plik

ElEktronika 9/2010

145

Biało-świecące diody LED rewolucjonizują technikę

oświetleniową

prof. dr hab. inż. BOHDAN MROZIEWICZ

Instytut Technologii Elektronowej, Warszawa

Obszar zastosowań diod elektroluminescencyjnych (LED)

nieustannie się poszerza i nie ma obecnie wątpliwości, że

w niedalekiej przyszłości będą to podstawowe źródła światła

w urządzeniach oświetlających i sygnalizacyjnych. Ich uzupeł-

nieniem mogą być ewentualnie organiczne diody elektrolumi-

nescencyjne (OLED), lecz technologia produkcji tych ostat-

nich wymaga jeszcze dodatkowych prac badawczych.

Ogólnie biorąc, pole zastosowań LED można podzielić na

trzy grupy. Pierwsza obejmuje diody służące do sygnalizacji.

Są to diody emitujące światło o barwach rozciągających się

na całe widmo promieniowania widzialnego od barwy niebie-

skiej do czerwonej oraz światło białe. Grupa druga obejmuje

diody emitujące promieniowanie niewidzialne dla oka, odpo-

wiednio podczerwone i ultrafioletowe. Diody tej grupy służą

w pierwszej kolejności do transmisji informacji lub znajdują

specyficzne zastosowania np. w medycynie.

Szczególnie dużego znaczenia nabrała jednak ostatnio

trzecia grupa diod LED, do której należą diody emitujące

światło białe służące do podświetlania wyświetlaczy LCD

(z ciekłymi kryształami), w tym monitorów, ekranów telewizyj-

nych i telefonicznych oraz diod wbudowanych w duże oprawy

i służące do oświetlania ulic, innych obiektów zewnętrznych

oraz wnętrz domowych.

O dużym i wciąż rosnącym znaczeniu diod LED emitujących

światło białe decyduje kilka czynników, a wśród nich takie jak:

• Biało-świecące diody LED charakteryzują się bardzo wy-

soką skutecznością świetlną dochodzącą do 200 lm/W [1],

a w przyszłości parametr ten może osiągnąć wartość 250 lm/

W (rys. 1). Chociaż w praktyce, po wbudowaniu do oprawy,

wyroby rynkowe mają skuteczność świetlną rzędu 100…150

lm/W ich sprawność energetyczna i tak jest znacznie więk-

sza niż żarówek (8%) i co najmniej porównywalna ze spraw-

nością źródeł fluorescencyjnych (25%). Zastosowanie LED

do oświetlenia ogólnego pozwala więc na znaczne oszczęd-

ności w zużyciu energii elektrycznej, a tym samym na obni-

żenie poziomu emisji szkodliwych gazów w tym CO

• Diody LED wykazują sprawdzoną trwałość rzędu 35 000

godzin do 50 000 godzin [2] uważa się jednak, że może ona

dojść nawet do 100 000 godzin [3]. Wysoka trwałość diod

prowadzi do znacznych oszczędności energii potrzebnej

do produkcji źródeł światła w zestawieniu z żarówkami, dla

których czas życia wynosi ok.1000 godzin. Fakt, że lampy

LED mogą pracować kilkadziesiąt razy dłużej niż lampy

z żarówkami ma oczywisty wpływ na koszty oświetlenia.

• Biało-świecące diody LED nie zawierają rtęci występującej

w lampach fluorescencyjnych, której utylizacja pociąga za

sobą znaczne koszty.

• światło emitowane przez biało-świecące diody LED może

mieć barwę kontrolowaną przez producenta i szczególnie

korzystną dla oka (np. temperatura barwowa może być

rzędu 3500 K, patrz definicje w ref. [4, 5]), a charaktery-

styka widmowa tego światła nie zawiera szkodliwego pro-

mieniowania krótkofalowego występującego w źródłach

fluorescencyjnych.

• Konstrukcja diod LED z założenia prowadzi do miniatury-

zacji źródeł światła, co może być wykorzystane do celów

dekoracyjnych w tym architektonicznych.

Podział rynku na poszczególne grupy zastosowań diod

LED nie odzwierciedla jeszcze w pełni znaczenia segmentu

diod służących do oświetlenia ogólnego jak pokazuje to rys. 2a

dotyczący roku 2009, ale prognozy przewidują, że proporcje

te będą ulegały zmianom w kierunku zasygnalizowanym na

wykresach z rys. 2b i rys. 3. Perspektywy na największy rynek

zbytu biało-świecących LED wiążą się z ich zastosowaniem

do podświetlania ekranów telewizyjnych. Zastosowanie to

pojawiło się w roku 2004 i zostało wprowadzone przez firmę

Sony, ale prawdziwego rozmachu nabrało w roku 2008 po

włączeniu się do tej technologii firmy Samsung, która zasto-

sowała biało-świecące diody z luminoforem w miejsce diod

RGB (Red, Green, Blue). Obecnie przewiduje się, że w latach

2009–2014 rozwój rynku monitorów TV spowoduje aż 5-krot-

ny wzrost zapotrzebowania na niebiesko-świecące diody LED

Rys. 1. Prognozy wzrostu skuteczności świetlnej biało-świecą-

cych diod LED oparte na dotychczas osiągniętych wynikach la-

boratoryjnych i produkcyjnych [1]

Fig. 1. White LED package efficacy targets, laboratory and com-

mercial [1]

Rys. 2. Podział rynku zbytu biało-świecących diod LED według

ich zastosowań; a) w roku 2009, b) przewidywany na rok 2012

[6]

Fig. 2. Market shares for white LEDs; a) recorded in 2009, b) ex-

pected for 2012 (after [6])

ElEktronika 9/2010

146

i wartość tego rynku osiągnie poziom 6 mld USD rocznie [8].

Przyczyną opisywanej sytuacji była początkowo możliwość

podwyższenia kontrastu obrazów na monitorze poprzez lo-

kalne zmiany światłości ekranu. Ekrany LCD były wówczas

oświetlane przez matrycę diod LED, których światłość można

było dowolnie kontrolować zmieniając natężenie prądu zasi-

lania. Wadą tego rozwiązania była konieczność użycia bar-

dzo dużej liczby diod i związana z tym wysoka cena nowego

ekranu. Problem obecnie rozwiązano przez zastosowanie

odpowiedniej optyki i oświetlenie krawędziowe, co nie tylko

zmniejsza liczbę użytych diod, ale pozwala także na znaczne

zmniejszenie grubości ekranu.

Szybkiemu wzrostowi rynku biało-świecących diod LED

służących do celów oświetleniowych (rys. 4) sprzyjają bez

wątpienia inicjatywy rządowe podejmowane w wielu krajach

świata w celu osiągnięcia założonych celów ekologicznych

i gospodarczych. Dla przykładu, znaczna część europejskich

dyrektyw dotyczących polityki i aktywności Komisji Europej-

skiej jest stymulowana przez cele wytyczone do osiągnięcia

w roku 2020 w zakresie klimatu i energii. Sprowadzają się

one do zredukowania emisji gazów cieplarnianych o 20%

oraz do zmniejszenia zużycia energii o 20% przy jednoczes-

nym osiągnięciu poziomu generacji elektryczności ze źródeł

odnawialnych o 20% [10]. Jednak poprawa końcowej spraw-

ności energetycznej u odbiorców tej energii jest uznawana za

najszybszą i najtańszą drogę do redukcji emisji CO

w roku

2020. Odpowiedzialne za 10% końcowego zużycia energii

elektrycznej w 27 krajach UE, w roku 2007 było oświetlenie.

Składało się na to zużycie 84 TWh/rok na oświetlenie ze-

wnętrzne miejsc zamieszkałych, 164,5 TWh/rok na tzw. trze-

ciorzędne oświetlenie wewnętrzne pomieszczeń (biura, szkoły

oraz przemysł) z wyłączeniem gospodarstw domowych oraz

36 TWh/rok na oświetlenie ulic. W marcu 2009 roku Komisja

Europejska przyjęła Eco-Design Regulation w celu poprawy

sprawności energetycznej oświetlenia w gospodarstwach

domowych. Program ten będzie zakończony z końcem 2012

roku. Stosuje się on do lamp nie-kierunkowych (bez reflekto-

rów) i w konsekwencji jego realizacji mają zniknąć z rynku ża-

rówki o mocy przekraczającej przyjęte ograniczenia [11–13].

Podobne decyzje podejmowane są również w innych rejonach

świata, np. przez Kongres USA (programy Energy Star and

Title 24 in California) [14, 15] Niedawne doniesienia zawierają

informację, że amerykański Department of Energy (US DOE)

przyjął za wytyczne osiągnięcie liczb podanych w tabeli.

Rys. 3. Prognozy wzrostu rynku na diody HB-LED w tym diod

biało-świecących stosowanych do podświetlania ekranów LCD

i oświetlenia [7]

Fig. 3. History and market forecast for white HB-LEDs used for

backlighting. Diagram shows separately market forecast for

LEDs to be used for backlighting LCD monitors including note-

books [7]

Rys. 4. Prognozy wzrostu przychodów z tytułu sprzedaży lamp

zawierających biało-świecące diody LED [9]

Fig. 4. Market outlook for solid-state lighting, showing revenue

for LED based luminaires and replacement lamps (after [9])

Przyjęte przez US DOE założenia odnośnie rozwoju techniki oświet-
leniowej w latach 2009–2020 [16]

2009

2010

2012

2015 2020

Cool white efficacy (lm/W)

113

134

173

215

243

Cool white price ($/klm)

Warm white efficacy (lm/W) 70

128

184

234

Warm white price ($/klm)

3,3

1,1

Cool white oznacza temperaturę barwową 4746–7040 K oraz indeks CRI

70–80

Warm white oznacza temperaturę barwową 2580–3710 K oraz indeks CRI

80–90.

Liczby dotyczą pomiarów przeprowadzanych w temperaturze 25°C przy

gęstości prądu 35 A/cm

. Czas życia LED określany jako L

ma wynosić

50 000 godzin (definicje wyjaśniono w tekście dalej)

Administracja miasta Taipei (Taiwan) podjęła decyzję

o zastąpieniu w najbliższym czasie 140 000 lamp ulicznych

ze źródłami klasycznymi przez lampy zawierające diody LED

[6]. Równie agresywny jest program modernizacji oświetlenia

przyjęty przez rząd chiński, który rozwój produkcji diod LED

uznał za priorytet narodowy. W tym celu, w 21 miastach przy-

gotowano projekty wprowadzenia oświetlenia za pomocą diod

LED, aby pokazać jego zalety i wytypowano 7 regionów w kra-

ju, w których będzie rozwijana produkcja diod LED [17].

Biało-świecące diody LED w zastosowaniu

do oświetlenia

Dobrze przemyślany projekt oświetlenia zarówno zewnętrz-

nego jak i wewnętrznego, musi odpowiadać potrzebom wi-

dzialności, wymogom estetycznym oraz szeroko rozumia-

nej ekonomii, w tym sprawności energetycznej. Dodatkowo,

oświetlenie zewnętrzne musi spełniać jeszcze pewne unikal-

ne wymogi związane z tym, że jest ono stosowane w nocy.

W zależności od konkretnej sytuacji mogą być również sta-

wiane wymagania, aby zapewniało ono poczucie pewności

i bezpieczeństwa. Oświetlenie mające na celu zapewnienie

bezpieczeństwa powinno ułatwiać wykrywanie i identyfikację

ludzi zwierząt i obiektów. Poza zastosowaniami oczywistymi

takim jak oświetlenie dróg czy ulic wymienić tu można parkingi

samochodowe, stacje kolejowe czy magazyny. W przypadku

tych ostatnich występują dwie opcje. Można jasno oświet-

lić cały teren zapewniając, co najmniej podwójne natężenie

oświetlenia w stosunku do otaczającego terenu, albo też

utrzymywać oświetlenie na niskim poziomie natężenia, lecz

ElEktronika 9/2010

147

bardzo jasno oświetlić wyjścia w taki sposób, aby wywoły-

wać efekt olśnienia i wrażenie, że miejsce to jest szczególnie

pilnie obserwowane. To drugie rozwiązanie musi być jednak

analizowane pod kątem omówionego niżej „zanieczyszczenia

ekologicznego”.

Dobrze zaprojektowane oświetlenie zewnętrzne może

przyciągać przechodniów przyczyniając się do promocji

centrów handlowych, ośrodków kulturalnych lub wypo-

czynkowych, jak również wyjątkowej architektury i staje się

w ten sposób elementem witalizacji ekonomicznej danego

obszaru. Pod uwagę w tym przypadku należy brać nie tyl-

ko skuteczność oświetlenia i jego natężenia w stosunku do

otoczenia, ale również jego formę i barwę. Ta ostatnia ma

znaczenie szczególne zważywszy, że kolor skóry ludzkiej

jest funkcją widma padającego na nią światła i w pewnych

warunkach może być odpychający. Wszystko to powinno być

zapewnione przy jednoczesnym ograniczeniu „zanieczysz-

czenia” środowiska nadmiernym światłem. Problemy tech-

niki oświetleniowej wykraczają zatem znacznie poza same

diody LED i występujący tu kompleks zagadnień obejmu-

je także kształt i konstrukcję opraw w tym ich optykę i od-

prowadzanie ciepła, oraz zasilanie lamp i jego sterowanie.

Wybrane szczegóły dotyczące biało-świecących diod LED,

mechanizmu ich działania i właściwości, opisano w Ramce

A. Ważniejsze definicje parametrów fotometrycznych wyjaś-

niono w Ramce B.

Problem widzialności i komfortu

wzrokowego w warunkach oświetlania

lampami, w których źródłem światła są

diody LED

Widzialność zależy od poziomu natężenia oświetlenia i jed-

norodności jego rozkładu oraz kontrastu między obszarem

oświetlonym i nieoświetlonym. Zdolność widzenia może być

chwilowo osłabiona przez efekty wzrokowe związane z prze-

mieszczaniem się obserwatora z miejsca jasnego do ciem-

nego. W konkluzji, oświetlenie zewnętrzne powinno zapewnić

natężenie oświetlenia i poziom jego jednorodności właściwy

dla danego zastosowania pozwalający na akceptację wizu-

alną w sytuacji, kiedy poruszamy się pomiędzy obszarami

jaśniejszymi i ciemniejszymi. W kategoriach kontrastu, różni-

ce w natężeniu oświetlenia obiektów ze sobą sąsiadujących

w zestawieniu z natężeniem oświetlenia otoczenia powinny

być odpowiednie do konkretnego celu zastosowania lamp

oświetlających. Szczególnie dyskomfortowe i obniżające

widoczność może okazać się zjawisko olśnienia wywołane

przez samo źródło światła, lub światło odbite od powierzchni

otaczających to źródło obiektów np. od szyb okiennych i mo-

krych chodników. Jednoczesne oświetlenie całej powierzchni

pomaga ten efekt zmniejszyć lub wyeliminować, podczas gdy

ekranowane odpowiednio oprawy świetlne mogą zminimalizo-

wać olśnienie pochodzące od źródeł światła.

Skuteczność spełnienia sprecyzowanych wyżej wymagań

powinna być poddawana ocenie za pomocą odpowiednich po-

miarów fotometrycznych. Konwencjonalna fotometria jest op-

arta jedynie na funkcji fotopowej skuteczności świetlnej (patrz

Ramka B), co może skutkować w niewłaściwej wzrokowej

ocenie efektywności i energetycznej sprawności niektórych

źródeł światła stosowanych zewnętrznie w warunkach noc-

nych. Ogólnie rzecz biorąc pozostaje niejasne, która z funkcji

skuteczności świetlnej – fotopowa, skotopowa, czy ich kom-

binacja powinny być użyte, aby charakteryzować mezopowe

zastosowania oświetleniowe.

Przyjęty obecnie w technice oświetleniowej standardowy

system kolorymetryczny jest wprawdzie szeroko stosowa-

ny, ale zawiera poważne wady w odniesieniu do oświetle-

nia wykorzystującego jako źródło diody LED. Nowy stan-

dard kolorymetryczny ma być oparty na fizjologii czopków

wzrokowych, w tym przypadku ich funkcji odpowiedzialnej

za czułość widmową i postrzeganie kolorów. Pracuje nad

nim obecnie Komitet Techniczny CIE (Commission Interna-

tional de L’Eclairage) pod nazwą TC1-36 [10]. Nowy system

ma być zasadniczo różny od istniejącego, w szczególności

w zakresie spektralnym światła niebieskiego. Uważa się, że

wady ma również standard dotyczący wskaźnika CRI (Co-

lor Rendering Index) za pomocą, którego określa się naj-

dokładniejsze podobieństwo kolorów przy oświetleniu refe-

rencyjnym. Ma on być zastąpiony wskaźnikiem określanym

jako „wskaźnik wierności koloru”, który ma jednocześnie

uwzględniać preferencje kolorystyczne ludzkiego oka. Jest

to koncepcja bardziej złożona, lecz lepiej odzwierciedlająca

zjawisko generacji światła białego przez luminofor pobudza-

ny światłem fioletowo-niebieskim. Nad zmianami tymi pra-

cuje grupa CIE 1-69 [10].

Podobne prace standaryzacyjne prowadzone są również

w USA. Amerykańska Agencja LRC (Lighting Research Cen-
ter

, Troy, NY) stwierdziła w wyniku przeprowadzonych eks-

perymentów, że przez zastosowanie tzw. „zunifikowanego sy-

stemu fotometrycznego” (Unified System of Photometry) dla

oświetlenia ulicznego, może być ono zaprojektowane w taki

sposób, że osiąga się obniżenie zużycia energii elektrycznej

zachowując przy tym polepszoną percepcję i widzialność.

To ostatnie przekłada się bezpośrednio na bezpieczeństwo

i ochronę. System ten został zaprojektowany w taki sposób

aby móc charakteryzować światło na dowolnym poziomie na-

tężenia oświetlenia włącznie z poziomem mezopowym [18].

Wszyscy zgadzają się, że nowy system fotometryczny móg-

łby lepiej niż obecny charakteryzować skuteczność oświetle-

nia w warunkach nocnych, nie jest na razie jednak jasne czy

w tej sytuacji CIE wyda własną wersję zunifikowanej fotometrii

dla oświetlenia zewnętrznego, czy też dojdzie do wspólnych

uzgodnień w tej sprawie.

Jak dotąd brak jest także oficjalnie zaakceptowanej kate-

goryzacji lamp ulicznych (i innych), zawierających jako źród-

ła światła diody LED, pod względem wielkości emitowanego

strumienia. Dotychczas przyjęte normy określają ten strumień

w kategoriach zużywanej mocy elektrycznej wyrażanej w wa-

tach. Zastosowanie diod LED dramatycznie zmienia skutecz-

ność świetlną (lm/W) takich lamp, co rzutuje na ich sprawność

energetyczną. Wobec braku innych rozwiązań, na okres przej-

ściowy przyjęto za miarę strumienia emitowanego przez lam-

py z diodami LED moc wyrażaną w watach, przy założeniu,

że strumień świetlny odpowiada temu, który jest generowany

przez źródła klasyczne. Dodatkowo podawana jest często

również faktyczna moc elektryczna pobierana przez lampę

z sieci o nominalnym napięciu 220…240 V, co ma uzmysłowić

uzyskiwaną oszczędność. Niestety z reguły brakuje informacji

na temat barwy emitowanego przez lampę światła.

Zagadnienie ekologicznego zanieczyszczenia

światłem

Problem zanieczyszczenia atmosfery ziemskiej sztucz-

nym oświetleniem dostrzeżono niedawno, gdy obserwacje

przeprowadzone z pokładu satelitów uwidoczniły skalę tego

zjawiska i rozkład nocnego oświetlenia powierzchni plane-

ty, a ekolodzy podjęli badania nad destrukcyjnym wpływem

tego zjawiska na jej przyszłość. Pod względem technicznym

rozróżnia się 3 objawy zanieczyszczenia, o którym mowa.

Są to: jarzenie nieba, przekraczanie światła (Light trespass)

i olśnienie.

ElEktronika 9/2010

148

Jarzenie nieba polega na jego rozjaśnianiu, które powodu-

je, że przestają być widoczne gwiazdy. Jest ono między inny-

mi powodowane przez skierowane ku górze oprawy lamp lub

przez światło odbite od oświetlonych obiektów. Stopień jarze-

nia nieba zależy od położenia geograficznego źródeł światła,

warunków pogodowych, ilości kurzu w powietrzu bliskim po-

wierzchni ziemi i innych zanieczyszczeń powietrza, a także

zawartości pary wodnej i gazów w atmosferze. Stopień jarze-

nia nieba może być wskaźnikiem energii traconej na naszej

planecie.

Zjawisko „przekraczania” światła występuje wówczas, gdy

światło przenika do obszarów, których oświetlenie jest niepo-

żądane lub niepotrzebne. Czynniki, od których to zależy mogą

być dyskusyjne, lecz odpowiednie ukierunkowanie i ekrano-

wanie strumienia świetlnego może skutecznie temu zapobiec,

co powinno być brane pod uwagę przy projektowaniu opraw

lampowych.

Olśnienie jest odczuciem wzrokowym spowodowanym

przez nadmierne i niekontrolowana jaskrawość źródła światła

i może rozciągać się od dyskomfortu wzrokowego do pełnego

oślepienia. Jest to zagadnienie niezwykle poważne w przy-

padku stosowania w lampach diod LED. Wynika to stąd, że

nowoczesne diody LED charakteryzują się bardzo wyso-

ką światłością, a ich konstrukcja zachęca do do stosowania

w oprawach optycznych elementów skupiających takich jak

soczewki. Uzyskuje się dzięki temu wymagany lokalnie po-

ziom natężenia oświetlenia, ale skierowanie wzroku na taką

lampę może prowadzić do znacznego olśnienia.

Szczególny problem dotyczy jednak zagrożenia stwarza-

nego dla ludzi i świata zwierzęcego przez fakt, że światło

emitowane przez większość diod LED jest w istocie światłem

biało-niebieskim o temperaturze barwowej ok. 5500 K, a cha-

rakterystyka spektralna wykazuje znaczny komponent światła

niebieskiego (rys. 5). Stwierdzono, że światło o takim widmie

zagraża widzialności w nocy i naraża na niebezpieczeństwo

środowisko naturalne. Problem wynika to z faktu, że diody

elektroluminescencyjne w istocie generują światło fioletowo-

niebieskie, a na światło białe przetwarzają je dopiero specjal-

ne luminofory. Biało świecące diody LED można wprawdzie

uzyskać również umieszczając we wspólnej obudowie 3 chipy

LED RGB [5], ale jest to rozwiązanie kosztowniejsze i dlatego

obecnie rzadko stosowane.

Tymczasem niebieski komponent światła białego tylko

w niewielkim procencie jest potrzebny do fotopowego wi-

dzenia przez ludzkie oko. Natomiast niebieskawe światło

jest w wysokim stopniu źródłem zanieczyszczenia światłem

ze znaczny skutkiem środowiskowym. Lampy emitujące

takie światło powodują wzrost olśnienia w szczególności

w przypadku oka, które jest w zaawansowanym wieku.

Krótkofalowe światło nieproporcjonalnie zwiększa też jarze-

nie się nieba. W dodatku, niebieskawe światło ma większą

tendencję do oddziaływania na żywe organizmy poprzez

dezorganizację ich biologicznych procesów, które opierają

się na naturalnych cyklach światła dziennego i ciemności

nocnej. Nowe źródła nie muszą być aż tak szkodliwe pod

warunkiem stosowania diod LED o widmie przesuniętym

w kierunku niższej temperatury barwowej. Zaleca się, aby

temperatura ta była niższa od 3000 K. Technologia takich

LED jest już znana. Ostatnio reklamowano np. takie diody

pochodzące z produkcji firmy Osram Semiconductors oraz

Cree. Sprawa nabiera znaczenia i jest propagowana np.

przez organizację IDA (International Dark-Sky Association,

Tucson, USA), która zaleca, aby producenci lamp oświetle-

niowych stosowali diody LED o zredukowanej emisji w za-

kresie widma poniżej 500 nm [19]. Można oczekiwać, że

inicjatywy te zakończą się procesem legislacyjnym i zosta-

ną przyjęte jako normy.

Zagadnienia odprowadzania ciepła

generowanego przez diody LED

i problemy ich zasilania

Sprawą znacznie łatwiejszą, a jednocześnie bardziej oczywi-

stą, od omówionej wyżej sprawy barwy emitowanego światła,

jest rozwiązanie problemu odprowadzania ciepła generowa-

nego w diodach. Jest to zagadnienie niezmiernie ważne z kil-

ku powodów, w tym zależności luminancji LED od tempera-

tury, ale przede wszystkim w związku z czasem życia diod.

Pod tym ostatnim pojęciem rozumiemy liczbę godzin przepra-

cowanych przez diodę do momentu spadku generowanego

przez nią strumienia świetlnego do poziomu 70% wartości po-

czątkowej. Parametr ten określany jest symbolem L

. Bada-

nia prowadzone przez firmę Cree (USA) − jednego z najbar-

dziej znaczących producentów wysokiej jakości chipów i diod

LED wykazały, że zahamowanie procesu starzenia się diod,

wyrażające się spadkiem strumienia świetlnego w czasie

życia czynnej diody, jest uzależnione od temperatury złącza

p-n, wielkości natężenia prądu zasilającego oraz temperatury

Rys. 5. Charakterystyka widmowa LED emitujących światło bia-

ło-niebieskie o temperaturze barwowej ok. 5500 K w zestawieniu

z charakterystykami czułości ludzkiego oka dla widzenia fotopo-

wego i skotopowego [19]

Fig. 5. Spectral characteristics measured for white „cool” LED

(temperature 5500 K) superimposed on luminous efficiency of

eye for photopic and scotopic vision [19]

Rys. 6. Zależność między wielkością czasu życia diod LED okre-

ślonego przez parametr L

, a temperaturą otoczenia diody [20]

Fig. 6. LED lifetime curves L

versus ambient temperature [20]

ElEktronika 9/2010

149

powietrza otaczającego diodę. Źródła ciepła generowanego

w typowej diodzie LED opisano w Ramce A. Temperatura ma

bezpośredni wpływ nie tylko na optyczne i elektryczne charak-

terystyki diod LED ale także na ogólną jakość i niezawodność

zawierających je opraw.

Dla przykładu na rys. 6 pokazano zależność spadku warto-

ści parametru L

od temperatury otoczenia. Relacje pomiędzy

spadkiem napięcia na diodzie, a jej temperaturą wyrażane są

przez pochodną dV/dT, gdzie V oznacza napięcie, a T − tem-

peraturę złącza p-n. Rozrzut wartości tego parametru i jego

zależność od temperatury uniemożliwia równoległe łączenie

diod bez wcześniejszej ich segregacji. Wynika to stąd, że po

osiągnięciu przez system swojej optymalnej temperaturę pra-

cy, jej zmiana wskutek zależności dV/dT może pociągnąć za

sobą znaczne różnice w prądzie zasilania, a tym samym roz-

rzut wielkości strumienia generowanego światła. Biorąc to pod

uwagę, projektanci lamp oświetleniowych muszą rozważać

kompromis pomiędzy osiąganymi parametrami lampy a kosz-

tami, jakie wiążą się z produkcją lamp o zoptymalizowanej pod

tym kątem konstrukcji. Zagadnieniem podstawowym w tym

względzie jest sposób montażu wewnętrznego diody, rodzaj

zastosowanych ciepłowodów i chłodnic, jak również użyte do

tego celu materiały. Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na

to, że temperatura złącza p-n może tylko chwilowo przekro-

czyć temperaturę dopuszczalną przez producenta diod, lecz

i tak spowoduje to uszkodzenie diody. Właściwości półprze-

wodnikowego złącza p-n biorącego udział w generacji światła

wymagają zasilania diod odpowiednio dobranym napięciem

stałym lub jednokierunkowym na poziomie 3…4 V. Wielkość

ta może być zwielokrotniona przez szeregowe łączenie wie-

lu diod lub też można zastosować relatywnie proste elektro-

niczne układy zasilające. Powstała również seria rozwiązań

konstrukcyjnych diod LED, które można zasilać napięciem

zmiennym (diody typu Acriche firmy Seoul Semiconductors)

[22]. W każdej sytuacji pozostaje problem obniżania napięcia

z poziomu 230 V występującego w sieci. Układy zasilania lamp

z diodami LED stanowią wielkie pole do popisu dla nowoczes-

nej elektroniki. Z samej zasady działania diod wynika moż-

liwość wykorzystania wszystkich zdobyczy mikroelektroniki

włączając w to możliwości sterowania strumieniem świetlnym

w czasie i przestrzeni. Dodatkowo, zaletą oświetlenia dioda-

mi LED jest to, że w odróżnieniu od lamp fluoroscencyjnych

nie wykazują one praktycznie opóźnienia w natychmiastowym

rozjaśnianiu się po włączeniu napięcia zasilającego. Niestety

parametry diod LED są wyjątkowo czułe na zmiany tempera-

tury złącza p-n, co zmusza do szczególnego potraktowania

problemu odprowadzania ciepła i właściwość ta wymusza sto-

sowanie odpowiednich rozwiązań układowych w systemach

sterujących. W szczególności, projektując układ zasilania diod

należy uwzględnić nie tylko monitorowanie prądu pod kątem

zapewnienia odpowiedniego poziomu natężenia oświetlenia,

lecz także monitorowanie temperatury diody i dostosowanie

do niej natężenie prądu zasilającego. Na rys. 7 pokazane są

przykładowe charakterystyki ilustrujące automatykę zasilania

diody. Nachylenie charakterystyk po przekroczeniu tempera-

tury krytycznej może być stałe albo zmienne w zależności od

zastosowanego rozwiązania sposobu uzyskania sprzężenia

zwrotnego w układzie sterującym.

Reasumując należy przyznać, że ranga problemów ter-

micznych jest ogólnie biorąc doceniana w przemyśle lamp

oświetleniowych z diodami LED, jednak wskutek złożoności

występujących tu zagadnień nie do końca są one popraw-

nie rozwiązywane. Mimo to nie od rzeczy będzie wspomnieć

w tym miejscu, że problemy odprowadzania ciepła z nowo-

czesnych opraw zawierających diody LED są przedmiotem

zainteresowania wielu firm i ośrodków badawczych.

Optyka lamp z diodami LED

Konfiguracja opraw oświetleniowych do diod LED może być

generalnie podzielona pod względem optycznym na dwie

grupy: iluminacja bezpośrednia i iluminacja pośrednia. Diody

LED są z reguły wyposażone w soczewki skupiające i ilumina-

cja bezpośrednia sprowadza się do umieszczenia wymaganej

ilości diod w oprawie, tworzących płaską matrycę. Cechą za-

sadniczą iluminacji pośredniej jest natomiast to, że obserwa-

tor nie widzi diod, gdyż emitowane przez nie światło odbijane

jest od odpowiednio ukształtowanych reflektorów. Rozkład

natężenia oświetlenia jest w tym przypadku całkowicie kontro-

lowany przez optykę reflektora, a wybór rodzaju konfiguracji

optyki lampy zależy od konkretnego jej przeznaczenia. Zaletą

iluminacji pośredniej może być to, że umożliwia ona uniknięcie

zjawiska olśnienia. Nie bez znaczenia przy projektowaniu re-

flektora jest charakterystyka kierunkowa promieniowania emi-

towanego przez diodę. Chipy diod LED mają z reguły kształt

płaskiej powierzchni emitującej promieniowanie o rozkładzie

lambertowskim. Projektując reflektor należy jednak brać pod

uwagę, że na ogół emitująca powierzchnia diody przykryta

jest soczewką, która zmienia charakterystykę kierunkową

promieniowania diody. Geometria reflektora powinna ten fakt

uwzględniać, co zmusza do wnikliwej optymalizacji geometrii

całego sytemu optycznego. Działanie to może jednak dopro-

wadzić do istotnego zwiększenia natężenia oświetlenia osią-

ganego w wybranym obszarze oświetlanego obiektu.

Problemy natury ekonomicznej

Dynamicznie zmieniająca się technologia produkcji diod oraz

jej skala pozbawia sensu podawanie konkretnych liczb, nie

ma jednak obecnie wątpliwości, że ostatecznie tego typu

oświetlenie zdominuje rynek.

Do rosnącego zastosowania diod LED do celów oświet-

leniowych przyczyniły się w czasie ostatniej dekady liczne

ulepszenia ich technologii, wliczając w to opracowanie diod

dużej mocy, zwiększenie ich skuteczności świetlnej oraz

Rys. 7. Charakterystyki ilustrujące działanie dwóch systemów

kontroli prądu zasilającego diodę w zależności od temperatury

złącza p-n [21]

Fig. 7. Curves showing two types of feedback between p-n jun-

ction temperature and supply current (after [21])

ElEktronika 9/2010

150

wprowadzenie na rynek diod o „cieplejszym” świetle. Obecnie

producenci lamp oświetleniowych mają dostęp do diod o stru-

mieniu przekraczającym 100 lm. W rezultacie nacisk ze strony

przemysłu przesuwa się powoli z pola zagadnień technolo-

gicznych takich jak zwiększenie strumienia czy sprawności na

problemy związane z oddziaływaniem na potencjalnych klien-

tów, których interesuje wielkość emitowanego strumienia,

jednorodność barwy białego światła i cena lampy. Z punktu

widzenia producenta oznacza to konieczność wprowadzania

ulepszeń w technologii prowadzących do eliminacji niezbęd-

ności szczegółowej segregacji diod pod względem skutecz-

ności świetlnej, napięcia zasilania i barwy, a także napięcia

zasilania i niezawodności. Ta ostatnia cecha i czas życia diod

są szczególnie ważne w odniesieniu do oświetlenia, gdyż

w przypadku, gdyby użytkownik zawiódł się na tych para-

metrach, poniesione przez niego koszty na zmianę systemu

oświetlenia pociągnęłyby za sobą zniechęcenie i opóźniłyby

proces wprowadzenia systemów oświetlenia opartych na za-

stosowaniu diod LED.

Niezależnie od powyższego uważa się, że wprowadzenie

diod do systemów oświetlenia ulicznego osiągnie sukces i bę-

dzie on wzrastał z czasem. Już obecnie diody LED są do-

statecznie jasne, aby można było je stosować do tych celów.

Niestety, mimo zaoszczędzanej energii nadal pozostają kosz-

towne pod względem inwestycji początkowych, a ponadto

nowe systemy oświetlenia wymagają standaryzacji i należy

opracować wytyczne dla produkującego je przemysłu. Doty-

czy to np. pomiarów świetlnych obowiązujących w sytuacji,

gdy lampy pracują w warunkach oświetlenia mezopowego.

Mimo różnych trudności, atrakcyjność diod LED jako no-

woczesnych źródeł światła, w tym światła białego, jest na tyle

duża, że liczba produkujących je fabryk w skali światowej

sięga setek i ciągle pojawiają się doniesienia o budowaniu

kolejnych, szczególnie w krajach dalekiego wschodu. Dio-

dy emitujące światło białe znalazły się w sytuacji szczegól-

nie uprzywilejowanej z uwagi na ich szerokie zastosowanie

zarówno w urządzeniach przenośnych, jak i w systemach

oświetleniowych (patrz rys. 8).

Analizując sytuację w obszarze produkcji biało-świecących

diod LED należy jednak zwrócić uwagę na to, że dotychczas

dominują producenci diod raczej małej mocy, emitujących

strumień o skuteczności świetlnej na poziomie 70…100 lm/W.

Diody te znajdują zastosowanie w lampach służących do ce-

lów oświetlenia dzięki łączeniu ich w matryce liczące dziesiątki

sztuk. Jednak za rozwiązanie docelowe uważa się diody dużej

mocy zdolne do generacji strumienia o skuteczności świetlnej

o wartości co najmniej 150 lm/W. Maksymalna wartość teore-

tyczna tego parametru jest oceniana na 200 lm/W, ale pojawia-

ją się doniesienia, że granica ta może przesunąć się do 250

lm/W (rys. 1) [1]. Są też szanse na zwiększenie wymiarów chi-

pów diod lub też łączenia ich w matryce na wspólnym podłożu.

Przykład takich diody pokazano na fotografii z rys. 9 [24]. Dąży

się również do tego, aby temperatura barwowa emitowanego

światła nie przekraczała 3000 K, co poza walorami estetyczny-

mi usunie zagrożenie „zanieczyszczenia” środowiska.

Niebiesko-świecące diody produkowane są w ilości po-

nad 50 mld sztuk rocznie i liczba ta ma wzrosnąć do ponad

200 mld sztuk rocznie w roku 2014. Produkcja ta jest rozwija-

na w ok. 91 fabrykach zlokalizowanych głównie na Tajwanie

(40%), w Japonii (23%) i w Chinach (22%) [25] (rys. 10).

Wśród producentów diod dużej mocy wymienić nale-

ży przede wszystkim firmy: Cree, Nichia, Philips Lumileds

Lighting, Osram Opto Semiconductors i Seoul Semiconduc-

tors. Na szczególną uwagę zasługuje firma Cree, która dyspo-

nuje bardzo zaawansowaną technologią produkcji niebiesko-

świecących diod, a w listopadzie b.r. doniesiono o zakupieniu

przez nią fabryki w Chinach nastawionej na produkcję biało-

świecących diod do celów oświetleniowych [26]. Fabryka ta

będzie subwencjonowana dodatkowo przez chiński rząd i ma

Rys. 8. Prognozy rozwoju rynku diod HB-LED z zaznaczeniem

zastosowań do podświetlania monitorów, oświetlenia ogólnego

i innych aplikacji [23]

Fig. 8. HB-LED market forecast for lighting, displays, and other

applications (after [23])

Rys. 9. Fotografia biało-świecących diod serii XLamp ® LEDs

produkowanych przez firmę Cree. Strumień emitowany przez po-

szczególne modele wynosi odpowiednio: 1500 lm (pobór mocy

200 W), 855 lm (10 W) i 493 lm (5 W) [24]

Fig. 9. Manufactured by Cree white emitting LEDs of XLamp ®

LEDs type. Their outputs are 1500 lm (at 22 W), 855 lm (at 10 W)

and 493 lm(at 5 W), respectively [24]

Rys. 10. Rozkład geograficzny największych firm produkujących

diody LED. W objaśnieniach podano liczbę fabryk zaznaczonych

na mapie [25]

Fig.10. Map showing geographical layout of the biggest produ-

cers of LEDs. Number of the factories is given in insets [25]

ElEktronika 9/2010

151

się przyczynić do rewolucji techniki oświetleniowej w Chinach.

Kraj ten zaczyna juz przodować w produkcji opraw do oświet-

lenia zewnętrznego. W listopadzie 2009 r. doniesiono na przy-

kład o asortymencie lamp oświetleniowych oferowanych przez

firmę BBE LED (Shenzhen Bang Bell Electronics Co., Ltd).

który obecnie obejmuje co najmniej 7 typów lamp emitujących

strumień białego światła o wielkości 2000…16 800 lm. Firma

ta powstała w 1998 r. i zainstalowała swoje wyroby w celach

oświetlenia ulicznego już w ponad 120 krajach [27].

Warto dodać, że biało-świecące diody LED dużej mocy

i wysokiej jakości, projektowane do celów oświetleniowych,

produkuje już firma Osram. Dla przykładu, wprowadzane

obecnie na rynek przez te firmę diody charakteryzują się

skutecznością świetlną wynoszącą 104 lm/W i generują

strumień 124 lm o barwie 3000 K przy zasilaniu prądem

350 mA [28].

Rys. 2A. Charakterystyki diod InGaN/GaN ilustrujące zjawisko

“opadania” występujące wskutek wzrostu prądu zasilającego;

a) moc wyjściowa, wstawka pokazuje charakterystykę spektral-

ną diod wykonanych na podłożu GaN, b) zewnętrzna sprawność

kwantowa, wstawka pokazuje strukturę diody (typu mesa). ULD

oznacza „ultra mała gęstość dyslokacji”. Nasilenie zjawiska za-

leży od rodzaju podłoża [29]

Fig. 2A. Output power (a) and external quantum efficiency (b)

for mesa structure LEDs. Diagrams show the droop effect de-

pending on the LED substrate. ULD stands for “ultra low density

dislocations” (after [29])

Podsumowanie

Typowe biało-świecące diody LED w zależności od bar-

wy światła (temperatury barwowej), charakteryzują się już

obecnie skutecznością świetlną rzędu 70…100 lm/W, lecz

oczekuje się, że wkrótce zaczną dominować diody, dla któ-

rych wartość tego parametru będzie wynosiła co najmniej

150 lm/W. Do celów oświetleniowych niezbędne są jednak

źródła światła generujące strumień rzędu dziesiątków a na-

wet setek tysięcy lumenów. W dalszym ciągu konieczne za-

tem będzie stosowanie matryc zawierających odpowiednio

dużą liczbę diod. Nie jest to rozwiązanie optymalne, ale licz-

ne zalety diod LED jako źródeł światła przesądzają o tym,

że cała technika świetlna będzie zmierzała w kierunku za-

stąpienia nimi przeważającej większości dotychczas stoso-

wanych źródeł światła.

Ramka A

Spotykane powszechnie biało-świecące diody LED zawie-

rają chip diody emitującej światło fioletowo-niebieskie oraz

luminofor. Wzbudzenie tym światłem luminoforu generuje

komponenty o barwie zielonej i czerwonej, które po synte-

zie wszystkich składników prowadzą do emisji światła bia-

łego o wymaganej temperaturze barwowej. Efekt ten można

również uzyskać stosując trzy osobne chipy LED emitujące

odpowiednio barwy RGB (red, green, blue), ale jest to roz-

wiązanie stosowane jedynie w wyjątkowych przypadkach ze

względu na wysoką cenę i komplikacje związane z doborem

napięć i prądów zasilania każdego z chipów. Schematyczny

przekrój standardowej struktury diody fioletowo-niebieskiej

pokazano na rys. 1A. Cechą szczególną diod tego rodzaju

jest to, że magnez stanowiący domieszkę typu p w materia-

łach azotkowych sprzyja rekombinacji niepromienistej. Aby

temu zapobiec, nie domieszkowany obszar czynny diody

odgrodzony jest od obszaru typu p barierą dla elektronów

(EBL). W celu uzyskania możliwie dużej koncentracji noś-

ników biorących udział w rekombinacji promienistej (patrz

wzór) obszar czynny ma zwykle strukturę wielokrotnych

studni kwantowych (MQW).

Oczywistym kierunkiem rozwoju diod fioletowo-niebieskich

jest uzyskanie maksymalnie dużej sprawności energetycznej

i wielkości strumienia emitowanego światła. Niestety na prze-

szkodzie staje nie spotykane dotąd w przypadku innych diod

zjawisko „opadania” (ang. droop) charakterystyki sprawności

kwantowej i ograniczania przyrostu wyjściowego strumienia

świetlnego w miarę zwiększania gęstości prądu zasilającego,

jak pokazano to dla przykładu na rys. 2A.

Rys. 1A. Schematyczny przekrój poprzeczny nowoczesnej diody

InGaN/GaN

Fig. 1A. Cross-section of a present day InGaN/GaN LED

ElEktronika 9/2010

152

Jako wartość progową często uważa się gęstość elektro-

nów rzędu 50 A/cm

. Występowanie tego zjawiska stanowi

często przeszkodę w uzyskaniu źródeł o dużym strumieniu

niezależnie od tego na ile skutecznie potrafimy odprowadzić

generowane w diodzie ciepło. Jest to o tyle ważne, że zmu-

sza do zwiększania emitującej powierzchni diody, a w konse-

kwencji do stosowania wielu diod jednocześnie, jeśli mamy

zbudować lampę o wymaganej światłości. Przyczyny zja-

wiska „opadania” nie są dotychczas jasne. Poniżej zostaną

przedstawione najczęściej prezentowane ostatnio tezy i próby

usprawnienia technologii LED pod kątem jego minimalizacji

[29–32].

ziom energetyczny. Schematy tych procesów przedstawiono

na rys. 3A, a zależność między utratą nośników ładunku wy-

rażoną przez zmianę gęstości prądu J

str

a koncentracją nośni-

ków N wyznacza wzór:

str

= an + Bn

+ CN

gdzie A, B i C są pewnymi wielkościami stałymi.

Należy jednak zaznaczyć, że obowiązuje on w zakresie

stosunkowo niskich gęstości nośników kiedy ich rozkład pod-

lega prawu Boltzmanna, a nie Fermiego jak to ma miejsce po

przekroczeniu progu określanego jako inwersja obsadzeń.

Jako jedną z przyczyn zjawiska „opadania” upatruje się

w tym, że elektrony „przelewają” się poprzez barierę EBL jeśli

ich gęstość przekroczy pewną wartość krytyczną, a następ-

nie rekombinują z dziurami poza obszarem czynnym MQW.

Byłoby to wskazówką, że standardowa struktura diod GaN

jest niewystarczająca do tego, aby ograniczyć elektrony do

obszaru MQW.

Bardziej szczegółowe badania wskazały jednak na wystę-

powanie dodatkowych subtelności zjawiska opadania, takich

jak np. wpływ temperatury na jego przebieg, lub zależność

położenia na skali gęstości prądu zasilającego punktu, gdzie

sprawności osiąga maksimum. W konsekwencji przyjęto

tezę, że prawdopodobną przyczyną „opadania” może być

niedopasowanie potencjałów polaryzacyjnych na interfej-

sach obszaru MQW, gdy jest to heterostruktura InGaN/GaN.

Elektryczne pola polaryzacyjne powstają wskutek częściowo

jonowej natury wiązań pomiędzy składnikami półprzewod-

ników azotowych zawierających pierwiastki grupy III (Ga,

In) i grupy V (N). Występują one zarówno spontanicznie jak

i wskutek efektu piezoelektrycznego zależnego od naprę-

żeń. Niedopasowanie polaryzacji prowadzi do formowania

ładunków na powierzchniach interfejsu i modyfikuje przebieg

krawędzi pasm w obszarze MQW i EBL. Powstają bariery

potencjałowe, które stanowią przeszkodę dla przepływu noś-

ników ładunku i zwiększenie prądu wymaga dodatkowego

zwiększenia napięcia zasilania. Pola polaryzacyjne mogą

również ułatwiać występowanie zjawiska „przelewania” elek-

tronów. Wniosek o szkodliwym oddziaływaniu tych pól zo-

stał częściowo potwierdzony przez wyeliminowanie zjawiska
„opadania” po zastosowaniu barier AlGaInN zamiast GaN.
Jednakże hodowanie struktury czteroskładnikowej stwarzało

dodatkowe trudności technologiczne i ostatecznie zastoso-

wano heterostrukturę InGaN/InGaN o odpowiednio dobra-

nych składach. Pozwoliło to na zwiększenie mocy wyjścio-

wej diod o 18% przy gęstości prądu 300 A/cm

w stosunku

do diod InGaN/GaN oraz zwiększenie sprawności kwanto-
wej o 22%.

Hipoteza o negatywnym wpływie pól polaryzacyjnych zna-

lazła również pewne potwierdzenie w doświadczeniach prze-

prowadzonych z diodami wytworzonymi na podłożach GaN

wyciętych w płaszczyźnie krystalograficznej „m”. Należy wy-

jaśnić, że jak dotąd standardowe diody LED wytwarzane są na

podłożach GaN wyhodowanych lub wyciętych w płaszczyźnie

„c”. Porównanie charakterystyk sprawności kwantowej oby-

dwu grup diod wykazały, że diody wykonane na podłożach „c”

charakteryzowały się znacznie większym „opadaniem” spraw-

ności niż te wykonane na podłożach „m”. Niestety technologia

tych ostatnich jest bardziej kosztowna ze względu na droższe

podłoża o takiej orientacji.

Zaskoczeniem może być fakt, że w zasadzie efektu „opada-

nia” nie wiązano na ogół ze zjawiskiem Auger, chociaż zgodnie

z równaniem podanym wyżej powinien on być brany pod uwa-

gę w pierwszej kolejności. Wynikło to stąd, że znane są prace

teoretyczne, w których stwierdzono, że efekt Auger ma małe

Rys. 3A. Schematyczna ilustracja procesów rekombinacyjnych

występujących w półprzewodnikach z prostą przerwą energe-

tyczną; a) rekombinacja promienista oraz proces S-R-H, b) re-

kombinacja niepromienista typu Auger zachodząca w wyniku

zderzenia, odpowiednio, elektronów i dziur
Fig. 3A. Schematic diagrams illustrating recombination proces-

ses that take place in semiconductors with direct band gap; a)

radiative recombination and process S-R-H, b) nonradiative Au-

ger recombination caused by collisions of electrons and holes,

respectively

Dla przypomnienia należy wyjaśnić, że generacja świat-

ła przez przyrządy półprzewodnikowe uzależniona jest od

zdolności elektronów i dziur do rekombinacji w wyniku któ-

rej, redukcja energii układu zachodzi poprzez emisję fotonów.

Proces ten nosi nazwę rekombinacji promienistej. Nie jest to

jedyna droga prowadząca do pozbycia się uwolnionej ener-

gii elektronów. Na przykład, zamiast generacji światła układ

może tę energię zaabsorbować i zamienić na ciepło. Jedną

z dróg prowadzących do tego procesu jest mechanizm SRH

(Shockley-Reed-Hall), w którym biorą udział centra rekom-

binacyjne zlokalizowane na poziomach pośrednich wystę-

pujących w paśmie zabronionym. Poziomy takie powstają

w wyniku obecności obcych atomów w półprzewodniku lub

defektów jego struktury krystalicznej. Mogą także wiązać się

z powierzchnią półprzewodnika oraz z interfejsami w hetero-

strukturze diody. Wreszcie trzeci, często występujący mecha-

nizm rekombinacji niepromienistej, to proces Auger. W pro-

cesie tym energia uwolniona przez rekombinację elektronu

z dziurą jest przekazywana do innego elektronu lub dziury,

których energia odpowiednio rośnie i zmienia zajmowany po-

ElEktronika 9/2010

153

znaczenie w przypadku półprzewodników z szeroką przerwą

energetyczną, do jakich należą półprzewodniki azotkowe.

Obecnie zwrócono jednak uwagę na to, że studnie kwantowe

w tych materiałach są znacznie węższe, a czas życia nośników

znacznie dłuższy, niż w półprzewodnikach o węższej przerwie,

co powoduje zwiększenie gęstości nośników przy założonym

prądzie. Pośrednie obliczenia wartości współczynnika Auger

dla heterostruktur QW InGaN/GaN o składzie odpowiada-

jącym długości fali badanych LED wykazały w rezultacie, że

efekt „opadania” da się jednak wytłumaczyć jako efekt Auger.

Wynik ten został następnie potwierdzony doświadczalnie [33].

Innym ważnym ograniczeniem wielkości strumienia świet-

lnego emitowanego przez diody LED jest wytwarzane w nich

ciepło, które wpływając na temperaturę obszaru czynnego

diody (obszaru, w którym zachodzi generacja światła) de-
cyduje o wielu jej parametrach.

Należy do nich np. wielkość

skuteczności świetlnej, ale przede wszystkim czas życia

diod. Pod pojęciem tym rozumiemy liczbę godzin przepra-

cowanych przez diodę do momentu spadku jej strumienia do

poziomu 70% wartości początkowej. Parametr ten określany
jest symbolem L

. Badania prowadzone przez firmę Cree

(USA) − jednego z najbardziej znaczących producentów wy-

sokiej jakości chipów i diod LED wykazały, że zahamowa-

nie procesu starzenia diod jest uzależnione od temperatury

złącza p-n w diodzie, wielkości natężenia prądu zasilające-

go, oraz temperatury powietrza otaczającego diodę. Źródła

ciepła generowanego w typowej diodzie LED przedstawiono
na rys. 4A

oświetlenia dróg lub wnętrz. W każdym przypadku należy

brać pod uwagę właściwości naszego narządu wzroku,

który wykorzystuje dwie klasy fotoreceptorów określanych

odpowiednio pojęciem pręciki i czopki. Są to zakończenia

nerwów siatkówki oka dostrojone do różnych części widma

promieniowania elektromagnetycznego, przy czym w zależ-

ności od poziomu oświetlenia w różnym stopniu przyczy-

niają się do jego czułości widmowej. Czopki są aktywne

w warunkach dziennego oświetlenia przestrzeni otwartej

i wnętrza pomieszczeń oraz niemal zawsze w pomieszcze-

niach oświetlanych za pomocą elektrycznych systemów

oświetleniowych (tzw. fotopowe poziomy oświetlenia). Na-

tomiast w warunkach nocnych, gdy źródłem oświetlenia

są jedynie gwiazdy (tzw. skotopowe poziomy oświetlenia),

informacji wzrokowych dostarczają tylko pręciki. Pomiędzy

tymi skrajnościami występuje wiele sytuacji pośrednich jak

np. oświetlenie zewnętrzne ulic lub parkingów w warunkach

nocnych. Poziom takiego oświetlenia określa się terminem

„mezopowy”, a w procesie widzenia biorą udział zarówno

pręciki jak i czopki. Pewien pogląd na to zagadnienie dają
wykresy z rys. 1B.

Przedstawione wyżej właściwości narządu wzroku na-

rzucają konieczność korzystania z fotometrycznego układu

jednostek pomiarowych różniących się od analogicznych

pojęć dotyczących energii promieniowania elektromagne-

tycznego. Punktem wyjścia w układzie fotometrycznym jest

światłość źródła definiowana jako iloraz elementarnego

strumienia świetlnego wypromieniowanego w we wnętrze

Rys. 1B. Porównanie spektralnych charakterystyk czułości oka

dla widzenia skotopowego i mezopowego z charakterystyką wi-

dzenia fotopowego, odniesione do tego samego poziomu natę-

żenia oświetlenia [34]

Fig. 1B. Scotopic and mesopic luminous efficacy functions com-

pared to photopic function for one light level [34]

Rys. 4A. Schematyczny przekrój diody LED ze wskazaniem ob-

szarów decydujących o jej temperaturze [wg 20]

Fig. 4A. Schematic cross-section of a LED displaying heat sour-

ces in the diode (after [20])

(

definicje: T

– temperatura złącza p-n wewnątrz diody,

/ T

– odpowiednio: temperatura warstwy lutu,

chłodnicy i obudowy diody, I

– prąd zasilający LED,

AIR

− temperatura powietrza otaczającego diodę LED

Temperaturę T

można oszacować ze wzoru:

= T

+ (R

× V

× I

gdzie R

jest opornością cieplną obszaru pomiędzy

złą-

czem p-n a chłodnicą).

Ramka B. Wybrane definicje parametrów fotome-

trycznych istotnych dla urządzeń, w których źród-

łem światła są diody LED

Szczegółowa ocena optoelektronicznych właściwości diod

LED zwykle wiąże się z ich przeznaczeniem. Inne są bo-

wiem wymagania w przypadku, gdy są to diody sygnaliza-

cyjne, a inne gdy mają służyć jako źródło światła w systemie

nieskończenie małego stożka obejmującego dany kieru-

nek oraz kąta bryłowego tego stożka. Światłość określa-

na jest za pomocą jednostki zwanej kandelą, która należy

grupy siedmiu podstawowych jednostek miar w systemie

SI. Zgodnie z obowiązującą definicją jest to natężenie

źródła światła monochromatycznego o częstotliwości 540

THz i światłości 1/683 W/sr. Częstotliwość 540 THz odpo-

wiada długości fali 555 nm, przy której czułość ludzkiego

oka wynosi maksimum. Arbitralnie dobrana liczba 1/683

nawiązuje do poprzedniej tradycyjnej definicji tej wielko-

ści. Pochodną światłości jest luminancja w danym kierunku

definiowana przez iloraz elementarnej światłości, jaką ce-

chuje się nieskończenie małe otoczenie punktu oraz pola

pozornej powierzchni tego otoczenia widzianego w tym

kierunku [4].

ElEktronika 9/2010

154

Z praktycznego punktu widzenia źródeł światła interesu-

ją nas jednak głównie wielkości takie jak strumień świetlny

mierzony w lumenach (lm) oraz skuteczność świetlna źródła

światła mierzona w lumenach na wat (lm/W) mocy elektrycz-

nej dostarczonej do źródła. Skuteczność świetlna źródła dla

widzenia przy oświetleniu na poziomie fotopowym jest jednym
z najbardziej powszechnie stosowanych miar w ocenie sto-
sunku zalet do kosztów dla systemów oświetlających. Jednak

uważa się, że lepszą miarą oświetlenia zewnętrznego byłoby

uwzględnianie warunków widzenia przy oświetleniu na pozio-
mie mezopowym.

W niektórych przypadkach stosowana jest również wiel-

kość określana terminem sprawność świetlna. Jest to miara

procentowa strat w wielkości strumienia wychodzącego z ukła-

du optycznego w stosunku do strumienia wprowadzanego do

tego układu. W tym przypadku obydwie jednostki mocy muszą

być wyrażone w lumenach lub watach w zależności od tego,

co chcemy określić. Jeżeli obydwie jednostki mocy wyrażone

są w watach mamy ocenę zużycia energii elektrycznej. Na-

tomiast, np. dla oceny oprawy musimy określić sprawność

świetlną definiowaną przez stosunek mocy w lumenach.

Stosownie do definicji jednostek świetlnych, o których

mowa, najwyższa teoretycznie osiągalna wartość skuteczno-

ści świetlnej wynosi 683 lm/W i dotyczy ona monochromatycz-

nego światła zielonego. Maksymalna teoretyczna skutecz-

ność dla światła białego przy całkowitej jego mocy wyjściowej

rozłożonej równomiernie względem długości fali oceniana jest

na ponad 200 lm/W. Wartość ta dotyczy światła białego o zbli-

żonej do 100% wartości wskaźnika CRI (Color Rendering In-
dex)

za pomocą, którego określa się najlepsze podobieństwo

kolorów przy oświetleniu referencyjnym.

Skuteczność świetlna diod LED (oznaczana zwykle sym-

bolem η), jest ilorazem:

gdzie Φ oznacza strumień świetlny, zaś P jest mocą elektrycz-

ną dostarczoną do diody.

Wielkość strumienia zależy od sprawności diody definio-

wanej w procentach w postaci iloczynu:

w którym kolejne współczynniki η oznaczają wewnętrzną

sprawność kwantową, sprawność ekstrakcji światła oraz

sprawność energetyczną układu zasilającego. Pod tym ostat-

nim terminem kryją się między innymi straty energii elektrycz-

nej występujące w diodzie wskutek spadku napięcia na jej

rezystancji szeregowej oraz złączu p-n.

[

]

ext

int

Literatura i źródła danych

[1] LEDs Magazine, 5 Apr. 2010, Industry News, DOE publishes up-

dated R&D plan for solid state lighting,

[2] Narendran N., Gu Y., Jayasinghe L., Freyssinier J.P., Zhu Y.:

Long-term Performance of White LEDs and Systems, Proc.

First Int. Conf. on White LEDs and Solid State Lighting, Tokyo,

Nov. 26–30,2007, P174-P179.

[3] Laser Focus World, Roadmap projects significant LED penetra-

tion of lighting market by 2010, www. laserfocusworld.com/arti-

cles/177632.

[4] Żagan W., Podstawy techniki świetlnej, Oficyna Wydawnicza Po-

litechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.

[5] Mroziewicz B.: Półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne

(LED). Część III. Diody LED emitujące światło białe, Elektroniza-

cja 7–8/2003, ss. 6–11.

[6] Compound Semiconductor, April May 2010, LED-backlit displays

and street lighting fuel Taiwan’s LED growth, pp. 26–30, www.

compoundsemiconductor.net

[7] LEDs Magazine, April 2010, Strategically speaking: LCD back-

lights and lighting drive largest growth yet seen in HB-LED mar-

ket, pp. 23–26.

[8] Stevenson R., Chipmakers will reap the rewards of an explosion

in LED TV sales, www.compoundsemiconductor.net, Oct. 2009.

[9] LEDs Magazine, April 2010, Markets, pp. 9–10, SSL market to

reach $14 billion by 2013.

[10] LEDs Magazine, Jan/Feb 2010, Lyon illuminates European view

on LED lighting, pp. 32–34.

[11] LEDs Magazine, Feb. 2009; European Member States approve

the phasing-out of incandescent bulbs by 2012, www.ledsmaga-

zine.com/news/6/1/15.

[12] Whitaker T.: LEDs Magazine –Tech note: LED street light design

technology, www.ledsmagazine. com/features/6/3/1.

[13] LEDs Magazine, Funding and Programs: European regulations

outlaw inefficient incandescent lamps, www.ledsmagazine/fea-

tures/6/2/9.

[14] Laser Focus World, Roadmap projects significant LED penetra-

tion of lighting market by 2010, www. laserfocusworld.com/arti-

cles/177632.

[15] Strategies Unlimited, Five-Year Market Forecast, 2008-2012,

chapter 4.2.8 Residential Lighting.

[16] LEDs Magazine, April 2010, Funding programs, DOE publishes

updated R&D plan for solid-state lighting, p.19.

[17] LEDs Magazine, Dec. 2009, Bhandarkar V., Strategically speak-

ing: For Replacement Lamps, LEDs are Different.

[18] LEDs Magazine, Nov. 2009, Industry News; LRC method reduc-

es energy consumption of street lighting.

[19] LEDs Magazine, Oct. 2009, Press Releases, Blue light threatens

animals and people.

[20] Whitaker T.: Air temperature emerges as a crucial factor in de

Zarr R.:LEDs: Beyond High Brightness, Photonics Spectra,

Nov/2009, pp. 38–39

[22] Semiconductor Today, 14 April 2010, News, Seoul Semiconduc-

tor plans Q4 launch of 150 lm/W Acriche LED as 100 lm/W enters

production.

[23] LEDs Magazine, April 2010, LED Market, Strategically Speaking:

LCD backlights and lighting drive largest growth yet seen in HB-

LED market, pp.23-26, LEDsmagazine.com.

[24] Product Focus eNewsletter, June 8, 2010.

[25] Semiconductor Today, News, 8 April 2010, LED industry enter-

ing fast growth stage in 2010, http://www.semiconductor-today.

com/news_items/2010/April/S...

[26] LEDs Magazine, Nov. 2009, Industry News; Cree to open LED

chip production facility in China.

[27] LEDs Magazine, Nov. 2009, Products; BBE LED releases com-

plete range of LED Street Lights.

[28] LED professional, http://led–professional.com/research/33/1522

Osram-LED-produces Warm White Light with High Efficiency

and True Colors.

[29] Semiconductor Today, 2 Feb 2009, News, Following the thread

of LED efficiency droop, http://www.semiconductor-today.com/

news_items/2009/FEB/(Maier et al., Appl. Phys. Lett., vol 94,

p. 041103, 2009).

[30] Semiconductor Today, Dec. 2009, InGaN LED spillover and

efficiency droop, http://www.semiconductor-today.com/news_

items/2009/DEC/, (Lee et al, Appl. Phys. Lett. vol.95, . 201113,

2009).

[31] Semiconductor Today, 54 Technology focus: LEDs, Solutions

don’t solve droop controversy, http://www.semiconductor-today.

com

[32] Compound Semiconductor,, March 2010, Shedding light on the

mystery of LED droop, pp. 18–21 www.compoundsemiconduc-

tor.net

[33] Semiconductor Today, Auger largely responsible for limited

LED efficiency, http://www.semiconductor-today.com/news_

items/2009/DEC/(Zhang et al, Appl. Phys. Lett.,vol 95, pp.

201108,2009).

[34] Lighting Research Center, The Long and Lighted Road: Lighting

and Driving, http://www.lrc.rpi.edu/programs/Futures/LF-Auto/

roadway.asp.