Zjawisko promieniowania LED jest związane z mechanizmem rekombinacji promienistej w półprzewodniku. W trakcie przepływu prądu przez złącze p-​n nośniki ładunku są do niego wstrzykiwane (dziury z obszaru p, a elektrony z obszaru n) i tam rekombinują promieniście (Rys.2.1). Proces elektroluminescencyjny w diodach może osiągać sprawności rzędu nawet 50%. W przypadku rekombinacji pasmo-​pasmo energia promieniowania ma wartość szerokości przerwy zabronionej Wg. Długość emitowanej fali można więc wyznaczyć ze wzoru:

Rozróżnia się dwa rodzaje półprzewodników:

Półprzewodnik samoistny – monokryształ pozbawiony domieszek, czyli obcych atomów w sieci krystalicznej. W półprzewodniku takim występuje tylko jedna możliwość transportu ładunku elektrycznego – elektronowi musi zostać dostarczona energia (np. przez podgrzanie), większa od energii przerwy zabronionej, by mógł znaleźć się w paśmie przewodnictwa. W miejscach opuszczonych przez elektrony, w paśmie walencyjnym, powstają tak zwane dziury, będące, najprościej tłumacząc, dodatnimi nośnikami ładunku (elektrony są oczywiście nośnikami ujemnymi).

Półprzewodnik domieszkowany – polegający na celowym wprowadzeniu w sieć krystaliczną innych atomów, modyfikując jego właściwości. Rozróżniane są dwa rodzaje domieszek: akceptorowe i donorowe.
Domieszki akceptorowe posiadają trzy elektrony walencyjne, a więc o jeden mniej niż kryształ, w którym są stosowane. By wypełnić czwarte wiązanie elektron pobierany jest z sąsiedniego atomu, powodując powstanie dziury. Taki półprzewodnik nazywany jest akceptorowym (typu p).
Domieszki donorowe natomiast posiadają pięć elektronów walencyjnych, a więc o jeden więcej niż kryształ, w którym są stosowane. Cztery elektrony tworzą wiązanie z siecią krystaliczną, piąty natomiast staje się swobodnym nośnikiem. Taki półprzewodnik nazywany jest donorowym (typu n).
W wyniku domieszkowania do modelu pasmowego wprowadzone zostają nowe poziomy energetyczne, a tym samym i zróżnicowane barwy światła

Rekombinacja promienista może więc zachodzić na kilka sposobów:

• rekombinacja pasmo-​pasmo – elektron z pasma przewodnictwa rekombinuje z dziurą z pasma walencyjnego — wytwarzany jest foton o energii przerwy energetycznej Wg
• rekombinacja przez płytkie poziomy akceptorowe – elektron z pasma przewodnictwa rekombinuje z dziurą z poziomu akceptorowego – wytwarzany jest foton o energii mniejszej niż Wg
• rekombinacja przez płytkie poziomy donorowe – elektron z poziomu donorowego rekombinuje z dziurą z pasma walencyjnego – wytwarzany jest foton
  rekombinacja donor-​akceptor – elektron z poziomu donorowego rekombinuje z dziurą z poziomu akceptorowego
• rekombinacja poprzez głębokie poziomy – energia fotonu w tym przypadku jest znacznie mniejsza od wartości przerwy energetycznej

W tabeli przedstawione są wybrane materiały domieszek stosowane do produkcji LED: ich szerokości przerw zabronionych i wynikające z tego barwy emitowanego światła.

Jedną z zalet LED stosowanych do innych celów niż oświetlenie jest możliwość bezpośredniego wytwarzania w złączu światła o wybranej barwie. Oznacza to brak konieczności wykorzystywania kolorowych filtrów, które w znaczący sposób wpływają na efektywność energetyczną takiego oświetlenia.
Barwa wytwarzanego światła zależy od składu chemicznego (sposobu domieszkowania) materiału, z którego składa się półprzewodnik. Poniżej przedstawiono podstawowe typy materiałów stosowanych w LED oraz wytwarzane przez nie promieniowanie:

• arsenek glinowo-​galowy (AlGaAs) – LED emituje światło barwy czerwonej i promieniowanie podczerwone
• fosforek glinowo-​galowy (AlGaP) – LED emituje światło barwy zielonej
• glino-​galo fosforek indu (AlGaInP) – LED emituje światło barwy pomarańczowo-​czerwonej, pomarańczowej, żółtej i zielonej
• fosforo-​arsenek galu (GaAsP) – LED emituje światło barwy czerwonej, pomarańczowoczerwonej, pomarańczowej i żółtej
• fosforek galu (GaP) – LED emituje światło barwy czerwonej, żółtej i zielonej
• azotek galu (GaN) – LED emituje światło barwy zielonej, czysto zielonej (lub szmaragdowej) oraz niebieskiej
• azotek indowo-​galowy (InGaN) – LED emituje promieniowanie w bliskim nadfiolecie, światło barwy niebiesko-​zielonej i niebieskiej
• selenek cynku (ZnSe) – LED emituje światło barwy niebieskiej
• diament © – LED emituje promieniowanie nadfioletowe
• azotek glinu (AlN), azotek glinowo-​galowy (AlGaN) – LED emituje promieniowanie w zakresie bliskiego nadfioletu

Jakie mogą być rodzaje sprzętu oświetleniowego wykorzystujące LED?
Pojedyncza dioda (LED) – przewidziana do zasilana głównie zasilaczem prądowym o stabilizowanej wartości prądu, zwykle o wartości 350 mA, 700mA lub 1A. Diody LED o mocy od 1 W wzwyż zaliczane są do LED dużej mocy, co odpowiada w przybliżeniu prądowi 350 mA. Przykłady pojedynczych diod (LED) przedstawiono na rys. 4.1.

rys. 4.1. Przykłady pojedynczych LED

Moduły LED składające się z kilku lub kilkunastu pojedynczych LED zamontowanych na wspólnym podłożu np. płytce drukowanej. Moduł LEDczęsto zawiera inne elementy np. optyczne ( np. soczewkę skupiającą światło), mechaniczne lub elektryczne i elektroniczne. Moduły LEDzawierające odpowiedni układ stabilizujący punkt pracy LED mogą być zasilane zasilaczem napięciowym a nawet napięciem sieciowym. Głównie stosowane są moduły LED przewidziane do zasilania napięciem o wartości 10V i 24V. Przykłady modułów LED przedstawione są na rys. 4.2.

rys. 4.2. Przykłady modułów LED

Moduły LED wyposażone w trzonki stosowane w tradycyjnych żarówkach lub świetlówkach kompaktowych, w dalszym tekście będą nazywane LEDÓWKAMI. Ledówki mogą być stosowane jako bezpośrednie zamienniki tradycyjnych żarówek lub żarówek halogenowych ( retrofit LED) Przykłady takich ledówek przedstawione są na rys. 4.3.

rys. 4.3. Przykłady lamp LED, zamienników tradycyjnych żarówek i żarówek halogenowych

Oprawy LED – oprawa oświetleniowa, w której źródłem światła jest LED lub moduł(y) LED. Przykłady opraw LED przedstawiono na rys. 4.4.

rys. 4.4. Przykłady opraw LED

Trwałość LED, tak jak i innych źródeł światła, jest to liczony w godzinach czas świecenia lampy (w określonych warunkach), w którym zachowuje ona odpowiednie właściwości użytkowe. W przypadku LED, podobnie jak dla świetlówek i innych lamp wyładowczych, które nie wygasają jak żarówki w sposób gwałtowny, podstawowym kryterium określenia trwałości jest czas w którym zachowana jest odpowiednia wartość strumienia świetlnego. „Odpowiednią wartość” określa się zwykle w % wartości początkowej. Dla świetlówek i innych lamp wyładowczych wartość strumienia świetlnego przyjmuje się na poziomie od 70% do 90%. Podobnie określana jest trwałość LED. Najczęściej, trwałość LED jest określana jako czas świecenia w okresie którego strumień świetlny nie spadnie poniżej 70 % wartości początkowej. Tak definiowaną trwałość oznacza się symbolem L70. Można również spotkać się z symbolem L50 co należy odczytywać, jako trwałość określaną dla okresu w którym strumień świetlny nie spadnie poniżej 50% wartości początkowej. Oczywiście bezwzględna wartość trwałości deklarowana w drugim przypadku będzie większa, co jednak nie oznacza, że dany wyrób jest lepszy bowiem przyjęto dla niego znacznie łagodniejsze kryteria oceny. Optymalnym rozwiązaniem dla użytkownika (projektanta) byłoby podawanie przez producenta wartości zachowania strumienia świetlnego w funkcji czasu świecenia.

Podane wyżej rozważania na temat trwałości definiowanej poprzez współczynnik zachowania strumienia świetlnego, to jednak tylko część właściwości źródeł światła, w tym LED, określających ich trwałość. Ta cecha odnosi się bowiem do poszczególnego wyrobu. Z punku widzenia użytkownika istotna jest nie tylko deklarowana trwałość indywidualnego źródła światła lecz równie ważna jest informacja, jaki odsetek źródeł światła osiąga tak deklarowaną trwałość L, bądź jaki procent źródeł światła może ulec uszkodzeniu przed osiągnięciem czasu L. W tej ocenie lampy, których spadek strumienia świetlnego jest większy niż deklarowany należałoby zaliczyć do uszkodzonych. To inne spojrzenie na trwałość można określać albo poprzez tzw., współczynnik trwałości (stosowany głównie dla świetlówek i innych lamp wyładowczych), podający odsetek lamp, które po czasie L nadal zachowują właściwości użytkowe lub poprzez tzw. współczynnik uszkodzeń (stosowany częściej w przypadku LED) określający procent uszkodzonych LED w określonym czasie eksploatacji np. czasie deklarowanej trwałości L. Taki współczynnik uszkodzeń może być np. określany symbolem Fy , gdzie y może wynosić 10 lub 50, co należy czytać jako odpowiednio 10% lub 50 % możliwych uszkodzeń LED w czasie deklarowanej trwałości Lx.

Przy porównywaniu trwałości LED różnej konstrukcji lub różnych producentów, należy więc uwzględniać kryteria i warunki określane przez producentów. Trwałość może zmieniać się dla różnych rodzajów LED w różnym stopniu w zależności od warunków pracy (wilgotność, temperatura), wartości prądu.

Poniżej przedstawiono dane dotyczące trwałości L70, w podziale na ich rodzaje , które spotyka się w literaturze i w ofertach producentów diod.

• LED wytwarzające światło barwy czerwonej – ok. 150 tys. godz.
• LED wytwarzające światło barwy żółtej – ok. 125 tys. godz.
• LED wytwarzające światło barwy pomarańczowej – ok. 250 tys. godz.
• LED wytwarzające światło barwy zielonej, niebieskiej i białej – ok. 30 – 70 tys. godz.

Trwałości te dotyczą optymalnych wartości pracy diody uzyskiwanych w warunkach laboratoryjnych, które różnią się od rzeczywistych spotykanych w sprzęcie oświetleniowym.

Trwałość LED praktycznie nie zależy od cyklu pracy i liczby włączeń. Przeprowadzenie pełnego badania trwałości LED sprawia kłopot ze względu na ich długi czas świecenia. Nawet przy pracy 24 godziny na dobę sprawdzenie LED przez 50 tys. godzin zajęłoby 5 – 7 lat, a wnioski uzyskane po jego ukończeniu sprawdzane byłyby mało przydatne z uwagi zmiany w konstrukcji LED, jakie zaszły by w tym czasie. Z powyższych względów obecnie badania trwałości LED lub modułów LED prowadzi się w dwóch etapach:

• Etap I – LED lub moduł LED jest poddawany testowi przy prądzie i/​lub napięciu znamionowym przez 1000 godzin (okres wygrzewania i stabilizacji). Jest to konieczne, ponieważ dla większości LED strumień świetlny wzrasta w ciągu pierwszych 1000 godzin pracy.
• Etap II – LED włączona pracuje przez kolejne 5000 godzin. Wartość strumienia świetlnego zmierzonego po okresie wygrzewania (1000 godzin pracy) przyjmowana jest, jako wartość początkowa (odniesieniowa). Pomiary wykonane między 1000 a 6000 godzin pracy są porównywane z poziomem początkowym (dla 1000 godzin). Jeśli w ciągu tych 6000 godzin strumień nie spadnie poniżej wartości 70% początkowego strumienia świetlnego (dla zastosowań w oświetleniu ogólnym), dokonuje się ekstrapolacji na podstawie uzyskanych danych. Daleka ekstrapolacja może być przeprowadzona tylko dla czasu będącego ok. 6-​krotnością czasu testowego, czyli 36000 godzin.

Dzięki tej metodzie możliwe jest weryfikowanie deklarowanych dłuższych czasów trwałości. Inna propozycja wyznaczania trwałości dyskutowana jest obecnie w ramach IEC1 Wprowadza ona ocenę trwałości LED na podstawie pomiarów strumienia świetlnego w czasie pracy przy trzech temperaturach 55 0C, 85 0C oraz temperaturze określonej przez producenta. Temperatura mierzona jest w punkcie pomiarowym na module LED, który wskazany jest przez producenta. Pomiary strumienia świetlnego wykonuje się dla 20 sztuk LED, w czasie co najmniej 6000 godzin. Przewidywaną trwałość LED ekstrapoluje się na podstawie wykonanych pomiarów spadku strumienia świetlnego, pod warunkiem, że spadek strumienia świetlnego jest mniejszy niż 30% wartości początkowej. Podstawą dla tej metody jest ścisła zależność trwałości( spadku strumienia świetlnego) LED od temperatury występującej na złączu.

Główną przyczyną spadku strumienia świetlnego i skrócenia trwałości LED jest ciepło wytwarzane na złączu półprzewodników (złącze „p-​n”). W celu zapewnienia odpowiednich warunków pracy LED, ciepło ze złącza „p-​n” musi zostać odprowadzone na drodze przewodzenia lub konwekcji np. za pomocą elementów dobrze przewodzących ciepło i wentylatorów. Do odprowadzenia ciepła ze złącza stosuje się radiatory i wentylatory. Przy braku zastosowania odpowiednio zaprojektowanego radiatora lub wentylacji temperatura diody wzrasta, a ciągła praca w wysokiej temperaturze spowoduje trwałe obniżenie strumienia świetlnego (skuteczności świetlnej) i trwałości LED. Skrócenie trwałości LED może również nastąpić w wyniku nieodpowiedniego zasilania. Na przykład zasilanie LED wyższą wartością prądu zasilającego niż wartość znamionowa, prowadzi do podwyższenia temperatury złącza a tym samym do skrócenia trwałości. Stosowanie odpowiednio dopasowanych układów zasilających oraz radiatorów (zalecanych przez producentów LED) zapewnia uzyskanie znamionowej trwałości.

Deklarowana skuteczność świetlna LED o świetle białym systematycznie rośnie z roku na rok. W warunkach laboratoryjnych największe wartości skuteczności świetlnej dla diod wytwarzających światło białe przekraczają obecnie 170 lm/​W. Należy podkreślić, że dane laboratoryjne dla LED nie mają jednak żadnego odzwierciedlenia dla rzeczywistych warunków pracy, zatem nie można się nimi kierować. Na rynku dostępne są diody wytwarzające światło białe o skuteczności świetlnej wynoszącej 100 lm/​W i większej (dane katalogowe dla LED podawane są dla temperatury złącza p-​n 25cstopni C). Skuteczność świetlna LED zależy od warunków pracy, szczególnie temperatury. Niektórzy producenci LED i modułów LEDdeklarują dane dla optymalnych warunków pracy, które trudno osiągnąć w praktycznych zastosowaniach , a tym samym podawane dane mogą być nierealistyczne. Na wynikową sprawność LED mają wpływ także inne czynniki, w tym sprawność układu zasilającego, sprawność układu optycznego, straty wynikające z istnienia dodatkowych elementów itd. Ponadto konwersja światła w luminoforze powoduje utratę energii (zjawisko znane jako przesunięcie Stokesa), kiedy luminofor dokonuje konwersji długości fali z krótszej na dłuższą, co obniża całkowitą sprawność LED.

Diodę należy wybrać tak, aby temperatura barwowa Tb (ang. Correlated Color Temperature — CCT) emitowanego przez nią promieniowania mieściła się w polu tolerancji dla źródeł o temperaturze barwowej odpowiednio 2700 K, 3000 K, 3500 K lub 4000 K. Należy zwracać też uwagę, na jakość oddawania barw przez obiekty oświetlane tym białym promieniowaniem. Jeżeli do określania jakości oddawania barw używa się wskaźnika Ra to najlepiej by było aby wynosił on ponad 80. Temperatura barwowa emitowanego promieniowania świetlnego oraz jakość oddawania barw oświetlanym nim obiektów zależą od jakości i technologii, w której wytworzono LED. Dlatego poniżej podano podstawowe informacje na ten temat.

Światło białe jest mieszaniną promieniowań z zakresu od 380 nm do 780 nm. W celu liczbowego oraz graficznego zobrazowania zależności dotyczących mieszania promieniowań Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa CIE w 1931 stworzyła trójkąt barw x,y przedstawiony na Rys. 10.1.W trójkącie tym każdej barwie przypisane są współrzędne x,y położenia jej punktu chromatyczności. Wybierając dwie barwy o różnych położeniach punktu chromatyczności i łącząc te punkty między sobą linią możemy wizualizować każdą z barw światła, która jest możliwa do uzyskania dzięki zmieszaniu w odpowiednich proporcjach tych 2 promieniowań jednobarwnych. Analogicznie można mieszać trzy barwy i wtedy barwa wynikowa mieszaniny leży w trójkącie Umiejętnie dobrana, większa od trzech liczba mieszanych ze sobą promieniowań, umożliwia poprawę jakości otrzymywanego światła białego. W odróżnieniu od innych źródeł światła białego ledówki mogą mieć różne odcienie definiowane za pomocą temperatury barwowej ( podobnie jak świetlówki kompaktowe). Dalego, chcąc uzyskać tę samą barwę należy zwrócić uwagę , aby wszystkie LEDmiały tę samą temperaturę barwową.

rys. 10.1 Karta chromatyczności x,y. Ilustracja sumowania barw

Z zasady działania LED wynika, że emituje on promieniowanie w wąskim przedziale długości fal, czyli w zakresie widzialnym i jest ono przez ludzkie oko odbierane jako jednobarwne.

Wykorzystując zasady obowiązujące przy mieszaniu barw do wytwarzania światła białego w LED zostały opracowane dwie grupy metod.

Pierwsza grupa metod umożliwia otrzymywanie światła białego poprzez zmieszanie się odpowiednich proporcjach promieniowania jednobarwnych LED. Najczęściej w jednej obudowie umieszcza się kilka chipów LED wytwarzających światło o różnej barwie. Zazwyczaj obudowa LED zawiera co najmniej dwa chipy LED ( wytwarzające światło niebieskie i żółte), niekiedy trzy (wytwarzające światło czerwone, niebieskie i zielone) lub cztery (wytwarzające światło czerwone, niebieskie, zielone i żółte). LED wytwarzające białe światło na zasadzie mieszania barw mają potencjalnie najwyższą skuteczność świetlną, ale jakość uzyskanego światła (wartość ogólnego wskaźnika oddawania barw Ra) jest niska.

Druga grupa metod wykorzystuje zjawisko luminescencji zachodzące w luminoforze tj. konwersję długości fali (padające na luminofor promieniowanie o pewnej długości fali jest przez niego konwertowane na promieniowanie o dłuższej fali w stosunku do tej która padała na luminofor). Istnieje kilka rozwiązań technologicznych:

• Chip LED emituje światło barwy niebieskiej. Część tego promieniowania pada na luminofor, który konwertuje go do barwy żółtej. To żółte światło miesza się z pozostałą częścią światła niebieskiego i w rezultacie otrzymujemy wrażenie światła białego.
• Chip LED emituje światło barwy niebieskiej, które pada na kilka luminoforów, z których każdy konwertuje je na światło o innej barwie. Te różne barwy mieszają się ze pozostałym bezpośrednio pochodzącym z chipa światłem niebieskim. W efekcie otrzymuje się światło białe o wyższym ogólnym wskaźniku oddawania barw Ra w porównaniu z metodą jednego luminoforu.
• Chip LED wytwarza promieniowanie nadfioletowe (UV) padające na luminofor trójpasmowy (wytwarzającego światło w zakresie trzech barw tj. czerwonej, zielonej oraz niebieskiej). Różne barwy światła mieszają się ze sobą, dając światło białe o najwyższej jakości (najwyższym ogólnym wskaźniku oddawania barw Ra).

Ogólny wskaźnik oddawania barw Ra (ang. Color Rendering Index — CRI), jako miara jakości światła białego, z punktu widzenia wierności odtworzenia barw przedmiotów znajdujących się w jego nowym otoczeniu zaczął być stosowany znacznie wcześniej zanim powstały LED do celów oświetleniowych. Ogólny wskaźnik oddawania barw (Ra) jest niedoskonałą, lecz szeroko stosowaną miarą opisywania jakości światła białego. Ogólny wskaźnik oddawania barw Ra dla światła słonecznego oraz żarówek wynosi 100, natomiast dla światła wytwarzanego przez świetlówki wynosi od 50do 99, Za źródło światła dobrze oddające barwy należy uznać źródło o RA zbliżonym do wartości 100. Obecnie LED wytwarzają światło białe o ogólnym wskaźniku oddawania barw w zakresie od 70 do 90.Jednak wskaźnik ten nie charakteryzuje w pełni parametrów oddawania barw oświetlenia LED, ponieważ w przypadku niektórych LED mających ogólny wskaźnik Ra równy np. 80 szczegółowy wskaźnik R9 (oddawanie barwy czerwonej) dla tej diody przyjmuje wartości ujemne. Dlatego też ważne jest aby światło emitowane przez białego LED było takie, dla którego wskaźnik R9 jest większy od 0. W danych technicznych zawartych w informacjach producenta powinny zostać zawarte dane dotyczące wartości Ra i wskaźnika szczególnego Ri=9. Chcąc poprawić mankament określania dla LED oprócz Ra także R9 w NIST (USA) opracowano nową skalę oddawania barw CQS (ang. Color Quality Scale), która w lepszym stopniu niż Ra odzwierciedla parametry oddawania barw każdego rodzaju oświetlenia.

Tak, i to stosunkowo łatwo. Regulatory (sterowniki) LED zwykle wykorzystują jedną z dwóch metod regulacji strumienia świetlnego (ściemniania): zmniejszenie wartości czynnej prądu lub napięcia (regulacja fazowa), bądź modulację szerokości impulsu (PWM). Metoda PWM jest bardziej powszechna w przypadku regulacji strumienia świetlnego LED, ze względu na szeroki zakres regulacji (ściemniania) i liniową zależność między poziomem wysterowania a wartością strumienia świetlnego. Strumień świetlny LED można ściemniać stosując liczne urządzenia regulujące sterowane zarówno sygnałem analogowym 1-​10V lub cyfrowym typu DMX i DALI.

Barwa światła LED ulega zmianie w trakcie eksploatacji, ponieważ zależy ona od takich czynników jak:

• temperatura pracy diody
• sposób zasilania — zasilanie prądem stałym czy też zasilanie impulsowe,
• degradacja luminoforu – w przypadku LED światła białego z luminoforem barwa zależy od właściwości luminoforu

Tempo starzenia się zależy od jakości modułu LED i poprawności jego aplikacji w konkretnym rozwiązaniu (poprawność zasilania, poprawność chłodzenia).

LED mogą wytwarzać światło o różnej temperaturze barwowej. Uzależnione to jest od wielu czynników, głównie od sposobu domieszkowania półprzewodnika. Typowe temperatury barwowe światła białego wytwarzanego przez LED są następujące: 2700K, 3000K, 3300K, 4000K, 5400K, 6500K. Nie jest wykluczone, że niektórzy producenci oferują LED wytwarzające światło o innych temperaturach barwowych.

LED różnią się również pod względem wartości skuteczności świetlnej. Obecnie dostępne są LED o skuteczności świetlnej od 30 lm/​W do 150 lm/​W. Niższe wartości skuteczności świetlnej mają diody świecące niższych mocy. W warunkach laboratoryjnych uzyskiwane są jeszcze wyższe skuteczności świetlne.

Skuteczność systemu oświetleniowego LED jest mniejsza, ponieważ oblicza się ją uwzględniając „traconą” moc układu zasilającego. Obecnie oferowane ledówki jako bezpośrednie zamienniki tradycyjnych żarówek mają skuteczności świetlne średnio od 50 lm/​W do 70 lm/​W. Tak wysokie skuteczności świetlne pozwalają uzyskać ok. 80% oszczędności energii elektrycznej w porównaniu do tradycyjnych żarówek oraz ok. 30% w stosunku do świetlówek kompaktowych. Dotyczy to tylko tych ledówek, które mają klasę efektywności energetycznej A. Klasa efektywności energetycznej podawana jest na produktach lub ich opakowaniach. Klasy efektywności energetycznej nie podaje się dla reflektorowych źródeł światła. Należy zwracać uwagę na to, że diody wytwarzające światło o wyższej temperaturze barwowej mają zwykle wyższą skuteczność świetlną i dają światło białe, aż do odcienia niebieskawego. Ledówki o niższej temperaturze barwowej mają niższą skuteczność, ale emitują światło o ciepłej barwie.

Barwa światła białego może być bardzo zróżnicowana, od ciepłobiałej (np. temperatura barwy Tc = 2700K lub Tc = 3000K) do chłodnej (np. Tc = 6500K).

Podczas produkcji LED występuje rozrzut produkcyjny ich parametrów użytkowych. Jednym z istotnych jest rozrzut barwy światła. Ze względu na obecną technologię produkcji LED nie jest możliwe wykonania diod wytwarzających idealnie tę samą barwę światła. W przypadku stosowania wielu LED jednocześnie, na przykład przy modułach LED lub oprawach LED typu „wall washer” lub matrycy LED różnica barw światła może być widoczna. Z tego powodu producenci konfekcjonują LED pod względem rozrzutu współrzędnych trójchromatycznych w ramach tej samej nominalnej barwy światła, tworząc tak zwane biny. Wykorzystuje się przy tym prawo opracowane miedzy innymi przez Mac Adama w 1937 roku. Mac Adam określił pola na wykresie chromatyczności (trójkąt barw) zwane elipsami Mac Adama (Rys.15.1). Barwy światła, które znajdują się w danym polu elipsy, w zależności od jego wymiarów, są mniej lub bardziej rozróżniane przez oko ludzkie. Producenci wykorzystują to konfekcjonując diody świecące tak, aby barwy światła znajdowały się w określonych polach (elipsach) na wykresie chromatyczności. Diody konfekcjonowane są w tak zwane biny.

rys.15.1 Elipsy Mac Adama na wykresie chromatyczności

Bin to określenie odnoszące się do podziału LED ze względu na barwę wytwarzanego światła. Zależnie od procesu selekcji oraz zakresów tolerancji przyjętych przez producenta, diody umieszczane są w osobnych kategoriach (binach).

Każdy bin zawiera diody wytwarzające światło o tej samej barwie i jest znakowany specjalnym kodem. LED wytwarzające białe światło są sortowane na podstawie temperatury barwowej światła (Rys. 15.2). LED wytwarzające kolorowe światło są sortowane na podstawie wartości długości fali dominującej.

rys. 15.2 Tolerancje dla światła białego

Najwięksi producenci podnoszą ostatnio swoje kryteria podziału na biny, szczególnie w przypadku LED wytwarzających białe światło. Zaostrzenie polega na zmniejszeniu zakresu tolerancji temperatury barwowej lub długości fali dominującej znacznie poniżej zakresów wynikających z prawa Mac Adama. Zaostrzone kryteria sortowania i zakresy tolerancji pozwoliły na podniesienie jakości LED.

Dzięki coraz lepszym parametrom diod LED, a w szczególności coraz większej skuteczności świetlnej białych diod, znajdują one obecnie zastosowanie we wszystkich obszarach stosowania światła do celów oświetleniowych. Również bogactwo form ich obudowy (pojedyncze diody, moduły wieloźródłowe, panele LED, ledówki, oprawy LED) zwiększa zakres możliwości aplikacyjnych. Mogą być wykorzystywane do statycznych instalacji oświetleniowych (np. oświetlenie funkcjonalne wnętrz ze stanowiskami pracy), do instalacji dynamicznych (np. oświetlenie dekoracyjne, reklamowe) ze zmianą natężenia i barwy, do stosowania w meblach, gablotach, itp. Ze względu na długą trwałość, diody LED nadają się szczególnie do oświetlenia awaryjnego i bezpieczeństwa.

Ogólnie diody LED znajdują zastosowanie w następujących obszarach:

• Woświetleniu dekoracyjnym
• W oświetleniu architektonicznym ( iluminacja obiektów)
• W oświetleniu ogólnym
• W oświetleniu akcentującym
• W oświetleniu reklamowym
• W oświetleniu sygnalizacyjnym
• W oświetleniu zewnętrznym
• W oświetleniu drogowym
• W oświetleniu pojazdów

Korzyści

LED wykazują szereg istotnych, ogólnych, zalet w porównaniu z innymi źródłami światła. Do nich można zaliczyć:

• Wysoką skuteczność świetlna, pozwalająca zaliczyć je energooszczędnych źródeł światła
• Wysoką trwałość, niezależna praktycznie od częstości załączania i wyłączania LED
• Natychmiastowe zaświecanie przy osiąganiu pełnego strumienia świetlnego
• Wysoką odporność na wstrząsy

Powyższe zalety LED mogą przynieść wymierne korzyści z ich stosowania praktycznie we wszystkich obszarach zastosowań oświetlenia, a w szczególności w oświetleniu i sygnalizacji w miejscach trudno dostępnych, w miejscach narażonych an wstrząsy i wibracje (np. mosty, pojazdy drogowe), sygnalizacja świetlna itp. Należy również wymienić korzyści wynikające z wykorzystania szczególnych właściwości LED, do których zalicza można:

• Możliwość bezpośredniego uzyskania światła o różnej barwie oraz płynnej jej zmiany, bez stosowania dodatkowych filtrów co może być wykorzystywane w systemach sygnalizacji oraz oświetleniu dekoracyjnym
• Brak promieniowania podczerwonego i znikomy udział promieniowania UV, istotny w oświetleniu dzieł sztuki i innych obiektów wrażliwych na takie promieniowanie
• Możliwość formowania zróżnicowanego rozsyłu światła poszczególnych LED, w konsekwencji uzyskiwanie dowolnych rozsyłów w oprawach oświetleniowych bez konieczności stasowania dodatkowych odbłyśników.

Ograniczenia

LED przy swoich bezspornych zaletach wykazują jednak również pewne niedoskonałości, które ograniczają ich stosowanie lub wymagają podejmowania określonych działań w celu redukcji ujemnych skutków ich działalności. Do nich zalicza się:

• silną zależność parametrów LED (skuteczności świetlnej i trwałości) od temperaturypowierzchni złącza, a więc pośrednio od temperatury otoczenia. Wymusza to koniecznośćstosowania ciężkich radiatorów oraz unikania stosowania LED w miejscach o podwyższonej temperaturze, np. silnie nasłonecznionych.
• wynikową wydajność oprawy LED zależną od jakości aplikacji modułu LED (zasilacze, optyka chłodzenie itp.)
• oddziaływanie obwodów LED na parametry sieci zasilającej z uwagi na generowanie do niej zaburzeń (wyższych harmonicznych). Dla ograniczenia tego niekorzystnego zjawiska istnieje konieczność stosowania odpowiednich zasilaczy.
• małe wymiary ciała świecącego, przy stosunkowo wąskim kącie wypromieniowania mogą wywoływać wysokie luminancje powodujące olśnienie. Niektóre z LED mogą emitować zbyt silne promieniowanie w paśmie niebieskim (LED o świetle „zimnym”), wyjątkowo szkodliwe dla oka. Te ujemne cechy LED wymuszają przekazywania przez producentów LED odpowiednich, rzetelnych, informacji i wskazówek użytkownikom ich wyrobów.

Diody są produkowane w wielu różnych obudowach z różnymi pierwotnymi układami optycznymi. Każdy z nich inaczej kształtuje rozsył strumienia. Generalnie typowe rozsyły można podzielić na 4 podstawowe grupy:

• Rozsył wąski
• Rozsył lambertowski
• Rozsył szerokokątny lub skrzydełkowy (batwing)
• Rozsył boczny (side emitting)

Podstawą doboru diody do konkretnego zastosowania powinny być dane fotometryczne zawarte w karcie katalogowej, jednak co celów szybkiej klasyfikacji handlowej został wprowadzony uproszczony podział diod ze względu na charakter rozsyłu strumienia świetlnego.

Diody posiadają bryły fotometryczne o symetrii obrotowej reprezentowane przez uśrednione krzywe światłości. Parametrem opisującym charakter rozsyłu najczęściej podawanym przez producentów jest kąt rozsyłu (rozbieżność użyteczna V1/​2).

Diody o rozsyle wąskim charakteryzują się kątem rozsyłu nie większym niż 90º. Najczęściejspotykane są diody o rozsyłach w kącie od 15º do 30º.

Idealny rozsył lambertowski z definicji charakteryzuje się kątem równym 120º. Diody zaliczane do grupy diod lambertowskich mają rozsyły jedynie zbliżone do idealnego. Największe różnice pojawiają się dla dużych kątów świecenia. Diody z tej grupy będą opisywane rozsyłami o kątach od 110º do 130º. Jest to najczęściej spotykany rozsył wśród diod do montażu powierzchniowego (SMD) i diod dużej mocy.

Rozsył szerokokątny zwany także skrzydełkowym charakteryzuje się kątem większym od 120º oraz tym, że światłość maksymalna jest w kierunku innym niż oś optyczna diody, odchylonym od niej o 30º do 60º. Najczęściej jest spotykany wśród diod dużej mocy.

Rozsył boczny charakteryzuje się kątem powyżej 180º oraz odchyleniem kierunku światłości maksymalnej o więcej niż 60º od osi optycznej diody. Ze względu na skomplikowaną strukturę pierwotnego układu optycznego realizującego taki rozsył nie jest on zbyt często spotykany i występuje wyłącznie wśród diod dużej mocy.

Rys. 18.1. Uśrednione typowe krzywe światłowości różnych grup LED

Uśrednione typowe krzywe światłowości różnych grup LED W praktycznych zastosowaniach LED w sprzęcie oświetleniowym stosuje się nie pojedyncze diody a gotowe moduły LED. W tych przypadkach producent sprzętu finalnego określa wynikowy rozsył światłości, podobnie jak w tradycyjnych oprawach oświetleniowych. Mówiąc o sposobach świecenia LED nie wolno zapominać o problemie luminancji. Cały strumień świetlny diody emitowany jest z powierzchni kilku milimetrów kwadratowych. Luminancja tej powierzchni wynosi w zależności od konstrukcji diody i mocy z jaka pracuje od kilku do ponad 50 milionów cd/​m2. Należy więc bardzo uważnie przeprowadzać analizę możliwych olśnień dla źródeł i i instalacji LED.

Rozważając potencjalne źródła zagrożeń fotobiologicznych pochodzących od LED należy rozgraniczać LED światła białego, przewidziane do ogólnych celów oświetleniowych, od LED o wyraźnie określonej barwie światła lub ściślej rozkładzie widmowym promieniowania optycznego. W tym ostatnim przypadku mogą występować LED emitujące w sposób celowy promieniowanie w zakresie UV (nadfioletowe), IR (podczerwone) lub też niebieskie, które przy nieumiejętnym ich użytkowaniu mogą stanowić istotne zagrożenia dla oka czy skóry. Jest to problem analogiczny do stosowania innych rodzajów promienników na bazie lamp wyładowczych czy lamp żarowych, gdzie należy ściśle przestrzegać instrukcji producenta.

W ocenie potencjalnych zagrożeń pochodzących od LED światła białego, do ogólnych celów oświetleniowych, należy podchodzić tak samo jak w stosunku do pozostałych źródeł światła, zarówno żarowych jak i wyładowczych. Kryteria oceny bezpieczeństwa fotobiologicznego wszystkich rodzajów źródła światła zostały określone w Normie Europejskiej EN 62471, bazującej na normie IEC o tym samym numerze i Publikacji S009 CIE(Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa).

Podstawowe rodzaje zagrożeń fotobiologicznych pochodzących od promieniowania źródeł światła można pogrupować następująco:

• Zagrożenia promieniowaniem UV (aktynicznym i bliskim) szkodliwym dla rogówki i soczewki oka
• Zagrożenia światłem niebieskim prowadzącym do fotochemicznego uszkadzania siatkówki oka
• Zagrożenia promieniowaniem termicznym prowadzącym do termicznego uszkadzania siatkówki
• Zagrożenia promieniowaniem IR (bliska podczerwień) szkodliwym dla rogówki i soczewki oka

Praktycznie, poziom zagrożenia dla każdej z grup zależy od mocy promieniowania w określonym zakresie widma i czasu jego oddziałania na oko. Dodatkowo, w przypadku zagrożeń dla siatkówki istotna jest nie tylko moc promieniowania lecz również kąt w jakim to promieniowanie jest wysyłane. Im kąt bryłowy jest mniejszy tym stopień zagrożenia się zwiększa. W cytowanej wyżej normie określono dopuszczalne maksymalne wartości, odpowiednio natężenia napromienienia lub luminacji energetycznej, stanowiące podstawę do klasyfikacji źródeł dla danego zagrożenia do trzech podstawowych grup: bez zagrożeń, z niskim poziomem lub średnim poziomem. Należy zwrócić uwagę, że ustalone wymagania bazują na założeniu rozsądnego użytkowania źródeł światła tzn. unikania przez użytkownika długotrwałego kontaktu ze źródłem światła w warunkach stanowiących wyraźne zagrożenie dla oka np. patrzenie w żarnik lub inny element świecący lub nadmierne zbliżanie źródła do oka.

Oceniając LED światła białego według powyższych kryteriów należy stwierdzić, że większość danych literaturowych kwalifikuje je, podobnie jak inne źródła światła do ogólnych celów oświetleniowych, do grupy nie stwarzającej zagrożeń dla oka. Wyjątkiem mogą być niektóre LED, szczególnie barwy chłodnobiałej, w których zagrożenie światłem niebieskim może być zaliczane do grupy drugiej tzn. o umiarkowanym ryzyku. Porównując parametry LED z innymi źródłami światła np. żarówkami halogenowymi czy lampami metalohalogenkowymi można twierdzić, że te ostatnie grupy znacznie częściej przekraczają poziomy zagrożeń uznanych za bezpieczne.

Należy nadmienić, że promieniowanie, w tym pochodzące od źródeł światła, zalicza się zagrożeń ujętych w zasadniczych wymaganiach bezpieczeństwa określonych w dyrektywie Niskiego Napięcia, zgodność z którą jest warunkiem legalnego wprowadzania wyrobu do obrotu . Oznacza to, że producenci sprzętu oświetleniowego na bazie LED znakując swoje wyroby znakiem CE, potwierdzającym spełnienie zasadniczych wymagań bezpieczeństwa, powinni również uwzględniać zagrożenia związane z promieniowaniem optycznym LED. W swojej ocenie powinni bazować na informacji pochodzącej od producenta LED. Z tych względów producenci LED powinni oceniać i klasyfikować swoje produkty do określonych grup zagrożenia fotobiologicznego, a stosowna informacja powinna być zamieszczona w etykiecie skojarzonej z produktem. W przypadku występowania zagrożenia powinno się również określić zalecanie środki ostrożności lub wymagane działania w celu wyeliminowania lub ograniczenia zagrożeń. Wskazówki dla producentów w tym zakresie podano w Raporcie Technicznym IEC/​TR 62471 – 2.

Kończąc rozważania należy zaznaczyć, że sposób wytwarzania światła przy wykorzystaniu LED jest odmienny od innych, dobrze rozpoznanych, technologii, uznanych za tradycyjne. Konieczne są dalsze prace mające na celu dokładne zbadanie kwestii zagrożenia fotobiologicznego pochodzącego od LED i ewentualnego ustalenia bezpiecznych warunków użytkowania dla tego rodzaju produktów.

W powyższej analizie świadomie pominięto kwestie dotyczące typowego dla źródeł światła zagadnienia olśnienia związanego z dużą luminancją ciała świecącego czy pulsacji światła związanej z zasilaniem napięciem niskiej częstotliwości uznając, że doświadczenia z użytkowania tradycyjnych lamp są wystarczające dla prawidłowego zastosowania i użytkowania LED.

LED, z uwagi na swoje charakterystyki prądowo-​napięciowe wymagają stosowania odpowiednich urządzeń regulacyjno-​stabilizujących tzw. zasilaczy, których zadaniem jest transformacja napięcia przemiennego na napięcie stałe o określonej wartości np.: 12V, 24V lub 48V. Niektóre rozwiązania zasilaczy wyposażone są w układy sterowania umożliwiające ściemnianie lub zmianę barwy matrycy. Często urządzenie sterujące stanowi integralną część modułu LED.

Z punktu widzenia warunków zasilania LED rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje tych urządzeń: ze stabilizacją prądu zwane „stałoprądowe” i ze stabilizacją napięcia zwane „stałonapięciowe”. Zaleca się stosowanie tych pierwszych wpływających korzystnie na wartość i stabilność strumienia świetlnego. Nowoczesne zasilacze powinny być wyposażone w układy kompensacji wpływu temperatury otoczenia oraz układy zapobiegające przegrzaniu zasilacza zbudowane w oparciu np. o termistory W powszechnym zastosowaniu do zasilania LED stosowane są zasilacze Przykładowy schemat blokowy zasilacza impulsowego przedstawiono na poniższym rys. 20.1.

rys 20.1 Przykładowy schemat blokowy zasilacza impulsowego

Napięcie sieciowe o częstotliwości 50 Hz jest prostowane za pomocą mostka prostowniczego. Następnie napięcie wyprostowane jest impulsowane łącznikiem półprzewodnikowym sterowanym generatorem PWM (ang. Pulse Width Modulation) częstotliwością rzędu kilkudziesięciu kiloherców. Transformator wysokiej częstotliwości (Tr w.cz.) służy dopasowaniu wartości napięcia do wymaganej wartości, która następnie jest ponownie prostowane i wygładzane. Optoizolacja (Opt) służy do odseparowania galwanicznego układu sterowania i obwodu wyjściowego zasilacza. Filtr wejściowy ma za zadanie ograniczyć zaburzenia generowane do sieci przez zasilacz, głównie wyższe harmoniczne prądu. Bezpiecznik B zabezpiecza zasilacz przez skutkami zwarć i przeciążeń. Nowoczesne konstrukcje dobrej jakości zasilaczy impulsowych posiadają już praktycznie sinusoidalny kształt krzywej prądu wejściowego.

Integralną częścią każdej oprawy LED zasilanej z sieci o napięciu 230V jest zasilacz, którego zadaniem jest zmiana napięcia przemiennego sieci elektroenergetycznej na napięcie stałe o wartości zwykle 12, 24 lub 48 V. Nowoczesne rozwiązania zasilaczy stosowane w oprawach LED oparte są na typowym rozwiązaniu zasilacza impulsowego. Podstawowymi zaletami takiego rozwiązania są mniejsze koszty, mniejsze wymiary oraz waga, jak również wyższa sprawność. Istotną wadą jest to, że zasilacz pobiera z sieci zamiast prądu ciągłego impulsy prądu o dużej zawartości wyższych harmonicznych. Każdy przebieg sygnału, który nie jest sinusoidalny można przedstawić w postaci sumy n sygnałów o częstotliwościach będących wielokrotnością częstotliwości podstawowej tego sygnału. W sieci zasilającej częstotliwość podstawowa jest równa 50Hz. Częstotliwość harmonicznej rzędu 3 wynosi 150Hz, zaś rzędu 5 wynosi 250Hz. Zatem harmoniczna rzędu n posiada częstotliwość n×50Hz. Na rys. 21.1.przedstawiono przykład sygnału odkształconego złożonego z harmonicznej podstawowej o częstotliwości 50Hz oraz harmonicznych rzędów 3, 5 i 7.

rys.21.1. Przykładowy przebieg sygnału odkształconego wraz z jego rozkładem na poszczególne harmoniczne

Najpoważniejszym problemem jest to, że prądy wyższych harmonicznych płynąc w sieci zasilającej powodują spadki napięć na elementach sieci co z kolei negatywnie wpływa na napięcie zasilające, z którego mogą być zasilane inne odbiorniki. Aby dokonać rzetelnej oceny wpływu danego odbiornika na sieć zasilającą konieczna jest znajomość spektrum harmonicznych prądu, która z kolei pozwala na obliczenie wartości współczynnika THD (ang. Total Harmonic Distortion), czyli całkowitego współczynnika odkształcenia. Przykładowy przebieg prądu wejściowego oprawy LED oraz jego spektrum wyższych harmonicznych przedstawiono na rys. 21.2. i 3. Wartość współczynnika THD prądu oprawy LED wynosi 26%.

rys.21.2. Przebieg chwilowy napięcia zasilającego i prądu przykładowej oprawy LED

rys.21.3. Widmo harmonicznych prądu przykładowej oprawy LED

Im mniejsza wartość współczynnika THD prądu tym oprawa w mniejszym stopniu negatywnie oddziałuje na sieć zasilającą. Negatywne oddziaływanie wyższych harmonicznych na sieć zasilającą to min.:

• przeciążenie przewodów i kabli elektroenergetycznych związane ze zwiększeniem się wartości prądu
• przeciążenie przewodu neutralnego, powodowane przez sumowanie się harmonicznych 3rzędu, których źródłami są odbiorniki jednofazowe
• odkształcenia napięcia zasilającego, które są powodem nieprawidłowej pracy odbiorników wrażliwych
• przeciążenia elementów sieci elektroenergetycznej np.: transformatorów, baterii kondensatorów itp.

Uwzględniając powyższe wymaga się, aby oprawy oświetleniowe z LED spełniały wymagania dla odbiorników zaliczanych do klasy C wg normy PN-​EN 61000−3−2: 2007. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Część 3 – 2: Poziomy dopuszczalne – Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika ≤ 16 A). Zgodnie z zaleceniami podanej powyżej normy wartości dopuszczalne harmonicznych prądu wejściowego oprawy nie mogą być większe niż wartości podane w tabeli (rys. 21.4.).

rys. 21.4. Tabela: Poziomy dopuszczalne dla sprzętu klasy C według normy PN-​EN 61000−3−2

Czym jest współczynnik oddawania barw CRI?
Dlaczego jest tak istotnym zagadnieniem oświetlenia LED?

Kolory są efektem oddziaływania przedmiotów z oświetleniem.
Twoim zdaniem, która z przedstawionych fotografii wiernie odzwierciedla barwy przedmiotów?

Dla określenia jak dalece widmo danego światła odbiega od widma światła naturalnego stworzono parametr nazywany współczynnikiem oddawania barw. Potocznie określany skrótem CRI(Colour Rendering Index) współczynnik oddawania barw nie zawsze jest właściwie interpretowanym zagadnieniem. Aby uzyskać dobre odwzorowanie kolorów i właściwy kontrast barwy, powinniśmy stosować źródła światła o wysokim wskaźniku oddawania barw. Jego maksymalna wartość wynosi 100 i daje nam informację o tym w jakim stopniu źródło światła umożliwia obserwację kolorów.

Dobry współczynnik oddawania barw, w połączeniu z przyjemną temperaturą barwową światła, dla większości ludzi zapewnia najlepsze warunki odpoczynku. Wystarczy porównać oświetlenie ulic czy parkingów za pomocą lamp sodowych ze źródłem meta-​halogenkowym lub LED których oddawanie barw jest znacznie wyższe.

Źródło:

1. http://​www​.swiatlo​.tak​.pl/​1​/​i​n​d​e​x​.​p​h​p​/​w​s​k​a​z​n​i​k​-​o​d​d​a​w​a​n​i​a​-​b​a​r​w​/
2. https://​www​.koni​caminolta​.eu/​f​i​l​e​a​d​m​i​n​/​c​o​n​t​e​n​t​/​e​u​/​M​e​a​s​u​r​i​n​g​_​I​n​s​t​r​u​m​e​n​t​s​/​4​_​L​e​a​r​n​i​n​g​_​C​e​n​t​r​e​/​C​_​A​/​W​h​a​t​_​i​s​_​C​o​l​o​u​r​_​R​e​n​d​e​r​i​n​g​_​I​n​d​e​x​/​C​o​l​o​u​r​_​R​e​n​d​e​r​i​n​g​_​I​n​d​e​x​_​E​N​.​p​d​f