Studiu de Caz al Sistemelor de Iluminat cu Led Uri

Studiu de caz al sistemelor de iluminat cu LED-uri

Argumente generale:

Atat alegerea cat si realizarea acestei teme de licenta are ca scop principal exemplificarea posibilitatilor de reducere a consumului de energie electrica, prin utilizarea schemelor si dispozitivelor de iluminat bazate pe LED-uri (Light Emitting Diod (diode emitatoare de lumina)). LED-urile prezinta o multitudine de avantaje, acestea fiind detaliate pe parcursul lucrarii. Printre avantaje se numara proiectia de lumina rece, costul scazut al intretinerii dispozitivelor, durata de viata care este sensibil mai lunga decat cea a dispozitivelor conventionale, folosite in prezent.

Criza energetica, care rezida din scaderea resurselor naturale a determinat gasirea unor masuri alternative comode si eficiente pentru iluminatul conventional. In acest context, schema de iluminat care ofera cel mai redus consum de energie este in mod cert cea bazata pe LED-uri, acestea avand si o durata de viata mult mai lunga.

Diodele LED ajuta la realizarea unor varietati de lumina cu diferite spectre de emisie. Ca o modalitate tehnica prin care acest lucru poate fi produs se numara aceea ca lumina reflectata poate fi redirectionata afara. O alta modalitate consta in utilizarea unui LED de lumina alba care se foloseste de un LED albastru si elementele asociate acestuia, care includ: o prisma din sticla, un strat de polimer flourescent si un element optic de marire a extractiei, sau o lentila, astfel incat intreaga lumina emisa de catre stratul de polimer sa fie redirectionata in afara.

Propagarea si perceperea luminii

Lumina este un fenomen care ajuta omul sa poata observa obiectele si culorile din mediul inconjurator. Astfel putem spune cu certitudine ca lumina este responsabila pentru simtul vazului. Ea reprezinta o unda electromagnetica perceputa de ochiul uman. Aceasta unda electromagnetica este definita de o multime de parametrii insa cei mai importanti sunt intensitatea, modul de propagare, frecventa si lungimea de unda.

Thomas Alva Edison este cel care a inventat becul cu filament. Edison a fost primul care a folosit o unda electromagnetica la frecventa joasa pentru a produce o alta unda electromagnetica de frecventa foarte mare (lumina). Radiatia electromagnetica este denumirea unei unde electromagnetice propagata de la o sursa printr-un mediu oarecare catre un observator. O marime de baza a radiatiei electromagnetice este lungimea de unda ce se defineste ca raportul dintre viteza de propagare printr-un mediu cunoscut si frecventa de oscilatie pe unitatea de timp.

In figura de mai sus se observa ca doar o mica parte a radiatiei electromagnetice poate fi sesizata de ochiul uman iar lungimea de unda si frecventa in care se incadreaza sunt cuprinse intre 380 si 740 de nanometri respectiv 405000 si 790000 GHz.

Radiatia electromagnetica provenita de la soare (lumina alba) poate fi descompusa prin refractie in fascicule de lumina de culori diferite (rosu, oranj, galben, verde, albastru si indigo) asa cum se observa in imaginea de mai jos.

Figura de mai jos arata sensibilitatea ochiului in functie de culori:

Aceasta curba ne arata ca ochiul uman este cel mai sensibil la partea verde a spectrului, la o lungime de unda de 550 de nanometri. Deasemenea putem observa ca ochiul este mai putin sensibil la cele doua capele ale curbei. Acest spectru este folositor pentru masurarea Lumen. Spre exemplu: se considera doua surse de lumina, ambele cu 1 W de flux radiant si o sursa emitatoare de lumina verde la 555 nm si un alt emitator albastru la 480 nm. Asa cum arata si curba, lumina verde pare mai deschisa decat cea albastra chiar si cand energia totala a celor doua lumini este aceeasi. Lumina albastra la o lungime de unda de 480 nm va avea 68 de lumeni pe cand cea verde la 555 nm va masura 683 de lumeni.

Unitati de masurare a luminii:

Masurarea luminii se poate face pe doua cai:

-Cale Radiometrica

-Cale Fotometrica

Calea Radiometrica se ocupa cu masurarea puterii luminii la orice lungime de unda. Calea Fotometrica se ocupa cu lungimea de unda a luminii. Fotometria este importanta pentru a masura iluminarea.

Marimile si unitarile de masura prin cai radiometrice:

Marimile si unitatile de masura prin cai fotometrice:

Masurarea luminii depinde de caracteristica luminii pe care vrem s-o masuram. Variatiile de caracteristici ale luminii sunt:

Intensitatea luminii

Viteza luminii

Fluxul

Intensitatea luminoasa

Eficienta luminoasa etc.

Multe unitati sunt definite pentru masurarea luminii. Spre exemplu candela, lumenul, luxul si multe altele. Daca suntem interesati sa masuram intensitatea luminoasa atunci se foloseste unitatea de masura numita Candela.

Piciorul candelei este suma luminilor incidente pe o suprafata de un 1/3 metri patrati ai unui obiect aflat la 1/3 metri distanta de sursa luminii.

Sfarsitul piciorului candelei este folosit pentru a masura raza de lumina concentrata. Este raza de lumina concetrata masurata intre doua puncte separate la o distanta de 1/3 metri.

Lumen-ul este unitatea de masura pentru fluxul luminos. Este marimea luminii totale care iese dintr-un bec. Sfarsitul lumen-ului este bazat pe masurarea punctului de lumina. Sfarsitul de lumen este marimea luminii dintre doua puncte aflate la o distanta de 1/3 metri unul fata de celalalt.

Lux-ul este o marime a iluminantei suprafetei unui obiect.Intensitatea luminii masurata pe o suprafata plana la o pozitie cunoscuta este numita iluminanta. 1 Lux=1 lumen/m^2.

Fluxul luminos esre un termen informal pentru a descrie cantitatea de lumina produsa de o sursa si cum este lumina distribuita. Fotometria este un termen formal care descrie cantitatea si distributia luminii de o sursa. Un lumen este o unitate de masura pentru a calcula lumina totala emisa de o sursa. Fluxul luminos este diferit fata de fluxul radiant.

Puterea si intensitatea luminii

Unitatea de masura in sistemul international a puterii este Watt-ul. Puterea luminii reprezinta de fapt intensitatea unei surse de lumina, astfel Watt-ul este cea mai buna unitate de masura in ceea ce priveste calculul intensitatii luminii.Pentru a nu fi facute confuzii intre putere si energie trebuie precizat ca acestea sunt diferite. Energia reprezinta puterea inmultita cu timpul. Cu cat energia transmisa este mai mare cu atat putem spune ca sursa de lumina este functionala pe o perioada mai lunga de timp. Detectorii de lumina convertesc puterea luminii in putere electrica si sunt independenti de energie.

Intensitatea luminoasa este o marime a lungimii de unda ponderata a puterii emisa de o sursa de lumina intr-o anumita directie pe unitate de unghi.

Candela este definita ca intensitatea luminoasa in directia normalei a unei suprafete de 1/600000 de metri patrati a unui corp negru care functioneaza la temperaturi de solidificare a platinei (2042k) si la presiune de 101,325 N/m^2.

II. Continutul lucrarii:

2. Leduri – surse de lumina

2.1. LED-uri (light emitting diode)-diodele emitatoare de lumina

In ceea ce priveste iluminarea exista o multitudine de surse de lumina care se pot utiliza. Aceasta lucrare se axeaza pe LED-uri.

Ledul este o dioda semiconductoare ce emite lumina la polarizarea directa a jonctiunii p-n. Cand o tensiune adecvata este aplicata la capete, electronii sunt capabili sa se recombine cu gaurile de electroni din interiorul dispozitivului, eliberand energie sub forma de fotoni. Acest efect se numeste electroluminescenta si culoarea luminii este determinata de banda semiconductoare de energie. Ledul permite modelarea formei radiatiei luminoase si de cele mai multe ori este insotit de un circuit electric. In mod normal ele ajuta si sunt utilizate ca indicatori in cadrul dispozitivelor electronice pentru a semnala anumite caracteristici, insa au inceput sa fie utilizate in ultimul timp si in domeniul aplicatiilor de putere ca surse de iluminare.

Ledurile infrarosii sunt inca frecvent folosite ca elemente de transmitere in circuite de control la distanta, cum sunt cele din telecomenzi. Primele leduri cu lumina vizibila erau deasemenea de intensitate scazuta si erau limitate doar la culoarea rosie. LED-urile moderne sunt disponibile in lungimi de unda pentru spectrul vizibil, infrarosu si ultraviolet, cu o luminozitate foarte mare.

LED-urile timpurii au fost deseori folosite ca lampi indicatoare ale dispozitivelor electronice, inlocuind becurile incandescente mici.

Evolutiile recente in ceea ce priveste LED-urile permit ca acestea sa fie utilizate in iluminatul mediului inconjurator. LED-urile au multe avantaje fata de sursele de lumina incandescente inclusiv consumul mic de energie, durata mai lunga de viata, dimensiuni mai mici si comutare mai rapida. Diodele emitatoare de lumina sunt acum folosite in diverse aplicatii precum iluminatul avioanelor, faruri auto, publicitate, iluminatul general, semnale stradale si blitzul de la camera de fotografiat. Cu toate acestea, LED-urile suficient de puternice pentru a ilumina o camera sunt inca relativ scumpe si necesita curent si caldura mai precisa decat sursele compacte cu lampi fluorescente.

2.2. Scurt istoric

2.2.1. Descoperiri si dispozitive timpurii:

Electroluminescenta ca fenomen a fost descoperita in anul1907 de catre experimentatorul britanic H.J.Round care a folosit un cristal si un detector tip cat’s-whisker (mustati de pisica). Inventatorul sovietic Oleg Losev a raportat crearea primului LED in anul 1927. Cercetarea sa a fost distribuita in reviste stiintifice din Rusia, Germania si Marea Britanie insa nu au fost descoperite foloase practice pentru mai bine de doua decenii.

Primul LED cu spectru vizibil (rosu) a fost dezvoltat in anul 1962 de catre Nick Holonyak. In anul 1976 T.P.Pearsall a creat primele LED-uri de inalta luminozitate si inalta eficienta pentru telecomunicatii cu fibre optice inventat noi materiale semiconductoare adaptate lungimii de unda transmisa prin fibra optica.

2.2.2. Dezvoltarea comerciala initiala:

Primele LED-uri comerciale au fost utilizate ca inlocuitori pentru lampile incandescente si cele cu neon apoi in echipamente scumpe cum ar fi echipamentele de laborator si dispozitive de testare, ca mai tarziu sa fie folosite in aparate cum ar fi televizoare, aparate radio, telefoane calculatoare chiar si ceasuri.

2.2.3. LED-ul albastru si alb:

Primul LED albastru de mare luminozitate a fost demonstrat de Shuji Nakamura care lucra la corporatia Nichia in 1994 si a fost bazat pe urmatoarele elemente chimice : InGaN. Existenta LED-urilor albastre si celor cu eficienta crescuta a dus rapid la dezvoltarea primului LED alb Y3Al5O12 sau „YAG”.

2.3. Functionare

O joncțiune P-N poate conecta energia luminii absorbite în curentul electric proportional al acesteia. Același proces este inversat aici, adică joncțiunea PN emite lumina atunci cand energia este aplicata. Acest fenomen este numit electro-iluminanta, care poate fi definita ca emisia de lumină dintr-un semiconductor sub influența unui câmp electric. Purtătorii de sarcină se recombina într-o joncțiune anterioara P-N astfel ca electronii trec din regiunea N și se recombina cu orificiile existente in regiunea P. Electronii liberi sunt în banda de conducție a nivelului de energie, în timp ce golurile sunt în banda de valență. Astfel nivelul de energie al golurilor va fi mai mic decât nivelul de energie ale electronilor. O parte din energie trebuie disipată pentru a recombina cu electronii și golurile. Aceasta energie este emisă sub formă de căldură și lumină.

Electronii disipa energia sub formă de căldură pentru diode de siliciu și germaniu. Dar în semiconductori Galiu- Arseniu-fosfor (GaAsP) și galiu-fosfor (GAP), electronii disipa energie prin emiterea de fotoni. Dacă semiconductorul este translucid, nodul devine sursa de lumină cum este emis, devenind astfel o diodă emițătoare de lumină (LED). Dar atunci când joncțiunea este polarizată invers nici o lumină nu va fi produsa de LED si, dispozitivul poate fi deteriorat.

Mecanismele interne ale unui LED, care arata circuitul electric in partea de sus si banda de transmisie in partea de jos

2.4. Tehnologie

2.4.1. Fizica

LED-ul este format dintr-un cip de material semiconductor dopat cu impurități pentru a crea o joncțiune p-n. Ca și în alte diode, curentul trece cu ușurință din latura p, sau anod, in latura n, sau catod, dar nu și în sens invers. Atunci când un electron întâlnește un gol, cade într-un nivel de energie mai mic și eliberează energie sub forma unui foton.

Lungimea de undă a luminii emise, și astfel culoarea, depinde de energia benzii interzise a materialelor care formează joncțiunea pn. În diodele de siliciu sau germaniu, electronii și gaurile se recombina de obicei printr-o tranziție fără radiatie, care nu produce emisie optica. Materialele folosite pentru LED au un decalaj fata de banda directă cu energiile corespunzătoare luminii aproape infrarosie, vizibila, sau aproape ultravioleta.

Dezvoltarea LED-urilor a început cu dispozitive infraroșii și roșii realizate cu arseniură de galiu. Progresele in stiinta materialelor au permis realizarea de dispozitive cu lungimi de undă mai scurte, care emit lumină într-o varietate de culori.

LED-urile sunt de obicei construite pe un substrat de tip n, cu un electrod atașat la stratul de tip p dispus pe suprafața sa. Substraturile de tip P,desi sunt mai puțin frecvente apar si ele. Multe LED-uri comerciale, în special GaN / InGaN, utilizeaza de asemenea substrat de safir.

Cele mai multe materiale folosite pentru producerea LED-urilor au indici de refracție foarte mari. Acest lucru înseamnă că o mare parte din lumina va fi reflectată înapoi în material la interfața suprafatei de material / aer.

Diagrama I-V pentru o diodă. Un LED va începe să emită lumină atunci când mai mult de 2 sau 3 volți se aplică acestuia. Unele sisteme externe trebuie să controleze curentul prin LED petru a preveni distrugerea acestuia prin supraîncălzire.

2.4.2. Indicele de refractie

Semiconductorele neacoperite, cum ar fi cele de siliciu prezintă un index foarte mare de refracție in raport cu aerul, care impiedica trecerea de fotoni sositi la unghiuri ascuțite în raport cu suprafața de contact a semiconductoarelor. Această proprietate afectează atât eficiența emisiilor de lumina a LED-ului, precum și eficiența de absorbție a luminii de celulele fotovoltaice. Indicele de refracție al siliciu este 3,96 (590 nm), în timp ce al aerului este 1.0002926.

În general, o suprafata plana neacoperita a un cip semiconductor LED, va emite lumină doar perpendicular pe suprafața semiconductoare, si câteva grade in parti, într-o formă de con numita conul de lumina sau evacuare tip con. Unghiul maxim de incidență este menționat ca unghiul critic. Când acest unghi este depășită, fotoni nu mai scăpa din semiconductor ci sunt reflectati în interiorul cristalului semiconductor la fel ca la o oglindă.

Reflexiile interne pot scăpa prin alte fețe cristaline, dacă unghiul de incidență este suficient de scăzut, iar cristal este suficient de transparent pentru a nu re-absorbi emisia de fotoni. Dar pentru un simplu LED cu suprafete inclinate la 90 de grade pe toate laturile, fețele tuturor acționează ca unghiuri egale in oglinda. În acest caz, cea mai mare parte a luminii nu poate scăpa și se pierde sub formă de caldura în cristal.

Forma ideala a unui semiconductor cu o putere maximă de lumina ar fi o microsfera cu emisie de fotoni care apar exact la centru, cu electrozi ce penetrează la centrul de contact al punctului de emisie. Toate razele de lumină care provin de la centru ar fi perpendiculare pe întreaga suprafață a sferei, care rezultă în reflexii interne inexistente.

Exemplu ideal de conuri emitatoare de lumina pentru un singur punct al zonei de emisie. Lumina este emisa in mod egal din toate directiile punctului sursa, astfel incat zonele dintre conuri arata

2.4.3. Acoperiri de tranzitie

După dopajului plachetei, se taie în matrițe individuale. Fiecare matrita este numita de regula un cip.

Multe cipuri semiconductoare LED sunt încapsulate sau turnate în cochilii de plastic clare sau colorate. Carcasa de plastic are trei scopuri:

Montarea cipului semiconductor în dispozitive este mai ușor de realizat.

Cablajul electric fragil si mic, este sprijinit fizic și protejat de avarii.

Plasticul actioneaza ca un intermediar al refracției dintre semiconductorul cu indice relativ mare și indicele scăzut din aerul liber.

A treia caracteristică ajută la stimularea emisiei de lumină de la semiconductor, acționând ca un obiectiv de difuzie, permițând luminii să fie emisa la un unghi mult mai mare de incidență din conul de lumină.

Conurile de emisie de lumină sunt mult mai complexe decât un singur emitator de lumină. Fiecare atom peste acest plan are un set individual de conuri de emisii. Desenarea miliardelor de conuri suprapuse este imposibila, asa ca imaginea de mai sus este o diagramă simplificată care arată extensii ale tuturor conuri de emisie combinate. Conurile laterale mari sunt tăiate pentru a arăta caracteristicile interioare si pentru reduce complexitatea imaginii;

2.4.4. Eficienta si parametrii de functionare:

LED-urile indicatoare specifice sunt proiectate pentru a funcționa cu nu mai mult de 30-60 mW (MW) de energie electrică. În preajma anului 1999, Philips Lumileds a introdus LED-urile de putere capabile de utilizare continuă la un watt. Aceste LED-uri au folosit semiconductoare de dimensiuni mult mai mari pentru a se ocupa de intrările de mare putere.

Unul dintre avantajele cheie ale surselor de iluminat cu LED-uri este eficacitatea luminoasă ridicată. LED-urile albe s-au potrivit rapid și au preluat eficacitatea sistemelor standard de iluminat. În 2002, Lumileds au făcut disponibile LED-uri de cinci wați cu o eficacitate luminoasă de 18-22 lumeni per watt (lm / W). Comparativ, un bec incandescent convențional de 60-100 wați emite aproximativ 15 lm / W, iar luminile fluorescente standard emit până la 100 lm / W.

Începând cu anul 2012, catalogul Lumiled pronunță urmatoarele ca fiind cele mai eficiente pentru fiecare culoare. Valoarea watt-per-watt este derivata utilizând funcția de luminozitate.

În septembrie 2003, un nou tip de LED albastru a fost demonstrat de compania Cree pentru a oferi 24 mW la 20 miliamperi (mA). Acest lucru a produs o lumină albă care oferea 65 lm / W la 20 mA, astfel devenind cel mai stralucitor LED de culoare alba disponibil comercial, și de patru ori mai eficient decat becurile incandescente. În 2006, ei au demonstrat un prototip cu o eficacitate luminoasă record de 131 lm / W la 20 mA. Nichia Corporation a dezvoltat un LED alb cu o eficacitate luminoasă de 150 lm / W, la un curent de 20 mA. LED-urile companiei Cree: XLamp XM-L , disponibile comercial din 2011, produc 100 lm / W la putere maxima de 10 W , și până la 160 lm / W la putere de intrare de aproximativ 2 W.

2.4.5. Slabirea eficientei

Slabirea eficientei este scaderea (cu pana la 20%) a eficacitatii luminoase a LED-urilor pe masura ce curentul electric creste peste valoarea zecilor de miliamperi (mA).

2.4.6. Solutii posibile

În loc de creșterea nivelurilor de curent, luminanță este de obicei modificata prin combinarea mai multor LED-uri într-un singur bec. Rezolvarea problemei de slabire a eficienței ar însemna că becurile de uz casnic cu LED-uri ar folosi mai putine LED-uri, care ar reduce semnificativ costurile.

2.4.7. Durata de viata si avarie

Dispozitive semiconductoare, cum ar fi LED-urile sunt supuse unei uzuri foarte limitate dacă funcționează la curenți mici și la temperaturi scăzute. Multe dintre LED-urile făcute în anii 1970 și 1980 sunt încă functionale la începutul secolului 21. Viețile tipice pentru astfel de LED-uri sunt 25.000 la 100.000 de ore, dar setările de căldură și curentii pot extinde sau scurta acest timp semnificativ.

Cel mai comun simptom al avariei unui LED (diodă laser) este scăderea producției de lumină și pierderea de eficiență progresivă.

Performanta LED-urilor este dependentă de temperatură. Ratingurile publicate de majoritatea producătorilor de LED-uri sunt pentru o temperatură de funcționare de 25 ° C (77 ° F).

Intensitatea luminoasa a unui LED creste la temperaturi mai scăzute, stabilizându-se, în funcție de tip, în jurul temperaturii de -30 ° C (-22 ° F). Astfel, tehnologia LED poate fi un bun înlocuitor în utilizări cum ar fi iluminatul congelatoarelor de la supermarketuri deoarece va dura mai mult decât alte tehnologii.

2.5. Culori si materiale

LED-urile convenționale sunt realizate dintr-o varietate de materiale semiconductoare anorganice. Tabelul de mai jos prezintă culorile disponibile cu lungimea de undă, căderea de tensiune și materiale:

2.5.1. RGB sau RVA (romana)

LED-urile RGB sunt formate din trei LED-uri. Fiecare LED este de fapt unul roșu, unul verde si unul albastru deschis. Aceste trei LED-uri colorate sunt capabile sa produca orice culoare.

2.5.2. LED-uri albastre si ultraviolete

LED-uri albastre se bazează pe banda larga între semiconductori GaN (nitrură de galiu) și InGaN (indiu galiu nitrură). Ele pot fi adăugate cu LED-uri roșii și verzi pentru a produce impresia de lumină albă. Module ce combină cele trei culori sunt folosite în ecrane video mari și în programe reglabile ale culorilor.

Cu nitrati ce conțin aluminiu, de cele mai multe ori AlGaN și AlGaInN, pot fi realizate lungimi de unda chiar mai scurte. LED-urile ultraviolete într-o gamă de lungimi de undă devin disponibile pe piață. Emițătoare de UV cu lungimi de undă în jur de 375-395 nm sunt deja ieftine si deseori întâlnite. Diodele ce au lungimea de undă mai scurtă, în timp ce sunt în mod substanțial mai scumpe, sunt disponibile comercial pentru lungimi de undă care se derulează la 240 nm. Asa cum fotosensibilitatea microorganismelor corespunde aproximativ cu spectrul de absorbție al ADN-ului, cu un vârf aproximativ de 260 nm, LED-uri emitatoare de UV la 250 270 nm sunt de așteptat în dispozitive de dezinfecție și sterilizare. Cercetarile recente au aratat ca LED-urile UVA disponibile comercial (365 nm) sunt dispozitive deja eficiente de dezinfecție și sterilizare.

Lungimi mari de undă UltraVioleta au fost obținute în laboratoare prin nitrură de aluminiu (210 nm), nitrură de bor (215 nm) și diamant (235 nm).

2.5.3. Lumina alba

Există două moduri principale de a produce diode emițătoare de lumină albă (WLEDs), LED-uri care generează lumină albă de mare intensitate.O modalitate este de a folosi LED-uri individuale care emit cele trei culori primare -roșu, verde și albastru și apoi sa amestece toate culorile, pentru a forma lumina alba. Celălalt mod este de a folosi un material din fosfor pentru a converti lumina monocromatică de la un LED albastru sau unul UV intr-una albă cu spectru larg.

Există trei metode principale de amestecare a culorilor pentru a produce lumină albă de la un LED:

LED albastru + LED verde + LED roșu

LED UV+ fosfor

LED albastru + fosfor galben (două culori complementare ce se combina pentru a forma o lumină albă; o metoda amai eficient decât primele două și mai frecvent utilizata)

2.5.4. Sisteme RGB

Lumina alba pot fi formata prin amestecarea diferitelor lumini colorate; cea mai comună metodă este de a folosi roșu, verde și albastru (RGB). De aceea metoda se numește LED-uri albe multicolore. Deoarece acestea au nevoie de circuite electronice pentru a controla amestecul și difuzia de diferite culori, chiar dacă sunt făcute ca o singură unitate, acestea sunt rareori folosite pentru a produce iluminare alba. Cu toate acestea, metoda este deosebit de interesantă în multe utilizări, din cauza flexibilității de amestecare diferitelor culori, și, în principiu, acest mecanism are de asemenea eficienta cuantica mai mare în producerea de lumină albă.

Există mai multe tipuri de LED-uri multicolore albe: LED-uri di-, tri-, si tetra-cromatice albe. Mai mulți factori cheie intre aceste metode diferite, includ stabilitatea culorii, capacitatea de redare a culorilor și eficiența luminoasă. LED-uri albe tricromatice eficacitate luminoasă buna (> 70 lm / W) și capacitatea de redare a culorilor echitabila.

Curbele spectrale combinate pentru LED-uri de culoare albastra, galben-verde, și roșie de înaltă luminozitate cu semiconductori solid-state. Lățimea benzii spectrale (FWHM) este de aproximativ 24-27 nm pentru toate cele trei culori.

Una dintre provocări este dezvoltarea de LED-uri verzi mai eficiente. Maxima teoretică ale LED-urilor verzi este 683 lumeni per watt, dar din 2010 putine LED-uri verzi depasesc 100 de lumeni per watt. LED-urile albastre și roșii se apropie de limitele lor teoretice.

LED-urile multi-colore ofera nu doar un alt mijloc pentru a forma lumina alba, ci si un nou mijloc de a forma lumina de diferite culori. Majoritatea culorilor perceptibile pot fi formate prin amestecarea diferitelor cantități de trei culori primare. Acest lucru permite un control precis al culoarii dinamice. Odata cu efortul crescut dedicat investigarii aceastei metode, LED-urile multicolore ar trebui să aibă o influență profundă asupra metodei fundamentale pe care o folosim pentru a produce și a controla culoarea luminii. Totuși, înainte ca acest tip de LED sa poata juca un rol pe piață, mai multe probleme tehnice trebuie rezolvate. Astfel de probleme inhiba și pot împiedica utilizarea industriala.

Led RGB

2.5.5. LED-uri pe baza de fosfor

Această metodă foloseste LED-uri de acoperire de o culoare (de obicei LED-uri albastre din InGaN) cu fosfor de diferite culori pentru a forma lumina alba; LED-urile rezultate sunt numite LED-uri albe pe bază de fosfor. În funcție de culoarea originala a LED-ului, poate fi utilizat fosfor de diferite culori. Dacă sunt aplicate mai multe straturi de fosfor de culori distincte, spectrul emis este lărgit, crescand în mod eficient indicele de redare a culorii (CRI).

Pierderile de eficiență ale LED-urilor bazate pe fosfor se datorează pierderii de căldură de la trecerea Stokes (diferenta dintre pozitiile de banda maxima de absorbtie si cea a spectrului emis in cazul aceleiasi transmisii electronice). Eficacitatea luminoasa in comparatie cu LED-urile normale depinde de distribuția spectrală a fluxului luminos rezultant și lungimea de undă originală a LED-ului in cauza. De exemplu, eficacitatea luminoasă a unui LED alb bazat pe fosfor galben, variază 3-5 ori fata de eficacitatea luminoasă a unui LED albastru, din cauza sensibilitatii crescute a ochiului uman in ceea ce priveste culoarea galbena. Datorită simplității de fabricare a metodei cu fosfor este în continuare cea mai populara pentru a creea LED-uri albe de inalta intensitate. Proiectarea și producerea unei surse de lumină sau unui corp de iluminat cu ajutorul unui emițător monocromatic cu conversie de fosfor este mai simpla și mai ieftina decât un sistem RGB complex, iar majoritatea LED-urilor albe de mare intensitate în prezent pe piață sunt fabricate folosind conversia luminii fosforice.

Printre provocările cu care ne confruntăm pentru a îmbunătăți eficiența surselor de lumină albă bazate pe tehnologia LED este dezvoltarea unui fosfor mai eficient.

Spectrul LED-ului alb care arata lumina albastra emisa direct de LED-ul bazat pe GaN (la un varf aproximativ de 465 nm)

Incepând cu anul 2010, cel mai eficient fosfor galben este în continuare fosforul YAG, cu mai puțin de 10% pierderi Stoke. Pierderile atribuite pierderilor optice interne cauzate de re-absorbția în cipul LED-ului reprezinta în mod tipic pierderea eficienței cu inca 10 pana la 30%. În prezent, in aria de dezvoltare a LED-urilor fosforice, este depus mult efort pe optimizarea acestor dispozitive la fluxuri mari de lumina și temperaturi de operare mai ridicate. De exemplu, eficiența poate fi crescuta prin adaptarea design-ului mai bun in ceea ce priveste ambalajul sau prin folosirea unui tip mai potrivit de fosfor. Procedeul de acoperire este frecvent utilizat pentru a aborda problema diferitelor grosimi ale fosforului.

Unele LED-uri albe pe bază de fosfor înglobeaza LED-uri albastre în interiorul unui epoxid comprimat fosforic.

LED-uri albe pot fi facute prin acoperirea unui LED aproape ultraviolet, cu un amestec de înaltă eficiență pe baza de europiu fosforic care emite sulfura de zinc roșu și albastru, plus cupru și aluminiu dopat (ZnS: Cu, Al), care emite sulfura de zinc verde . Aceasta este o metodă analoagă modului in care lămpile fluorescente funcționeaza. Această metodă este mai puțin eficientă decât LED-urile albastre cu YAG: Ce fosforic. Pe masura ce trecerea Stokes este mai mare, cu atât mai multa energie este transformată în căldură. Datorită ieșirii radiante mari a LED-urilor ultraviolete decât a celor albastre, ambele metode oferă luminozitati comparabile. O ingrijorare este aceea ca lumina UV se poate scurge de la o sursă de lumină defecta și poate dauna ochilor sau pielii.

2.5.6. Alte LED-uri albe

O altă metodă utilizată pentru a produce LED-uri experimentale de lumină albă n-a utilizat fosfor deloc ci s-a bazat pe seleniură de zinc (ZnSe) pe un substrat ZnSe care a emis simultan lumina albastra din regiunea activă și lumină galbenă din substrat.

2.5.7. Diode organice emitatoare de lumina (OLED)

Într-o dioda organica emitatoare de lumina (OLED), materialul electroluminescent care cuprinde stratul emisiv al diodei este un compus organic. Materialul organic este conductor electric datorita delocalizarii de electroni pi cauzati de imbinare (în totalitate sau parțiala) a moleculei, iar materialul funcționează ca un semiconductor organic. Materialele organice pot fi mici molecule organice într-o fază cristalină, sau polimeri.

Potentialele avantaje ale OLED-urilor sunt, display ieftin si subțire cu o tensiune de conducere joasă, cu unghi larg de vizualizare, contrast ridicat și gama de culori. LED-urile de polimeri au avantajul suplimentar de afisaj printabil si flexibil. OLED-urile au fost folosite pentru a face afișaje vizuale pentru dispozitive electronice portabile, cum ar fi telefoane mobile, camere digitale, playere MP3 și mai tarziu televizoarele si ca surse de iluminat.

Demonstratie a flexibilitatii dispozitivului OLED (Sursa pozei: http://www.comedd.fraunhofer.de/en/applications/flexible-modules.html)

2.5.8. LED-uri cu puncte cuantice (QD LED’s)

Punctele cuantice (QD) sunt nanocristale semiconductoare cu proprietăți optice unice. Culoarea lor de emisie poate fi reglata de la spectrul vizibil la cel infraroșu. Acest lucru permite LED-urilor cu puncte cuantice crearea aproape oricarei culori pe diagrama CIE. Acest lucru oferă mai multe opțiuni de culoare și de redare a acestora mai buna decât in cazul LED-urilor albe dat fiind faptul ca spectrul de emisie este mult mai îngust, caracteristic limitarii cuantice de stare. Există două tipuri de scheme pentru excitarea QD .

Un exemplu al sistemului foto-excitație este metoda dezvoltata de Michael Bowers, de la Universitatea Vanderbilt din Nashville, care implică acoperirea unui LED albastru cu puncte cuantice, care strălucesc alb, ca răspuns la lumina albastra de la LED. Această metodă emite o lumină caldă, alb-gălbuie similară cu cea redata de becurile incandescente. Punctele cuantice sunt, de asemenea, utilizate în diode emițătoare de lumină albă, în ecrane cu cristale lichide, televizoare (LCD).

În februarie 2011 oamenii de stiinta de la PlasmaChem GmbH (Fabricant si furnizor german al unei game largi de nanomateriale industriale si dispozitive medicale bazate pe nanotehnologie) au putut sintetiza puncte cuantice pentru aplicații cu LED-uri și au construit un convertor de lumină, care putea sintetiza eficient lumina de la albastru la orice alta culoare. Astfel QD-urile pot fi folosite pentru a emite lumina vizibila sau infrarosie de aproape orice lungime de undă.

Structura LED-urilor QD folosite pentru schema electrica de excitație este similara cu designul de bază al OLED-urilor. Un strat de puncte cuantice este intercalat între straturi de material cu electroni de transport și cu goluri de transport. Un câmp electric aplicat determina trecerea electronilor și a golurior pentru a în stratul punctului cuantic si se recombina formând un exciton care excita un punct cuantic. Acest sistem este de obicei studiat pentru afișarea unui punct cuantic.A fost demonstrata fluorescenta scanarii campului microscopic optic (NSOM) care utilizeaza un sistem integrat LED-QD.

În februarie 2008 a fost realizata o eficacitate luminoasă de 300 lumeni de lumină vizibilă per watt de radiatii (nu per watt electric) prin utilizarea de nanocristale.

Sursa: http://www.qled-info.com/introduction/

2.6. Tipuri de LED-uri

Sursa: http://ledshelburne.weebly.com/led-types.html

LED-urile sunt produse într-o varietate de forme și mărimi. Culoarea lentilelor de plastic este adesea identica cu culoarea reală a luminii emise, dar nu întotdeauna. De exemplu, plastic violet este adesea folosit pentru LED-uri infraroșii, și cele mai multe dispozitive albastre au carcase incolore.

Principalele tipuri de LED-uri sunt, dispozitive miniaturale de mare putere și modele personalizate, cum ar fi cele alfanumerice sau multi-colore.

Miniaturale:

Acestea sunt LED-uri cu o singura matrita utilizate ca indicatori, și vin în diferite dimensiuni de la 2 mm la 8 mm. De obicei nu folosesc un radiator separat. Ratinguri electrice tipice variază de la aproximativ 1 mA la peste 20 mA. Cele de dimensiuni mici stabilesc o limită superioară naturala in ceea ce priveste consumul de energie datorită căldurii cauzate de densitatea inalta de curent și necesitatea unui radiator.

Formele comune includ rotund, cu cap bombat sau plat, dreptunghiular cu cap plat și triunghiular sau pătrat, cu un cap plat. Încapsularea poate fi, de asemenea, clara sau colorata pentru a îmbunătăți contrastul și unghiul de vizualizare.

Cercetatorii de la Universitatea din Washington au inventat cel mai subțire LED. Acesta este fabricat din materiale flexibile bidimensionale. Are grosimea de 3 atomi, care este de 10 pana la de 20 de ori mai subțire decât cele tridimensionale și este de asemenea de 10.000 de ori mai mica decât grosimea unui fir de păr.

LED galben de 1.8 mm diametru

Sursa: http://www.microminiatures.co.uk/acatalog/Miniature_LED_s.html

Sunt 3 categorii principale de LED-uri miniaturale:

Cu curent redus: 2mA-2V(are un consum aproximativ de 4mW)

Standarde: LED-uri de 20mA (40mW pana la 90mW) la:

1.9 pana la 2.1 V pentru cele rosii, portocalii si galbene

3.0 pana la 3.4 V pentru cele verzi si albastre

2.9 pana la 4.2 V pentru cele violete, mov, roz si albe

Cu iesire ultra inalta: 20 mA la aproximativ 2V sau 4-5V

LED-urile de 5 și 12 V sunt LED-uri in miniatura obișnuite, care incorporeaza o serie adecvata pentru conectarea directă la o sursă de 5 V sau 12 V.

Medii:

LED-urile de putere medie sunt adesea montate prin găuri și sunt in cea mai mare parte utilizate atunci când este nevoie de o putere de doar zeci de lumeni. Ele au, uneori, dioda montata la patru conductoare (două catodice, doua anodice) pentru o mai bună conducție termică. Un exemplu al acestei metode este pachetul superflux, de la Philips Lumileds. Aceste LED-uri sunt cel mai frecvent utilizate în panouri luminoase, iluminat de siguranță, și in cazul stopurilor auto. Având în vedere cantitatea mare de metal din LED, ele sunt capabile să manipuleze curenți mari (în jur de 100 mA). Curentul crescut permite o putere luminoasa mai mare, necesară stopurilor și iluminatului de urgență.

Sursa: http://www.ledlightbulb.net/led-light-bulbs/led-bulbs-light.htm

De mare putere:

LED-urile de mare putere (HPLEDs) sau (HO-LEDs) pot fi asociate unui spectru de intensitate de sute de miliamperi pana la mai mult de un amper, în comparație cu zecile de mA folositi in cazul altor LED-uri. Unii pot emite peste o mie de lumeni. Au fost realizate densități de putere ale LED-urilor de până la 300 W / cm2. Din cauza faptului ca supraincalzirea este distructiva, LED-urile de mare putere trebuie montate pe un radiator pentru a permite disiparea căldurii. Dacă temperatura crescuta dintr-un astfel de LED nu este eliminata, dispozitivul va eșua în câteva secunde. Unul HPLED poate înlocui adesea un bec incandescent de la o lanternă, sau să fie amplasat într-o matrice pentru a forma o lampă LED puternică.

Unele LED-uri de mare putere din această categorie sunt seria Nichia 19, Lumileds Rebel LED Osram Opto Semiconductors Golden Dragon, și lampa Cree X. Din septembrie 2009, unele HPLED-uri fabricate de Cree depășesc 105 lm / W (de exemplu, cipul XLamp XP-G LED care emite lumină albă rece) și sunt vândute în lămpi destinate să înlocuiască luminile incandescente, halogene, și chiar luminile fluorescente.

Impactul legii Haitz, care descrie creșterea exponențială a luminozitatii LED-urilor în timp, poate fi ușor observabil print-o crestere de la an la an a producției de lumeni și a eficienței. De exemplu, seria CREE XP-G LED a atins 105 lm / W în 2009, în timp ce Nichia a lansat in anul 2010 seria 19 cu o eficacitate tipică de 140 lm / W.

Sursa: http://stoarcecreierul.ro/solutii-alternative-de-iluminat/

Led conductor de curent alternativ:

LED-urile au fost dezvoltate de Seul Semiconductor, care poate funcționa la curent alternativ, fără a fi nevoie de un convertor de curent continuu. Pentru fiecare jumătate de ciclu, o parte din LED emite lumina si o parte este întunecata, iar acest lucru este inversat în timpul următoarei jumătati de ciclu. Eficacitatea acestui tip de HPLED este de obicei de 40 lm / W. Un număr mare de elemente LED înseriate pot fi capabile să opereze direct de la tensiunea de linie. În 2009, Seul Semiconductor a lansat un LED de tensiune marita, numit "Acrich MJT", capabil a conduce puterea data de curentul alternativ cu un circuit simplu de control. Disiparea puterii scazute a acestor LED-uri le oferă mai multă flexibilitate decât originalul design AC LED.

Variatii specifice aplicatiilor:

LED-uri intermitente:

Folosit ca indicatori de atentionare fără a necesita dispozitive externe. LED-urile intermitente seamănă cu LED-urile standard, dar conțin un circuit multivibrator integrat care face LED-ul să clipească la un interval periodic de o secundă. În LED-urile cu lentile difuze acest lucru este vizibil ca un mic punct negru. Cele mai multe LED-uri intermitente emit lumina de o culoare, dar dispozitivele mai sofisticate pot aprinde mai multe culori și pot chiar dispărea printr-o secvență de culoare, folosind combinatia de culori Rosu-Verde-Albastru.

LED-uri bicolore:

Două LED-uri diferite într-o singura carcasa. Există două tipuri. Un tip este format din două matrițe conectate intre ele la aceleași două fire antiparalele. Fluxul de curent într-o direcție emite o culoare, și curentul în direcția opusă emite cealaltă culoare. Celălalt tip este format din două matrițe cu terminale separate și un alt terminal pentru anod sau catod comun, astfel încât acestea să poată fi controlate în mod independent.

LED-uri tricolore:

Trei LED-uri diferite într-o carcasa. Fiecare emițător este conectat la un cablu separat astfel încât să poată fi controlat în mod independent. Un aranjament cu patru terminale este reprezentat printr-un terminal comun (anod sau catod) și un terminal suplimentar pentru fiecare culoare.

Sursa: http://becurisileduri.ro/leduri/30-led-5mm-rgb-tricolor.html