Uwaga na parametry

Diody LED dużej mocy borykają się wieloma problemami technicznymi i rynkowymi, które nie pozwalają na ich szybką ekspansję w wielu popularnych zastosowaniach. Diody o dużej trwałości i wydajności świetlnej są do wielu aplikacji jeszcze stanowczo za drogie, a produkty tanie często mają zbyt kiepskie parametry, aby ich użycie miało sens. Sprzeczność ta leży u podstaw wielu problemów, jakie trapią młody rynek.

Szereg małych firm dalekowschodnich stara się na siłę uatrakcyjnić słabe produkty, eksperymentując z technologią i tańszymi materiałami. Niechętnie też pozbywają się nieco ułomnych elementów, raczej sprzedając je taniej niż kierując na przemiał. Widać to chociażby po oszczędnym gospodarowaniu informacją, w których niektóre ważne parametry nie są podawane lub też podawane w oszczędnej formie nieprecyzującej warunków pomiarów.

Modelowym przykładem tego zjawiska jest informacja na temat żywotności diod, która się nie pojawia wcale, a jeśli nawet to często bez sprecyzowania temperatury pracy elementu i poziomu spadku luminancji wyznaczającego koniec pomiaru. Jest to taki sam sposób działania, jaki obowiązuje w przypadku tańszych zamienników akumulatorów do telefonów o ogromnych pojemnościach.

Ustawiając odpowiednio nisko dopuszczalne napięcie wyładowania przy niskiej wartości prądu można osiągnąć „rewelacyjną” pojemność. Lektura kilkunastu kart katalogowych diod, którą pojąłem, aby uzupełnić pola „brak danych” w tabeli 1, nasuwa przypuszczenie, że w przypadku diod może być niestety podobnie. Skoro można podawać pojemność akumulatorów rozładowując je do 0V, to pewnie można też mierzyć trwałość diod chłodząc je intensywnie wodą aż do chwili, kiedy przestaną świecić w ogóle.

Brakuje też informacji o powtarzalności parametrów związanych z reprodukcją koloru lub tolerancją wydajności świetlnej, co ma zasadnicze znaczenie dla producentów wyświetlaczy wielkoformatowych, znaków informacyjnych i w innych zastosowaniach, gdzie tworzy się matryce elementów świecących obok siebie. Wiele z producentów selekcjonuje diody na grupy, ale nie jest to niestety standardem dla wszystkich.

Nie wszyscy konstruktorzy dobrze się orientują jak wielki wpływ na trwałość omawianych elementów ma punkt ich pracy, tym bardziej, że jesteśmy przyzwyczajeni, że dla większości elementów półprzewodnikowych niezawodność jest tyle duża, że w zasadzie nie warto zaprzątać sobie tym głowy. Dlatego lektura danych katalogowych często jest w stanie ostudzić entuzjazm, jaki wywołuje zestawienie lumenów i watów.

Dla najlepszych podzespołów trwałość przekracza 50 tys. godzin pracy w temperaturze 80-90°, co skutkuje spadkiem luminancji o 30%. Na drugim biegunie znaleźć można diody oferujące 10 tys. godzin pracy w temperaturze 25°, co diametralnie ogranicza zakres zastosowań do pracy dorywczej. Brak takiej wiedzy przy zakupach może niestety okazać się wielkim kłopotem.

Rys. 1. Najpopularniejsze aplikacje, do których trafiają diody LED mocy. Źródło: ankieta redakcji

W materiałach reklamowych na czołowych miejscach wymienia się, że oświetlenie z wykorzystaniem LED jest trwalsze, a trwałość diod przekracza 100 tysięcy godzin. Jest to trochę zwodnicze, gdyż powyższe stwierdzenie jest prawdziwe o ile zapewnimy niską temperaturę pracy struktury. W typowych warunkach pracy zbliżonych do 80° degradacja luminoforu ogranicza żywotność blisko dwukrotnie. Obowiązują tu znane prawa chemiczne, zgodnie z którymi podniesienie temperatury reakcji od 10° przyspiesza ją dwukrotnie. Reakcją taką jest pośrednio degradacja luminoforu, który w wyższych temperaturach szybciej traci swoje właściwości.

Niestety póki co większość diod białych wykonywana jest w postaci struktur półprzewodnikowych świecących na niebiesko otoczonych luminoforem w kolorze jasnożółtym. Oznacza to, że diody o niewielkiej trwałości, oprócz spadku jasności w miarę upływu czasu, charakteryzują się wahaniami barwy generowanego światła.

Światło białe można też uzyskać wykorzystując diody RGB. Elementy te nie wykorzystują luminoforu i nie są podatne na zmiany barwy związane z jego starzeniem, jednak z uwagi na konieczność użycia trzech struktur półprzewodnikowych rozwiązania te są droższe. Diody dla poszczególnych kolorów wykowywane są w różnych technologiach półprzewodnikowych i nie mogą tym samym stanowić razem monolitycznego kawałka kryształu. Przekłada się to natychmiast na konieczność ich izolowania, bardziej skomplikowany montaż i gorsze odprowadzanie ciepła. Każda ze struktur starzeje się w innym tempie, co niestety oznacza, że dla diod RGB kolor świecenia także zmienia się w czasie.

Zjawisko to zmusza konstruktorów urządzeń i aplikacji wrażliwych na odcień i barwę, takich jak na przykład układy podświetlania ekranów TFT-LCD, do stosowania czujników koloru pozwalających stworzyć pętlę sprzężenia zwrotnego kompensującą zarówno zmiany jasności i koloru związane z temperaturą, jak i pracą długoterminową.

Niestety oświetlenie z wykorzystaniem diod LED jest skomplikowane od strony technicznej i kosztowne. Diodę trzeba zamocować na radiatorze zapewniającym odprowadzenie ciepła i zasilić z specjalnie zbudowanego zasilacza. Koszty realizacji systemu oświetleniowego dodatkowo rosną, gdy oczekiwania w stosunku do wydajności świetlnej, sprawności energetycznej i stałości parametrów w czasie są istotne.

O tym, że tematyka żywotności diod jest tak samo istotna jak ich wydajność świetlna lub też strumień świetlny przypadający na jednostkowy wat mocy, przekonują mnie deklaracje producentów. Każdy może sobie napisać w kartach katalogowych, co chce, co przychodzi łatwiej w odniesieniu do parametrów, które nie sposób zweryfikować w krótkim czasie.

Dlatego aby uwiarygodnić podawane dane na temat żywotności diod producenci z górnej półki wspomagają się niezależnymi laboratoriami badawczymi, które niezależnie badają elementy lub prowadząc testy długoterminowe „real test”, w których diody pracują kilkanaście tysięcy godzin i w których mierzy się spadek jasności. Jest to dowód, że na rynku obecne są firmy nierzetelne takie, które dużo obiecują i manipulują informacją. Trzeba mieć się na baczności.

Marek Płoszaj Kierownik Działu Wsparcia Technicznego w JM Elektronik Jakie zjawiska można zaobserwować na rynku diod świecących dużej mocy?   W powszechnej opinii, LED mocy nowej generacji powinny emitować coraz większy, coraz silniejszy strumień światła. Producenci próbują osiągać ten cel różnymi sposobami. Jednym z nich jest położenie nacisku na nowe struktury półprzewodnikowe, z coraz lepszym parametrem wydajności świetlnej. Obecnie coraz więcej firm oferuje diody 1-3W z wydajnością świetlną 60-90lm/W. Diody takie mają zazwyczaj obudowę o średnicy ok. 8-10mm, z metalowym rdzeniem w celu zapewnienia dobrego odprowadzenia ciepła, z dodatkowymi wyprowadzeniami oraz z układem optycznym – zróżnicowanym w zależności od potrzeb aplikacji. Jednak tak skonstruowana dioda uniemożliwia nam budowę małych kompaktowych źródeł światła dużej mocy. Takie obudowy są po prostu za duże. Dlatego też możemy zaobserwować inną tendencję w budowie LED mocy. Są to konstrukcje, w których położono nacisk na wysoką wartość strumienia świetlnego emitowaną z jednostki powierzchni. Na rynku dostępne są diody o mocach 5-50W, o całkowitych wymiarach 30x30x1mm i powierzchni emisji 19x19mm, emitujące strumień świetlny np. 1800lm@50W. Diody te to w rzeczywistości matryce struktur LED montowanych gęsto na podłożach ceramiczno-aluminiowych. Wydajność świetlna z 1W mocy jest w nich niższa niż w diodach 1W lub 3W, jednak patrząc na wielkość strumienia emitowanego z powierzchni, drugi typ diod jest zdecydowanie bardziej wydajny. Dzisiaj nie sposób jednoznacznie stwierdzić, który z wyżej wymienionych trendów rozwoju diod jest właściwszy. W wyjątkowo energooszczędnych aplikacjach parametr lm/W, będzie kluczowym dla aplikacji, natomiast w zastosowaniach powszechnych, gdzie gabaryty i koszt źródła światła będzie najistotniejszy, parametr lm/mm2 będzie podstawowym dla wyboru diody. Oczywiście ideałem byłaby wielostrukturowa dioda z zastosowaniem najbardziej wydajnych chipów, ale na takie diody jeszcze chyba musimy poczekać.

Ceny

Większość aplikacji związanych z diodami LED dużej mocy jest silnie wrażliwa na cenę elementów wchodzących w skład systemów oświetleniowych. Można nawet powiedzieć, że na obecnym etapie rozwoju rynku istnienie wielu aplikacji jest w prostej linii uzależnione od kosztu diod lub ceny gotowego modułu.

Nowoczesność i znakomite właściwości z pewnością tworzą cenną wartość dodaną i są w stanie przekonać wiele osób do zapłacenia więcej, jednak tylko w pewnym zakresie. Lektura danych pokazanych w tabelach 1 i 2, gdzie zawarto dane techniczne i ceny dla przykładowych diod pokazuje, że rozpiętość kosztów jest dość duża.

Znaczenie ceny w przypadku diod świecących dużej mocy można było odczuć na etapie zbierania danych do niniejszego raportu. Wiele firm, które nadesłały ankiety unikało podania orientacyjnego kosztu przykładowych elementów, traktując je jako wielką tajemnicę handlową lub zasłaniając się wewnętrznymi regulacjami.

Wynika to po części z tego, że firmy dystrybucyjne najchętniej sprzedają te elementy w komplecie z innymi podzespołami, co pozwala im na swobodną regulację marży i podawanie ceny za całość zamówienia. Drugim powodem jest generalna niechęć firm krajowych do dzielenia się informacjami na temat obrotów, dynamiki sprzedaży, marż i cen. Takie informacje dla wielu krajowych przedsiębiorstw są tematem tabu.

Rynek

Ogromna liczba potencjalnych aplikacji, znakomite parametry i nowoczesność rozwiązań wykorzystujących diody LED do zastosowań oświetleniowych przekładają się na stosunkowo duże w porównaniu do innych podzespołów elektronicznych stopy wzrostu. Zgodnie z danymi podanymi przez uczestników raportu, wzrost obrotów ze sprzedaży LED mocy wynosi średnio blisko 80% w skali roku, czyli prawie trzykrotnie więcej niż dla innych komponentów.

Biorąc pod uwagę, że polski rynek jest stosunkowo płytki i wrażliwy na cenę powyższe dane mogą tylko cieszyć. Należy jednak pamiętać, że wysokie stopy wzrostu są charakterystyczne dla nowych rynków, kiedy firmy zaczynają sprzedaż. Wtedy każda sprzedaż jest dużym skokiem i z czasem wzrost liczony procentowo z pewnością będzie mniejszy, a obroty znacznie większe. Takich firm w kraju jest sporo – diody oferuje coraz więcej dystrybutorów podzespołów elektronicznych.

Jeśli chodzi o aplikacje, do których trafiają LED-y mocy, to największy rynek tworzą zastosowania oświetleniowe, a w dalszej kolejności diody stosowane są w reklamie i motoryzacji (rys. 1). Odbiorcami są więc naturalni dla tej grupy wyrobów klienci i nie ma tutaj żadnych niespodzianek. Kolejny wykres pokazany na rysunku 2 przedstawia najważniejsze kryteria, jakimi kierują się zdaniem uczestników raportu klienci kupujący diody.

Zgodnie z wcześniejszymi rozważaniami najważniejszymi czynnikami okazały się wydajność świetlna i cena, ale często były wymieniane także takie czynniki, jak czas życia elementu, powtarzalność parametrów i odwzorowanie koloru. Dowodzi to, że w znakomitej części zakupy diod to proces, do którego przykłada się wiele uwagi i gdzie analizowane są wszystkie kryteria techniczne.

Innym wnioskiem jest to, że obecna faza rozwoju rynku przypada na specjalistyczne aplikacje, gdzie diody LED mocy tworzą zasadniczą część wartości dodanej, za którą klienci płacą ekstra. W takich zastosowaniach decydująca okazuje się jakość techniczna związana z odwzorowaniem koloru i stabilność oświetlenia, które przeważają nad ceną. Przykładem może być medycyna, gdzie diody oświetlają miejsca operacji chirurgicznych światłem w maksymalnym stopniu zbliżonym do dziennego, co pozwala na prawidłową ocenę stanu tkanek czy też stopnia natlenienia krwi.

Do masowych zastosowań w zakresie oświetlenia jeszcze mamy daleko. Zresztą trudno wyobrazić sobie, aby LED-y zastępowały żarówki wolframowe w sytuacji, gdy rynek nie jest jeszcze dobrze spenetrowany przez świetlówki kompaktowe.