Poradnik_LED-źródła światła.pdf

BEZPIECZEŃSTWO PRACY 12/2007

Diody œwiec¹ce

mgr in¿. ANDRZEJ PAWLAK

Centralny Instytut Ochrony Pracy

– Pañstwowy Instytut Badawczy

jako Ÿród³a œwiat³a

W artykule przedstawiono przyk³adowe zastosowania diod świec¹cych ma³ej mocy, ich historiê rozwoju oraz ogóln¹ zasadê dzia³ania, a tak¿e omówiono sposoby

wytwarzania świat³a bia³ego w tych diodach.

Lighting emission diodes as a new lighting source

This paper presents the evolution of lighting emission diodes (LED) and general rules of their operation. There is also a description of how white light is created in

those LEDs.

Wstêp

Diody świec¹ce popularnie nazywane

ledami (LED – Light Emitting Diode) nale¿¹

obecnie do najnowocześniejszych i najszyb-

ciej rozwijaj¹cych siê źróde³ świat³a. Z tymi

źród³ami mamy w praktyce do czynienia

na co dzieñ, u¿ywaj¹c np. diodowych latarek

ró¿nej wielkości (fot. 1.), poniewa¿ znacznie

d³u¿ej świec¹ od tych z ¿arówkami. Przy-

k³adowa latarka pokazana na fot. 1a świeci

oko³o 100 godzin przy zasilaniu czterema

bateriami typu G3. Latarka pokazana na fot.

1b świeci oko³o 15 godzin przy zasilaniu trzema

bateriami typu AA, ale za to znacznie jaśniej

ni¿ poprzednia, poniewa¿ zamontowanych

jest w niej 14 diod. Przy takim zasilaniu klasycz-

na latarka z ¿arówk¹ halogenow¹ świeci³aby

oko³o 4-5 godzin, a trwa³ośæ takiej ¿arówki

wynosi przeciêtnie 20 godzin. Natomiast

trwa³ośæ diod świec¹cych siêga nawet stu

tysiêcy godzin. Kolejn¹ ich zalet¹ w stosunku

do ¿arówek halogenowych jest du¿a odpor-

nośæ na wstrz¹sy, co jest bardzo istotne przy

stosowaniu ró¿nego rodzaju latarek. Inny

przyk³ad zastosowania ledów to np. latarka

czo³owa (fot. 2.) czy oświetlenie rowero-

we (fot. 3.). W zale¿ności od liczby diod

świec¹cych latarka czo³owa mo¿e świeciæ

od 8 godzin – przy 16 ledach, 60 godzin

– przy 6 ledach , do 200 godzin – przy 1 ledzie .

Natomiast latarka rowerowa mo¿e świeciæ

w sposób ci¹g³y oko³o 20 godzin, a impulsowy

– nawet 150 godzin.

Wśród wielu innych zastosowañ diod

świec¹cych mo¿na wymieniæ:

– tablice informacyjne (fot. 4.)

– sygnalizacjê świetln¹ (fot. 5.)

Fot. 2. Przyk³ad latarki czo³owej z 16 ledami [1]

Photo. 2. An example of a headlamp with 16 LEDs [1]

Fot. 1. Przyk³adowe latarki z bia³ymi ledami [1]: a) 1 szt.

LED, b) 14 szt. LED

Photo. 1. Sample torches with white LEDs [1]: a. 1 pc of

LED b. 14 pcs of LEDs

Fot. 3. Przyk³adowy zestaw oświetlenia rowerowego

[1]: lampa przednia – 5 szt. bia³ych LED, lampa tylnia

– 5 szt. czerwonych LED

Photo. 3. A sample set for bicycle lighting [1]: head lamp

– 5 white LEDs, rear light – 5 red LEDs

– oświetlenie miejscowe w środkach ko-

munikacji (samochody, autobusy, samoloty)

– oświetlenie bezpieczeñstwa, wyjśæ

ewakuacyjnych i znaków u³atwiaj¹cych

orientacjê

– ogrodowe oprawy akcentuj¹ce lub

dekoracyjne

– oprawy montowane w chodnikach,

jezdniach (tzw. najazdowe) wytyczaj¹ce

odpowiednie drogi (fot. 6.)

– oprawy przeznaczone do monta¿u

w ścianach lub w pod³odze oraz akcen-

tuj¹ce stopnie schodów (np. dyskoteki,

teatry, telewizja, restauracje, bary, kasyna,

BEZPIECZEŃSTWO PRACY 12/2007

Fot. 4. Przyk³ad tablicy informacyjnej z diodami świe-

c¹cymi [2]

Photo. 4. An example of a notice board with lighting

diodes [2]

kościo³y), oprawy te mog¹ byæ równie¿

wykorzystywane jako oprawy oświetlenia

awaryjnego (fot. 7.).

Natomiast diody świec¹ce zamontowane

w modu³ach liniowych, np. po 12 czy 24 sztuki

(fot. 8.) znalaz³y doskona³e zastosowanie w:

– reklamach świetlnych – znaki świetlne,

litery przestrzenne wykonane jako trójwy-

miarowe bry³y podświetlane od wewn¹trz

– oświetleniu dekoracyjnym

– systemach konturowego podświetlenia

i dekorowania budynków oraz innych obiek-

tów (np. pojazdów, statków, jachtów)

– iluminacji obiektów (fot. 9.).

Równie¿ w przemyśle motoryzacyjnym

diody świec¹ce znalaz³y zastosowanie,

jako źród³a świat³a w kierunkowskazach,

w świat³ach stopu – podstawowego lub

dodatkowego, a tak¿e jako przednie świat³a

samochodowe (fot. 10.).

Poza bardzo du¿¹ trwa³ości¹, niskim bez-

piecznym napiêciem zasilania, diody barwne

nie potrzebuj¹ ¿adnych dodatkowych

filtrów w celu otrzymania określonej barwy.

Dziêki temu nie wystêpuj¹ straty strumienia

świetlnego na filtrach, co ma istotny wp³yw

na ich energooszczêdnośæ, a określona bar-

wa świat³a jest bardzo wyrazista.

Natomiast diody wytwarzaj¹ce świat³o

o barwie bia³ej i wskaźniku oddawania

barw wiêkszym od 80 mog¹ byæ stosowa-

ne w oświetleniu niewielkich powierzchni,

np. jako zamienniki ¿arówek halogenowych.

Przemawia za tym ich wiêksza skutecznośæ

świetlna (siêgaj¹ca 38 lm/W) ni¿ ¿arówek

halogenowych (która wynosi 26 lm/W)

oraz znacznie d³u¿sza trwa³ośæ od ¿arówek

halogenowych. Na fot. 11. przedstawione

zosta³y przyk³ady zamienników ¿arówek

halogenowych z³o¿one z 12 i 20 ledów

o mocy 150 mW ka¿dy, zamontowanych

w typowym odb³yśniku przewidzianym dla

¿arówki halogenowej – tzw. zimnym lustrze.

S¹ one dostêpne w barwie bia³ej, niebieskiej,

zielonej, czerwonej oraz ró¿nokolorowe.

Interesuj¹ce s¹ wyroby w du¿ym stop-

niu przypominaj¹ce opalizowane ¿arówki

Fot. 5. Zastosowanie diod świec¹cych w sygnalizatorach

ulicznych [1]

Photo. 5. The use of LEDs in traffic lights [1]

Fot. 6. Przyk³ad oprawy najazdowej o mocy 4,5 W [2]

Photo. 6. An example of a 4.5-W luminaire mounted

in the background [2]

Fot. 8. Przyk³ad modu³u liniowego z³o¿onego z 12

ledów [2]

Photo. 8. An example of a line module made of 12

LEDs [2]

Fot. 9. Przyk³adowe zastosowania diod świec¹cych do

iluminacji budynków (La Roche-sur-Yo, Francja [4])

Photo. 9. Sample LED applications – illumination of a

building (La Roche-sur-Yo, France [4])

Fot. 7. Przyk³ady zastosowania opraw z ledami o mocy

0,8 – 1,6 W do podświetlenia schodów, korytarza,

przejścia obok rzêdu ³awek [3]

Photo. 7. Examples of the use of 0.8 – 1.6-W LED lumi-

naires for lighting stairs, corridors and aisles [3]

Fot. 10. Przyk³adowe tylne i przednie świat³a samo-

chodowe [4]

Photo. 10. Sample rear and front vehicle lights [4]

BEZPIECZEŃSTWO PRACY 12/2007

Fot. 11. Przyk³adowe zamiennik ¿arówki halogenowej w wersji LED [3]: a) 1 W, 12 V, b) 1 W, 12 V

c) 1,5 W, 230 V

Fig. 11. Sample LED lamps as replacements of halogen lamps with a cold mirror [3]: a) 1 W, 12 V,

b) 1 W, 12 V c) 1,5 W, 230 V

Fot. 12. Przyk³adowe diodowe zamienniki ¿arówek [3]: a) o mocy

3 W i b) o mocy 3,5 W

Photo. 12. Sample LED lamps as replacements of: a) 3 W and

b) o 3.5 W bulbs [3]

g³ównego szeregu lub świecowe, w których

zamontowanych jest 21 (fot. 12a) i 30 (fot.

12b) diod świêc¹cych.

15 000 do 50 000 godz.), coraz wiêksza

skutecznośæ świetlna, du¿a wartośæ

wskaźnika oddawania barw, brak pro-

mieniowania nadfioletowego i podczer-

wonego, du¿a odpornośæ na drgania

i wstrz¹sy.

Jednak pomimo pozornej prostoty budo-

wy, w produkcji diod świec¹cych korzysta siê

z najbardziej zaawansowanych technologii.

Uzyskiwane zjawisko elektroluminescencji

jest bardzo obiecuj¹ce dla bran¿y oświetle-

niowej, gdy¿ jego sprawnośæ na poziomie

z³¹cza p-n diody (tzw. chipu) mo¿e byæ

bliska 100%. Natomiast wielkim wyzwaniem

jest wyprowadzenie świat³a powsta³ego

w wyniku elektroluminescencji z wnêtrza

chipu do otoczenia z mo¿liwie jak najwiêksz¹

sprawności¹ [6].

Rozwój budowy diod

Pierwsza dioda świec¹ca powsta³a

w 1962 r. (fot. 13.) i od tego czasu nastêpuje

ich nieustaj¹cy rozwój.

W 1970 r. powsta³y stosowane do dzisiaj

diody wskaźnikowe o mocy 100 mW i śred-

nicy 5 mm. Na rysunku 1. przedstawiono

takie diody wraz ze szkicem prezentuj¹cym

poszczególne elementy ich budowy.

Pocz¹tkowo by³y to diody emituj¹ce

świat³o o barwie czerwonej, a potem

tak¿e inne barwy. Skonstruowanie diod

świec¹cych emituj¹cych bia³e świat³o

umo¿liwi³o zastosowanie ich w oświe-

tleniu. Nastêpnym etapem w rozwoju

diod świec¹cych by³o wyprodukowanie

w 1994 r. przez firmê Lumileds diody

o mocy 0,4 W (rys. 2.), które zapo-

cz¹tkowa³y ca³¹ seriê diod o mocach

od 0,8 do 6 W, czyli tzw. diod du¿ej mocy

(fot. 14.).

Diody te s¹ jednak nadal bardzo inno-

wacyjnymi źród³ami świat³a, ale nale¿y

spodziewaæ siê coraz szerszego ich za-

stosowania w ró¿nych dziedzinach tech-

niki świetlnej. Zwi¹zane jest to z takimi

ich zaletami, jak: du¿a trwa³ośæ (od

Ogólna zasada dzia³ania diod

świec¹cych

Budowa chipu diody świec¹cej przedsta-

wiona zosta³a na rysunku 3. Sk³ada siê on

z warstwy pó³przewodnika typu n, obszaru

aktywnego (z³¹cza p-n), warstwy pó³prze-

wodnika typu p oraz z pary metalowych

kontaktów – elektrody dodatniej i ujemnej.

W obszarze aktywnym wzbudzone elek-

trony rekombinuj¹ z dziurami i pozbywaj¹

siê nadwy¿ki energii emituj¹c foton (kwant

świat³a). Dziêki wytwarzaniu zwi¹zków

pó³przewodnikowych o precyzyjnie regulo-

wanym udziale poszczególnych pierwiast-

ków sk³adowych, mo¿liwe jest produko-

wanie materia³ów pó³przewodnikowych

wytwarzaj¹cych fale świetlne w zakresie

od nadfioletu a¿ po g³êbok¹ podczerwieñ.

Daje to mo¿liwośæ budowy diod świec¹cych

o praktycznie dowolnej barwie świecenia

(d³ugości fali świetlnej) [6]. W praktyce

najczêściej wytwarza siê jednak diody o bar-

wach, które przedstawiono na rys. 4.

Sposoby wytwarzania bia³ego

świat³a w diodach świec¹cych

Diody świec¹ce wytwarzaj¹ promienio-

wanie w bardzo w¹skim zakresie widma

o szerokości nie przekraczaj¹cej kilkunastu

nanometrów, s¹ wiêc w praktyce źród³ami

świat³a monochromatycznego. Natomiast

świat³o bia³e jest wra¿eniem wzroko-

wym, które odczuwa cz³owiek w wyniku

pobudzenia siatkówki oka świat³em za-

wieraj¹cym fale świetlne z ca³ego zakresu

promieniowania widzialnego (od oko³o

400 nm do 780 nm). Nie jest wiêc mo¿liwe

bezpośrednie uzyskanie świat³a bia³ego

z pojedynczego z³¹cza pó³przewodnikowe-

go p-n, mimo to wytwarza siê bia³e diody

świec¹ce i s¹ one niew¹tpliwie przysz³ości¹

w technice świetlnej.

Fot. 13. Pierwsza dioda świec¹ca [4]

Photo. 13. The first LED [4]

Rys. 1. Świec¹ce diody wskaźnikowe o mocy 100 mW

Fig. 1. 100-mW signal LEDs

BEZPIECZEŃSTWO PRACY 12/2007

Rys. 2. Dioda SnapLED o mocy

0,4 W [4]

Fig. 2. 0.4-W SnapLED [4]

Fot. 14. Przyk³adowe diody świec¹ce du¿ej mocy [5]

Photo. 14. Sample high-power LED [5]

Rys. 3. Ogólny schemat budowy pó³przewodnikowej

diody świec¹cej [6]

Fig. 3. A general diagram of the structure of a semi-

conductor LED [6]

S¹ dwa sposoby wytwarzania świat³a

bia³ego przez diody świec¹ce. Pierwszy

polega na mieszaniu trzech podstawowych

barw świat³a: czerwonej, zielonej i niebieskiej

(tzw. RGB – Red Green Blue). Świat³o z tych

diod dodaje siê tak, by uzyskaæ bia³¹ barwê

(rys. 5.). Jest to rozwi¹zanie o najwiêkszej

wydajności, gdy¿ nie wystêpuj¹ tu straty

w luminoforze. Rozwi¹zanie to daje du¿e

mo¿liwości w zakresie uzyskiwania ró¿nych

wartości temperatury barwowej oraz wskaź-

nika oddawania barw rzêdu 90. Natomiast

zasadnicz¹ wad¹ tej metody jest wysoki

koszt i skomplikowana konstrukcja uk³adu

zasilaj¹co-steruj¹cego, gdy¿ ka¿da z diod

wymaga osobnego obwodu zasilaj¹cego

ustalaj¹cego odpowiedni punkt pracy [6].

Najistotniejsze w tym jest to, ¿e poszcze-

gólne diody emituj¹ ró¿n¹ ilośæ strumienia

świetlnego oraz maj¹ odmienne charakte-

rystyki termiczne i starzeniowe.

Drugi sposób wytwarzania świat³a bia³ego

w diodach świêc¹cych polega na wykorzy-

stywaniu promieniowania nadfioletowego

wytwarzanego przez diodê do wzbudzenia

luminoforu, czyli procesu podobnego do tego

jaki jest w świetlówkach. Jest on prostszy ni¿

mieszanie barw z trzech ró¿nych diod, ale jed-

nocześnie mniej wydajny. W praktyce chip

diody promieniuj¹cy w paśmie nadfioletu (UV

LED) pokrywa siê luminoforem sk³adaj¹cym

siê z trzech warstw, z których ka¿da realizuje

konwersjê świat³a UV na jedn¹ z trzech barw

podstawowych. Potem nastêpuje wymieszanie

siê barw i w efekcie otrzymuje siê barwê bia³¹

(rys. 6.). Rozwi¹zanie to charakteryzuje siê

prost¹ technologi¹ produkcji bia³ej diody i nie-

skomplikowanym uk³adem zasilania. Jednak

ze wzglêdu na straty świat³a w luminoforze,

jest ono ma³o efektywne energetycznie. Meto-

da ta nie daje mo¿liwości dok³adnego kontrolo-

wania temperatury barwowej wskaźnika oraz

oddawania barw produkowanych diod [3].

Pomimo pewnych wad i zalet, obie meto-

dy wytwarzania świat³a bia³ego s¹ wykorzy-

stywane w ró¿nych zastosowaniach.

diody te w wersji du¿ej mocy maj¹ szansê

coraz szerszego zastosowania w oświetleniu.

W najbli¿szej przysz³ości nale¿y spodzie-

waæ siê wyprodukowania diod du¿ej mocy

o coraz wy¿szej skuteczności świetlnej, przez

co zastosowanie ich stanie siê coraz bardziej

powszechne, równie¿ jako źróde³ świat³a

przewidzianych do oświetlania pomieszczeñ

i stanowisk pracy.

PIŚMIENNICTWO

[1] www.mactronic.com.pl

[2] www.led.ekologika.com.pl

[3] http://domswiatla.pl

[4] M. Lorczyk LEDline2 jako nowa propozycja oświe-

tlenia dekoracyjnego . Materia³y z konferencji naukowo-

-technicznej „Sztuka oświetlania”, Ko³obrzeg 2005

[5] Katalogi oraz dane techniczne diod firmy LUMILEDS

(www.lumileds.com)

[6] A. Wilanowski LED Know-How . www.lighting.pl

Podsumowanie

Podstawowe zalety diod świec¹cych, takie

jak wysoka skutecznośæ świetlna oraz trwa³ośæ

zapewniaj¹ energooszczêdne i tanie w eks-

ploatacji oświetlenie. Nieemitowanie promie-

niowania nadfioletowego i podczerwonego

zapewnia wysoki poziom bezpieczeñstwa

eksploatacji. Du¿a odpornośæ na wibracje

i wstrz¹sy zapewnia niezawodnośæ dzia³ania.

Mo¿liwośæ ³atwej regulacji strumienia świetlne-

go daje dodatkowy komfort w eksploatacji.

Przedstawione w artykule przyk³ady za-

stosowañ diod świec¹cych do celów oświe-

tleniowych dotycz¹ w wiêkszości przypadków

diod ma³ej mocy (100÷200 mW). Jednak

Publikacja opracowana na podstawie

wyników zadania badawczego realizowa-

nego w ramach programu wieloletniego pn.

„Dostosowywanie warunków pracy w Polsce

do standardów Unii Europejskiej” dofinanso-

wywanego w zakresie badañ naukowych

przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa

Wy¿szego w latach 2005-2007. G³ówny

koordynator – Centralny Instytut Ochrony

Pracy – Pañstwowy Instytut Badawczy

Rys. 4. Najczêściej spotykane barwy emitowane przez

diody świec¹ce

Fig. 4. The most common colours emitted by lighting

LEDs

Rys. 5. Uzyskiwanie świat³a bia³ego przez mieszanie

trzech barw podstawowych RGB w proporcjach: 1 :

4,59 : 0,06 [6]

Fig. 5. Obtaining white by mixing of three basic colours,

RGB, in the ratio 1:4.59:0.06 [6]

Rys. 6. Uzyskiwanie świat³a bia³ego przez konwersjê pro-

mieni UV w luminoforze trójwarstwowym (InGaN) [6]

Fig. 6. Obtaining white by UV beam conversion in a

three-level luminofore [6]

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: