czyli wszystko, co chcieliście wiedzieć o technologii LED ale baliście się zapytać lub nikt nie potrafił jasno wytłumaczyć.

W czasopismach fachowych oraz internecie można znaleźć całą masę artykułów opisujących zasadę działania diody LED oraz jej zalety i wady… jednak zazwyczaj są to artykuły napisane językiem naukowym, które zwykłemu człowiekowi niewiele potrafią wyjaśnić. Dlatego postanowiłem opisać to Państwu w sposób zrozumiały dla każdego… czyli jasno, zwięźle i przystępnie (choć to niestety tylko moja, subiektywna opinia).

Doskonale zdaję sobie sprawę, że dla większości z Państwa, historia, technologia, chemia i inne techniczne szczegóły  stojące za diodą LED tak na prawdę nie mają znaczenia. Dlatego nie chce na samym początku zanudzać i zmienię nieco kolejność. Zanim więc opiszę historię diody LED oraz jej budowę i działanie, zaprezentuję Wam jej wady i zalety. Zaczniemy od zalet, bo jest ich zdecydowanie więcej:

Zalety diody LED:

  • małe rozmiary [porównując z typową żarówką można by rzec, że wręcz bardzo małe, co umożliwia zastosowanie teoretycznie w każdym miejscu a praktycznie w bardzo wielu miejscach]
  • bardzo duża sprawność [czyli bardzo małe straty podczas przetwarzania prądu elektrycznego w światło, co bezpośrednio przekłada się na oszczędności]
  • możliwość świecenia na dany kolor [dioda produkuje światło od razu w konkretnym kolorze, dlatego nie trzeba stosować ani filtrów zatrzymujących sporo światła ani luminoforów, które też obniżają sprawność i się wypalają.  Poza tym cecha ta daje wyjątkowo nasycone kolory niedostępne innym technologiom]
  • skupiona wiązka światła [diody LED dzięki bardzo małemu punktowi wytwarzającemu światło nie potrzebują odbłyśników i luster aby uzyskać wąską, skupioną wiązkę światła, wystarczy jedna, prosta soczewka i po sprawie. W niektórych zastosowaniach może to być też wadą]
  • brak „uderzenia prądowego” przy włączaniu [o co chodzi? Ano każda żarówka w momencie włączenia pobiera znacznie większą moc niż jej nominalna. Dzieje się tak dlatego, że zimny żarnik ma znacznie mniejszą rezystancję niż gorący, więc dopóki się nie rozgrzeje pobiera dużo większy prąd. Oznacza to, że częste włączanie żarówek nie tylko zwiększa zużycie prądu ale również skraca życie żarówki. Diody nie posiadają tej dolegliwości]
  • bardzo długa żywotność [tej zalecie należy się dłuższe wyjaśnienie. Markowe diody mają żywotność na poziomie 30-100 tysięcy godzin. Nie jest to jednak czas pracy, po jakim dioda spali się jak żarówka. Diody nie przestają świecić nagle tylko stopniowo tracą swoją jasność. Większość dobrych producentów podaje więc żywotność jako czas świecenia, po którym dioda straci 30% swojej jasności. W praktyce oznacza to, że po tych 30 tysiącach godzin dioda jeszcze przez wiele kolejnych lat będzie nam świeciła, tyle że coraz słabiej! Nie zaskoczą nas więc egipskie ciemności a na ewentualną zmianę oświetlenia będziemy mieć bardzo dużo czasu]
  • odporność na uszkodzenia [diody LED dzięki swojej zwartej budowie i braku luźnych czy kruchych części mechanicznych (żarnik, szkło, itp.) są bardzo odporne na uszkodzenia mechaniczne, jak również na wilgoć i niską temperaturę. Bez problemu znoszą drgania, wstrząsy czy upadki]
  • ekologia [diody LED nie zawierają rtęci ani innych szkodliwych dla środowiska substancji a dzięki ich długowieczności rzadko się je wyrzuca. Zawierają oczywiście odrobinę związków chemicznych odpowiadających za kolor świecenia ale z uwagi na gabaryty jest ich niewiele i są nieszkodliwe]
  • wąskie pasmo promieniowania [światło generowane przez diody posiada bardzo wąski zakres promieniowania, bo dioda wysyła tylko jedną długość fali (inaczej kolor). Dzięki temu kolory światła diodowego są bardzo nasycone i wyglądają znacznie lepiej niż z innych źródeł. Ponadto światło diodowe nie zawiera w sobie ani podczerwieni ani ultrafioletu (chyba że dioda właśnie w tym zakresie ma świecić). W niektórych zastosowaniach ma to ogromne znacznie, jak na przykład w gablotach muzealnych z eksponatami wrażliwymi na ultrafiolet lub podczerwień]
  • niskie napięcie zasilania [pojedyncze diody LED potrzebują napięcia zasilania od 2 do 4 V. Często łączy je się w szeregi pracujące przy 12V, ale to wciąż bardzo bezpieczne napięcie i przy zastosowaniu dobrego zasilacza nie ma ryzyka porażenia. Przy dużych mocach może to jednak być wadą]
  • łatwość sterowania [dzięki niskiemu, stałemu napięciu pracy oraz bardzo dużej szybkości diod LED, ich sterowanie za pomocą modulacji PWM jest bardzo łatwe i powszechnie dostępne. Ogranicza to znacznie koszt urządzeń sterujących oraz otwiera wiele nowych możliwości]
  • niska temperatura pracy [diody LED nie grzeją się tak bardzo w czasie świecenia jak ich „starsze” koleżanki żarówki, które przy odrobinie nieszczęścia potrafią nawet spowodować pożar. Korzystając z diod LED nie trzeba się martwić o wełnę nad sufitem podwieszanym, o drewniane dźwigary na suficie lub o folię za regipsem. Nie spalą się też kable doprowadzające zasilanie i nie pojawią się ciemne plamy na ścianach i sufitach w okolicy lampy LED. Poza tym w upalny dzień włączone oświetlenie nie wyciśnie z nas dodatkowej dawki potu]

Wymienianie zalet diod LED zaczyna być nudne, więc nie będę narażać Państwa na tak okropny stan, jakim jest znudzenie, choć jeszcze kilka zalet na pewno bym znalazł. Przejdźmy jednak do wad… bo niestety te również istnieją, mimo że konkurencja bardzo często milczy na ten temat:

Wady diody LED:

  • duża wrażliwość na „złe” zasilanie [diody LED są bardzo wrażliwe na przepięcia oraz na nawet krótkotrwałe przekroczenie dopuszczalnego prądu pracy, więc choć odporne mechanicznie to łatwo jest je uszkodzić elektronicznie. Pociąga to za sobą konieczność stosowania drogich zasilaczy o dobrej jakości oraz elektroniki stabilizującej lub przynajmniej ograniczającej prąd. Należy również bardzo uważać z ładunkami elektrostatycznymi, czyli popularnym „elektryzowaniem się”]
  • skupiona wiązka światła [z jednej strony jest to zaleta, ale może również być wadą ponieważ cecha ta powoduje większe oślepianie oraz trudność w osiągnięciu rozproszonego oświetlenia. Między innymi dlatego na razie wciąż nie istnieje dobry diodowy zamiennik zwykłej nie-punktowej żarówki]
  • brak współpracy ze ściemniaczami oświetlenia [diody z uwagi na swoje właściwości elektryczne i wymagania co do sposobu zasilania nie za dobrze lub najczęściej wcale nie współpracują ze standardowymi ściemniaczami na 230 V i do regulacji ich jasności trzeba stosować specjalne urządzenia… ale ma to swoje dobre strony, bo przy zastosowaniu niskonapięciowych ściemniaczy PWM dioda nie zmienia koloru w miarę ściemniania – tak jak robi to żarówka, która świeci coraz bardziej na żółto. Poza tym możliwości sterowania po stronie niskiego napięcia są znacznie większe]
  • konieczność skutecznego chłodzenia [dioda LED nie grzeje się bardzo w czasie pracy ale ponieważ jej wewnętrzna temperatura nie może przekroczyć ~85° to należy zapewnić jej dodatkowe chłodzenie, czego nie wymagają żarówki. To pociąga za sobą większe gabaryty opraw LED niż wynikałoby z samych rozmiarów diody a czasem nawet wymuszone chłodzenie (czyli hałas oraz częste wymiany wentylatorów). Co więcej oświetlenie LED nie sprawdzi się w miejscach o wysokiej temperaturze otoczenia. Za to świetnie poradzi sobie we wszystkich mroźnych miejscach]
  • niska temperatura pracy [to wielka zaleta LED, ale osoby lubiące jesienią lub wiosną, kiedy kaloryfery jeszcze/już nie grzeją, zagrzać ręce przy żarówce mogą odebrać to jako wadę. ]
  • niski współczynnik oddawania barw [technologia LED wciąż jeszcze ma problemy z uzyskaniem światła nie przekłamującego kolorów. Wprawdzie jest coraz lepiej i współczynniki oddawania barw (Ra lub CRI) dobrych diod są już w okolicach 80 czy nawet 90 to wciąż bardzo trudno jest uzyskać wartości bliskie 100, a taka wartość ma każda, zwykła żarówka. Patrząc jednak na szybki postep technologii LED jest to tylko kwestia czasu]
  • niskie napięcie zasilania [generalnie jest to zaleta, ale przy dużych mocach niskie napięcie zasilania może być problemem ponieważ drastycznie rośnie prąd płynący w instalacji i trzeba stosować bardzo grube przewody. Poza tym duży prąd to często duży problem z uwagi na mocne grzanie się instalacji oraz problemy z zakłóceniami przy modulacji PWM]

Ponieważ chwilowo nie potrafię znaleźć większej ilości wad technologii LED (no może jeszcze poza ich wciąż dość wysoką ceną), to postaram się teraz przybliżyć odrobinę to nieco tajemnicze dla wielu osób urządzenie zwane diodą LED (czyli z angielskiego: Light Emitting Diode, co oznacza po prostu diodę emitującą światło).

Mądrzy ludzie podzielili źródła światła znane człowiekowi na generacje. Pierwszą generacją był oczywiście ogień czyli generalnie wszystkie źródła światła spalające cokolwiek w celu oddania choć odrobiny światła. Nie było to idealne źródło (choć jakże romantyczne), więc naukowcy szukali lepszych rozwiązań. Podobno pierwszą żarówkę wynalazł francuski naukowiec de Moleyns … ale oficjalnym wynalazcą został Thomas Alva Edison i to jemu w takim razie przyznajmy zaszczyt przeniesienia ludzkości do drugiej generacji źródeł światła, czyli lamp żarowych. Pomysł prosty: bierzemy drucik (najlepiej z jakiegoś odpornego na wysoką temperaturę metalu, jak wolfram) i zamykamy w szklanej bańce wypełnionej gazem szlachetnym. Potem podłączamy do prądu i drucik rozgrzewa się do białości dając nam światło. Ponieważ w bańce nie ma tlenu to drucik nie utlenia się (czyli nie spala), więc może świecić bardzo długo. Problem polegał jednak na tym, że takie źródła światła większość energii elektrycznej przetwarzały na ciepło zamiast na światło … więc nie były (i nie są, bo przecież wciąż powszechnie je stosujemy) oszczędne!
Poszukiwania oszczędności (oraz jeszcze kilku innych usprawnień) doprowadziło nas do kolejnej, trzeciej generacji źródeł światła czyli lamp wyładowczych. Nie wdając się w szczegóły i lekko uogólniając można stwierdzić, że lampy wyładowcze to takie, gdzie pod wpływem wysokiego napięcia zaczyna świecić jakiś gaz. Do tej generacji należą na przykład świetlówki liniowe, świetlówki kompaktowe (niesłusznie zwane żarówkami energooszczędnymi, gdyż nie posiadają żarnika) czy palniki ksenonowe (popularne w samochodach i technice estradowej). I to właściwie tyle jeśli chodzi o generacje źródeł światła. Przez tak wiele lat tak ogromnego postępu ludzkość wynalazła tylko trzy sposoby na wytwarzanie światła… o przepraszam! Cztery!

Ponieważ właśnie czwartą generacją są diody LED i generalnie światło oparte na elektroluminescencji. A co to jest ta elektroluminescencja? Hmm… tak na prawdę to bardzo skomplikowana sprawa, ale zostawmy dokładną i szczegółową definicję naukowcom i fanatykom. Spróbuję opisać to w sposób zupełnie nie naukowy i bardzo uproszczony, ale za to mam nadzieję zrozumiały.

Dioda LED jest zbudowana z półprzewodnika. Półprzewodnik to ogólnie rzecz biorąc taki specjalny kryształ,  który przewodzi prąd tylko w jedną stronę. Kryształ ten jest zbudowany z dwóch warstw, z których jedna nazywa się „p” a druga „n”. Warstwa „n” ma w sobie bardzo dużo elektronów a warstwa „p” ma mnóstwo tak zwanych dziur. Jeśli do takiego kryształu podłączy się prąd to elektrony z warstwy „n” zaczynają przeskakiwać do dziur z warstwy „p” i podczas tego przeskoku zostaje im spory nadmiar energii, którą „wyrzucają” na zewnątrz w postaci światła. W zależności od rodzaju materiału z jakiego zrobione są kryształy i w zależności od odległości jaką elektrony mają do przeskoczenia między warstwami powstaje światło o danej długości fali, czyli w jakimś konkretnym kolorze. I tutaj mamy pierwszą wielką różnicę jaka dystansuje diody LED od wszystkich innych źródeł światła. Mianowicie diody LED od razu produkują światło w konkretnym kolorze. Inne źródła potrzebują do tego filtrów, które ze światła białego (lub o podobnym odcieniu) przepuszczają tylko wybrany kolor. Filtry są niedoskonałe i nie dość, że zatrzymują część światła obniżając jasność to jeszcze zawsze poza wymaganym kolorem przepuszczają też część barw o podobnym zakresie co daje mniej nasycone kolory. Dioda LED świeci od razu tylko jednym, konkretnym kolorem i dlatego wydaje się on taki nasycony, intensywny i po prostu ładny.

Tutaj zapewne u wielu z Państwa pojawiło się pytanie: skoro dioda LED potrafi świecić tylko w jednym kolorze to jakim cudem istnieją diody LED świecące na biało? Bo przecież biały kolor to „zlepek” wszystkich innych kolorów w odpowiednich proporcjach. Otóż naukowcy wykorzystali tutaj mały trik. Tak na prawdę większość białych diod LED to diody świecące na niebiesko lub w ultrafiolecie. Ale nie widzimy oryginalnego koloru diody ponieważ jej światło jest zamieniane na białe poprzez specjalny luminofor napylony na soczewkę diody. Działa to trochę tak, jak w świetlówkach ale stosuje się znacznie doskonalsze luminofory. Ma to oczywiście swoje wady, bo poza krótszą żywotnością luminoforu powstają również dodatkowe straty i przez to białe diody LED maja nieco gorszą wydajność niż te kolorowe. Poza tym tańsze luminofory słabszej jakości mają tendencję do zmiany barwy oraz wypalania się w miarę upływu czasu. Istnieje jednak coraz mocniej rozwijająca się alternatywa dla technologii luminoforu.

A mianowicie technologia RGB, która także pozwala na uzyskanie białego koloru zachowując oryginalną sprawność diody LED. Polega ona na mieszaniu trzech barw podstawowych (czerwona, zielona i niebieska – stąd od angielskich nazw skrót RGB). Jeśli w jednej  diodzie zamkniemy trzy miniaturowe diody w tych podstawowych kolorach to po dobraniu odpowiednich proporcji każdego z kolorów uzyskamy kolor biały. Co więcej, jeśli takiej diodzie damy możliwość sterowania jasnością poszczególnych kolorów to możemy uzyskać również prawie dowolny inny kolor. Ludzkość zna tą technologię już od bardzo dawna. Na zasadzie RGB pracują kineskopy wszystkich telewizorów na świecie, podobnie jak większość ekranów LCD lub plazmowych. Technologię tą… a właściwie sposób na uzyskanie wielu barw z zaledwie kilku podstawowych znają również malarze. Od lat mieszają na przykład niebieską i żółtą farbę aby otrzymać różne odcienie koloru zielonego 🙂

Technologia RGB posiada niestety jedną wadę jeśli ma być stosowana do wytwarzania światła białego. Otrzymane w ten sposób światło ma dosyć wąskie pasmo i w związku z tym nie jest zbyt dobre jakościowo. Dlatego w profesjonalnych zastosowaniach dodaje się do RGB dodatkowe składowe (jak na przykład amber) aby poszerzyć widmo i poprawić jakość światła.

Kolejny temat „rzeka” dotyczący technologii LED (lub LED RGB) to różnica w jakości poszczególnych diod LED różnych producentów. Wielu naszych Klientów pyta nas dlaczego produkty LED oferowane przez naszą firmę są droższe od konkurencji. Wbrew pozorom to bardzo dobre pytanie, jednak odpowiedź nie jest taka prosta. Otóż diody LED to elementy bardzo zaawansowane technologicznie i ich produkcja jest procesem bardzo złożonym oraz wymagającym bardzo drogiej i nowoczesnej linii produkcyjnej. Co więcej produkcja na prawdę dobrych diod LED wymaga gigantycznych nakładów finansowych przede wszystkim na wyspecjalizowane laboratoria oraz zdolnych naukowców prowadzących badania umożliwiające rozwój tej technologii. Ale nas, zwykłych użytkowników, niewiele to obchodzi. Nas interesuje gotowy produkt, jego parametry i tak na prawdę najważniejsza rzecz, czyli co na tym zyskamy?

Wydawać by się mogło, że kupując tanie produkty LED zyskamy wiele, bo przecież wydajemy znacznie mniej pieniędzy. Nic bardziej mylnego! Pozornie oszczędzamy ale tylko jeśli patrzymy na sam koszt zakupu. A ten jest zaledwie wierzchołkiem góry zwanej „oszczędzaniem”! I tutaj pozwolę sobie przejść do punktów:

1. Tanie i niemarkowe produkty LED mają znacznie mniejszą sprawność energetyczną, co po ludzku oznacza, że potrzebują znacznie więcej energii elektrycznej do wytworzenia takiej samej jasności jak produkty markowe. Albo odwrotnie: czyli przy takim samym poborze mocy świecą słabiej. Tak więc płacąc mniej za na przykład taśmę LED  nieznanego pochodzenia tak na prawdę zapłacimy więcej bo nasze rachunki za prąd będą wyższe niż w przypadku korzystania z taśmy markowej. Może nie ma to znaczenia na przestrzeni roku… ale skoro diody LED mają żywotność oscylującą w okolicach 30 lat to w praktyce okazuje się, że już po kilku latach użytkowania ma to spore znaczenie i droższy produkt markowy zaoszczędzi dla nas sporo pieniędzy.

2. Tanie i niemarkowe produkty LED posiadają znacznie większą wrażliwość na przepięcia, elektrostatykę (popularne elektryzowanie się) oraz niedoskonałości urządzeń zasilających, co może i w praktyce bardzo często skutkuje uszkodzeniami, które nie podlegają gwarancji a w efekcie końcowym generują poważne koszty wymiany lub serwisowania. Warto więc zastanowić się czy lepiej kupić tanio ale ryzykując częste, odpłatne serwisowanie i wymiany, czy jednak zapłacić więcej ale za produkt markowy, który po prostu się nie zepsuje.

3. Tanie i niemarkowe produkty LED są wykonane z marnej jakości materiałów (jak na przykład luminofor w diodach białych, czy podłoża „p” oraz „n” diody). Skutkuje to kilkoma poważnymi wadami. Takie diody LED poza niską sprawnością bardzo szybko tracą swoją jasność lub kolor (w przypadku białych LED po pewnym czasie zaczynają one świecić na niebiesko lub fioletowo, co daje paskudne odczucie „trupiego” światła!). Poza tym parametry takich diod mają znacznie większy rozrzut niż precyzyjnie selekcjonowanych diod markowych i często trudno uzyskać powtarzalność koloru lub jasności.

4. Tanie i niemarkowe produkty LED z uwagi na ograniczone możliwości badań laboratoryjnych  (lub najczęściej ich brak) nie są w pełni przetestowane i ich parametry oraz żywotność podaje się na podstawie założeń producentów a te są z reguły bardzo optymistyczną wizją 🙂 Nasza firma testowała bardzo wiele produktów LED niemarkowych producentów i w większości produkty te nie zachowały swoich parametrów już po 5% deklarowanej żywotności lub nie posiadały ich od początku. Teoretycznie jednak nie było podstaw do reklamacji ponieważ produkty świeciły… tylko nie z deklarowaną jasnością, nie z deklarowanym kolorem lub w odpowiedzi na reklamację otrzymaliśmy informację, że produkt był niewłaściwie eksploatowany 🙂 Co jest nieco zaskakujące biorąc pod uwagę fakt, że pracujemy w branży LED od wielu lat i korzystamy wyłącznie z produktów najwyższej jakości (na przykład zasilacze firmy Mean Well)!!! Poza tym karty katalogowe niemarkowych produktów są często tak formułowane, aby trudno było udowodnić, że dioda lub produkt nie jest zgodny ze specyfikacją. Przykładem niech będzie brak szczegółowych danych charakteryzujących jasność, kąt świecenia, CCT, CRI, itd.

5. Na koniec (choć podobnych punktów mógłbym wymieniać jeszcze wiele) poruszę tylko jeden temat. Mianowicie różnicę między żarówkami LED zbudowanymi w oparciu o całą masę malutkich diod LED a profesjonalnymi żarówkami zbudowanymi z diod LED dużej mocy. Otóż wciąż powszechnie w marketach i w internecie spotykamy tanie żarówki LED przyciągające nas ceną oraz parametrami jasności ale zbudowanymi z bardzo wielu malutkich diod LED połączonych w matrycę. Tego typu żarówki mają tak naprawdę same wady! Przede wszystkim sprawność energetyczna (poruszana już kilka razy w tym artykule) takich produktów jest bardzo niska. A to dlatego, że stosowane tam diody nie są tworzone dla potrzeb oświetlenia ale sygnalizacji. Inne przeznaczenie wymusza nieco inne parametry. Podobnie ma się sprawa z trwałością i to nie dlatego, że same diody mają niską żywotność ale dlatego, że w takich żarówkach pojawia się problem z odprowadzaniem ciepła. Każda dioda LED podczas pracy grzeje się w pewnym stopniu. Jeśli taka dioda pracuje w swoim oryginalnym zastosowaniu, czyli podświetla kontrolkę, sygnalizuje jakiś stan, itp, to wszystko jest ok. Ale diody przewlekane o średnicy 10, 5 lub 3 mm nie są przeznaczone do celów oświetleniowych i nie mają obudowy umożliwiającej skuteczne odprowadzania ciepła. Dlatego jeśli są upakowane gęsto na małej powierzchni to zwyczajnie się przegrzewają. A przegrzanie diody LED jest zabójcze dla jej trwałości! Ponadto w żarówce mieści się również zasilacz, który także wydziela ciepło i całe urządzenie pracuje znacznie powyżej swojej dopuszczalnej temperatury pracy. Efekt jest jeden… tego typu żarówki albo szybko przestają działać na skutek spalenia się zasilacza albo błyskawicznie tracą jasność z powodu przegrzania się diod LED.  Białe żarówki mogą również zmieniać kolor na fioletowy lub niebieski z uwagi na przyspieszone wypalanie się luminoforu w diodach. Wniosek: wyrzucone pieniądze! Markowe żarówki zbudowane na diodach LED mocy posiadają specjalne radiatory odprowadzające skutecznie ciepło (diody mocy LED mają specjalne wyprowadzenia umożliwiające  właściwe chłodzenie nawet w małych obudowach), dzięki czemu mają na prawdę długą żywotność i zdecydowanie lepszą sprawność energetyczną co bezpośrednio przekłada się na koszty rachunków za prąd oraz długowieczność. Podkreślę jednak, że nawet diody mocy mogą się szybko spalić jeśli cały projekt żarówki jest wykonany przez firmę nie mającą dużego doświadczenia w projektowaniu produktów LED i obudowa żarówki nie odprowadza skutecznie temperatury z diod!

Diody LED to cudo techniki… ale jeśli obudowa, ścieżki, elektronika oraz akcesoria nie są odpowiednio zaprojektowane to niestety ten cud potrafi przerodzić się w bubel!!! Dlatego Drodzy Państwo, nie patrzcie wyłącznie na cenę bo może Was to bardzo drogo kosztować!

Jeśli chcieliby Państwo przeczytać tutaj o czymś, o czym jeszcze nie napisałem to bardzo proszę o zgłaszanie pomysłów i sugestii na adres e-mail: info@enterius.pl

autor: Krzysztof Ratyński