LED: teoria ne omoară !

LED-urile reprezintă o tehnologie relativ nouă de producere a luminii, întâlnită și sub denumirea de “Solid State Lighting” – SSL. A cunoscut o dezvoltare rapidă și schimbări majore de performanțe sunt anunțate de la o lună la alta. LED-urile au introdus și un nou vocabular de  termeni și expresii în iluminat, mai mult sau mai puțin aliniat cu cel din domeniul electronicii; încercăm să definim câțiva dintre aceștia și să prezentăm un pachet de cunoștințe de bază asupra subiectului.

Funcționare:  LED-ul este un dispozitiv de tip diodă semiconductoare care emite lumină atunci când la bornele sale este aplicat un curent. Diodele sunt componente electronice utilizate în circuite electronice de mai bine de 80 de ani. O diodă permite trecerea curentului electric doar într-o direcție; de fapt acționează ca o valvă cu sens unic. Diodele au fost utilizate în circuitele electronice pentru redresarea curentului alternativ (ca) în current continuu (cc). La trecerea curentului electric prin  joncțiunea diodei semiconductoare dintre pozitiv – negativ p-n apare o formă de electroluminescență. Emisia de lumină se face într-un spectru foarte îngust. De fapt, curentul electric trece printr-un compound chimic (cristal) și produce o excitare atomică ce generează lumină. Tipul materialelor utilizate pentru joncțiune definește lungimea de undă a luminii emise și deci culoarea luminii. Primul LED utilizat pentru lumină a fost realizat în 1962 și a fost de culoare roșie.

Construcție:  Inima LED-ului constă dintr-o plăcuță realizată prin depunerea unui strat de material  semi-conductor pe un substrat, în general denumit “wafer”. Wafer-ul este un disc având diametrul de 100 sau 150 mm din care se pot produce un număr mai mare sau mai mic de diode (LED chips). Acesta este un procedeu tehnologic deja clasic în producție prin care se realizează majoritatea semi-conductorilor din circuitele integrate. După testare și selectare în funcție de culori și intensitate, fiecare cip este asamblat într-un “Pachet LED” care este practic componentul ce urmeaza a fi încorporat într-un circuit și utilizat pentru producerea luminii.

Lumina produsă de cip-urile LED poate să acopere întreg spectrul vizibil, inclusiv spectrul IR și UV. Culoarea emisă este determinată însă de materialele semi-conductoare, de fapt fiecare CIP emite într-un domeniu relativ îngust al spectrului. Lumina “albă”  este produsă fie utilizând un LED albastru care emite printr-un strat galben de fosfor, fie din mai multe diode emițând lumina din culorile de bază, roșie, verde și albastră ( RGB) care combinate produc lumina albă. Prima metodă este utilizată atunci când este necesară doar lumină albă de o anumită temperatură de culoare, cea de a doua atunci când modificarea amestecului de culori de bază are ca rezultat modificarea temperaturii de culoare de la cald la rece.

De aici încep discuțiile… și unde sunt discuții sunt și probleme… de discutat!

Căldura produsă de LED. LED-urile nu produc doar lumină. La joncțiunea p-n se produce și o importantă cantitate de căldură care trebuie disipată. Disiparea de căldură este critică pentru performanțele luminotehnice și pentru durata de viață a acestuia. Temperatura joncțiunii “Tj” este unul dintre cei mai importanți parametri de performanță ai LED-ului și trebuie menținută în parametrii optimi. Variații ale Tj pot influența în mare măsură eficacitatea, spectrul de emisie și viața unui LED. Un cip LED  are un set definit de valori ale Tj, și este testat în mod curent la valoarea de 25˚C. Este doar o valoare teoretică, întrucât toate LED-urile vor trebui să funcționeze la valori mult mai mari atunci când sunt încorporate într-un corp de iluminat.

Eficacitate. Performanțele LED-urilor sunt în continuă dezvoltare și eficacitatea luminoasă crește permanent. Furnizorii de LED-uri nu pierd nici un prilej de a-și  anunța continuu progesul în presa de specialitate în ceea ce privește cercetarea și dezvoltarea de LED-uri cu eficacități luminoase din ce în ce mai “uriașe”. În 2013 unul dintre fabricanții importanți nu a avut nici o reținere de a anunța o eficacitate luminoasă de 250lm/W. Totuși… toată această cursă de marketing nu trebuie confundată cu lumea reală a performanțelor cip-urilor LED. În mod normal, pentru temperatura de culoare de 2700K – 3000K (alb cald), LED-urile ating cca 120 lm/W dar “se înregistrează încă progrese continui”, cu rații de creștere ceva mai mici însă decât își doresc marketing managerii sau chiar marile firme cu care am fost obișnuiți.

Când un cip LED este însă încorporat într-un corp de iluminat trebuie avută în vedere eficacitatea luminoasă a întregului sistem. În circuit este nevoie totdeauna de aparataj auxiliar (denumit și driver) încorporat sau nu în LED, care …consuma energie, există pierderi datorită absorbției din corpul de iluminat, în plus atunci când LED-ul funcționează în afara parametrilor optimi măsurați, și aici ne referim la Temperatura joncțiunii Tj, nu mai produce aceeași cantitate de lumină. Totuși, cu echipamente de control adecvate, în corpuri de iluminat cu sisteme optice potrivite și cu posibilitatea transferului de căldură (radiatoare) există realizări tehnice de corpuri de iluminat care asigură puțin peste 100 lm/W.

Durata de viață a LED-urilor

Introducere. Durata de viață se poate măsura in două moduri. Cate mai funcționează după o anumită perioadă de timp (la lămpile convenționale această valoare este de 50%) sau timpul in care fluxul luminos emis scade sub o anumită valoare (la lămpile convenționale fluxul luminos nu scade semnificativ in timpul duratei nominale de viață). Acest lucru nu este adevărat pentru LED-uri, unde există o reducere graduală a fluxului emis și nu există căderi bruște ale lămpii.

Durata de viață. O sursă LED care lucrează in condiții ideale are o durată de viață foarte mare in raport cu toate celelalte tipuri de surse de lumină clasice. Tipic, majoritatea fabricanților dau in jur de 50.000 de ore, cațiva insă prezic și 100.000 de ore. Datorită faptului că LED-ul in sine oferă această posibilitate teoretică extremă, cea mai grea incercare tehnică in această perioadă este de a realiza in ‘viața reală” și 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, adică 8.760 ore de funcționare, inseamnă că in realitate este vorba de 11,5 ani de testare pentru a avea date reale, ceea ce pentru nivelul tehnologic actual și sub presiunea politică, de marketing și mediatică de a comercializa produsul finit,  face ca acest demers să fie imposibil sau foarte scump. Câțiva fabricanți utilizează extrapolarea de 6:1, ceea ce inseamnă că pentru teste de cca. 8.000 de ore se obțin date valabile pentru cca 48.000 de ore… deci… circa 50.000 de ore… sau 100.000?

Menținerea fluxului. Atat durata de viață cat și menținerea in timp a fluxului emis depind de temperatura ambientală și de temperatura de operare, ca și de calitatea parametrilor sursei de alimentare. In acest moment se lucrează la definirea unei metode standard pentru stabilirea duratei de viață la LED-uri. Draftul IEC62717 sugerează doi parametri: Viața Medie Utilă (Lx) și Valoarea Căderilor Bruște (AFV). Valoarea Medie Utilă inseamnă timpul in care 50% dintr-un eșantion de lămpi pierd x% din fluxul inițial. AFV este procentajul de surse sau corpuri LED de același tip care nu mai produc lumină după o anumită perioadă de timp. Sunt concepte noi și de aceea nu sunt incă adoptate de toți fabricanții. Ceea ce este insă important la alegerea unui LED esta ca durata de viață să fie foarte bine explicitată in documentația tehnică.

Pachete LED. Un pachet LED poate conține un singur LED sau mai multe, deci au diverse mărimi, forme și configurații pentru a fi utilizate de fabricanții de corpuri de iluminat.

Unghiul de emisie (optică). Pachetul LED conține și protecția mecanică a cristalului de semi-conductor și poate conține, de asemenea, și optica sistemului, adică cea care dictează modul in care este direcționat fluxul luminos de la LED. De obicei sunt construite pentru distribuții semisferice, adică 180 de grade (practic, maximul atinge 160 de grade). Direcționarea luminii este insă mai ușoară decat in cazul lămpilor cu filament.

Module LED. Un pachet LED trebuie să mai aibe o serie de componente astfel incat să poată funcționa la puterea nominală și să asigure disiparea căldurii. Poate fi nevoie ca un anumit număr de pachete LED să fie puse impreună pentru a se crea un Modul LED, care mai este denumit și Motor LED, chiar dacă nu este un termen uzitat in Standardul Internațional (IEC). O altă componentă esențială a Modulului LED este existența unei conexiuni pentru alimentare. Aceasta poate avea și rolul de a conduce căldura afară din joncțiunea p-n a cip-ului, deci un material care să aibă o transmisie termică ridicată și conductivitate electrică foarte bună: Ar fi vorba de AUR?…

Obținerea de lumină difuză. Inițial s-a urmărit dezvoltarea LED-urilor ca sursă de lumină punctuală, cu intensități luminoase mari, pentru corpuri de iluminat cu țux direcționat. Pe măsura evoluțiilor tehnologice a fost posibilă crearea de surse de lumină mai mari, prin utilizarea mai multor cip-uri cu diode și obținerea de suprafețe mai mari de emisie. Obținerea de lumină mai difuză de la soluții multi-CIP s-a făcut prin utilizarea de optică tip “novel” pentru reflexii și refracții interne. Așa că în  majoritatea aplicațiilor generale se  combină LED-ul ce emite lumină albastră cu  stratul de fosfor galben.

Utilizarea fosforului in producerea luminii albe

De mulți ani fosforul este utilizat la lămpile fluorescente pentru obținerea luminii albe. De-a lungul timpului s-a obținut o gamă din ce in ce mai largă a spectrului luminii emise și o redare din ce in ce mai bună a culorilor. Cu LED-urile, utilizarea fosforului este mai simplă, întrucât acesta produce lumină vizibilă albastră și cu o adăugare atentă de fosfor galben se poate obține o lumină albă. 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 fabricanții bogați care iși permit asta…) sau pe o placă separată. Calitatea luminii albe depinde de calitatea fosforului, de consistența stratului depus și de grosimea acestuia. Acești parametri influențează eficacitatea luminoasă, de aceea LED-urile cu lumină alb rece sunt mai eficiente decat cele cu lumină caldă, la care grosimea stratului de fosfor trebuie să fie mai mare, reducand fluxul luminos emis.

LED-uri cu plăcuța separată de fosfor. Ca alternativă se pot utiliza plăcuțe cu depuneri de fosfor amplasate peste LED-urile albastre. Acest ansamblu produce o sursă de lumină mai puțin orbitoare, cu o mai bună redare a culorilor și o durată de viață mai mare. Ansamblul este livrat și ca Modul LED și permite o oarecare standardizare, lucru care poate facilita schimbarea modulului LED din corpul de iluminat.

Redarea culorilor pentru LED-uri albe. Lămpile cu lumină albă se pot obține fie cu ajutorul fosforului, fie prin utilizarea in același Modul a LED-urilor roșii, verzi și albastre, la care se poate adăuga galben sau “ambră (engl.amber )”. Distribuția relativă spectrală a acestora este diferită. Metoda curentă de lucru, CRI, nu este insă adaptabilă la absolut toate tipurile de lămpi. O recentă comunicare a CIE (Commission Internationale d’Eclairage) (Ref: CIE 177:2007) a concluzionat că se cere o nouă metodă de evaluare, mai ales pentru LED-ul alb destinat iluminatului general și care poate depăși in clipa de față RA98. Oare? …va exista o metodă acceptată de noii actori din iluminat care vă va convinge că vedeți cum nu vedeți… cred ca da… dar să nu credeți ce vedeți… măcar un timp, pana ce …!

Consistența culorii. Variații minore in procesul de fabricație pot conduce la lămpi LED cu redare diferită a culorilor. De aceea CIP-urile LED trebuie TOATE testate, astfel incat să se poată defini care dintre ele vor fi utilizate in sisteme profesionale și care in sisteme comerciale (a se vedea Directiva UE 1194/2012). Nu va faceți probleme…. incă mulți ani vor fi in piața “accesibilă” cele care nu sunt testate…

Temperatura de Culoare. LED-urile albe pot acoperi o gamă largă de temperaturi de culoare, de la cele calde (mai scumpe…) la cele reci (majoritatea). Cele la care stratul de fosfor este mai subțire și de calitate mai scăzută, produc lumină alb rece. Prin urmare sunt mai eficiente decat cele care produc lumină de calitate, cu aparență alb caldă (așa cum ne-am obișnuit și crescut de mii de ani la lumina focului din peșteră, apoi la focul din vatră și la lampa cu gaz sau incandescentă).

Sisteme de alimentare  LED-ul este doar un component electronic care are nevoie de o sursă de alimentare care să-i asigure o tensiune și un curent corespunzătoare caracteristicilor cerute. Marea majoritate a pachetelor sau Modulelor LED sunt alimentate in Curent Continuu la valori foarte mici ale tensiunii, dar sunt și unele care pot fi alimentate direct la sursa normală in CA. Performanțele și calitatea sursei de alimentare a LED-ului reprezintă un factor foarte important in eficacitatea, mărimea fluxului luminos și pentru fiabilitatea in timp a sistemului. Alimentarea surselor LED , este adesea denumită “driver” și  poate alimenta de la unul la cateva sute de LED-uri. Este foarte importantă urmărirea valorii curentului in circuit pentru a se obține performanțele optime. Multe LED-uri sunt supra-alimentate pentru a li se mări fluxul aparent in detrimentul scăderii de fapt a eficacității luminoase a sistemului. De aceea, in cele mai multe cazuri, in situația reală, este recomandată o dimare a fluxului pentru a se obține eficacități luminoase mai bune.

 

Alte aspecte tehnice ale LED

Orientare. LED-urile pot fi utilizate in orice sistem de orientare intrucat sunt componente solide, nu au părți in mișcare și… pentru ecologiști… nu au gaze de umplere: dacă acest aspect va putea fi vreodată ințeles in timpul incălzirii globale…
Timp de pornire. LED-ul pornește instantaneu la parametrii nominali de funcționare sau la un nivel predeterminat de sistemul de control. Nu are nevoie de perioadăde incălzire și nu este nevoie să pornească la 100% inainte de a fi dimat.
Repornire. Nu sunt nici un fel de restricții pentru pornire și repornire, LED-ul poate fi pornit, oprit și pornit din nou și ajunge instantaneu la valorile nominale. Fluctuații ale tensiunii de alimentare. Fluctuațiile tensiunii de alimentare din rețea vor afecta doar aparatajul de alimentare și nu LED-ul. Driverele de calitate sunt realizate astfel incat protejează LED-ul impotriva fluctuațiilor sau al varfurilor de tensiune sau curent. Nu toate driverele sunt insă de calitate…
Disiparea căldurii in LED-uri. Menținerea unei temperaturi rezonabile de funcționare in joncțiune “Tj” este un factor important de performanță și de durată de viață pentru LED. Căldura trebuie extrasă din LED cat mai rapid și eficient posibil și aceasta se traduce prin găsirea unei modalități, a unei căi de transmitere de la joncțiune, prin corpul de iluminat, către mediul inconjurător. Acesta este motivul pentru care majoritatea Corpurilor de iluminat cu LED sunt prevăzute cu radiatoare, ca și cu instrucțiuni precise in ceea ce privește cerințele de temperatură ambientală. Fără aceste readiatoare de căldură (mai ales in situația in care se inlocuiesc alte surse cu surse LED in corpuri inchise), durata de viață poate fi semnificativ mai mică.

Sisteme de control LED

LED-urile sunt foarte potrivite pentru sisteme de control deoarece pornesc instantaneu și fluxul luminos poate fi variat continuu de la 0% la 100%. Nici numărul aprinderilor/ stingerilor și nici dimarea repetată nu au efecte negative asupra duratei de viață, aceasta demonstrand că sunt foarte potrivite pentru sisteme de control cu circuite de comandă. Dimarea și pornirea/oprirea repetată pot avea insă consecințe negative asupra driverului, in funcție de calitatea acestuia.
Dimare. Se utilizează tehnici diferite de dimare pentru LED-urile cu driver integrat care inlocuiesc o lampă clasică intr-un circuit de 230V sau dacă este vorba despre un corp de iluminat echipat cu LED și driver separat. O lampă cu aparataj integrat LED, conectată direct la sursă, nu poate fi dimată decat dacă se lucrează asupra sursei de alimentare utilizand fie micșorarea tensiunii de alimentare fie dimarea sinusoidelor. Un corp de iluminat care are un aparataj de control, driver, poate fi dimat electronic fie prin reducerea constantă a curentului fie prin modularea cu impuls (PWM).
Controlul lămpilor LED. Atunci cand o lampă convențională, la 230V c.a. este inlocuită cu un LED intr-un fasung existent, opțiunile de control sunt limitate și nu totdeauna posibile. Compatibilitatea intre echipamentul existent și lampa LED trebuie verificată inainte de a se achiziționa lampa, mai ales in situația inlocuirii mai multor lămpi deodată. In general, fabricanții de LED trebuie să specifice sub ce formă și cu ce aparataj se poate face acest lucru. In cele mai multe dintre situații apar stingeri sau aprinderi necontrolate.
Controlul corpurilor de iluminat echipate cu LED.
Cand se inlocuiește un corp de iluminat vechi cu unul nou este indicată și 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 și comandă poate fi analog sau digital. Acest lucru ar trebui să fie indicat pe driver.
Comenzile de control și/sau dimare. Un echipament de control trebuie să permită unul dintre următoarele moduri de lucru: 1-10V c.c., DALI, semnale DSI sau DMX; unele pot oferi chiar trei opțiuni de control. Sunt opțiuni de control care pot fi direct conectate la o rețea locală (LAN) și capabilă să răspundă la comenzi tip instrucțiuni TCP/IP. Acesta este cazul sistemelor ‘Power over Ethernet’ sau al celor de control wi-fi. Oricare ar fi protocolul de comandă, driverul poate răspunde intre 0% – 100%. Se poate și Li-fi … și Lighting fidelity se pare că va insemna un pas uriaș către comunicare.
Operația de dimare. Fluxul emis de LED este in funcție de curentul care este trimis prin joncțiune. Este de aceea posibilă dimarea acestora prin reducerea curentului. Totuși la majoritatea LED-urilor se vor produce modificări ale aparenței de culoare a luminii la scăderea curentului. Este modalitatea analogică de dimare a LED-urilor. O metodă alternativă este de a utiliza modularea cu impuls (PWM), in care practic LED-ul este stins și aprins foarte rapid Mărimea ciclului Pornit/Oprit impune mărimea strălucirii LEDului. Pentru a se evita efectul de flicker – fie că este vizibil sau nu – frecvența impulsurilor PWM trebuie să fie peste 3000Hz. Beneficiul utilizării tehnologiei PWM este că se păstrează aparența de culoare și LED-ul este virtual dimat liniar și continuu.
Flicker. La frecvența normală de 50Hz, dacă driverul nu este de calitate și nu asigură aplatizarea sinusoidei, poate fi sesizat fie un efect stroboscopic fie perceput un efect de flicker.

Avantaje

LED-ul incepe să se dovedească o sursă de lumină versatilă și foarte eficientă, oferind o serie de avantaje importante:

  • Durate foarte mari de viață;
  • Pornire și repornire instantanee;
  • Robustă din punct de vedere fizic și rezistentă la șocuri, atat in fabricație cat și in utilizare;
  • Gamă largă de culori, redare bună a culorilor, lumină albă de foarte bună calitatate;
  • Ușurință in control; stingerile/aprinderile repetate nu au impact asupra duratei de viață;
  • Sursa compactă permite echipamente optice de eficiență mare, cu pierderi minime prin refracție sau reflexii repetate;
  • Fără radiații UV sau IR.

De la forma inițială a unei singure diode (cip) sub forma unei surse punctuale potrivită pentru lumina direcțională, LED-ul a evoluat rapid către iluminat arhitectural, efecte de culori, trecand acum la o gamă mult mai mare de aplicații, adresandu-se către toate sistemele din iluminat acoperite de sursele convenționale. Principala barieră pentru adoptarea mai largă a LED-ului o constituie in momentul de față costul actual al corpurilor de iluminat echipate cu LED față de soluțiile tradiționale.

Dezavantaje

In afară de cost, sunt foarte puține dezavantaje ale utilizării surselor LED. Intensitatea luminoasă a celor de puteri mari poate fi supărătoare, orbitoare, insă cu un sistem optic adecvat acest inconvenient poate fi inlăturat. Utilizarea LED-urilor in spații cu temperatură ridicată poate constitui o problemă fără măsuri adecvate de eliminare a căldurii.

Standarde și publicații specifice

O serie de standarde, recomandări și publicații sunt comune surselor LED și celor convenționale. Sunt insă cerințe specifice pentru sursele LED atat in ceea ce privește Siguranța cat și Performanța, emise sau in lucru.
Standarde de Siguranță: EN62560, EN62838, EN62663- 1; EN62766, EN62931; EN62031; EN60838-2-2; EN61347- 1 EN61347-2-13; EN60598-1; EN60598-2-xx, EN62868.
Standarde de Performanță: EN62612, EN62717, EN62384; EN62722-1, EN62722-2-1, EN62922.
WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive) și RoHS(Risk of Hazardous Substances). LED-urile sunt componente electronice care fac subiectul legislației privind substanțele periculoase și recuperării. Directiva CE2012/19/EU asupra WEEE și Directiva RoHS 2002/95/EC au devenit Legi Europene in Februarie 2003. Directiva WEEE stabilește țintele de colectare și reciclare pentru toate tipurile de bunuri electrice. Directiva RoHS se adresează fabricanților europeni și stabilește limitele maxime admise de utilizare in fabricația noilor echipamente electrice pentru o serie de materiale periculoase.
Teoretic, ne aflăm in fața unei provocări care tehnologic arata bine pentru domeniul iluminatului. Practic, modul in care toate aceste aspecte sunt fizic prezente in ceea ce se comercializează in momentul de față lasă enorm de dorit. Și principalii actori nu sunt deloc străini de acest lucru, iar cei noi nu consideră că toate aceste aspecte prezintă importanță pentru că nu au bagaj tehnic și nici nu ii interesează. In măsura in care vom putea, vom reveni intr-unul din viitoarele numere cu realitatea dură asupra a ceea ce de fapt se intamplă in lumea reală a aplicațiilor de iluminat. Din păcate pentru acest moment, comerțul lipsit de oameni cu pregătire tehnică, marketingul adoptat după modelul asiatic, politica “pafaristă tehnic” sau ecologia prost ințeleasă converg de fapt către impingerea in piața de iluminat a foarte multor “gunoaie electronice”.

Autor: drd.ing. Cornel Sfetcu

Notă: articolul a apărut  în numărul 4/2016 al revistei ELECTRICIANUL

Share