Półprzewodnikowe źródła światła – diody LED i diody laserowe

Zauważalna jakościowa zmiana nastąpiła w drugiej połowie XX wieku, po opracowaniu wyładowczych (luminescencyjnych) źródeł światła. Można wśród nich wymienić świetlówki, czyli lampy fl uorescencyjne, wysokoprężne lampy rtęciowe, lampy metalo-halogenkowe oraz lampy sodowe – wysokoprężne i niskoprężne. Udało się w nich uzyskać wartość ważnego parametru – skuteczności świetlnej rzędu kilkudziesięciu lumenów na wat (lm/W), w porównaniu ze skutecznością świetlną wynoszącą dla żarówek kilka, kilkanaście lm/W.

Nowy etap rozwoju elektrycznych źródeł światła nastąpił w końcu ubiegłego wieku i związany był z osiągnięciami technologicznymi w elektronice półprzewodnikowej, a zwłaszcza z rozpoczęciem wytwarzania diod LED. Efektywność energetyczna diod i modułów LED, określana przez wartość skuteczności świetlnej, jest duża i może przekraczać 100 lm/W. Ten parametr, a także i inne właściwości LED-ów sprawiają, że stają się one podstawowym elementem systemów oświetleniowych, Niewielkie rozszerzenie obszaru zastosowań diod LED ma miejsce dzięki rozwijaniu ich odmiany wytwarzanej na bazie materiałów organicznych – są to diody typu OLED. Natomiast jako konkurencyjne źródła światła w stosunku do diod LED wskazuje się obecnie diody laserowe (LD), również o bardzo dobrej efektywności energetycznej i interesujących właściwościach fizycznych.

Przy bliższej ocenie porównawczej wymienionych źródeł światła bierze się na ogół pod uwagę zbiór podstawowych parametrów technicznych tych elementów, wymagania dotyczące ich zasilania i sterowania oraz wymagania wynikające z warunków pracy (eksploatacyjnych), a także pewne subiektywne wymagania użytkowników. Stawianie na pierwszym miejscu kwestii efektywności energetycznej jest uzasadnione ze względu na fakt, że na oświetlenie przeznacza się znaczącą część całkowitej wytwarzanej energii elektrycznej. Jak ocenia amerykańska EIA, w Stanach Zjednoczonych na oświetlenie w sektorze mieszkalnictwa i na potrzeby komercyjne (z uwzględnieniem oświetlenia dróg) zużyto w 2019 roku łącznie 216 mld kWh, tj. ok. 8% całkowitego zużycia energii elektrycznej w tych sektorach i ok. 5% całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną. Zwiększenie efektywności energetycznej umożliwia zatem daleko idące zmniejszenie wydatków na oświetlenie na różnych poziomach organizacyjnych społeczeństwa i w różnych zastosowaniach.

Charakterystyczne parametry elektrycznych źródeł światła

Wśród parametrów, które służą do oceny porównawczej różnych źródeł, można wymienić: moc [W], strumień świetlny [lm], skuteczność świetlną [lm/W], wskaźnik oddawania barw (ogólny) Ra i CRI, temperaturę barwową CCT [K], luminancją [cd], trwałość [h] i napięcie pracy [V].

Jeśli chodzi o moc, to dla źródeł półprzewodnikowych jest ona orientacyjnie o rząd mniejsza niż w przypadku źródeł żarowych. W oświetleniu domowym stosuje się np. diody LED o mocach 0,5–10 W, a dla zastosowań przemysłowych 10–50 W. Strumień świetlny wynika z mocy danego źródła i jest związany z wywoływaniem przez promieniowanie wrażeń wzrokowych. Wartości liczbowe obejmują w praktyce szeroki przedział od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy lumenów (lm). Skuteczność świetlna źródła (efficacy), wyrażana w [lm/W], jest miarą efektywności przemiany energii elektrycznej w energię świetlną, a określa się ją jako stosunek wysyłanego strumienia świetlnego [lm] do mocy pobieranej przez źródło [W]. Właściwości źródła światła odnoszące się do dokładności oddawania barw oświetlanych obiektów charakteryzuje się za pomocą wskaźnika oddawania barw (CRI – Color Rendering Index). Jeśli dotyczy to grupy obiektów o różnym zabarwieniu, wtedy wskaźnik ten nazywa się ogólnym i oznacza zwykle jako Ra. Największą możliwą wartością jest tu 100. Przy wskaźniku w granicach 80–100 stopień oddawania (spostrzegania) barw uznaje się za bardzo dobry, a w przedziale 70–80 za dobry. Z barwnością (chromatycznością) źródeł światła związany jest parametr o nazwie temperatura barwowa Tc (CCT – Correlated Color Temperature), podawana w kelwinach [K]. Jest to temperatura ciała doskonale czarnego, w której wysyła ono promieniowanie o tej samej chromatyczności (barwności), co promieniowanie z rozpatrywanego źródła. Barwność danego źródła może być zatem określana przez podanie odpowiedniej temperatury ciała doskonale czarnego. Przy klasyfikacji wprowadzane są różne opisowe określenia barw, związane z subiektywnymi odczuciami użytkowników. Przykładowo są to przy temperaturze barwowej poniżej 3300 K – barwy ciepłe, przy temperaturze z zakresu od 3300 do 5300 – barwy neutralne, przy temperaturze powyżej 5300 – barwy zimne.

Gdy światło ma ciepłe barwy, to strumień świetlny z danego źródła jest mniejszy niż przy zimnych barwach, a podobnie jest, gdy źródło zapewnia wyższy wskaźnik oddawania barw CRI.

Stosuje się także drobniejsze podziały w odniesieniu do odbieranych wrażeń wzrokowych, np. nazywając barwę jako ekstra ciepłobiałą przy temperaturze barwowej 2700 K jako Sunrise, neutralną przy 4000 K jako Moonlight, a źródła 5000 K jako Daylight.

Luminancja źródła światła w określonym kierunku, wyrażana w kandelach [cd], jest przybliżoną miarą intensywności wrażeń (oddziaływań) świetlnych wywieranych przez to źródło.

Trwałość (czas życia, czasem nazywana też żywotnością), wyrażana w godzinach [h], jest jedną z wyróżniających pozytywnych cech półprzewodnikowych źródeł światła – elektroluminescencyjne i laserowe diody mogą pracować przez kilkanaście, kilkadziesiąt tysięcy godzin (a więc nawet do kilkunastu lat), zachowując wymaganą wielkość wysyłanego strumienia świetlnego. Tak dobre wyniki osiąga się przy zaawansowanej i ustabilizowanej technologii wytwarzania.

 

Rys. 1. Schemat działania zielonego wskaźnika laserowego bazującego na laserze podczerwonym DPSSL. W obudowie metalowej są dwie baterie AAA, z których napięcie podawane jest na płytkę drukowaną z obwodem drivera podczerwonej diody laserowej (808 nm) tworzącą pompę zasilającą kryształ. Pompa jest optycznie sprzężona z kryształem Nd:YVO4 (neodymowy wanadan itru) (sekcja fioletowa na rysunku), który emituje światło o długości 1064 nm. Następnie trafia ono do kryształu podwajającego częstotliwość KTP (fosforan tytanylo-potasowy) (sekcja jasnoniebieska). Światło zielone (532 nm) z kryształu KTP jest przesyłane przez dwie soczewki: rozszerzającą wiązkę i kolimującą (tj. nieogniskującą), aby wytworzyć równoległą wiązkę wyjściową. Na końcu zamontowany jest filtr podczerwieni zapobiegający wydostawaniu się światła 808 nm i 1064 nm z lasera. Wiele tanich wskaźników laserowych tego typu nie zawiera tego filtru na końcu z uwagi na oszczędności i jest dużym zagrożeniem dla wzroku

Diody elektroluminescencyjne LED

Diody LED wytwarza się, wykorzystując monokrystaliczne półprzewodniki, odpowiednio domieszkowane. Barwy (kolory) świecenia diod i spadki napięcia na nich zależą od szerokości pasma zabronionego użytego półprzewodnika. Promieniowanie jest emitowane w wąwąskim przedziale widma częstotliwości (długości fal). Emisja fotonów jest możliwa w półprzewodnikach mających prostą przerwę energetyczną (pasmo zabronione), takich jak azotek galu GaN, fosforek indu InP lub arsenek galu GaAs. Praktycznymi przykładami mogą być: dioda na podczerwień – GaAs i InGaS, dioda czerwona – AlGaAs, dioda pomarańczowa – AlGaInP, dioda zielona – AlGaInP i GaP, dioda niebieska – AlGaInN, dioda fioletowa – InGaN, dioda ultrafioletowa – AlGaN. Połączenie 3 strumieni świetlnych (a więc wykorzystanie 3 diod) – o barwie czerwonej, zielonej i niebieskiej – pozwala uzyskać światło białe. Jednakże w większości współczesnych LED stosuje się prostsze rozwiązanie konstrukcyjne polegające na użyciu tylko jednej, niebieskiej diody, emitującej fale o długości z zakresu 445–460 nm, skojarzonej z luminoforem (żółtym). Luminofor absorbuje część niebieskiego promieniowania i emituje światło o mniejszej częstotliwości niż pobudzające promieniowanie (przesunięcie Stokesa). Efektem tego sumowania barw jest światło białe. W tym rozwiązaniu często stosowana jest dioda niebieska wykonana z azotku galowo-indowego InGaN oraz luminofor z granatu itrowo-glinowego domieszkowanego cerem.

 

Rys. 2. 7-segmentowa dioda LED LZ7 Plus to rozwiązanie o dużej mocy 50 W pozwalającej na użycie w reflektorach oświetlenia scenicznego i zapewniająca duży współczynnika oddawania barw (CRI). Struktura wewnętrzna LZ7 Plus obejmuje niezależnie sterowane segmenty LED o 6 różnych barwach (red, green, blue, cyan, amber, lime) umieszczone obok siebie na powierzchni 3,4×3,4 mm w obudowie o bardzo małej rezystancji termiczne

Z podanych już na wstępie przyczyn ekonomicznych, związanych z oszczędnością energii elektrycznej, LED-y zajmują coraz bardziej znaczącą pozycję jako źródła oświetlenia. Cały czas trwają prace nad ich udoskonaleniem i eliminacją pewnych wad. Przykładem może być dążenie do usunięcia tendencji do słabszego promieniowania składowych światła białego o dłuższej fali (od strony czerwieni). Jednym z opisywanych sposobów jest użycie w warstwie luminoforu kropek kwantowych. Takie usprawnienie może być przydatne np. w telewizorach 4 K i tabletach. Niekorzystną cechą diod LED jest też spadek efektywności świecenia diod (efficiency droop), który ogranicza ich działanie do stosunkowo małych wartości mocy wejściowej. Przy większym prądzie sterowania diodami lub po dłuższej pracy obserwuje się bowiem spadek sprawności i malenie strumienia świetlnego.

W celu zwiększenia luminancji i ułatwienia geometrycznego rozłożenia źródeł oświetlenia, diody LED mogą być łączone szeregowo, a ich grupy równolegle (ewentualnie z elementami wyrównującymi). Możliwość wyboru różnych barw światła i zastosowanie inteligentnych systemów sterowania pozwalają przy użyciu diod LED wykonywać różne aranżacje oświetlenia: wnętrz – domowych, produkcyjnych i komercyjnych, oraz obszarów w otwartych przestrzeniach publicznych jak np. ulice, place, chodniki, stadiony itp. Często stosuje się podział diod LED na te o małej mocy (rzędu 50–150 mW i średnicy obudowy 5 mm oraz na diody dużej mocy (ang. power LED) o mocy kilku W i w większych obudowach.

Diody laserowe

Zasadnicza różnica pomiędzy diodami LED i diodami laserowymi polega na rodzaju emisji fotonów: w diodach LED przy odpowiedniej polaryzacji półprzewodnikowego złącza p-n ma miejsce emisja o charakterze spontanicznym, podczas gdy w diodach laserowych występuje emisja stymulowana (wymuszona). Taka stymulowana emisja fotonów może zachodzić wtedy, gdy w paśmie przewodnictwa w półprzewodniku znajdzie się więcej elektronów niż w paśmie walencyjnym, co określa się jako odwrócenie (inwersję) obsadzeń. Może wtedy wystąpić optyczne wzmocnienie wygenerowanej na złączu wiązki fotonów. Odwrócenie obsadzeń pasm nie jest możliwe w systemie z dwoma tylko poziomami energetycznymi, odpowiadającymi pasmu przewodzenia i walencyjnemu. W praktycznych sytuacjach stosuje się złożone materiały półprzewodnikowe z 3 lub 4 poziomami. Procesy oddziaływania elektronów z fotonami i emisja fotonów przebiegają w wytworzonej w strukturze wnęce rezonansowej przy udziale odpowiednich odbijających zwierciadeł utworzonych na jej ściankach.

Od sposobu, w jaki zachodzi generowanie i emisja fotonów ze złącza p-n, zależy natura emitowanego promieniowania. W przypadku diod LED jest to promieniowanie niekoherentne (niespójne), zawierające fale o różnej częstotliwości, a więc o różnych barwach. Natomiast diody laserowe emitują promieniowanie koherentne (spójne) i monochromatyczne, rozchodzące się w mało rozbieżnych wiązkach Te właściwości promieniowania świetlnego rzutują, z kolei, na możliwości i obszary zastosowań obu rodzajów diod. Co do diod laserowych, to przełomowe znaczenie w otwarciu wielu obszarów zastosowań wytwarzania diod niebieskich. Niebieskie diody laserowe wytwarzane na bazie azotku galu GaN mogą emitować światło w zakresie od bliskiego ultrafioletu do niebieskozielonego (370–500 nm), w zależności od składu chemicznego warstwy aktywnej w strukturze półprzewodnikowej. Napięcia progowe, przy których występuje efekt laserowy, wynoszą od 3,8 do 5,5 V, a gęstość prądu progowego leży w granicach 2–5 kA/cm2. Podobnie jak w przypadku diod LED, w diodach laserowych LD światło białe uzyskuje się najczęściej, stosując diodę niebieską i luminofor. Jednakże diody LD zapewniają dodatkowe możliwości wynikające z tego, że luminofor może być zainstalowany nie tylko tuż przy strukturze diody i np. w tej samej obudowie, lecz także w pewnej od niej odległości (systemy LARP – Laser Activated Remote Phosphors). Ponadto, luminofor może być nałożony na podłoże przepuszczające lub odbijające wiązkę promieniowania. Wykorzystując te możliwości i odpowiednie systemy optyczne do ukierunkowania i ukształtowania wiązki promieniowania, otrzymać można wiele kolorystycznych i geometrycznych wariantów oświetlenia. Trzeba jeszcze dodać, że diody laserowe można – łatwo i przy zachowaniu dobrej sprawności – sprzęgać ze światłowodami, co daje możliwość rozprowadzania promieniowania i tworzenia rożnych konfiguracji przestrzennych systemów oświetlenia.

Zestawienie niektórych właściwości i parametrów obu rodzajów diodowych źródeł światła podane zostało w tabeli 1.

Diody superluminescencyjne

W diodzie superluminescencyjnej (SLD lub SLED – superluminescent diode) do emitowania światła wykorzystuje się zjawisko superluminescencji. Podobnie jak dioda laserowa ma ona stosunkowo dużą moc i jasność, a jednocześnie – podobnie jak typowa dioda elektroluminescencyjna – niską koherencję emitowanego światła. W strukturze diody, która jest podobna do tej stosowanej w diodzie krawędziowej LED, w celu wzmocnienia wiązki światła wytworzony jest światłowód, ale bez zwierciadeł odbijających. Przykładowe zastosowania to: optyczna tomografia koherencyjna, interferometria skaningowa, czujniki optyczne, żyroskopy ze światłowodem i komunikacja światłowodowa.

Diody laserowe do pompowania laserów na ciele stałym DPSSL

Warto jeszcze zwrócić uwagę na zastosowanie diod laserowych w przyrządach do wytwarzania promieniowania laserowego o barwie zielonej i żółtej (a także niebieskiej). Popularnym produktem w tej grupie są wskaźniki wspomagające prezentacje edukacyjne, naukowe i biznesowe, przyrządy do pomiaru odległości i poziomowania, celowniki optyczne oraz informacyjne i ostrzegawcze źródła światła. Ponadto, szeroki zakres zastosowań obejmuje precyzyjne operacje w przemyśle, poczynając od wiercenia i przycinania płytek PCB i FlexPCB, trymowania rezystorów i wycinania płytek ITO, poprzez działania i prace kontrolne i graficzne oraz precyzyjne oznaczanie produktów i ich mikroobróbkę – z uwzględnieniem takich materiałów, jak szkło, krzem, ceramika i metale. Przydatność takich laserów ma również miejsce w zabiegach medycznych i operacjach kosmetycznych. Jako początkowy element składowy przyrządów DPSSL występuje półprzewodnikowa dioda laserowa GaAlAs o mocy rzędu kilkuset mW, która emituje falę w zakresie podczerwieni o długości 808 nm. To promieniowanie zasila (pompuje) diodę laserową – laser typu Nd:YAG utworzony na bazie kryształu granatu itrowo-glinowego domieszkowanego jonami neodymu (lub – co jest korzystniej – na bazie ortowanadanu itrowego także domieszkowanego neodymem Nd:YVO4, który zapewnia większe wzmocnienie i bardziej zwartą konstrukcję). Ten laser emituje promieniowanie w obszarze bliskiej podczerwieni przy długości fali równej 1064 nm.

Następnym etapem jest podwojenie częstotliwości (wyodrębnienie II harmonicznej) promieniowanej fali, a więc zmniejszenie jej długości do 532 nm, co właśnie odpowiada barwie zielonej. Przeprowadza się to, wykorzystując nieliniowe właściwości kryształu znanego pod skrótową nazwą KTP. Jest to fosforan potasowo-tytanylowy KO5PTi (lub KTiOPO4). Przy użyciu jeszcze innych materiałów jak np. trójboran litu LBO lub betaboran baru BBO uzyskać można także potrojenie lub nawet czterokrotne zwiększenie częstotliwości promieniowania. W przypadku potrzeby światła o barwie żółtej, pożądany efekt uzyskuje się, manipulując długością emitowanych fal przy wykorzystaniu kryształów z omawianych grup materiałów. Natomiast w przyrządach DPSSL emitujących światło niebieskie w grę wchodzą jeszcze inne materiały jak np. wspomniane tylko związki baru i boru.

Zastosowanie dwukrotnej przemiany długości promieniowanych fal obniża oczywiście efektywność energetyczną, ale pozytywną cechą jest możliwość taniego uzyskiwania silnych, skupionych wiązek promieniowania o wybranych barwach. Szczególnie duże poziomy mocy (np. rzędu kW) można uzyskać przy impulsowej pracy laserów DPSSL.

Obszary zastosowań diod LED i DL

Dominującą pozycję jako źródła światła w systemach oświetleniowych zajmują obecnie diody LED, które przejęły już wiele funkcji i zastępują w nich nadal źródła temperaturowe i fl uorescencyjne oraz lampy rtęciowe i sodowe. Wynika to z korzystnych właściwości użytkowych, a przede wszystkim z dużej sprawności energetycznej zapewniającej małe koszty eksploatacji i znaczącą oszczędność energii elektrycznej. W szeregu zastosowań przewagę osiągają jednak obecnie diody laserowe. Można przyjąć, że nie dotyczy to stosunkowo prostych i masowych instalacji oświetleniowych, lecz raczej urządzeń i systemów ze specjalnymi i/lub specyficznymi wymaganiami. Wymagania takie mogą być skutecznie spełnione przy wykorzystaniu koherentnych wiązek światła, zwłaszcza dużej mocy, które można precyzyjnie kierować na jakiś obiekt lub jego wybrany element i których parametry można bardzo szybko zmieniać.

Główne zastosowania diod LED obejmują m.in. oświetlenie pomieszczeń mieszkalnych, biurowych, handlowych i produkcyjnych, oświetlenie przestrzeni otwartych i infrastruktury jak ulice, chodniki, place, mosty, stadiony, tunele, parkingi, wysokie i reprezentacyjne budynki, elementy wskaźnikowe w wyposażeniu systemów sygnalizacji i informacyjnych i oświetlenie pojazdów samochodowych. Natomiast diody laserowe znajdują zastosowanie w różnych urządzeniach i systemach, jak rzutniki (projektory), wyświetlanie napisów na przyłbicach oraz szkłach okularowych, oświetlenie na otwartych obszarach, iluminacja scen i estrad i do refl ektorów samochodowych. W tym ostatnim zastosowaniu przy mniejszej mocy wyjściowej niż w przypadku diod LED zasięg światła jest prawie dwukrotnie większy (do 600 m).

Zasilanie i sterowanie

Diody LED i LD są zasilane napięciem stałym. Znamionowe napięcia przewodzenia diod są rzędu kilku woltów, a prądy przewodzenia mieszczą się zwykle w granicach od kilku do kilkudziesięciu mA. W zasilaczach stosuje się najczęściej źródła prądowe, rzadziej napięciowe. Rozbudowane układowo zasilacze prądowe, stanowiące właściwie sterowniki (drajwery) prądowe, zapewniają stabilne sterowanie i dobrą jakość oświetlenia oraz optymalne warunki pracy diod przy minimalizowaniu strat cieplnych. Przez regulację wartości prądu można stosunkowo łatwo dokonywać zmiany jasności oświetlenia, a więc realizować funkcję spełnianą przez ściemniacze (dimmers). Kontrolę wartości prądu przeprowadza się, wykorzystując do tego fotodiodę, montowaną przy diodzie emitującej światło. Sterowniki powinny również zapewniać ochronę diod przeciwko takim zjawiskom jak przepięcia, przetężenia, wyładowania ESD, zwarcia, nadmierny wzrost temperatury itd. Wyposażenie w dodatkowe funkcje wiąże się oczywiście z kosztami, więc zaprojektowanie lub wybór właściwego sterownika zależy od oczekiwanych cech danego systemu oświetlenia, wymagań normatywnych i przewidywanych warunków eksploatacji.

Jerzy F. Kołodziejski