1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer

LED: TEORIA NE OMOARA…..

In acest articol:   LED: TEORIA NE OMOARA….. In viitorul numar: Practica este groaznica.

 

LED’urile reprezinta o tehnologie relativ noua de producere a luminii mai este intalnita si sub denumirea de “solid state lighting” SSL.  A cunoscut o dezvoltare rapida si schimbari majore de performante sunt anuntate de la o luna la alta. LED’urile au introdus si un nou vocabular de  termeni si expresii in Iluminat mai mult sau mai putin aliniat cu cel din domeniul electronicii; Incercam sa definim cativa dintre acestia si sa prezentam un pachet de cunostinte de baza asupra subiectului.

Functionare LED’ul este un  dispozitiv semiconductor care emite lumina atunci cand la bornele sale este aplicat un curent .  Diodele sunt componente electronice utilizate in circuite electronice de mai bine de 80 de ani. O dioda permite  trecerea curentului electric doar intr-o directie; de fapt actioneaza ca o valva cu sens unic.  Diodele au fost utilizate in circuitele electronice pentru rectificarea curentului alternativ  (ca) in current continuu  (cc).  La trecerea curentului electric prin LED, la jonctiunea dintre pozitiv - negativ p-n apare o forma de electroluminescenta. Emisia de lumina se face intr-un spectru foarte ingust . De fapt, curentul electric trece printr-un compound chimic (cristal) si produce o excitare atomica ce genereaza lumina. Tipul materialeleor utilizate pentru jonctiune definesc lungimea de unda a luminii emise si deci culoarea luminii. Primul LED utilizat pentru lumina a fost realizat in 1962 si a fost de culoare rosie.

Constructia LED‘ului:  Inima LED’ului consta dintr-o placuta care este realizata prin depunerea unui strat de material  semi-conductor pe un substrat, in general denumit  “wafer” . Wafer’ul este un disc avand diametrul de  100mm sau 150mm din care se pot produce un numar mai mare sau mai mic de diode ( LED chips).  Acesta este un procedeu tehnologic deja classic in productie prin care se realizeaza majoritatea semi-conductorilor din circuitele integrate. Dupa testare si selectare in functie de culori si intensitate, fiecare cip este asamblat intr-un “Pachet LED” care este practic componentul ce urmeaza a fi incorporat intr-un circuit si utilizat pentru producerea luminii..

Lumina produsa de LED:  Lumina produsa de cip’urile LED poate  sa acopere intreg spectrul vizibil inclusiv spectrul IR si UV.  Culoarea emisa este determinata insa de materialele semi-conductoare, de fapt fiecare CIP emite intr-un domeniu relativ  ingust al spectrului.  Lumina “alba”  este produsa fie utilizand un LED albastru care emite printr-un strat galben de fosfor, fie din mai multe diode emitand lumina din culorile de baza,  rosie, verde si albastra ( RGB) care combinate produc lumina alba. Prima metoda este utilizata atunci cand este necesara doar lumina alba de o anumita temperatura de culoare, cea de a doua atunci cand prin modificarea amestecului de culori de baza are ca rezultat modificarea temperaturii de culoare de la cald la rece.

De aici incep discutiile…si unde sunt discutii sunt si probleme…de discutat!

Caldura produsa de LED  LED’urile nu produc doar lumina. La jonctiune p-n se produce si o importanta cantitate de caldura care trebuie dispata. Disiparea de caldura este critica pentru performantele luminotehnice si pentru durata de viata a acestuia.  Temperatura jonctiunii “Tj” Este unul dintre cei mai importanti parametrii de performanta ai LED’ului si trebuie mentinuta in parametrii optimi.    Variatii ale Tj pot influenta in mare masura eficacitatea, spectrul de emisie si viata unui LED.  Un cip LED  are un set definit de valori a Tj, care este testat in mod current la valoarea de 25C. Este doar o valoare teoretica, intrucat toate LED’urile vor trebui sa functioneze la valori mult mai mari atunci cand sunt incorporate intr-un corp de iluminat.

Eficacitate
Performantele LED’urilor sunt in continua dezvoltare si eficacitatea luminoasa creste permanent. Furnizorii de LED’uri nu pierd nici un prilej de a-si  anunta continuu progesul in presa de specialitate in ceea ce priveste cercetarea si dezvoltarea de LED’uri cu eficacitati luminoase din ce in ce mai “uriase” In 2013 unul dintre fabricantii importanti nu a avut nici o retinere din a a anunta o eficacitate luminoasa de 250Lm/W. Totusi… toata aceasta cursa de marketing, nu trebuie confundata cu lumea reala a performantelor cip’urilor LED. In mod normal pentru temperature de culoare de 2700K – 3000K (alb cald), LED’uril ating cca 120 lm/W dar “se inregistreaza inca progrese continui”, cu ratii de crestere ceva mai mici insa decat isi doresc maketing managerii, sau chiar marile firme cu care am fost obisnuiti.

Cand un cip LED este insa incorporat intr-un corp de iluminat trebuie avuta in vedere eficacitatea luminoasa a intregului sistem. In circuit este nevoie totdeauna de aparataj auxiliar ( denumit si driver) incorporat sau nu in LED, care ……consuma energie , exista pierderi datorita absorbtiei din corpul de iluminat, in plus atunci cand LED’ul functioneaza in afara parametrilor optimi masurati, si aici ne referim la Temperatura jonctiunii Tj nu mai produce aceeasi cantitate de lumina. Totusi cu echipamente de control adecvate, in corpuri de iluminat cu sisteme optice potrivite si cu posibilitatea transferului de caldura ( radiatoare) exista realizari tehnice de corpuri de iluminat  care asigura putin peste 100Lm/W

Durata de viata

Introducere
Durata de viata se poate masura in doua moduri.  Cate mai functioneaza dupa o anumita peroada de timp ( la lampile conventionale aceasta valoare este de 50%) sau timpul in care fluxul luminos emis scade sub o anumita valoare ( la lampile conventionale fluxul luminos nu scade semnificativ in timpul duratei nominale de viata ). Acest lucru nu este adevarat pentru LED;uri, unde exista o reducere graduala a fluxului  emis si nu exista caderi bruste ale lampii.

Durata de viata a LED’urilor - O sursa LED care lucreaza in conditii ideale are o durata de viata foarte mare in raport cu toate celelalte tipuri de surse de lumina clasice. Tipic, majoritatea fabricantilor dau in jur de  50,000 de ore, cativa insa prezic si 100,000 de ore. Datorita faptului ca LED’ul in sine ofera aceasta posibilitate teoretica extrema, cea mai grea incercare tehnica in aceasta perioada este de a realiza in ‘viata reala” si a atinge din punct de vedere real, ceea ce din punct de vedere  teoretic este posibil.  Testarea unul LED in mod continuu 24/24 365+/an, adica  8,760ore de functionare, inseamna ca in realitate este  vorba de 11,5ani de testare pentru a avea date reale. Ceea ce pentru nivelul tehnologic actual si sub presiunea politica, de marketing si mediatica de a comercializa LED’ul face ca acest demers sa fie  imposibil sau foarte scump. Cativa fabricanti utilizeaza extrapolarea de 6:1  ceea ce inseamna ca pentru teste de  cca. 8000 de  ore se obtin date valabile pentru cca 48.000 de ore…..deci….Circa 50.000 de ore…sau 100.000?

Mentinerea fluxului  – Atat durata de viata cat si mentinerea in timp a  fluxului   emis depind de temperatura ambientala si de temperatura  de operare, ca si  de calitatea parametrilor sursei de alimentare. In acest moment se lucreaza la definirea unei metode standard pentru stabilirea duratei de viata la LED’uri. Draftul IEC62717 sugereaza doi parametrii: Viata Medie Utila (Lx)  si  Valoarea Caderilor Bruste (AFV). Valoarea Medie Utila inseamna timpul in care 50% dintr’un esantion de lampi pierd x% din fluxul  initial.  AFV  este procentajul de surse  LED sau corpuri LED de acelasi tip  care nu mai produc lumina dupa o anumita perioada de timp.  Sunt concepte noi si de acea nu sunt inca adoptate de toti fabricantii. Cea ce este insa important la alegerea unui LED esta ca durata de viata sa fie foarte bine explicitata in documentatia tehnica.  

Pachete LED Un pachet LED poate contine un singur LED sau mai multe, deci au diverse marimi, forme, si configuratii pentru a fi utilizate de fabricantii de corpuri de iluminat.

Unghiul de emisie (optica) Pachetul LED contine si protectia mecanica a cristalului de semi-conductor  si poate contine deasemenea si optica sistemului, adica cea care dicteaza modul in care este directionat fluxul luminos de la LED. De obicei sunt construite pentru distributii semi-sferice adica 180 de grade ( practic maximul atinge 160 de grade).  Directionarea luminii este insa mai usoara decat in cazul lampilor cu filament.  .

Module LED Un pachet LED trebuie sa mai aibe o serie de componente astfel incat sa poata functiona la puterea nominala si sa asigure disiparea caldurii. Poate fi nevoie ca un anumit numar de pachete LED sa fie puse impreuna pentru a se crea un Modul LED, care mai este denumit si Motor LED chiar daca nu este un termen uzitat in Standardul Internaional (IEC).   O alta componenta esentiala a Modulului MED  este existenta unei conexiuni pentru alimentare. Aceasta poate avea si rolul de a conduce caldura afara din jonctiunea p-n a cip’ului, deci un material care sa aibe o transmisie termica ridicata si conductivitate electrica foarte buna:  Ar fi vorba de  AUR?.....

Obtinerea de lumina difuza; Initial s-a urmarit dezvoltarea LED’urilor ca sursa de lumina punctuala, cu intensitati luminoase mari, pentru corpuri de iluminat cu flux  directionat.  Pe masura evolutiilor tehnologice a fost posibila crearea de surse de lumina mai mari prin utilizarea mai multor cip’uri LED si obtinerea de suprafete mai mari de emisie. Obtinerea de lumina mai difuza de la solutii multi-CIP s-a facut prin utilizarea de optica tip “novel” pentru reflexii si refactii interne.  Asa ca majoritatea LED’urilor utilizate in aplicatii generale sunt cele care combina LED;ul albastru si stratul de fosfor galben .

Utilizarea fosforului in producerea luminii albe LED De multi ani fosforul este utilizat la lampile fluorescente pentru obtinerea luminii albe. De-a lungul timpului s-a obtinut in timp o gama din ce in ce mai larga a spectrului luminii emise si o redare din ce in ce mai buna a culorilor.  Cu LED’urile, utilizarea fosforului este mai simpla, intrucat acesta produce lumina vizibila albastra  si cu o adaugare atenta de fosfor galben se poate obtine o lumina alba. Acesta este motivul pentru care majoritatea LED’urilor sunt galbene atunci cand sunt stinse.  Fosforul poate fi depus direct pe cip’ul de LED (pentru fabricantii bogati care isi permit asta…) sau pe o placa separata. Calitatea luminii albe depinde de calitatea fosforului, de consistenta stratului depus si de grosimea acestuia.  Acesti parametrii influenteaza eficacitatea luminoasa, de aceea LED’urile cu lumina alb-rece sunt mai eficiente decat cele cu lumina calda, la care grosimea stratului de fosfor trebuie sa fie mai mare, reducand fluxul luminos emis.

LED’uri cu placuta separata de fosfor : ca alternativa se pot utiliza placute cu depuneri de fosfor amplasate peste LED’urile albastre. Acest ansamblu produce o sursa de lumina mai putin orbitoare cu o mai buna redare a culorilor si o durata de viata mai mare. .Ansamblul este livrat si ca Modul LED si permite o oarecare standardizare, care poate facilita schimbarea modulului LED din corpul de iluminat.

Redarea culorilor pentru LED’uri albe  Lampile LED albe se pot obtine fie cu ajutoruil fosforului fie prin utilizarea in acelasi Modul a LED’urilor  rosii, verzi si albastre, la care se poate adauga galben sau “ambra”.  Distributia relativa spectrala a acestora este  diferita. Metoda curenta de lucru, CRI nu este insa adaptabila la absolut  toate tipurile de lampi  O recenta comunicare a CIE (Commission Internationale d’Eclairage)  (Ref: CIE 177:2007)  a concluzionat ca se cere o noua metoda de evaluare, mai ales pentru LED’ul alb destinat iluminatului general si care poate depasi in clipa de fata RA98..

Oare? …va exista o metoda acceptata de noii actorii din iluminat care va va convige ca vedeti cum nu vedeti…cred ca da…dar sa nu credeti ce vedeti….. macar un timp, pana ce …..!

Consistenta culorii  Variatii minore in procesul de fabricatie pot conduce la  lampi LED cu redare diferita a culorilor. De aceea CIP’urile LED trebuie TOATE testate, astfel incat  sa se poata defini care dintre ele vor fi utilizate in sisteme profesionale si care in sisteme comerciale. ( A se vedea Directiva UE 1194/2012).

 Nu va faceti probleme…. inca mult ani vor fi in piata “accesibila” cele care nu sunt testate…

Temperatura de Culoare.  LED’urile albe pot acoperi o gama larga de Temperaturi de culoare, de la cele calde ( mai scumpe..) la cele reci ( majoritatea). LED’urile la care stratul de fosfor este mai subtire si de calitate mai scazuta, produc lumina alb rece. Prin urmare sunt mai eficiente decat cele care produc lumina de calitate, cu aparenta alb calda ( asa cum ne-am obisnuit si crescut de mii de ani  la lumina focului din pestera, apoi la focul din vatra si la lampa cu gaz sau incandescenta). 

Sisteme de alimentare pentru LED’uri LED’ul este doar un component electronic care are nevoie de o sursa de alimentare care sa-i asgure o tensiune si un curent corespunzatoare caracteristicilor cerute. Marea majoritate a pachetelor sau Modulelor LED sunt alimentate in Curent Continuu la valori foarte mici ale tensiunii, dar sunt si unele care pot fi alimentate direct la sursa normala in CA.  Performantele si calitatea sursei de alimentare a LED’ului  reprezinta un factor foarte important in eficacitatea, marimea fluxului  luminos si pentru fiabilitatea in timp a sistemului.

Alimentarea surselor LED este adesea denumita “driver”. Pot alimenta unul sau cateva sute de LED’uri Este foarte importanta urmarirea valorii curentului in circuit pentru a se obtine performantele optime. Multe LED’uri sunt supra- alimentate pentru a li se mari fluxul  aparent in detrimentul scaderii de fapt a eficacitatii luminoase a sistemului. De aceea in cele mai multe cazuri in situatia reala, este recomandata o dimare a fluxului  pentru a se obtine eficacitati luminoase mai bune.

Alte aspecte tehnice

Orientare
LED’urile pot fi utilizate in orice sistem de orientare intrucat sunt componente solide, nu au parti in miscare si ….pentru ecologisti…nu au gaze de umplere: daca acest aspect va pute fi  vreodata inteles   in timpul incalzirii globale..

Timp de pornire  LEDul porneste instantaneu la parametrii nominali de functionare sau la un nivel predeterminat de sistemul de control. Nu are nevoie de perioada de incalzire si nu este nevoie sa porneasca la 100% inainte de a fi dimat.

Repornire Nu sunt nici un fel de restrictii pentru pornire si repornire, LED’ul poate fi pornit, oprit si pornit din nou si ajunge instantaneu la valorile nominale.

Fluctuatii ale tensiunii de alimentare: Fluctuatiile tensiunii de alimentare din retea vor afecta doar aparatajul de alimentare si nu LED’ul. Driverele de calitate sunt realizate astfel incat protejeaza LED’ul impotriva fluctuatiilor sau al varfurilor de tensiune sau curent. Nu toate driverele sunt insa de calitate…

Disiparea caldurii in LED’uri  Mentinerea unei temperaturi rezonabile de functionare  in jonctiune “Tj” este un factor important de performanta si de durata de viata pentru LED. Caldura trebuie extrasa din LED cat mai rapid si eficient posibil si aceasta se traduce prin gasirea unei modalitati, a unei cai de transmitere de la jonctiune, prin corpul de iluminat catre mediul inconjurator.  Acesta este motivul pentru care majoritatea Corpurilor de iluminat cu LED sunt prevazute cu radiatoare  , ca si cu instructiuni precise in ceea ce priveste cerintele de temperature ambientala. Fara aceste readiatoare de caldura (mai ales in situatia in care se inlocuiesc alte surse cu surse LED in corpuri inchise), durata de viata poate fi semnificativ mai mica.

Sisteme de control LED


LED’urile sunt foarte potrivite pentru sisteme de control deoarece pornesc instantaneu si fluxul luminos  poate fi variat continuu de la 0%  la 100% . Nici numarul aprinderilor / stingerilor si nici dimarea repetata nu au efecte negative asupra duratei de viata aceasta demonstrand ca sunt foarte potrivite pentru sisteme de control cu circuite de comanda. Dimarea si pornirea/ oprirea repetata, pot avea insa consecinte negative asupra driverului, in functie de calitatea acestuia.

Dimare
Se utilizeaza tehnici diferite de dimare pentru LED’urile cu driver integrat care inlocuiesc o lampa clasica intr-un circuit de 230V  sau daca este vorba despre un corp de iluminat echipat cu LED si driver separat.  O lampa cu aparataj integrat LED conectata direct la sursa nu poate fi dimata decat daca se lucreaza asupra sursei de alimentare utilizand fie micsorarea tensiunii de alimentare fie dimarea sinusoidelor. Un  corp de iluminat care are un aparataj de control, driver, poate fi dimat electronic  fie prin reducerea constanta a curentului fie prin modularea cu impuls (PWM).

Controlul lampilor LED Atunci cand o lampa conventionala, la 230V  ca este inlocuita cu un LED  intr-un fasung existent, optiunile de control sunt limitate si nu totdeauna posibile. Compatibilitatea intre echipamentul existent si lampa LED trebuie verificata inainte de a se achiizitiona LED’urile, mai ales in situatia inlocuirii  mai multor lampi de o data. In general fabricantii de LED trebuie sa specifice sub ce forma si cu ce apartaj se poate face acest lucru. In cele mai multe dintre situatii apar stingeri sau aprinderi necontrolate,.

Controlul corpurilor de iluminat echipate cu LED Cand se inlocuieste un corp de iluminat vechi cu unul nou este indicata  si schimbarea dispozitivului de reglaj.  Un corp nou de iluminat cu LED, are un driver care poate fi doar stingere/ aprindere sau dimabil in totalitate, caz in care dispozitivul de control si comanda poate fi analog sau digital. Acest lucru ar trebui sa fie indicat pe driver.

Comenzile de control si/ sau dimare Un echipament de control trebuie sa permita unul dintre  urmatoarele moduri de lucru:  1-10V cc, DALI, semnale DSI sau  DMX; unele pot oferi chiar trei optiuni de control.  Sunt optiuni de control care pot fi direct coneclate la o retea locala (LAN) si capabila sa raspunda la comenzi tip instructiuni  TCP/IP.  Acesta este cazul sistemelor  ‘Power over Ethernet’ sau al celor de control  wi-fi.  Oricare ar fi protocolul de comanda , driverul poate raspunde intre 0% - 100%. Se poate si Li –fi…si Lighting fidelity se pare ca va insemna un pas uruas catre comunicare.

Operatia de dimare: Fluxul  emis de LED este in functie de curentul care este trimis prin jonctiune. Este de acea posibila dimarea acestora prin reducerea curentului. Totusi la majoritatea LED’urilor se vor produce modificari ale aparentei de culoare a luminii la scaderea curentului. Este modalitatea analogica de dimare a LED’urilor.  O metoda alternativa este de a utiliza modularea cu impuls (PWM), in care practic LED’ul este stins si aprins foarte rapid  Marimea ciclului Pornit/Oprit  impune marimea stralucirii LED’ului . Pentru a se evita efectul de flicker – fie ca este vizibil sau nu- frecventa impulsurilor  PWM  trebuie sa fie peste 3000Hz.  Beneficiul utilizarii tehnologiei PWM  este ca se pastreaza aparenta de culoare si LED’ul este virtual dimat liniar si continuu. .

Flicker La frecventa normala de  50Hz, daca driverul nu este de calitate si nu asigura aplatizarea sinusoidei poate fi sesizat fie un efect stroboscopic fie perceput un effect de flicker.

Avantaje
LED’ul incepe sa se dovedeasca  o sursa de lumina versatila, si foarte  eficienta oferind o serie de avantaje importante:

  • Durate foarte mari de viata,

  • Pornire si repornire instantanee,

  • Robusta din punct de vedere fizic si rezistenta la socuri, atat in fabricatie cat si in utilizare,

  • Gama larga de culori, redare buna a culorilor,  Lumina alba de foarte buna calitatate

  • Usurinta in control; stingerile/ aprinderile repetate nu au impact asupra duratei de viata,

  • Sursa compacta permite echipamente optice de eficienta mare, cu pierderi minime prin refractie sau reflexii repetate.

  • Fara radiatii UV sau IR.

De la forma initiala a unei singure diode (cip) sub forma unei surse punctuale potrivita pentru lumina directionala,  LED’ul a evoluat rapid  catre iluminat  arhitectural, efecte de culori, trecand acum la o gama mult mai mare de aplicatii, adresandu-se catre toate sistemele din iluminat acoperite de sursele convetionale.  Principala bariera pentru adoptarea mai larga a LED’ului o constituie in momentul de fata costul actual al corpurilor de iluminat echipate cu LED fata de solutiile traditionale.

Dezavantaje
In afara de cost, sunt foarte putine dezavantaje ale utilizarii surselor LED.  Intensitatea luminoasa a LED’urilor de puteri mari poate fi suparatoare, orbitoare, insa cu un sistem optic adecvat  acest inconvenient poate fi inlaturat. Utilizarea LED’urilor in spatii cu temperatura ridicata poate constitui  o problema fara masuri adecvate de eliminare a caldurii..

Standarde si publicatii specifice O serie de standarde, recomandari si publicatii sunt comune surselor LED si celor conventionale. Sunt insa cerinte specifice pentru sursele LED atat in ceea ce priveste Siguranta cat si Performanta,  emise sau in lucru;

Standarde de Siguranta: EN62560, EN62838, EN62663-1; EN62766, EN62931; EN62031; EN60838-2-2; EN61347-1 EN61347-2-13; EN60598-1; EN60598-2-xx, EN62868

Standarde de Performanta: EN62612, EN62717, EN62384; EN62722-1, EN62722-2-1, EN62922  

WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment Directiva) si RoHS LED’urile sunt componente electronice  care fac subiectul legislatiei privind substantele periculoase si recuperarii. Directiva CE2012/19/EU asupra WEEEsi Directiva RoHS 2002/95/EC, au devenit Legi Europene in Februarie 2003. Directiva WEEE stabileste tintele de colectare si reciclare pentru toate tipurile de bunuri electrice. Directiva RoHS se adreseaza fabricantilor Europeni si stabileste limitele maxime admise de utilizare in fabricatia noilor echipamente electrice pentru o serie de materiale periculoase.

Teoretic ne aflam in fata unei provocari care tehnologic arata bine pentru domeniul iluminatului. Practic, modul in care  toate aceste aspecte sunt fizic prezente in ceea ce se comercializeaza in momentul de fata lasa enorm de dorit. Si principalii actori nu sunt de loc straini de acest lucru, iar cei noi nu considera ca toate aceste aspecte prezinta importanta pentru ca nu au bagaj ethnic si nici nu ii interesaza.

In masura in care vom putea, vom reveni intr-unul din viitoarele numere cu  realitatea dura asupra a ceea ce de fapt se intampla in lumea reala a aplicatiilor de iluminat. Din pacate pentru acest moment, comertul lipsit de oameni cu pregatire tehnica, marketingul adoptat dupa modelul asiatic, politica “pafarista tehnic” sau ecologia prost inteleasa , converg de fapt catre impingerea in piata de iluminat a foarte multor “gunoaie electronice”.

Autor:

D ing Cornel Sfetcu

2016.06.15

Abonare NewsLetter