Světelné zdroje - Světelné diody

Hlavní přednosti LED

a) Geometrické parametry

• umožňují konstruktérům vytvářet velké množství světelných přístrojů a svítidel nejrůznějších tvarů, výkonů a rozměrů;
• malé rozměry umožňují navrhovat světelné přístroje s vysoce koncentrovaným svazkem světelné (resp. zářivé) energie. To je výhodné např. v oblasti přenosu informací.

b) Elektrické a světelné parametry

• malé napájecí napětí, které nevyžaduje ochranu před nebezpečným dotykem;
• lze je spojovat do série, a tím dosáhnout vyšších hodnot světelného toku;
• stejnosměrný provoz umožňuje snadnou regulaci pomocí stávajících prostředků řízení a ovládání osvětlení;
• lze modulovat záření napájecím napětím;
• minimální doba náběhu (kratší než u žárovek) a rychlá odezva (nanosekundy). Mohou pracovat v impulzním režimu bez negativního vlivu na život a spolehlivost. Lze je snadno zapínat a vypínat;
• plná stmívatelnost beze změny barvy; stmívací moduly jsou kompatibilní s nyní používanými standardními systémy pro žárovky, zářivky nebo halogenové žárovky;

• lze je napájet solárními články;
• je možno jimi zajistit energeticky úsporné osvětlení;
• lze vytvářet osvětlovací soustavy s dynamickým řízením intenzity a barvy světla;
• mohou svítit v libovolné poloze;
• mají vysoký jas;
• barevné LED mají velkou účinnost, protože k dosažení požadované barvy se nepoužívají filtry způsobující u jiných světelných zdrojů nežádoucí ztráty;
• teoretické možnosti dalšího zvyšování měrného výkonu nejsou ani zdaleka vyčerpány. Již v současné době reálně dosahované hodnoty 100lm/W u jednotlivých diod a špičkové hodnoty nad 130lm/W budou jistě překonány. V odborné literatuře se hovoří o reálném cíli až 200lm/W (v laboratorních podmínkách již bylo této hranice dosaženo).

Poznámka 2:
Je nutno si uvědomit, že uváděné maximální hodnoty se vztahují na čipy a jsou udávány pro optimální hodnoty proudu (např. u diod o malém výkonu při 20mA, u výkonných diod při 350mA) a při teplotě PN přechodu 25°C. Jejich použitím v konkrétním světelném zdroji při jiných hodnotách proudu a v jiných teplotních podmínkách dochází k určitému, někdy znatelnému snížení těchto hodnot včetně života. Nicméně trvale se zlepšující kvalita čipů, jak ji prezentují nejvýznamnější výrobci (CREE, Nichia, Philips, OSRAM a další), se velmi rychle promítá i do zvyšující se kvality sériových výrobků, v nichž jsou tyto čipy použity. Trvalý a velmi dynamický růst kvality čipů u uvedených výrobců zároveň svědčí o mohutném reálném potenciálu výrobků na bázi LED.

c) Kolorimetrické parametry

• lze získat velký počet barev – červenou, oranžovou, žlutou, zelenou, zelenomodrou, modrou a fialovou. Většina těchto barev (v případech, kdy pro dosažení výsledné barvy světla nejsou použity luminofory) se vyznačuje vysokou čistotou, jsou téměř monochromatické, což je důležité z hlediska jejich nezaměnitelnosti zejména v signálních zařízeních. Současně je možno jejich kombinací získat teoreticky nekonečně velký počet barevných odstínů a hodnot jasu v soustavách s dynamickým řízením osvětlení;
• lze vyrobit LED bílé barvy s velmi dobrou účinností, vysokým Ra a v potřebné stupnici teplot chromatičnosti;
• je možné vyrobit LED zářící v ultrafialové a infračervené oblasti.

d) Provozní parametry

• jsou vysoce spolehlivé;
• mají extrémně dlouhý život. Údaje jednotlivých výrobců se pohybují mezi 60 až
100 tisíci hodinami, při úbytku světelného toku 30 až 40%. Tato hodnota však do značné míry závisí na okolních – zejména teplotních – podmínkách;
• náklady na údržbu a výměnu vadných zdrojů jsou nižší;
• interval teploty okolního prostředí je široký, uvádí se mezi –30 a +60°C;
• povrchové teploty jsou nízké a absence UV a IR záření (kromě diod speciálně vyvinutých pro tyto oblasti spektra) umožňují pro konstrukci přístrojů s LED používat plasty;
• konstrukce je mechanicky odolná, snášející bez vážnějších následků otřesy a vibrace;
• při sestavování osvětlovacího přístroje ze světelných diod není zapotřebí používat další optické prvky na usměrnění světelného toku v požadovaném směru.

e) Vlastnosti z hlediska životního prostředí

• neobsahují zdraví škodlivou rtuť;
• nemají negativní vliv na životní prostředí ani během provozu ani po ukončení jejich života, značná část používaných materiálů je recyklovatelná.

K nevýhodám světelných diod patří zatím především vysoká cena a významná závislost jejich hlavních parametrů na teplotě okolí.

Uvedené výhody LED mají za následek stále se rozšiřující oblast jejich použití a již dnes lze konstatovat, že řadu druhů světelných zdrojů (žárovky na malé napětí, celoskleněné žárovky, doutnavky, část sortimentu normálních a halogenových žárovek, svíticích trubic i kompaktních zářivek), zejména v nových světelných přístrojích a zařízeních, nahradily nebo v nejbližší budoucnosti nahradí úplně. LED se uplatňují i v aplikacích, kde ještě donedávna bylo jejich použití nepředstavitelné (např. uliční osvětlení za využití standardních stožárů).

Hlavní oblasti použití

a) Signalizace

• nahrazují trpasličí žárovky ve vypínačích a kontrolních svítilnách indikujících stav elektrického zařízení, jejichž účinnost, zejména u žárovek s barevnými baňkami nebo s barevnými filtry, je deset až patnáctkrát menší. Rozměrově a konstrukčně se přizpůsobují trpasličím žárovkám (LED v provedení s paticemi Ba9s, E10, Ba15, E14), celoskleněným žárovkám (patice W2×4,6, W2,1×9,5d) či telefonním žárovkám (patice T5,5×30, T5,5×22, T6,8×40);
• jsou vhodné pro dopravní značky v silniční, železniční a říční dopravě, pro semafory;
• používají se pro palubní desky automobilů i další komponenty osvětlení automobilů včetně vnějšího osvětlení (v současných moderních automobilech jsou použity desítky až stovky světelných diod);
• obsahují je ukazatele v interiérech i exteriérech, prvky k vyznačení únikových cest v budovách.

b) Venkovní osvětlení

• osvětlovací soustavy umístěné nízko nad vozovkou významně spoří elektrickou energii a omezují rušivé světlo;
• jsou vhodné pro zřetelné vyznačení okraje vozovky, barevné označení různých jízdních pruhů, barevné vyznačení cyklistických stezek a chodníků, pro dynamické řízení a operativní změny jízdních pruhů podle intenzity provozu na silnici s využitím svítidel zapuštěných do povrchu silnice. Usnadňuje se tak orientace účastníků provozu, snadněji lze předvídat kritické situace, zvyšuje se tím bezpečnost silničního provozu;
• jsou vhodné pro tzv. madlové osvětlení mostů;
• mohou osvětlovat pěší zóny v architektonicky náročném prostředí;
• jsou součástí osvětlovacích soustav v tunelech;
• vybavují se jimi osvětlovací soustavy se svítidly (obsahujícími i několik set LED) instalovanými na stožárech, jejichž výška a rozteč jsou obdobné jako u konvenčních soustav uličního osvětlení;
• architekturní osvětlení budov i jiných objektů.

c) Osvětlení vnitřních prostorů

• veřejné budovy, restaurace, prodejní místa;
• místní pracovní osvětlení;
• osvětlení exponátů v muzeích, na výstavách a v galeriích, zvýraznění určitých objektů.

d) Zobrazovací technika a reklamní osvětlení

• soustavy dynamického řízení počítačem s možností široké změny barev a jasu, vytváření běžících řádků a vln, plnohodnotná náhrada svíticích trubic;
• velkoplošné obrazovky se speciálním uspořádáním velkého počtu modrých, zelených a červených LED, s kvalitním vysoce kontrastním a ostrým obrazem i za denního světla a slunečného počasí s krátkou minimální pozorovací vzdáleností (již od 7m) a extrémně dobrým rozlišením při běžných pozorovacích vzdálenostech až do několika set metrů; hodnoty jasu dosahují 5000–8000 cd/m2 s perspektivou jejich dalšího růstu.

e) Zdravotnictví

• terapie kožních a vnitřních nemocí;
• dezinfekce vzduchu pomocí UV záření;
• vytvrzování hmot používaných v zubařské technice.

f) Další příklady

• dálkové ovládání bytového a průmyslového zařízení;
• čtení čárových kódů;
• optické myši u počítačů;
• prosvětlování klávesnic a displejů, např. v mobilních telefonech;
• kontrola bankovek UV zářením;
• důlní svítilny;
• kapesní a akumulátorové svítilny;
• přístroje nočního vidění s diodami zářícími v infračervené oblasti spektra;
• vytvrzování epoxidových pryskyřic;
• hračky;
• světelný zdroj ve vláknové optice.

Uvedený přehled oblastí použití LED není ani zdaleka úplný. Jsou vybrány pouze namátkově pro ilustraci této bouřlivě se rozvíjející skupiny světelných zdrojů. V odborné literatuře se objevují takřka denně zcela nové aplikace LED, kde nahrazují konvenční zdroje. Konstruktéři svítidel a světelných přístrojů tak velmi operativně reagují na novinky, které se objevují ve výzkumných laboratořích předních světových výrobců světelných diod.

Poznámka 3:
Významné rozdíly v konstrukci běžných světelných zdrojů a LED vyvolávají nutnost respektovat jejich malé rozměry, spektrální složení světla (záření) a prostorové rozložení svítivosti i při měření, kdy cílem je zajistit jeho přesnost a potřebnou reprodukovatelnost. Tato problematika je předmětem publikace CIE [5] stanovující přesné podmínky měření (přijímač s kruhovou vstupní štěrbinou o ploše 100mm2, osa LED musí procházet středem štěrbiny, měření se provádí ve vzdálenosti 316mm – podmínka A (odpovídá rovinnému úhlu 2°), a 100mm – podmínka B (úhel 6,5°). Takto lze porovnávat různé LED. Je třeba vzít v úvahu, že naměřené hodnoty nepředstavují maximální hodnotu svítivosti. Ta může být podstatně vyšší, pokud vyzařovaný svazek je velmi úzký.
Měřit lze na fotometrické lavici s fotometrickou hlavicí. Pro cejchování se používá etalon svítivosti LED s podobným spektrálním a prostorovým rozložením svítivosti. Lze použít i cejchovaný fotometr s luxmetrem. Pro dokonalejší charakterizaci světelného svazku je však zapotřebí znát maximální svítivost a prostorové rozložení svítivosti. K tomuto účelu byl vyvinut speciální malý goniofotometr, který na rozdíl od konvenčních goniofotometrů taková měření umožňuje. Z rozložení svítivosti lze následně vypočítat světelný tok. Problematikou měření a hodnocení světelných diod se zabývají též další publikace CIE.

Organické světelné diody
Své místo mezi moderními světelnými zdroji si nacházejí i organické světelné diody (OLED), které díky svým geometrickým, světelnětechnickým a kolorimetrickým parametrům poskytují projektantům řadu nových možností při návrhu zajímavých osvětlovacích soustav. Tyto zdroje jsou vytvořeny na bázi organických materiálů, mají však obdobný princip využití materiálů typu P a N, na jejichž rozhraní nastává rekombinace elektronů a děr, při které vzniká světlo. Umožňují vytvářet co do plochy podstatně větší a rozměrnější světelné soustavy při jejich minimální tloušťce (hovoří se o dvojrozměrných světelných zdrojích) díky velmi tenkým aktivním vrstvám. Použití nových materiálů na výrobu elektrod zajišťuje značnou flexibilitu tvaru výsledného zdroje. Pomocí nich lze "rozsvítit" jakoukoliv plochu (strop, stěnu, části nábytku, okno apod.) podle záměru a fantazie autora projektu. Rozšíření těchto zdrojů napomůže i zcela odlišná a přitom v porovnání s výrobou klasických světelných diod jednodušší technologie výroby, využívající tiskařské techniky nanášení luminoforu mezi elektrody. Použitím různobarevných luminoforů s úzkými elektrodami lze vytvořit dlouhé svíticí pruhy usnadňující orientaci v budovách nebo vytvářet zajímavé dekorační osvětlení, světelné efekty apod. Nízký jas, nepotřebnost odrazných, resp. rozptylných dílů, velmi malá spotřeba energie, různorodost tvarů a barev představují základní výhody těchto zdrojů. Přestože v současnosti dosahované hodnoty účinnosti OLED jsou zatím zřetelně nižší než u běžných světelných diod, mnoho jejich dalších předností předurčuje dále rozšířit oblast použití tohoto moderního světelného zdroje.

Ing. Vladimír Dvořáček