zazwyczaj stosuje się prostowniki sześciopulsowe lub o zwiększonej liczbie pulsów, np. dwunastopulsowe. Prostowniki sześciopulsowe charakteryzują się niskim współczynnikiem mocy (cos j). Aby ograniczyć to niekorzystne oddziaływanie na sieć zasilającą stosuje się prostowniki dwunastopulsowe, które w istocie są dwoma prostownikami sześciopulsowymi. Prostowniki impulsowe są wyposażane w skuteczne filtry na wejściu i wyjściu aby ograniczyć generowane przez nie zakłócenia, wpływające niekorzystnie na pracę innych urządzeń zasilanych z tej samej sieci.
Do zasilania diod prądem o wartościach znamionowych stosowane są zasilacze prądowe lub przetwornice prądu stałego (DC/DC). W przypadkach gdy urządzenia oświetleniowe LED zasilane są z przetwornic prądu stałego odpowiedzialnych za stabilizowanie prądu diod, konieczne jest użycie zasilaczy o stabilizowanym napięciu wyjściowym. Wynika z tego, że w zależności od rodzaju systemu oświetleniowego używane są zasilacze prądowe lub napięciowe.
Zasilacze prądowe charakteryzuje zależność napięcia wyjściowego od wartości obciążenia. W zależności od modelu zasilacza może być do niego przyłączonych szeregowo od kilku do kilkunastu diod. Poszczególne modele zasilaczy również różnią się między sobą liczbą wyjść. Oferowane są także zasilacze uniwersalne z wyjściami o różnych napięciach i wartościach natężenia prądu, umożliwiające regulację jasności oświetlenia potencjometrem lub sygnałem napięciowym 0-10 V. Miniaturowe wymiary zasilaczy pozwalają na ich umieszczanie w obudowie lamp.

Zabezpieczenia

Zasilacze układów ledowych są standardowo wyposażane w zabezpieczenia przeciwzwarciowe i przeciążeniowe, nadnapięciowe i termiczne, niekiedy w układy korekcji współczynnika mocy. Zasilacze bywają dodatkowo zabezpieczane: przed zwarciem lub rozwarciem diody, co pozwala na dalszą pracę oprawy lub lampy mimo uszkodzenia jednej z diod. Dodatkowym zabezpieczeniem stosowanym w zasilaczach opraw oświetleniowych jest zabezpieczenie termiczne z czujnikami temperatury w każdej linijce diodowej. Zabezpieczenie to ogranicza moc oprawy w przypadku przekroczenia określonej temperatury, np. 70oC, w celu ochrony diod przed uszkodzeniem, i całkowicie wyłącza zasilanie w razie osiągnięcia temperatury krytycznej do działania diod – 85oC.

Temperatura otoczenia

Osobnym zagadnieniem przy zasilaniu diod LED jest zależność napięcia przewodzenia diody od temperatury otoczenia. Wraz ze wzrostem temperatury otoczenia zmniejsza się wartość napięcia, przy którym dioda LED przewodzi. Ze względu na kształt charakterystyki prądowo-napięciowej diody LED oraz zmiany napięcia przewodzenia w zależności od temperatury, układ zasilający powinien stanowić stabilne termicznie źródło prądowe. Już niewielkie zmiany napięcia zasilającego powodują znaczne zmiany prądu płynącego przez diodę LED. Ważne jest więc, aby prąd płynący przez diodę miał możliwie stałą bezpieczną wartość. Zaniedbanie tego zalecenia prowadzi do przegrzewania się diod LED i nieosiągania wymaganego poziomu jasności W urządzeniach elektronicznych źródła prądowe są stosunkowo rzadko wykorzystywane w stosunku do źródeł napięciowych. W przypadku diod LED podstawowym źródłem zasilania są źródła prądowe o różnym wykonaniu.

Sterowanie

Lampy LED poza standardowymi w oświetleniu czynnościami włącz / wyłącz umożliwiają elastyczne i stosunkowo proste regulowanie jasności. Funkcje ściemniania i rozjaśniania źródeł światła są podstawą budowania nastroju w pomieszczeniu, regulacji barwy i temperatury światła oraz zarzadzania energią zużywaną na oświetlenie, zwłaszcza w inteligentnych budynkach. Jasnością diod LED można sterować trzema podstawowymi sposobami:
• regulacją prądu diody,
• regulacją współczynnika wypełnienia impulsu prostokątnego,
• regulacją wysokości szczytu przy zasilaniu impulsowym o wypełnieniu 1/10.
Regulacja prądu diody LED jest najprostszym sposobem zmian jasności opraw z diodami LED. Jest to analogowa metoda sterowania polegająca, w najprostszym przypadku, na zmianie rezystancji potencjometru włączonego w szereg z diodą w miejsce rezystora ustalającego natężenie jej prądu. Gdy diody są zasilane z tranzystorowego źródła prądowego, to potencjometr można zainstalować w miejsce rezystora ustalającego prąd bramki. Przy takim włączeniu potencjometru wydzielająca się moc będzie mniejsza niż przy włączeniu go w szereg z diodą lub z diodami, zaś efekt sterowania jasnością lampy będzie taki sam.
Regulacja wypełnienia impulsu prostokątnego (PWM) jest prostsza niż metoda regulacji prądu diody. Jest to metoda cyfrowa wykorzystująca bezwładność ludzkiego oka. Diody LED są sterowane sygnałem prostokątnym o regulowanym czasie włączenia z częstotliwością, powyżej której oko nie zauważa migotania światła. Jasność tak sterowanej diody jest wprost proporcjonalna do wartości współczynnika wypełnienia impulsu, czyli do długości czasu włączenia odniesionego do długości okresu impulsu prostokątnego. W czasie gdy dioda jest włączona, jest ona zasilana napięciem znamionowym i płynie przez nią prąd znamionowy. Sterowanie PWM umożliwia uzyskanie liniowej charakterystyki jasności względnej niezależnie od długości fali emitowanej przez diodę i jej typu.
Trzecia z metod regulacji jasności lamp LED to metoda regulacji szczytu przy zasilaniu impulsowym. Polega ona na wykorzystaniu możliwości wysterowania diod LED z dużą częstotliwością – od kilku kHz, krótkotrwałymi impulsami prądu o wartościach przekraczających kilkakrotnie znamionową wartość prądu diody. Tak zasilana dioda w chwili otrzymania impulsu prądowego świeci z kilkakrotnie większa jasnością niż dioda zasilana standardowo. Duża częstotliwość impulsów powoduje ich sumowanie przez oko ludzkie i uzyskanie efektu pozornej ciągłości świecenia. Jasność świecenia regulowana jest przez zmianę wysokości szczytu impulsu prądowego, zaś praca diody jest impulsowa, co wpływa na wydłużenie jej żywotności. Warunkiem powodzenia tej metody jest to, aby energia wydzielona w diodzie w czasie jednego okresu była równa lub mniejsza od wartości energii wydzielającej się w diodzie w tym samym czasie przy pracy stałoprądowej. W przeciwnym razie dioda będzie się przegrzewać. Ze względu na duże gęstości prądu płynącego przez diodę w czasie impulsu metoda sterowania impulsowego nie jest zalecana w stosunku do diod o mocy większej lub równej 1 W. W przypadku diod dużej mocy znaczny prąd impulsu może spowodować uszkodzenie połączenia chipu diody z elektrodami. Metoda ta wymaga zastosowania specjalnych układów generujących impulsy prądowe.

Sterowanie RGB
Diody LED dają duże możliwości kreowania oświetlenia barwnego w układach złożonych z diod RGB, których nazwa pochodzi od pierwszych liter angielskich nazw kolorów (red – czerwony, green – zielony i blue – niebieski). Do zasilania i sterowania źródeł światła z diodami RGB, np. z zamiennikami standardowych źródeł światła, z paskami diodowymi lub pojedynczymi diodami, służą sterowniki z wyjściem RGB zazwyczaj do zasilania i sterowania diod Power LED. Ważną cechą sterowników RGB są tryby ustawiania kolorów. W zasadzie stosowane są dwa tryby ustawiania kolorów – tryb klasyczny i uproszczony. W niektórych modelach stosowana jest funkcja PxLight, polegająca na możliwości programowania lamp za pomocą linii DMX. Sterowniki są zazwyczaj wyposażone w programy do płynnej zmiany kolorów z możliwością zablokowania wybranej barwy. Mogą być regulowane barwy i intensywność świecenia. Mieszanie kolorów RGB pozwala na uzyskanie 512 barw. Zmiany barw mogą następować z wybraną prędkością według ustalonego scenariusza. Zazwyczaj oprogramowanie umożliwia przygotowanie sekwencji świecenia każdego kanału indywidualnie i jego wgranie do pamięci sterownika.

Opracowano na podstawie
materiałów firmowych