plik

Ukazuje się od 1919 roku

1’08

Organ Stowarzyszenia Elektryków Polskich

• Wydawnictwo SIGMA-NOT Sp. z o.o.

Wojciech ŻAGAN

Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki

Rzetelnie i rozważnie o LED-ach – ocena obecnych i prognoza

przyszłych aplikacji oświetleniowych diod

elektroluminescencyjnych

Streszczenie.

Artykuł przedstawia syntetyczne spojrzenie na kwestię parametrów fotometrycznych LED-ów i aplikacji oświetleniowych tych źródeł

światła. Pokazano wady i zalety LED-ów i w tym kontekście wskazano racjonalne obszary zastosowań.

Abstract

. Paper presents the synthetically view of the photometrical parameters of the LED’s and of the lighting applications of these Light sources.

It was shown advantages and disadvantages of the LED’s and the rational areas of application. (Honestly and prudently about LED – future and
present state of LED application in lighting

Słowa kluczowe: technika świetlna, źródła światła, LED-y, aplikacje.
Keywords: lighting technology, light sources, LED’s, applications.

1. Wprowadzenie
W ostatnim czasie daje się zauważyć i odczuć
narastającą atmosferę wymuszanej popularności diod
elektroluminescencyjnych jako źródła

światła. Ze

wszystkich stron: z prasy fachowej i codziennej, z obrad
konferencji naukowych i popularnych, z wystaw, targów, z
ust poważnych i mniej poważnych autorytetów dociera do
nas afirmacja tego źródła światła. Czy zawsze
uzasadniona?

Trzeba popatrzeć na to źródło światła wszechstronnie,

obiektywnie i chłodnym okiem, nie budując oceny wyłącznie
na podstawie jednej czy dwóch jego cech. Należy odrzucić
ten cały szum medialny i dokonać chłodnej analizy LED-ów
jako nowego źródła światła w oświetleniu, ale i w
sygnalizacji, biorąc pod uwagę możliwie wszystkie jego
cechy i ich znaczenie dla konstrukcji różnych opraw
oświetleniowych i rozwiązań urządzeń oświetleniowych.

2. Podstawa oceny źródła  światła i jego aplikacji
oświetleniowych
Każde  źródło  światła ma swoją  własną charakterystykę
– zestaw parametrów elektrycznych, fotometrycznych,
kolorymetrycznych, cech eksploatacyjnych i innych, które je
charakteryzuje.  Źródło  światła jest pierwotnym, naj-
ważniejszym elementem oprawy oświetleniowej i
urządzenia oświetleniowego. Zatem ocena tego elementu
musi wynikać z obu tych obszarów: z aplikacji tego źródła
do konstruowania opraw oświetleniowych jak i stosowania
opraw oświetleniowych wyposażonych w te źródło do
konkretnych zastosowaniach: oświetlenia wnętrz, terenów
zewnętrznych, elewacji budynków, celów sygnalizacyjnych,
dekoracyjnych i innych. Ocena powinna być tu pełna a nie
wyrywkowa. Równie istotna powinna być tu wiedza na
temat trwałości, rozkładu luminancji powierzchni święcącej
jak i informacja o przebiegu spadku strumienia świetlnego w
toku eksploatacji, czy możliwości sterowania.

Czy afirmacja, eksponowanie wysokiej trwałości źródła

światła bez dopowiedzenia, że po 10 tys. godzin, strumień
świetlny zmniejsza się do połowy jest rzetelną informacją o
nim?

Wydaje się, że potencjalni odbiorcy i użytkownicy tych

źródeł światła powinni mieć możliwość świadomej,
technicznej oceny LED-ów by uwolnić się od komercyjnych
cech spotykanego obecnie przekazu. Podstawą
przeprowadzonej oceny źródła i jego możliwych aplikacji
będzie zestaw następujących parametrów i cech
użytkowych:
• napięcie pracy,

• moc,

• strumień świetlny (skuteczność świetlna),

• luminancja,

• wymiary, powierzchnia gabarytowa,

• trwałość bezwzględna i użyteczna,

• podatność na sterowanie,

• oddawanie

barwy,

• barwa

światła,

• przestrzenny

rozkład strumienia świetlnego,

• rozkład widmowy promieniowania widzialnego.

Niektóre z tych składników oceny mają istotne

znaczenie wyłącznie w związku z konstruowaniem opraw
oświetleniowych a inne z punktu widzenia urządzenia
oświetleniowego wyposażonego w oprawy z tymi źródłami
światła. Tak więc, analiza i ocena LED-ów będzie
przebiegała dwutorowo pokazując określone konsekwencje
w każdym z tych obszarów.

3. Cechy fotometryczne i elektryczne LED-ów istotne
z punktu widzenia budowy opraw oświetleniowych
Prąd i napięcie pracy

Diody elektroluminescencyjne są w chwili obecnej

niskonapięciowym źródłem światła. Używane poziomy
napięcia zasilającego to kilka, kilkanaście Voltów. Diody

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 1/2008

najwyższej mocy zasilane są napięciem 24 V. Ta cecha
warunków zasilania jest niewątpliwą ich zaletą. Oddalony
jest bowiem problem niebezpieczeństwa elektrycznego,
choć może nie do końca, gdyż prądowe wysterowanie diody
wymaga użycia odpowiedniego źródła prądu, które w
obecnej rzeczywistości pozostaje zasilane napięciem
sieciowym 230V. Zatem do przestrzeni oprawy oświetle-
niowej, do jej korpusu, musi być doprowadzone napięcie
sieciowe i zagadnienie ochrony przeciwporażeniowej
powraca na nowo.

Odrębnym zagadnieniem jest kwestia rozwiązań

zasilania w przyszłości. Jakie prądy będą wymagały diody
większej mocy? Tendencja jest tu oczywiście wzrostowa.
Obecne zasilanie diod o mocy 1W prądem 350mA pozwala
na pewne dywagacje. Przyszłe diody o mocy kilkunastu lub
kilkudziesięciu watów potrzebować będą dużych wartości
prądu zasilającego. To, czy na nowo pojawi się kłopotliwy
problem grubości przewodów zasilających zależy od
napięcia pracy. Należy oczekiwać albo mniejszych wartości
prądu i większych napięć albo odwrotnie. Zatem należy się
liczyć z tym, że tak silnie obecnie eksponowana cecha
niskiego napięcia zasilania LED-ów będzie musiała zostać
zweryfikowana.

Moc elektryczna LED-ów

Moc obecnie produkowanych i dostępnych LED-ów jest

na poziomie pojedynczych Watów. Wprawdzie dostępne są
wykonania o wyższej mocy, np.12W, ale jest to konstrukcja
dość specyficzna, składająca się z 6 oddzielnych kryształów
półprzewodnikowych generujących  światło niezależnie od
siebie, scalona w jedną obudowę (rysunek 1). To tak jakby
złożyć w jedną obudowę 6 świetlówek o mocy 40W
i twierdzić,  że dostępna jest świetlówka 240W! Czy w tą
stronę pójdzie powiększanie mocy LED-ów?

Jakie znaczenie ma moc elektryczna LED-ów z punktu

widzenia konstrukcji opraw oświetleniowych? Biorąc pod
uwagę dzisiejszy poziom mocy i skuteczności  świetlnej
trzeba jednoznacznie stwierdzić,  że poważne aplikacje
oświetleniowe (oświetlenie wnętrz, dużych przestrzeni,
terenów zewnętrznych itp.) wymagać  będzie budowy
oprawy wieloźródłowej. Jeśli ograniczy się zastosowanie
LED-ów do oświetlenia miejscowego, zlokalizowanego to
przyszły wzrost mocy do poziomu 10-20W i skuteczności
świetlnej LED-ów generujących  światło białe do poziomu
50lm/W, umożliwi pełną zastępowalność tradycyjnych
źródeł żarowych w tym obszarze zastosowań.

Rys. 1. Wnętrze 12W diody elektroluminescencyjnej złożonej
z sześciu niezależnych 2W LED-ów. Czy konstruowanie LED-ów
większej mocy będzie polegać na składaniu diod mniejszej mocy?

Inne aplikacje – oświetlenie wnętrz, ulic, hal

fabrycznych, jeśli staną się realne, wymagać będą znacznie
większych mocy (100, 200 W), albo trzeba będzie się
pogodzić z koniecznością konstruowania wieloźródłowych
opraw oświetleniowych.

Zupełnie odrębną sprawą jest kwestia związku wielkości

mocy z temperaturą złącza półprzewodnikowego w
źródłach elektroluminescencyjnych. Jest to znany i
spędzający sen z oczu konstruktorów tych źródeł problem.
Budowanie

źródła ze specjalnymi radiatorami

powiększającymi jego gabaryty czy instalowanie nadmuchu
powietrza do chłodzenia jest w perspektywie poważnych
aplikacji oświetleniowych nie do zaakceptowania. W tym
kontekście zwiększanie mocy diody bez wyraźnej poprawy
skuteczności

świetlnej jest działaniem wyłącznie

marketingowym. Wprawdzie środowisko oświetleniowe
oczekuje informacji o dużej mocy pojedynczej diody, ale
bez pogorszenia innych jej eksploatacyjnych cech czy
warunków pracy.

Skuteczność świetlna i strumień świetlny

Problematyka tych parametrów została zasygnalizowa-

na przy okazji rozważań na temat mocy elektrycznej LED-
ów. Obecna skuteczność  świetlna nowych rozwiązań diod
jest sprawą dość otwartą i więcej w tej kwestii informacji
marketingowej niż rzetelności technicznej. Producenci i
dystrybutorzy sygnalizują w odniesieniu do diod
emitujących barwę białą  światła, skuteczność ponad 50
lm/W mówi się nawet o 100 lm/W, ale póki co sygnały te są
raczej szumem medialnym, chętnie nagłaśnianym. Trzeba
jasno wyrazić to, że w chwili obecnej skuteczność świetlna
„białych” diod jest porównywalna ze skutecznością świetlną
żarówek halogenowych i niewiele przekracza 30 lm/W.
Wartość ta ustala obecną pozycję LED-ów dość nisko
wśród  źródeł  świtała. Jednocześnie skuteczność  świetlna
jest obszarem nadziei. Jeśli bowiem parametr ten wzrośnie,
to przy tej samej mocy elektrycznej pobranej, moc zawarta
w przedziale widzialnym wzrośnie kosztem mocy straconej
w wyniku podgrzania złączą. Zatem prace nad wzrostem
skuteczności  świetlnej są pożądane z dwóch powodów:
zmniejszenia temperatury złącza i wzrostu strumienia
świetlnego Można sens tej kwestii odwrócić i powiedzieć, że
zmniejszenie temperatury złącza półprzewodnikowego
diody pozwoli poprawić skuteczność świetlną.

Obecny poziom dostępnego strumienia świetlnego

z pojedynczej diody jest stosunkowo niski, co głównie
wynika z małej mocy elektrycznej jednostkowych
egzemplarzy i realnej skuteczności  świetlnej. Dzisiejsze
LED-y to źródła niskostrumieniowe, gdyż za takie należy
uznać rozwiązania, które emitują strumień  świetlny na
poziomie 100 lm, 200 lm a nawet 500 lm i wartość ta
pozwala obecnie na oświetlenie niewielkiego obszaru.
Gdyby nawet założyć, że „białe” LEDy osiągną skuteczność
świetlna na poziomie 100 lm/W a moc 50-100W to nasuwa
się refleksja i pytanie. Czym będą się te źródła różnić od
lamp metalohalogenkowych? Czy tylko trwałością? I czy na
pewno, przy tak dużej mocy, parametr ten osiągnie obecnie
deklarowana wartość 100.000 godzin? A czy obserwowany
spadek strumienia świetlnego LED-ów (około 50% po 10
tys. godzin) nie oznacza, że  źródło to będzie się nadawać
do eksploatacji tylko w ograniczonym czasie? Jakim? 6 - 8
tys. godzin?

Luminancja

LED-y to wysokoluminancyjne źródła światła. Rząd

wielkości luminancji obszaru generowania światła sięga
poziomu wartości 10

–10

cd/m

. Pod tym względem LEDy

przypominają żarowe źródła światła a przecież wielkość
luminancji była i jest jedną z głównych cech, które
uznawano za wadę

żarówek i zalet źródeł

fluorescencyjnych! Jest to więc z punktu widzenia
oświetlania wada. Zatem LEDy są potencjalnym źródłem
dużego olśnienia, większego niż świetlówki. Dla techniki
oświetlania wnętrz jest to negatywna cecha.

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 1/2008

Rys 2. Zarejestrowany rozkład luminancji LED-ów [1 ] pokazuje, że
jest to źródło wysokoluminancyjne, a przez to z jednej strony
tworzące zagrożenie olśnienia a z drugiej interesujące do
zastosowania w reflektorach.

Można jednak doszukać się pozytywnych stron wysokiej

luminancji źródła, ale w innych aplikacjach. W obszarze
układów reflektorów, projektorów duża luminancja źródła
jest cechą bardzo oczekiwaną. Luminancja w skali liniowej
przekłada się tam na światłość reflektora. Ta właściwość w
połączeniu z faktem świecenia praktycznie pół-
przestrzennego przez LED-y podpowiada ciekawe
zastosowanie, w którym źródło to skierowane zostaje w
stronę odbłyśnika (rysunek 3) i cały jego strumień może
zostać objęty i przetworzony przez reflektor. Przy tym nie
będzie konieczności zasłaniania promieniowania bez-
pośredniego, bo dioda świecić będzie tylko w głąb
reflektora.

Dzisiejsze LED-y to źródła o niewielkich gabarytach

obszaru święcącego. Pojedyncze kryształy mają wymiary
rzędu kilku milimetrów (rysunek 1). Ta cecha pozwala mieć
nadzieję na możliwość realizacji małej szerokości kątowej
wiązki świetlnej emitowanej przez reflektor, ale pod
warunkiem dobrego wyjustowania położenia (umieszczenia
obszaru święcącego diody dokładnie w ognisku).

Rys. 3. Przykład zastosowania LED-ów w konstrukcji reflektora,
w którym wyeliminowano promieniowanie bezpośrednie źródła na
zewnątrz lustra.

Gabaryty i wymiary LED-ów
Niewielkie gabaryty elektroluminescencyjnych źródeł
światła pozostają chętnie używanym argumentem ich
pozytywnych cech praktycznych. Na kwestię tą należy
popatrzeć z dwóch punktów widzenia: wymiarów całej

diody, łącznie z obudową i wymiarów samego kryształu
ciała świecącego.

Gabaryty kryształu ciała świecącego są obecnie

najczęściej uformowane w postaci maleńkiego
prostopadłościanu, który w wykonaniu płaskim emituje
promieniowanie głównie powierzchnią zewnętrznej
podstawy, a w wykonaniu przestrzennym (zbliżonym do
sześcianu) emituje promieniowanie przede wszystkim
powierzchnią boczną. Zatem można mówić o krysztale
przestrzennym i płaskim. Czy tendencja ta ma charakter
trwały? Obserwując rozwiązanie ciała  święcącego LED-ów
o mocy kilkunastu watów można by oczekiwać,  że utrwali
się tendencja budowania LED-ów jako powierzchniowego
źródła  światła składającego się z płaskich kryształów
ułożonych regularnie obok siebie. Czy i kiedy doczekamy
przestrzennie uformowanego chipa kryształu?

W tej kwestii jest wiele niejasności i należy cierpliwie

oczekiwać bardziej zaawansowanych rozwiązań.

W chwili obecnej wymiary obszarów święcących,

będących właściwym źródłem światła są bardzo małe i jest
to efekt nie poradzenia sobie z kwestią temperatury złącza.
Takie rozwiązania, jak już wspomniano charakteryzuje
niewielka moc. Zwiększanie mocy, bez znaczącej poprawy
skuteczności świetlnej zawsze wiązać się będzie
z powiększaniem wymiarów. Zatem eksponowana cecha
małych wymiarów LED-ów jest tak naprawdę wyłącznie
konsekwencją obecnych niskomocowych rozwiązań. Jeśli w
przyszłości pojawią się większe moce LED-ów (rzędu
kilkudziesięciu watów) nie będzie to już małogabarytowe
źródło światła.

Patrząc na diodę elektroluminescencyjną jako na

kompletne źródło światła, poza kryształem świecącym,
trzeba zauważyć kilka innych elementów, które znacząco
powiększają jej gabaryty. Są to pierwotny układ optyczny
(wewnętrzny odbłyśnik lub soczewka). Może być to również
niewielka płytka montażowa, na której ten element jest
zamocowany a która służy jako płaszczyzna bazowa
zamocowania źródła. Wymiary LED-ów są powiększane
przez elementy układu elektronicznego źródła prądu, coraz
chętniej wkomponowane w bezpośrednią obudowę diody,
na podobieństwo układu stabilizacyjno zapłonowego,
stanowiącego integralną część świetlówek kompaktowych.

Rys. 4. Porównanie gabarytów trzech reflektorów: a) reflektor
halogenowy dichroiczny 20W/12V, b) reflektor halogenowy „Mini
STAR 20W/12V, c) zintegrowany reflektor LED ze źródłem o mocy
12W/24V. Jak przekonać projektantów, że źródła elektrolumines-
cencyjne są małe?

Zatem kilkuwatowa dioda elektroluminescencyjna

przyjmuje wymiary kilku centymetrów. Takie są dzisiejsze
realia. Czy kilkudziesięciowatowa dioda nadal będzie
małogabarytowym źródłem światła? Raczej nie.

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 1/2008

4. Właściwości LED-ów istotne dla urządzeń
oświetleniowych
Trwałość

Trwałość jako parametr eksploatacyjny LED-ów

eksponowany jest najbardziej w propozycjach zastosowań
i materiałach marketingowych zachwalających to nowe
źródło  światła. Czy jest to uprawnione postępowanie?
Najczęściej docierają do zainteresowanych mniej lub
bardziej poważne informacje o trwałości bezwzględnej LED-
ów rzędu 100.000 godzin. Trzeba jednak rozróżnić trwałość
bezwzględną od trwałości eksploatacyjnej. Co z tego, że
źródło światła może świecić przez 100.000 godzin skoro już
po 10.000 godzin traci 20% a nawet połowę swego
początkowego strumienia? Zatem raczej nie da się
skorzystać z tak wyśrubowanej trwałości bezwzględnej,
ponieważ eksploatacja LED-ów do granicy trwałości, ze
względu na duży ubytek strumienia świetlnego, wiązałaby
się z koniecznością stosowania bardzo dużych wartości
współczynnika zapasu. Jeśli dopuści się 50% spadek
strumienia  świetlnego w okresie eksploatacyjnym, to
wartość współczynnika zapasu należy przyjąć jako 2. Czyli
w chwili oddania instalacji poziom oświetlenia powinien być
dwukrotnie wyższy od nominalnego. Czy ma to coś
wspólnego z energooszczędnością? Pewnym sposobem
poradzenia sobie z tym problemem jest wysterowanie
początkowe LED-ów na poziomie odpowiednim do
wymagań  oświetleniowych i dalsze dynamiczne jego
dostosowywanie tego poziomu do szybkości utraty
strumienia świetlnego. To rozwiązanie generuje dodatkowe
koszty i komplikuje układ elektryczny, wymaga
wyposażenia instalacji w czujniki poziomu oświetlenia itp.
Zatem czy można mówić o tak ekstremalnie dużej trwałości
czy raczej o 6.000-8.000 godzin trwałości eksploatacyjnej?
Ten poziom trwałości nie jest nadzwyczajnie wysoki. Takie
są realne trwałości obecnie używanych wyładowczych
źródeł  światła zatem LED-y stają się pod tym względem
porównywalne z lampami metalohalogenkowymi,
świetlówkami i innymi źródłami wyładowczymi. Nawet
gdyby założyć, że trwałość LED-ów wynosi 100.000 godzin,
to czas eksploatacji źródeł o takiej trwałości wynosiłby
kilkadziesiąt lat. Czy komuś jest potrzebne źródło światła na
50 lat skoro trwałość opraw oświetleniowych szacuje się na
15-20 lat a więc utylizując oprawę oświetleniową wyjmiemy
z niej diodę i zainstalujemy do nowej oprawy?

W oświetleniu ulicznym, również w biurach wykorzystuje się
źródła  światła w Polsce przez 4000 godzin w roku. Zatem
diodowe  źródło powinno wystarczyć na 25 lat. Czy nie
należy oczekiwać,  że w tak długim okresie nastąpi istotny
postęp w tej części techniki świetlnej, którego wdrożenie
będą hamować nie wyeksploatowane LED-y?
Należy poza tym zwrócić uwagę na inną, poznaną przy
okazji wprowadzania na rynek świetlówek indukcyjnych,
tendencję. Producenci źródeł  światła nie będą zapewne
zbytnio zainteresowani dostarczeniem klientom źródeł
o ekstremalnie dużej trwałości. Czy nie należy kojarzyć
wysokiej trwałości LED-ów z ich wysoką ceną? Jest to
logiczne, gdyż jaką inną rekompensatę otrzymają
producenci  źródeł  światła w zamian za zmniejszenie
obrotów po wprowadzeniu LED-ów?

Elastyczność sterowania strumieniem świetlnym
Elektroluminescencyjne

źródła światła są typowymi

elementami półprzewodnikowymi i jako diody powinny być
zasilane ze źródła prądu. Obecnie do zasilania diod
o mocach 0,5 W, 1 W, 3 W używa się rozwiązań, które
wymuszają zasilanie prądem 0,25 A lub 0,35 A.
Realizacja źródła prądowego jest bardzo prostym zadaniem
z obszaru teorii obwodów a możliwość zmiany wartości
prądu zasilającego jest praktycznie możliwa od 0 do

wartości znamionowej. Oznacza to bardzo dużą
elastyczność regulowania strumieniem świetlnym a tym
samym dużą  łatwość wyposażania opraw oświetleniowych
przeznaczonych dla LED-ów w elementy elektroniczne
pozwalające na dostosowanie się poziomu
wypromieniowanego strumienia świetlnego do potrzeb. Nie
będzie więc większych problemów np. z kwestią
dostosowania lamp sygnałowych samochodów czy
sygnalizatorów ulicznych do luminancji otocznia
(dostosowanie do pory dnia). Łatwo będzie z pomocą LED-
ów realizować funkcję  ściemniania czy rozjaśniania, gdzie
impulsem do którejś z tych funkcji może być sygnał
z czujnika ruchu. Tym bardziej, że z racji na cechy tego
źródła zapalanie następuje w bardzo krótkim czasie,

a liczba cykli zapalania nie wpływa na trwałość diody. Jeśli
dalszy rozwój LED-ów umożliwi ich aplikacje oświetleniowe,
to cecha wygodnego sterowania strumieniem świetlnym
zapewni cały szereg wygodnych i oczekiwanych funkcji,
m.in. mieszania światła sztucznego z dziennym, dyna-
micznej zmiany rozkładu widmowego i barwy światła itp.

Chromatyczność światła LED-ów
Diody

elektroluminescencyjne

są przede wszystkim

źródłem  światła barwnego. Ta podstawowa cecha ustawia
całą sferę ich aplikacji. Wytwarzanie światła białego przez
LED-y jest następstwem zewnętrznej presji, aby zeń
uczynić  źródło uniwersalne. To spostrzeżenie implikuje
konkretne następstwa w postaci przede wszystkim
sygnałowych aplikacji LED-ów a zatem dość  wąskiego
obszaru wykorzystania. Światło barwne używane jest
powszechnie poza obszarem sygnalizacji przede wszystkim
w oświetleniu scenicznym, dekoracyjnym w iluminacji
(rysunek 5), w reklamie.

Rys. 5. Diody elektroluminescencyjne są niezastąpionym źródłem
światła barwnego

Na czym polega korzyść z zastosowania LED-ów w tych

obszarach? Źródła te nie potrzebują filtrowania światła,
ponieważ same emitują światło barwne. Ta cecha przynosi
duże oszczędności energii, zmniejsza jednostkowe moce
zainstalowane. Należy pamiętać bowiem, że tradycyjne filtry
barwne, aby nadać światłu białemu odpowiednie do potrzeb
zabarwienie muszą pochłonąć znaczą część strumienia
świetlnego. I tak uzyskanie dużego nasycenia światła
niebieskiego z iluminantu A (źródła żarowego) wymaga
użycia filtru, który pochłonie aż 90% strumienia świetlnego.

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 1/2008

Filtr czerwony zabiera około 50% , filtr żółty około 30% a filtr
zielony 40% strumienia świetlnego wytworzonego przez
oprawę oświetleniową.

Zatem w odróżnieniu od tradycyjnych lamp sygnałowych

czy barwnie święcących reflektorów, projektorów, oprawy
wyposażone w barwne LED-y mogą mieć przezroczysty
klosz a światło barwne będzie wyemitowane bezpośrednio
ze źródła.

Cechy kolorymetryczne światła barwnego LED-ów są

bardzo dobre a przede wszystkim godne uwagi jest prawie
100% nasycenie barwy. Uzyskanie mniejszego nasycenia
światła z użyciem LED-ów wymagać będzie mieszania
światła z kilku diod z udziałem diody świecącej na biało.

Oddawanie barwy
  Oddawanie barwy jako parametr charakteryzujący
źródła  światła stosowane w oświetlaniu, ma głębszy sens,
ale raczej w odniesieniu do światła białego. Zatem dla LED-
ów emitujących  światło barwne posługiwanie się tym
parametrem jest nieuzasadnione.
Jak scharakteryzować ten powszechnie używany parametr
dla rozwiązań LED-w które emitują światło białe.
Obecne rozwiązania LED-ów „białych” prezentują różne
oddawanie barwy, w zależności od sposobu realizacji
światła białego. Jeśli powstaje ono ze zmieszania barw
podstawowych, to oddawanie barwy, w spotykanych
rozwiązaniach, bardzo istotnie zależy od doboru mocy i
długości fali promieniowa składowych. Spotyka się
rozwiązania, w których to oddawanie jest słabe (R

<60), ale

również dobre (R

> 80). Można też kwestię emitowania

światła białego rozwiązać podobnie jak ma to miejsce w
świetlówkach, czyli przy pomocy luminoforu. Jest to bardziej
skuteczny pomysł na realizację dobrego i bardzo dobrego
oddawania barwy przez LED-y. To rozwiązanie wiąże się
jednak z koniecznością transformacji jednego pro-
mieniowania w drugie. W przypadku LED-ów najczęściej
jest to transformacja światła niebieskiego w widzialne. Jak
każde tego typu przekształcenie zastosowanie luminoforu
obciąży w pewnym stopniu skuteczność świetlną poprzez
sprawność transformacji. Biorąc pod uwagę obecne
doświadczenia konstruktorów w zakresie luminoforów
należy oczekiwać podobnych efektów jak w przypadku
świetlówek.

Rozkład widmowy promieniowania LED-ów
Rozkład widmowy mocy promieniowania
elektroluminescencyjnych  źródeł  światła charakteryzuje się
stosunkowo wąskim zakresem widma. Zasada ta odnosi się
do barwnych LED-ów. Emitują one promieniowanie
rozciągające się w obrębie kilkudziesięciu nanometrów,
a szerokość użyteczna widma wynosi około 20 nm. Bardzo
ważną cechą tego promieniowania jest położenie widma
w całej rozciągłości w obszarze widzialnym promieniowania
elektromagnetycznego. Zatem nie mamy tu do czynienia z
promieniowaniem UV ani IR, które w tradycyjnych źródłach
rozprzestrzenia się w tych samych kierunkach co
promieniowanie widzialne. Cecha ta (nie przekraczanie
granic zakresu widzialnego) na pewno wystąpi w
rozwiązaniach diod, które światło białe wytwarzają ze
zmieszania promieniowa podstawowych (np. RGB). Jest to
więc niezaprzeczalna zaleta LED-ów i już na tym tle widać
aplikacje w oświetleniu dzieł sztuki, oświetlenie pola
operacyjnego itp., ale cały czas pod warunkiem co najmniej
dobrego lub bardzo dobrego oddawania barwy.

Jaki rozkład widmowy prezentować będą białe LED-y z

luminoforem? Wydaje się, że podobny do źródeł
świetlówkowych. Zatem można oczekiwać, że również w
całości zmieści się w zakresie widzialnym i że prążki
odpowiedzialne za poszczególne barwy nie będą znacząco

różnej wysokości. Chyba, że przetwarzać się będzie
podobnie jak w świetlówkach promieniowanie UV na
promieniowanie widzialne. W takim przypadku pozostanie
problem ograniczenia promieniowania UV.

Przestrzenny rozsył strumienia świetlnego
Obecnie i dotychczas stosowane w praktyce źródła
światła realizowały w zasadzie całoprzestrzenny rozsył
strumienia świetlnego. Niewielki obszar kątowy zasłaniania
wynikał ze względów konstrukcyjnych- istnienia trzonka.
Źródła elektroluminescencyjne należy raczej zaliczyć do
półprzestrzennych rozsyłów strumienia świetlnego. Jest to
podstawowa różnica, będąca w pewnych rozwiązaniach
wadą w innych zaletą. Cecha ta jednoznacznie wskazuje
jednak na potrzebę zupełnie innego spojrzenia na te źródła
oraz na konstrukcję wykorzystujących je opraw
oświetleniowych.

Na rozsył światłości LED-ów trzeba popatrzeć poprzez

pryzmat możliwości realizacji różnych klas oświetlenia.
Jednocześnie nie należy zapominać o wspomnianej
wcześniej dużej luminancji tego źródła. Zatem raczej należy
oczekiwać, że oprawy oświetlenia ogólnego wyposażone w
LED-y powinny w dość istotny sposób przetwarzać ich
pierwotny rozsył  światłości. Tą tendencję można dostrzec
już dziś w postaci tzw. pierwotnego układu optycznego,
który najczęściej stanowi integralną część zatopioną w
przezroczystej kropli obudowy diody. Obecnie ostateczne
kształtowanie rozsyłu strumienia świetlnego dokonuje się w
postaci kilku oddzielnych układów optycznych (pierwotny
układ optyczny, wtórny układ optyczny itd.). W którą stronę
rozwinie się tendencja konstruowania układów opraw z
diodami? Chyba zależeć to będzie od tendencji rozwoju
bryły  świecącej chipa, będącej następstwem powiększania
mocy pojedynczej diody. Czy wysokomocowe źródła
elektroluminescencyjne będą  źródłem uformowanym
przestrzennie i świecącym caloprzeetrzennie, czy też
źródłem powierzchniowym święcącym półprzestrzennie
(rysunek 1)? Niezależnie od rozwiązania będzie to źródło
wysokoluminancyjne, wymagające precyzyjnej ochrony
przed olśnieniem i chyba w oprawach należy się Spo-
dziewać rozwiązania z wstępnym rozproszeniem strumienia
świetlnego, dla potrzeb realizacji szerokich rozsyłów i
wariantu w przezroczystej obudowie dla rozsyłów skupio-
nych. Należy też chyba prognozować, że w pewnym sensie
rozwiązania naśladować będą znane już pomysły dla źródeł
żarowych, chociaż półprzestrzenny charakter rozsyłu
strumienia świetlnego może tu wymusić inne podejście.

Rys. 6. Dwa równoważne pomysły na realizację zamierzonego
rozsyłu światłości: a) nakierowywanie diod, b) przestrzenne
uformowanie powierzchni bazowej.

Gdyby

opisać sytuację na dzień dzisiejszy, to ze

względu na ograniczenia w mocy pojedynczych wykonań
oprawa diodowa musi być oprawą wieloźródłową.
Zasadniczą więc kwestią w tym względzie jest prognoza na

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 1/2008

przyszłość. Jak będzie wyglądać budowa perspektywicznej,
rozwiniętej technicznie diody elektroluminescencyjnej

o mocy 20 W, 50W, 100 W? Czy należy o tych przyszłych
rozwiązaniach myśleć w kategoriach podobieństwa do
obecnych konstrukcji? Czy nie podejmą konstruktorzy LED-
ów wysiłku stworzenia tego źródła o całoprzestrzennym
rozsyle strumienia świetlnego? Wydaje się, że obecne
próby umieszczenia w jednej obudowie kilku chipów o
mniejszej mocy jest rozwiązaniem przejściowym,
wynikającym ze współzawodnictwa w dążeniu do
osiągnięcia największej mocy. Powyższy wywód i analiza
dotyczą aplikacji oświetleniowych LED-ów. A co
zastosowaniami w sygnalizacji świetlnej? Wydaje się, że w
tym obszarze półprzestrzenny rozsył strumienia świetlnego
jest oczekiwaną cechą, gdyż najczęściej obszar
geometryczny wymagań fotometrycznych dla lamp
sygnałowych nie przekracza wymiaru półprzestrzeni. Drugą
zaleta zastosowań LED-ów w sygnalizacji jest kwestia
równomierności luminancji powierzchni święcącej.
Wielodiodowa matryca tworzy warunki dużej
równomierności luminancji powierzchni sygnału świetlnego.
Trzeba dobrać taką ilość diod i taką ich moc jednostkowa,
aby sumaryczna światłość odpowiadała wymaganiom
danego sygnału świetlnego i aby luminancja powierzchni
wyjściowej była nie większa niż wymagana przy
dostatecznie dużej równomierności luminancji. Jak

pokazuje praktyka rozsyły światłości pojedynczych diod są
bardzo podobne do sumarycznego rozsyłu lampy
sygnałowej, zatem nie jest wymagane specjalne
przetworzenie bryły fotometrycznej LED-ów.

Jest też w materii przestrzennego rozsyłu światłości

LED-ów kilka ograniczeń. Jeśli dioda biała wykonana
będzie jako superpozycja kilku diod barwnych, to użycie jej
w układach skupiających może okazać się kłopotliwe. Rodzi
się pytanie, gdzie umieścić punkt ogniska? W obszarze
barwnie  święcącego pojedynczego chipa, czy też w
przestrzeni pomiędzy chipami (w środku geometrycznym)?
W pierwszym przypadku należy się liczyć z wystąpieniem
zjawiska niejednorodności barwnej wiązki  świetlnej. W
drugim nie zostanie wykorzystana duża luminancja chipa a
odpowiednia  światłość maksymalna będzie mniejsza niż w
pierwszym przypadku. Tu znów wydaje się, że rozwiązanie
LED-ów z białym  światłem wygenerowanym z luminoforu
jest rozwiązaniem lepszym i łatwiejszym w aplikacjach
oświetleniowych.

5. Podsumowanie
Jako podsumowanie powyższych rozważań zostanie
pokazane zbiorcze zestawienie ocen cząstkowych (tabela
1) wraz z autorska oceną odpowiednich cech
charakterystycznych źródeł elektroluminescencyjnych. Stąd
już tylko krok do wyciągnięcia wniosków aplikacyjnych.

Tabela 1. Zbiorcze zestawienie i autorska ocena parametrów technicznych LED-ów.

Obszar oceny LED-ów

Kategoria oceny

(parametr techniczny)

Wielokryteryjna ocena cech danej

kategorii obecnych produktów

Ocena prognozowanych cech

przyszłych produktów

prąd i napięcie pracy

Pozytywna : niskie napięcia
niewielkie prądy

Pogorszenie: wzrost mocy wymusi
wzrost prądu i napięcia

moc

Negatywna: niska moc wyklucza
poważne aplikacje

Poprawa: wzrost mocy spowoduje
wzrost strumienia świetlnego a zatem
możliwość poważnych aplikacji

skuteczność świetlna i
strumień świetlny

Negatywna: niewielki strumień
świetlny i raczej przeciętna
skuteczność świetlna

Poprawa: pojawienie się możliwości
aplikacji

luminancja

Negatywna (olśnienie)
Pozytywna (jako źródło światła w
reflektorze)

Pogorszenie (wzrost mocy spowoduje
powiększenie olśnienia)
Poprawa (wzrost luminancji powiększy
zasięg reflektorów z LED-ami)

LED jako źródło

światła w oprawie

oświetleniowej

gabaryty

Neutralna

Neutralna (mimo oczywistego wzrostu
gabarytów)

trwałość

Neutralna: z jednej strony duża
trwałość bezwzględna a z drugiej
znaczny ubytek strumienia świetlnego
w czasie

Poprawa: prognozuje się
zmniejszenia ubytku strumienia
świetlnego w czasie

elastyczność sterowania

Pozytywna: bardzo dobra możliwość
sterowania strumieniem

chromatyczność

Pozytywna: światło barwne
uzyskiwane bez filtrów

oddawanie barwy

Neutralna: w zależności od sposobu
realizacji światła białego (diody RGB -
oddawanie słabe, luminofor -
oddawanie dobre)

Poprawa: oczekiwanie wynika z
rozwoju technologii luminoforów dla
LED-ów

rozkład widmowy

Pozytywna : widmo pozbawione
promieniowania UV i IR

Pozytywna: widmo pozbawione
promieniowania UV i IR

Urządzenie

oświetleniowe

wyposażone w oprawę

z LED-ami

rozkład przestrzenny
strumienia świetlnego

Negatywna: rozsył półprzestrzenny
lub ukierunkowany
Pozytywna: brak promieniowania
bezpośredniego ze źródła w
reflektorach

Prognoza nieprzewidywalna: ze
względu na trudne do przewidzenia
rozwiązanie pierwotnego układu
optycznego

Z dotychczasowych rozważań na temat elektro-
luminescencyjnych źródeł światła i ich aplikacji wysuwają
się następujące wnioski, istotne dla chwili obecnej i
przyszłości.
1. Ze względu nie stosunkowo niewielki strumień

świetlnych pojedynczych LED-ów, ich poważne

aplikacje w oświetleniu wnętrz i zewnętrznym
wymagają zbudowania wieloźródłowych opraw
oświetleniowych. Implikuje to nadzwyczajne
powiększenie gabarytów opraw co niweluje
podnoszoną powszechnie zaletę minimalnym
wymiarów LED-ów. Wieloźródłowa oprawa jest

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 1/2008

istotną wadą w aplikacjach z obszaru techniki
oświetlania i dużą zaletą jeśli idzie o zastosowania z
zakresu sygnalizacji świetlnej, gdzie pewność
sygnału i równomierność rozkładu luminancji jest
bardzo istotna.

2. Światło barwne o dużym nasyceniu uzyskiwane bez

strat mocy (strumienia świetlnego) jest niewątpliwą
zaletą

źródeł elektroluminescencyjnych.

Wyeliminowanie filtrów barwnych poprawi
energooszczędność rozwiązań oświetlenia barwnego.
Jest to niewątpliwa zaleta, która może być
spożytkowana w aplikacjach sygnalizacyjnych
(sygnalizacja uliczna, samochodowa itp.),
dekoracyjnych, w iluminacji obiektów, oświetleniu
scenicznym itd.

Optymistyczna prognoza wzrostu mocy i
skuteczności  świetlnej LED-ów tworzy wprawdzie
nadzieję na szersze możliwości aplikacyjne, podobne
do dzisiejszych, powszechnie używanych rodzajów
źródeł  światła, jednak jednocześnie obecny stan
wiedzy  nie pozwala obiektywnie zweryfikować tych
prognoz. Dziś nie można odpowiedzieć na szereg
kluczowych dla tego problemu pytań, które
podpowiada chłodna analiza. Szczególnie dotyczy to
prognozy wzrostu skuteczności  świetlnej do 200
lm/W. Jak uzasadnić  tę prognozę wobec uznanej
wiedzy,  że wzrostowi skuteczności  świetlnej musi
towarzyszyć tendencja do monochromatyzacji
rozkładu widmowego o maksimum w okolicy długości
fal odpowiadających maksymalnej czułości widmowej
oka? Czym takie źródło będzie się różnić od lampy
sodowej? Po co je konstruować? Jakie będą
uwarunkowania temperaturowe dla jego pro-
mieniowania?

4. Wysoka trwałość bezwzględna elektroluminescen-

cyjnych  źródeł  światła, przy dość znaczącym ubytku
strumienia  świetlnego w toku eksploatacji nie jest
zaleta na taką skalę jak to się dość powszechnie
ogłasza. Aby skorzystać z takiego źródła, którego
strumień  świetlny zanika, trzeba stan początkowy
oświetlenia projektować na kilka razy wyższym
poziomie niż jest to wymagane (duży współczynnik
zapasu). Sytuacja taka działa niekorzystnie na
energooszczędność urządzenia oświetleniowego. W
tym zakresie, w kwestii badania ubytku strumienia

świetlnego, brak jest wiarygodnych wyników badań
naukowych a producenci LED-ów raczej unikają
ustosunkowania się do tej kwestii.

5. Niepodważalną zaletą źródeł elektroluminescen-

cyjnych jest duża łatwość i szeroka elastyczność
sterowania strumieniem świetlnym. Stwarza to
ogromne możliwości realizacji i inteligentnych
systemów sterowania z pełną regulacją mocy i
strumienia świetlnego i być może ta zaleta, po
odpowiednim rozwinięciu sprzętowym układów
zasilających, stworzy szansę na przezwyciężenie
niekorzystnej dynamiki ubytku strumienia świetlnego
w czasie.

Generalny wniosek, jaki można wysnuć obecnie w
następstwie całościowego spojrzenia na tytułowy
problem to skutecznie wywołany szum informacyjny oraz
prezentowane dość szeroko jednostronne i płytkie
spojrzenie na wybraną cechę LED-ów. Źródło to jest
traktowane, mimo swego bardzo wczesnego stadium
rozwojowego, jako antidotum na wszelkie wady
dotychczasowo wykorzystywanych źródeł światła. Jest to
dowodem ogromnej siły marketingu w tym zakresie,
którego efektem ma być powstanie rynkowego
zapotrzebowania na to źródło. Sytuacja jest tu bliźniaczo
podobna do presji, z jaką docierały do świata techniki
świetlnej zapowiedzi wszechstronnych aplikacji
światłowodów oświetleniowych.
Źródła elektroluminescencyjne są z technicznego punktu
widzenia dość interesująca alternatywą dla tradycyjnie
stosowanych źródeł światła jednak ich racjonalne
aplikacje odnoszą się do ograniczonego obszaru techniki
świetlnej.

LITERATURA

[1] Żagan W., „Scalone przetworniki obrazu - nowa era w

fotometrii”, Pomiary Automatyka Kontrola, nr 9 bis 2006, str.
9-12.

[2] Wiśniewski A., „Diody elektroluminescencyjne LED dużej

mocy”, XVI krajowa konferencja Polskiego Komitetu
oświetleniowego, Warszawa –31.05 – 1.06.20

Autor: prof. dr hab. Wojciech Żagan, Politechnika Warszawska,
Instytut Elektroenergetyki, 00-661 Warszawa, ul. Koszykowa 75,

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 1/2008