Ponieważ koszt energii zużywanej przez żarówki oraz robocizny związanej z ich wymianą jest znaczny, od kilku lat można zaobserwować narastające zainteresowanie wydajnymi diodami elektroluminescencyjnymi (LED) o dużej żywotności, które stosuje się w fabrykach, instytucjach oraz zastosowaniach komercyjnych (szacuje się, że około jednej trzeciej produkowanej na świecie energii elektrycznej zużywa się na oświetlenie). Celem producentów diod LED jest skonstruowanie białej diody LED o bardzo dużej jasności, która będzie ekonomiczna i na tyle wydajna, że będzie ją można stosować do oświetlania. Aby dioda LED zyskała sobie ogólną aprobatę jako pełnowartościowe źródło światła powszechnego stosowania, musi być ekonomiczna oraz niezawodnie dostarczać białe światło o jakości odpowiadającej dzisiejszym, ogólnie przyjętym standardom.
Teoria działania
|
|
|
Latarki z diodami LED dają coraz jaśniejsze światło (zdjęcie dzięki LEDtronics) |
Dioda LED to półprzewodnikowe złącze p-n, które emituje fotony podczas polaryzacji dodatniej. Zjawisko elektroluminescencji w diodzie półprzewodnikowej polega na emisji światła pod wpływem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w paśmie energetycznym diody. Długość fali emitowanego światła – która określa jego barwę – jest różna, w zależności od zastosowanego materiału półprzewodnikowego.
Diody LED są produkowane w postaci płytek, podobnie jak układy scalone, po czym wycina się z nich kostki. Najprostsza dioda LED to lampki wskaźnikowe. Diody LED mają zazwyczaj średnio ponad 100 000 godzin żywotności.
Dzisiejsze superjasne diody LED mają lepszą wydajność świetlną od żarówek i lamp halogenowych. Nie wymagają one tak częstej obsługi jak żarówki. Diody LED można przyćmić przez zastosowanie obwodu modulacji czasu trwania impulsu (Pulse-Width Modulation – PWM), który dostarcza energię w postaci zmiennych (ustawianych) impulsów.
Historia diod LED
Pierwsze informacje dotyczące urządzenia o właściwościach podobnych do LED pochodzą z roku 1906, kiedy to Henry Round odkrył zjawisko elektroluminescencji podczas przeprowadzania doświadczeń z karborundem. Jednakże diody LED nie trafiły na rynek aż do wczesnych lat 60. Firma Texas Instruments sprzedawała diody na podczerwień za 130 dol., a GE rozprowadzała czerwone diody LED za 260 dol.
Firma IBM jako pierwsza zamiast żarówek zastosowała diody LED jako wskaźniki świetlne na desce rozdzielczej komputera skonstruowanego około 1964 r. Diody LED zużywały mniej mocy, można je było montować bezpośrednio do obwodu, a cykl ich życia był znacznie dłuższy, co sprawiło, że ich zastosowanie było rozwiązaniem ekonomicznym.
W połowie lat 80. wojsko USA zaczęło stopniowo wymieniać żarówki z włóknem wolframowym na diody LED, które również zaczęły pojawiać się w windach. Podobnie jak w przypadku IBM, diody LED zaczęto wykorzystywać jako elementy różnych urządzeń. Montowano je na płytkach obwodów drukowanych (Printed Circuit Boards – PCB), w panelach urządzeń oraz płytach czołowych, używając specjalnych oprawek montażowych z przyspawanymi drutami do przewodów i podłączonych do gniazd wykonanych specjalnie pod diody LED.
Jakość LED wzrosła gwałtownie na początku 2000 roku. Firmy rozpoczęły produkcję latarek, stosując diody LED zamiast tradycyjnych żarówek. Kiedy udoskonalono jasność i barwę, diody LED w jeszcze większym zakresie zastąpiły lampy wolframowe Pojawiły się w sygnalizacji świetlnej, w urządzeniach domowej rozrywki oraz lampkach dekoracyjnych.
Obecnie diody LED mają wiele zastosowań, np. w przemyśle motoryzacyjnym lub do oświetlania (iluminacji) architektury. Zakłady przemysłowe odkrywają zalety zastępowania tradycyjnych żarówek lampami z diodami LED.
Latarki stają się coraz jaśniejsze, niektóre z nich, przeznaczone do użytku przemysłowego, dają światło białe o natężeniu ok. 19 440 luksów. Diody LED mogą być również stosowane jako reflektory, oświetlenie miejsc pracy oraz do różnego typu iluminacji świetlnej.
Korzyści
Diody LED zyskują coraz większe uznanie, ponieważ zużywają zdecydowanie mniej mocy, mogą pracować dłużej niż lampy z żarówkami z włóknem wolframowym. Lampy z diodami LED zużywają zaledwie 10 – 20% energii niż ich żarowe odpowiedniki. Średni okres użytkowania diody LED może przekroczyć 100 000 godzin, czyli ponad 11 lat.
Diody LED to urządzenia półprzewodnikowe, ciało stałe, co sprawia, że są prawie całkowicie odporne na wstrząsy elektryczne i mechaniczne – w przeciwieństwie do żarówek, których żarniki są bardzo wrażliwe na wstrząsy mechaniczne i udary elektryczne. Udary elektryczne mają miejsce przy stałym przełączaniu, zwarciach i udarach innego typu (np. piorun). Wstrząsy mechaniczne powstają przy uderzaniu, wstrząsaniu i innych rodzajach wibracji, ponadto diody LED generują bardzo małą ilość ciepła, co sprawia, że stanowią bardzo dobre rozwiązanie alternatywne do zastosowań, w których znaczenie ma temperatura, tj. takich jak przemysł biotechnologiczny, chemiczny i spożywczy.
Problemy
Osiągnięcie obecnej pozycji przez diody LED wymagało rozwiązania wielu problemów fizycznych i technologicznych, m.in. dotyczących zasilania prądowego, obudowy, barwy i ceny. Częściowo udało się je rozwiązać, w dalszym ciągu jednak istnieją. Prąd zasilania bezpośrednio wpływa na wydajność lampy LED i czas jej życia. Diody LED są z natury wytrzymałe, to wysoko efektywne źródło, dostarczające bardzo jasne światło o dużym natężeniu, pod warunkiem że ciepło jest odprowadzane we właściwy sposób.
Problemy z obudowami (oprawkami) to: odprowadzanie ciepła, dostosowanie do warunków prądowych oraz barwa. Zaawansowane obudowy umożliwiają odpowiednie rozpraszanie ciepła i zwiększenie możliwości prądowych. Oprawa wpływa również na barwę, co jest niezwykle ważne w przypadku zastosowań wymagających białego światła. Zastosowanie diod LED jako źródeł oświetlenia wymaga światła białego, odpowiednio „ciepłego”. Wymóg ten musi zostać spełniony, jeśli diody LED mają zastąpić żarówki, służące do powszechnego oświetlania pomieszczeń. Problem ten rozwiązały lampy fluorescencyjne. Wygląda na to, że diody LED również zmierzają w tym kierunku.
Rachunek ekonomiczny zależy od zastosowania diod LED. Dzisiaj zastąpienie konwencjonalnego oświetlenia żarówkowego technologiami opartymi na diodach LED jest dość drogą inwestycją. Jednakże w aplikacjach o ustalonej już renomie LED, takich jak wskaźniki na szafach sterujących i lampy sygnalizacyjne, diody LED są tańsze w eksploatacji, mniejsze zużycie mocy oraz dłuższy okres użytkowania kompensują wyższą cenę zakupu. W niektórych zakładach można uzasadnić wyższy koszt diod LED dla danego typu aplikacji tylko niższym kosztem konserwacji.
Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej
