Technologia LED w nowoczesnym oświetleniu

Technologia LED w zastosowaniu codziennym zrewolucjonizowała współczesne spojrzenie na jakość oświetlenia oraz spektrum jego zastosowania. W zależności od indywidualnych potrzeb użytkownika szeroki wachlarz wyboru odpowiedniego rodzaju oświetlenia ledowego, ze względu na różnorodności mocy emisyjnej, sprawdzi się zarówno pod kątem funkcjonalności, jak i estetyki, będąc kluczowym elementem aranżacji przestrzeni wewnętrznej i zewnętrznej.

Technologia LED

Dioda elektroluminescencyjna, znana pod nazwą diody LED (ang. light- emitting diode) stanowi współcześnie jedno z trzech podstawowych źródeł promieniowania. Zaraz obok źródeł wyładowczych czy żarowych jest ona obecnie jednym z najbardziej energooczędnych, a przy tym wydajnym źródeł światła.
Wbrew pozorom idea powstania diody świecącej nie jest taka młoda jakby się wydawało. Początków projektu należy się doszukiwać już na początku lat 20 XX w., wtedy to radziecki technik radiowy- Oleg Łosiew– dostrzegł, że diody ostrzowe, wsytepujące w odbiornikach radiowych emitują światło widzialne. Na podstawie artykułów, które powstały w oparciu o obserwacje technika zamysł produkcji wszedł w życie dopiero w drugiej połowie wieku (1962 rok), w oparciu o formułę opracowaną przez amerykańskiego inżyniera- Nicka Holonyaka Jr.

Dioda LED- budowa

Półprzewodnikowa dioda zbudowana została warstwowo. Składa się ona z warstwy n, aktywnego obszaru złącza p-n i zamykającej warswy p. Po obu stronach diody znajdują się metalowe kontakty, których zadaniem jest dostarczenie prądu o odpowiednim ładunku: ujemnym do warstwy n, dodatnim do warstwy p.

Dioda LED- działanie

Podstawą działania diody LED jest zjawisko elektroluminescencji, które opiera się na świeceniu obiektów pod wpływem prądu elektrycznego stałego lub zmiennego w materiałach półprzewodnikowych, których budowa opiera się na dwóch warstwach:

N- warstwa posiadająca bardzo duża liczbę elektronów
P- warstwa posiadającą dziury stanowiące typowy element konstrukcji siarki krystalicznej (zbudowanej z atomów i cząsteczek).
Kluczowym elementem w procesie działania diody jest zjawisko rekombinacji, czyli połączeniu się par cząsteczek posiadających przeciwny ładunek elektryczny. W dziedzinie fizyki wyróżnić możemy dwa typy mechanizmu rekombinacji- bezpośrednią i pośrednią.

Rekombinacja bezpośrednia to zjawisko, które polega na przejściu elektronu z pasm przewodzących na inny, wolny stan znajdujący się na paśmie walencyjnym. Energia powstała w efekcie rekombinacji ma postać fotonu (cząsteczka światła).

Rekombinacja pośrednia natomiast polega również na przejściu elektronu z pasma przewodzącego na walencyjnym, z tym, że odbywa się się ono w dwóch etapach. Elektron w trakcie przecia przechodzi przez tzw. stany kwantowe, które wynikają z pauz energetycznych, które zachodzą w ramach tzw. sieci krystalicznej, którą określa specyficzny i symetryczny układ atomów i cząsteczek w ciele stałym.

Po dostarczeniu do układu diody prądu, następuje zjawisko rekombinacji, w trakcie którego dochodzi do nagłych przeskoków elektronu pomiędzy warstwami N i P. Podczas tego przejścia wytworzona wartość energii emitowanego fotonu światła jest równa wspomnianej wcześniej pauzie energetycznej.

Tak jak w przypadku klasycznych źródeł światła m.in. lamp wyładowczych, w których środowiskiem emitującym światło są opary gazów np. sód lub brom, tak i w przypadku diod elektroluminescencyjnych, w zależności od materiału, z którego został zbudowany półprzewodnik, dioda może emitować światło o różnym zabarwieniu.

W oparciu o historyczne procesy prac związanych z kreowaniem diod, z którymi mamy do czynienia obecnie, pierwsze były półprzewodniki wykonane z arsenku galu, który emitował światło monochromatyczne- podczerwone, czerwone, zielone, niebieskie i białe. W latach 70 prace rozwojowe pozwoliły na powstanie diod, których parametry wykorzystywane są do dzisiaj, zarówno pod kątem mocy emisyjnej (100 mW), jak i wielkości (5mm). Naturalnym następstwem było wyprodukowanie diod o dużej mocy, których spektrum wynosiło od 0.8 do 6W.
Technika świetlna wykorzystywana w półprzewodnikowych źródłach promieniowania emituje światło, bazujące na trzech podstawowych kolorach- czerwonym Red, zielonym Green i niebieskim Blue (więcej o oświetleniu RGB dowiesz się z naszego artykułu). Dzięki możliwości połączenia w dowolnych konfiguracjach kolorów podstawowych możliwe jest stworzenie światła barwy białej, co w praktyce umożliwia zastosowanie oświetlenia LED w szerszym zasięgu użytkowym.

Światło białe diody LED

Tak jak wspomnieliśmy wcześniej, na podstawie materiałów wykorzystanych do produkcji półprzewodników barwa emitowanego światła jest inna. Dzięki odpowiednim wartościom stosunkowym możliwe jest skonfigurowanie barwy białej przy wykorzystaniu jednej z trzech metod.

Metoda 1 polega na proporcjonalnym dobraniu oświetlenia bazowego w taki sposób, aby w efekcie ich połączenia osiągnąć zjawisko świetlne barwy białej. W praktyce na jednym panelu umieszcza się 3 punkty ledowe, które tworzą diodę LED. Najwyższa wydajność emitowanego światła (brak strat związanych z konwersją światła w luminoforze) pozwala na jego dowolną zmianę pod kątem temperatury barwowej emitowanego światła, niestety nie idzie w zgodzie z niskimi kosztami produkcyjnymi (konstrukcja układu), jak i sterujacymi (indywidualne systemy zasilania dla poszczególnej diody w celu indywidualnego dobrania parametrów dla kierunku strumienia).

Proporcje barw:
czerwona : niebieska : zielona
1: 4.59: 0.06

Metoda 2 zakłada wykorzystanie specjalnego luminoforu [Zastosowanie luminoforu], który pokrywa wewnętrzną warstwę diody. W rezultacie emitowane światło diody przechodzi przez 3 warstwy konwersji światła UV, które każdorazowo zamieniane są na konkretną barwę podstawową (R-G-B), by w rezultacie oddać strumień o pożądanej barwie białej.

Z uwagi na działanie luminiforu jakość emitowanego światła jest bardzo niska, co jednoznacznie przekłada się na wydajność emisyjną. Ponadto, ze względu na z góry określoną wartość początkową emitowanego strumienia oraz jednostajną warstwę luminoforu nie jest możliwe sterowanie strukturą barwową oświetlenia, co za tym idzie współczynnik oddawania barw (CRI) również pozostaje niezmienny.

Metoda 3 sposobu osiągania barwy białej emitowanego światła stanowi połączenie metody pierwszej i drugiej, dlatego też nosi nazwę metody hybrydowej. Niebieska barwa emitowana przez diodę częściowo przepuszczana jest przez luminofor. Po konwersji światła niebieskiego w żółte następuje wymieszanie barw, co w efekcie pozwala na stworzenie strumienia barwy białej.
Dzięki wykorzystanej hybrydzie i jednorodnej barwie diody, metoda ta pozwala na zwiększenie wydajności emitowanego światła oraz całkowitego ograniczenia promieni UV, jednak przy stałym układzie parametrów w warstwie luminoforu, tak jak w przypadku metody drugiej, współczynnik oddawania barw pozostaje niezmienny, choć jego poziom oscyluje pomiędzy 70-90 (100 odpowiada barwie światła dziennego emitowanego przez słońce).

Zasilanie i sterowanie diody ledowej

Duża skala produkcji diod LED wymusza jej podział podstawowy pod względem mocy emisyjnej. W tym wypadku wyróżnić możemy diody małe (do 150 mW) oraz duże (do 5W)- Power LED, które powszechnie wykorzystywane są m.in. w oprawach lamp ulicznych lub w oświetleniu przemysłowym. W zależności od energii emitowanych fotonów napięcie służące do zasilenia diody powinno zostać dopasowane proporcjonalnie. Ponadto, wybierając rodzaj zasilania dla oświetlenia ledowego należy szczególną uwagę zwrócić na temperaturę otoczenia, w której dioda będzie pracować. Proporcjonalnie do wzrostu temperatury otoczenia spada napięcie zasilające, co w rezultacie przekłada się na spore wahania prądu docierającego do diody. Efektem dużych zmian prądu (podczas, gdy do zasilania diody wykorzystywany jest prąd o stałej wartości) możemy doprowadzić do ograniczenia jakości działania diody lub jej przegrzania i skrócenia żywotności lampy LED.

W układach kilku diod tworzących swoiste moduły ledowe jako podstawowe, bierne zabezpieczenie przed przeciążeniem stosuje się ustawione w szeregowym połączeniu rezystory (oporniki). Dzięki wpleceniu w sieci diod opornika możliwe jest uchronienie systemu przed bezpośrednim działaniem wspomnianych wcześniej, sinusoidalnych wahań napięcia, dzięki proporcjonalnemu oddziaływaniu opornika na czynniki działające z zewnątrz.

W zależności od typu układu oporniki mogą zostać połączone szeregowo lub równolegle. W połączeniach ledowych, z uwagi na różnice fabryczne, które mogą pojawić się pomiędzy kolejnymi elementami stosowany jest układ szeregowy. Ponadto, dzięki systemom zasilającym lampy LEDowe możliwe jest zastosowanie dodatkowych narzędzi, dzięki którym możliwe jest sterowanie oświetleniem. W tym wypadku zmiana temperatury barwowej lub całkowita zmiana barwy światła jest bezproblemowa, ze względu na wykonany w sposób unormowany układ zabezpieczający moduł przed uszkodzeniem, manipulacja wartością prądu docierającego do układu może być zupełnie swobodna.

Zalety i wady diody LED

W związku z nieprzerwanymi pracami związanymi ze stałym unowocześnianiem oświetlenia ledowego, a także w związku z polityką norm wprowadzaną przez izby kontroli Unii Europejskiej już teraz możemy zauważyć fale produktów wykorzystująca półprzewodniki. Nic w tym dziwnego, podczas gdy żywotność lamp LED osiąga wartość blisko 50 000h, a zakres temperatury pracy pozwala na ich wykorzystanie w warunkach od -40 do +85 stopni. Wysoka skuteczność świetlna pozwala na szeroki zakres zastosowania diod LED- począwszy od diod systemów narzędzi, przez zastosowane w taśmach LED oświetlenie wewnętrzne wykorzystywane do oświetlenia schodów lub podświetlenia mebli, ułożone na specjalnych panelach doskonale sprawdzają się w lampach użytkowych takich, jak lampy zewnętrzne do iluminacji budynków w różnych konfiguracjach (ozdobnym lub funkcjonalnym). Ze względu na budowę lamp współcześnie stanowią jedne z najbardziej ekologicznych i energooszczędnych źródeł światła. W zgodzie z normami unijnymi, zastosowane w kompleksowym oświetleniu zewnętrznym, powoli zaczynają wypierać klasyczne lampy wyładowcze. Mała awaryjność lamp a także solidna konstrukcja znacząco wpływają na popularyzację oświetlenia LED jako taniego źródła promieniowania.