Źródła światła w lampach LED

W zastosowaniach domowych po wycofaniu z rynku żarówek zwykłych i halogenowych dominują dwa rodzaje źródeł światła: świetlówki kompaktowe i LEDowe. Diody LED dzięki coraz lepszym parametrom, a w szczególności coraz większej skuteczności świetlnej białych diod, znajdują obecnie zastosowanie we wszystkich obszarach do celów oświetleniowych.

O jakości światła określonej przez kryteria fotometryczne i kolorymetryczne, decyduje rodzaj LED. Najbardziej wydajne to Power LED, COB i MCOB. Wystarczy kilka struktur, aby uzyskać duży strumień światła. Starsze rozwiązania to diody PLCC, SMD i przewlekane THT. Mają one małą wydajność świetlną i lampy zawierają ich kilkanaście lub kilkadziesiąt.

Istotnym podziałem lamp LED jest ich napięcie zasilania. W typowych zastosowaniach zarówno lampy LED, jak i oprawy oświetleniowe LED nie wymagają dodatkowych zasilaczy, można je podłączyć bezpośrednio do domowej sieci elektrycznej (zasilającej) o napięciu przemiennym 230 V. żarnikowych zwykłych i halogenowych na dowolnym trzonku, zasilane napięciem 230 V, 24 V i 12 V.

Power LED wytwarzają światło o największym strumieniu świetlnym – od 30 do 120 lm. W Power LED-ach są stosowane układy optyczne, głównie soczewki, do ukierunkowania wiązki światła emitowanej ze struktury półprzewodnikowej. Największymi producentami Power LED są: Citizen, Edison Cree, Nichia, Osram, Philips Lumileds, Seual SemiConducor. Najbardziej znane firmy produkujące optykę LED to: Carclo, LEDiL, Fraen Khatode, Polymer Optic.

Chip-on-Board (COB) to najdynamiczniej rozwijająca się technologia LED, umożliwiająca wykonanie bardzo płaskich elementów (2 mm) o bardzo dużej gęstości (do 70 chipów/cm²) w porównaniu z diodami z wyprowadzeniami, których maksymalna gęstość upakowania wynosi 4 diody/cm². Struktury LED wykonane technologią COB mają strumień świetlny nie punktowy, a emitowany ze znacznie większej powierzchni, pozbawiony efektu wielopunktowej emisji światła. Technologia COB pozwala na uzyskanie różnych kątów rozsyłu, zależnych od zastosowanego materiału nośnika. Największą zaletą diody COB jest generowanie strumienia światła o bardzo dużej mocy. Źródła światła LED COB cechują: największa niezawodność, duża odporność na wahania napięcia i prąd udarowy, jednolita temperatura barwowa i w pełni płynne światło. W wersji Multi COB lampa zawiera kilka takich struktur, co umożliwia zwiększenie strumienia świetlnego.

Diody LED w obudowie PLCC 2 lub PLCC 4 (Plastic Leaded Chip Carrier) charakteryzują się znormalizowanymi wymiarami, co umożliwia ich stosowanie wszędzie tam, gdzie wymagany jest mały rozmiar produktu końcowego. Montaż w technologii SMD sprawia, że diody te nadają się do produkcji seryjnej. Diody oferowane są w szerokiej gamie kolorów i mają typowy kąt świecenia 120°. Diody PLCC wykorzystywane są w takich produktach jak:

– listwy, taśmy świetlne,

– diodowe podświetlacze,

– oświetlenie dekoracyjne i akcentujące,

– reklama świetlna i ekrany wielkoformatowe,

– lampki kontrolne, aplikacje techniczne,

– energooszczędne zamienniki halogenów.

LED-y SMD (Surface Mount Device) są to bardzo małe struktury półprzewodnikowe o wielkości kilku milimetrów, dostosowane do montażu powierzchniowego przy pomocy automatów. W przeciwieństwie do LED przewlekanych, większość LED montowanych powierzchniowo nie zawiera soczewek i oświetlają one powierzchnię w sposób o wiele bardziej równomierny. Automaty osadzają niewielkie struktury LED na płytkach drukowanych, pokrytych specjalnym materiałem lutowniczym. W wysokiej temperaturze (ok. 300 °C) następuje połączenie końcówek lutowniczych z podłożem zapewniające pewny styk elektryczny. Montaż powierzchniowy umożliwia umieszczenie większej liczby LED-ów niż w metodzie przewlekanej. Do lamp wykorzystuje się LED o strumieniu od 7 do 21 lm na diodę. Montaż kilku lub kilkudziesięciu takich struktur na płytce umożliwia wytworzenie modułów do lamp, które dają ilość światła odpowiadającą tradycyjnym żarówkom o mocy 40–60 W. LED SMD bardzo dobrze nadają się także do produkcji taśm oświetleniowych odpornych na uszkodzenia mechaniczne.

Diody przewlekane THT mają dwa wyprowadzenia, które osadza się w otworach płytki drukowanej i lutuje do ścieżek połączeniowych na płytce. Głównie stosuje się je jako wskaźniki stanu pracy urządzeń. Mają wąskie kąty świecenia. W domowym oświetleniu do produkcji lamp są stosowane coraz rzadziej.

Czynniki mające wpływ na niezawodność oraz trwałość pojedynczych LED

Trwałość zależy od jakości poszczególnych modułów LED.

Definicja trwałości zgodnie z DIN IEC/PAS 62717 podawana przez firmę Osram jest następująca:

Trwałość pojedynczego lub modułu LED Lx jest definiowana jako okres, przez który moduł LED wytwarza więcej niż określoną wartość procentową x początkowego strumienia świetlnego, w określonych warunkach. Przykład: L70B50 jest okresem trwałości, podczas którego strumień świetlny jest większy lub równy 70 proc dla 50 proc  populacji.  

Trwałość (L70B50) LED najlepszych producentów może bez problemu przekroczyć 50 000 godzin. W porównaniu z innymi źródłami światła, LEDy bardzo rzadko się psują. Z czasem następuje zmniejszenie strumienia świetlnego podczas okresu eksploatacji. LEDy praktycznie nie wymagają konserwacji przez cały okres pracy. Opisane poniżej czynniki wpływające na pojedynczą LED mogą także wpływać na cały moduł LED.

Temperatura

Emisji światła towarzyszy wydzielanie ciepła, które ma wpływa na trwałość oraz strumień świetlny LED. Dotyczy to zarówno pojedynczych LED, jak i całych modułów. Z tego powodu konieczne jest odprowadzanie ciepła ze struktur LED przez radiatory. Każdy z producentów stosuje swoje rozwiązania chłodzenia LED co ma wpływ na trwałość i cenę lampy. Trwałość lamp będzie zależna także od warunków w jakich lampa będzie pracować, czy np. w żyrandolu z kloszami zamkniętymi czy otwartymi. Podstawowa zasada to: im mniejsza temperatura, tym dłuższa będzie trwałość LED.

Czynniki mechaniczne

W czasie produkcji LED i ich montażu mogą powstawać naprężenia mechaniczne. Pod wpływem dużych wahań temperatury powstają silne naprężenia. Jeśli LED są wystawione na działanie takich sił, może to negatywnie odbić się na ich trwałości, a nawet doprowadzić do całkowitego zniszczenia. Dioda elektroluminescencyjna, sama w sobie, jest wytrzymała oraz odporna na wibracje.