wersja mobilna
Online: 529 Niedziela, 2016.12.04

Technika

Ekspansja LED dużej mocy

środa, 23 lipca 2008 16:26

Diody LED, tradycyjnie stosowane w różnego rodzajach wskaźnikach oraz do podświetlania ekranów LCD są coraz częściej postrzegane jak alternatywa dla tradycyjnych źródeł oświetlenia opartych o żarówki, lampy fluoroscencyjne i lampy halogenowe. Mają na to wpływ liczne zalety technologii LED, z których najczęściej wymieniane są niski pobór mocy oraz aspekty ekologiczne.

Zgodnie z prognozami firmy analitycznej Yole, całkowita wartość rynku LED w roku 2012 ma wynosić 10,3 mld dol., z czego blisko połowę mają stanowić diody LED wysokiej i bardzo wysokiej jasności. Oznacza to, że w stosunku do roku 2007 wartość rynku bardzo jasnych LED będzie 5,5 razy większa.

LED na drogach

Rys. 1. Lampa przednia samochodu Audi R8, wykonana w całości technice LED

Pierwszym z rynków, na którym diody LED mają szanse zastąpić tradycyjne źródła oświetlenia wydaje się być branża samochodowa. Jak mówią specjaliści z Audi, głównymi zaletami technologii LED są niski pobór mocy oraz redukcja emisji dwutlenku węgla. Ponadto, diody LED świecą w kolorze zbliżonym do światła dziennego, co poprawia kontrast i powoduje przyjemniejszą percepcję wizualną. Charakteryzują się długą żywotnością i mają małe rozmiary oraz pozwalają na elastyczne projektowanie wyglądu zewnętrznego pojazdu.

O ile sama koncepcja wykorzystywania diod LED do oświetlenia zewnętrznego samochodów nie jest niczym nowym, to do tej pory ograniczała się ona głównie do świateł tylnych, a przede wszystkim do dodatkowego światła stopu. Warto zauważyć, że diody LED mają czas włączania krótszy o około 250ms niż tradycyjne żarówki. W praktyce oznacza to, że droga hamowania samochodu jadącego z prędkością 100km/h za samochodem wyposażonym w światła stopu LED skraca się o 7m.

Na początku obecnego roku pojawił się w seryjnej produkcji pierwszy samochód z oświetleniem przednim w całości opartym o technologię LED. Jest to niemieckie Audi R8, opcjonalnie wyposażane w światła przednie LED. Standardowo samochód ten ma wmontowane także białe diody pełniące funkcje świateł do jazdy dziennej. R8 to pierwszy pojazd wykorzystujący takie diody zarówno w światłach mijania, jak i światłach drogowych. Światła te zostały dostarczone przez niemiecką firmę Automotive Lighting i wykorzystują układy Lumileds.

Pojedyncza lampa przednia Audi R8 składa się z 54 diod, z których 24 białe diody tworzące zakrzywioną linię w kształcie skrzydła służą jako światło do jazdy dziennej lub światło postojowe, 8 żółtych diod wysokiej jasności to kierunkowskaz, 14 diod pełni funkcję świateł mijania, a 8 - świateł drogowych. Na szczególną uwagę zasługują te ostanie. Wykorzystano tutaj dwie liniowe tablice Lumiled, każda składająca się z 4 diod. Rozmiar pojedynczego modułu to 1x1mm a prąd diody to 1A. Temperatura koloru, czyli ilość ciepła w skali Kelwina, jaką musi zaabsorbować ciało doskonale czarne, aby żarzyło się w tym kolorze, w przypadku białych diod wynosi około 5000 K. Dla porównania, dzienne światło ma temperaturę 5600 K. Elektryczne wentylatory zapewniają efektywne rozpraszanie ciepła, przy okazji umożliwiając odmrażanie lampy przedniej.

Jednak to nie Audi, a dostępna już na rynku, również europejskim, luksusowa Toyota Lexus LS600h była pierwszym samochodem wykorzystującym białe LED w lampach przednich. Zastosowano w niej reflektory japońskiej firmy Koito Manufacturing, zawierające LED dostarczone przez firmę Nichia. W odróżnieniu od Audi R8, światłą LS600h spełniały jednak jedynie funkcję świateł mijania.

W połowie obecnego roku światła przednie oparte w całości na technologii LED mają także pojawić się w produkcie innego giganta rynku motoryzacyjnego – General Motors. Mają być zainstalowane w Cadillacu Escalade Platinum, w którym zostaną wykorzystane światła firmy Hella zawierające diody Osram OptoSemiconductors.

Przepisy

Interesująca jest kwestia regulacji prawnych dotyczących oświetlenia w samochodach. Otóż zarówno Lexus, jak i Audi otrzymały specjalne pozwolenia od Unii Europejskiej na stosowanie technologii LED w przednim oświetleniu w produkcji seryjnej. W Europie, oraz innych regionach objętych regulacjami ECE, przepisy dotyczące stosowania LED w lampach przednich oczekiwane są w trzecim kwartale obecnego roku. W Stanach Zjednoczonych i innych obszarach objętych standardami SAE, istnieją już zapisy dopuszczające wykorzystywanie diod LED w światłach przednich do głównych funkcji oświetleniowych. Dozwolone, zarówno przez ECE, jak i SAE jest stosowanie LED w oświetleniu przednim do funkcji sygnalizacyjnych, tj. w kierunkowskazach, światłach pozycyjnych, światłach do jazdy dziennej itd.

Miasteczka LED

Poza przemysłem samochodowym, coraz większą popularność zyskuje sobie koncepcja stosowania diod LED do oświetlania ulic. Przykładem może być amerykańskie miasto Ann Arbor w Stanie Michigan. Władze miasta mają zamiar zainstalować tysiąc latarni LED i przewidują, że okres zwrotu inwestycji wyniesie 3,8 roku. Każda latarnia ma pobierać 56W i działać przez 10 lat, zastępując żarówki zużywające ponad 120W i działające jedynie 2 lata. Szacuje się, że instalacja ta, pozwoli miastu na oszczędności na poziomie 100 tys. dolarów rocznie i zmniejszenie poziomu rocznej emisji dwutlenku węgla o 294 tony.

Oświetlenie wnętrz

Ostatnio diody doczekały się też zastosowania w oświetleniu wnętrz. Kanadyjski Palace Pier stał się pierwszym budynkiem w Ameryce Północnej, w którym zdecydowano się przejść na oświetlenie wewnętrzne za pomocą LED. Do tego celu wykorzystano blisko 1300 bazujących na LED lamp MR16 firmy CRS Electronics. W przeciwieństwie do tradycyjnych, 35-watowych halogenowych lamp MR 16, zastosowane lampy LED pobierają jedynie 4W mocy.

Jako ciekawostkę warto też podać fakt, że diody LED będą wykorzystane do zewnętrznego oświetlenia słynnego już Wodnego Sześcianu – areny zmagań pływaków na Igrzyskach Olimpijskich w Pekinie. Do tego celu zostanie wykorzystane 440 tys. diod XLamp firmy Cree rozmieszczonych na obszarze 80 tys. m2.

Prognozy

Pomimo wielu zalet technologii LED, a także coraz większej presji ekologicznej związanej z ograniczeniem użycia tradycyjnych żarówek, należy jasno podkreślić, że diody LED nie stanowią obecnie alternatywy mogącej zastąpić wolframowe źródła światła na szeroką skalę w oświetleniu ogólnym. Powodami są przede wszystkim mała moc świetlna oraz zbyt wysokie ceny. Koszt źródeł światła w przeliczeniu na lumeny jest 20-krotnie wyższy w przypadku diod LED niż żarówek. Aby zniwelować tę różnicę należy zwiększyć prąd diody do około 2A, a efektywność do 150 lm/W w przypadku podzespołu o wymiarach 1x1mm2, przy jednoczesnym zmniejszeniu o połowę kosztów produkcji.

O ile już w tym roku będzie dostępnych wiele elementów o wymiarach 1x1mm, które będą miały wydajność 100 lm/W, to oczekiwaną sprawność 150 lm/W da się uzyskać mniej więcej za 5 lat. Granicą technologiczną będzie poziom 200 lm/W. Dla modułu złożonego kilku elementów strumień świetlny powinien już niebawem osiągnąć 500lm, a możliwe jest, że da się osiągnąć nawet 1klm. O ile obecne diody o małej mocy mają wymiary i koszty porównywalne z żarówkami do 10W, to w zakresie 10-krotnie większych mocy powierzchnia struktury diodowej jest już dosyć duża.

Na razie CFL

Zdecydowanie korzystniejsze perspektywy w zastępowaniu tradycyjnych żarówek rysują się przed kompaktowymi lampami fluoroscencyjnymi (CFL). Amerykański program Energy Star promujący CFL, odnotowuje sukcesy. Sprzedaż lamp CFL w roku 2007 uległa podwojeniu osiągając około 20% rynku żarówek w Stanach Zjednoczonych. Objęte programem lampy charakteryzują się żywotnością na poziomie przynajmniej 6 tys. godzin i są w stanie pobierając 23÷30W zastąpić 100-watowe żarówki wytwarzając przy tym wiązkę światła o strumieniu 1600lm.

Nie ulega jednak wątpliwości, że na polu konkurencji z lampami fluoroscencyjnymi, niewątpliwą zaletą diod LED jest niska zawartość substancji niebezpiecznych, podczas gdy lampy fluoroscencyjne zawierają duże ilość rtęci. Naciski ekologiczne na ograniczanie stosowania rtęci będą wymuszały na producentach lamp fluoroscencyjnych rozważanie zastosowania innych, mniej korzystnych metali, co najprawdopodobniej przełoży się na niższą efektywność wyjściową i wyższe koszty.

Marek Krajewski