Diody LED – charakterystyka

Gwałtowny rozwój w dziedzinie diod LED cieszy, ale jednocześnie rodzi pewne kłopoty i wątpliwości, związane z ich możliwościami i parametrami. W przypadku starych klasycznych żarówek nie było problemu, ponieważ w ich przypadku jedynym podawanym parametrem była moc – moc pobierana ze źródła energii elektrycznej. Dociekliwi mogli jeszcze spróbować ustalić, jaka jest skuteczność świetlna żarówek – jej wartość wynosi 5 do co najwyżej 20 lumenów na wat (5…201m/W).

Gdzie zakupić żarówki?

Diody LED – parametry

W przypadku diod LED podaje się wiele parametrów, a mniej zaawansowani mają problem ze zrozumieniem ich sensu. W rezultacie powstają i są rozpowszechniane fałszywe wyobrażenia i opinie. Na przykład przed laty jednym z popularnych parametrów diod LED była światłość, wyrażana w kandelach, a częściej w milikandelach (wyznaczana zwykle przy prądzie przewodzenia 20mA). Parametr ten ma wyłącznie znaczenie marketingowe. Dziś dla wielu diod LED, zwłaszcza większej mocy, podaje się całkowity strumień świetlny, który zdecydowanie lepiej charakteryzuje diodę niż światłość.

Fotografia 1 pokazuje 30-watową diodę LED SSM-90 firmy Luminus z pojedynczą strukturą, wytwarzającą strumień świetlny do 2300 lumenów, czyli znacznie więcej niż klasyczna żarówka 100W, która daje strumień co najwyżej 2000 lumenów, zwykle mniej. Obecnie wiodące firmy zaskakują też innymi rekordami, donosząc o swoich diodach o coraz większej skuteczności, wyrażanej w lumenach na wat. Już w  maju 2011 pojawiła się informacja o białej diodzie Cree, która osiągnęła skuteczność 231 lumenów na wat, ponad dwa razy większą od świetlówek, kilkanaście razy większa od żarówek. Niektórzy gotowi są uznać, że ten wyścig zwiększania liczby lumenów na wat nie ma ograniczeń. Występuje wiele nieporozumień i błędnych wyobrażeń, odnośnie do mocy, sprawności, strumienia świetlnego, skuteczności (wydajności) współczesnych źródeł światła. Mało zwraca się natomiast uwagę na problem barwy światła białego i wierność oddawania barw. Mało kto potrafiłby też wytłumaczyć, jak to jest z „zamianą watów na lumeny” w poszczególnych rodzajach diod LED i skąd wzięły się spotykane w literaturze wartości 6831m/W i 17001m/W.

Moc i sprawność diod LED

W przypadku współczesnych, nowoczesnych diod LED większej mocy, zwłaszcza tych służących do oświetlenia, ważnym parametrem jest moc. Często mówi się o diodach 1-watowych, 3-watowych i 5-watowych. Mówiąc o mocy, zawsze mamy na myśli moc pobieraną ze źródła zasilania. Moc jest iloczynem napięcia i prądu diody podczas pracy, ale użytkownik czy konstruktor nie musi mierzyć i mnożyć wartości napięcia i prądu.

Podawana wartość mocy z reguły nie jest ścisłą wartością mocy pobieranej podczas pracy czy w warunkach testowych – jest to tylko wartość przybliżona. Choćby dlatego, że napięcie pracy współczesnych diod LED, które jest rzędu 2V…5V, nie jest ściśle określone. Napięcie to zależy od materiału półprzewodnikowego, z którego wykonano strukturę, od prądu pracy, ale także od temperatury. Nie można więc podać precyzyjnie wartości napięcia na diodzie.

Dlatego w praktyce znacznie ważniejszym parametrem jest prąd maksymalny, często równy zalecanemu przez producenta prądowi nominalnemu. Jeśli chodzi o diody mocy (power LED), to popularne są diody o prądzie nominalnym 350mA i 700mA. Diody te nazywane są często jedno- i dwuwatowymi, ponieważ napięcie na diodzie wynosi około 3 V, więc sumaryczna moc pobierana ze źródła zasilania wynosi około 1W i 2W. Dość popularne są też diody o prądzie nominalnym 1A i takie diody nazywane są 3-watowymi. Analogicznie diody o prądzie nominalnym około 1,4…1,5A są nazywane 5-watowymi. Ale są już i diody kilkunasto a nawet kilkudziesięciowatowe, jak choćby wspomniana SSM-90, która może pracować przy prądzie 9A, a wtedy typowa wartość napięcia przewodzenia wynosi około 3,7V, co daje moc pobieraną ponad 33 W, lub przykładowo dioda 200W – TY-200W, foto2.

Często dioda LED dużej mocy ma więcej niż jedną strukturę – wtedy w katalogu zazwyczaj, ale nie zawsze, podaje się dane odnośnie do każdej pojedynczej struktury. Fotografia 3 pokazuje „ośmiowatową” diodę Cree MC-E, zawierającą cztery jednakowe, dwuwatowe (700mA) struktury.

Dokładniejsze dane zawiera zawsze karta katalogowa konkretnej diody. Podana jest tam wartość zalecanego, nominalnego prądu pracy. Podane jest też przybliżone napięcie na diodzie przy takim prądzie. Podczas pracy dioda pobiera ze źródła energii elektrycznej energię, a pobierana moc jest równa P=U*I. Część tej energii zostaje zamieniona na użyteczne światło, a część jest tracona w postaci ciepła. To ciepło strat musi być odprowadzone do otoczenia. Bardzo ważne jest, żeby podczas pracy diody temperatura struktury nie wzrosła powyżej dopuszczalnej wartości maksymalnej – trzeba zastosować skuteczny sposób odprowadzania ciepła, ale to odrębny, szeroki temat. Nas teraz interesuje inny wątek. Zastanówmy się nad sprawnością.

Dioda LED jest przetwornikiem energii elektrycznej na energię świetlną, a światło to promieniowanie elektromagnetyczne. Oczywiście chcielibyśmy, żeby  sprawność przetwarzania była równa 100%-wtedy cała energia elektryczna zostałaby zamieniona na światło, a straty byłyby zerowe. Można powiedzieć, że  do diody świecącej „wchodzi” energia elektryczna, a „wychodzi” energia promieniowa nia elektromagnetycznego, energia fotonów. Jak wiadomo, każdy foton niesie energię E – hv, gdzie h- stała Plancka (h«6,626-10~³⁴J-s), v – częstotliwość. Można więc śmiało mówić  o energii i mocy niesionej przez emitowane  fotony. W przetworniku światła mamy więc  moc elektryczną na wejściu i moc promieniowania elektromagnetycznego na wyjściu – obie wyrażone w watach. W tym pierwszym etapie mówimy o sprawności energetycznej, tak samo jak o sprawności innych przetworników energii.

W przypadku innych przetworników energii problem na tym się kończy. Na przykład silnik zamienia energię elektryczną na mechaniczną i możemy łatwo zmierzyć dostarczaną moc elektryczną oraz uzyskiwaną mechaniczną, a tym samym określić sprawność takiej zamiany. W przypadku źródeł światła widzialnego też mówimy o  sprawności, ale zagadnienie jest zdecydowanie bardziej skomplikowane. Otóż nawet najlepsi uczeni nie potrafią zrealizować źródła światła widzialnego o sprawności 100%, niemniej takie źródła światła istnieją w przyrodzie – niektóre stworzenia wodne lądowe wytwarzają światło widzialne ze sprawnością 100% lub bardzo zbliżoną. Paradoksalnie, od ponad 100 lat powszechnie dostępne są urządzenia o 100% sprawności zamiany energii elektrycznej na promieniowanie. Niewątpliwie i Ty, także posiadasz takie idealne przetworniki. Otóż bez dużego błędu można uznać, że idealnym przetwornikiem jest… zwykła żarówka!

Nie jest to żadna herezja ani sprzeczność! Najzwyklejsza żarówka ze 100-procentową sprawnością (a przynajmniej bardzo bliską 100%) zamienia energię elektryczną na promieniowanie elektromagnetyczne! Tak, ale problem w tym, iż jedynie niewielka część wytwarzanego promieniowania to światło widzialne, które nas interesuje. Drobna część  wytwarzanego przez żarówkę promieniowania to niewidzialne promieniowanie ultrafioletowe (UV), a zdecydowana większość promieniowania żarówki to równie niewidzialna podczerwień (IR- infrared), która nie świeci, tylko grzeje. Już ten prosty, być może szokujący przykład pokazuje, że tak pożyteczny w innych dziedzinach parametr jak sprawność, w przypadku źródeł światła ani nie wystarczy, ani nie jest miarodajny. Problem w tym, że nas interesuje nie tyle całkowita ilość wytworzonego promieniowania elektromagnetycznego, a jedynie wąski wycinek tego promieniowania, który my,  ludzie, nazywamy światłem widzialnym. Jest to zakres fal elektromagnetycznych o długości fali około 0,38…0,78 mikrometra, czyli 380…780nm. co odpowiada częstotliwości setek teraherców (lTHz=1000GHz=1000000MHz).

Tu trzeba wspomnieć, że inne stworzenia, zwierzęta, w szczególności owady, mają zakres „promieniowania widzialnego” inny niż ludzie. Dlatego przy naukowym definiowaniu parametrów źródeł światła przeznaczonych dla ludzi trzeba jakoś uwzględnić właściwości ludzkiego wzroku. A nie jest to takie proste. Oko ludzkie ma znakomite właściwości, pod wieloma względami wielokrotnie lepsze od współczesnych aparatów cyfrowych i kamer. Między innymi oko ma dwie główne grupy fotoreceptorów, tzw czopki,  umożliwiające widzenie barwne  (dzienne,  tzw.  fotopowe), oraz pręciki, mające dużo większą czułość, ale nie pozwalające rozróżniać barw przy słabym oświetleniu (tzw. widzenie skotopowe, nocne).

Zagadnienie jest bardzo szerokie i skomplikowane,  ale dla naszych celów potrzebny jest tylko drobny ułamek tej wiedzy. Przy rozważaniach o  źródłach światła pomijamy  monochromatyczne widzenie nocne – skotopowe i koncentrujemy się na widzeniu dziennym – fotopowym. Już przy w miarę silnym oświetleniu, biologiczne pigmenty naszego oka i mózg rozróżniają kolory, od fioletu do czerwieni, jednak czułość oka na światło o poszczególnych barwach nie jest jednakowa.

Występują też znaczące różnice pomiędzy poszczególnymi osobami. Już dość dawno opracowano standardowe krzywe czułości oka ludzkiego na promieniowanie o poszczególnych długościach fali. Rysunek 1 pokazuje krzywe względnej czułości widzenia nocnego, monochromatycznego (krzywa niebieska) oraz bardziej nas interesującą przy omawianiu źródeł światła charakterystykę czułości widzenia dziennego, barwnego (krzywa czerwona). Choć moglibyśmy twierdzić, że dobrze widzimy wszystkie barwy tęczy, co po części wynika z logarytmicznej charakterystyki czułości wzroku, niemniej okazuje się, iż przy widzeniu dziennym nasze oko najsilniej reaguje na światło zielone o długości fali 555nm (0,555 mikrometra). Na krańcach pasma widzialnego (przy świetle fioletowym i czerwonym) czułość oka spada do zera. Podawane w katalogach parametry źródeł światła powinny uwzględniać tę krzywą widzenia fotopowego, ponieważ mają informować o wrażeniu wzrokowym, a nie o bezwzględnej ilości promieniowania.

Już tu w ramach porządkowania pojęć warto wspomnieć, że mierząc parametry diod LED i innych źródeł światła, mamy dwie drogi: jedna to radiometria – pomiar bezwzględnych wartości całego wytwarzanego promieniowania elektromagnetycznego, bez względu na częstotliwość, a druga droga to fotometria – w uproszczeniu pomiar subiektywnie odczuwanej ilości światła i wielkości pokrewnych. Radiometria zajmuje się pomiarami promieniowania o częstotliwościach w zakresie 0,3THz…30000THz, czyli o długości fali 1 mikrometra do 10 nanometrów. Natomiast fotometria zasadniczo dotyczy tylko wąskiego zakresu światła widzianego, około 400…700nm, co najwyżej 360…870nm, i koncentruje się nie na klasycznych wielkościach fizycznych, jak energia i moc, tylko na subiektywnym wrażeniu, odbieranym przez oko człowieka.

Moc promieniowania, sprawność i strumień świetlny w ledach

W diodzie świecącej następuje zamiana energii elektrycznej na energię promieniowania. Ta sprawność może być znaczna. Najnowocześniejsze diody mają sprawność energetyczną rzędu 50%. To znaczy, że ponad 50% dostarczonej energii zamienia się na promieniowanie, a mniej niż 50% to straty w postaci ciepła, które trzeba rozproszyć do otoczenia. Jednak większość diod mocy LED ma sprawność 10…20%.

Ale moc uzyskiwanego promieniowania to nie wszystko. Nas interesuje też siła światła, czyli wrażenie świetlne. I oto doszliśmy do ważnego parametru – strumienia świetlnego, (ang luminous flux, niem. Lichtstrom) często oznaczanego we wzorach dużą grecką literą fi [Φ]. W uproszczeniu można powiedzieć, że strumień świetlny określa całkowitą ilość wytwarzanego światła widzialnego.

Podkreślam: światła widzialnego. Jednostką strumienia świetlnego [Φ] jest lumen, w skrócie lm. Jakaś kolorowa dioda LED może wytwarzać strumień świetlny np. 2, 20 czy 200 lumenów. Natomiast nawet najlepsza dioda podczerwona (IRED) zawsze wytworzy strumień świetlny zero lumenów (0lm), ponieważ emituje światło niewidzialne dla oka. Wytworzy ona promieniowanie IRED o określonej mocy, ale strumień świetlny będzie zerowy. W przypadku diody podczerwonej (IRED) możemy mówić tylko o mocy promieniowania oraz o sprawności energetycznej (promieniowania). W diodach LED interesuje nas całkowita ilość uzyskiwanego światła, wyrażona w lumenach

Otóż w pewnym sensie „zamiana watów na lumeny” to proces dwuetapowy. Pierwszy etap to zamiana energii elektrycznej na energię promieniowania elektromagnetycznego. Wtedy mówimy o sprawności energetycznej, sprawności promieniowania.

A tak właściwie ten pierwszy etap można byłoby rozdzielić na dwa podetapy z uwagi na pewien problem praktyczny. Dawniej diody świecące miały całkowitą sprawność promieniowania rzędu ułamka procenta. W rzeczywistości na światło zamieniało się w nich dużo więcej energii, ale kluczowym problemem był i jest fakt, że materiał półprzewodnikowy jest nieprzezroczysty i zdecydowana większość powstałego pożytecznego promieniowania nie mogła opuścić struktury i zamieniała się na ciepło strat. Jednym z bardzo trudnych zadań naukowców jest takie skonstruowanie diody, żeby całe powstające promieniowanie mogło wyjść ze struktury na zewnątrz. W ostatnich kilkunastu latach postęp w tych kwestiach jest ogromny, a całkowita sprawność energetyczna najlepszych diod świecących przekroczyła 50%.

Krzywa czułości oka, skuteczność

W przypadku pomiarów fotometrycznych diod, wytwarzających światło widzialne, w grę wchodzi czerwona krzywa z rysunku 1. Załóżmy, że mamy trzy nowoczesne diody LED (niebieską zieloną i czerwoną) o identycznej sprawności energetycznej i tak je zasilamy, żeby pobierały identyczną moc. Załóżmy, że wszystkie trzy zamienią 50% dostarczonej energii elektrycznej na światło (a pozostałe 50% wydzieli się w strukturze diody jako straty w postaci ciepła). Sprawność przetwarzania jest jednakowa, a tym samym moc wytwarzanego promieniowania elektromagnetycznego też jest jednakowa.

Moc będzie jednakowa, jednak strumień świetlny będzie zależał od barwy światła, jak ilustruje to rysunek 2. Największy strumień świetlny, czyli najsilniejsze wrażenie wzrokowe, wytworzy dioda zielona, mniejszy – dioda niebieska, a najmniejszy – dioda czerwona. (Oczywiście można znaleźć diody czerwone, których strumień świetlny jest większy od zielonych. Zależy to nie tylko od omawianej charakterystyki ludzkiego wzroku, ale też od sprawności energetycznej tych diod i oczywiście od dostarczonej mocy elektrycznej). I jeszcze jeden szczegół na marginesie: rysunek 8 mógłby sugerować, że dioda LED wytwarza światło tylko o jednej długości fali. Takie wyobrażenie jest prawdziwe, ale tylko w przypadku laserów (półprzewodnikowych, które są też odmianą diod LED). Natomiast diody LED wytwarzają światło o długościach fal w pewnym zakresie.

Chcąc uzyskać dokładniejsze dane charakteryzując diody emitujące światło widzialne, trzeba uwzględnić krzywą czułości oka. I już tu widać, dlaczego w odniesieniu do diod wytwarzających światło widzialne rzadko wykorzystujemy pojęcie sprawności (po angielsku – efficiency). Sprawność to stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej i wyrażana jest albo w procentach, albo liczbą w zakresie 0…1. Pozwala ona obliczyć uzyskiwaną moc promieniowania. Natomiast w przypadku źródeł światła na wyjściu interesuje nas nie tyle moc, co wrażenie wzrokowe, dlatego nie mówimy o mocy promieniowania, tylko o strumieniu świetlnym, wyrażanym w lumenach. I w związku z tym bardzo nas też interesuje „efektywność zamiany watów na lumeny”.

Dla odróżnienia od klasycznej sprawności, (ang. efficiency, niem. Wirkungsgrad) w przypadku światła widzialnego używamy pojęcia skuteczności świetlnej. I właśnie skuteczność (ang. luminous efficacy, niem. Lichtausbeute), wyrażana w lumenach na wat (lm/W) jest bardzo ważnym, wręcz kluczowym parametrem źródeł światła widzialnego. Niby wszystko jest jasne, ale przy interpretacji i tłumaczeniu na polski niektórych tekstów angielskich może wkraść się wątpliwość lub błąd. Otóż zazwyczaj pod pojęciem skuteczności (luminous efficacy) rozumiemy wypadkowy stosunek uzyskiwanego strumienia świetlnego do mocy elektrycznej dostarczonej do diody.

Jednak w niektórych źródłach rozróżnia się pojęcie Luminous Efficacy of Radiation, w skrócie LER. LER nie jest wypadkową skutecznością a jedynie współczynnikiem, uwzględniającym wyłącznie właściwości oka. LER też ma wymiar lm/W, ale określa tylko drugi etap – niejako „przeliczenie” promieniowania na światło widzialne.

Dlatego też można spotkać na pozór niespójne dane: aktualnie rekordowa skuteczność (całkowita) białych diod LED wynosi około 2301m/W, ale często spotyka się też doniesienia o diodach o współczynniku LER ponad 4001m/W. W przypadku wartości LER chodzi tylko o ten drugi etap – „przeliczenie” promieniowania na światło widzialne. Wartość LER nie uwzględnia sprawności energetycznej, tylko pokazuje, jak dane promieniowanie „przekłada się” na światło widzialne.

W angielskojęzycznej literaturze można też spotkać pojęcie luminous coefficient, które w rzeczywistości jest skutecznością ale podawane jest w procentach, gdzie 100% odpowiada maksymalnej teoretycznej skuteczności 6831m/W. Ponadto pojęcia efficiency i eficacy są dość często stosowane niekonsekwentnie i mylone. Warto o tym pamiętać przy analizie katalogów, doniesień prasowych, a nawet prac naukowych.

Porównywarka cen sprzętu RTV