2. BADANIA ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA OPARTYCH O DIODY LED

Podobne dokumenty
WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

L E D light emitting diode

Wpływ parametrów napięcia zasilającego na parametry świetlne półprzewodnikowych źródeł światła

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Barwa ciepła Barwa neutralna Barwa chłodna

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Dioda półprzewodnikowa OPRACOWANIE: MGR INŻ. EWA LOREK

ZASTOSOWANIE DIOD LED W TECHNICE OŚWIETLENIOWEJ SAMOCHODÓW THE APPLICATION OF LIGHT EMITTING DIODES IN LIGHTING ENGINEERING FOR MOTOR VEHICLES

Ćwiczenie nr 34. Badanie elementów optoelektronicznych

JAKOŚĆ ŚWIATŁA. Piotr Szymczyk. Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej, AGH

Diody LED w samochodach

Oświetlenie ledowe: wszystko o trwałości LEDów

Zastosowanie diod elektroluminescencyjnych w pojazdach samochodowych

1 z :24

Politechnika Poznańska, Zakład Techniki Świetlnej i Elektrotermii

WYZNACZENIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE CHARAKTERYSTYKI DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNEJ

UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI INSTYTUT FIZYKI ZAKŁAD FIZYKI CIAŁA STAŁEGO. Ćwiczenie laboratoryjne Nr.2. Elektroluminescencja

LAMPY I MODUŁY DIODOWE ZASILANE NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM

LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

PRZYSZŁOŚĆ OŚWIETLENIA LED I OLED? Janusz Strzyżewski

Product Line 035A Nowa rodzina źródeł światła

Widmo promieniowania elektromagnetycznego Czułość oka człowieka

Jak czytać etykiety i na co zwracać uwagę przy zakupie lamp LED?

w13 54 Źródła światła Żarówka Żarówka halogenowa Świetlówka Lampa rtęciowa wysokoprężna Lampa sodowa wysokoprężna Lampa sodowa niskoprężna LED

ANALIZA PARAMETRÓW MIESZANINY ŚWIATŁA DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH O BARWIE BIAŁEJ Z DIODĄ O BARWIE CZERWONEJ LUB CZERWONO-POMARAŃCZOWEJ

W polskim prawodawstwie i obowiązujących normach nie istnieją jasno sprecyzowane wymagania dotyczące pomiarów źródeł oświetlenia typu LED.

Ciekawa forma. PHILIPS LED Świeczka (z możliwością przyciemniania) 5 W (40 W) E14 Ciepła biel Ściemnialna

4. Diody DIODY PROSTOWNICZE. Są to diody przeznaczone do prostowania prądu przemiennego.

Ciekawa forma. PHILIPS LED Żarówka (z możliwością przyciemniania) 5,5 W (40 W) E27 Ciepła biel Ściemnialna

1 Źródła i detektory. V. Fotodioda i diody LED Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody i diod LED.

Lampy stosowane w oświetleniu ulicznym, ze szczególnym uwzględnieniem źródeł LED cz. III

Jak prawidłowo dobrać zamienniki LED?

Ćwiczenie E17 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH MODUŁU OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH I SPRAWNOŚCI KONWERSJI ENERGII PADAJĄCEGO PROMIENIOWANIA

TBM TELEKOM Sp. z o.o.

Doskonała wyrazistość światła, bezkonkurencyjna efektywność

I. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

GaSb, GaAs, GaP. Joanna Mieczkowska Semestr VII

Nowoczesne oświetlenie dla domu.

Niewiarygodne kolory, zdumiewająca atmosfera

Ciekawa forma. PHILIPS LED Kulka (z możliwością przyciemniania) 5 W (40 W) E14 Ciepła biel Ściemnialna

Teoria pasmowa. Anna Pietnoczka

Wprowadź odrobinę cudownego blasku do swojego domu

Niewielkie rozmiary, wyraźne białe światło.

Niewielkie rozmiary, wyraźne białe światło.

Niewielkie rozmiary, wyraźne białe światło.

Oprawy oświetleniowe ze źródłami światła LED i ich stosowanie w oświetleniu drogowym

LCC - REWOLUCJA W OŚWIETLENIU

Doskonała wyrazistość światła, bezkonkurencyjna efektywność

Korzystaj z szerokiej gamy oświetlenia Philips!

V. Fotodioda i diody LED

Doskonała wyrazistość światła, bezkonkurencyjna efektywność

Wysokiej jakości jasne światło LED

V. DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA

Odpowiednie oświetlenie tworzy magię chwili

Ciekawa forma. PHILIPS LED Świeczka 4,3 W (40 W) E14 Ciepła biel Bez możliwości przyciemniania

PARATHOM PAR

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI I UKŁADÓW PRACY ELEKTRYCZNYCH ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

Elementy optoelektroniczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Zastosowanie diod LED w oświetleniu i iluminacji

P O L I T E CH N I K A P O Z N A Ń S K A I NSTYTUT ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI Poznań, ul. Piotrowo 3A

Energooszczędna świetlówka z ulepszonym oddawaniem barw

Trwałe oświetlenie akcentowe LED o skupionym strumieniu

Ciekawa forma. PHILIPS LED Kulka 2,2 W (25 W) E14 Ciepła biel Bez możliwości przyciemniania

Opis produktu: MASTERColour CDM-T. Korzyści. Cechy. Wniosek. Kompaktowa lampa metalohalogenkowa, technologia ceramiczna

Kierunek: Elektrotechnika, Studia stacjonarne, II stopień, sem. 1. wersja z dn Laboratorium Techniki Świetlnej

BADANIE EKSPLOATACYJNYCH ZMIAN PARAMETRÓW FOTOMETRYCZNYCH I KOLORYMETRYCZNYCH WYBRANEGO TYPU LAMP METALOHALOGENKOWYCH

Światło komfortowe dla Twoich oczu

To wnętrze stanowi różnicę

Energooszczędne źródła światła

Ciekawa forma. PHILIPS LED Żarówka 8,5 W (75 W) E27 Ciepła biel Bez możliwości przyciemniania

Urządzenia półprzewodnikowe

Światło komfortowe dla Twoich oczu

spis urządzeń użytych dnia moduł O-01

NAPIĘCIE [V] BARWA ŚWIATŁA MOC [W] LED STAR PAR zamiennik żarówki halogenowej o mocy 50W kąt rozsyłu 36

Doskonała wyrazistość światła, łatwa obsługa

Struktura pasmowa ciał stałych

Światło komfortowe dla Twoich oczu

Nowy wizerunek klasycznej żarówki

Nowy wizerunek klasycznej żarówki

5 najwaŝniejszych powodów dlaczego warto wybrać oświetlenie LED firmy OSRAM

Małe i silne energooszczędne źródło, które daje światło wysokiej jakości.

Światło komfortowe dla Twoich oczu

Światło komfortowe dla Twoich oczu

Oświetlenie wewnętrzne

Ćwiczenie 2 WSPÓŁPRACA JEDNAKOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH W RÓŻNYCH KONFIGURACJACH POŁĄCZEŃ. Opis stanowiska pomiarowego. Przebieg ćwiczenia

Doskonała wyrazistość światła, minimalistyczny wygląd

Złącze p-n powstaje wtedy, gdy w krysztale półprzewodnika wytworzone zostaną dwa obszary o odmiennym typie przewodnictwa p i n. Nośniki większościowe

Badanie charakterystyki diody

Rys.2. Schemat działania fotoogniwa.

Małe i silne energooszczędne źródło, które daje światło wysokiej jakości.

ECOLINE-S. Źródła światła LED, punktowe

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

ST8A-EM 20 W/ mm

Światło komfortowe dla Twoich oczu

Energooszczędna świetlówka z ulepszonym oddawaniem barw

eco Tube 70% ~6lat 3lata NOWOCZESNA SWIETLÓWK A eco Tube - RETROFIT -

Wybrane elementy optoelektroniczne. 1. Dioda elektroluminiscencyjna LED 2. Fotodetektory 3. Transoptory 4. Wskaźniki optyczne 5.

Najbardziej energooszczędne i najjaśniejsze świetlówki na świecie

Transkrypt:

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 50-100 lm/w, oddawanie barw na poziomie współczynnika Ra>80, trwałością 30 000 do 80 000 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 1907. 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 (1927-1942) 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 20-618 Lublin, ul Nadbystrzycka 38A 2 Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej 20-618 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

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

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. 2.1. 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

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 60 ---- ---- 62,8 0,27 131 925,52 14,74 2 Żarówka 75 ---- ---- 77,7 0.34 151 1066,82 13,73 3 Świetlówka 18 ---- ---- 18,8 0,3 212 1497,78 79,67 4 Livaro Lux, model23027 3 ---- 3000 1,9 0,068 148 522,81 275,16 5 Lead Leader Corn 4 ---- E14 3000 3,3 0,024 17 120,11 36,40 6 Osram Parathom 1,6 ---- CL B 8009l * 1,7 0,013 13 91,85 54,03 7 Osram Parathom 4 ---- CL P25 * 4 0,038 78 275,54 68,88 8 Livaro Lux 3 ---- 3000 2,1 0,046 79 279,07 132,89 9 Osram Globe 995 3,2 ---- 3,2 0,025 22 155,43 48,57 10 Active Jet 11 ---- ---- 11,2 0,106 390 1377,68 123,01 11 ANS lighting 6,1 ---- Biała ciepła 6,4 0,066 129 455,69 71,20 12 Ideal Elektro Trex E27 11 1200 3000 11,6 0,066 534 1886,36 162,62 13 Ideal Elektro Starx E27 15 850 3000 14,6 0,082 668 2359,71 161,62 14 Light Tech Eco BPZ/220/20RN- 20 1640 3000 19,7 0,092 768 2712,96 137,71 E27 15 Lexman 411355 5,5 ---- 2700 5,8 0,046 111 392,11 67,60 16 TB Energy 9 ---- ---- 8,7 0,046 432 1526,04 175,41 17 Kanlux Nesta LED * 10 ---- 3000-3400 9,8 0,067 72 508,68 51,91 627

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

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 1. www.lighting.pl/led_lediko/rys_historyczny 2. Praca zbiorowa Polskiego Komitetu Oświetleniowego Związku Producentów Sprzętu Oświetleniowego Pol-Lighting LEDY, Moduły LED. Odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania wyd. I, Maj 2011 3. Opracowanie zbiorowe pod redakcją Pietrzyk W., Laboratorium z elektrotechniki. Politechnika Lubelska, Wydawnictwa Uczelniane 2003. 4. Wiśniewski E., Elektryczne źródła światła, Oficyna Wydawnicza Politechniki Lubelskiej, W-wa 2010 629