2. BADANIA ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA OPARTYCH O DIODY LED

Transkrypt

1 BOGUTA Artur 1 MAJCHER Jacek 2 Zastosowanie półprzewodnikowych źródeł światła do oświetlenia pomieszczeń użytkowych WSTĘP Diody elektroluminescencyjne stosowane są w elektronice już od lat sześćdziesiątych XX wieku. Zrewolucjonizowały przemysł elektroniczny do takiego stopnia, że w dzisiejszych czasach, spotykane są na co dzień. Dzięki swoim niewielkim rozmiarom, dużej energooszczędności, długiej żywotności oraz prostocie technologicznej, wykorzystywane są zarówno w przemyśle, w domu i ogrodzie. Spotkać je można obecnie w oświetleniu ogólnym mieszkań, w oprawach do miejscowego oświetlenia w sklepach, galeriach czy muzeach. Znajdują szerokie zastosowanie w podświetleniu piktogramów informujących o drogach ewakuacyjnych, w sygnalizacji drogowej, w oświetleniu ulicznym oraz w oświetleniu pojazdów. Technologia oparta na diodach LED (ang. light-emitting diode) w pełni zasługuje na nazwę przełomowa, ze względu na ich właściwości: parametry techniczne, efektywność energetyczna czy trwałość. Technologia LED otwiera nowe możliwości zastosowań, które pozwalają na tworzenie dotychczas niespotykanych rozwiązań oświetleniowych. Dzisiaj już ledówka, czyli lampa oparta na diodach świecących, może służyć jako pełnowartościowe źródło światła jednakże pod warunkiem, że deklarowane parametry są rzeczywiste. Ta bardzo prężnie rozwijająca się technologia związana z budową diod LED pozwoliła zastosować je do oświetlania pomieszczeń użytkowych. Diody LED charakteryzują się skutecznością świetlną lm/w, oddawanie barw na poziomie współczynnika Ra>80, trwałością do godzin pracy. Ze względu na swoje parametry dorównują one lampom wyładowczym. Z tego względu coraz częściej pojawiają się one, jako zamienniki tradycyjnych żarówek oraz świetlówek kompaktowych. Barwa światła otrzymywana z diod LED jest zbliżona do światła słonecznego i z powodzeniem może być stosowana do pomieszczeń, w których przebywają ludzie. 1. BUDOWA WSPÓŁCZESNEJ DIODY LED Zjawisko elektroluminescencji zostało po raz pierwszy zaobserwowane i udokumentowane poprzez Henry ego Joseph a Round a w roku Round zaobserwował emisję światła widzialnego z kryształu węglika krzemu (SiC) o przewodnictwie typu n (nadmiar elektronów w półprzewodniku). W doświadczeniu Rounda złącze metal półprzewodnik spolaryzowane napięciem od 10V do 110V emitowało światło o różnych barwach: żółtej, zielonej, pomarańczowej oraz niebieskiej. Pionierskie badania nad elektroluminescencją ( ) prowadził również O.V.Lossev. W 1928 roku opublikował on szczegółowe opracowanie dotyczące rekombinacji promienistej w węgliku krzemu SiC. W swoich pracach dowiódł, że przyczyną luminescencji SiC nie jest żarzenie się struktury, jak ma to miejsce w żarowych źródłach światła, oraz poprawnie założył, że luminescencja diod z SiC jest zjawiskiem odwrotnym do einsteinowskiego efektu fotoelektrycznego. Kolejnym z pierwszych związków półprzewodnikowych, w którym, pod koniec lat trzydziestych XX wieku, zaobserwowano zjawisko elektroluminescencji był siarczek cynku ZnS domieszkowany miedzią. W 1936 roku Georges Destriau opublikował wyniki badań luminescencji ze sproszkowanego 1 Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej Lublin, ul Nadbystrzycka 38A 2 Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej Lublin, ul Nadbystrzycka 38A, j.majcher@pollub.pl. Uczestnik projektu "Kwalifikacje dla rynku pracy - Politechnika Lubelska przyjazna dla pracodawcy" współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. 624

2 siarczku cynku ZnS. Destriau jako pierwszy użył wyrażenia elektroluminescencja do określenia badanego przez siebie zjawiska [1]. Pierwsze produkowane diody LED nadawały się do sygnalizacji pracy różnych urządzeń. Udało się wtedy stworzyć diody świecące w kolorach czerwonym żółtym i zielonym. Późniejszy rozwój techniki pozwolił na stworzenie diod wytwarzających światło niebieskie i ultrafioletowe. Stworzenie diod ultrafioletowych i niebieskich było przełomem w ich produkcji. Diody ultrafioletowe i niebieskie pozwoliły na stworzenie diody LED świecącej białym światłem. Tab. 1. Związki chemiczne stosowane do produkcji diod LED Materiał Barwa światła GaAs arsenek galu podczerwień GaP fosforek galu czerwona, żółta, zielona GaAs 1-x P x - fosforo arsenek galu czerwona, pomarańczowa, żółta Al x Ga 1-x As galo arsenek glinu czerwona GaN azotek galu niebieska, biała Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Warstwa półprzewodnika typu p posiada nadmiar dziur natomiast warstwa n posiada nadmiar elektronów w paśmie walencyjnym. Przyłożenie do złącza napięcia w kierunku przewodzenia powoduje, że do pasma przewodnictwa materiału n będą wstrzykiwane elektrony, a do pasma walencyjnego materiału p będą wstrzykiwane dziury. Oba te nośniki są unoszone w kierunku złącza siłami zewnętrznego pola elektrycznego i rekombinują ze sobą pozbywając się nadwyżki energii w postaci fotonu. Rys. 1. Wytwarzanie światła w złączu p-n [4] Obecnie stosowane diody LED do wytworzenia światła białego wykorzystują metodę hybrydową. Polega ona na wytworzeniu przez diodę światła niebieskiego, które z kolei przechodzi przez luminofor. Luminofor zamienia część promieniowania niebieskiego na żółte. Światło niebieskie i żółte ulegają zmieszaniu i powstaje promieniowanie zbliżone do białego, które zostaje wypromieniowane przez diodę do otoczenia. Rys. 2. Struktura diody InGaN bez luminoforu i z nałożonym luminoforem [4] 2. BADANIA ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA OPARTYCH O DIODY LED Na rynku można znaleźć różne zamienniki żarówek i świetlówek kompaktowych w których zastosowano diody LED jako źródło światła. Producenci oferują takie źródła światła o mocach od 1W 625

3 do kilkudziesięciu watów podając jako zachętę do zakupu jej odpowiedniki w postaci mocy żarówki. Niestety takie porównania niewiele maja wspólnego z rzeczywistością. Często okazuje się, że po włączeniu odpowiednika w postaci lampy LED nie uzyskujemy oczekiwanego efektu. Najodpowiedniejszym parametrem służącym do porównania źródeł światła jest strumień świetlny oraz skuteczność świetlna. Na rysunku 3 przedstawiono źródła światła LED spotykane w sprzedaży. Rys. 3. Najczęściej spotykane źródła światła oparte o diody LED, a, c, d, f wykorzystujące diody LED mocy, b, e wykorzystujące diody LED ułożone w kolbę kukurydzy [źródło własne] W badaniach przedstawionych w artykule podjęto próbę porównania diod LED różnych producentów z parametrami podanymi na opakowaniach jak również dokonano porównania ich z tradycyjnymi źródłami światła Układ pomiarowy Do pomiarów wykorzystano układ pomiarowy przedstawiony na rysunku 5. Badane źródła światła były umieszczone w komorze pomiarowej a odległość czujnika luxomierza wynosiła 0,75m od badanego źródła światła (rysunek 4). Układ elektryczny składa się z woltomierza, amperomierza, watomierza i luxomierza: luxomierz LUTRON LX-103, watomierz LAVO 6, woltomierz - LE 1, miliamperomierz LE 3. Układ był zasilany z sieci energetycznej 230V za pomocą autotransformatora w celu utrzymania stałej wartości napięcia w czasie pomiarów. 626

4 Rys.4. Schemat wykonywania pomiarów źródeł światła Na rysunku 5 przedstawiono schemat pomiarowy. Rys.5. Układ pomiarowy do badania źródeł światła Tab. 2. Wyniki pomiarów parametrów świetlnych badanych źródeł światła. Dane producenta Pomiary / obliczenia LP Typ Strumień Temperatura Natężenie Strumień Skuteczność Moc. Moc. Prąd lampt/producent świetlny barwowa światła świetlny świetlna [W] [lm] [K] [W] [A] [LX] [lm] [lm/w] 1 Żarówka małogabarytowa ,8 0, ,52 14,74 2 Żarówka , ,82 13,73 3 Świetlówka ,8 0, ,78 79,67 4 Livaro Lux, model ,9 0, ,81 275,16 5 Lead Leader Corn E ,3 0, ,11 36,40 6 Osram Parathom 1, CL B 8009l * 1,7 0, ,85 54,03 7 Osram Parathom CL P25 * 4 0, ,54 68,88 8 Livaro Lux ,1 0, ,07 132,89 9 Osram Globe 995 3, ,2 0, ,43 48,57 10 Active Jet ,2 0, ,68 123,01 11 ANS lighting 6, Biała ciepła 6,4 0, ,69 71,20 12 Ideal Elektro Trex E ,6 0, ,36 162,62 13 Ideal Elektro Starx E ,6 0, ,71 161,62 14 Light Tech Eco BPZ/220/20RN ,7 0, ,96 137,71 E27 15 Lexman , ,8 0, ,11 67,60 16 TB Energy ,7 0, ,04 175,41 17 Kanlux Nesta LED * ,8 0, ,68 51,91 627

5 Do obliczenia strumienia świetlnego emitowanego z badanych źródeł światła wykorzystano wzór na jego przybliżoną wartość: =4 π l 2 E gdzie: E - natężenie światła w Lx, l - odległość miedzy źródłem światła a fotoelementem [3]. W tabeli 2 przedstawiono wyniki pomiarów dla różnych źródeł światła. Kolorem szarym zaznaczono wyniki pomiarów dla żarówek i świetlówki kompaktowej. Symbolem * zaznaczono źródła światła wykonane w postaci kolby kukurydz. Z przedstawionych wyników pomiarów wynika, że parametry podane przez producenta znacznie różnią się od wartości otrzymanych w czasie pomiarów. Witać wyraźnie, że najgorzej wypadają źródła światła LED wykonane w postaci kolby kukurydz. Wynika z tego, że takie źródła światła mogą służyć tylko do podświetlania dekoracyjnego. Skuteczność świetlna tych źródeł światła jest gorsza od tradycyjnych świetlówek natomiast w porównaniu ich z tradycyjnymi żarówkami okazują się urządzeniami pobierającymi mało energii elektrycznej. Najlepszymi źródłami światła okazują się zamienniki żarówek wykonane z kilku diod LED umieszczonych na radiatorze i nakrytych mleczną bańką szklaną. Te źródła światła wykorzystują najnowsze diody LED dużej mocy. Ich parametry świetlne i elektryczne znacznie przewyższają świetlówki kompaktowe, które i tak są zaliczane do energooszczędnych. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że źródła światła oparte o diody LED charakteryzują się dużą skutecznością świetlna, która przewyższa nawet lampy sodowe. WNIOSKI W ostatnich latach obserwowany jest gwałtowny rozwój półprzewodnikowych źródeł światła. Opracowanie diody o barwie światła niebieskiej było podstawą do otrzymania diod świecących białą barwą światła. Równocześnie zaczęła rozwijać się grupa diod tzw. dużych mocy. Połączenie tych dwóch czynników jest podstawą do stosowania tego typu źródeł światła do oświetlania pomieszczeń użytkowych. Obecnie istnieje wiele typów źródeł światła opartych o diody LED. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że diody LED zastosowane, jako źródła światła często swoją sprawnością i wielkością strumienia świetlnego przewyższają żarówki oraz świetlówki kompaktowe. W czasie doboru mocy należy się kierować strumieniem świetlnym, a nie podanym przez producenta odpowiednikiem żarówki. Źródła światła z diodami LED o mocach pojedynczych watów nadają się raczej do stworzenia sceny świetlnej niż do oświetlenia miejsca pracy ludzi. Źródła te, których moc dochodzi do 10 W lub jest większa mogą być stosowane, jako podstawowe źródło światła oświetlające miejsce pracy. Streszczenie W artykule przedstawiona została problematyka stosowania półprzewodnikowych źródeł światła do oświetlenia pomieszczeń użytkowych. Przedstawiono zasadę działania diody elektroluminescencyjne oraz omówiono jej podstawowe parametry. Opisano w jaki sposób otrzymywana jest biała barwa światła. Diody o tej barwie znajdują się w źródłach światła stosowanych w oświetleniu pomieszczeń użytkowych. Da badań wykorzystano najczęściej spotykane źródła światła oparte o diody LED. Badano takie parametry jak moc pobierana przez źródło światła, prąd oraz natężenie oświetlenia. Na podstawie wyników pomiarów szukano odpowiedzi na pytanie, czy parametry elektryczne podane przez producenta odpowiadają zmierzonym w laboratorium. Uzyskane wyniki były podstawą do dyskusji na temat zasadności zmiany dotychczasowych źródeł światła na te, oparte o technikę LED w pomieszczeniach użytkowych. Application of semiconductor light sources (LED) to illuminate spaces Abstract The development of technology generates new types of light sources. One of these are semiconductor 628

6 sources LEDs. The paper presents the working principle of semiconductor light sources. The mechanism receiving white light color. LEDs are used to illuminate spaces. The study used the typical light source. Compared their performance with traditional light sources. BIBLIOGRAFIA Praca zbiorowa Polskiego Komitetu Oświetleniowego Związku Producentów Sprzętu Oświetleniowego Pol-Lighting LEDY, Moduły LED. Odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania wyd. I, Maj Opracowanie zbiorowe pod redakcją Pietrzyk W., Laboratorium z elektrotechniki. Politechnika Lubelska, Wydawnictwa Uczelniane Wiśniewski E., Elektryczne źródła światła, Oficyna Wydawnicza Politechniki Lubelskiej, W-wa