Zastosowanie diod LED w oświetleniu i iluminacji Katarzyna Strzałka - Gołuszka Doktorantka Wydziału EAIiE 1. Wprowadzenie Znaczny postęp technologiczny w produkcji półprzewodnikowych źródeł światła, jakimi są diody LED w ostatnich kilku latach sprawił, iż stało się możliwe stosowanie ich jako niemal pełnowartościowych źródeł światła. Coraz większe moce emisyjne tych źródeł pozwoliły na zastosowanie diod LED w oświetleniu w przemyśle motoryzacyjnym, do podświetlania dużych wyświetlaczy LCD, w oświetleniu dekoracyjnym, architektonicznym, w sygnalizacji ulicznej oraz w oświetleniu ogólnym zarówno zewnętrznym jak i wewnętrznym. Niedawne rozporządzenia Unii Europejskiej ustaliły harmonogram wycofania z rynku energochłonnych, żarowych źródeł światła. Zgodnie z planami proces ten będzie trwał od września 2009 do roku 2016 [9]. Rozporządzenie zakłada, że wszystkie wycofywane żarówki będą zastąpione przez lampy o większej efektywności. Innowacyjną i zarazem energooszczędną alternatywą dla tradycyjnych żarówek używanych często do oświetlania mieszkań mogą stać się będące tematem artykułu, nowoczesne, diodowe źródła światła. W artykule przedstawiono historię rozwoju diod, ich budowę i zasadę działania. Ukazano również wady i zalety stosowania tych źródeł światła. Przeprowadzono analizę kilku parametrów charakterystycznych diod LED oraz wskazano na możliwości ich zastosowania w oświetleniu i iluminacji w aspekcie oszczędności energii. 2. Rys historyczny Podstawą działania diod LED jest zjawisko elektroluminescencji. Po raz pierwszy zostało ono zaobserwowane w 1907 roku przez H. J. Round a. Zaobserwował on wtedy emisję światła widzialnego z kryształu węglika krzemu (SiC). Kolejne badania związków półprzewodnikowych, pod koniec lat trzydziestych XX wieku, pozwoliły na zaobserwowanie zjawiska elektroluminescencji w siarczku cynku (ZnS). Głównym celem naukowców było znalezienie związków półprzewodnikowych, które posiadałyby odpowiednie parametry elektryczne oraz optyczne i pozwoliły na wykonanie diod LED. Historycznie pierwsze diody LED wytworzono na bazie arsenku galu (GaAs) w 1962 roku. Początkowo emitowały one światło monochromatyczne, najpierw podczerwone, potem czerwone, zielone, niebieskie a na końcu białe. W 1970 r. powstały stosowane do dzisiaj diody wskaźnikowe o mocy 100 mw i średnicy 5 mm. Kolejnym etapem w rozwoju diod LED było wyprodukowanie w 1994 r. przez firmę Lumileds diody o mocy 0,4 W, które to zapoczątkowały całą serię diod o mocach od 0,8 do 6 W diod dużej mocy. Obecnie technika świetlna dysponuje półprzewodnikowymi źródłami światła o wysokiej wydajności, emitującymi światło w trzech podstawowych barwach: czerwonej, zielonej i
niebieskiej, a w wyniku połączenia tych trzech barw możliwe staje się otrzymanie światła białego, co umożliwia ich szersze zastosowanie. 3. Budowa i zasada działania Diody LED (Light Emitting Diode) są strukturami półprzewodnikowymi. W skład ich budowy wchodzi warstwa półprzewodnika typu n, obszar aktywny zwany złączem p-n, warstwa półprzewodnika typu p oraz para metalowych kontaktów - elektrody dodatniej (do materiału typu p) i elektrody ujemnej (do materiału typu n). Podstawą działania półprzewodnikowych diod emitujących światło, jak wspomniano wcześniej jest elektroluminescencja. Dlatego diody te nazywane są diodami elektroluminescencyjnymi (luminescencyjnymi). Cechą charakterystyczną materiału p jest posiadanie nadmiaru dziur w paśmie walencyjnym, z kolei materiał n posiada w tym paśmie nadmiar elektronów. W momencie spolaryzowania diody w kierunku przewodzenia, następuje przenikanie elektronów i dziur do warstwy aktywnej o niższym poziomie energetycznym. W złączu p-n, które jest połączeniem dwóch warstw materiałów półprzewodnikowych typu p i n, wzbudzone elektrony rekombinują z dziurami i pozbywają się nadmiaru energii, która zostaje wypromieniowywana w postaci kwantu światła (emisja fotonu). Na rys. 1 przedstawiono ogólny schemat budowy półprzewodnikowej diody świecącej. Rys. 1. Ogólny schemat budowy półprzewodnikowej diody świecącej. Polaryzacja kontaktów odpowiada przepływowi prądu elektrycznego w kierunku przewodzenia, co jest warunkiem uzyskania rekombinacji promienistej [11] Wartość energii emitowanego fotonu jest w przybliżeniu równa wartości przerwy między stanami energetycznymi, charakterystycznej dla danego materiału półprzewodnikowego. W zależności od użytego materiału do wykonania diody możliwym jest uzyskanie praktycznie dowolnej barwy światła (żółtą, czerwoną, zieloną, niebieską, pomarańczową a także białą) co przedstawiono na rys. 2. Uzyskuje się to poprzez odpowiednie domieszkowanie, tworzenie zestawów diod o wybranych barwach światła oraz ewentualne sterowanie ich strumieniem świetlnym. Przykładowe materiały półprzewodnika i odpowiadającą im dominującą długość fali przedstawiono poniżej: GaAs (arsenek galu) emituje w paśmie podczerwieni i czerwieni (650-950 nm), GaAsP (arsenofosforek galu) emituje w zakresie 590-630nm,
GaN (azotek galu) świeci na niebiesko (430 nm), InGaN/YAG (azotek indowo-galowy) daje światło białe (380-760 nm). Rys.2. Technologia umożliwia wykonanie emiterów LED świecących światłem o długości fali od podczerwieni do głębokiego ultrafioletu. Najczęściej wytwarza się jednak diody: czerwone (630nm), pomarańczowo czerwone (610nm), bursztynowe (590nm),zielone (525nm), turkusowe (505nm), niebieskie(470nm), granatowe (455nm) oraz białe (2700K-10000K) [11] 4. Sposoby wytwarzania białego światła w diodach LED Diody LED emitują światło jednobarwne, które zależne jest od zastosowanych do ich produkcji związków chemicznych. Nie jest więc możliwe bezpośrednie uzyskanie światła białego z pojedynczego złącza półprzewodnikowego p-n, tak aby omawiane diody mogły być wykorzystywane jako źródła światła do ogólnych celów oświetleniowych. Pomimo wszystko wytwarza się białe diody LED, które uznawane są za przyszłość w technice świetlnej. Istnieją trzy sposoby, które wykorzystywane są do wytworzenia światła białego przez diody świecące. Jedną z nich jest mieszanie w odpowiednich proporcjach trzech podstawowych barw światła czerwonej, zielonej i niebieskiej (tzw. RGB ang. Reed, Green, Blue) (rys.3). W metodzie tej najczęściej umieszcza się w jednej obudowie 3 chipy LED tworzące diodę RGB. Jest to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż nie występują tu straty w luminoforze, które związane są z konwersją światła. Rozwiązanie to daje duże możliwości w zakresie elastycznego sterowania temperaturą światła białego i współczynnikiem oddawania barw. Wadą tej metody jest wysoki koszt oraz skomplikowana konstrukcja układu zasilająco sterującego, ponieważ każda z diod wymaga osobnego układu zasilającego, ustalającego odpowiedni punkt pracy.
Rys.3. Uzyskiwanie światła białego poprzez mieszkanie trzech podstawowych barw w proporcjach 1:4,59:0,06 [5] Innym rozwiązaniem jest konwersja długości fali z wykorzystaniem luminoforu, którym pokrywa się diodę promieniującą w paśmie nadfioletu. Luminofor pokrywający chip diody składa się z trzech warstw, z których każda realizuje konwersję światła UV na jedną z trzech barw podstawowych. Dalej następuje wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor biały, co przedstawiono na rys. 4. Metoda ta jest prostsza niż mieszkanie trzech barw z trzech różnych diod ale jednocześnie mniej wydajna. Jest ona mało efektywna energetycznie ze względu na straty światła w luminoforze. Dodatkowo nie daje możliwości dokładnego kontrolowania temperatury barwowej wskaźnika oraz oddawania barw produkowanych diod. Rys.4.Uzyskiwanie światła białego poprzez konwersję promieni UV w luminoforze RGB [11] Trzecia metoda hybrydowa jest połączeniem dwóch pierwszych. Zastosowano wzbudzenie żółtego luminoforu przy pomocą światła diody niebieskiej (470nm). Światło niebieskie jest częściowo przepuszczane, a częściowo pochłaniane poprzez luminofor, który z kolei konwertuje je w światło o barwie żółtej. Następnie dokonuje się mieszania barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje barwę białą. Na rys. 5 przedstawiono uzyskiwanie światła białego przez częściową konwersję promieni niebieskich w luminoforze żółtym.
Metoda ta posiada zarówno zalety jak i wady. Uzyskana w ten sposób dioda charakteryzuje się prostotą wykonania i prostym obwodem zasilania, posiada zwiększoną wydajność energetyczną oraz nie promieniuje w paśmie UV. Wadą jest jednak problem ze stałością parametrów luminoforu w czasie oraz współczynnik oddawania barw na poziomie 70-90. Rys. 5. Przedstawiono uzyskiwanie światła białego przez częściową konwersję promieni niebieskich w luminoforze żółtym [11] 5. Zasilanie i sterowanie Diody LED dzieli się na dwie podstawowe grupy: typowe diody LED o małej mocy (50 150 mw) i średnicy 5 mm oraz diody LED dużej mocy (1 5 W) nazywane potoczenie Power LED. Diody świecące LED zasilane są napięciem stałym o wartości zaledwie kilku woltów. Wartość napięcia zasilającego dla pracy znamionowej jest zależna od energii emitowanych fotonów, im jest ona większa tym wymagane jest większe napięcie, co przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Zależność napięcia przewodzenia diod LED przy nominalnym prądzie przewodzenia od szerokości przerwy energetycznej E g dla diod LED emitujących od podczerwieni po ultrafiolet [11]
Do podstawowych parametrów diod LED zaliczyć można prąd i napięcie przewodzenia. Obie wielkości są ze sobą ściśle powiązane i zależą od temperatury złącza p-n. Znamionowy prąd przewodzenia dla większości diod małej mocy wynosi 20 ma, natomiast znamionowe napięcie przewodzenia mieści się w przedziale od 1,4 do 3,5 V. Podczas konstruowania zasilacza warto poświęcić uwagę zależności napięcia przewodzenia od temperatury otoczenia. Wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się wartość napięcia, przy którym dioda przewodzi. Układ zasilający powinien stanowić stabilne termiczne źródło prądowe. Niewielkie zmiany napięcia zasilającego prowadzą do dużych zmian prądu płynącego przez diodę LED. Wymagana jest możliwie stała, bezpieczna wartość prądu diody, aby nie spowodować jej przegrzania, obniżenia poziomu jasności a w konsekwencji skrócenia czasu życia lampy. Stosowane są różne źródła prądowe, do najprostszych z nich zaliczyć można te z włączonym w szereg z diodą rezystorem. Zastosowane napięcie zasilające powinno być większe niż nominalne napięcie zasilające diodę LED. W takim przypadku na rezystorze odkłada się napięcie, które jest różnicą pomiędzy napięciem zasilającym i napięciem przewodzenia diody. Poprzez dobranie odpowiedniej rezystancji rezystora zostaje ustalony prąd płynący przez układ. Rezystor dodatkowo pełni rolę kompensacji strumienia świetlnego przy zmianach temperatury otoczenia. Pojedyncze elementy diody LED zazwyczaj łączy się w większe struktury, nazywane modułami LED, gdyż pojedyncze diody są zwykle niewystarczające. Poszczególne diody są łączone ze sobą szeregowo, a kolejne gałęzie równolegle. Nie powinno łączyć się równolegle pojedynczych diod, pomimo tego samego typu, gdyż poszczególne egzemplarze różnią się między sobą. W przypadku modułów diod LED stosuje się trzy podstawowe sposoby stabilizacji prądu za pomocą rezystorów: ekonomiczny, podstawowy oraz bezpieczny, co przedstawiono na rys.7. Rys. 7. Podstawowe sposoby stabilizacji prądu za pomocą rezystorów: a) ekonomiczny, b) podstawowy, c) bezpieczny [11] W technice świetlnej końcowym użytkownikom oferowane są oprawy i źródła światła zawierające diody LED, które najczęściej posiadają wbudowane układy zasilające.
Prawidłowe zasilanie jest gwarantem wysokiej trwałości diod LED, a błędy wynikające ze złego zasilania są podstawową przyczyną ich uszkodzeń. Dodatkową możliwością w przypadku diod LED jest stosunkowo proste i elastyczne regulowanie jasności. Realizowane dotychczas z klasycznymi źródłami funkcje ściemniania i rozjaśniania światła są drogie, trudne w realizacji i mało efektywne. Jasnością diod LED można sterować na kilka sposobów, na przykład poprzez regulację prądu diody czy regulację wysokości piku przy zasilaniu impulsowym. Tak więc problem ściemniania, rozjaśniania czy nawet zmiany koloru światła lampy LED nie stanowi większego problemu. 6. Zalety i wady diod LED Diody oświetleniowe LED są czwartą generacją sztucznych źródeł światła. Stale prowadzone prace związane z ich rozwojem pozwalają przypuszczać, że w niedalekiej przyszłości wyprą większość z używanych dotychczas źródeł światła. Pod względem technicznym omawiane diody posiadają szereg zalet. Zaliczyć do nich można: bardzo duża trwałość, obejmująca zakres od 50 tys. do 100 tys. godzin świecenia (białe diody LED posiadają jedną z najkrótszych trwałości, wynoszącą ok. 30 tys. godzin, jest ona jednak dwukrotnie większa w porównaniu z najdłużej świecącymi świetlówkami), istnieje możliwość zastosowania ich do oświetlenia budynków zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz, posiadają szeroki zakres temperatury pracy od 40 do +85 C, posiadają stosunkowo dużą skuteczność świetlną, brak szkodliwej dla środowiska rtęci (która stosowana jest w wyładowczych źródłach światła), niskie napięcie zasilania jak i zastosowanie II klasy izolacji zwiększa bezpieczeństwo (obniżenie ryzyka porażenia prądem elektrycznym lub powstania pożaru), charakteryzują je małe wymiary i waga, ułatwiające projektowanie opraw, solidna i zwarta budowa struktury półprzewodnikowej (brak wrażliwych na wstrząsy żarników lub elementów szklanych) co eliminuje uszkodzenia diod podczas transportu a także kompletacji systemu oświetleniowego a później jego montażu, charakteryzuje je mała awaryjność, którą gwarantuje wysoka odporność na wstrząsy, uderzenia i wibracje, możliwość natychmiastowego zaświecenia pełnym blaskiem po zaniku napięcia i jego powtórnym załączeniu, światło pozbawione promieniowania IR i UV (podczerwonego i nadfioletowego), niższy pobór energii potrzebny do wytworzenia tej samej ilości promieniowania świetlnego niż w przypadku innych źródeł światła (żarówek, świetlówek, lamp wyładowczych i neonów), ograniczony zakres czynności obsługowych, które związane są z utrzymaniem prawidłowego stanu technicznego i użytkowego instalacji oświetleniowych z diodami, co związane jest z ich dużą trwałością, niskim napięciem zasilania oraz małym zużyciem energii), niskie koszty eksploatacji. Warto podkreślić też, że diody po długim okresie eksploatacji nie przestają świecić nagle. Wraz z upływem czasu maleje ich strumień świetlny. Na rys.8 pokazano charakterystyki spadku strumienia świetlnego w czasie w zależności od wartości prądu
sterującego [4]. Z podanych zależności wynika, że im większy jest prąd sterujący tym większy spadek intensywności świecenia diod w czasie. Ponadto można zauważyć, że strumień świetlny tych źródeł zmienia się w czasie stopniowo i nie ma charakteru skokowego. Możliwe jest jednak utrzymanie stałego poziomu natężenia światła poprzez odpowiednie sterowanie układem zasilania. Rys. 8. Zmiany strumienia świetlnego diod w czasie, dla czterech różnych prądów sterujących: (1) pomarańczowy 20mA, (2) granatowy 50mA, (3) fioletowy 80mA, (4) żółty 100mA [8] Pomimo przedstawienia dużej liczby zalet charakteryzujących diody LED nie są to jednak elementy idealne. Rozsył światła diody zależny jest od budowy matrycy diodowej emitera. Plastikowa obudowa jest przyczyną pogorszenia niektórych właściwości diod. Może ona negatywnie wpływać na warunki termiczne pracy złącza p-n, a tym samym na stabilność parametrów diody. Diody LED stanowią tzw. skupione źródło światła, w którym wraz ze wzrostem skuteczności świetlnej rośnie jego luminancja. Oznacza to, iż stosowanie diod oświetleniowych zwłaszcza we wnętrzach budynków może być przyczyną powstawania olśnienia i pogarszania warunków widzenia. Wadą diod dużej mocy jest występowanie przy ich pracy dużych strat mocy. Skutkiem tego jest wydzielanie większej ilości ciepła i w konsekwencji konieczność zastosowania chłodzenia elementów przy pomocy radiatorów. Rozwiązanie problemu przegrzewania można uzyskać również stosując odpowiedni układ zasilania. Stosowany zasilacz nie powinien dopuszczać do dużych zmian temperatury na złączu półprzewodnika, poprzez zapewnienie stabilizacji prądu diody. Brak odpowiedniego odprowadzania ciepła może prowadzić do skrócenia żywotności diody i odchyłki w barwie emitowanego światła. 7. Parametry diod LED Skuteczność świetlna Podstawowym parametrem eksponowanym w reklamach diod LED jest ich energooszczędność. O energooszczędności źródeł światła mówi ich skuteczność świetlna,
która wyrażana jest w lumenach na wat [lm/w]. Parametr ten określa jaki strumień świetlny [lm] wytwarza źródło światła z dostarczonej jednostki mocy [W]. Diody osiągają tę skuteczność na poziomie ok. 20 lm/w, a w przypadku niektórych typów dochodzi do 30 lm/w. Dla porównania skuteczność świetlna żarówek głównego szeregu wynosi do 18 lm/w, niskonapięciowych żarówek halogenowych do 25 lm/w, a nowoczesnych świetlówek do 105 lm/w. W tabeli 1 przedstawiono prognozę rozwoju technologii diod LED. Prognozuje się, że w przyszłości wielkość emitowanego strumienia świetlnego wyniesie 1500 lm przy sprawności 150-200 lm/w. Tabela. 1. Prognoza rozwoju technologii diod LED według raportu OIDA 2002 [11] Trwałość diod LED Jedną z cech diod LED, wyróżniającą je spośród pozostałych źródeł światła jest ich bardzo duża trwałość dochodząca nawet do 100 tys. godzin. Strumień świetlny diod maleje w czasie i w normalnych warunkach pracy dioda nie ulega nagłemu przepaleniu. Dlatego też w odniesieniu do trwałości omawianych diod należy korzystać z definicji połowicznego czasu życia lub użytecznego czasu życia. Zazwyczaj trwałość użyteczną wyznacza się przy spadku strumienia świetlnego do 70% wartości początkowej. Natomiast w przypadku wykorzystania diod do celów przemysłowych przyjmuje się określenie trwałości diod jako liczby godzin, w czasie których nastąpi spadek o 50% początkowej intensywności świecenia. Jako czynniki, które mają wpływ na trwałość diod zaliczyć można: prąd sterujący diody, temperaturę otoczenia złącza półprzewodnikowego, jak również wilgotność środowiska, w jakim złącze pracuje. Ponadto podczas rozpatrywania trwałości należy wziąć pod uwagę trwałość aparatury zasilającej a także osprzętu dodatkowego wchodzącego w skład systemu oświetleniowego, który może mieć wpływ na skrócenie czasu użytkowania. Długi czas życia lamp LED pozwala na zmniejszenie kosztów, które związane są z serwisowaniem systemów oświetleniowych oraz na zwiększenie bezpieczeństwa tam, gdzie od sygnałów świetlnych zależy życie i zdrowie ludzi. Diody chętnie stosowane są również do wykonywania reklam świetlnych, podświetlania liter, jak również przy oświetleniach informacyjnych na co duży wpływ ma ich stopniowy i rozłożony w czasie spadek intensywności świecenia. Małe wymiary Cechą charakterystyczną i dużą zaletą diod LED są ich niewielkie rozmiary. Wyróżnić można elementy, od tych które ciężko jest zauważyć gołym okiem (diody typu SMD, stosowane w telefonach komórkowych), po największe z nich (diody na radiatorach) dochodzące do średnicy kilku centymetrów. Ich właściwość pozwala projektantom opraw oświetleniowych na dowolność i elastyczność podczas projektowania opraw. Tak zaprojektowane lampy są lżejsze, mniejsze, jak i prostsze w budowie.
8. Zastosowanie Diody LED dzięki swoim właściwościom znajdują coraz to szersze zastosowanie w wielu instalacjach oświetleniowych. Jeszcze kilka lat temu były stosowane jedynie jako wskaźniki świetlne w miernikach laboratoryjnych, wyłącznikach podświetlanych, przyciskach sterujących, sprzęcie komputerowym, urządzeniach audio/wideo, telefonach komórkowych, aparatach fotograficznych, a także w elementach sygnalizacyjnych i informacyjnych. Postępująca technologia i prace nad diodami pozwalają na coraz to nowsze ich zastosowania. Znaczący producenci branży oświetleniowej (tj. GELCORE, OSRAM Opto Semiconductors, PAULMANN, VOSSLOH&SCHWABE, NICHIA, PHILIPS) podają coraz więcej przykładów udanych rozwiązań z zastosowaniem diod świecących. Zastosowanie w motoryzacji Jednym z miejsc, w którym coraz częściej pojawiają się diody LED jest oświetlenie zewnętrzne pojazdów. Występuje ono w lampach świateł hamowania, pozycyjnych oraz kierunkowskazach. Istnieje wiele argumentów, które przemawiają za stosowaniem diod w przemyśle motoryzacyjnym. Wymienić można: mniejszy pobór mocy, dłuższą żywotność, większą odporność na wstrząsy, jak i krótszy czas zaświecenia, co w konsekwencji skraca relatywną drogę hamowania. Niewielkie rozmiary diod pozwalają na większą dowolność w projektowaniu opraw lamp pojazdów. Stosowanie tych źródeł światła pozwala dodatkowo na zmniejszenie lub całkowite wyeliminowanie reflektora, co pozwala na uzyskanie większej przestrzeni wewnątrz pojazdu. Zastosowanie LED w oświetleniu zewnętrznym Obecnie w oświetleniu zewnętrznym diody LED najczęściej używane są do oświetlenia akcentowego oraz dekoracyjnego. Jednak coraz częściej znajdują zastosowania również w oświetleniu użytkowym. Nie wymagają one stosowania żadnych dodatkowych filtrów barwnych, uzyskanie odpowiedniej barwy światła dekoracyjnego uzyskuje się poprzez zastosowanie odpowiedniej diody. Dodatkowo kąt rozsyłu światłości diody wynosi od kilku do około 130, co ułatwia skierowanie strumienia świetlanego w wymaganym kierunku. Dodatkowym atutem jest możliwość skutecznego działania LED w bardzo trudnych warunkach pogodowych, nawet we mgle czy podczas opadów deszczu i śniegu, gdy inne źródła światła często zawodzą. Zewnętrzne oprawy z półprzewodnikowymi źródłami światła instalowane są w podłożu, na słupkach lub niskich masztach. Z produkowanych opraw do zastosowań zewnętrznych można wymienić akcentujące lub dekoracyjne oprawy ogrodowe, które posiadają wysoki stopień szczelności oraz oprawy wyznaczające światłem i barwą drogi i kierunki ruchu, które instalowane są w podłożu. Oprawy LED znajdują swoje zastosowanie również jako instalacje oświetleniowe chodników i dróg spacerowych, parkingów, torowisk tramwajowych, tuneli drogowych i mostów, co przedstawiono na Fot.1.
Fot. 1. Oświetlenie LED mostu Króla Jerzego V w Glasgow Wysoka trwałości, możliwości pracy w niskich temperaturach jak i minimalny pobór mocy ograniczona do minimum niezbędną konserwację, jak również koszty eksploatacji. Innym przykładem oświetlenia wykorzystującego diody LED jest zewnętrzne oświetlenie słupowe. Oświetlenie tego typu (umieszczone na słupie o wysokości ok. 3 m) można wykorzystać do oświetlenia alejek w parkach, reprezentacyjnych miejsc w miastach jak i oświetlenia użytkowego ulic i dróg. Na Fot.2. zaprezentowano oświetlenie uliczne, które znalazło swoje zastosowanie w Rzeszowie. W tym przypadku cała lampa uliczna została tak zaprojektowana aby ograniczyć oświetlenie pobocza do niezbędnego minimum. Rozwiązanie to umożliwia emisje światła tylko tam, gdzie jest potrzebne, a cała oprawa spełniała wymagania dotyczące oświetlenia energooszczędnego. Fot. 2. Oświetlenie uliczne z zastosowaniem LED Zastosowanie LED do iluminacji obiektów architektonicznych Wysoka trwałość, mały pobór mocy, możliwości skutecznej pracy w niskich temperaturach i łatwe sterowanie zadecydowały o tym, że diody LED są szczególnie
przydatne do budowy systemów zewnętrznej iluminacji wszelkich obiektów architektury. Te podstawowe cechy sprawiają, że diody świecące są szeroko stosowane do oświetlenia iluminacyjnego obiektów zarówno zabytkowych, jak i nowoczesnych budynków. Omawiane systemy LED pozwalają na iluminację obiektów światłem w wybranych kolorach, bez konieczności stosowania barwnych filtrów, które nakładane są na standardowe oprawy, dlatego też cały wysyłany przez nie strumień światła jest wykorzystywany do celów iluminacji. Oświetlane obiekty, dzięki dużemu nasyceniu barw światła kolorowego nabierają nowej jakości i nowego wyglądu. Wykorzystanie kolorów wzbogaca wizerunek iluminowanego obiektu oraz wyróżnia go z otoczenia, w którym on się znajduje. Fot. 3. przedstawia przykładową iluminację budynku przy pomocy LED. Iluminacja budynków lampami LED pozwala na uzyskanie efektów świetlnych, które dotychczas przy użyciu klasycznych lamp były zbyt kosztowne. Przykładem zastosowania tych źródeł światła może być Pałac Buckingham w Londynie, gdzie zastosowano 59 opraw typu LED. Koszt instalacji wyniosło około 37 tys. funtów, lecz godzina pracy takiego systemu kosztuje niecałe pół euro. Fot.3. Iluminacja budynków lampami LED pozwala na uzyskanie efektów świetlnych, które dotychczas przy użyciu klasycznych lamp były zbyt kosztowne Zastosowanie LED do oświetlenia wnętrz Pomimo szerokiego użytkowania diod LED ich zastosowanie w oświetleniu wnętrz nie jest jeszcze dość powszechne. Produkcja diod światła białego pozwoliła na wykorzystanie ich do ogólnych celów oświetleniowych. Zastosowanie diod świecących do profesjonalnego oświetlenia wnętrz jest bowiem możliwe za pomocą dostępnych obecnie rozwiązań. Należy oczekiwać, że udział opraw LED w oświetleniu pomieszczeń będzie rósł szybko ze względu na konieczność wycofania tradycyjnych żarowych źródeł światła. Obecnie w ofercie rynkowej nie brakuje opraw wytyczających drogi komunikacyjne, korytarze, schody i wyjścia ewakuacyjne. Oprawy te montowane są w podłodze lub dość nisko w ścianach. Kolorowe diody LED stosowane są do wytworzenia we wnętrzach dynamicznych efektów barwnych. Znalazły szerokie zastosowanie jako elementy dekoracyjne i akcentujące w pomieszczeniach wystawowych, sklepowych, reprezentacyjnych, muzeach i galeriach. Brak promieniowania w zakresie UV i IR pozwala na bezpieczne stosowanie ich do podświetlania obiektów muzealnych bez narażania ich na niszczące działanie światła.
Omawiane systemy LED pozwalają na iluminację przedmiotów światłem w wybranych kolorach, bez konieczności stosowania barwnych filtrów, które nakładane są na standardowe oprawy, dlatego też cały wysyłany przez nie strumień światła jest wykorzystywany do celów iluminacji. Oświetlane przedmioty, dzięki dużemu nasyceniu barw światła kolorowego nabierają nowej jakości i nowego wyglądu. Wykorzystanie kolorów wzbogaca wizerunek iluminowanego przedmiotu. W katalogach firm pojawiają się już także pierwsze, w pełni funkcjonalne oprawy LED do oświetlenia miejscowego i ogólnego. Wyróżnić można żarówki diodowe. Posiadają one wiele zalet. Ich wydajność zbliżona jest do świetlówek. W dodatku nie zawierają rtęci i mogą pracować 20 tys. godzin. Mają typowy gwint, typową przeźroczystą bańkę ale zamiast wolframowych włókien znajdują się w nich diody LED świecące w postaci żółtawych pasm. Po włączeniu emitują światło o temperaturze barwowej 2500 st. Kelvina, co w przybliżeniu odpowiada światłu zwykłej żarówki (ok. 2700 K). Dodatkowo są 9 razy oszczędniejsze. Na fot. 4, 5 i 6 przedstawiono przykładowe diodowe zamienniki żarówek, z kolei w tabeli 2 zestawiono analizę kosztów użytkowania żarówki reflektorowej (R50) i diodowego źródła światła (ACRICHE R50) w barwie białej zimnej. Fot. 4. Przykładowe zamiennik żarówki w wersji LED: a) o mocy 3 W, b) o mocy 3,5 W [5] Fot. 5. Energooszczędne źródła światła na diodach LED, doskonale imitujące tradycyjne żarówki
Fot. 6. Przykładowe zamienniki żarówki halogenowej w wersji LED: a) 1 W, 12V, b) 1W, 12V, c) 1,5 W, 230 V [5] Tabela 2. Analiza kosztów użytkowania żarówki reflektorowej i diodowego źródła światła [6] Wartości przedstawione w tabeli 2 przemawiają za celowością stosowania oświetlenia diodowego ze względu na aspekt ekonomiczny. Dodatkowo na fot. 7 ukazano możliwość jaką niesie ze sobą stosowanie oświetlenia diodowego, jaką jest dostosowywanie barwy światła w zależności do potrzeb.
Fot.7. Oświetlenie sali konferencyjnej diodami LED a) zimne światło sprzyjające koncentracji; b) ciepłe światło rozluźniające i stwarzające pogodny nastrój [11] 9. Podsumowanie Ciągły rozwój technologii LED pozwala na stwierdzenie, iż w niedalekiej przyszłości diody te staną się jednym z podstawowych źródeł światła wykorzystywanych w oświetleniu. Dodatkowo przemawia za tym fakt wprowadzenia przez Komisję Europejską rozporządzenia, które przewiduje stopniowe wycofywanie z użycia tradycyjnego źródła światła jakim jest żarówka. W porównaniu z standardowymi źródłami światła diody LED charakteryzują się większą skutecznością świetlną, co świadczy o tym, iż są bardziej ekonomiczne. Diody LED zdecydowanie wyróżniają się spośród pozostałych źródeł światła długością życia. W zależności od poziomu generowanego promieniowania mogą w praktyce świecić od 50 tys. do 100 tys. godzin. Diody LED są bardzo wytrzymałe mechanicznie na uderzenia, drgania, wstrząsy, wibracje oraz oddziaływanie otoczenia, takie jak wysokie i niskie temperatury. Jest to możliwe dzięki zwartej budowie, braku części szklanych i żarników. Umożliwia to zatem stosowane ich wszędzie tam, gdzie do tej pory instalacja oświetlenia była niemożliwa lub znacznie utrudniona. Małe zużycie energii przez diody LED zostało potwierdzone przez Stany Zjednoczone i Kanadę. Oszczędności energii uzyskane dzięki zastosowaniu omawianych źródeł światła są szacowane w tych państwach na miliardy kilowatogodzin. Eksperci unijni najbardziej zachwalają żarówki diodowe. Komisja Europejska szczuje, że po całkowitej rezygnacji z energochłonnych żarówek kraje Unii Europejskiej zaoszczędzą rocznie około 12,5 procent zużywanej obecnie energii. Po przeliczeniu na gospodarstwa domowe daje to oszczędności rzędu 25-50 euro w skali roku [12]. Literatura [1] Abramik S., Władziński W.: Nowoczesne systemy oświetleniowe z diodowymi źródłami światła. Gdańskie Dni Elektryki 2006r., str. 255-266.
[2] Hemka L.: Wpływ zmian parametrów zasilania oraz geometrii ustawienia źródeł światła LED na ich parametry świetlne i barwowe. Nowa Elektrotechnika, lipiec-sierpień 2009, nr 7-8, str. 38-40. [3] Konieczny G.: Diody LED w oświetleniu budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Elektrosystemy, styczeń 2007r., str. 70-73. [4] Krześniak T.: Oświeltenie LED-owe zyskuje na znaczeniu. Elektrosystemy, Technika świetlna, Październik 2008, str. 32-34. [5] Pawlak A.: Diody świecące jako źródła światła. Bezpieczeństwo pracy 12/2007, str. 24-27. [6] Pilśniak A.: ACRICHE R50 Kolejne ledowe źródło światła z ELGO. Elektroinstalator, Technika świetlna, 9/2009, str. 72-77. [7] Sadowski P.: Zasilanie diod LED. Elektroinstalator Nr 11, 2006.,str. 64-66. [8] Schnitzer K.: Diody świecące. Dodatek do mies. Elektroinstalator, Informator Światło, W-wa 2004r., str. 24-26. [9] Strzyżewski J.: Co zamiast żarówki? Elektroinstalator, 5/2009, str. 56-58. [10] Strzyżewski J.: Źródła światła (3). Elektroinstalator, 5/2009, str. 46-48. [11] Wilanowski A.: LED Know How. www.lighting.pl [12] Wojtala D.: Koniec ery Edisona. Pracodawca, wrzesień 2009r., str. 11. [13] Zaremba K.: Diody oświetleniowe LED. Biuletyn Oddziału Białostockiego SEP, Nr 23, listopad 2005r., str. 20-22.