plik

Rok LXXV 2007 nr 10

OPRACOWANIA – WDROŻENIA – EKSPLOATACJA

Dr inż. Stanisław Abramik, dr inż. Wojciech Władziński – Instytut Elektro-

techniki, Oddział Gdańsk

Nowoczesne systemy oświetleniowe z diodowymi źródłami światła

Stanisław Abramik, Wojciech Władziński

Prawie wszyscy znamy diody świecące (LED) używane jako

kontrolki świetlne lub wyświetlacze numeryczne stosowane

w sprzęcie elektronicznym powszechnego użytku. Niski

strumień świetlny i mała różnorodność barw wykluczały je

do tej pory z kręgu zainteresowań projektantów systemów

oświetleniowych. Jednakże obserwowany w ostatnich latach

rozwój technologii elementów półprzewodnikowych sprawił,

że o diodach LED można już mówić jako o nowoczesnym

rodzaju źródeł światła.

w przeciwieństwie do standardowej żarówki, będącej nadal naj-

częściej stosowanym źródłem światła, diody led charakteryzują

się większą skutecznością świetlną, a co za tym idzie – są źródłem

światła bardziej ekonomicznym. już dzisiaj skuteczność świetlna

wysokowydajnych, białych diod led osiąga 17 lm/w, a w niektó-

rych przypadkach dochodzi nawet do 30 lm/w. jest zatem porówny-

walna do skuteczności żarówek halogenowych. Przewiduje się, że

najdalej w ciągu dziesięciu lat led osiągną skuteczność świetlną na

poziomie 100 lm/w, porównywalną z dzisiejszymi wysokoprężny-

mi lampami wyładowczymi [1].

Powodem wysokiej sprawności diod jest fakt, że są one urządze-

niami półprzewodnikowymi, w których dokonuje się bezpośrednia

zamiana energii elektrycznej na promieniowanie świetlne. spraw-

ność tej przemiany jest bardzo wysoka, ponieważ większość do-

starczonej energii jest wypromieniowywana w widzialnym zakresie
widma [2].

Półprzewodnikowa konstrukcja diody led jest również atutem

w odniesieniu do czasu życia takiego źródła światła. eksploata-

cja konwencjonalnych lamp żarowych czy wyładowczych kończy

się po pewnym czasie ich nagłym, bezpowrotnym wygaśnięciem.

inaczej jest z diodami led. nie ulegają one raptownym „przepale-

niom”, ale zmniejszają stopniowo swoją światłość. w zależności od

poziomu generowanego promieniowania, mogą w praktyce świecić

od 50 000 do nawet ponad 100 000 godzin [3]. Średnia użyteczna

trwałość led jest kilkukrotnie wyższa niż dla popularnych lamp

fluorescencyjnych i kilkudziesięciokrotnie wyższa niż dla żarówek.

wyższość półprzewodnikowych systemów oświetleniowych nad

żarówkami wyraża się również w większej odporności na szoki me-

chaniczne i wibracje. dzięki zwartej budowie, brakowi części szkla-

nych i żarników, diody nie ulegają uszkodzeniu w przypadku ude-

rzenia czy spadku z pewnej wysokości. diody wykazują też większą

odporność na udary prądu związane z załączaniem i wyłączaniem.

jest to ważne w przypadku cyfrowego sterowania światłem diody,

jak i budowy aplikacji wymagających światła błyskowego.

dzięki tej właściwości dioda jest bardzo łatwo regulowanym

źródłem światła. Poprzez zmianę natężenia prądu zasilania diody

(w sposób cyfrowy lub analogowy) uzyskuje się zmianę strumienia

świetlnego, przy czym skuteczność świetlna pozostaje stała. z kolei

niższe prądy pracy diod powodują zwiększenie jej trwałości. Przy

zapewnieniu stabilizacji termicznej, zmiana prądu pracy diody nie

powoduje zmiany barwy emitowanego promieniowania.

Diody LED w oświetleniu

dzięki swoim właściwościom, diody led znajdują szerokie za-

stosowanie w wielu instalacjach oświetleniowych. najbardziej dy-

namiczny rozwój systemów oświetleniowych z diodowymi źródła-

mi światła można zaobserwować w przemyśle rozrywkowym oraz

samochodowym. ten ostatni dysponuje dużym wachlarzem poten-

cjalnych zastosowań dla diod led. jednym z miejsc, gdzie zainsta-

lowanie diod led wpływa na funkcjonalność lampy, jest oświetle-

nie zewnętrzne pojazdu.

Oświetlenie pojazdów

do niedawna we wszystkich lampach oświetlenia zewnętrznego

stosowano wyłącznie konwencjonalne żarówki. rozwój techniki

sprawił, że w obecnie produkowanych lampach świateł drogowych

i mijania standardowo instalowane są żarówki halogenowe, a w po-

jazdach samochodowych wyższej klasy – lampy ksenonowe. z ko-

lei w lampach świateł hamowania, pozycyjnych i kierunkowskazach

coraz częściej pojawiają się diody led [1]. strumień świetlny uzy-

skiwany w nowoczesnych diodach led jest na tyle duży, że coraz

więcej firm samochodowych stosuje półprzewodniki do oświetlenia

zewnętrznego oraz wewnętrznego samochodu.

rosnąca popularność diod jest związana z wielokrotnie mniej-

szym poborem mocy w porównaniu do żarowych źródeł światła.

Ponadto żywotność diody jest co najmniej dziesięć razy większa od

żywotności żarówki. duże znaczenie, szczególnie dla zastosowań

oświetleniowych pojazdów, ma również odporność na wstrząsy.

„drutowe” połączenia elektrod nie są aż tak wrażliwe na drgania,

jak żarniki żarówek.

dodatkowo dla zastosowań samochodowych znaczący jest czas

zaświecenia diody. jest on o 200 ms krótszy od czasu zaświecenia

żarówki [4]. reakcja kierowcy pojazdu jadącego za pojazdem ha-

mującym może być szybsza, przez co skrócona jest relatywna droga

hamowania. badanie przeprowadzone przez firmę lumileds hel-

la wykazały, że przy prędkości 100 km/h droga hamowania może

być krótsza o około 5,5 m.

argumentem przemawiającym za stosowaniem diod jest także więk-

sza dowolność w projektowaniu opraw lamp pojazdów. jest to związa-

ne przede wszystkim z niewielkimi rozmiarami takiego źródła światła.

małe gabaryty diody mają również duże znaczenie w przypadku, gdy

istnieje potrzeba zaadaptowania istniejących już opraw. kreatywność

konstruktorów doprowadziła do budowy diodowych zamienników

Rok LXXV 2007 nr 10

OPRACOWANIA – WDROŻENIA – EKSPLOATACJA

tradycyjnych żarówek, zaopatrzonych w odpowiednie trzonki (rys. 1)

albo tworzenia odpowiednich „wkładów”, gdzie diody umieszczone są

w taki sposób, że tworzą swoistą matrycę świetlną (rys. 2).

to ostatnie rozwiązanie autorzy pracy zastosowali do budowy

tylnych lamp sygnalizacyjnych dla wagonów tramwajowych serii

105n. w lampie wykorzystano matrycę diodową zbudowaną z po-

pularnych diod 5 mm, o podwyższonej jasności, zamontowanych

na odpowiedniej płytce drukowanej. w układzie sterowania zawarty

jest stabilizator prądu oraz elektroniczny układ przerywacza dla kie-

runkowskazów (opcja). lampa ma wyprowadzone złącza, zgodne

ze standardem stosowanym w tego typu tramwajach. lampy są te-

stowane w zakładzie trakcji elektrycznej w instytucie elektrotech-
niki w warszawie.

nowoczesne lampy są nie tylko doskonalsze technicznie, ale rów-

nież mogą wpływać na podniesienie funkcjonalności pojazdu. zasto-

sowanie led-owych źródeł światła w oprawach lamp pojazdów po-

zwala na zmniejszenie lub całkowite wyeliminowanie reflektora, a co

za tym idzie – wygospodarowanie większej przestrzeni wewnątrz po-

jazdu. lampę pozbawioną odbłyśnika (płytszą) można zamontować

na dowolnym płaskim podłożu. Przykładem może być prototypowa

lampa skonstruowana przez autorów artykułu [5] – również na potrze-

by oświetlenia zewnętrznego wagonów tramwajowych (rys. 3). głę-

bokość podstawy, na której zainstalowano tylko jedną diodę led du-

żej mocy, wraz z układem stabilizacji prądu, nie przekracza 15 mm.

w obu zaprezentowanych konstrukcjach różne natężenia świateł

pozycyjnych oraz hamowania uzyskano za pomocą skokowej zmia-

ny natężenia prądu diody. zasadę działania lampy dwufunkcyjnej

(pozycyjnej oraz stopu) przedstawiono na rysunku 4.

Oświetlenie akcentowe i dekoracyjne

systemy oświetleniowe, w których podstawowym źródłem

światła jest dioda led, bardzo dobrze nadają się do budowy tzw.

rys. 1. Przykład diodowego zamiennika żarówki

rys. 2. Przykład tylnej lampy wykorzystującej diody

rys. 3. Przykład tylnej lampy, w której wykorzystano diodę mocy

rys. 4. schemat blokowy układu tylnej lampy do pojazdu, zbudowanej na

diodzie led mocy

oświetlenia akcentowego (rys. 5a) oraz dekoracyjnego (rys. 5b).

diody – w przeciwieństwie do innych źródeł – emitują światło

monochromatyczne, tj. mieszczące się w bardzo wąskim zakre-

sie widma. uzyskanie odpowiedniej barwy światła dekoracyjnego

sprowadza się najczęściej do zastosowania odpowiedniej diody.

w przypadku braku diody o wymaganej barwie, pożądany kolor

światła można uzyskać poprzez mieszanie światła z trzech diod

rgb (czerwonej, zielonej i niebieskiej) [2, 6].

takie rozwiązanie ma tę zaletę, iż sterując każdą z diod osobno,

można uzyskiwać niemalże każdy kolor światła. Ponadto, łatwość

sterowania natężeniem strumienia świetlnego diody skłania do bu-

dowy prostych układów mikroprocesorowych, umożliwiających

kontrolę natężenia i barwy światła w czasie. rozwiązanie polegają-

ce na dostosowywaniu barwy dekoracji pomieszczenia do pory dnia

zostało zaproponowane przez zakład technik i systemów oświet-

lenia instytutu elektrotechniki w warszawie (rys. 6). Płynna zmiana

barwy podstawy lampy jest realizowana za pomocą mikroproceso-

rowego układu sterowania diod led serii luXeon, według zada-

nego algorytmu.

innym ciekawym przykładem zastosowania diod led do emisji

światła jest urządzenie zwane przez autorów „generatorem światła”,

przeznaczonym do systemów światłowodowych.

oświetlenie światłowodowe – czyli technologia pozwalająca

oświetlać odległy obiekt za pomocą źródła światła skierowanego

niebezpośrednio na ten obiekt – jest nowo rozwijającą się gałęzią

przemysłu oświetleniowego. technologia ta stwarza duże możliwo-

ści w konstruowaniu nowoczesnych systemów oświetleniowo–de-

koracyjnych.

generatory światłowodowe bazujące na konwencjonalnych źród-

łach światła mają ograniczone możliwości operowania kolorami.

zmiana barwy światła jest przeważnie realizowana poprzez prze-

Rok LXXV 2007 nr 10

OPRACOWANIA – WDROŻENIA – EKSPLOATACJA

puszczenie światła przez filtr barwny. aby uzyskać efekt ciągłej

zmiany kolorów, filtry wykonane są w formie tarczy świetlnej, obra-

canej dodatkowym silnikiem. słabą stroną takiego rozwiązania jest

zawodność elementów mechanicznych oraz obniżona sprawność

całkowita urządzenia. tarcze kolorów oraz silniki napędowe zwięk-

szają również gabaryty generatora.

rozwiązaniem alternatywnym jest wyeliminowanie konwencjo-

nalnych żarówek i zastąpienie ich specjalnymi diodami led, za-

opatrzonymi w odpowiedni dedykowany układ optyczny, o małym

kącie skupienia wiązki świetlnej. dioda led jest małogabaryto-

wym i energooszczędnym elementem oświetleniowym, z założenia

przeznaczonym do lamp o wymaganym niewielkim poborze mocy

i dużej żywotności. napięcie zasilania białych diod led mieści się

w granicach 3–4 V, co przy standardowych zasilaczach 12–24 V,

o odpowiedniej wydajności prądowej, pozwala na równoczesne za-

silenie wielu diod i powiększenie tym samym sumarycznego stru-

mienia świetlnego lampy.

Rys. 5.

Przykład oświetlenia:

a) akcentowego,

b) dekoracyjnego – fasadowego

Rys. 6.

lampy metamorfoza 85 w

rys. 7. urządzenia emitujące światło

do systemów światłowodowych:

a) porównanie gabarytów urządzenia

z żarówką halogenową i diodą led,

b) widok wnętrza generatora z diodą led 3 w

konstrukcja generatora bazującego na diodowym źródle światła

charakteryzuje się mniejszym zużyciem energii, zmniejszonym wy-

dzielaniem ciepła i mniejszymi gabarytami w porównaniu z urzą-

dzeniami klasycznymi. Przykładem może być generator skonstruo-

wany przez autorów artykułu, pokazany na rysunku 7.

dużą zaletą generatorów bazujących na lampie diodowej jest ła-

twość w operowaniu kolorami. zastosowanie diody trójkolorowej

lub trzech diod rgb pozwala na wyeliminowanie wspomnianych

wcześniej tarcz filtrów barwnych.

Oświetlenie słupowe – zewnętrzne

Przez długi czas głównym czynnikiem wykluczającym diody led

z kręgu zastosowań oświetleniowych był brak możliwości wytwarzania

diod emitujących wysokiej jakości promieniowanie białe. Pierwsze dio-

dy led dostarczały promieniowania o niemal monochromatycznym,

jednoprążkowym widmie. w przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł,

których światło ma znacznie bogatsze widmo, złożone z wielu prążków

i podkładu ciągłego, właściwość ta uznawana była za niedogodność.

jednym ze sposobów wytwarzania led o białej barwie promieniowa-

nia było połączenie trzech diod rgb w jednej obudowie. jednak nawet

łączenie struktur o tych trzech barwach na poziomie matryc diodowych

nie przynosiło zadowalających rezultatów i stwarzało wiele kłopotów,

zwłaszcza z uzyskaniem powtarzalnych parametrów produktu.

dzisiejsza technologia pozwala na produkcję białych diod led

w formie pojedynczej struktury. najnowsze generacje diod led dzia-

łają na zasadzie wytwarzania promieniowania ultrafioletowego, które

dzięki zastosowaniu odpowiedniego luminoforu [2], napylonego na

soczewkę diody, jest transformowane na promieniowanie widzialne

na zasadzie analogicznej jak w lampach fluorescencyjnych (świetlów-

kach). diody tego typu dostarczają promieniowania o temperaturze

barwowej około 4000 k i wskaźniku oddawania barw do R

= 75.

Przykładem zastosowanie białych diod led jest system słupowy

ekooświetlenia zewnętrznego ecoled, z diodami led 12×3 w, po

Rok LXXV 2007 nr 10

OPRACOWANIA – WDROŻENIA – EKSPLOATACJA

raz pierwszy zainstalowany w Polsce w grudniu 2004 r. na terenie

instytutu elektrotechniki w warszawie, przed wejściem do zakładu

technik i systemów oświetlenia (rys. 10). tego rodzaju rozwiąza-

nia, umieszczone na słupie o niewielkiej wysokości (ok. 3 m), moż-

na wykorzystać do oświetlenia np. alejek w parkach, reprezentacyj-

nych miejsc w miastach oraz nawet do oświetlania dekoracyjnego

i użytkowego mostów i dróg [7]. lampy takie w prosty sposób mogą

zmieniać barwę emitowanego światła, w zależności od pory dnia

czy innych parametrów zadanych przez operatora.

Inne rozwiązania

konstrukcjami, które poprzez wykorzystanie właściwości diod

led mogą predentować do miana energooszczędnych urządzeń

oświetleniowych, są np. projektor zewnętrzny led 8×3 w ogólne-

go stosowania (rys. 8) lub zespół projektorów nastawnych 4×Pn/3w

– do zastosowań specjalnych (rys. 9).

Wnioski końcowe

stale prowadzone prace nad rozwojem technologii led pozwa-

lają przypuszczać, iż w niedalekiej przyszłości diody led staną się

jednym z podstawowych elementów wykorzystywanych w technice

świetlnej. Pod względem technicznym i środowiskowym tego ro-

dzaju źródła światła mają wiele istotnych zalet, m.in.:



stosunkowo dużą skuteczność świetlną,



bardzo dużą trwałość (od 50 000 do 100 000 godzin),



wyjątkowo małą awaryjność, m.in. dzięki wysokiej odporności

na wstrząsy, uderzenia i wibracje,



możliwość uzyskiwania różnych barw światła, eliminującą po-

trzebę używania filtrów,



dostateczny wskaźnik oddawania barw w przypadku diod o bia-

łym świetle,



małe wymiary i wagę, ułatwiające projektowanie opraw,



możliwość natychmiastowego zaświecenia, nawet po zaniku na-

pięcia, i związaną z tym możliwość częstego załączania,



niskie napięcie zasilania, zwiększające bezpieczeństwo,



monochromatyczność i związany z tym brak promieniowania

nadfioletowego i podczerwonego,



brak zawartości rtęci – szkodliwej dla środowiska.

mimo przedstawionych zalet, diody nie są elementami idealnymi.

rozsył światła diody led jest zależny od budowy matrycy diodo-

wej emitera. co prawda, strumień świetlny może być kształtowany

za pomocą obudowy (soczewki), jednak plastikowa obudowa powo-

duje pogorszenie niektórych właściwości diod. na przykład może

ujemnie wpływać na warunki termiczne pracy złącza półprzewodni-

kowego, a tym samym na stabilność parametrów diody.

niezależnie od zastosowanej obudowy, diody dużej mocy mają

również dużą moc strat. Powoduje to wydzielanie większej ilości

ciepła i konieczność zastosowania dodatkowego chłodzenia ele-

mentów w postaci radiatorów [1]. odpowiedni system odprowadza-

nia ciepła jest elementem krytycznym w oświetleniu diodowym.

znaczącym mankamentem diod jest wrażliwość na zmiany ter-

miczne w okolicy złącza. sposobem na rozwiązanie problemu prze-

grzania diody jest nie tylko radiator, ale i odpowiedni układ zasilania

diod. zasilacz do tego rodzaju urządzeń powinien zapewniać stabi-

lizację prądu diody, aby nie dopuszczać do dużych zmian tempera-

tury na złączu półprzewodnika. brak stabilizacji termicznej może

prowadzić do zmniejszenia żywotności diody i odchyłki w barwie

emitowanego promieniowania.

diody led są elementami świetlnymi o małej powierzchni, sta-

nowiącymi tzw. skupione źródło światła (podobnie jak żarówki ha-

logenowe). oznacza to, że wraz ze wzrostem skuteczności świetlnej

rośnie ich luminancja. zatem stosowanie diod oświetleniowych,

szczególnie we wnętrzach, niesie niebezpieczeństwo powstawania

olśnienia i pogarszania warunków widzenia.

Przedstawione niedogodności nie stanowią jednak bariery ograni-

czającej stosowanie diod led do celów oświetleniowych. o coraz

większej popularności tego rodzaju półprzewodników mogą świad-

czyć m.in. różne specjalistyczne targi, gromadzące coraz więcej

wystawców, prezentujących nowoczesne systemy oświetleniowe

z diodowymi źródłami światła.

literatura

[1] sadowski P.: diody led małej mocy w oświetleniu. Oświetlenie Info 2006 nr 2

[2] fryc i.: jakość promieniowania optycznego diod led. Przegląd Elektrotechniczny

2003 nr 4

[3] gawryluk a.: od sygnalizatora do oświetlacza. led-y dużej mocy firmy lumileds.

Elektronika Praktyczna 2006 nr 10

[4] abramik s.: koncepcja oświetlenia miejskiego pojazdu szynowego – źródła światła

w oświetleniu zewnętrznym. konferencja mazowieckiego centrum zaawansowa-

nych technologii, serock 2005

[5] Ślęk b.: nowości w zakresie źródeł światła i elektroniki oświetleniowej. Przegląd

Eektrotechniczny 2003 nr 4

[6] Pabjańczyk w.: zastosowanie diod led w technice oświetlania i sygnalizacji w ru-

chu drogowym. Przegląd Elektrotechniczny 2003 nr 4

rys. 10. system oświetlenia zewnętrznego ecoled z diodami led 12×3 w

Rys. 8.

system ecoled z diodami led

12×3 w – projektor zewnętrzny

rys. 9.

zespół projektorów nastawnych

4×Pn/3w – do zastosowań specjalnych