Jeśli jeszcze parę lat temu można było mieć wątpliwości, tak dziś już chyba nikt nie ma złudzeń: w świecie oświetleniowym jesteśmy świadkami zmian rewolucyjnych sposobu generowania promieniowania widzialnego. Wszystko to za sprawą technologii, która do niedawna służyła nam do budowy prostych odbiorników sygnalizacyjnych o minimalnych mocach, a dziś jest sercem opraw emitujących nierzadko kilka tysięcy lumenów.

Po wynalazkach W. Murdocka (lampa gazowa 1792 r.), Jobarda (włókno węglowe żarzące się w próżni - 1838 r.; prototyp opatentowanej później przez Edisona żarówki) czy A.Comptona (pierwsza świetlówka 1935 r.), mamy do czynienia ze źródłami czwartej generacji. Diody LED, bo o nich mowa (coraz częściej funkcjonuje także skrót SSL - z ang. Solid State Lighting), wkraczają, ze względu na swoje specyficzne właściwości, coraz śmielej w nasz świat. Jeszcze dziesięć lat temu wykorzystywane jedynie jako elementy sygnalizacyjne (np. pod przyciskami zasilania różnych urządzeń), dziś oświetlają parkingi i ścieżki rowerowe (oprawa Philips UrbanLine), świecą w biurach i korytarzach w oprawach typu down-light (oprawa Philips LuxSpace), są nieodzownym elementem w projektach dynamicznych iluminacji ze szczególnym naciskiem na systemy RGB (oprawa Philips ColorReach).

Podstawy technologii. Światło białe i kolory

Podstawę generowania światła wewnątrz półprzewodnikowej diody LED (Light Emitting Diode) stanowi przemiana energii elektrycznej na światło w procesie elektroluminescencji. Na najbardziej podstawowym poziomie proces ten polega na przepływie elektronu z jednego materiału do drugiego, czemu towarzyszy utrata pewnej ilości energii. Zgodnie z prawem zachowania energii ta utracona energia musi ulec konwersji. W diodzie LED jest ona przekształcana na energię promieniowania w widzialnej części spektrum oraz promieniowanie podczerwone rozpraszane w postaci ciepła. Dioda LED składa się dwóch warstw półprzewodnika - warstwy naładowanej dodatnio (obszar p) i warstwy naładowanej ujemnie (obszar n), co przedstawiono na schemacie 1. W obszarze p brakuje elektronów, natomiast w obszarze n jest ich nadmiar. Po przyłożeniu stałego, niewielkiego napięcia do tych dwóch obszarów zaczyna płynąć prąd i elektrony poruszają się przez złącze p-n, z obszaru n do obszaru p. W procesie przepływu elektronu przez złącze p-n następuje opisany wyżej proces uwalniania energii i wytwarzania fotonów o widzialnych długościach fal. Większa uwalniana energia, oznacza mniejszą długość emitowanej fali. Fotony o niskim poziomie energetycznym będą emitowane w podczerwieni, a w miarę wzrostu tego poziomu kolor światła będzie się zmieniać od głębokiej czerwieni, poprzez żółty, zielony, turkusowy i niebieski, aż po ultrafioletową część spektrum.

Dioda emitująca światło białe jest w rzeczywistości półprzewodnikiem niebieskim z żółtym luminoforem na powierzchni. Promieniowanie niebieskie jest zamieniane przez warstwę luminoforu na światło białe. Możliwe jest również generowanie barwy białej z trzech niezależnych, monochromatycznych LED. Takie systemy macierzy LED noszą nazwę systemów RGB. Jest to drogi sposób na generowanie światła białego i z tego powodu rzadko w tym celu wykorzystywany. Systemy RGB są zazwyczaj używane przy tworzeniu dynamicznych scen świetlnych. Sprzężone z systemami sterowania dają możliwości ograniczone jedynie wyobraźnią projektanta.

Dlaczego diody?

Odpowiadając na pytanie: „Co takiego rewolucyjnego się wydarzyło, że diody LED są praktycznie widoczne w każdym segmencie rynku?”, sięgamy w pierwszej kolejności po zalety nowej technologii.
Mówiąc o korzyściach wynikających ze stosowania źródeł SSL, najczęściej wspomina się o ich dużej trwałości i energooszczędności, co rzeczywiście powinno być podkreślane na każdym kroku. Rzadko natomiast obok tej informacji dodaje się, że diody tak naprawdę są odbiornikami, które skupiają w sobie wszystkie zalety do tej pory charakterystyczne dla innych rodzin źródeł światła. Do momentu pojawienia się odbiorników LED stawaliśmy przed trudnymi decyzjami: np. źródło światła doskonale oddaje kolory, ale jest zupełnie nieodporne na wibracje i wstrząsy (żarówki i halogeny), albo jest energooszczędne w porównaniu z innymi źródłami, ale ma zbyt niski wskaźnik oddawania barw (lampy sodowe, szczególnie niskoprężne). Lub jeszcze inaczej-źródło jest energooszczędne, doskonale oddaje kolory, ale praca w niskich temperaturach znacząco wpływa na emisję strumienia świetlnego (niektóre świetlówki). Dylematy - które źródło zastosować? - znikają w przypadku LED.

Dostępne obecnie komercyjnie diody elektroluminescencyjne wysokiej mocy - np. Luxeon Rebel z Philips LumiLEDs to trwałość użyteczna 50 000 godzin i skuteczność świetlna rzędu 100 lm/W (dla diody białej o Tb=5000 K). Są one odpornym mechanicznie odbiornikiem o Ra sięgającym na chwilę obecną wartości 90. Nie zawierają elementów, które mogą się przerwać, złamać czy po prostu ulec uszkodzeniu na skutek działania przypadkowej siły. Nie zawierają substancji groźnych dla otoczenia czy nieprzyjaznych środowisku takich jak rtęć, ołów czy kadm. Jeśli zaś chodzi o temperaturę otoczenia, zasada właściwie jest jedna - im chłodniej, tym dla diody lepiej. A mówiąc ściślej - wykres strumienia w funkcji temperatury otoczenia diody jest w zasadzie liniowy i rośnie dla niskich temperatur aż do pewnej wartości granicznej (wspomniana dioda Luxeon Rebel jest specyfikowana do -40°C). Jeśli do wcześniej wymienionych cech dodamy jeszcze bezpieczeństwo (niskie napięcie zasilania) i wyjątkową elastyczność projektową (źródła światła o niewielkich gabarytach, co umożliwia stosowanie ich w praktycznie każdym projekcie oświetleniowym), wówczas odpowiedź na postawione wyżej pytanie nasuwa się sama. Natomiast bez odpowiedzi pozostaje pytanie…

…dlaczego tak drogo?

Pytanie zadane wprost i jak najbardziej na miejscu - nowa technologia kosztuje i to niemało w porównaniu z do niedawna panującymi rozwiązaniami. Dlaczego?
Odbiornik, który jest dla nas widoczny - jak np. oprawa Philips Spot LED Gen 3 - jest dość skomplikowanym urządzeniem, składającym się z szeregu elementów wspomagających.
Oprócz samej matrycy z diodami wysokiej jakości (w tym przypadku Philips Luxeon K2), jednym z komponentów jest zaawansowany układ optyczny z kolimatorami, zasilacz oraz element odprowadzający ciepło - radiator. Wszystkie te elementy muszą być ściśle dobrane pod specyfikację samej diody i współgrać ze sobą po to, żeby pracowała w idealnych warunkach zasilania, wilgotności, temperatury itd. Wszystkie zabiegi służą temu oczywiście, żeby system (cała oprawa) również mógł mieć trwałość użyteczną 50 tysięcy godzin.
Szczególnie istotną rolę odgrywa radiator. Jeśli skutecznie nie wyprowadzimy ciepła z najbliższego otoczenia diody na drodze konwekcji (unoszenia) lub radiacji (przewodzenia), wpłynie to drastycznie na trwałość LED - ulegnie ona znacznemu skróceniu. Dobór odpowiednich elementów, ich projektowanie i sama jakość wykonania, muszą mieć swoje odzwierciedlenie w kosztach i jest to pierwszy z czynników determinujących.
Drugi element dotyczy samej diody i tzw. procesu binningu (koszykowania) i polega na segregacji diod po procesie produkcyjnym. Wspominane już parokrotnie diody Philips LumiLeds podlegają temu procesowi ze względu na trzy parametry: strumień świetlny, barwę (lub w przypadku diody białej - Tb) i napięcie wsteczne. Gotowy produkt ma swój BIN (koszyk), który w praktyce oznacza szereg symboli jednoznacznie określających jego parametry. Z jednej strony jest to dodatkowy koszt w procesie produkcyjnym, z drugiej natomiast pewność naszych klientów, że diody z tego samego BIN-u zakupione w różnych miejscach czy czasie, mają dokładnie takie same właściwości spektrofotometryczne i elektryczne. Jest to szczególnie istotne dla większości użytkowników, a szczególnym przypadkiem może tu być segment reklamy zewnętrznej.
Użytkownicy końcowi często widzą koszty, które ponoszą na początku przy zakupie systemów, zapominając, że jest to tak naprawdę część kosztów rzeczywistych. Reszta z nich to opłaty za eksploatację i konserwację zakupionych systemów. Jeśli na nasz kosztorys popatrzymy, uwzględniając wszystkie te czynniki, wówczas diody LED to jedyna w swoim rodzaju inwestycja, która bardzo szybko się zwraca. Odwołując się do wspomnianej przed chwilą reklamy zewnętrznej: w przypadku modernizacji dużego logo, polegającej na podmianie świetlówek lub neonu na diodowy system Affinium LED String, inwestycja oczywiście jest większa niż w przypadku zwykłego relampingu (wymiana grupowa świetlówek). Biorąc pod uwagę jednak fakt, że po zamianie na system LED logo będzie zużywało do 80% mniej energii elektrycznej i nie będzie wymagało konserwacji w deklarowanym przez Philips okresie 50 tys. godzin, inwestycja zaczyna procentować średnio już po niecałym roku.
Diody świecące to przyszłość, a to, czego teraz jesteśmy świadkami, jest jedynie przedsmakiem zmian, które nadchodzą. Pojawia się jednak pytanie - czy diody są jedynym i słusznym kierunkiem dla wszystkich bez wyjątku aplikacji? Należy wprost odpowiedzieć, że nie dla wszystkich. Przykładem może być tutaj oświetlenie dróg (krajowych, autostrad itp.), gdzie na chwilę obecną nie ma jeszcze alternatywy LED dla opraw sodowych i metalohalogenkowych o mocach 250 W czy 400 W.

Wspomniana wcześniej skuteczność świetlna LED rzędu 100 lm/W dotyczy samego elementu generującego promieniowanie. Jeśli taki element zamkniemy w oprawie, czyli zasłonimy optyką, na której również są straty, wówczas skuteczność świetlna takiego systemu spada do 60-65 lm/W. Przy skuteczności świetlnej 140 lm/W i więcej, którą charakteryzują się źródła wyładowcze, nie ma na chwilę obecną technologicznej możliwości zaprojektowania alternatywnej i energooszczędnej oprawy LED. Albo taka oprawa będzie pobierała więcej mocy, dając podobną ilość światła, co oprawa wyładowcza, albo będzie zbliżona mocą elektryczną, wytwarzając jednak dużo mniej promieniowania widzialnego. Wynika to z prostego rachunku i obecnych możliwości technologii LED, dlatego Philips ze swoją ofertą opraw zewnętrznych pozostaje w obszarze dróg osiedlowych, alejek parkowych, parkingów itp., gdzie natężenie oświetlenia rzędu 5-10 lx jest wystarczające. Oprawy Philips z rodzin Mini Iridium LED, City Spirit LED czy UrbanLine świetnie spełniają to zadanie, będąc jednocześnie alternatywą dla zbędnych w tych miejscach opraw sodowych czy rtęciowych o większych mocach. Prognozy uwzględniające tempo rozwoju technologii, znajomość rynku w poszczególnych segmentach, a szczególnie nowych trendów pozwalają przypuszczać, że oprawy LED będą alternatywą dla opraw wysokoprężnych wyładowczych od roku 2014 i to tylko dla najmniejszych mocy. Obecnie rozwiązania takie CosmoPolis z osprzętem elektronicznym są wariantem idealnym dla tego sektora.
Nie zmienia to jednak faktu, że żyjemy w fascynujących czasach i jesteśmy świadkami kolejnego rozdziału w historii oświetlenia. Projekty, które do niedawna pozostawały w projektach odważnych architektów, teraz są realizowane i same są inspiracją dla kolejnych, jeszcze bardziej futurystycznych rozwiązań. Technologia LED natomiast jest teraz, jak się szacuje, w połowie swoich możliwości. Drzemie więc w niej ogromny potencjał i jest tylko kwestią czasu, kiedy zobaczymy jej możliwości w pełnym wymiarze. A skoro już dziś podświetlamy budynki na wysokość 100 m i większą (wspomniana oprawa ColorReach), co zobaczymy za rok?

Artur Obarzanek

---