2007.01-02. (Világítástechnika témakör)

A LED-technológia

A LED-technológia

A LED az angol elnevezés rövidítésén alapul (Light Emitting Diode - azaz fénykibocsátó dióda), s egyre jelentősebb helyet foglal el a világítástechnikai eszköztárunkban. Felfedezése óta a LED-et számos különböző alkalmazásban használták. Kezdetben inkább jelzőfényként, órákban, kalkulátorokban, távirányítókban, majd háttérvilágításként sok más elektronikus eszközben.

Ma a LED-technológia gyors ütemű fejlődést mutat: ahogy a LED-ek fényereje és hatásfoka egyre inkább növekszik, úgy nyer újabb és újabb, immár világítási alkalmazásokban is szerepet. A kis teljesítményű optikai kijelző szerepén túlnőve, manapság már számottevő fényerejű világítóeszközként tekinthetünk rá. A folyamatos fejlesztések eredményeként nem csak a fényhasznosítás, de a színválaszték is kibővült, s megjelentek a kék és fehér fényű világító diódák is. Lényegében ez tette lehetővé a LED-ek általános világítási célra történő alkalmazását.
A LED alkalmazásának hosszú távú jövője egyrészt a méreteiben rejlik - a jelenleg használatos fényforrások közül a legkisebb térfogattal rendelkezik -, másrészt különleges mechanikai (érzéketlenség a lökéssel és rázkódással szemben), villamos és fénytechnikai tulajdonságain túl a szinte korlátlan élettartama (típustól függően akár 100 000 óra) emeli ki a többi fényforrás közül. A nagy fokú megbízhatóság mellett a törpefeszültségről történő működés érintésvédelmi szempontból is előny számos alkalmazás esetén. Az olyan optikai tulajdonságok sem elhanyagolandók, mint az infravörös és ultraibolya sugárzás hiánya, illetve a színes fény előállításának lehetősége hatásfokcsökkentő szűrők alkalmazása nélkül. A villamos tulajdonságainak köszönhetően a fénykibocsátás szabályzása, illetve kapcsolása késleltetés nélkül megvalósítható.
LED-történelem
A 1950-es években a gallium-arzenid (GaAs) tulajdonságaival foglalkozó tanulmányok vezettek a LED felfedezéséhez. 1955-ben Rubin Braunstein az RCA cégtől (Radio Corporation of America) fedezte fel a gallium-arzenid (GaAs) és egyéb félvezető ötvözetek infravörös emisszióját. A Texas Instruments kutatói, Bob Biard és Gary Pittman 1961-ben fedezte fel a gallium-arzenid fénykibocsátását, amelyet az elektromos áram gerjesztett. Ez fény a nem látható, infravörös tartományába esett. Biard és Pittman szabadalmaztatták a LED-diódát. Az első, gallium-arzenid-foszfid- (GaAsP) alapú, kereskedelmi forgalomba került vörös LED-et a HP és a Monsanto készítette. Az ifj. Nick Holonyak a General Electric Company-tól fejlesztette ki az első gyakorlatban használható, látható fény tartományában sugárzó LED-et 1962-ben. Az 1970-es évek elején a LED-ek használata az órákban és kalkulátorokban való megjelenésükkel robbanásszerűen terjedt el a Texas Instruments, a HP és a Sinclair jóvoltából. Később a LED-eket leginkább mint jelzőfényt és alfa-numerikus kijelzőt használták.
Technológia
Ahogy a neve is utal rá, a LED tulajdonképpen egy dióda, mely fényt bocsát ki. A dióda egy félvezető eszköz, mely az elektromos áramot valamilyen formában, kontrollált módon vezeti. A diódát egyszerűbb formájában gyenge vezetőképességű anyagok alkotják, amelyeket úgy módosítanak (vagyis "szennyeznek"), hogy növelik a rendelkezésre álló szabad töltéshordozók (elektronok és elektron "lyukak") mennyiségét. Az elektronokban gazdag N-típusú anyagot elektronokban hiányos P-típusú anyaggal kombinálják, méghozzá úgy, hogy összeillesztik őket, és egy úgynevezett átmenetet hoznak létre a szabad elektronok áramlásához. Ezt az átmenetet hívják általában PN-átmenetnek.
A fénykibocsátás úgy keletkezik, hogy a diódára adott áramforrás a dióda anyagában levő atomok szabad elektronjainak töltést ad, amitől azok nagyobb töltésű elektronpályára lépnek. Az elektron eme állapota nem stabil, hanem egy kis idő elteltével visszaugrik az eredeti elektronpályájára. A többletenergia, amivel előzőleg képes volt feljebb lépni, sugárzás formájában hagyja el az atomot. Ez a sugárzás a hullámhossztól függő (lásd a táblázatot) fény formájában jelentkezik. A LED által kibocsátott fény színe a félvezető anyag összetételétől, ötvözőitől függ. A LED inkoherens keskeny spektrumú fényt bocsát ki. A fény spektruma az infravöröstől az ultraibolyáig terjedhet.
A fehér szín előállítása a kék színű LED megjelenésével vált lehetővé a 90-es évek elején. Két megoldás létezik. Az egyik a színkeverés, ahol három különböző (RGB) színű dióda fényéből keverik ki a fehér színt, a másik pedig a fénycsövek fényporához hasonló működési elv. A fényporos megoldásnál a kék fény gerjeszti a speciálist fényport, amely sárgán világít. A gerjesztett sárga sugárzás és a kék alapsugárzás segítségével egyetlen LED-ben is előállítható a fehér szín.

A LED alkalmazási területei
Amint a LED előnyeként kiemeltem, az egyik nagyon pozitív tulajdonság a nagyfokú megbízhatóság, a hosszú élettartam, amely minden olyan esetben, ahol a karbantartás nehezen megoldható, óriási szerepet játszik. A 100 000 órás élettartam szinte karbantartás-mentességet biztosít, s ahol ez fő szempont, ott szinte egyedüli megoldásként kínálkozik az alkalmazása.
A kis méret minimális beépítési helyet igényel még a lámpatestbe épített változat esetén is, illetve miniatűr megoldásokat lehet felhasználásával létrehozni. Működési hőmérséklete alacsony, illetve alkalmazása széles környezeti hőmérsékletek között is lehetséges. Ellentétben sok más fényforrással, alacsony környezeti hőmérséklet esetén sem csökken - sőt nő - a kisugárzott fényáram. Törpefeszültségről (egyenáramról) üzemel, amely széleskörű felhasználást biztosít. Mechanikai jellemzői alapján - érzéketlenség a rázkódásokkal és lökésekkel szemben - járművekben történő alkalmazásra is optimális választás.
Optikai tulajdonságainak köszönhetően minden olyan esetben, ahol az ultraviola, illetve infravörös sugárzás nem kívánatos, külső szűrők használata nélkül is használható. Továbbá, adott a színes világítás megvalósításának lehetősége hatásfokcsökkentő szűrők alkalmazása nélkül. A világítástechnikában megszokott vezérlési módok bármelyike választható (1-10 V analóg vezérlés, digitális DALI, illetve a színháztechnikában használatos DMX protokoll).
Villamos tulajdonságai lehetővé teszik a késleltetés nélküli fényáram-szabályzást, ennek megfelelően a dinamikus, illetve színes világítási effektek megvalósítását. A nagy fényáramú (high-flux) LED-ek megjelenésével az alkalmazási terület jelentősen kibővült, úgymint autóipari alkalmazás (autólámpák, műszerfal), mobiltelefon-kamera villanófénye, kijelzők, hordozható világítás (elemlámpák, jelzőfények), tévékészülékek, szórakoztatóipar, díszvilágítás, közúti jelzőfények stb.

LED a világítástechnikában
A világítástechnikát - célja szerint - négy területre oszthatjuk: funkcionális világítás, általános világítás, dísz- vagy építészeti világítás és kiemelő világítás.
Az általános világítási célokra (irodai, otthoni, üzleti világítás) egyelőre nincs hatékony LED-es megoldás a relatíve alacsony fényáram miatt. Szintén hátrány e tekintetben a színvisszaadási index: ez a nagy fényáramú változatoknál még alacsony, Ra~65. Egyre több, (beltéri) kiemelő világításra alkalmas termék (LED-spotlámpák) jelenik meg: ezek elsősorban kirakatokban, vitrinekben alkalmazhatók. Az alacsony hőmérséklet és UV-, illetve infrasugárzás-mentes fényük miatt kiválóan alkalmasak az ezekre érzékeny áruk világítására (pl.: élelmiszerek, műszálas anyagok).
A LED-es lámpatestek széles tárháza található meg azonban a (kültéri) díszvilágításban - homlokzati súrolófény, sülylyesztett fények, kontúrokat követő szélvilágítás - szinte bármilyen alkalmazásra létezik megoldás. A rendkívül hosszú élettartam, a jól irányítható fény (alacsony fényszennyezés), a zárt rendszerű lámpatestek (IP-védettség) és a szabályozhatóság (dinamikus világítás) nagy előnyt jelentenek a szobrok, szökőkutak, műemlék-jellegű vagy modern épületek homlokzatainak, különleges építészeti elemeinek megvilágítására, akár színes, "mozgó" fényekkel. Beltérben ezen előnyök jól kamatoztathatók például az üzletvilágításban, ahol egy üzlet hangulata, arculata, a világítás "gombnyomásra" történő megváltoztatása az adott szezonhoz, évszakhoz vagy akcióhoz igazítható, ezzel is felkeltve a vásárlók figyelmét, és növelve a vásárlási kedvet.
Egyre sikeresebb kísérletek zajlanak a LED-ek útvilágításban való alkalmazására is - a fenti előnyök (pl.: hosszú élettartam, alacsony áramfelvétel) ezen a területen is kiemelkedő fontossággal bírnak. Az első LED-es kültéri, általános világítási célokat szolgáló lámpatestek már megjelentek a piacon.

Mikor LED és mikor nem?
Le kell szögezni, hogy ma a LED-ek alkalmazása általános világítási célokra igen költséges és nem optimális megoldás. Ahol a műszaki megoldás (nehezen hozzáférhető hely, nagyfokú megbízhatóság, hosszú élettartam) alátámasztja, ott azonban szinte egyedüli megoldásként kínálkozik. Ilyenek kültéren például a hidak és viaduktok világítása, magas épületek homlokzatainak világítása, homlokzati elemek kiemelő világítása. Beltérben indokolt lehet használata a nehezen hozzáférhető helyeken (például a magas belterület egy lépcső fölött, kupolák stb.), vagy olyan területeken, ahol a kis súly, kis áramfelvétel, a korlátlan vezérlés lehetősége kiemelten fontos.

Telepítés
Mivel a LED-ek stabilizált egyenáramról működnek, ha a tápegységet különálló egységként telepítjük, fontos szempont lehet a polaritás betartása. A hálózati oldali vezetékeket különítsük el jól a kisfeszültségű szekunder oldaltól, hasonlóképpen a vezérlő vezetékeket is, ha vannak. A vezetékelés során kerüljük a hurkok kialakítását!
A LED-ek fényáramát a tápegység biztosítja. Ennek megfelelően mindig a LED-nek megfelelő (a gyártó által javasolt feszültségű, illetve áramú) tápegységet alkalmazzunk. Mivel a LED törpefeszültségről működik, tartsuk be a megadott maximális vezetékhosszakat, illetve javasolt vezetékátmérőt. A LED nem termel annyi hőt, mint más fényforrások, hűtőfelületét úgy helyezzük el, hogy a megfelelő hűtést biztosítsa a LED számára (fényáram- és élettartam- csökkenést okoz a nem megfelelő hő-disszipáció.) Láng Ernő

0000.00.00 00:00