BOGUTA Artur 1 Wpływ parametrów napięcia zasilającego na parametry świetlne półprzewodnikowych źródeł światła WSTĘP Już od kilkudziesięciu lat diody LED są używane różnych dziedzinach naszego życia. Są one stosowane jako sygnalizatory w urządzeniach przemysłowych, sprzęcie audio i video, w oświetleniu pojazdów samochodowych oraz w reklamach. Technika oświetleniowa związana z diodami LED bardzo dynamicznie rozwija się. Skuteczność świetlna diod LED przekracza 140lm/W co sprawia, że mają one największą sprawność ze wszystkich znanych elektrycznych źródeł światła. Zjawisko elektroluminescencji zostało odkryte ponad 100 lat temu przez Henrego Josepha Rounda w krysztale węglika krzemu w roku 1907. Światłość uzyskana z węglika krzemu była bardzo mała. Eksperymenty związane ze zjawiskiem elektroluminescencji były kontynuowane przez Bernarda Guddena i Roberta Wicharda Pohla. Były one prowadzone z wykorzystaniem siarczanu cynku zmieszanego z miedzią. Wyniki badań były nadal niezadowalające. Po raz pierwszy termin elektroluminescencja pojawił się w pracy George'a Destriau, który prowadził badania związane z emisja światła siarczku cynku pod wpływem przepływającego prądu. Pierwsze LEDy opracowano z półprzewodników arsenowo-galowych w latach 50 w zespole kierowanym przez H. Walkę. Pracowały one w temperaturze wrzenia ciekłego azotu. Pierwsze diody emitowały fale podczerwone ale szybko znalazły zastosowanie w czujnikach fotoelektrycznych. Diody emitujące widzialne pasmo fal elektromagnetycznych o barwie czerwonej opracował zespół Nicka Holonyaka pod koniec lat 60. Zastosowano w nich związek GaAsP i GaAs. Po zastosowaniu fosforku galu GaP uzyskano barwę pomarańczową. Dzięki wykorzystaniu GaP udało się wyprodukować diody o barwie zielonej. Zastosowanie związków cztero składnikowych GAAlAsP doprowadziło do powstania diod super jasnych świecących na czerwono, zielono i żółto. Na początku lat 90 naukowcy stworzyli jeszcze wydajniejsze diody oparte o węglik krzemu SiC, które pozwoliły uzyskać barwę niebieską. Po uzyskaniu barwy niebieskiej zaczęto stosować luminofor którym pokrywano strukturę półprzewodnikową diody LED. Luminofor wytwarzał barwę żółtą, która w połączeniu z niebieską pozwoliła uzyskać kolor biały. Obecnie diody o różnych kolorach uzyskuje się dzięki warstwie luminoforu. 1 LAMPY LED WYKORZYSTANE W BADANIACH Do badań wykorzystano różne rodzaje dostępnych na rynku lamp diodowych zasilanych z napięcia 230V AC. Wszystkie wykorzystywane w badaniach lampy posiadały gwint E27, który pozwalał je mocować w tych samych warunkach pomiarowych. Obecnie sprzedawane na rynku diody LED mają określone parametry świetlne i elektryczne podane przez producentów na opakowaniach. Producenci najczęściej podają moc (W), napięcie pracy (V), luminancję (lm) oraz temperaturę barwową w stopniach Kelwina lub za pomocą opisu: Warm white dioda generująca światło białe ciepłe (wg normy PN-12464-1 jest to temperatura barwowa poniżej 3300 K. Diody te emitują światło bardzo zbliżone temperaturą barwową do standardowych żarówek. Neutral white dioda generująca światło białe neutralne (wg normy PN-12464-1 jest to temperatura barwowa pomiędzy 3300 K a 5300K. 1 Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej 20-618 Lublin, ul Nadbystrzycka 38A, mail: a.boguta@pollub.pl 2139
Cool white dioda generująca światło białe zimne (wg normy PN-12464-1 jest to temperatura barwowa powyżej 5300 K. Często na opakowaniu podawany jest odpowiedniki mocy żarówki w stosunku do lampy LED oraz oszczędność energii w całym czasie jej eksploatacji. Temperaturę barwową każdy z nas dobiera według własnego uznania oraz ze względu na miejsce zainstalowania diody LED. Producenci w zasilaniu diod LED wykorzystują różne układy do stabilizacji prądu płynącego przez złącza pn zastosowanych diod. Najprostsze układy stabilizujące prąd diod LED składają się z układu RC. Układ taki ogranicza prąd płynący przez diody ale prąd ten bardzo zależy od napięcia zasilającego, natomiast cos wynosi około 0,5. Bardziej rozbudowane układy wykorzystują przetwornice impulsowe pozwalające na utrzymanie stałych parametrów świetlnych w szerokich granicach zmian napięcia zasilającego. Są to układy, które zapewniają dokładna kontrolę prądu płynącego przez diody oraz zapewniają długą ich żywotność. W przedstawionych badania wykorzystano lampy LED w których zastosowano różne układy stabilizacji prądu diod elektroluminescencyjnych. Praca tych układów znacznie wpływa na parametry świetlne i elektryczne poszczególnych lamp. 2 BADANIA Badania przeprowadzona w laboratorium Katedry Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej Politechniki Lubelskiej. W skład układu pomiarowego wchodzi komora pomiarowa oraz następujące mierniki: luxomierz LUTRON LX-103, watomierz LAVO 6, woltomierz - LE 1, miliamperomierz LE 3, pirometr PTSI 9A1. W czasie badań źródeł światła przeprowadzono pomiary temperatury obudowy w dwóch punktach: bańka szklana i trzonek. Przed pomiarem lampy LED zostały umieszczone w tej samej pozycji i zasilone napięciem znamionowym. Pomiarów temperatury dokonano po nagrzaniu się źródeł światła. Schemat układu pomiarowego do badań parametrów świetlnych i elektrycznych przedstawiono na rysunku 1. At * * W A l ~230 V V LED Sensor luxomierza Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do badania półprzewodnikowych źródeł światła. 2140
Badania zostały przeprowadzone od napięcia, dla którego uzyskano stabilne światło wytwarzane przez badane lampy LED. Wyniki badań dla poszczególnych źródeł światła przedstawiono w tabeli 1-9. Tab. 1. Lampa LED Lightech (20W) temperatura bańki 27,7 o C, temperatura trzonka 32,6 o C. 100 0,36 30 36 0,83 2794 93 120 0,18 21 21,6 0,97 2300 110 140 0,15 20,5 21 0,98 2254 110 160 0,13 20,3 20,8 0,98 2229 110 180 0,114 20,4 20,52 0,99 2218 109 200 0,104 20,5 20,8 0,99 2222 108 220 0,096 20,7 21,12 0,98 2201 105 240 0,09 21 21,6 0,97 2201 105 Badania przeprowadzone dla lampy LED Lightech wykazały, że w szerokim zakresie napięć zasilających pracuje ona ze stałą skutecznością świetlną oraz ze współczynnikiem cos zbliżonym do 1. Świadczy to o bardzo dobrych parametrach elektrycznych badanej lampy. Układ stabilizacji pracy diod LED jest bardzo dobry. Badana lampa nie wykazuje najlepszej skuteczności świetlnej. Temperatura zewnętrzna jej obudowy jest niska co oznacza że mimo dużej mocy charakteryzuje się ona znaczna sprawnością. Tab. 2. Lampa LED Livaro (10W) temperatura bańki 34,7 o C, temperatura trzonka 48,1 o C. 50 0,011 0,3 0,55 0,55 39 130 60 0,026 1 1,56 0,64 166 166 80 0,059 3,3 4,72 0,70 512 155 100 0,088 6,2 8,8 0,70 873 141 120 0,106 8,5 12,72 0,67 1113 131 140 0,118 10,2 16,52 0,62 1265 124 160 0,116 11 18,56 0,59 1325 120 180 0,104 11,1 18,72 0,59 1311 118 200 0,098 11,2 19,6 0,57 1307 117 220 0,092 11,5 20,24 0,57 1303 113 240 0,088 11,9 21,12 0,56 1300 109 Lampa LED Livaro (10W) pod względem parametrów świetlnych niewiele odbiega od poprzedniej. Zaczyna ona pracować przy bardzo niskim napięciu. Moc lampy zmienia się znacznie wraz ze wzrostem napięcia zasilającego. Współczynnik mocy jest bardzo niski i wynosi około 0,6. Parametry elektryczne świadczą o tym że układ stabilizacji prądu zasilającego diody jest nie najlepszej jakości natomiast skuteczność świetlna jest na prawidłowym poziomie. 2141
Tab. 3. Lampa LED Lexman (6,5W) temperatura bańki 31,2 o C, temperatura trzonka 42,3 o C. 140 0,072 6,0 10,08 0,60 321 54 160 0,064 6,3 10,24 0,62 329 52 180 0,058 6,5 10,44 0,62 329 51 200 0,054 6,7 10,8 0,62 329 49 220 0,050 7 11,00 0,64 329 47 240 0,048 7,3 11,52 0,63 329 45 Lampa Lexman 6,5W jest źródłem światła o niskich parametrach co wynika prawdopodobnie z zastosowania diod LED o małej skuteczności świetlnej. Jest ona zbliżona do tradycyjnej świetlówki. Współczynnik mocy ma niską wartość co świadczy o złej jakości układu zasilającego i może mieć negatywny wpływ na obciążenie sieci zasilającej przy zastosowaniu dużej ilości takich lamp. Tab. 4. Lampa LED Kanlux (14W) temperatura bańki 42,3 o C, temperatura trzonka 73,4 o C. 120 0,090 10,1 10,80 0,93 1519 152 140 0,088 11,9 12,32 0,97 1787 149 160 0,088 13,2 14,08 0,92 1999 154 180 0,090 14,1 16,20 0,86 2183 156 200 0,092 15,8 18,40 0,87 2310 144 220 0,090 17,0 19,80 0,86 2377 140 240 0,084 17,1 20,16 0,84 2370 139 Źródło światła LED Kanlux 14W jest najlepsze ze wszystkich badanych lamp. Charakteryzuje się ono współczynnikiem mocy a poziomie 0,9 oraz bardzo wysoką skutecznością świetlną około 140lm/W. Świadczy to o tym, że producent zastosował bardzo dobre diody LED. Temperatura obudowy lampy jest dość duża co może nieznacznie podgrzewać oprawy oświetleniowe. Tab. 5. Lampa LED IdealElectro (11W) 100 0,058 5,8 5,8 1 678 117 120 0,070 7,9 8,4 0,94 1042 132 140 0,076 10,2 10,64 0,96 1254 123 160 0,076 11,4 12,16 0,94 1360 119 180 0,078 12,1 14,04 0,86 1441 119 200 0,076 13,2 15,20 0,87 1491 113 220 0,072 13,1 15,84 0,83 1494 114 240 0,066 13,0 15,84 0,82 1484 114 temperatura bańki 32,2 o C, 2142
temperatura trzonka 51,7 o C. Tab. 6. Lampa LED IdealElectro (15W) 130 0,092 11,2 11,96 0,94 1300 116 140 0,092 12,1 12,88 0,94 1427 118 160 0,096 14,3 15,36 0,93 1636 114 180 0,100 16,2 18,00 0,90 1777 110 200 0,094 16,1 18,80 0,86 1787 111 220 0,086 16,1 18,92 0,85 1766 110 240 0,080 15,9 19,20 0,83 1752 110 temperatura bańki 37,1 o C, temperatura trzonka 65,3 o C. Obie lampy IdealElectro pracują podobnie. Charakteryzują się dobrą skutecznością świetlną oraz dobrym współczynnikiem mocy cos na poziomie 0,9. Podobne parametry świetlne wynikają z zastosowania takich samych komponentów do ich budowy. Tab. 7. Żarówka (75W) 80 0,192 15 15,36 0,98 7 0,5 100 0,215 21,9 21,50 1 28 1,3 120 0,235 28,3 28,2 1 71 2,5 140 0,256 35,8 35,84 1 141 3,9 160 0,276 44,8 44,16 1 268 6,0 180 0,295 54,0 53,10 1 424 7,9 200 0,311 63,0 62,20 1 629 10,0 220 0,330 73,4 72,60 1 904 12,3 240 0,344 82,0 82,56 0,99 1272 15,5 temperatura bańki 219 o C, temperatura trzonka 83,1 o C. Tab. 8. Świetlówka Osram Dulux (18W) 60 0,110 4,9 6,60 0,74 155 32 80 0,124 6,7 9,92 0,68 360 54 100 0,134 8,7 13,40 0,65 551 63 120 0,139 10,6 16,68 0,64 728 69 140 0,142 12,2 19,88 0,61 883 72 160 0,142 13,6 22,72 0,60 1024 75 180 0,140 14,8 25,20 0,59 1145 77 200 0,136 15,8 27,20 0,58 1251 79 220 0,134 17,5 29,48 0,58 1371 78 240 0,136 19,4 32,64 0,59 1462 75 2143
temperatura bańki 88,9 o C, temperatura trzonka 32,9 o C. Świetlówka Osram Dulux 18W charakteryzuje się dobrymi parametrami świetlnymi. Jej największą wadą jest niski współczynnik mocy, i wysoka temperatura elementów świecących. WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwalają stwierdzić że nowoczesne źródła światła w postaci diod LED znacznie przewyższają parametrami tradycyjne lampy żarowe i bardzo rozpowszechnione świetlówki kompaktowe. Lampy wykorzystujące diody LED charakteryzują się prawie dwukrotnie większą skutecznością świetlną do świetlówek. Wszystkie badane lampy LED charakteryzują się bardzo niska temperaturą pracy w porównaniu do świetlówek kompaktowych a w szczególności do żarówek. Diody LED dobrych producentów oprócz doskonałych parametrów świetlnych posiadają dobre parametry elektryczne a w szczególności współczynnik mocy cos bliski 1. Nadal sporym mankamentem jest duża cena źródeł światła zbudowanych w oparciu o diody LED, choć w ostatnim czasie można zaobserwować tendencję spadkową. Streszczenie Technika świetlna związana z diodami LED coraz mocniej wkracza w nasze życie. Jest ona coraz bardziej doskonalsza, a jej postęp w ostatnich latach jest bardzo intensywny. Niedawno jasność diod LED była na tyle niska, że wykorzystywano je wyłącznie do sygnalizacji pracy urządzeń oraz do delikatnego oświetlenia nastrojowego. Dziś stosuje się je jako, oświetlenie domu, biura, ulicy. Diody LED w przyszłości wyprą tradycyjną technikę oświetleniową a w szczególności żarówki i świetlówki. Źródła światła oparte od diody LED są dziś powszechnie stosowane w technice oświetlenia estradowego, telewizyjnego i dekoracyjnego podświetlenia budynków zabytkowych. Tak powszechne stosowanie tych źródeł światła wynika z parametrów świetlnych a w szczególności z ich sprawności i żywotności. Postęp technologiczny jaki dokonał się w produkcji półprzewodnikowych źródeł światła, spowodował że stały się one najbardziej ekonomicznymi źródłami światła. Coraz większe moce modułów LED pozwoliły na ich zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym. Ekonomiczność zastosowania tych źródeł światła związana jest z ich żywotnością. Na żywotność tych źródeł światła największy wpływ ma napięcie zasilające oraz temperatura pracy diody LED. W pracy przeprowadzono analizę kilku parametrów charakterystycznych dla diod LED. Badania zostały przeprowadzone dla tradycyjnych źródeł światła oraz lamp LED w obudowie z gwintem E27. Zmierzono wpływ napięcia zasilania na takie parametry jak: prąd zasilania, strumień świetlny, skuteczność świetlną, temperatura obudowy oraz współczynnik mocy cos Effect of supply voltage on the lighting parameters of semiconductor light sources Abstract Lighting technology associated with LEDs increasingly enters our lives. It is becoming increasingly more perfect, and its progress in recent years is very intense. Recently, the brightness of the LEDs was so low that they were used exclusively for signaling equipment operation and soft mood lighting. Today, they are used as lighting your home, office, street. The LEDs in the future will supplant traditional lighting technology and in particular light bulbs and fluorescent lamps. Light sources based on LEDs are now widely used in the art stage lighting, television and decorative illumination of historic buildings. So the widespread use of these light sources due to the lighting parameters and in particular of their efficiency and service life. Technological progress has been made in the manufacture of semiconductor light sources, caused that they have become the most economical light sources. The increasing power LED modules allowed for their use in the automotive industry. Economical use of these light sources is associated with their life. At the service life of these light sources has the greatest impact supply voltage and operating temperature of the LED. 2144
The paper analyzes several parameters characteristic of the LEDs. Tests were carried out for traditional light sources and LED lamps in the housing E27. Measured the impact of supply voltage on parameters such as drive current, luminous flux, luminous efficacy, the temperature of the enclosure and power factor cos. BIBLIOGRAFIA 1. Praca zbiorowa Polskiego Komitetu Oświetleniowego Związku Producentów Sprzętu Oświetleniowego Pol-Lighting LEDY, Moduły LED. Odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania wyd. I, Maj 2011 2. Opracowanie zbiorowe pod redakcją Pietrzyk W., Laboratorium z elektrotechniki. Politechnika Lubelska, Wydawnictwa Uczelniane 2003. 3. Wiśniewski E., Elektryczne źródła światła, Oficyna Wydawnicza Politechniki Lubelskiej, W-wa 2010 2145