Oprawy oparte na wysokojakościowych diodach LED dużej mocy są dziś najbardziej optymalnym i elastycznym źródłem światła do bardzo różnych zastosowań. Niestety nie są wolne od pewnych wad, które z czasem wpływają na ich stopniową degradację, która objawia się nie tylko spadkiem żywotności diod LED – a więc i samych lamp – ale też spadkiem natężenia strumienia świetlnego lub skróconym cyklem życia zasilaczy, bez których oprawy nie mogą funkcjonować. Stąd konieczność implementowania nowych technologii, które ograniczają lub całkowicie hamują te negatywne procesy.

nowoczesne lampy led wplyw nowych technologii na ich jakosc i zywotnosc Fot. PIXABAY.COMFot. 1. Diody LED zasilane prądem o napięciu 12V emitują stosunkowo mało ciepła.Fot. PIXABAY.COM

Najistotniejszym elementem każdej lampy LED-owej jest samo źródło światła, czyli multiplikowane diody LED, które opisuje się zupełnie innymi parametrami niż tradycyjne źródła światła, jakimi jeszcze niedawno były żarówki. Diody LED stosowane w dzisiejszych lampach konstruowane są m.in. na bazie mas fosforowych (np. fosfor z silikonem), integrowanych czasem z elementem optycznym i łączonych z półprzewodnikiem. Pod spodem diody znajduje się zawsze podłoże termiczne (m.in. aluminium) łączone specjalnym materiałem klejącym z radiatorem dla odprowadzania temperatury (nieodzowny element chłodzący). Dla osiągnięcia odpowiedniej siły strumienia światła, lampy LED wyposaża się w wiele diod (kilkanaście – kilkadziesiąt), gdyż pojedyncza dioda jest zdecydowanie zbyt słaba by zagwarantować właściwie oświetlenie.

nowoczesne lampy led wplyw nowych technologii na ich jakosc i zywotnosc2 Fot. LENA LIGHTINGAluminiowa obudowa projektorów EXPO SYSTEM LED wspomaga radiator w maksymalnie efektywnym oddawaniu ciepła na zewnątrz.Fot. LENA LIGHTING

W efekcie lampy LED charakteryzuje się nie tyle poprzez moc poszczególnych diod wyrażaną w watach, co poprzez siłę strumienia świetlnego całej oprawy, wyrażoną w lumenach (lm). Siłę tą określa się poprzez ustalenie pomiaru fotometrycznego w laboratoriach, z wykorzystaniem tzw. kuli Ulbrichta (przestrzenny lumenomierz). Lampy LED charakteryzuje się jednak nie tylko poprzez siłę strumienia światła, lecz również poprzez wskazanie poboru prądu, generowanego przez diody i układy ich zasilania oraz przez relację siły strumienia świetlnego do poboru energii elektrycznej, co określa się efektywnością lub wydajnością świetlną (ilość lumenów na 1 Wat). Istotnym parametrem opisowym lampy LED jest współczynnik oddawania barw określany symbolem CRI (im wyższy, sięgający maksymalnego poziomu wyrażonego liczbą 100, tym lepiej). Współczynnik ten jest mocno powiązany z kolejnym parametrem, jakim jest barwa samego światła (określana w kelwinach), która może się mieścić w przedziale od około 1 500 do 10 000 K.

W kontekście niniejszego omówienia jeszcze jednym kluczowym parametrem określającym jakość lamp LED jest żywotność diod LED, która może sięgać kilkudziesięciu tysięcy godzin ciągłego świecenia – przynajmniej w idealnych warunkach, które w świecie rzeczywistym w zasadzie nie istnieją. Wpływ na to, że realnie ten parametr nie jest nigdy utrzymany, ma cały szereg czynników, które leżą nie tylko w samej konstrukcji lampy, ale też w warunkach w jakich przyjdzie jej pracować. Wszystkie wymienione wyżej parametry opisujące lampy LED-owe, to parametry zmieniające się w czasie i ulegające stopniowej degradacji. Wiodący producenci od lat prowadzą badania nad technologiami, które pomagają wpłynąć na utrzymanie odpowiednio wysokiej jakości emitowanego światła oraz na wzmocnienie żywotności opraw i pojedynczych diod. Część z nich została zaimplementowana do najnowocześniejszych opraw i rzeczywiście wpłynęła na ich parametry, dzięki czemu możemy się cieszyć znacznie lepszymi produktami niż te, które oferowano zaledwie dekadę temu. Najważniejsze z nich zostały omówione w kolejnych rozdziałach.

nowoczesne lampy led wplyw nowych technologii na ich jakosc i zywotnosc3 Fot. MILOO LIGHTINFot.3.Diody LED mocuje sie na różnych podłożach termicznych, zarówno z tworzyw sztucznych, jak i metali. Fot. MILOO LIGHTIN

Wady lampy LED oraz technologie wdrożone dla ich niwelowania (CLO, BLO, PWM itp.)

Choć diody LED zrewolucjonizowały świat opraw i okazały się o wiele bardziej energooszczędne, skuteczne, żywotne czy też najogólniej mówiąc na każdym polu lepsze od tradycyjnych źródeł światła, za jakie uznaje się dziś żarówki i świetlówki, nie można powiedzieć, że są bez jakichkolwiek wad. W dłuższej perspektywie czasowej – a po ponad dekadzie uważnego badania procesów starzenia się diod LED, można już mówić o dość długiej perspektywie – wiodący wytwórcy zauważyli postępujące procesy degradacji lamp LED-owych. Wymagały one stworzenia nowych technologii, których zadaniem stało się przeciwdziałanie tym procesom i zarazem dalsze podnoszenie jakości funkcjonowania tych opraw oraz jakości emitowanego przez nie światła. Lista tych negatywnych zjawisk wcale nie jest krótka, lecz z braku miejsca nie zostaną omówione wszystkie. Poniższa analiza skupi się na trzech najważniejszych, do których należą zagadnienia związane z kompensowaniem stopniowego spadku skuteczności świetlnej diod LED, odprowadzaniem nadmiaru ciepła generowanego przez pracujące diody oraz przeciwdziałaniem efektowi migotania, przy jednoczesnej optymalizacji pracy zasilacza poprzez ograniczenie jego grzania.

nowoczesne lampy led wplyw nowych technologii na ich jakosc i zywotnosc5 Fot. PIXABAY.COMFot. 4. Dla opraw LED niskie temperatury są zdecydowanie lepszymi warunkami pracy, niż wysokie temperatury.Fot. PIXABAY.COM

Technologia CLO i BLO

Moc świetlna lamp LED podczas pracy oprawy w początkowym okresie podlega delikatnej zmienności, przy czym jest ona bardzo niewielka, gdyż w dobrze zaprojektowanej oprawie może to być 2-3% na plus lub na minus i wynika to z łapania przez oprawę tzw. równowagi termicznej. Istnieje jednak zjawisko długotrwałego spadku wydajności światła spowodowanego starzeniem się diod LED, materiału optycznego oraz elektroniki i jest to spadek – wg. różnych źródeł – o 15 do nawet 25% w skali całego życia lampy LED. Pomiary długotrwałej degradacji światła opraw LED były przeprowadzane przez głównych światowych producentów od wielu lat i odbywały się w ściśle kontrolowanych warunkach laboratoryjnych i w oparciu o określone w normach procedury. Za każdym razem badania te wykazywały, że chociaż procesy amortyzacji jakości światła są trudne do precyzyjnego przewidzenia (wyliczenia) w swej skali, to jednak mimo wszystko zdecydowanie wymagają drożenia rozwiązań kompensujących, gdyż degradacja światła jest znacząca i odczuwalna dla osób korzystających z oświetlenia. W efekcie pierwszą technologią, jaką na tym polu zaczęto stosować już kilka lat temu i którą dziś często się spotyka, była technologia CLO czyli Constant Light Output (Stały Wydatek Światła). Kompensacja według CLO opiera się jednak tylko na obliczeniach statystycznych, czyli tzw. metodzie projekcji i działa w ten sposób, że układ elektroniczny okresowo zwiększa prąd przepływający przez diody LED, dla zrekompensowania przypuszczalnego, statystycznego spadku mocy świetlnej oprawy.

Trzeba w tym miejscu wyraźnie podkreślić kluczowy aspekt tego rozwiązania: metoda CLO kompensuje przewidywane osłabienie strumienia świetlnego za pomocą ustalonego algorytmu niezależnie od tego, z jaką technologią LED jest powiązana i niezależnie od unikalnych warunków środowiskowych w jakich oprawa LED pracuje. W praktyce technologia ta realizowana jest na dwa sposoby: jednym ruchem zwiększa moc początkową po instalacji oprawy, o określoną wartość procentową – taką, jaka odpowiada przewidywanemu przez algorytm spadkowi skuteczności świetlnej w całym cyklu życia oprawy, lub też w odstępach czasowych kompensuje spadek jasności według stałej minimalnej wartości, na przykład o 1% na każde 7 500 godzin pracy. Za każdym jednak razem CLO nie bierze pod uwagę typu diod LED, degradacji optyki jako kompletnego systemu i indywidualnych dla każdej oprawy warunków środowiskowych, opierając się jedynie na algorytmie stworzonym w oparciu o dane statystyczne z długotrwałych badań obserwacyjnych. Alternatywną technologią dla CLO jest metoda Zrównoważonego Wydatku Światła (Balanced Light Output), która utrzymuje strumień światła na stałym poziomie przez cały okres użytkowania oprawy LED, poprzez uwzględnianie globalnej degradacji światła i oprawy w czasie rzeczywistym, bez opierania się na prognozach i algorytmach.

Oczywiście kompensacyjny wzrost strumienia świetlnego jest tu wynikiem delikatnego zwiększania prądu przechodzącego przez diody LED, w związku z czym przy tej technologii – podobnie jak przy CLO – należy podjąć środki ostrożności w odniesieniu do zarządzania temperaturą. Oznacza to, że radiator należy zaprojektować tak, aby akceptował maksymalną moc wyjściową LED przy osiągnięciu maksymalnej równowagi świetlnej w końcowym cyklu życia diod. Praktyka wskazuje, że dla przykładu oprawa LED o mocy 100 W powinna charakteryzować się mocą cieplną na poziomie 120 W, co odpowiada utrzymaniu stałego strumienia świetlnego pod koniec okresu użytkowania oprawy. System BLO od strony technicznej wymaga pewnych dodatkowych elementów w konstrukcji oprawy LED, z których kluczowym jest zespół czujnika – monitorujący światło generowane przez diody LED – oraz sterownik zasilacza, współpracujący zarówno z czujnikiem jak i zasilaczem – wszystko to za pomocą mikroprocesora. Sam zespół czujnika składa się natomiast z pary nadajnik- odbiornik podczerwieni IR, która jest pośrednio zwrócona w stronę diod LED.

nowoczesne lampy led wplyw nowych technologii na ich jakosc i zywotnosc4 Fot. LENA LIGHTINGFot.6. Matryce wyposażone w wiele diod LED generują dużo ciepła, które musi być odprowadzane. Fot. LENA LIGHTING.

Odpowiednie ustawienie zespołu czujnika zależy oczywiście w dużej mierze od właściwości mechanicznych oprawy, dostępności miejsca czy rodzaju i wielkości optyki, niezależnie jednak jak jest zamontowany, za każdym razem pełni funkcję pomiaru równoważnej wartości całkowitego strumienia świetlnego. Dzięki czujnikowi mikroprocesor potrafi na bieżąco szacować stopniowo narastającą rozbieżność między rzeczywistą całkowitą mocą świetlną oprawy a poborem mocy i założoną nominalną wartością świetlną – informacje otrzymuje w sygnale elektrycznym generowanym przez czujnik. Dzięki temu mikroprocesor wie, o ile dokładnie powinien zwiększyć prąd, by dokonać idealnej kompensacji i dojść do założonych 100% mocy świetlnej. Technologia BLO jest więc dziś jedyną metodą, pozwalającą rzeczywiście utrzymać stały poziom mocy świetlnej oprawy LED w całym cyklu jej życia.

Nowatorskie technologie chłodzenia diod i matryc LEDowych

Temperatura generowana przez diody LED nie jest tak wysoka, jak to ma miejsce w przypadku klasycznych żarówek, lecz nie można powiedzieć, by na tym polu ta technologia zdecydowanie górowała nad innymi. Typowa dioda LED ze 100% otrzymywanej energii zaledwie 35-40% konwertuje na światło widzialne, zaś reszta tracona jest w postaci wygenerowanej energii cieplnej. Najlepsze produkty zbliżają się dziś do proporcji w okolicach 50:50, co oznacza, że nadal połowa dostarczonej energii ucieka w postaci ciepła, które trzeba koniecznie odprowadzić z prostej przyczyny: wysoka temperatura jest zabójcza dla żywotności diod. Przekroczenie maksymalnej dopuszczalnej temperatury o kilkanaście procent potrafi skrócić czas życia diody LED o połowę, a przy tym zaczyna wpływać negatywnie na parametry takie, jak temperatura barwowa emitowanego światła czy nawet siłę strumienia świetlnego. Na polu odprowadzania nadmiaru temperatury z diod LED standardem są pasywne metody, które oznaczają podłoża o wysokiej wartości przewodnictwa cieplnego (epoksydowo- szklane, metalowo-ceramiczne lub metalowodielektryczne), radiatory we wszelkich odmianach (duraluminiowe, miedziane) oraz ciepłowody, przyjmujące postać rurek wypełnionych specjalnym czynnikiem chłodzącym (np. metanolem) i stanowiących bezpośredni most między diodą LED i radiatorem.

ekpert Cezary Wichniewicz, Product Manager, Lena Lighting S.A.

EKSPERT Fachowego Elektryka
Dlaczego wysoka temperatura pracy diod LED wpływa negatywnie na ich żywotność?

Dioda LED wydaje się idealnym źródłem światła.Zapewnia wysoką efektywność i jakość światłaoraz długą żywotność. Jednak by móc w pełniskorzystać z tych zalet musimy zapewnić optymalnetermiczne warunki pracy diody LED. Zbytwysoka temperatura pracy spowoduje degradacjęfosforu w luminoforze oraz obudowy diody,powodując zmniejszenie strumienia świetlnego.Dodatkowo następuje wzrost rezystancji złączai degradacja termiczna struktury półprzewodnikaodpowiedzialnego za wytwarzanie światła.Powoduje to, że żywotność diody LED, rozumianajako czas, gdy strumień świetlny obniży się do70% wartości początkowej, spadnie drastycznie.Dlatego decydując się na wybór oprawy oświetleniowejnie należy kierować się tylko danymiz karty katalogowej diody.Warto wybierać sprawdzonych producentówposiadających własne działy R&D, laboratoriabadawcze i doświadczenie w projektowaniuproduktów LED-owych. Nie wystarczy użyćnajlepszych diod by stworzyć najlepszy produkt.Należy zaprojektować zrównoważony systemskładający się ze źródła światła, drivera, układuoptycznego, systemu zarządzania temperaturą,elementów mechanicznych oraz połączeńelektrycznych.

Zupełnie nowymi metodami na polu chłodzenia diod i opraw LED są technologie aktywnych układów chłodzenia, w których przepływ, czy raczej odprowadzenie ciepła, jest wymuszane. Do tych rozwiązań zaliczają się układy wentylatorowe, układy cieczowe i układy membranowe. W przypadku układów wentylatorowych należy mówić o ich synergicznym powiązaniu z radiatorami zamontowanymi na chłodzonych matrycach lub diodach LED, na których użebrowanie wentylatory nadmuchują ciepłe powietrze. Układy takie osiągają nawet 4-krotnie lepsze chłodzenie niż ma to miejsce w przypadku rozwiązań z samym radiatorem, lecz mają też wadę – dochodzi dodatkowy element, zasilany co prawda z tego samego źródła, lecz jednak podnoszący koszt oprawy i stanowiący kolejne ogniwo, które może ulec uszkodzeniu. Bardzo ciekawie prezentują się układy oparte na cieczy pochłaniającej nadmiar energii cieplnej, która jest przepompowywana do modułu wymiennika ciepła, w którym oddaje pobraną energię, po czym ponownie wypchnięta w obręb matrycy i diod LED by rozpocząć cykl od nowa i odebrać kolejną porcję ciepła.

nowoczesne lampy led wplyw nowych technologii na ich jakosc i zywotnosc8 Fot. PIXABAY.COMRadiator to podstawa przy żarówkach LED. Bez niego ich żywotność spada o minimum połowę.Fot. PIXABAY.COM

Charakterystycznym elementem tej mini instalacji jest mikropompa obiegowa, która była nieobecna w pasywnym układzie ciepłowodów, opisanym kilkanaście linijek wyżej. Najnowszym i najciekawszym rozwiązaniem technologicznym na polu odprowadzania nadmiaru energii cieplnej wygenerowanej przez diody LED jest układ z wykorzystaniem membrany, a właściwie wentylatora membranowego, który co prawda wymaga zasilania energią elektryczną (za to pobiera wielokrotnie mniej energii od zwykłego wentylatora), lecz nie posiada żadnych elementów ciernych typowych dla klasycznego wentylatora (brak łożysk). W dużym skrócie całe rozwiązanie polega na przepuszczaniu prądu przez cewkę membrany, która pod wpływem zmiennego pola elektromagnetycznego zaczyna drgać i wytwarzać strumieniowy ruch powietrza. Tym powietrzem jest oczywiście powietrze rozgrzane przez diody LED, zaś nadmuch kierowany jest przez membranę bezpośrednio na radiator. W gruncie rzeczy jest to nowy wariant rozwiązania opisanego jako pierwsza z trzech metod aktywnego odprowadzania ciepła, lecz wykorzystujący zupełnie inny typ wentylatora, o żywotności wielokrotnie wyższej i generujący znacznie mniej kosztów i hałasu.

Modulacja szerokości impulsu, czyli PWM w ściemniaczach dla opraw LED

Modulacja szerokości impulsów za pomocą tranzystorów wprowadzanych naprzemiennie w stan 0/1 (stan przewodzenia / stan zaporowy) jest doskonale znana m.in. z zastosowań przy silnikach maszyn przemysłowych. Polega w dużym uproszczeniu na regulacji sygnału prądowego bądź napięciowego, o stałej amplitudzie i częstotliwości, polegającej na zmienianiu stopnia wypełnienia sygnału i w przypadku opraw LED sprowadza się do naprzemiennego załączania i wyłączania zasilania. Istotna jest tu częstotliwość tej operacji – w przypadku diod LED powinna ona startować co najmniej od poziomu 500 Hz, przy którym ludzkie oczy nie rejestrują już efektu migotania, podobnie jak większość kamer (jednak przy profesjonalnych zdjęciach Slow Motion, o częstotliwości 1 200 klatek na sekundę lub więcej, efekt niestety jest zauważalny). Celem tego zabiegu – czyli płynnego modulowania szerokości impulsu – jest efektywna regulacja jasności diod LED wykorzystywana w nowoczesnych ściemniaczach. Dzięki metodzie PWM ściemniacze ulegają znacznie mniejszemu przegrzaniu, co wpływa na ich wydłużoną żywotność, pobierają mniej energii i dają się bardzo precyzyjnie sterować.

Podsumowanie

Technologii wpływających pozytywnie na jakość światła generowanego przez diody LED i na żywotność opraw LED-owych jest więcej – powyższe rozdziały prezentują te, które zdaniem autora zasługują na większą uwagę i stanowią jego subiektywny wybór. Należy przy tym podkreślić jeden istotny aspekt – za dwa lub trzy lata wybór ten może wyglądać zupełnie inaczej, ponieważ w świecie oświetlenia opartego o diody LED dzieje się ostatnio szalenie dużo, jego rozwój pędzi z zawrotną szybkością, a badania i poszukiwania nowych technologii prowadzi coraz więcej ośrodków.

Łukasz Lewczuk

Na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez:
Steinel Vertrieb GmbH,
Osram Lighting Sp. z o.o.,
Lena Lighting S.A.,
Gomar Plus,
Trilux Polska Sp. z o.o.,
Miloo Electronics Sp. z o.o. oraz Związek Producentów Sprzętu Oświetleniowego „Pol -lighting” i Luger Research e.U. Institute for Innovation & Technology