LED = Light Emitting Diode - Dioda emitująca światło Nie wszystkie diody świecą, spora ilość tych urządzeń na świecie pełni rolę pasywnych elementów elektronicznych, których jedynym zadaniem jest przewodzenie prądu w jedną stronę i nieprzewodzenie w drugą. Dla odróżnienia od zwykłych, te świecące nazywają się LED.

Dioda elektroluminescencyjna (LED) to pasywny element półprzewodnikowy, który ze względu na specyficzne domieszkowanie materiałów, z których został zrobiony emituje energię świetlną w trakcie przepływu prądu w kierunku przewodzenia.

Do produkcji LEDy weszły w latach sześćdziesiątych w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera Nicka Holonyaka Juniora, który jest uważany za jej wynalazcę. Możliwe jest, że została wynaleziona już wcześniej, w latach 20. XX wieku. Radziecki technik radiowy Oleg Władimirowicz Łosew zauważył, że diody używane w odbiornikach radiowych emitują światło.

Warunki pracy diod LED jako takich to od około -20°C do +80°C. Temperatura przechowywania to -30°C do +100°C. Wilgotność około 95% bez kondensacji. Jako element półprzewodnikowy oporność diody zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. W efekcie groźniejsze dla LEDów są wyższe temperatury, które łatwo mogą doprowadzić do uszkodzenia. Dlatego jednym z najważniejszych aspektów związanych z eksploatacją LEDów są problemy związane z odprowadzeniem ciepła oraz zaprojektowaniem takiego sposobu zasilania, który zapewni diodzie optymalne warunki pracy bez względu na temperaturę.

Tak, istnieją dwa sposoby realizacja tego zadania: PWM (Pulse Width Modulation) - modulacja szerokości impulsu - polega na regulacji współczynnika wypełnienia napięcia zasilającego oscylującego pomiędzy wartością zero i wartością maksymalną, spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. PAM (Pulse Amplitude Modulation) - modulacja amplitudy impulsu - polega na zmianie napięcia zasilającego diody. Ta druga metoda jest stosowana tylko przez kilka firm na świecie, ale oferuje lepsze parametry sterowania, przedłuża żywotność diody oraz zwiększa efektywność świecenia.

RGB, czyli Red Green Blue (czerwony zielony niebieski) to zwyczajowe określenie systemów świecenia, w których wynikowy kolor światła uzyskuje się poprzez zmieszanie składowych o tych właśnie kolorach. Każdy kolor składowy jest regulowany przez osobny tzw. kanał sterownika i może być regulowany niezależnie (patrz ściemnianie). W efekcie uzyskujemy teoretycznie dowolny kolor. Ilość kolorów możliwych do uzyskania wynika z precyzji regulowania poziomów świecenia każdego z kanałów. Najczęściej występują sterowniki oferujące 256 poziomów na kanale, co daje wynikowo 256 * 256 * 256, czyli ponad 16 mln kombinacji. Należy sobie jednak zdawać sprawę, że w praktyce uzyskane kolory bardzo zależą od jakośći kolorów składowych. Ze względu na zmianę kolory świecenia w funkcji intensywności świecenia, możliwe są odchyłki kolory wynikowego od zadanego. W systemach oświetleniowych nie ma to dużego znaczenia, jednak w systemach wyświetlaczowych czeste jest używanie innych kombinacji diod niż tylko RGB w celu poprawy wynikowej charakterystyki. Innym aspektem systemów RGB jest nierówna degradacja diod w czasie co powoduje zmianę kolorów świecenia, jeżeli układ sterujący nie potrafi skompensować tego zjawiska poprzez dopasowanie parametrów sterowania. Systemy RGB są realizowane poprzez zestawy niezależnych diod w kolorach składowych, albo poprzez pakiety składające się z chipów w kolorach składowych umieszczonych blisko siebie e jednej obudowie. To drugie rozwiązanie umożliwia powstanie wynikowego światła bardzo bilsko źródeł. Rozwiązania architektoniczne złożone z diod wysokiej mocy z indywidualnymi optykami dają wynikowy kolor w odległości kilku lub kilkudziesięciu cm od nich (w zależności od kąta optyki).

Każdy kolor składowy jest regulowany przez osobny tzw. kanał sterownika i może być regulowany niezależnie (patrz ściemnianie). W efekcie uzyskujemy teoretycznie dowolny kolor. Ilość kolorów możliwych do uzyskania wynika z precyzji regulowania poziomów świecenia każdego z kanałów. Najczęściej występują sterowniki oferujące 256 pozimów na kanale, co daje wynikowo 256 * 256 * 256, czyli ponad 16 mln kombinacji.

Statystyczna żywotność diod w warunkach laboratoryjnych sięga 100 tys. godzin. Oznacza to, że w przypadku pracy ciągłej w temperaturze około 20 stopni, z idealnymi parametrami sterowania 50% diod będzie świeciła z co najmniej 50% jasnością. W praktyce tego rodzaju warunki są niemożliwe do zapewnienia. W efekcie możemy mówić o żywotności około 30-50 tys. godzin. Dla porównania specyfikowana żywotność żarówki halogenowej to około 5 tys. godzin. Żywotność diod ulega istotnemu skróceniu w wyniku działania wysokiej temperatury, promieniowania UV oraz przekroczonych parametrów sterowania. Należy również zdawać sobie sprawę, że naturalnym procesem jest spadek jasności świecenia w czasie.

Tak - z czasem następuje tzw. degradacja polegająca na „wypalaniu” się materiału półprzewodnikowego. Naturalnym spadkiem jasności jest około 10-30% w ciągu pierwszego roku. Wartość ta zależy od jakości samej diody, warunków pracy i zasilania. Następnie następuje stabilizacja strumienia świetlnego.

Proces produkcji diod polega na domieszkowaniu (dodawaniu małej ilości substancji chemicznych) półprzewodników. Technologicznie nie jest możliwe przeprowadzenie tego procesu w identyczny sposób dla całej partii produkcyjnej liczącej często kilka milionów sztuk. W efekcie otrzymujemy diody o różnych kolorach świecenia. Jeżeli rozrzut kolorystyczny nie jest istotny, możemy kupić takie diody tanio. Jeżeli natomiast potrzebne są dokładniej zdefiniowane kolory, diody są automatycznie segregowane na tzw „biny” czyli klasy jakościowe. W zależności od dokładności tej segregacji uzyskujemy różne ceny. Wyspecyfikowanie koloru z dokładnością do 1 nm powoduje konieczność wyrzucenia około 90% wyprodukowanych diod, co bardzo podnosi cenę tych właściwych. Na cenę diod wpływa również ich producent, zastosowana technologia i reżim produkcyjny. Na końcu, cenę diody ustala rynek - dlatego najjaśniejsze diody są najdroższe, bo mało firm opanowało technologię ich produkcji i dlatego z czasem tanieją, kiedy inne firmy potrafią je wyprodukować.

Idealnym z punktu widzenia człowieka źródłem światła jest Słońce. Dioda na obecnym etapie rozwoju technologii rokuje najwięcej nadziei, ponieważ ma największą trwałość, efektywność świecenia zwiększa się co kilka miesięcy i można je robić bez udziału szkodliwych dla środowiska substancji. Barierą dla powszechnego stosowania diod LED do oświetlenia jest cena i/lub efektywność świecenia. Zastąpienie lampy sodowej o mocy 200W i strumieniu około 3600 lm wymaga zastosowania około 400 diod, i ich koszt przekracza prawie dziesięciokrotnie koszt lampy sodowej, przy dwukrotnie większym zużyciu energii. Tempo rozwoju technologii diodowej pozwala przypuszczać, że w ciagu najbliższych 5 lat większość oświetlenia będzie realizowana w technologii diodowej.

Nie lubią - ciepło zmiejsza ich trwałość i przyspiesza degradację. Dlatego najważniejszym elementem konstrukcji oprawy LED jest porządny radiator.

Są to sposoby regulacji strumienia świetlnego diód LED - albo inaczej ściemiania. PWM - Pulse Width Modulation - modulacja szerokości impulsu - polega na regulacji współczynnika wypełnienia napięcia zasilającego oscylującego pomiędzy wartością zero i wartością maksymalną, spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. PAM - Pulse Amplitude Modulation - modulacja amplitudy impulsu - polega na zmianie napięcia zasilającego diody. Ta druga metoda jest stosowana tylko przez kilka firm na świecie, ale oferuje lepsze parametry sterowania, przedłuża żywotność diody oraz zwiększa efektywność świecenia.

Diody wysokiej mocy dostępne obecnie na rynku generują strumień około 90 lm/W. Powala to skonstruować oprawy o mocy 20W, które dają tyle światła co oprawy ze świetlówkami energooszczędnymi o mocy 56W lub klasycznymi żarówkami o mocy około 200?250W. Inne rozwiązania pozwalają osiągnąć ilość światła 20W halogenu z oprawy diodowej o mocy około 3W. Wyrażony w lumenach strumień światła określa całkowitą ilość energii emitowanej przez źródło. Poprzez zastosowanie odbłyśników i optyki można ten strumień skierować w pożądanym kierunku i uzyskać zakładaną koncentrację tej energii świetlnej na powierzchni (np. podłodze korytarza). Miarą tej koncentracji energii na jednostce powierzchni jest kandela (cd). A zatem mając dwa źródła światła, o identycznej mocy elektrycznej i identycznym strumieniu, możemy uzyskać zupełnie inne poziomy światłą na odległej od nich powierzchni. W przypadku źródła o wąskiej optyce (spot, fokus) uzyskamy mały, jasno oświetlony obszar. W przypadku źródła o szerokiej optyce (wide) uzyskamy duży, mniej oświetlony obszar.

Oczywiście nie. Światłowód jest medium przewodzącym światło. Dioda jest jego źródłem. Istnieją natomiast systemy złożone z diody wraz ze światłowodem.

Ponieważ parametry sterowania (prąd i napięcie) mają krytyczne znaczenie dla żywotności diid i efektów ich świecenia.

W zależności od mocy: - dużej mocy, od 1W; - małej mocy, około 75mW. W zależności od obudowy: - SMD, montowane powierzchniowo; - przewlekane, z „nóżkami” służącymi do przełożenia przez otwory w płycie drukowanej.

Polega to na stosowaniu zasilaczy wyposażonych w układy elektroniczne, które utrzymują w obwodzie stały prąd, zmieniając napięcie w zależności od obciążenia (czyli od ilości podłączonych diod). Ponieważ diody są układami, w których to prąd jest istotny dla zachowania żywotności i parametrów świecenia. Zasilacz stałoprądowy jest określony przez dwa parametry: - prąd, najczęściej 350mA lub 700mA; - zakres napięć, np. 6V ? 58V. Zakładając, że na jednej diodzie 1W odkłada się napięcie około 3,3V możemy policzyć że w podanym przykładzie możemy podłączyć co najmniej dwie diody i maksymalnie 17 diod. Podłączenie jednej diody spowoduje jej spalenie, ponieważ zasilacz nie będzie w stanie zredukować prądu dla tak małego obciążenia. Podłączenie zbyt dużej ilości diod zmniejszy intensywność ich świecenia ponieważ zasilacz nie będzie w stanie dostarczyć wymaganego prądu dla zbyt dużego obciążenia.

Zasilacz napięciowy zapewnia stałe napięcie. Prąd w układzie będzie wynikiem oporności podłączonych elementów i wynika z prawa Ohma. Stosowanie takiego zasilania do systemów diodowych nie zapewnia utrzymania stałych parametrów pracy diody. Opornośc wewnętrzna diody jest podawana w temp. 20°C. Jeżeli dla tej oporności dobierzemy opornik pozwalający na ograniczenie prądu do wymaganych przez diodę, w przypadku zmiany temperatury i zmiany oporności diody oraz opornika (w przeciwnych kierunkach, tzn. większa temperatura to większy opór opornika i mniejszy diody) prąd sterowania zmieni się powodując spadek trwałości diody.

Podczas montażu i projektowania układów LED należy pamiętać o następujących sprawach: - instalacja zasilająca powinna przewidywać umieszczenie zasilacza; - w przypadku systemów RGB należy przewidzieć również instalację do sterowania oprawą, nie tylko zasilania; - w przypadku systemów RGB należy unikać prowadzenia instalacji RGB i zasilających w tym samym kablu; - diody się grzeją, należy więc zapewnić odpowiednią wentylacje i upewnić się, że stosowane źródło światła nie wymaga dodatkowego radiatora (np. nie musi być mocowane na pasku z aluminium) - w przypadku braku możliwości zapewnienia wentylacji należy zastanowić się nad zastosowaniem światłowodów.

- trwałość; - efektywność energetyczna; - gabaryty; - możliwość stosowania systemów RGB; - niskie koszty eksploatacji.

Amber, czerwony, niebieski, zielony. Możliwe są również kolory zbliżone, czyli amber obejmuje również kolor pomarańczowy, żółty itd. Paradoksalnie, dioda biała i niebieska są technologicznie identyczne.

Jest to technologicznie bardzo jasna dioda niebieska. Często dodatkowo posiada napylony luminofor, czyli substancję świecącą na biało.

Oznaczają tzw. temperaturę barwową światła. Kolor zimny o wysokiej temperaturze światła, jest bliżej niebieskiego, kolor ciepły o niskiej temperaturze jest zbliżony do czerwonego. Temperatura jest zdefiniowana jako temperatura tzw. ciała czarnego. Obserwując proces rozgrzewania się np. metalu widzimy, że przy niższych temperaturach świeci bardziej na czerwono (ciepły biały - niska temperatura) a im bardziej jest rozgrzany, tym bardziej emitowane światło jest białe (zimny biały - wysoka temperatura).

Colour Refraction Index ? indeks oddawania koloru. Określa jak bardzo oświetlenie zmiania percepcję koloru oświetlanych przedmiotów.

W przypadku oświetlenia fukcjonalnego bardziej akceptowany przez człowieka jest kolor cieplejszy. W przypadku zastosowań reklamowych kolor biały zimny o lepszym współczynniku CRI pozwala na wierniejsze oddanie kolorów np. kasetonu.