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PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 8/2008

 

Sandra TABI

ŠOVA 

Slovak University of Technology in Bratislava  

 
 

LEDs and their application in practice 

 
 

Abstract. This paper handles with the properties and application of nowadays most forwarding light source, LED, particularly from the point of view 
of lightning technology. There were done measurements on white, red and blue diodes. 

 

Streszczenie

W artykule przedstawiono problematykę cech i zastosowań obecnie najbardziej rozwijających się źródeł światła, LED, zwłaszcza  z 

punktu widzenia techniki świetlnej. Wykonano pomiary diod białych, czerwonych i niebieskich.  (Diody elektroluminescencyjne i ich  praktyczne 
zastosowanie).
   

 
Keywords: light, LED, measurements, lifetime, luminaire. 
Słowa kluczowe: światło, diody elektroluminescencyjne, pomiary, trwałość, oprawa oświetleniowa. 
 
 

Introduction 

 

LED  was  used  more  than  30  years  only  in  special 

applications  as:  signal-technique.  The  reason  of  their  thin 
application  area  was  their  low  specific  output  and  their 
colour rendering. In the last years this light source features 
beating  up  lighting  and  technical  parameters,  such  as  a 
specific  output,  luminance  and  low  consumption.  LEDs  are 
moderately efficient, the average outputs is about  32 lm/W, 
new technologies deliver specific output up to 80-100 lm/W.

 

 

 
Advantages and disadvantages of LED 
 

LEDs are typically much smaller than conventional light 

sources,  allowing  for  dramatically  different  lighting  designs 
capitalizing  on  the  unobtrusiveness  of  the  source. 
Designing  with  LED  for  example,  can  enable  completely 
hidden  sources  of  light,  eliminating  large  visual  luminaries, 
and creating a magical effect when illuminated.

  

 

 
Fig. 1. One Chip LED lamps.

 

 
 

In figure 1 there are two LED lamps which can be used 

instead  of  standard  bulbs  or  halogen  lamps.  Every  lamp 
consists  of  LED  with  power  of  3W.  The  construction  of 
these lamps has also the function of cooling system.  
 

Light  emitting  diodes  provide  the  lighting  designer  with 

additional  options  and  choices  compared  to  conventional 
technologies.  Instead  of  taking  one  very  bright  source  and 
mounting  it  in  a  reflector  optic  to  distribute  light,  LEDs  can 
enable  alternative  lighting  concepts  where  the  light  source 
can  be  divided  into  multiple  points  of  light,  distributed 
across a surface, or placed in multiple planes. What is listed 
in figure 3.  
 

These  devices  have  no  moving  parts,  no  fragile  glass 

environments,  no  mercury,  no  toxic  gasses,  and  no 
filament. There is nothing to break, rupture, shatter, leak, or 
contaminate.  Unlike  typical  conventional  light  sources, 
LEDs are not subject to sudden failure or burnout. There is 
no point in time at which the light source ceases to function; 
instead, LEDs gradually degrade in performance over time. 
Conventional light sources (as well as some LEDs) contain 
invisible radiation as well as the visible component of light in 

the beam. This radiation can be very short wavelength blue, 
known as ultraviolet light, or long wavelength red, known as 
infrared,  which  causes  heat.  Ultraviolet  light  can,  and  will, 
damage  materials,  cause  colour  changes  and  eventually 
breakdown 

many 

materials. 

Museums 

and 

other 

applications  where  ultraviolet  light  is  a  liability  use 
expensive  low  flexibility  light  pipes  to  filter  out  this  harmful 
component  of  the  generated  light.  Frequently  the  light 
source  used  for  these  light  pipes  is  a  very  bright,  hot, 
incandescent  or  halogen  sources,  generating  most  of  their 
light  as  heat.  Infrared  light  can  damage  displayed  objects, 
increases  air  conditioning  costs,  decreases  environmental 
comfort, and  when  reflected  off  reading surfaces  increases 
eyestrain. 
 

Since  LED  based  light  sources  last  at  least  10  times 

longer  than  a  normal  light  source,  there  is  no  need  to 
replace  the  light  source,  reducing  or  even  eliminating 
ongoing  maintenance  costs  and  periodic  relapsing 
expenses. Because if we use LED instead of a conventional 
light  source,  there  we  have  to  replace  online  one  piece  of 
LED, not all LEDs which are in this lamp.  
 

Light  emitting  diodes  provide  even  greater  advantages 

in  applications  where  location  makes  replacement  difficult. 
Radio towers, offshore marine buoys, aircraft warning lights, 
and  bridge  and  tunnel  lights  all  require  expensive 
maintenance  fees  due  to  their  prohibitive  location. 
Eliminating  or  dramatically  reducing  the  frequency  of 
required  maintenance  can  save  thousands  of  euros  per 
maintenance call in these applications. 
 

The  long  life  of  a LED  solution  also  allows  for  trouble 

free  designs.  For  example,  even  with  the  temperature 
extremes,  high  shock  and  vibration  environment  of  trucks 
and cars.  
 

Light  Emitting  Diodes  require  no  filters  to  create 

coloured light, resulting in deeper saturated colours without 
wasted  light.  Deep  reds,  greens,  blues  and  other  colours 
can  be  produced  in  monochromatic  form  directly  from  the 
solid  state  element.  Many  lighting  applications,  such  as 
signs, signals, and warning lights, are coloured. Usually this 
light  is  created  through  filtering.  These  filters  block  the 
undesirable  portions  of  the  white  light  and  let  only  the 
desired  wavelengths  through.  The  blocked  light  that  is  not 
of the correct colour is therefore lost energy. 
 

Therefore,  to  make  a  red  sign,  one  can  use  a 

monochromatic  LED  that  generates  only  red  light  and 
therefore  does  not  require  an  additional  colour  filter.  There 
is  no  need  for  expensive  filters,  and  there  is  no  wasted 
energy.  
 

The  light  emitted  from  an  LED  is  directional.  Typical 

conventional  sources  such  as  incandescent,  halogen,  or 
fluorescent  lights  are  omnidirectional,  emitting  light  in  all 
directions.  In  order  to  direct  the  light  onto  the  object  to  be 

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illuminated,  light  that  is  not  directed  toward  the  desired 
location  must  be  redirected  using  secondary  optics.  Each 
time  a light  beam  is  reflected  and  some  of  its  intensity  is 
lost,  resulting  in  a  fixture  loss.  Typical  fixture  losses  range 
from 40 to 60%, meaning that in some cases less than half 
of  the  light  generated  by  the  source  is  directed  in  the 
desired direction. The directed nature of LEDs can result in 
fixture efficiencies of 80 to 90%, requiring less total lumens 
to provide the same level of illuminance. When considering 
LEDs as a light source it is important to consider all factors 
in determining the appropriate solution. For example, if you 
are  replacing  a  500  lm  source  in  a fixture  with  50% 
efficiency  with  an  LED  based  source  in  a fixture  with  85% 
efficiency,  less  than  300  lm  will  be  required  from  the  LED 
source for an equivalent illuminance. A side benefit from the 
directionality  of  light  emitted  from  the  LED  solution  is  the 
reduction of light pollution. 
 

Light  emitting  diodes  are  solid  state  devices  containing 

no moving parts and no filaments to break. As such, LEDs 
handle  rough  environments  including  heavy  vibration  and 
impact.  Unlike  conventional  light  sources,  which  typically 
contain  a  fragile  filament  enclosed  in  a  breakable  glass 
enclosure.  The  solid  state  natures  of  LEDs  make  them 
extremely  rugged  and  durable  and  excellent  choice  for 
applications  where  reliability  and  dependability  are 
paramount. 
 

Colour  LEDs  can  be  used  for  dynamic  colour  changing 

applications.  With  fast  turn  on  times  (measured  in 
microseconds) it is easy to instantly change from one hue to 
another.  Further,  you  can  generate  more  brilliant  colours 
than  are  currently  possible  on  conventional  LCD  or  CRT 
monitors,  these  LEDs  offers  a  larger  colour  range  than  is 
possible  using  conventional  lighting  technologies.  Not  only 
can you use LEDs for viewing applications (such as TVs or 
computer  screens);  the  endless  choices  of  colour  are 
available  for  almost  any  application.  Imagine  everything 
from a stadium replay panel, laptop screen, wall up lighters, 
pools and fountains. As white light is the combination of red, 
green,  and  blue  (RGB),  we  can  easily create  any  colour  of 
white (CCT) from warm to cool blue by changing the relative 
intensity of each colour component. 
 

LEDs  switch  on  and  off  so  quickly  and  have  an 

exceptional  dimming  range.  Light  emitting  diodes  are  fully 
dimmable  with  straightforward  driver  topologies.  This 
dimming  ability,  through  the  common  technique  of  pulse 
width  modulation  (PWM)  of  the  drive  current,  allows  for 
environmentally  friendly  illumination  without  sacrificing 
either  the  Colour  Acceptance  Index  (CAI)  or  the  Colour 
Rendering  Index  (CRI).  With  PWM  control,  the  colour 
provided  is  independent  of  the  set  intensity.  Therefore  it  is 
easy  to  optimize  the  desired  colour  and  then  adjust  the 
intensity  to  suit  the  needs  of  virtually  any  application.  The 
use of an LED based lighting system enables a wide colour 
gamut  of  saturated  static  and  dynamic  lighting  effects. 
Whether  the  desired  effect  is  a  tunable  white  source  or  a 
single light capable of digitally producing any colour. 
 

Many  light  sources  in  use  today  are  not  well  suited  to 

cold  environments.  In  some  cases,  such  as  walk  in 
refrigerators,  cool  outdoor  climates,  or  automotive 
applications  expensive  drivers  are  required  to  enable 
ignition  at  low  temperatures.  LEDs  do  not  require  any 
special equipment or drivers, regardless of the temperature. 
Cold  start  is  not  a problem  for  this  solid  state  technology, 
down to -

40°C. This cold start ability allows for instant on/off 

control  without  specially  designed  circuitry,  simplifying 
system  design  while  lowering  the  cost  of  the  electronic 
driver [1]. 
 

Street lighting 
 

For  public  lighting  there  are  used  high  pressure  lamps. 

In  older  lighting  systems  are  used  mostly  mercury  high 
pressure  lamps.  In  this  pressure  lamp,  like  in  every 
pressure  lamp  is  the  generation  of  light  based  on  another 
principle  than  it  is  at  the  solid  state  device  LED.  Mercury 
pressure lamps have relatively bad colour rendering Ra=40-
60,  lifetime  8-12 000  hours  and  luminous  efficiency  40-60 
lm/W.  High  pressure  mercury  lamps  are  replaced  by  high 
pressure  sodium  lamps,  which    have  better  technical 
properties.  The  tube  in  this  lamp  is  filled  except  other 
materials  mostly  with  sodium.  This  lamps  have  higher 
lifetime up to 32 000 hours, high luminous efficiency 60-130 
lm/W  though  the  colour  rendering  is  very  low.  In  the  past 
few years there have been developed high pressure sodium 
lamps with a good colour rendering Ra=30-80. 
 

For public lighting is also possible to use fluorescent or 

compact  fluorescent  lamps.  These  are  low  pressure  lamps 
with  lifetime  about  8000  hours  under  service  with 
conventional ballast. If we use electronic ballast, the lifetime 
of a low pressure lamp is ca.18 000 hours. Colour rendering 
of these light sources is very good it is between Ra=80-100. 
Problem  on  this  lamp  is  the  dependence  luminous  flux  on 
the  surround  temperature.  In  the  summer  and  winter 
months  there  decreases  the  luminous flux.  This  problem is 
solved  by  a specific  construction  of  fluorescent  lamps.  The 
luminous flux is not adequate for lighting of motorways. This 
light  source  is  better  to  use  for  lighting  of  parks  or 
pedestrian  zones.  Adequate  light  source  for  public  lighting 
is  the  metal  halide  lamp,  which  has  a better  colour 
rendering  and  higher  lifetime  than  high  pressure  sodium 
lamp.  Nowadays  there  are  some  lamp  producers,  which 
produce and sell luminaries for street lighting with LEDs. In 
figure 2 is an example for such street luminaire. 

 

 
Fig. 2. MILLENIO LED street luminaire [2].

 

 
 

As I ment

ioned in paper from Lumen V4: „LED lamp for 

public lighting” it would be much more expensive using the 
LEDs  instead  of  high  pressure  lamps.  But  now,  there  are 
produced  LEDs  with  higher  outputs  for  lower  prices  per 
piece  then  it  was  two  years  ago.  Because  of  the  sinking 
price,  there  is  given  a  possibility  to  produce  exterior 
luminaries  for  lower  prices  as  it  was  mentioned  in  that 
paper. 

  

  

 

 
Fig.  3.  LED  exterior  luminary  and  conventional  used  exterior 
luminaries [4]. 

 

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PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 8/2008

 

 

In  figure  3  it  is  shown  a  LED  exterior  luminaire.  This 

luminaire  was  designed  and  produced  by  our  student  Ing. 
František  Fülöp  within  the  frame  of  his  master  thesis.   As 
we  can  see  in  the  picture  there  were  used  only  20  LEDs, 
what  means  a constant  lighting  even  if  one  of  them  is  no 
more  functioning.  This  luminaire  can  be  used  in  parks, 
these  more  sources  in  one  luminaire  provide  more  safety 
for  the  pedestrians.  The  price  for  such  luminaire  is  about 
two  times  higher  than  a  price  for  a standard  street 
luminaire.  This  diodes  should  light  100 000  hours,  what  is 
given by the producer of this devices. This means almost no 
costs for the service.  
 
Factors influencing the lifetime of LED 
 

To  the  factors  which  affect  reliability  and  therefore  also 

the  lifetime  of  LED  is  especially  temperature.  With  the 
increase  of  the  temperature  is  the  specific  output  sinking. 
Maximum  allowable  temperature  of  the  junction  T

J

  should 

not be during the operation overruned (figure 4). 
 

Junction Temperature T

J

 (

°C)

R

e

la

ti

v

e

 l

u

m

in

o

u

s

 f

lu

x

 

Fig.  4.  Relative  luminous  flux  versus  junction  temperature  of  the 
source [3]. 

 
 

Operating  temperature  is  the  primary  condition, 

depending  on  the  surrounding.  LED  performance  largely 
depends  on  the  ambient  temperature  of  the  operating 
environment.  "Driving"  a  LED  "hard"  in  high  ambient 
temperatures  may  result  in  overheating  of  the  LED 
package,  eventually  leading  to  device  failure.  Adequate 
heat-sinking  is  required  to  maintain  long  life.  This  is 
especially important when considering automotive, medical, 
and  military  applications  where  the  device  must  operate 
over  a  large  range  of  temperatures,  and  are  required  to 
have a low failure rate. 
 

Another influence of the lifetime of a LED is for example: 

mechanical influence as

 

a pressure or drawing force, which 

increase  mechanical  tension  in  light  emitting  diode.  Also 
infrared  radiance  means  always  a  supplementary  heating 
up  of  the  source,  whereby  it  is  possible  to  overrun  the 
temperature  range,  at  which  can  LED emit  light.  Ultraviolet 
radiation is also unsuitable effect for the quality of radiance 
of LED, because it is rich of energy and the consequence is 
quenching  of  the  resinous  cover.  Same  like  by  virtue  of  IR 
and  UV  radiance,  comes  by  the  contact  of  LED  with 
chemical  gases  to  the  decrease  of  the  lifetime.  Depending 
of  the  used  material  can  the  lifetime  through  the  service  in 
surrounding  with  a high  dampness  and  temperature 
drastically shorten. 
 
Measurement 
 

We  decided  to  measure  if  there  is  any  decrease  in 

luminous  flux  through  the  lifetime  of  LEDs,  because  this  is 
one  important  factor  influencing  the  application  in  street 
luminaires,  as  well  as  in  another  then  only  in  street 
luminaires. 

 

We  used  30  LED  for  the  measurement  of  the  lifetime. 

These  LED  had  different  colour,  there  had  ten  pieces  blue 
colour, ten had red colour and ten were white. Every diode 
was in the circuit with a resistance. Used were LEDs which 
has these properties, given by the manufacturer:  
-operating temperature range: -

30 °C to +80°C, 

-  red  LED  was  made  of  AlGaInP,  blue  and  white 
semiconductor material was InGaN, 
-luminance  of  red  and  blue  LED  was  between  3000-4000 
mcd and the white had 11 500-16 500 mcd, 
- power is 100 mW at the white, at the blue and red LED is 
10 mW.  
 

This  circuit  consisting  of  30  LEDs  and  30  resistances 

was  connected  to  constant-current  supply.  At  this  way 
connected  LEDs  did  light  constantly.  Their  lighting  was 
stopped  only  during  the  measurement,  which  took  about 
one hour. Measurement on LED was done in different time 
periods.  Through  spectrophotometer  USB  2000,  notebook 
and  multimeter.  LED  was  positioned  in  a  measurement 
apparatus, which was connected to the spectrophotometer. 
The ambient temperature was also marked, it moved in the 
temperature  interval  21,5-

25ºC.  Scheme  during  the 

measurement is in figure 5. 
 

Source

A

R

I

S

PC

+

-

 

 
Fig. 5. Scheme during the measurement (S- spectrophotometer, A - 
multimeter, I - integrator, where the LED was inserted and R - serial 
integ

rated resistance R=300 Ω, PC - notebook). 

 

 

Up  to  this  day  were  done  ten  measurements  for  each 

type  of  used  LED,  together  we  collected  more  than  300 
values.  From  the  tables  we  can  identify,  that  the  decrease 
of  the  luminous  flux  is  visibly  at  every  diode  but  the  most 
visible decrease of the flux is measured at the white LEDs, 
as  we  can  see  in  figure  7.  Luminous  flux  did  sink  at  these 
diodes less than 60%, even on the LED was this decrease 
near  to  eighty  percents,  what  some  manufacturer  describe 
as the end of the lifetime of light source. 
 

The  lowest  decrease  at  the  red  LED  was  on  the  red 

LED,  it  was  25%  toward  to  the  initial  luminous  flux. 
Accordingly  relative  low  decrease  of  the  luminous  flux 
measured  at  the  red  LED,  was  on  the  blue  diodes,  where 
the  biggest  ultimate  decrease  was  38%.  One  blue  LED 
diode  at  the  last  measurement  ended  her  life  after  1336,8 
hours of lighting. 
 

 

Fig. 6. Percentage luminous flux versus time.

 

 
Conclusion 
 

From  the  measured  values  we  did  find  out,  that  the 

decrease  at  the  white  LED  was  average  60%  of  their 
beginning luminous flux. At the similar, how were used LED 
diodes for measurement, the producers indicate the lifetime 
between  8000  to  10  000  hours.  A  good  question  is,  if  for 

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selling  bidden  diodes  really  do  satisfy  the  demand  of 
maximum  decrease  of  the  luminous  flux  by  20%  through 
their lifetime, as many producer of lighting sources indicate, 
seeing  that  after  1336  hours  of  lighting  is  the  decrease  of 
luminous flux at the majority of LED bigger than 20% and it 
was  even  showed,  that  one  lighting  source  would  be  no 
more  useful  in  the  practice.  Interesting  would  be 
measurements  with  more  than  30  LEDs,  as  well  as  with 
power LEDs. 
 

LED  could  be  effectively  used  in  areas,  where  is  not 

heavy  traffic,  for  example  in  the  villa  areas  or  in  the 
communities in switching schedule, as a reaction for coming 
vehicle or pedestrian. Zero time of switching on and minimal 
costs for such lamp by using LED as light source, would be 
in this lighting system a great benefit opposite high pressure 
lamps,  which  have  a longer  time  for  start and  they cognize 
of  failing  by  switching  service.  Nowadays  we  provide 
measurements  on  the  university  with  LEDs,  which  are  in 
switching schedule. These results will be interesting for the 
using in exterior lighting luminaires. 
 

LED lighting can ensure a safe traffic and for pedestrian 

can sink risk of crime delinquency. 
 

Through  this  lighting  which  uses  a tight  viewing  angle 

will  decrease  in  many  incidents  glare  for  the  pedestrians 

and it will decrease the values of luminance in 

today’s often 

bad illuminated parts of city communications. 
 

REFERENCES 

[1]   Philips Lumileds lighting company,Benefits of Philips Lumileds 

Solid  State  Lighting  vs.  Conventional  Lighting.  [online]. 
Available on internet: <http://www.luxeon.com/pdfs/AB17.pdf>, 

2006

.

 

[2]   HESS. Available on internet: <http://pdf.archiexpo.de/pdf/hess-

form-licht/millenio-led-strassenleuchte/9916- 1665.html>, 2008. 

[3]   GEMMER,W.:  Light  emitting  diodes

.  In:  Handbuch  für 

Beleuchtung.  Horst  Lange,  5.Auflage,  2005.  I  -  6.13.1 

–  I  – 

6.13.8. ISBN 3-609-75390-0.  

[4]   

 

SITECO.Product 

catalogue

Available 

on 

internet: 

<.http://www.siteco.de/de/produkte/aussenleuchten/chapter/15
46/category/6910/family/6920.html>, 2008. 

 

 

Author

M. Sc. Sandra TabišováSlovak University of Technology 

in  Bratislava,  Faculty  of  Electrical  Engineering  and  Information 
Technology,  Department  of  Electrical  Power  Engineering, 
Ilkovičova 

3, 

812 

19 

Bratislava, 

Slovak 

Republic, 

sandra.tabisova@stuba.sk