Villanyszerelők Lapja

Világítástechnika

A LED-ek fényhasznosítása

LED-ek a világítástechnikában

2017. augusztus 2. | Tóth László okl. villamosmérnök |  2103 | |

A LED-ek fényhasznosítása

A cikkünk egy kisebb sorozat első része, amelyben szeretnénk összefoglalást adni a világítástechnikát forradalmasító szilárdtest-alapú (LED-es) megoldásokról. Igyekszünk megtalálni a középutat a műszaki-tudományos mélyrepülés és a színes-szagos ismeretterjesztés között, hogy egy szélesebb kör számára érthető, de szakmailag mégis a lehető leghelyesebb kifejezésmóddal és tartalommal rendelkező cikket adhassunk át olvasóinknak.

Áldás és átok

A LED, mint a fénykeltés legújabb, széles körben elterjedt, és még mindig terjedő eszköze valóban forradalmasította a világítástechnikát. Az iparban és kereskedelemben sokak számára lehetőség, de néhányak számára lépéskényszer volt a technológiai változás. A LED előtti világban a fényforrások gyártásához több millió, vagy akár több tízmillió dolláros gép- és eszközpark volt szükséges. Ezért a fényforrásgyártók száma viszonylag kevés volt, az előállítás pedig magas szintű és igen speciális technológiai ismereteket, pl. vákuumtechnikai tudást igényelt. Az európai piacon a Philips, Osram, GE, Sylvania négyes dominált. Ezen cégek nemzetközi szabványokon alapuló termékei köré pár tucat nagy és néhány száz kisebb cég tervezett és gyártott lámpatesteket, illetve maguk a fényforrásgyártók is kisebb, vagy jelentős mértékben foglalkoztak lámpatestekkel is. Egy több évtizedes piaci felosztást és ellátási láncot borított fel meglepő hirtelenséggel a LED-es technológia.

Habár az első fehér fényű LED-et már 1995-ben bemutatták és 2 év múlva piacra is került, de még majdnem 10 évnek kellett eltelnie ahhoz, hogy elérjék azt a fejlettségi szintet, hogy fényhasznosításuk és egyéb paramétereik lehetővé tegyék általános világítási célú alkalmazásukat. A 100 lumen/watt-os álomhatárt 2006-ban sikerült átlépni. A tervezési és gyártási módszerek a LED-eket gyakorlatilag az elektronikai iparhoz hozták közel. A lámpatestgyártók már nem függtek úgy a tradicionális fényforrásgyártók szűk körétől, saját maguk, vagy elektronikai összeszerelő partnerek, beszállítók biztosították a nem is feltétlenül cserélhető LED-modulokat. A vákuumtechnikán és volfrámszálon alapuló technológia lejtőre került. Cégek százai nőttek ki a semmiből vagy álltak át, hogy a LED-et, mint lehetőséget meglovagolják, az új ellátási láncban részt vegyenek, vagy csak egyszerűen túléljenek. Mivel a világítástechnikai piac szereplőinek számában nagyságrendi változás következett be, méghozzá igen gyorsan, sajnos a termékek minőségében, műszaki paramétereiben, ár-érték arányában is nyílt az olló. A technológiai belépési küszöb alacsonnyá vált, sok – talán nem sértek meg senkit – sufnicég, és sok lelkiismeretes, szakmailag felkészült kisvállalkozás alakult szerte a világban. Az ok egyszerű, akár egy kíváncsi és az elektronika, esetleg az optika iránt érdeklődő gyermek is tud olyan LED-es eszközt készíteni az íróasztalán, amely tartósan fényt emittál. E véglet és a minőségi, professzionális világítástechnikai cégek között pedig a tér tág és sokféle játékos tölti ki. Szerencsére a piac természetes folyamatai középtávon segítik a rendeződést.

Mi is a LED?

A LED, azaz Light Emitting Diode egy félvezető elem, amely tokozott formában, mint optoelektronikai alkatrész kerül forgalomba. Ár-érték, műszaki paraméterek, alkalmazási cél alapján az arra dedikált szakemberek a gyártók, technológiák és típusok seregéből választhatnak. Fehér fény keltésére a legelterjedtebb megoldás leegyszerűsítve a következő: InGaN (indium-gallium-nitrid) alapú világító dióda kék fény állít elő, amelynek spektrumát a kék fényre hangolt fényporréteg egészíti ki, ezáltal a fénypor összetételétől függően a LED fehér fényt bocsájt ki. Az 1. ábra egy nagyteljesítményű tokozott LED egyik lehetséges, leegyszerűsített felépítését mutatja be.

1. ábra: Egy nagyteljesítményű LED felépítése. 1 Lencse, 2 LED-chip, 3 Szilíciumhordozó, 4 Hűtőtönk, 5 Kivezetés, 6 Tokozás, 7 Mikrohuzalkötés.

A LED, mint felületszerelt alkatrész (SMD), ilyen formában közvetlenül alkalmas nyomtatott áramköri panelre ültetésre. Tipikusan alumínium hordozós paneleket (MCPCB, metal core printed circuit board) alkalmaznak a kedvező hőátadás biztosítására.

Energiahatékonyság

A világítástechnikában a fényforrások és világítótestek energiahatékonyságának leírására a fényhasznosítás fogalmát használjuk. Mértékegysége lm/W, azaz lumen/watt. Azt mutatja meg, hogy a forrás egy watt befektetett teljesítmény mellett hány lumen fényáramot produkál. A fejlesztéseknek köszönhetően a fehér LED-ek fényhasznosítása kitartóan növekszik. Ma már 220 lm/W-os LED is elérhető a kereskedelmi forgalomban, pl. a Samsung LM301B, laborkörülmények között pedig már ennél nagyobb számokról beszélhetünk, de egy dolgot meg kell értenünk: nem elég egy számérték alapján minősítenünk. A szám mögött egy feltételrendszer rejlik, amely az adatlapokból megismerhető. Fontos tudni, hogy milyen korrelált színhőmérsékletű és milyen színvisszaadású a LED, valamint, hogy mekkora a megadott referenciapont hőmérséklete és mekkora a nyitóirányú áram. A másik nagy szempont a gyártási kihozatal, az adott fényhasznosítású LED elérhetősége és ára. Vegyük őket sorban.

Az azonos felépítésű, de különböző korrelált színhőmérsékletre tervezett LED-ek közül a nagyobb színhőmérsékletűnek jobb a fényhasznosítása. Az egyszerűsített magyarázat az, hogy a nagyobb korrelált színhőmérséklethez (magasabb kelvin értékhez) hidegebb, kékesebb fény tartozik, a kisebbhez pedig melegebb, sárgásabb. Ahogy említettük, a LED a fénypor nélkül kék fényt állítana elő.  A kék fény által gerjesztett fénypor egészíti ki a fény spektrumát úgy, hogy az fehér legyen. A most itt nem taglalt Stokes-eltolódás miatt a kék fényből kékesebb hidegfehér fényt előállítani kisebb veszteséggel lehet, mint melegfehéret. A nagyobb színvisszaadási index is hasonló hatással van. A jobb érték, amelyhez vörösben dúsabb spektrum tartozik csak nagyobb konverziós veszteség árán valósítható meg. Ennek kiküszöbölésére egyébként léteznek különleges, úgynevezett hibrid megoldások is, ahol egy közös tokban a kék chip fényporos – ebben az esetben kékből-zöldbe – konverzióját monokromatikus vörös vagy borostyán chippel támogatják meg. A különböző korrelált színhőmérsékletek spektrumaira a 2. ábrán láthatunk példát.

2. ábra: Különböző korrelált színhőmérsékletű LED-ek relatív spektrális intenzitása a hullámhossz függvényében.

Ahogy láttuk, fizikai okai vannak annak, hogy a melegfehér és a hidegfehér LED-ek fényhasznosítása között különbség van, de ahogy a 3. ábrán látszik, ha időben mérjük a különbséget, a hidegfehér LED-ek lemaradása mindössze kb. másfél év. A kutatók pedig igyekeznek a különbséget a lehető legjobban leszorítani, és azt becsülik, hogy 2025-re a fényhasznosítás különbségét lefelezik.

3. ábra: Az amerikai DOE (Department of Energy) előrejelzése a kereskedelmi forgalmú LED-ek fényhasznosításának fejlődéséről 2015-ből. Eltelt két év, és a becslés még jól megállja a helyét.

A fényhasznosítás hőmérséklet- és meghajtóáram függése is fontos szempont, az adatlapokon megtalálhatók a vonatkozó karakterisztikák. Összehasonlításkor azt is érdemes figyelni, hogy fizikailag milyen pontra is vonatkoztatják a hőmérsékleti értéket. Például a már említett 220 lm/W-os LED esetén az állítás akkor igaz, ha Tj=25 °C, azaz a P-N átmenet (junction) hőmérséklete 25 °C. Ezen felül a korrelált színhőmérséklet 5000 K és a nyitóirányú áram 65 mA. A P-N átmenet a LED legforróbb pontja, de a hőmérséklete közvetlenül nem mérhető, ezért a gyártók meg szokták adni azt a termikus modellt, amellyel ez a hőmérséklet egy másik, jól meghatározott és mérhető pontra átszámítható. Ilyen pont lehet például a forrasztási pont, amelynek hőmérsékletét Tsp-vel (solder pad) jelölik.  Egyes LED gyártók megkímélik a felhasználókat és a jelleggörbéket már eleve a mérhető pontra vonatkoztatják. A 4. ábra egy LED összfényárama és a P-N átmenet hőmérséklete közti összefüggést mutatja be.

4. ábra: Cree XP-G3 relatív összfényárama a P-N átmenet hőmérséklet függvényében, Tj = 85 °C-ra normálva.

Amint látható, a kapcsolat a vizsgált tartományban közelítőleg lineáris. Megfelelő hőelvezetés biztosításával a LED összfényárama kedvezően befolyásolható. Tipikusan alumíniumhordozós nyomtatott áramköri panelre (MCPCB, metal core PCB) ültetik a LED-eket a világítótestekben és a kritikusság függvényében igyekeznek a hőt a világítótest külső felületére kicsatolni. Az ábrából is sejthető, a gyakorlati tartományban, ésszerű megoldások mellett maximum a 10%-os nagyságrendbe eső összfényáram eltérés lehet egy adott LED típusnál a jó és a kevésbé jó hűtés között. Ha az ajánlott üzemeltetési hőmérséklet határt betartjuk és katasztrofikus meghibásodással nem kell számolnunk, a LED hőmérsékletének kordában tartása sokkal inkább a hosszú távú stabilitás miatt fontos. A LED-ek az üzemidő függvényében veszítenek az összfényáramukból, és a degradáció annál meredekebb, minél nagyobb a hőmérsékletük. Az összfényáram csökkenésének és így a fényhasznosítás-csökkenésnek oka komplex, a félvezető rácsszerkezetében bekövetkező változások miatti fotonemissziós képesség csökkenésétől a különböző elszíneződésekig sok minden hozzájárul. A 5. ábrán az összfényáram csökkenést szemléltetem a forrasztási pont hőmérsékletének függvényében.

5. ábra: Az összfényáram csökkenésének hosszú távú becslése mérési adatokból, különböző Tsp értékek esetén.

A több tízezer órás tesztek kivárása gyakorlatilag évekre elodázná az új technológiák és termékek piacra kerülését, de szerencsére amerikai szakemberek olyan dokumentumokat adtak ki, amelyeket a nemzetközi szakma is elfogad és használ. Az LM-80-08 a LED fényforrások összfényáram csökkenésének mérési metódusát, míg a TM-21-11 a mérési adatok felhasználásával annak hosszú távú projekcióját írja le. Minél távolabbra becslünk, annál nagyobb a bizonytalanság, ezért a TM-21-11 szerint a mért adatokból maximum hatszoros nyújtást engedhetünk meg, azaz pl. 10 000 órányi mérésből maximum 60 000 órára adhatunk becslést. A 60 000 óra napi 12 óra üzemidővel számolva is több, mint 13 év. A LED gyártók számára a 10 000 óra is egy örökkévalóság, így gyakoribb, hogy új termékeikhez rövidebb, pl. 6000 órás LM-80 riportokat publikálnak a piacra dobáskor.

A LED-ek fényhasznosításával kapcsolatban felsorolásomban utoljára hadd említsem meg a LED-ek gyártói osztályozását (angolul binning). Minden egyes chip (vagy másik angol szóval: die) vizsgálaton megy keresztül és a legtöbb esetben három paraméter alapján szortírozódik és kap azonosító kódot. Ezek az összfényáram (angol terminussal brightness bin), a színességi koordináták és a nyitóirányú feszültség adott vizsgálati körülmények között. Anélkül, hogy elmélyülnénk benne, a fényforrások fényének színe egy x-y számpárossal leírható. A nyitóirányú feszültség osztályozása általában 0,1 V nagyságrendű, az összfényáramé pedig 10 lm nagyságrendű lépcsőkben történik. Minél nagyobb az összfényáram és minél kisebb a villamos teljesítménnyel arányos nyitóirányú feszültség, annál nagyobb a fényhasznosítás. A gyártók nem tudnak minden egyes chipet tökéletesen egyformára alkotni, ezért is osztályozzák őket. Ebből adódik egy statisztikai tény: nem a legnagyobb összfényáramú bin-ből gyártják a legtöbbet, hanem a közepéből. Egyszerű közgazdasági elvek alapján az ár pedig követi a kereslet-kínálatot. Az már a lámpa- vagy világítótest tervezők dolga, hogy kielemezzék, hogy pl. 10-20 lumen/chip extra összfényáramért érdemes-e az adott alkalmazás esetén 5-10% árprémiumot fizetni.

Remélem, hogy egy másik cikkben még visszatérhetek a fényhasznosításra, de annyit szeretnék elöljáróban még kiemelni, hogy a világítótesteknek, LED-moduloknak, és LED-es retrofit fényforrásoknak a LED bár lelke és ténylegesen a fény forrása, de csak egy alkatrésze. A teljes rendszer fényhasznosítását, vagy egy valós applikációban a világítás hatékonyságát, élettartamát még sok faktor befolyásolja: komponens kiválasztási és terméktervezési döntések (meghajtó elektronika hatásfoka, optika, hűtés), gyártási minőség, környezeti paraméterek stb.

Hol a határ?

Van egy elméleti fényhasznosítás maximum, ami nem léphető át. Ez 683 lm/W, ami egy nagyon szélsőséges eset lenne: monokromatikus 555 nm-es hullámhosszúságú fényt állítunk elő úgy, hogy minden befektetett villamos energiából fény lesz, mindenféle veszteség, gyakorlatilag hőveszteség nélkül. Az örökmozgót pedig még nem találták fel, tehát ha minden lehetetlen akadályt leküzdünk, akkor sem tudunk 683 lm/W-nál többet elérni. Ráadásul sajnos hőveszteség pedig van és lesz, ez alól a LED sem kivétel. Látórendszerünk spektrális érzékenysége az úgynevezett V(λ) függvénnyel írható le. Az 555 nm az a hullámhossz, ahol az emberi látórendszer a legérzékenyebb. Mivel monokromatikus fényt nem akarunk, mert általános világítási célra fehér fényt szeretnénk használni, így az elméleti maximum még kisebb. Ez azért van, mert a fény spektrális teljesítményeloszlását a V(λ) függvénnyel súlyozni kell az összfényáram (lumenérték) kiszámításához. Egy adott spektrális intenzitású fénynek adott energiatartalma van, ilyen esetekre az elméleti veszteségmentes maximum azt jelenti, hogy a fény spektrális teljesítmény eloszlásából kiintegrálható teljesítményérték megegyezik a betáplált villamos teljesítménnyel. Azaz, az elméleti maximum spektrumfüggő. A különböző színvisszaadási indexű és korrelált színhőmérsékletű LED-ekre más és más ez az elméleti érték. Az adott spektrumon nanométeres lépcsőkben végighaladva a teljes lumen és a watt is kiszámolható. Szerencsére ezt már megtették mások sokszor helyettem, most hadd idézzek az ingyenes világítástervező szoftveréről ismert DIAL egyik blogjából. A példaszámolások eredményei a 6. ábrán láthatók. A listába referenciaként bekerült egy hagyományos fényforrás is, egy 60 W-os halogénlámpa. Amint látható, még a LED-ekkel is csak a 40-50%-os konverziós hatásfok érhető el, azaz a befektetett energia 50-60%-a még mindig hőveszteségként jelentkezik. Szerencsére, ha kissé belassulva is, de a LED-ek fejlődése folytatódik.

6. ábra: Különböző fényforrások fényhasznosításának valós és elméleti maximális értéke.

Ha 500 lm/W-os fehér LED-ekkel nem is fogunk találkozni sohasem, még fog ránk várni egy-két újdonság.

LEDVilágítástechnika