Współczesne zastosowania diod...

Współczesne zastosowania diod

elektroluminescencyjnych

Autor: Łukasz Siłacz

Promotor: Dr inż. Jan Deskur

2

1. Podstawy teoretyczne

2. Sposoby otrzymywania światła białego

3. Parametry lamp LED

4. Zastosowania diod elektroluminescencyjnych

5. Podsumowanie - zalety i wady diod LED

DIODY LED

3

Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na

emitowaniu światła pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego.

Świecenie jest wynikiem rekombinacji promienistej nośników (dziur i

elektronów) w spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu p-n.

Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy

powoduje wydzielenie energii w postaci światła (fotonu).

1.1. Elektroluminescencja

4

1.2. Historia diody LED

5

1.3. Budowa i symbol

6

Diody LED standardowo zasilane są napięciem stałym. Napięcie należy do diody przykładać tak, aby pracowała ona w kierunku przewodzenia (napięcie dodatnie do anody i napięcie ujemne do katody). W zależności od szerokości przerwy energetycznej w półprzewodniku, a co za tym idzie w zależności od długości i barwy emitowanej fali świetlnej, wymagane są różne poziomy napięcia zasilającego.

Lp. Typ i kolor diody Napięcie

typowe

Napięcie

maksym.

1 Zwykła zielona 2,2 2,5

2 Zwykła czerwona 2 2,5

3 Zwykła niebieska 4 4,5

4 Zwykła żółta 2,1 2,5

5 Zwykła pomarańczowa 2 2,5

6 Super jasna zielona 3,7 4,1

7 Super jasna czerwona 1,9 2,5

8 Super jasna niebieska 3,7 4,3

9 Super jasna żółta 2,3 2,8

10 Super jasna biała 2,4 2,8

1.4. Zasilanie i łączenie diod LED

7

1.4. Zasilanie i łączenie diod LED

8

1.5. Główne parametry techniczne

9

1.6. Odmiany diod elektroluminescencyjnych

10

2.1. Mieszanie światła

- w jednej obudowie umieszcza się 3 chipy LED tworzące

diodę RGB. W wyniku addytywnego sumowania barw

otrzymywany jest kolor biały,

- to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż nie

występują tu straty w luminoforze związane z konwersją

światła,

- wysoki współczynnik oddawania barw CRI,

- duży koszt i komplikacja obwodu zasilająco-sterującego.


11

2.2. Konwersja światła

- diodę LED promieniującą w paśmie nadfioletu

pokrywa się luminoforem,

- luminofor składa się z 3 warstw, z których każda

realizuje konwersję światła UV na jedną z 3 barw

podstawowych,

- wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor

biały,

- prostota produkcji i nieskomplikowany układ

zasilania,

- mało efektywne energetycznie – straty w luminoforze,

- brak kontroli barwy światła białego i CRI,

- szczątkowe promieniowanie UV przedostające się

przez luminofor.


12

2.3. Metoda hybrydowa

- połączenie zalet metody 2.1 i 2.2,

- wzbudzenie żółtego luminoforu za pomocą światła

diody niebieskiej 470nm,

- mieszanie barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje

barwę białą,

- prostota wykonania, prosty układ zasilania, większa

wydajność energetyczna, brak promieniowania UV,

- zimna temperatura barwy otrzymywanego światła

białego oraz współczynnik oddania barw na

poziomie 75-80.


13

3.1. Energooszczędność


14

3.2. Czas życia


15

3.3. Strumień świetlny i skuteczność świetlna


Japońska firma NICHIA w warunkach laboratoryjnych

wyprodukowała diodę o skuteczności 249 lm/W.

16

3.4. Współczynnik oddawania barw CRI (ang. Colour Rendering Index) –

wyrażony jest liczbą z przedziału od 0 (dla światła monochromatycznego)

do 100 (dla światła białego). Określa, jak wiernie postrzegamy barwy

oświetlonych przedmiotów. Im współczynnik ten jest wyższy, tym barwy są

lepiej oddawane.


17

3.5. Wytrzymałość

Diody LED są bardzo wytrzymałe mechanicznie na uderzenia, wstrząsy,

wibracje oraz wysokie i niskie temperatury.

3.6. Temperatura barwowa bieli

Diody są produkowane w praktycznie całym spektrum temperatur barwowych

od barwy ciepło białej (2 700K) do barwy zimno białej (10 000K).


18

3.7. Brak lub niski poziom promieniowania IR i UV

Diody LED, w których kolor biały uzyskuje się na zasadzie mieszania barw podstawowych lub konwersji światła niebieskiego w luminoforze, w odróżnieniu od lamp fluorescencyjnych nie posiadają w swoim widmie szkodliwego w niektórych zastosowaniach promieniowania UV. Promieniowanie UV oraz podczerwone jest szkodliwe dla wzroku człowieka, a ponadto przyciąga owady.

3.8. Ukierunkowany strumień świetlny

Diody LED mają ściśle zdefiniowany kąt bryłowy rozsyłu światła. Nie występują straty związane z rozsyłem światła na boki. Łatwiej jest dzięki temu wykonywać układy optyczne dla diody LED, gdyż są one praktycznie pierwszymi źródłami światła dla techniki oświetleniowej, które można traktować jako punktowe.


19

3.9. Małe wymiary

Diody LED w porównaniu z klasycznymi źródłami światła mają bardzo niewielkie

rozmiary. Od ledwie dających się zauważyć gołym okiem diod typu SMD stosowanych

w telefonach komórkowych po diody na radiatorach o średnicy kilku centymetrów.


20

3.10. Czas włączenia i wyłączenia

Czas włączenia diod LED nie przekracza 100ns, a czas wyłączenia 200ns. W porównani z żarówkami są to czasy 2 miliony razy krótsze! Typowa żarówka osiąga 90% swej światłości po czasie 200ms. Czasy włączenia lamp fluoroscencyjnych i wyładowczych są jeszcze dłuższe i czasem sięgają nawet kilku minut (np. uliczne lampy sodowe i rtęciowe).

3.11. Bezpieczeństwo

- zasilane napięciem bezpiecznym 12V DC,

- brak iskrzenia,

- nie zawierają trujących substancji i kruchych, szklanych elementów,

- ochrona środowiska poprzez oszczędzanie energii.


21

4.1. Oświetlenie domowe

- podświetlane schody, półki, światło łazienkowe, dekoracyjne, podświetlanie

ścianek kominkowych,

- bary, restauracje i miejsca publiczne.

4. Współczesne zastosowania diod LED

22

4.1. Oświetlenie domowe


Żarówki Lampy LED

Przyjmijmy, że istnieje osiedle

mieszkaniowe, wyposażone w 100

tradycyjnych żarówek 60W.

60W x 100sztuk = 6kW

Zakładając, że pracują 10h dziennie:

10h x 6kW = 60kWh

60kWh x 0,40PLN/1kWh =24PLN/Doba

24h x 365dni rocznie= 8760PLN/Rok

Dla takiego samego osiedla

mieszkaniowego wyposażonego w 5W

lampy LED.

5W x 100sztuk = 0,5kW

Zakładając, że pracują 10h dziennie:

10h x 0,5kW = 5kWh

5kWh x 0,40PLN/1kWh = 2PLN/Doba

24h x 365dni rocznie= 730PLN/Rok

OSZCZĘDNOŚCI W SKALI ROCZNEJ: 8760PLN – 730PLN = 8020PLN

23

4.2. Oświetlenie zewnętrzne i uliczne

- ozdoby świąteczne,

- oświetlenie ogrodowe i balkonowe,

- oświetlenie uliczne (coraz częściej

stosowane z modułami PV i turbinami

wiatrowymi),

- podświetlanie mostów i budynków.


24

4.2. Oświetlenie uliczne – porównanie lamp ulicznych HPS (ang. High Pressure

Sodium) oraz lamp LED


Parametr Lampa HPS Lampa LED

1. Moc 250W + urządzenia

zapłonowe 30W

112W (odpowiednik

300W lampy sodowej)

+ zasilacz 33W

2. Roczne zużycie

energii przy pracy

4000h rocznie

1120kWh 580kWh

3. Roczne wydatki na

energię elektryczną

448PLN 232PLN

4. Żywotność 2 lata 12 lat

5. Cena około 500zł około 3000zł

25

4.2. Oświetlenie uliczne – porównanie lamp ulicznych HPS (ang. High Pressure Sodium) oraz lamp LED

LAMPA LED LAMPA HPS


26

4.3. Oświetlenie – latarki

- dzięki wysokiej odporności na wstrząsy i niekorzystne warunki zewnętrzne diody LED znalazły zastosowanie jako latarki używane przez służby specjalne, takie jak: policja, straż graniczna czy wojsko,

- małe rozmiary diod LED pozwalają na minimalizację gabarytów produkowanych latarek oraz na zastosowanie w nich dodatkowych funkcji.

Latarka z modułem PV Latarka z korbką Latarka z kamerą


27

4.4. Sygnalizacja uliczna

- bardzo dobra widoczność nawet w

słoneczne dni, wynikająca z dobrych

właściwości kierunkowych jakie

posiadają diody,

- diody LED świecą dość mocno w

punktowy sposób, w przypadku

oświetlenia pomieszczeń nie jest to

zaletą, jednak doskonale sprawdza się

w sygnalizacji,

- brak wydzielania ciepła przez diody

powoduje osiadanie się śniegu i lodu

na sygnalizatorach podczas zimy.


28

4.5. Motoryzacja

Diody LED są 120 razy szybsze od żarówek, dzięki temu możliwe jest maksymalne skrócenie czasu, np. od momentu naciśnięcia pedału hamulca do zapalenia świateł STOP. Dla kierowcy jadącego z prędkością 100km/h za pojazdem wyposażonym w oświetlenie LED oznacza to dodatkowe 3,5 metra na bezpieczne zatrzymanie i zwiększa o około 8% szansę na uniknięcie kolizji.

Pierwszym samochodem z lampami czołowymi w całości wykonanymi w technologii LED jest Cadillac Escalade w najdroższej wersji, nazwanej Platinum.


29

4.5. Motoryzacja – wykorzystanie technologii LED


30

4.6. Medycyna

- „anti – aging”, zabieg przeciwko procesom starzenia się,

- leczenie zmian skórnych np. trądzik, za pomocą lamp LED - czerwonych i

niebieskich,

- leczenie nowotworów mózgu za pomocą sondy zbudowanej ze 144

miniaturowych diod LED,

- oświetlenie stołów operacyjnych i specjalnych turbin stomatologicznych.


31

4.7. Reklama

- świecąca elektroniczna reklama diodowa wyświetlająca dynamiczne treści informacyjno-reklamowe w postaci poruszającego, mrugającego jaskrawego tekstu, zwiększa zainteresowanie potencjalnych klientów promowanym produktem nawet o 80%,

- tablice reklamowe na ulicach, przy drogach, na budynkach, na stadionach, miejscach publicznych: bary, restauracje, kina,

- prawdziwe ekrany LED.


32

4.8. Ekrany LED – „TV LED”

LCD z podświetlaniem CCFL LCD z podświetlaniem LED


33

4.8. Ekrany LED – „TV LED”

- telewizory z podświetlaniem LED wyposażone są w taką samą matrycę LCD jak tradycyjne telewizory LCD z podświetlaniem CCLF,

- pełna jaskrawość od razu po włączeniu,

- „local dimming” – podświetlanie całego obrazu, uzyskanie wysokiego kontrastu oraz znaczna poprawa głębi czerni,

- „edge – lit” - diody LED zamiast znajdować się za panelem LCD zostały umieszczone na jego krawędziach. Taki typ rozwiązania pozwala na projektowanie niezwykle cienkich telewizorów.


34

4.9. Niecodzienne zastosowania diod LED


35

5. Podsumowanie

Zalety Wady

- małe rozmiary,

- duża sprawność,

- szeroka gama kolorów światła,

- odporność na wstrząsy, wilgotność i

niską temperaturę,

- długa żywotność,

- są ekologiczne,

- bezpieczne napięcie zasilania,

- bezpieczeństwo – brak

promieniowania UV,

- łatwość sterowania,

- niska temperatura pracy,

- szybkość reakcji.

- wrażliwość na „złe” zasilanie

(przepięcia),

- punktowe świecenie (bywa zaletą),

- cena,

- brak współpracy z typowymi

ściemniaczami oświetlenia.

36

1. Burek D.: LED-owa sygnalizacja świetlna wielkim zagrożeniem podczas zimy, 20.12.2009, http://nvision.pl/News-15531-moderate-2217.html

2. Chwaleba A., Moeschke B., Płoszczajski G.: Elektronika, Warszawa, WSIP 1996

3. Dribko T.: Rozwiązania energooszczędne w gminach, 23.04.2010, www.mae.com.pl/files/energooszczednosc_tomasz-dribko.pdf

4. Mazur A.: LED TV, szum marketingowy, czy zwykłe oszustwo?, 05.01.2010,

www.proline.pl/?n=led-tv-szum-marketingowy-czy-zwykle-oszustwo

5. Pióro B., Pióro M.: Podstawy elektroniki, Warszawa, WSIP 1994

6. Ratyński K.: Dioda LED – co to jest i jak to działa?, www.enterius.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=29&Itemid=48

7. Redakcja świat motoryzacji: Lepsze od ksenonów, 05.2008, Świat motoryzacji

8. Reyes S.: Leczenie nowotworów mózgu, 30.10.1998,

www.sklep.ibg.pl/leczenie_nowotworow_mozgu.doc

9. Wilanowski A.: LED Know-How, http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/1_elektroluminescencja.htm

10. Wróblewska A.: Niecodzienne zastosowania LED-ów, 30.08.2010, http://www.elektroonline.pl/a/2785

11. Wikipedia – wolna encyklopedia: Light emitting diode, http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

Główne źródła

http://nvision.pl/News-15531-moderate-2217.html







http://www.mae.com.pl/files/energooszczednosc_tomasz-dribko.pdf



http://www.proline.pl/?n=led-tv-szum-marketingowy-czy-zwykle-oszustwo













http://www.enterius.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=29&Itemid=48

http://www.sklep.ibg.pl/leczenie_nowotworow_mozgu.doc

http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/1_elektroluminescencja.htm

http://www.elektroonline.pl/a/2785

http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode



Współczesne zastosowania diod...

Documents

Transcript of Współczesne zastosowania diod...