Współczesne zastosowania diod elektroluminescencyjnych

Współczesne zastosowania diod

elektroluminescencyjnych

Autor: Łukasz Siłacz

Promotor: Dr inż. Jan Deskur

1. Podstawy teoretyczne

2. Sposoby otrzymywania światła białego

3. Parametry lamp LED

4. Zastosowania diod elektroluminescencyjnych

5. Podsumowanie - zalety i wady diod LED

DIODY LED

Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na
emitowaniu światła pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego.
Świecenie jest wynikiem rekombinacji promienistej nośników (dziur i
elektronów) w spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu p-n.
Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy
powoduje wydzielenie energii w postaci światła (fotonu).

1.1. Elektroluminescencja

1.2. Historia diody LED

1.3. Budowa i symbol

Diody LED standardowo zasilane są napięciem stałym. Napięcie należy do diody

przykładać tak, aby pracowała ona w kierunku przewodzenia (napięcie dodatnie do anody

i napięcie ujemne do katody). W zależności od szerokości przerwy energetycznej w

półprzewodniku, a co za tym idzie w zależności od długości i barwy emitowanej fali

świetlnej, wymagane są różne poziomy napięcia zasilającego.

Lp.

Typ i kolor diody

Napięcie
typowe

Napięcie
maksym.

Zwykła zielona

2,2

2,5

Zwykła czerwona

2,5

Zwykła niebieska

4,5

Zwykła żółta

2,1

2,5

Zwykła pomarańczowa

2,5

Super jasna zielona

3,7

4,1

Super jasna czerwona

1,9

2,5

Super jasna niebieska

3,7

4,3

Super jasna żółta

2,3

2,8

Super jasna biała

2,4

2,8

1.4. Zasilanie i łączenie diod LED

1.5. Główne parametry techniczne

1.6. Odmiany diod elektroluminescencyjnych

2.1. Mieszanie światła

- w jednej obudowie umieszcza się 3 chipy LED tworzące

diodę RGB. W wyniku addytywnego sumowania barw
otrzymywany jest kolor biały,

to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż nie

występują tu straty w luminoforze związane z konwersją
światła,

wysoki współczynnik oddawania barw CRI,

duży koszt i komplikacja obwodu zasilająco-sterującego.

2. Sposoby otrzymywania światła białego

2.2. Konwersja światła
-

diodę LED promieniującą w paśmie nadfioletu
pokrywa się luminoforem,

luminofor składa się z 3 warstw, z których każda
realizuje konwersję światła UV na jedną z 3 barw
podstawowych,

wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor
biały,

prostota produkcji i nieskomplikowany układ
zasilania,

mało efektywne energetycznie – straty w luminoforze,

brak kontroli barwy światła białego i CRI,

szczątkowe promieniowanie UV przedostające się
przez luminofor.

2. Sposoby otrzymywania światła białego

2.3. Metoda hybrydowa

połączenie zalet metody 2.1 i 2.2,

wzbudzenie żółtego luminoforu za pomocą światła
diody niebieskiej 470nm,

mieszanie barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje
barwę białą,

prostota wykonania, prosty układ zasilania, większa
wydajność energetyczna, brak promieniowania UV,

zimna temperatura barwy otrzymywanego światła
białego oraz współczynnik oddania barw na
poziomie 75-80.

2. Sposoby otrzymywania światła białego

3.1. Energooszczędność

3. Parametry lamp LED

3.2. Czas życia

3. Parametry lamp LED

3.3. Strumień świetlny i skuteczność świetlna

3. Parametry lamp LED

Japońska firma NICHIA w warunkach laboratoryjnych

wyprodukowała diodę o skuteczności 249 lm/W.

3.4. Współczynnik oddawania barw CRI (ang. Colour Rendering Index) –

wyrażony jest liczbą z przedziału od 0 (dla światła monochromatycznego)
do 100 (dla światła białego). Określa, jak wiernie postrzegamy barwy
oświetlonych przedmiotów. Im współczynnik ten jest wyższy, tym barwy są
lepiej oddawane.

3. Parametry lamp LED

3.5. Wytrzymałość
Diody LED są bardzo wytrzymałe mechanicznie na uderzenia, wstrząsy,
wibracje oraz wysokie i niskie temperatury.

3.6. Temperatura barwowa bieli
Diody są produkowane w praktycznie całym spektrum temperatur barwowych
od barwy ciepło białej (2 700K) do barwy zimno białej (10 000K).

3. Parametry lamp LED

3.7. Brak lub niski poziom promieniowania IR i UV
Diody LED, w których kolor biały uzyskuje się na zasadzie mieszania barw

podstawowych lub konwersji światła niebieskiego w luminoforze, w

odróżnieniu od lamp fluorescencyjnych nie posiadają w swoim widmie

szkodliwego w niektórych zastosowaniach promieniowania UV.

Promieniowanie UV oraz podczerwone jest szkodliwe dla wzroku człowieka,

a ponadto przyciąga owady.

3.8. Ukierunkowany strumień świetlny
Diody LED mają ściśle zdefiniowany kąt bryłowy rozsyłu światła. Nie

występują straty związane z rozsyłem światła na boki. Łatwiej jest dzięki temu

wykonywać układy optyczne dla diody LED, gdyż są one praktycznie

pierwszymi źródłami światła dla techniki oświetleniowej, które można

traktować jako punktowe.

3. Parametry lamp LED

3.9. Małe wymiary
Diody LED w porównaniu z klasycznymi źródłami światła mają bardzo niewielkie
rozmiary. Od ledwie dających się zauważyć gołym okiem diod typu SMD stosowanych
w telefonach komórkowych po diody na radiatorach o średnicy kilku centymetrów.

3. Parametry lamp LED

3.10. Czas włączenia i wyłączenia
Czas włączenia diod LED nie przekracza 100ns, a czas wyłączenia 200ns. W

porównani z żarówkami są to czasy 2 miliony razy krótsze! Typowa żarówka

osiąga 90% swej światłości po czasie 200ms. Czasy włączenia lamp

fluoroscencyjnych i wyładowczych są jeszcze dłuższe i czasem sięgają nawet

kilku minut (np. uliczne lampy sodowe i rtęciowe).

3.11. Bezpieczeństwo
- zasilane napięciem bezpiecznym 12V DC,
- brak iskrzenia,
- nie zawierają trujących substancji i kruchych, szklanych elementów,
- ochrona środowiska poprzez oszczędzanie energii.

3. Parametry lamp LED

4.1. Oświetlenie domowe
-

podświetlane schody, półki, światło łazienkowe, dekoracyjne, podświetlanie
ścianek kominkowych,

bary, restauracje i miejsca publiczne.

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.1. Oświetlenie domowe

4. Współczesne zastosowania diod LED

Żarówki

Lampy LED

Przyjmijmy, że istnieje osiedle

mieszkaniowe, wyposażone w 100

tradycyjnych żarówek 60W.

60W x 100sztuk = 6kW

Zakładając, że pracują 10h dziennie:

10h x 6kW = 60kWh

60kWh x 0,40PLN/1kWh =

24PLN/Doba

24h x 365dni rocznie=

8760PLN/Rok

Dla takiego samego osiedla

mieszkaniowego wyposażonego w 5W

lampy LED.

5W x 100sztuk = 0,5kW

Zakładając, że pracują 10h dziennie:

10h x 0,5kW = 5kWh

5kWh x 0,40PLN/1kWh =

2PLN/Doba

24h x 365dni rocznie=

730PLN/Rok

OSZCZĘDNOŚCI W SKALI ROCZNEJ: 8760PLN – 730PLN =

8020PLN

4.2. Oświetlenie zewnętrzne i uliczne
-

ozdoby świąteczne,

oświetlenie ogrodowe i balkonowe,

oświetlenie uliczne (coraz częściej
stosowane z modułami PV i turbinami
wiatrowymi),

podświetlanie mostów i budynków.

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.2. Oświetlenie uliczne – porównanie lamp ulicznych HPS (ang. High Pressure
Sodium) oraz lamp LED

4. Współczesne zastosowania diod LED

Parametr

Lampa HPS

Lampa LED

1. Moc

250W + urządzenia

zapłonowe 30W

112W (odpowiednik

300W lampy sodowej)

+ zasilacz 33W

2. Roczne zużycie
energii przy pracy
4000h rocznie

1120kWh

580kWh

3. Roczne wydatki na
energię elektryczną

448PLN

232PLN

4. Żywotność

2 lata

12 lat

5. Cena

około 500zł

około 3000zł

4.2. Oświetlenie uliczne – porównanie lamp ulicznych HPS (ang. High

Pressure Sodium) oraz lamp LED

LAMPA LED

LAMPA HPS

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.3. Oświetlenie – latarki
- dzięki wysokiej odporności na wstrząsy i niekorzystne warunki zewnętrzne diody

LED znalazły zastosowanie jako latarki używane przez służby specjalne, takie jak:

policja, straż graniczna czy wojsko,
- małe rozmiary diod LED pozwalają na minimalizację gabarytów produkowanych
latarek oraz na zastosowanie w nich dodatkowych funkcji.

Latarka z modułem PV

Latarka z korbką

Latarka z kamerą

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.4. Sygnalizacja uliczna

bardzo dobra widoczność nawet w
słoneczne dni, wynikająca z dobrych
właściwości kierunkowych jakie
posiadają diody,

diody LED świecą dość mocno w
punktowy sposób, w przypadku
oświetlenia pomieszczeń nie jest to
zaletą, jednak doskonale sprawdza się
w sygnalizacji,

brak wydzielania ciepła przez diody
powoduje osiadanie się śniegu i lodu
na sygnalizatorach podczas zimy.

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.5. Motoryzacja

Diody LED są 120 razy szybsze od żarówek, dzięki temu możliwe jest

maksymalne skrócenie czasu, np. od momentu naciśnięcia pedału hamulca do

zapalenia świateł STOP. Dla kierowcy jadącego z prędkością 100km/h za

pojazdem wyposażonym w oświetlenie LED oznacza to dodatkowe 3,5 metra na

bezpieczne zatrzymanie i zwiększa o około 8% szansę na uniknięcie kolizji.

Pierwszym samochodem z lampami czołowymi w całości wykonanymi

w technologii LED jest Cadillac Escalade w najdroższej wersji, nazwanej
Platinum.

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.5. Motoryzacja – wykorzystanie technologii LED

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.6. Medycyna

„anti – aging”, zabieg przeciwko procesom starzenia się,

leczenie zmian skórnych np. trądzik, za pomocą lamp LED - czerwonych i
niebieskich,

leczenie nowotworów mózgu za pomocą sondy zbudowanej ze 144
miniaturowych diod LED,

oświetlenie stołów operacyjnych i specjalnych turbin stomatologicznych.

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.7. Reklama
-

świecąca elektroniczna reklama diodowa wyświetlająca dynamiczne treści
informacyjno-reklamowe w postaci poruszającego, mrugającego jaskrawego tekstu,

zwiększa zainteresowanie potencjalnych klientów promowanym produktem nawet o
80%,

tablice reklamowe na ulicach, przy drogach, na budynkach, na stadionach, miejscach
publicznych: bary, restauracje, kina,

prawdziwe ekrany LED.

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.8. Ekrany LED – „TV LED”

LCD z podświetlaniem CCFL

LCD z podświetlaniem LED

4. Współczesne zastosowania diod LED

4.8. Ekrany LED – „TV LED”
- telewizory z podświetlaniem LED wyposażone są w taką samą matrycę LCD

jak tradycyjne telewizory LCD z podświetlaniem CCLF,
- pełna jaskrawość od razu po włączeniu,
- „local dimming” – podświetlanie całego obrazu, uzyskanie wysokiego

kontrastu oraz znaczna poprawa głębi czerni,

- „edge – lit” - diody LED zamiast znajdować się za panelem LCD zostały

umieszczone na jego krawędziach. Taki typ rozwiązania pozwala na

projektowanie niezwykle cienkich telewizorów.

4. Współczesne zastosowania diod LED