Oświetlenie diodowe - wczoraj i dziś

Coraz częściej oferta producentów źródeł światła wzbogacona zostaje o diody świecące. Pojawiają się różnokolorowe, niewielkich rozmiarów źródła światła o wyjątkowo mocnym natężeniu światła. Diody elektroluminescencyjne (LED - light emitting diode) - diody złączowe, będące źródłem promieniowania, są połączeniem dwóch półprzewodników typu p i n. Gdy dioda zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia, wówczas elektrony przechodzą do obszaru o niższym poziomie energetycznym, co w efekcie powoduje, że część swojej energii oddają one w postaci kwantu energii świetlnej. LED została zaprezentowana w 1962 r. przez General Electric.

Ważną cechą LED jest monochromatyczność światła (emituje światło w bardzo wąskim zakresie widma promieniowania -jednej barwie). Zmianę jasności świecenia diody regulujemy za pomocą zmiany wartości prądu zasilania, a zmianę barwy świecenia można uzyskać tylko na etapie produkcji przez dobór materiałów (AIGaInP/GaAs [16 ]) i domieszek wchodzących w skład diody. Z tego powodu uzyskanie pewnych kolorów (niebieskiego i białego) jest bardzo trudne i kosztowne. Istnieje sposób zmiany barwy świecenia dzięki luminoforom oraz dzięki stosowaniu zestawów złożonych z 3 diod w kolorach: czerwonym, niebieskim i zielonym (RBG).

Obecnie stosuje się LED w następujących układach:

technika:

• czujniki (fotokomórki, czujniki ruchu itp.),
• transoptory (galwaniczne rozdzielenie obwodów elektrycznych),
• światłowody (element przetwarzający informację na światło, transmitowane przez światłowód),
• czytniki CD i DVD,
• zdalne sterowanie np. w pilocie do TV,
• drukarki laserowe,

sygnalizacja:

• tablice informacyjne, np. w autobusach, tramwajach,
• sygnalizacja ruchu drogowego,
• wskaźniki alfa -numeryczne, np. w miernikach cyfrowych,

oświetlenie:

• podświetlenie znaków informacyjnych (np. do oznakowania dróg ewakuacyjnych),
• oświetlenie dekoracyjne,
• reklamy świetlne,
• w przemyśle rozrywkowym (np. do tworzenia oprawy wizualnej podczas widowisk).

Jednym z kryteriów decydujących o przydatności źródła światła jest jego skuteczność świetlna, wyrażona w jednostkach (lm/W). Nie mniej ważne będzie na pewno oddawanie barw Ra oraz trwałość elementu. Wskaźnik Ra ma decydujące znaczenie dla wrażeń wzrokowych odbieranych przez człowieka. Każde ze źródeł ma inne Ra i dlatego właśnie np. przychodząc do domu po zakupach, często okazuje się, że towar jest nieco innego koloru niż w momencie zakupu, w sklepie.

Od dawna mówi się, że potrzebne jest oszczędne oświetlenie, które mogłoby spowodować obniżenie kosztów utrzymania dużych jednostek (zakłady przemysłowe, szkoły, szpitale, urzędy). Poza tym nie chodzi tu tylko o oświetlenie, ale również o znalezienie nowych elementów, które mogłyby zastąpić: żarówki, kineskopy i inne nieefektywne produkty. Należy tu zwrócić uwagę na to, że w wielu biurach i urzędach oświetlenie jest włączane na kilka godzin, w odróżnieniu od monitorów, działających przez cały czas pracy firmy i pobierających do 100 W (np.LG 775FT -dane z instrukcji), oraz emitują szkodliwe dla zdrowia promieniowanie.Poza tym takie monitory generują ciepło, co powoduje (szczególnie latem) zwiększenie poboru energii przez klimatyzatory. Jest to tylko jeden z przykładów, w których nowe źródło światła mogłoby przyczynić się do zmniejszenia zużycia energii, a co za tym idzie, obniżenia kosztów funkcjonowania wielu podmiotów.

Oszczędności energii nie polegają tylko i wyłącznie na "zakupie świetlówki". Aby realnie obniżyć koszty zużycia energii, należy podjąć wiele działań: poczynając od wyboru prawidłowej oprawy, miejsca zainstalowania, przez dobór odpowiedniego materiału na ściany i podłogi (o jak największym współczynniku odbicia), a kończąc na wyborze ustawienia otworów okiennych. Przy stosowaniu wszelkich źródeł światła należy pamiętać, że czasem nie warto stosować np. świetlówki kompaktowej w piwnicy, z której korzysta się raz w tygodniu przez godzinę, ponieważ koszt zakupu świetlówki, w stosunku do zaoszczędzonej energii, będzie wyższy. A zatem potrzebny jest produkt, który będzie tani w eksploatacji i produkcji, prosty w użytkowaniu, trwalszy od dotychczasowych i mniej szkodliwy.

Wady:

Na dzień dzisiejszy głównym problemem zastosowania LED w oświetleniu użytkowym jest niska sprawność (skuteczność świetlna w lumenach), która kształtuje się na poziomie sprawności żarówki głównego szeregu.

Kolejnym problemem w wykorzystaniu LED do oświetlania jest dopuszczalna temperatura pracy, wynosząca od 50 °C do 75 °C (w zależności od wykonania, oprawy), co może stanowić problem przy zastosowaniach na zewnętrznych ścianach budynków.

Do wad LED należy zaliczyć również fakt, iż podczas pracy jej strumień świetlny obniża się już po około 8000 h, nawet o 50% początkowej wartości (np. w tradycyjnej żarówce strumień świetlny obniża się o 30% swojej wartości początkowej po 1000 h). Poza tym uzyskanie białego światła jest wciąż zagadnieniem otwartym - w dalszym ciągu pracuje się nad udoskonalaniem tych diod.

Zalety:

Niewątpliwą zaletą stosowania diody elektroluminescencyjnej jest: jej żywotność wynosząca do 100 000 h (pod warunkiem wykorzystania jej w warunkach znamionowych - chodzi szczególnie o napięcie zasilania, temperaturę pracy itp.), niska awaryjność oraz małe wymiary. Poza wymienionymi zaletami należy zwrócić uwagę, że LED nie emitują szkodliwych promieni UV i IR (nie ma potrzeby stosowania filtrów). Jedną z najważniejszych zalet, wykorzystywaną już w np. reklamie i dekoracji, jest możliwość łatwego sterowania oraz uzyskiwania do tej pory niespotykanych efektów świetlnych (barw).

Należy zadać pytanie: dlaczego pomimo podobnej sprawności, jaka cechuje żarówkę, technologia LED nie wypiera tego źródła z rynku? Powód jest prosty: wytworzenie źródła LED, przeznaczonego do oświetlenia, jest droższe w porównaniu do produkcji żarówki o takich samych parametrach. Źródło oparte na LED zacznie skutecznie konkurować z pozostałymi źródłami światła dopiero, gdy osiągnie skuteczność świetlną taką, jak świetlówka kompaktowa (50 [lm/W]). Można będzie mówić o przejęciu rynku w momencie uzyskania sprawności na poziomie 100...120 lumenów z W. Trzeba tu zaznaczyć, że uzyskanie nawet 50 lm/W może potrwać jeszcze parę lat.

Na zachodzie istnieją już obiekty w pewnym stopniu oświetlane za pomocą opraw ze źródłem LED (np. biuro projektowe Bartenbach Lichtlabor), ale trzeba zaznaczyć, że jest to bardzo droga technologia, a projekty te należy traktować jako początek (podobnie było z żarówką tradycyjną). W przyszłości, gdy skuteczność świetlna dorówna świetlówce kompaktowej, można będzie mówić o konkurencji (szczególnie, że czas pracy ogniwa LED jest o 8 razy dłuższy w porównaniu do świetlówki), a po osiągnięciu 100 lm/W o przejęciu rynku. Nie można nie dostrzec w LED idealnego zastąpienia żarówki w sygnalizacji, ponieważ trwałość i wytrzymałość mechaniczna oraz łatwość sterowania w pewnych warunkach jest podstawowym kryterium, decydującym o wyborze źródła światła. Podobnie rzecz ma się np. w reklamie, przemyśle rozrywkowym itp., gdzie zastąpienie obecnie stosowanych źródeł przez układ złożony z trzech LED-ów (RGB) pozwala na uzyskanie dotychczas niespotykanych efektów barwnych. Takich zastosowań można znaleźć znacznie więcej.

NASA również jest zainteresowana tym źródłem światła. Już w 2001 r. zaczęto prowadzić nad tym prace. Panele diodowe dające niebieskie i czerwone światło miały pomóc w uprawie warzyw oraz owoców na statkach kosmicznych. Przyczyniłoby się to do poprawienia warunków życia kosmonautów oraz zmniejszenia ilości zapasów zabieranych w podróż.

Przyszłość

Jeśli uda się zwiększyć skuteczność świetlną i obniżyć koszty produkcji elementów LED, może stać się ono podstawowym źródłem światła. Do tego jednak wymagany jest wytężony wysiłek ludzi zajmujących się badaniami nad produkcją materiałów półprzewodnikowych.
Dlatego tak cieszy fakt, że polscy naukowcy z Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN wykonali pierwszy bezdyslokacyjny półprzewodnikowy laser niebieski (12 grudzień 2001). Ten wynalazek tworzy nowe obszary zastosowań.

Bardzo ciekawe są prace prowadzone przez firme LUMILEDS. Firma ta nie tylko prowadzi badania nad nowymi źródłami światła, ale również tworzy projekty urządzeń, które miałyby w przyszłości wykorzystywać te, jeszcze nie istniejące, źródła np. w projektorach, telefonach komórkowych, monitorach, telewizorach, fotografii i w wielu innych. Podobne prace prowadzone są przez polskich uczonych.