10. LED tehnologija


LED tehnologija

90

Svjetlo je elektromagnetski val kojem je frekvencija u vidljivom dijelu spektra od 380nm do 780 nm (naše oko je najosjetljivije u žuto – zelenom dijelu spektra oko 550nm). Svjetlosna energija nam omogućava da možemo vidjeti i prepoznati stvari i svijet koji nas okružuje. Najveći i najsnažniji prirodni izvor svjetla je svakako Sunce koje brzinom svjetlosti šalje svjetlosnu energiju sa svoje površine nastale stalnim nuklearnim reakcijama. (drugi veliki izvor svjetla je djelovanje munje, ali taj prirodni proces dobivanja svjetla čovjek do sada nije uspio iskoristiti, ali su zato izumljene umjetne svjetiljke na bazi tog prirodnog fenomena).

Ostali izvori svjetla su umjetni i dobiveni su pretvaranjem energije iz jednog oblika u drugi oblik koji emitira svjetlosnu energiju koju vidimo. Danas, najčešće (skoro u 99%) za dobivanje svjetla koristimo električnu energiju kao izvor, zbog svoje jednostavnosti, sigurnosti i velike iskoristivosti.

Kroz povijest svjetlosni izvori se mogu podijeliti u 4 osnovne skupine:

  1. Otvoreni plamen – prvi „komercijalni“ izvor svjetla je zapaljena baklja, kasnije su nastale svijeće, lojnice, petrolejke, plinske lampe i slično.
  2. Žarulja sa žarnom niti – otkrivanjem električne energije izumljena je žarulja sa žarnom niti koja je isijavala svjetlosnu energiju na bazi pretvaranja električne energije u toplinsku – žarenjem volframove niti.
  3. Štedne žarulje – nastala je inovativnim spajanjem elektronike i fluorescentne cijevi, osnovne karakter istike su dugi vijek rada, ušteda električne energije do 70%, ali zbog otrovnih živinih para koji se nalaze u staklenoj cijevi u posljednje vrijeme su vrlo velika prijetnja za zdravlje ljudi i očuvanju okoliša.
  4. LED svjetiljke – svjetiljke na bazi poluvodičkih svjetlećih dioda kod kojih je tehnologija dobivanja svjetla svedena na aktivnost elektrona pri prijelazu iz N-sloj poluvodića u P-sloj poluvodića i zbog toga je vijek rada fantastičnih 100000 sati pa i više. Prema najavi stručnjaka LED svjetiljke će potpuno zamijeniti dosadašnje izvore svjetla. LED svjetiljke imaju mali utrošak električne energije u odnosu na druge žarulje uz istu ravjetljenost prostora i nemaju štetnih elemenata.

Za svjetlosnu energiju definirani su i karakteristični mjerni parametri koji služe za mjerenje i uspoređivanje različitih svjetlosnih izvora te njihovu pravilnu primjenu. Karakteristični parametri svjetlosnih izvora: Svjetlosni tok, Svjetlosna jakost, Sjajnost, Rasvjetljenost, Svjetlosna iskoristivost, Indeks uzvrata boje, Temperatura boje.

LED tehnologija

Svjetleće diode, skraćeno LED (eng. Light Emitting Diodes) je poluvodički element koji ima dva poluvodička sloja P-sloj i N-sloj (P-sloj ima veliku koncentraciju šupljina, a N-sloj ima veliku koncentraciju slobodnih elektrona) između kojih je energetska barijera. Kada spojimo napon za propusnu polarizaciju svjetleće diode („+“ na anodu, a „-“ na katodu) elektroni iz N-sloja slobodno prelaze u P-sloj preko sužene energetske barijere i tu se rekombiniraju sa šupljinama. Pri rekombinaciji elektron gubi dio svoje elektromagnetske energije, a emitirana elektromagnetska energija izražena je kroz foton kao najsitnija čestica svjetla i tako nastaje mali sićušni izvor svjetla.

92

Slika 42.: Princip rada LED diode                                                                                     Slika 43.: Osnovni dijelovi LED diode

Svjetleće diode emitiraju svjetlost pri propusnoj polarizaciji PN spoja. Proizvođači svjetlećih dioda za svaki tip i vrstu diode daju kompletne tehničke podatke koji su potrebni za pravilno projektiranje sklopa za napajanje. Najznačajniji tehnički podaci su: radni napon diode, nazivna struja kroz diodu, temperaturno područje rada, maksimalno dozvoljena temperatura na poluvodiču, svjetlosni tok, kut emitiranja svjetla…

Način napajanja svjetlećih dioda može se okvirno realizirati na tri načina:

 

91

 

Napajanje diode preko otpornika (Ohmov zakon)

Svjetleća dioda se napaja iz ispravljača ili baterije, ali preko serijski spojenog otpornika koji regulira struju kroz diodu po Ohmovom zakonu. Pri svakoj promjeni napona izvora nazivna struja kroz diodu mijenja svoj iznos, a time se mijenja i ujednačenost i kvaliteta rasvjete prostora i objekata. Drugi problem je gubitak električne energije na serijski spojenom otporniku što direktno utječe na energetsku efikasnost i stabilnost rada LED izvora svjetla. Navedeni nedostatci mogu se ukloniti primjenom izvora konstantnog napona i izvora konstantne struje.

103

Slika 44. Shema osnovnog spoja spajanje svjetleće diode

 

Napajanje iz izvora konstantnog napona (constant voltage)

Problem nestabilnog napona izvora za napajanje svjetlećih dioda može se riješiti stabiliziranim naponskim izvorom. Koristeći izvor konstantnog napona nazivna struja kroz diodu imati će vrlo mala odstupanja, a time postižemo i stabilnost svjetlosnog snopa prema tvorničkim podacima. Ali još uvijek ostaje problem energetske efikasnosti, jer se i dalje struja kroz diodu ograničava otpornikom. U novije vrijeme se koriste naponski regulatori u „switch“ tehnologiji, gdje je postignuto znatno smanjenje vlastite potrošnje regulatora.

102

Slika 45.: Napajanje svjetleće diode iz izvora konstantnog napona

Napajanje iz izvora konstantne struje (constant current)

Nazivna struja kroz svjetleću diodu direktno utječe na intenzitet svjetla i primjenom izvora konstantne struje možemo u potpunosti iskoristiti tvornički zadane svjetlotehničke vrijednosti i osigurati kvalitetnu energetsku učinkovitost rasvjetnog tijela. Izvor konstantne struje se projektira prema tvornički zadanim vrijednostima nazivne struje pri kojoj je najveća iskoristivost svjetla iz PN spoja LED-a. Daljnji napredak upravljanja i kontrole svjetla LED-a je primjena mikrokontrolera koji služi za upravljanje rasvjetnim tijelima i sustavima prema zadanom ili željenom programu.

100

Slika 46.: Napajanje svjetleće diode iz izvora konstantne struje

Prednosti LED tehnologije u odnosu na druge izvore svjetla su:

  • LED rasvjeta ima vrlo dugi vijek rada, preko 50000 sati (može i duže, ali trenutno nama pouzdanih praktičnih primjera)
  • Svjetleće diode su vrlo malih dimenzija i kao takove su pogodne za kreiranje različitih oblika svjetiljki i rasvjetnih tijela
  • zrazito mala potrošnja električne energije što u općoj štednji energije je vrlo bitna karakteristika (ušteda do 88 %)
  • Svjetleće diode se proizvode u različitim bojama (crvena, zelena, žuta, plava, bijela)
  • Indeks uzvrata boje „Ra“ veći od 75
  • Temperatura boje svjetla od 3000K do 7000K
  • Maksimalna temperatura kućišta je oko 58 oC •
  • Svjetleće diode nemaju štetnih UV zračenja i štetnih tvari (kao što su živine pare)

ZADATAK

U tekstu su navedeni karakteristični parametri svjetlosnih izvora. Za svaki od navedenih parametara pronađi značenje i napiši odgovarajuću formulu.

Koje sve boje LED žarulja postoje? Istraži i objasni na kojem principu rade!

Gdje se sve primjenjuje LED tehnologija, u kojim granama? Navedi za svaku po jedan primjer.

Što je to Ohmov zakon, napiši formulu i definiraj ga!

101POKUS 1.

S nastavnikom na satu pokušaj spojiti LED žaruljicu (diodu) u strujni krug. Možeš koristiti napajanje diode preko otpornika.

POKUS 2.

Pomoću energy monitora (uređaj za mjerenje potrošnje trošila) izmjeri potrošnju za tri različite vrste trošila: žarulja sa žarnom niti, štedna žarulja i LED žarulja. Rezultate trebaš upisati u bilježnicu i izračunaj na godišnjoj razini koliko koja žarulja troši. (NAPOMENA: Sva trošila moraju raditi jednak broj sati/minuta).