53
© Iluminare-led.ro http://www.iluminare-led.ro/ Universitatea “Politehnica” din Bucureşti Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei Sisteme moderne de iluminare bazate pe diode LED Anul 2010 Ing. Sereteanu Nicolae

Sisteme de Iluminat Cu Leduri

Embed Size (px)

DESCRIPTION

economic si util

Citation preview

Page 1: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/

Universitatea “Politehnica” din Bucureşti

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Sisteme moderne de iluminare bazate pediode LED

Anul2010

Ing. Sereteanu Nicolae

Page 2: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/

Cuprins

I Introducere

1.1 Considerente generale…………………………………………………………………………..11.2 Teorie despre propagarea si perceperea luminii: …………………………………………….....2

1.2.1 Spectrul, raspunsul ochiului uman………………………………………………………..21.2.2 Unitati de lumina………………………………………………………………………….51.2.3 Puterea si Intensitatea luminii…………………………………………………………….8

II Continutul lucrarii………………………………………………………………………………9

2 Leduri ca surse de lumina………………………………………………………………………9

2.1 Led uri(Diodele emitatoare de lumina)………………………………………………………..9

2.2 Lentile si amestecul culorilor………………………………………………………………....10 2.2.1 Modul de realizare……………………………………………………………………10 2.2.2 Amestecul culorilor…………………………………………………………………..13

2.3 Led-uri pentru sisteme de iluminat……………………………………………………………16 2.3.1 Ledurile SSL si beneficiile acestora…………………………………………………..16 2.3.2 Progrese tehnologice…………………………………………………………………..17 2.3.3 Eficienta luminoasa……………………………………………………………………18 2.3.3.1 Vederea fotopica……………………………………………………………………..20 2.3.4 Durata de viata……………………………………………………………..…………..21 2.3.5 Fluxul/bec……………………………………………………………………………...22 2.3.6 Costul de achizitionare……………………………………………………..………….23 2.3.7 Costul de detinere……………………………………………………………...………24

2.3.8 Randarea culorilor……………………………………………………………………..27 2.3.9 Temperatura de culoare………………………………………………………………..31 2.3.10 Densitatea de putere la intrare in cazul cipurilor si costul per arie de unitate………..33 2.3.11 Lungimile de unda si eficientele cipurilor si fosforilor………………………………37 2.3.12 Provocari……………………………………………………………………………...39

2.4 Beneficii ale sistemelor de iluminat pe baza de Leduri SSL………..…………………………..42 2.4.1 Beneficii in ceea ce priveste energia si mediul inconjurator……………………….....42 2.4.2 Beneficii in ceea ce priveste calitatea luminii si a productivitatii umane…..…………432.5 Tehnologia realizarii blocurilor componente…………………………………………………….45 2.5.1 Substraturi, tampoane(bufferuri) si epitaxie…………………………………………….452.6 Montarea Chip Sus vs Chip jos………………………………………………………………….48

III Concluzii (pag 51)

Page 3: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 1

I Introducere

1.1 Considerente generale

Potentialul de reducere al energiei consumate prin utilizarea schemelor sidispozitivelor de iluminat bazate pe Diode Emitatoare de Lumina este motivul pentrucare am ales realizarea acestei teme de licenta. Pe langa acest lucru, iluminarea cu LED-uri prezinta o serie de multe alte avantaje, dupa cum vom vedea pe parcursul lucrarii,cum ar fi o lumina rece, cost scazut de intretinere al dispozitivelor de iluminat, durata deviata mai lunga decat cea a dispozitivelor conventionale, folosite in prezent, flexibilitatemarita, precum si o manevrabilitate a acestora mai facila.

Aceste aspecte sunt foarte bune intrucat, odata cu cresterea crizei de energie(resursenaturale in scadere), se cauta, pe langa alte surse de energie, si reducerea consumuluiacesteia, sub orice forma, fara insa a pierde din comfort.Cea mai viabila schema deiluminat in ceea ce priveste consumul redus de energie o reprezinta, fara doar si poate,cea bazata pe LED-uri, acestea avand avantaje majore in ceea ce priveste o viata multmai lunga si consum de putere aproape neglijabil in comparatie cu orice alt tip de sursade lumina.

O varietate de surse de lumina cu diferite spectre de emisie pot fi realizate cuajutorul diodelor LED.(Diode emitatoare de lumina).Acest lucru se poate realiza prinmai multe modalitati tehnice: Intr-una din acestea, lumina reflectata poate firedirectionata afara.

O alta metoda consta in utilizarea unui LED de baza de lumina alba care sefoloseste de un LED albastru si elementele asociate acestuia, care include o prisma dinsticla, un strat de polimer flourescent si un element optic de marire a extractiei, sau olentila, astfel incat intreaga lumina emisa de catre stratul de polimer sa fie redirectionatain afara.

Page 4: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 2

1.2 Teorie despre propagarea si perceperea luminii

1.2.1 Spectrul, raspunsul ochiului uman

Lumina reprezinta o forma de energie.Practic, toata energia utilizata zilnic a fost lainceput energia solara care ajungea pe Pamant.Plantele capteaza si stocheaza o parte dinenergia solara si o convertesc in energie chimica.Mai tarziu, omul va folosi acea energiesub forma de hrana sau sub forma de combustibil.Restul energiei solare incalzestesuprafata terestra, aerol si oceanele. Cu ajutorul unei prisme din sticla se poatedemonstra ca lumina alba ce vine de la soare este in fapt constituita din mai multe culoridiferite asa cum voi arata in figura 1.1.

Fig 1.1

O parte din lumina se afla in partea vizibila a spectrului, pe cand anumite lungimi deunda, cum ar fi infrarosul sau ultravioletele(rezele ultraviolete), sunt in partea invizibilaa spectrului.

Ochiul omenesc are raspunsul la lumina asa cum este aratat in figura 1.2a

Page 5: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 3

Figura 1.2 a

Emisia(%) functie de lungime de unda(nm)

Spectrul aflat chiar in afara limitei de sensibilitate “la rosu” a ochiului omenesc senumeste “aproape infrarosu” sau prescurtat IR. Aceasta reprezinta portiunea din spectruutilizata de majoritatea sistemelor actuale de comunicatii bazate pe unde luminoase.Asacum se poate observa in figura 1.1, razele solare reprezinta o sursa foarte puternicapentru aceasta banda de lumina, la fel ca si lampile incandescente standard sau luminade la Blitzurile aparatelor de fotografiat. Insa multe alte surse de lumina create de om,cum ar fi lampile flourescente si lampile stradale de culoare galbena sau alb cu albastru,emit o cantitate foarte mica, chiar infima de lumina infrarosie.

Page 6: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 4

Figura 1.2 b

Sensibilitatea relativa functie de lungimea de unda

Figura 1.2b’

Sensibilitatea relativa la lungimea de unda a ochiului omenesc fata de un senzor CCD

Page 7: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 5

1.2.2 Unitati de lumina

Asa cum se observa in figura 1.2c, un bec incandescent standard cu wolframemite un spectru variat de lumina. Daca am lua in considerare toate lungimile de unda,incluzandu-le si pe cele vizibile de catre ochiul omenesc, puterea electrica a becului laeficienta de conversie a puterii luminii se apropie de 100%. Totusi, o cantitate foartemare din lumina emisa de o asemenea sursa ia forma de lungimi de unda infrarosii decaldura.

Desi considerate ca fiind lumina, lungimile de unda de caldura se afla cu multin afara curbei de raspuns atat in ceea ce priveste ochiul omenesc, cat si detectorul cuSilicon.

In cazul in care se ia in calcul numai portinuea vizibila a spectrului, eficientabecului ar fi numai de 10%, dar pentru un detector care ar fi sensibil la lungimile deunda ale caldurii, eficienta becului ar parea sa se apropie de valoarea de 90%.Acest lucrune aduce in cea mai confuza zona a stiintei:Cum definim luminozitatea sau intensitateaunei surse de lumina?

Figura 1.2 c

Emisia (procente) functie de lungimea de unda(nm)

Page 8: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 6

Nu este deajuns sa emitem ipoteza ca un bec standard de 100 de Wati emite maimulta lumina decat un bec micut de 1 Watt.Desigur, ca in cazul in care am plasa un becmare de 100Watti alaturi de unul mult mai mic, de lanterna, de 1Watt, becul mare vaparea ca emite mai multa lumina.

Dar sunt multi factori de luat in considerare in cadrul definirii luminozitatii uneisurse de lumina.Anumiti factori se refera la natura luminii emise si altii la naturadetectorului folosit pentru masurarea luminii.

In cazul unor dispozitive emitatoare de lumina, cum ar fi becul incandescent cuwolfram, lumina este proiectata in afara in toate directiile(omni-directional).Comparatavizual cu un bec de 1 Watt, lumina emisa de un bec de 100 Watti va aparea intoatdeaunamai puternica.

Totusi, daca am pozitiona becul mic de 1 Watt in fata unei oglinzi, asemenea unuireflector ca la lanterna, lumina care va rezulta din ansamblul astfel format, cu puterea totde 1 Watt, va aparea mult mai intensa decat cea emisa de becul de 100 de Watti,observatia fiind facuta de la distanta de 30 de metri.

Prin urmare, modalitatea de proiectie a luminii de la sursa poate influentaluminozitatea aparenta a sursei. Un exemplu extrem de sursa directionala la nivel foarteinalt il reprezinta laserul. Anumiti laseri cu gaz, la aceasta categorie fiind inclusi si multilaseri comuni cu fascicul rosu din domeniu vizibil(acei pointeri) sunt intr-atat dedirectionali incat raza emisa se imprastie foarte putin.

Spotul puternic de lumina emis poate ramane mic chiar si dupa cateva sute demetri.De asemenea, tratarea diferentiala a anumitor lungimide unda, in detrimentulaltora, de catre un detector de lumina, poate cauza faptul ca anumite surse de lumina saapara mai puternice decat altele. Ca exemplu, se foloseste un detector de lumina cu silicon, in cadrul comparatieiluminii emisa de o lampa de lumina neagra de 100 de Watti care emite luminaultravioleta(invizibila pentru ochiul omenesc) si a unui bec cu wolfram tot de 100 deWatti.La o distanta de doar cativa metri, detectorul cu silicon va indica o cantitate marede lumina emisa de catre becul cu wolfram, insa va detecta foarte putina de la becul cuultraviolete, cu toate ca lumina ultravioleta ar putea cauza arsuri de piele in decurs dedoar cateva minute.

Page 9: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 7

Prin urmare se pune intrebarea care din cele doua becuri este mai puternic in ceea cepriveste intensitatea luminii.Pentru a defini cata lumina este emisa de catre o sursatrebuie specificat mai intai ce lungimi de unda trebuie luate in consideratie.

De asemenea, trebuie asociata o anumita valoare fiecarei lungimi de unda luata incalcul, lucru care se bazeaza pe fiecare detector ce va fi utilizat. In acelasi timp, intrucat multe surse de lumina emit lumina in toate directiile, trebuie

totodata definita geometria masurarii luminii. Se poate dori a fi luata in calcul cantitatea de lumina care este detectata la o anumita

distanta.Lungimile de unda care se doresc a fi masurate depind de instrumentele utilizatepentru masura.

Daca acest instrument este reprezentat chiar de ochiul omenesc, atunci trebuie luate incalcul lungimile de unda vizibile, iar acestea trebuie luate in calcul conform curbei desensibilitate a ochiului omenesc. Daca instrumentul utilizat este un detector cu silicon, atunci se va utiliza graficulcurbei de raspuns al acestuia.In cadrul studiului luminii,exista diferite unitati de masura cum ar fi candela, luxii, lumenii, candela putere, sauWatti pe steradian.

Anumite unitati de masura se refera la energia sursei de lumina, iar altele laputere.Multe unitati de masura iau in considerare numai sensibilitatea ochiului omenesc.

Unitatile de masura a luminii pot fi cu atat mai confuze cand luam in calcul faptulca anumite surse de lumina, cum ar fi becul obisnuit, emit in toate directiile, in timp cealtele, cum ar fi laserii, concentreaza lumina in fascicole inguste.Se presupune ca fiecare sursa de lumina are un spectru distinct de emisie si o geometrieanume de emisie.Fiecare sursa de lumina va trebui astfel tratata diferit, in functie demodalitatea de utilizare.

Daca este utilizata in sisteme de comunicatii optice, va fi luata in calcul doar luminatransmisa pe directia detectorului.De asemenea, trebuie luata in calcul lumina care seincadreaza in curba de raspuns a detectorului utilizat.restul luminii trebuie tratata cafiind pierduta si nefolositoare.

Din moment ce toate sursele de lumina tratate in aceasta lucrare se bazeaza peelectricitate pentru a produce lumina, fiecare sursa va aveao putere electricaaproximativa masurata in watti si putere optica, masurata tot in watti, asa cum undetector cu silicon va percepe.

Se poate utiliza eficienta de putere aproximativa si geometria cunoscuta a luminiiemise pentru a calcula cantitatea de lumina emisa, trimisa pe directia detectorului delumina si colectata de acesta.

Page 10: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 8

1.2.3 Puterea si Intensitatea luminii

Unitatea stiintifica de masurare a puterii este wattul.Cumintensitatea unei surse delumina poate fi descrisa ca fiind puterea luminii, watt-ul reprezinta cea mai buna unitatede masura pentru definirea intensitatii luminii.

Totusi, nu trebuie facuta confuzie intre putere si energie.Energia reprezinta putereainmultita cu timpul.Cu cat o sursa de lumina ramane functionala mai mult timp, cu atatmai multa energie transmite.Majoritatea detectorilor de lumina sunt independenti deenergie.Acestia convertesc puterea luminii in putere electrica

Aproape in acelasi mod cum o sursa de lumina poate converti puterea electrica inputere luminoasa.De specificat ca acesta conversie este independenta de timp.Acestareprezinta un concept foarte important si reprezinta baza multor circuite utilizate incomunicatii. Pentru a ilustra cum acest lucru influenteaza detectia luminii, se considera douasurse de lumina.Una dintre acestea va emite un watt de lumina timp de o secunda , iarcealalta emite un milion de watii pentru doar a milioana parte de secunda.In ambelecazuri se emite aceeasi cantitate de energie.Totusi, intrucat detectoarele de lumina suntsensibile la puterea luminii, pulsul mai scurt de lumina va aparea ca fiind de un milionde ori mai puternic, si , prin urmare, va fi mai facul de detectat.

Acest conceptde sensibilitate a puterii de varf a procesarii luminii reprezinta unconcept foarte important si este adeseori neglijat in cadrul multor sisteme optice decomunicatii care au aparut in diverse publicatii

Page 11: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 9

II Continutul lucrarii

2.1 Led uri(Diodele emitatoare de lumina)

Exista o varietate larga de surse de lumina care se pot utiliza in scopuliluminarii.Categoria pe care o voi trata in aceasta lucrare o reprezinta LED-urile.

Diodele emitatoare de lumina deschid calea unei eficacitate in iluminare, precum siunei eficiente in ceea ce priveste consumul energiei electrice.Pentru dioda InGaN,eficienta totala scade odata cu cresterea lungimii de unda. Asadar, cu toate ca Led-urilerosii si LED-urile albastre au atins o eficienta record, eficienta LED urilor verzi esteredusa dramatic.Led-urile verzi nu sunt utilizate in producerea luminii “albe” datoritaacestei eficiente scazute. In schimb, solutia practica este de a utiliza un fosfor, tipic Ce dopat YAG plasat

direct pe LED ul albastru in scopul realizarii unui element de lumina aproximativ alba. Aceasta metoda a devenit foarte eficace, in ciuda faptului carandarea de culoare este

oarecum slaba datorita fosforului, care are un maxim larg in zona galbena, si o zona decadere in regiunea rosie. Fosforul trebuie plasat uniform, cu aceeasi grosime, plasat intr-o matrice de siliconastfel incat sa stea fix, insa dezavatajul este ca daca devine prea gros va constitui unimpediment luminii emise de el insusi.Functionalitatea se pastreaza, astfel ca luminaalbastra sa fie absorbita, iar lumina galbena emisa,insa lumina galbena emisa din directiaopusa intampina probleme intrucat aceasta trebuie emisa din interiorul LED ului siimplicit trebuie sa treaca prin stratul de fosfor(care este dens si prezinta un grad deimprastiere destul de ridicat). In ciuda dificultatilor acestei metode, aceasta are un foarte mare succes datoritasimplitatii in comparatie, de exemplu, cu utilizarea separata a ledurilor rosii,verzi(portiunea verde a spectrului include, de asemenea, lumina galbena) si albastre,combinate in scopul realizarii unei lampi “albe”. Un alb cald poate fi creat cu o pierdere de eficacitate prin adaugarea unui fosfor rosuYAG:Ce-ului galben, si exista o abundenta de fosfori din care se poate face alegerea.

Exista o noua dezvoltare a acestei tehnici care promite realizarea unui fosfor solidieftin, oferita de firma Nippon Sheet Glass.Lumina emisa din spate poate trece prinstratul de fosfor cu mai multa usurinta din moment ce stratul de fosfor nu mai prezintaimprastiere.

Page 12: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 10

Exista de asemenea solutii propuse care permit ambelor emisfere(intreaga emisiesferica dintr-un strat de fosfor) sa scape.

O vopsea, spre deosebire de pudra de fosfor anorganica, poate fi cu usurinta facutafoto-permisiva.Astfel incat, prin imprastierea unei vopsele avand o suprafata maimare(sau volum mai mare) si avand densitati de energie mai mici, se asigura conditiilenecesare ca un sistem de vopseluri sa functioneze.

La polul opus, o pudra anorganica de fosfor poate fi aplicata direct pe suprafataledului.Mai mult, multe pudre de fosfor anorganice sunt suficient de robuste incat sapermita aplicarea directa pe o suprafata de iluminare intensa(lumina albastra si UVprezinta, de asemenea energie mai mare)

2.2 Lentile si amestecul culorilor

2.2.1 Modul de realizare

Led-ul poate fi plasat la un capat al unei baghete de index foarte refractiv.Intreagalumina emisa de Led va fi capturata de fata de intrare a baghetei si canalizata catre fatade iesire.Acolo, un plastic sau un o portiune de polimer poate fi pozitionat astfel incatsaaiba incastrat un strat de vopsea.

Aceasta va trebui sa fie foarte sensibila la lumina emisa de catre Led si sa emita, deasemenea, lumina, pe o lungime de unda mai mare, cu eficienta cuantica interna maimare de 80%.O lentila sau alta structura cu rol de extractie va fi pozitionata dupapolimer(in mod ideal cuplata optic cu acesta), astfel incat lumina emisa de pe stratul depolimer vopsit sa iasa in aer in emisfera dinainte.

Lumina va fi emisa izotrop in mediul polimeric(care este de preferat sa fie polistirensau toluen de polivinil).Se ia in calcul si lumina emisa spre emisfera din spate.

Reflectia Interna Totala(RIT-en.TIR) are efect in lateralul baghetei, prin urmare nuva scapa lumina pe fetele laterale.Partea din spate este imbracata cu o oglinda, cu o micadeschizatura astfel incat lumina Led-ului sa patrunda, iar marimea ideala a baghetei este

Page 13: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 11

determinata de considerentele de cost, dar cu intelegerea faptului ca cu cat mai mare vafi zona de Led a baghetei, cu atat eficienta va creste.

Figura 2.1

In figura de mai sus, Ledul notat cu 310 este montat pe o placa imbracata demetal(notata 320). cu o prisma optica rectangulara sau in forma de piramida 330 care arerolul de a redirectiona lumina care se duce in spate generata de stratul de polimerconvertor de lungime de unda(340), catre o directie inainte notata pe figura cu 360.

Dupa ce va trece fara imprastiere prin polimerul vopsit(340), poate sa iasa in aer 370,cu ajutorul unui dispozitiv optic exterior, cum este lentila 350(emisferica, confectionatadin plastic, sticlasau polimer tratat cum ar fi siliconul) Avem un led de 1x1 mm, o prisma de 8x8x8 mm plasata astfel incat aproape saatinga suprafata Led-ului.La fata de intrare se monteaza o oglinda pentru apertura de 1x1mm.In acest caz, mai mult de 99% din lumina emisa in spate de catre polimer esteredirectionata in emisfera din fata si devine lumina folositoare, asa cum este ilustrat infigura 2.2.

Page 14: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 12

Figura 2.2

Micsorand bagheta la dimensiunile de 5x5x5 mm se observa ca eficienta frontala(deinainte) ma scadea numai cu 1%.Multe din razele care lovesc suprafata de intrare aaperturii Led sunt de un unghi suficient de mare astfel incat vor fi in totalitate reflectateintern, asadar aceasta apertura nu trebuie sa fie cat de mica cu putinta..Prin urmare,tolerantele la realizare sunt reduse. Cu o distanta mai mare dintre Led si bagheta, se poate lua in calcul o deschizaturaoglindita mai mare in partea frontala a bagghetei. Pentru o bagheta de 6x6x6 mm cu o fata de intrare avant o deschizatura de 2x2 mm,eficienta luminii emise in spate si apoi reflectata inafara de catre sistemul optic va fi de96%.

Page 15: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 13

2.2.2 Amestecul culorilor

Pentru a se realiza un cost redus, se utilizeaza un mediu flourescent plasat pe Ledcare are rolul de a schimba culoarea radiatiei emise. Exista anumite vopseluri care sunt mixate in polimeri cu aplicatii care sa converteascalumina albastra in lungimi de unda verzi, oranj sau rosu.Aceaste asa numite Fibre deschimbare a lungimilor de unda sunt confectionate din polistiren vopsit, dar aceleasivopseluri pot fi mixate in acrilici , poliviniltroluen sau orice alt plastic potrivit..Deasemenea, aceste vopseluri pot fi combinate cu rasena epoxilica sau siliconata, siutilizate ca parte din adeziv optic.mai mult, aceste vopseluri pot fi combinate in scopulcrearii luminii de iesire galbena, in orice concentratie sau cantitate. Alegand concentratia ideala de doar 30% a luminii albastre emisa de Led, 70% dinaceasta poate fi absorbita si convertita in lungimi de unda corespunzatoare culorilorverde si rosu, asadar realizand o lumina alba sau un sistem de iluminat RGB, cucaracteristicile spectrale de iesire dorite, date de caracteristicile spectrale de emisie avopselei , precum si a spectrului Led-ului. Un sistem bazat pe Led multicolor include o sursa emitatoare de lumina Led de celputin o culoare selectata, o vopsea flourescenta pozitionata astfel incat sa receptionezelumina emisa de Led, pe cand lumina Led-ului ce va trece prin vopseaua flourescenta saemita lumina flourescenta in directia inainte, dar si inapoi, iar un element opticpozitionat intre Led-ul emitator de lumina si vopseaua flourescenta sa redirectionezelumina florescenta emisa din directia inapoi in directia inainte. Figura 5 arata intensitatea luminantei de iesire in functie de lungimea de unda in cazulvopselei Kurray Y-11(vopsea K27) 510, BCF-60,530, si Kurray R-3, 540, si deasemenea Led Cree albastru 520, ca referinta Vopselurile disponibile acopera spectrul vizibil si pot fi cu usurinta combinate in oricecantitate dorita si in asemenea maniera astfel incat sa devina o tehnica repetitiva care sapoata fi integrata cu usurinta intr-un mediu de productie.Asemenea vopseluri suntproduse de firme atat din USA cat si din Japonia

Page 16: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 14

Figura 2.3

Adaugand o culoare galben-verzuie emisa de catre polimerul vopsit unui Led puralbastru se obtine un Led aproape alb.Mai mult, adaugand o vopsea rosie polimerului,sau punand un polimer vopsit in rosu peste un polimer vopsit in verde, se poate obtineun sistem echilibrat de culoare alba.

Figura 2.4 arata un grafic al lungimilor de unda emise de o combinatie de Ledalbastru cu vopsea verde 610 sau dintre Led albastru cu vopsea verde si rosie 620.Curba620 prezinta un “punct alb” la CIE(Comisia internationala de iluminare) x, y=0.30,0.30care este foarte apropiat de standardul de iluminare D65(x=0.3127,y=0.3291).Aceastaculoare va fi perceputa de catre ochiul uman ca fiind un alb de o calitate foarte ridicata.

Page 17: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 15

Figura 2.4

Intrucat polimerul vopsit este practic transparent pentru lungimile mai mari deunda(neabsorbant), lumina rosie poate fi adaugata prin adaugarea de Leduri rosiiaproape de cele albastre si emitand cel putin partial prin stratul vopsit, combinand spatialcu emisia Ledului albastru si cu emisia vopselei verde pentru a obtine alburi de diferitecalitati(de remarcat ca oricare din aceste spectre sunt acceptate pentru iluminat general).

Adaugarea lungimilor de unda corespunzatoare culorii rosu este de preferat, inscopul imbunatatirii calitatii culorii sursei de lumina.. O alta metoda de combinare a culorilor consta dintr-un sistem bazat pe o diodaemitatoare de lumina multicolora, constand din sursa emitatoare de lumina rosie, unde sursa Led poate avea una sau mai multe

colori. vopsea flourescenta pozitionata astfel incat sa receptioneze lumina emisa de Led, in

timp ce lumina emisa de \led ce trece prin vopseaua flourescenta sa emita luminaflourescenta de una sau mai multe culori, pe cand vopseaua flourescenta sa fie in

Page 18: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 16

mod general transparenta luminii flourescente emise, si sa existe de ademenea, unspatiu intre vopseaua flourescenta si Led.

O metoda de a genera un sistem de iluminare RGB(rosu albastru verde), utilizand unLed ca element de baza de iluminat, are urmatorii pasi: aplicarea unui potential Ledului pentru a genera lumina in cel putin o culoare

selectata pozitionarea unei vopsele flourescente in scopul captarii luminii emise de Led, iar

lumina emisa de led ce va trece prin stratul de vopsea flourescenta sa emitalumina flourescenta de una sau mai multe culori , alta/altele decat culoareaselectata, iar vopseaua flourescenta sa fie transparenta pentru lumina flourescenta

emisa.De asemenea trebuie sa existe un spatiu intre vopseaua flourescenta si Led.

Lumina florescenta este emisa in directia inainte, dar si in directia inapoi.Cea emisain directia inapoi va fi reflectata in directia inainte de catre un element optic pozitionatin spatiul dintre sursa Led si vopseaua flourescenta, iar lumina flourescenta va cuprindelumina RGB

2.3 Led-uri pentru sisteme de iluminat

2.3.1 Ledurile SSL si beneficiile acestora

Luminarea in stare solida(Solid-State Lighting) prin intermediul Ledurilor(SSL-LEDs) reprezinta utilizarea de diode semiconductoare anorganice, in stare solida pentruproducerea de lumina alba in scopul iluminarii.Asemenea tranzistorilor semiconductorianorganici, Ledurile SSL reprezinta o tehnologie disruptiva ce are potentialul de inlocuituburile cu vid sau cu gaz(cum ar fi cele utilizate in lampile incandescente traditionale)utilizate cu scopul iluminarii. Eficienta sporita si versabilitatea asigurata de catre Ledurile SSL, in detrimentultuburilor traditionale cu vid sau gaz va asigura: Reduceri substantiale in ceea ce priveste consumul de energie electrica Reduceri substantiale in ceea ce priveste poluarea cu carbon sau derivatele

acestuia Imbunatatire substantiala in ceea ce priveste experienta vizuala umana generala.

Page 19: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 17

Crearea de noi tehnologii ale semiconductorilor cu beneficii vadite in ceea cepriveste competitivitatea economica.

Crearea unei industrii cu totul noua in domeniul optoelectronicii, cu multe locuride munca, de calitate inalta

Economii substantiale pentru consumatorul de rand, fie el persoana fizica,persoana juridica sau municipalitate.

2.3.2 Progrese si tinte tehnologice

Tintele de performanta ale ledurilor SSL(presupunandu-se sprijin financiar pentrucercetare asigurat atat de stat cat si de universitati), sunt ca in tablelul urmator:

Tabel 2.1

Observam asadar cum au stat lucrurile in 2002, 2007, si cum se pronosticheaza sa fiepentru 2012 si 2020.

Odata cu tehnologia utilizata a crescut atat timpul de viata al Ledurilor ssl, cat sieficacitatea luminoasa , fluxul , gama de randare a culorilor emise, in acelasi timpscazand costul atat per lumen cat si per lampa.Toate aceste aspecte in detrimentulsurselor de lumina incandescente sau flourescente.

In prezent sursele de lumina bazate pe Leduri SSL deja concureaza cu sursele delumina incandescente, iar in viitorul foarte apropiat vor concura lejer si cu surseleflourescente.

Page 20: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 18

2.3.3 Eficienta luminoasa

Una din principalele caracteristici ale unei surse de lumina o reprezinta eficientaluminoasa (lm/W): eficienta conversiei din putere electrica (W) in putere optica (W),combinata cu eficienta conversiei din putere optica(W) in flux luminos (lumen = lm)perceput de ochiul omenesc in cadrul curba de raspuns spectral, despre care am discutatanterior.

Eficienta luminoasa a radiatiei monocromatice K(λ) la o anume lungime de unda λeste prezentata in figura 2.5, si se defineste caK(λ) = Km x V(λ), unde Km = 683 lm/W, si V(λ) reprezintaCIE- definita ca dependenta de lungimea de unda eficienta luminoasa spectrala. K(λ)reprezinta maximul teoretic al eficientei sursei de lumina la o lungime de unda data.

Lumina monocromatica la 555nm, la care isi are maximul sensibilitatea vederiiomeneasti are o eficienta luminoasa maxima de 683 lm/W; lumina monocromatica la450 nm are e eficienta kuminoasa maxima de numai 26lm/W. Eficienta luminoasa a radiatiei policromatice reprezinta o convolutie dintre distributiasa spectrala S(λ) si eficienta luminoasa a radiatiei K(λ):

Figura 2.5. Eficienta luminoasa, K(λ), a radiatiei monocromatice de lungime de unda λ. Mai suntprezentate si eficiente luminoase ale unor Leduri monocromatice de cea mai noua tehnologie, si,

de asemenea, diverse tehnologii(sagetile din partea dreapta)Sursa graficului:

M.G. Craford, LumiLeds.

Page 21: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 19

Prin urmare, pentru a produce o eficienta luminoasa marita, distributia spectrala deputere a sursei de lumina S(λ) va trebui sa acopere cat de bine cu putinta eficientaluminoasa a viziunii fotopice V(λ).Intr-adevar, diferenta dintre eficienta luminoasa aunui emitator de banda larga si a unuia de banda ingusta este descrisa de ecuatiaurmatoare, pe care am enuntat-o si in pagina precedenta:

Dezavantajul major a unui emitator de lumina cu corp negru de banda larga, estefaptul ca emite lumina la anumite lungimi de unda la care eficienta luminoasa a viziuniifotopice este aproape zero.

Principalul si marele avantaj al unui emitator de lumina de banda ingusta este faptulca poate fi setat astfel incat sa emita lumina la anumite lungimi de unda unde eficientaluminoasa a vederii fotopice este mare. In figura urmatoare este descrisa evolutia din ultimele patru decenii ale eficienteiluminoase totale a unur surse de iluminat variate de stare solida(SSL) Progresul este pur si simplu spectaculos.Recent, firmele LumiLeds si Philips au anuntat dezvoltarea unui LED de 610 nm (orange/red) cu o eficienta luminoasa de100lm/W; Totodata a fost dezvoltat si un Led bazat pe InGaN ce are eficienta luminoasaaproximativ 50 lm/W. Progresele de genul acesta nu pot continua la infinit, intrucat eficientele luminoasesunt limitate de catre K(λ) in cazul luminii monocromatice si de ecuatia de mai sus incazul luminii albe. Totusi se anticipeaza un progres continuu si semnificant in ceea cepriveste acest lucru.

Momentan, eficienta luminoasa pentru Ledurile albe este de ordinul 25 lm/W.Tinetelacestei tehnologii este sa se ajunga la , 150 lm/W pana in 2012, si 200 lm/W pana inanul 2020. Ca o comparatie,eficienta luminoasa a surselor de lumina incandescente si flourescentesunt de 16 lm/W respectiv de 85 lm/W, care sunt de 10 ori, respectiv de doua ori maimici decat ceea ce este anticipat pentru 2012 in cazul Ledurilor SSL.

Page 22: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 20

Figura 2.6. Evolutia eficientei totale a tehnologiei de iluminat bazata pe staresolida.(SSL). Avem si eficientele tipice pentru tehnologiile traditionale cu surse

incandescente si flourescente.

2.3.3.1 Vederea fotopica

Pentru ca in subcapitolul anterior am discutat depre vederea fotopica, trebuie samentionez ca aceasta reprezinta tipul de vedere al ochiului in conditii de iluminarefoarte buna.

La om si la multe animale, vederea fotopica permite perceptia culorilor.Aceastaeste mediata de celulele con. Ochiul omenesc utilizeaza trei tipuri de conuri pentru a percepe lumina in trei benzide culori.Pigmentii naturali ai conurilor a au valori maxime de absorptie la lungimi deunda de aproximativ 420 nm (albastru), 534 nm (verde albastrui), respectiv 564 nm(verde galbui).Ariile lor de sensibilitate se suprapun astfel incat se asigura vedereaintregului spectru de culori.

Eficienta maxima este de 683 de lumeni per Wat la o lungime de unda de 555nm(verde).

Page 23: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 21

Ca o adaugire, ochiul omenesc utilizeaza vederea scotopica in conditii de iluminareslaba si vederea mesopica in conditii intermediare.

Figura 2.7.Luminozitatea fotopica.Pe axa x avem lungimea de unda in nanometri.

2.3.4 Durata de viata

O caracteristica primara si foarte importanta a unei surse de iluminat o reprezinta,fara doar si poate, durata de viata a acesteia.Aceasta poate fi (si este), definita in maimulte feluri, depinzand de sursa de lumina.

In era”incandescenta” a lui Edison, durata de viata era definita ca fiind momentul incare 50% din becuri cedeaza. In cazul Ledurilor SSL, durata de viata poate fi considerata uneori durata mediedinainte de cedare, dar recent este considerata ca fiind 50% din nivelul de depreciere alumenului.Indiferent de cum se masoara, duratele de viata pentru Ledurile SSL suntlungi, ceea ce reprezinta un factor important in ceea ce priveste penetrarea Ledurilor incadrul aplicatiilor de semnalizare(semafoare, afisaje, automatizari), care au costuri maripentru munca de inlocuire(manopera) si consecinte majore in ceea ce priveste sigurantain cazul in care cedeaza. Desigur ca, pretul sigurantei si cel al inlocuirii variaza mult cu aplicatia in care suntfolosite Ledurile, si acest fapt determina un spectru de nevoi pentru durate de viata

Page 24: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 22

variate.Pentru utilizarea dominanta a luminii albe, in cazul iluminatului industrial si debirou, o durata de viata de 20.000 de ore poate fi considerata foarte lunga. Intr-un birou tipic, unde un bec poate fi utilizat si 60 de ore pe saptamana, 50 desaptamani pe an, 20.000 de ore corespund unei durate de viata de 7 ani.Totusi, intr-ofabrica ce functioneaza in regim 24/7, 20.000 de ore ar corespunde unei durate de viatade 2.3 ani. 20.000 de ore insa erau durata de viata a ledurilor SSL in anul 2007, iar in 2012 va fide peste 100.000 de ore. .Ceea ce insemna practic ca nu veti mai inlocui becurile sauneoanele de cate ori acestea se ard.Coroborat cu consumul extrem de redus deelectricitate, nu numai ca se va amortiza cheltuiala, dar se va iesi si in castig. Aceasta cifra, de 100.000 de ore ca durata de viata, va satisface pana si cele mai

solicitante aplicatii, insa o durata de viata de peste 20.000 de ore este mai mult decatsuficienta pentru marea majoritate a aplicatiilor.

2.3.5 Fluxul/Bec

Un al treilea atribut al unei sursa de lumina este reprezentat de lumina totala produsaper bec, sau lumeni per lampa. In figura 2.8 este prezentat progresul substantial care a fost facut in ultimele 3 deceniiin ceea ce priveste cresterea fluxului luminos obtinut de la lampi Led monocromatice deculoare rosie.

Lampile indicatoare tipice cu Leduri conventionale au aria de (0.25mm)x(0.25mm),si sunt montate in grupuri, astfel incat sa poata utiliza aproximativ 0.1 Watti, si sa emitaintre 1-2 lumeni.Chipurile mai mari, de pana la 1mm patrat in suprafata, erau cuplateastfel incat sa poata functionala la cativa Watti, iar acum sunt disponibile cu iesire dezeci de lumeni, si sute de miliwati ca putere optica.Asemenea grupari sunt utilizatepentru lumini de semnalizare rosii sau verzi, in special la semaforizari.

Chiar si chipurile mai mari, care emit sute sau chiar mii de lumeni la o putere deintrare de zeci de W, vor concura cu tehnologiile traditionale incandescente siflourescente. Un bec incandescent traditional de 75W, cu o eficienta luminoasa de 16 lm/W,

emite 1.2klm.

Page 25: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 23

Un neon traditional de 40 W, cu o eficienta luminoasa de 85 lm/W, emiteaproximativ 3.4klm.

In 2007 se atinsesera valori de flux/pachet de 200 lm/lampa, in 2012 vor fi 1000lumeni/lampa, iar in 2050 se estimeaza o valoare de 1500 lm/ lampa.

Figura 2.8:Evolutia in lumeni/pachet si cost/lm pentru Led rosu

2.3.6 Costul de achizitionare

Al patrulea atribut al unei surse de lumina reprezinta costul OEM derealizare(pentru furnizor), sau, cu adaosul de rigoare, costul de cumparare de ladistribuitor(pretul platit de catre consumator), care se masoara in unitati de dolar/klumen.

Pentru a putea concura cu sursele clasice de iluminat, costurile acestei tehnologii desolid state lightning(SSL) trebuie sa fie undeva la 5$/Klm.In 2007 costul era de 20$/Klm

Page 26: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 24

iar in 2012 va fi mai mic de 5$/Klm, estimandu-se ca in 2020 costul sa fie mai mic de2$/klm.

De remarcat ca costul de iluminare per lampa reprezinta costul pe lumen inmultitcu numarul de lumeni per lampa, prin urmare, tinta de cost la achizitie pentru 2012 va fimai mica de 5$/bec.Ceea ce se intampla si in prezent pentru anumite becuri cu led, insadoar la pretul de achizitie de la fabrica.Insa pana in 2012 preturile vor scadeaconsiderabil, iar costul de realizare(OEM) al unei lampi va fi de 2 ordine mai mic.

De asemenea trebuie remarcat faptul ca costul per klm trebuie sa scada de 40 de ori,ceea ce in mod clar reprezinta o provocare,insa este clar ca acest lucru esterealizabil.Una dintre metode reprezinta o crestere in eficienta conversiei deputere(probabil chiar de 6 ori mai mare).

De remarcat este faptul ca in general prin astfel de cresteri ale eficientei de conversiein putere costurile Ledurilor ilustrate in figura 10 au scazut atat de mult in ultimii ani, deaproape 10 ori pe decada.

O alta metoda ar fi cresterea densitatii puterii de intrare, si management termicimbunatatit al chipului, de inca 5 ori, si inca o metoda ar fi prin scaderea costului derealizare al chipului(de inca o data si jumatate).Produsul acestor factori reprezinta oscadere a costului de 40 de ori.

2.3.7 Costul de detinere

Al cincilea atribut al oricarei sursa de lumina, care reprezinta o combinatie acaracteristicilor discutate precedent, este reprezentat de costul de “detinere”. Acesta poate fi vazut ca fiind cifra de merit pentru caracteristica economica aLedurilor bazate pe tehnologie SSL.O cifra de merit reprezinta cantitatea utilizata pentrucaracterizarea performantei unui dispozitiv, sistem sau metoda, relativ la alternativeleacestuia.In inginerie, cifrele de merit sunt adesea definite pentru materiale saudispozitive particulare in scopul determinarii utilizatii relative a acestora pentru oanume aplicatie.In comert, aceste cifre sunt adesea utilizate ca o unealta de marketingpentru convingerea consumatorilor sa aleaga o anumita marca(un anume brand)Aceasta cifra de merit, in cazul nostru, reprezinta suma a doua costuri:operare si capital:

Page 27: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 25

Costul de operare reprezinta media dintre costul combustibilului si eficientaluminoasa(eficienta cu care combustibilul este consumat pentru a crea luminautilizabila).Acest cost se calculeaza direct, fiind dat un pret de electricitate, si eficienteleluminoase discutate mai devreme. Consideram, de exemplu, un cost al energiei electrice de 10¢ /(kWhr).

Costul capital reprezinta costul de achizitie a becului sau lampii, plus costulmanoperei de inlocuire a becului sau lampii, cand aceasta se defecteaza, ambele fiindamortizate pe parcursul duratei de viata.Pentru costul de achizitie, utuilizam costurile discutate anterior.Totusi, pentru durata deviata, consideram un timp de defectare de 20.000 de ore-cu alte cuvinte, din moment ceo lampa are o durata de viata mai mare de 20.000 de ore, poate fi, considerata, pentrumarea majoritate a aplicatiilor, infinita durata de viata.Mai degraba s-ar defecta montajulin care este fixat becul, decat becul insusi, sau vreun alt aspect al sistemului de iluminatcare tine de infrastructura. Pentru manopera de inlocuire a lampii, utilizam 1$ pe inlocuire, impartit laflux/lampa, cifrele aflandu-se mai sus.Acest cost de manopera presupune o rata de15$/ora si 4 minute per lampa in cazul inlocuirii.

Costurile de operare si achizitie asociate tehnologiilor traditionale de iluminat, cat sicele asumate pentruLeduri SSL, discutate precedent, sunt ilustrate grafic in figura 2.9

Page 28: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 26

Figura 2.9. Costurile de Achizitie si Operare asociate lampilor traditionale cat si lampilor cuLedSSL. Suma celor doua costuri reprezinta costul de detinere.Curba verde reprezinta curba de

cost pentru detinere ISO pentru iluminat bazat pe tehnologie incandescenta.Curba Movreprezinta curba de cost pentru detinere ISO pentru iluminat bazat pe tehnologie incandescenta

Pentru lampile incandescente si flourescente, costurile de detinere sunt in principaldeterminate de costurile de operare, si , pentru un pret comun al energiei electrice, deeficacitatile luminoase.Din moment de lampile flourescente sunt aproximativ de 5 orimai eficiente decat lampile incandescente, costul acestora de detinere, si costul iso dedetinere, este de asemenea aproximativ de 5 ori mai mic.

In cazul iluminariii bazata pe tehnologia SSL, opusul este adevarat:costurile dedetinere sunt in prezent determinate indeosebi de costul capital.Prin urmare, o provocaremajora pentru tehnologia cu Leduri SSL este aceea de a reduce costul capital.

In cazul in care tintele propuse pentru Ledurile SSL atat pentru costurile deachizitie, cat si pentru cele de operare sunt indeplinite simultan, se poate observa cuusurinta din figura 2.9 ca costurile de detinere vor scadea dramatic. Cu 4 ani in urma,costurile de detinere al Ledurilor SSL erau de 2 ori mai mari decat cele ale becurilor

Page 29: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 27

incandescente si de 10 ori mai mari decat cele ale neoanelor flourescente.In 2007, acestecosturi au scazut sub cele ale surselor de lumina incandescente, dar erau inca mai maridecat ale celor flourescente.In 2012 costul de detinere va fi comparabil, si chiar mai micdecat costurile surselor flourescente.In 2020, costurile de detinere pe viata a LedurilorSSL vor fi de doua ori mai mici decat cele ale lampilor flourescente.

Pentru a prezenta aceste data din perspectiva istorica, figura 2.10 arata costurile dedetinere ale luminii pentru ultimii 200 de ani.Trendul reprezinta o decimare in scadereodata la 50-60 de ani.De asemenea, pe graficul tintelor SSL-LED II, se ilustreaza anii2007, 2012 si 2020 in ceea ce priveste trendul acestor tinte.Atunci cand costul capital alLedurilor SSl devine mic astfel incat costurile de detinere sunt dominate de costurile deoperare, iar eficientele luminoase se apropie de 100%, nu prea va mai exista loc deimbunatatiri.

O scadere mai mare in ceea ce priveste costurile de detinere va trebui sa vina dinscaderea costului energiei electrice, sau a eficientei cu care lumina este utilizata.

Figura 2.10.Costul estimat de detinere al luminii, pentru becuri incandescente, pentru lampiflourescente si pentru Leduri SSL

2.3.8 Randarea Culorilor

A sasea caracteristica a unei sursa de lumina este reprezentata de abilitatea acesteaiade a randa fidel culorile obiectelor non albe pe care le ilumineazaO masura cantitativa afidelitatii randarii culorilor este indexul randarii culorilor(CRI).

Page 30: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 28

Aceasta masura este bazata pe compararea culorilor randate de o sursa data delumina cu colorile randate de o sursa “perfecta” considerata de referinta, care sa aibeacelasi CCT-iluminarea pe timp de zi pentru CCTuri este mai mare decat 5000K siluminarea Plankiana de corp negru pentru CCT uri este mai mica decat 5000K. Comparatia este facuta pentru un set de culori esantion.Media randarii de culoripentru fiecare dintre eceste esantioane da Indexul General de Randare a Culorilor Rapentru o sursa de lumina. Avand o valoare maxima de 100, Ra ofera o scara care se potriveste destul de binecu impresia vizuala a randarii culorilor a scenelor iluminate.De exemplu, lampile care auRa ul mai mare decat 80 sunt considerate de calitate mare si potrivite pentru iluminatulde interior, cat timp lampile ce au un Ra mai mare decat 95 sunt bune pentru a fiutilizate pentru aplicatii de inspectie vizuala.

Totusi, Ra nu este un tip perfect de masurare a calitatii randarii culorilor.Sebazeaza pe presupunerea ca spectrul continuu al unui corp negru va randa cel mai bineculorile.Datorita complexitatii sistemului vizual omenesc, acest lucru nu va fiintotdeauna adevarat:inlaturand anumite regiuni de lungime de unda(de exempluregiunea lungimii de unda la 590nm, utilizata la lampile incandescente de tip “Reveal-descopera”) se poate uneori amplifica perceptia culorilor a sistemului vizual omenesc. Asadar, este important sa se dezvolte noi masuri pentru calitatea culorilor, inparticular pentru Ledurile SSL, care sa aiba capacitatea unei umpleri selective aspectrului lungimilor de unda. Cum CRI este cea mai buna masura actuala acceptata in ceea ce priveste randareaculorilor, il folosim ca masura interimara pentru Ledurile SSL.In 2007 se atinsese ovaloare de 80 a CRI ului, ceea ce insemna o iluminare de calitate medie, iar in prezentvaloarea CRI a depasit 80 ceea ce insemna o iluminare de calitate superioara. Ce remarcat este faptul ca exista o legatura invers proportionala intre randareabuna a culorii si eficacitatea luminoasa.Cea mai buna randare a culorii este realizata delumina la multe lungimi de unda, in timp ce cea mai buna eficacitate luminoasa esteatinsa la lumina concentrata la lungimea de unda verde-galbuie(555nm), la care este celmai sensibil ochiul omenesc. La o extrema, o lampa cu sodiu de presiune scazuta(avand o culoare orangedeschis, utilizata la iluminatul stradal sau al parcarilor) are o eficienta luminoasa deaproape 200 lm/W, cea mai mare dintre lampile cu descarcare, insa culorile nu se distingprea bine: o masina rosie va aparea sa aiba culoarea gri. La cealalta extrema, o lampa cu xenon, cu un spectru foarte similar cu cel alluminii naturale de zi, care prezinta o randare excelenta a culorii , are o eficacitateluminoasa de numai 30 lm/W. Pentru a ilustra aceasta legatura de natura invers proportionala dintre CRI sieficacitatea luminoasa, figura 2.11 arata rezultatele simularilor in care, pentru otemperatura de culoare stabilita, lungimile de unda si densitatile de putere ale 2 3 4 si 5-

Page 31: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 29

surse colore de lumina alba au fost modificate in scopul deducerii anvelopei maximuluiCRI si al eficacitatii luminoase. Pe masura ce eficacitatea luminoasa maxima descreste, CRI ul maxim creste, cattimp lungimile de unda “se umplu” si se indeparteaza spre extremele spectrului vizibil. Mai mult, anvelopa CRI ului maxim si al eficientei luminoase depinde foarte mult denumarul lungimilor de unda.CRI-ul maxim incepe sa fie saturat la 3 pentru a 2 a sursa deculoare, la 85 pentru a 3 a sursa de culoare, la95 pentru a 4 a sursa de culoare si la 98pentru a cincea sursa de culoare.

Figura 2.11.Anvelopa maximului CRI si al eficientei luminoase pentru surse multi LED delumina alba cu latimi de linie FWHM de 30 nm la o temperatura de culoare de 4870K

Desigur ca, cu cat mai multe culori sunt, cu atat mai complexa va trebui sa fielampa.Prin urmare, este probabil ca o sursa de lumina tri-colora, care sa atinga si sadepaseasca valoarea de 80 pentru CRI, va asigura cea mai buna combinatie intre CRI,eficienta luminoasa, si complexitate de lampa.

Intr-adevar, situatia pentru surse tri-colorede lumina alba compuse din fosfor alb, sau dintr-o combinatie de Leduri debandaingusta si fosfor de banda larga, este chiar mai favorabila, si CRI mai mare de 85 estefoarte posibil.ehnologia Ledurilor SSL are avantajele si dezavantajele relative fata detehnologia flourescenta.

Page 32: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 30

Pe de o parte, lumina initiala de banda ingusta a acestora este disponibila intr-ogama mult mai variata de lungimi de unda, incluzand-o pe cea vizibila si pe ceaapropiata de UV(ultraviolet), fata de emisiile limitate ale unei surse cu gaz. Pe de cealalta parte, fosforul care poate fi excitat simultan de catre aceste lungimide unda in timp ce emit la lungimi de unda optime pentru a avea un CRI bun a fostlimitate.

Figura 2.12.Diagrama cromatica CIE 1932.Zona spectrala reprezentata de aria in forma depotcoava reprezinta lumina monocromatica.Curba din centru, reprezinta lumina alba.Aceastacurba leaga coordonatele cromatice a corpurilor negre la temperaturi intr 1000 si 20.ooo de K,

care sunt percepute de sistemul vizual uman ca fiind alb

Page 33: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 31

2.3.9 Temperatura de culoare

Un al saptelea atribut al unei surse de lumina este reprezentat de culoarea aparenta aacesteia in cazul de vizionare directa, sau in cazul in care aceasta ilumineaza un obiectperfect alb.Acest atribut poate fi cuantificat prin intermediul utilizarii coordonatelor decromaticitate(x,y) pe diagrama de cromaticitate CIE 1931 din fugura de mai sus (Figura2.12). Aceste coordonate de cromaticitate se aplica atat luminii albe, cat si celeimonocromatice.Coordonatele de cromaticitate sunt reprezentate de extremitatilepotcoavei. Coordonatele de cromaticitate ale combinatiilor de lumina monocromaticasunt combinatii liniare ale intensitatilor coordonatelor de cromaticitate ale luminilormonocromatice individuale. Cu alte cuvinte, o combinatie de doua culori va produce o coordonata decromaticitate ce se va situa pe linia dintre coordonatele de cromaticitate aferente.Coordonatele de cromaticitate ale luminii albe sunt situate dealungul curbei Plankiene incentrul diagramei.Tipul de alb de pe curba Plankiana este specificat de catre temperaturacorpului negru exprimata in grade Kelvin si poarta denumirea de temperatura de culoare. De exemplu, daca combinam doua Leduri de intensitate egala cu lungimi de unda de485 nm (albastru) respectiv 583 nm(oranj), se va produce culoarea alba cu o temperatura de culoare de aproximativ4000K.Din punct de vedere al strictetii, temperatura de culoare nu poate fi utilizatapentru coordonatele de culoare(x,y) ale curbei Plankiene.In aceste situatii, este utilizatatemperatura de culoare corelata(CCT-en:Corelate Colour of Temperature). CCT reprezinta temperatura corpului negru a carui culoare perceputa se aseamanacel mai mult cu cea a sursei de lumina in cauza.Principial, CCT poate fi dedus printrasarea unor linii iso-CCT, care vor intersecta curba Plankiana.In practica, sursele delumina alba trebuie sa fie situate foarte aproape de curba Plankiana, intrucat ochiulomenesc este extrem de sensibil chiar si la cele mai mici deviatii.

De remarcat ca CCT, desi reprezinta un factor extrem de important, nu este delocdificil de implementat si realizat.Pentru o sursa de lumina cu Led SSL tricolor, gama deculori disponibile, asa cum este indicata si de catre triunghiul alb din figura de maisus(Figura 2.12), este mai mult decat suficienta pentru specificarea practic a oricaruiCCT dorit.

Totusi, la fel ca si in cazul CRI, exista o relatie de invers proportionalitate extrem deputernica intre CCT si eficienta luminoasa..Aceasta invers-proportionalitate este ilustratain figura 2.13, pentru o sursa tricolora de lumina alba.

Page 34: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 32

Pe masura ce CCT ul descreste, proportia de lumina rosie si albastra creste.Dinmoment ce, in scopul realizarii uneri randari rezonabile de culoare, lungimea de undapentru albastru este prea scurta astfel incat ochiul este mai sensibil la rosu decat laalbastru, eficienta luminoasa totala creste. La o temperatura de culoare de aproximativ 3900K, situata intre valorile tipicepentru lumina incandescenta si lumina zilei, eficienta luminoasa totala este de400lm/W.Aceasta valoare este utilizata pentru reprezentarea eficientei luminoase a uneisurse tricolore de lumina bazata pe tehnologia solid-state, 100% eficiente.

Figura 2.13.Eficienta luminoasa maxima ca functie de temperatura de culoare pentru o sursatricolora de lumina alba cu un CRI de 80 si latimi de linie FWHM de 20nm

Page 35: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 33

2.3.10 Densitatea de putere la intrare in cazul cipurilor si costul per ariede unitate

Mai sus am abordat costul de vanzare cu amanuntul, in $, pentru a achizitiona o lampade-a gata care sa produca un anumit numar de lumeni.Acest cost se imparte in treicosturi distincte:pretul lampii de la OEM la distribuitor, impachetarea(sub ce forma va filampa) si cipul semiconductor.

Aproximam aceste trei costuri: : 50% in cazul primului, 25% pentru pachetul sub carese va prezenta lampaand 25% pentru cip. Intrucat prezinta o mare importanta cipul semiconductor din lampa, trebuie acordatao atentie sporita costului acestuia OEM.Tipic, insa, costurile cipului este in unitati de $per arie de unitate sau per cm patrat, decat $ per kilolumen. Prin urmare, va trebui satrecem in $/cm*cm din $/klm. Acest lucru este cu putinta in cazul in care este cunoscut procentul de cost al cipuluidin costul lampii, asa cum am spus mai sus, eficienta luminoasa a lampii, in lm/W, sidensitatea de putere de la intrare, in W/cm*cm. Atunci, costul OEM per cm*cm poate fi calculat din:

$/ cm*cm = 25% x $/lm x lm/W x W/ cm*cm.

Eficienta luminoasa a fost discutata precedent, insa nu am abordat densitatea puteriide intrare.Cu cat aceasta este mai mare, cu atat mai multi lumeni pot fi creati per cm*cmde cip semiconductor., si cu atat mai scump va fi pretul pe cm*cm de cip.

Limitele densitatii de putere de intrare vor depinde de capacitatea de extractie acaldurii de pe cip, si de abilitatea acestuia din urma sa-si mentina eficienta de conversiela temperaturi mari de functionare. Pot exista doua situatii extreme: Intr-un caz, calitatea materialului semiconductor ramane relativ mica, cauzandeficientele cuantice interne sa creasca odata cu temperatura jonctiiunilor.Prin urmare inacest caz temperaturile de jonctiune vor fi mici, iar densitatile puterii de intrare vor filimitate.De exemplu, densitatile de curent de intrare pentru Leduri albe cu GaN aflate pepiata sunt limitate la 33A/cm*cm, care cu o tensiune de 3V, dau o densitate de putere laintrare de 100W/cm*cm. In cazul in care calitatea materialului semiconductor ramane la aceasta valoare mica,densitatile puterii de intrare raman limitate la aceasta valoare, iar cipurile vor trebui sadevina foarte ieftine.

Page 36: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 34

Tabelul 2.2:Puterea cipurilor si a fosforului si estimate de cost

La cealalta extrema, calitatea materialului semiconductor se imbunatateste,asigurand ca eficienta cuantica interna sporita sa persiste pana la temperaturi dejonctiune de 200-300C.Coroborat cu un management termic imbunatatit in ceea cepriveste tehnologia, acest lucru va asigura densitati ale puterii de intrare mult mai mari. De exemplu, densitatile de curent de intrare(medii per chip, nu per dispozitiv sausuprafata), pentru laseri infrarosii de inalta putere bazati pe GaAs sunt de ordinul a 0.5kA/cm*cm; pentru o cadere de tensiune de aproximativ 3V, densitatea puterii de intrarepoate fi de 1.5kW/cm*cm. Aceasta comparatie cu Leduri pe GaN este in oaresce masura delicata.Laserii GaNpot functiona, in principiu la tensiuni de jonctiune si mai mari decat laserii bazati peGaAs, insa calitatea materialului GaN este improbabil sa fie la fel de buna ca cea aGaAs. Totusi, ofera un estimat rezonabil al legaturii superioare in ceea ce privestedensitatile puterii de intrare permise. Materialul semiconductor imbunatatit este necesar pentru a asigura o eficientaluminoasa sporita nu doar la temperaturi mari, dar la orice temperatura.

In tabelul de mai sus sunt datele pentru temperaturile chipurilor si fosforilorutilizati in iluminarea cu leduri, densitatile puterii de intrare si costurile.Acestea suntlistate in intervale.Primul numar din interval reprezinta minimul necesar pentru a firespectate minimele de iluminare din tabelul 1.1.Cel de al doilea numar din intervalreprezinta o tinta chiar agresiva care va permite estimatelor de iluminat sa fie depasite,sau va permite uneia din subestimate sa fie trecute cu vederea, in timp ce totusi vor fiindeplinite tintele de iluminat estimate.

Page 37: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 35

Pentru temperaturi de cip permise, acestea au crescut de la 75C in 2002 la 125-175 in 2007, iar pana in prezent sunt de 175-225, si se estimeaza a fi intre 200-250pentru 2020. In ceea ce priveste temperaturile de fosfor permise, au fost cresteri constante de la75C in 2002 la 100-155 in 2007, iar pana in prezent sunt de 155-200, si se estimeaza a fiintre 175-225 pentru 2020. Pentru densitate de putere permisa la intrarea cipului, consideram ca combinatiade imbunatatiri in ceea ce priveste temperaturile cipurilor si fosforilor, precum si inmanagement tehnologic termic au permis si vor permite o crestere constanta indensitatea puterii de intrare de la 100W/cm2 in 2002, la 300-600 W/cm2 in 2007, si seestimeaza 500-750W/cm2 in 2012, si 600-1000 W/cm2 in 2020.

Pe de o parte, daca temperaturile de functionare permise de chip si fosfor ramanmici, atunci managementul tehnologic termic va trebui imbunatatit dramatic. Pe de alta parte, daca acest management tehnologic va fi prea scump, atunci se vapune accent pe cresterea temperaturilor permise de utilizare pentru cip si fosfor. Utilizand aceste date enuntate precedent, se pot deduce preturile OEM in cazulcipurilor, estimate in cost per cm*cm: de la $125 $/cm2 in 2002 la 110-70 $/cm2 by2007, la 90-50 $/cm2 pana in 2012, si de 60-30 $/cm2 pana 2020. Din aceste preturi si estimate in ceea ce priveste costul cipurilor se pot estima

costurile permise in ceea ce priveste fabricarea 20% pentru substraturi, 40% pentruepitaxie si 40% pentru procesare.

Page 38: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 36

Tabelul 2.2:Lungimile de unda pentru cip si fosfor, si tintele de eficienta

De asemenea, in tabelul 2.2 au fost listate cateva costuri reprezentative OEM pentrutehnologii siminale, dar mult mai “mature”, in sensul ca implementate de foarte multtimp. Costul unor Leduri de inalta intensitate bazate pe AlGaInP/GaAs este de aprox30$/cm*cm. Costul celulelor solare GaInPAs/Ge este de 10$/cm patrat Costul Si CMOS este de aproximativ 5$/cm*cm Prin urmare, pentru aceste trei tehnologii semiconductoare mature, costurile deachizitionare sunt mult mai mici decat cele estimate pentru Leduri SSL, fapt care indicacifre rezonabile in studiul de mai sus, si , de asemenea, si loc de imbunatatire pesteaceste estimate.

Mai mult, chiar si o tehnologie relativ complexa, laseri de mare putere cu GaAs la810nm, au costuri care se incadreaza in intervalul de 170-200$/cm*cm.Aceste costurisunt deja in 3-5x din estimatele precedente, chiar si fara volumele mari de confectionaresi reducerile de costuri asociate care vor permite penetrarea pietei de iluminare generala.

Page 39: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 37

In plus, costurile continua sa se micsoreze ca raspuns al cererii mari de diode deinalta putere pentru laserii utilizati la procesarea materialelor.

2.3.11 Lungimile de unda si eficientele cipurilor si fosforilor

Precedent am discutat despre tintele eficientelor luminoase pentru lampi.Aceastaeficienta luminoasa se imparte in cinci eficiente separate:

1. Eficienta cipului semiconductor in ceea ce priveste conversia puterii electricein putere optica primara

2. Sensibilitatea sistemului vizual omenesc la culoarea/culorile luminii primaregenerata de cipul semiconductor,sau la culoarea/culorile luminii secundaregenerate de fosfor, sau..ambele.

3. Energia pierduta in cadrul conversiei fotonului albastru sau UV intr-un fotonde lungime de unda mai mare(asa numita schimbare/shiftare Stokes)

4. Eficienta de conversie Stokes datorata energiilor diferite de fotoni absobiti siemisi de fosfor.

5. Eficienta totala de pachet, datorata absorptiei de lumina de catrecomponentele interne ale pachetului sum ar fi cipul, cadrul sau elementele de(sub)montaj

Daca tintele pentru ultimele patru eficiente sunt cunoscute, sau macar estimate, sidaca tinta eficatitatii luminoase totale a lampii este cunoscuta, atunci se poate deducecare va trebui sa fie prima tinta a eficientei de conversie a puterii a cipuluisemiconductor. Pentru cea de-a cincea eficienta, presupunem ca va fi aproximativ aceeasi pentrucele trei abordari:pentru abordarea mixarii culorilor, dificultatile in combinarea surselorseparate de lumina sunt in offset, pentru abordarea conversiei lungimilor de unda si ceahibrid, apar dificultati in reducerea imprastierii fosforului. Eficientele sunt de 0.75 in 2007, 0.9 pana in 2012 si 0.95 pana in 2020. Pentru cele trei eficiente de mijloc, trebuie sa presupunem lungimile de unda sinumerele lungimilor de unda. Presupunand o sursa tricolora cu tinta in ceea ce priveste lungimile de undadiscutate precedent, putem deduce tinte derivative pentru fosfor si pentru eficientacuantica, dar si eficienta de conversie Stokes sau pentru eficienta optica inginereascaasociata cu impachetarea lampilor. Aceste trei eficiente vor depinde de abordarea iluminarii cu lumina alba care va fiutilizata-conversii de lungimid e unda, mixarea culorilor si abordarea hibrida.

Page 40: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 38

Eficienta cuantica a fosforului este posibil sa fie ceva mai buna decat abordareaconversiei lungimii de unda, din moment ce exista o gama variata de fosfori disponibilicare sa absoarba UV.Prin urmare, pentru abordarea conversiei lungimii de unda,presupunem ca eficientele cuantice ale fosforului vor creste in mod constant, asa cum aufacut o de la 0.75 in 2007 la 0.85 in 2010 pana la 0.95 in 2020. Pentru abordarea hibrid, care converteste lumina albastra in detrimentul celei UV,presupunem ca eficientele cuantice ale fosforului vor creste mult mai incet, de la 0.7 in2007 la 0.8 in 2012 pana la 0.9 in 2020. Pentru abordarea mixarii culorilor, desigur, ca, nefiind fosfor, nu apar nici pierderileasociate acestuia. Eficienta de conversie Stokes a fosforului, in cosntrast, va fi cea mai mica pentruabordarea conversiei lungimii de unda, din moment ce este o diferenta mare deenergieintre UV si lumina rosie/verde/albastra decat lumina albastra si rosie/verde. Calculam o eficienta de conversie Stokes utilizand formula:

Ultima si cea mai dificila presupunere de facut este aceea a lungimii de unda pentruLed UV prin abordarea conversiei lungimii de unda.Aceasta lungime de unda esteprobabil sa fie determinata prin combinatia:-Eficienta Ledului(pana acum, cu cat era mai scurta lungimea de unda, cu atat mai micaera eficienta);-Eficienta cuantica a fosforului(pana acum, cu cat era mai scurta lungimea de unda, cuatat mai mare era eficienta);-Eficienta de conversie Stokes a fosforului(pana acum, cu cat era mai scurta lungimea deunda, cu atat mai mica era eficienta); Bazandu-ne pe datele de mai sus, presupunem ca o lungime de unda rezonabila se vaafla in intervalul 370-410nm. Aceste presupuneri derivative si tinte sunt ilustrate sumar in Tabelul 3 pentru cele treiabordari diferite in ceea ce priveste productia de lumina alba. Asa cum poate fi vazut, abordarea conversiei de lungime de unda impune cele maimari solicitari in ceea ce priveste eficientele puterii de conversie a cipului=acesteatrebuie sa se apropie de 0.7 pentru a se incadra in tintele pentru 2012 a lampilor bazatepe Leduri SSL. In contrast, abordarea mixarii de culoare, necesita “doar” eficienta de putere deconversie a cipului de aproximativ 0.4 pentru a intampina tintele de lampi cu LeduriSSL pentru 2012. Abordarea hibrida, asa cum era de asteptat, este situata undeva la mijloc, intre celedoua abordari precedente, si necesita, eficiente de conversie a puterii pe cip de 0.6pentru a se incadra in tintele lapilor cu Led SSL pentru 2012

Page 41: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 39

De remarcat ca aceste eficiente sunt mari, si inca nu este clar daca pot fiatinse.Totusi, asa cum este ilustrat in figura 2.14, eficientele conversiei de putere alelaserilor infrarosii (710-850 nm) si Leduri rosii (650 nm) se afla in intervalul 40%-60%.Ambele dintre aceste tehnologii semiconductoare sunt relativ mature si reprezinta doveziexistente ca eficiente comparabile vor fi realizate in spectrul vizibil.

2.3.12 Provocari

Am argumentat in sectiunile precedente ca tintele pentru Ledurile bazate petehnologia SSL sunt rezonabile din punct de vedere fizic si Consistente cu cunostinteleprezente in ceea ce priveste fundamentele fizicii si alte materii, mult mai mature,tehnologii de realizare a semiconductorilor. Totusi, iluminarea in stare solida se afla relativ la inceput, asa cum circuiteleintegrate cu silicon se aflau in urma cu doua decade.

Figura2.14:Eficientele de

putere alesurselor de

lumina la diferitelungimi de unda

Page 42: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 40

Prin urmare, pentru a se incadra in tintele de iluminare si subtintele de lampidiscutate precedent, trebuiesc depasite provocari semnificante in mai multedomenii.Acestea ar fi:

1. Substraturi, buffer(tampon, si epitaxie)2. Fizica, Procesare si dispozitive3. Lampi, dispozitive luminare si sisteme

Zonele de provocare vor diferi, desigur, in ceea ce priveste riscul si avantajelerelative la iluminarea pe baza de stare solida. Zonele de provocare de mare risc sunt revolutionare(nu exista inca o abordarecunoscuta), in timp ce zonele de provocare de risc redus sunt evolutionare(exista celputin cateva abordari).

Zonele de provocare de mare recompensa sunt cele care necesita un progres rapid, intimp ce zonele de provocare de recompensa mica sunt acelea care necesita progresconstant pentru a depasi problemele ce se pot ivi pe masura trecerii timpului.

Aceste domenii de provocare sunt sumarizate in tabelul urmator, organizate inconcordanta cu riscul si recompensa percepute ale acestora:

Page 43: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 41

Page 44: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 42

2.4 Beneficii ale sistemelor de iluminat pe baza de Leduri SSL

Generarea electricitatii reprezinta utilizarea crescanda a energiei.Numai in StateleUnite ale Americii, producerea electicitatii costa aproape 50 bilioane de dolari pe an.Mai mult, costul energiei electrice nu se masoara numai in dolari, mai este si costul inceea ce priveste poluarea mediului; smogul si poluarea cu dioxid de carbon asociateproducerii de energie electrica. Asa cum sursele de lumina flourescente au asigurat reduceri enorme de energieelectrica in ultimele decenii, Ledurile SSL, cu potentialul acestora in imbunatatirilesemnificative in ceea ce priveste economisirea energiei, ofera un potential semnificantpentru reducerile de energie pentru urmatoarele decade.

2.4.1 Beneficii in ceea ce priveste energia si mediul inconjurator

Cel mai semnificativ beneficiu adus de inlocuirea in masa a tehnologiile de iluminareclasice cu cele bazate pe Leduri SSL va fi in domeniul energiei si mediului inconjurator.In Statele Unite ale Americii, aproximativ 20% din toata electricitatea generata esteutilizata pentru iluminat, iar in lume procentul variaza cam in jurul aceleiasi cifre. Ca si consecinta a acestui fapt, imbunatatiri semnificative in eficienta luminarii aravea un impact major asupra consumuluimondial de energie.In plus, electricitateagenerata prin arderi de carbune si petrol reprezinta o sursa majora de poluare. Exista o legatura crescanda intre emisiile de carbon, efectul de sera si incalzireaglobala. Prin urmare, Ledurile SSL, prin eficienta lor sporita, ar putea reduce semnificativpoluarea mediului.Mai mult, un beneficiu secundar este ca Ledurile SSL nu continmercur si prin urmare sunt mai usor de aruncat decat lampile flourescente. Daca Ledurile SSL vor avea 50% eficienta (200lm/W) coroborat cu penetrareacompleta a pietei, beneficiile asupra Statelor Unite ar fi spectaculoase: Oscadere de 50% din cei 600 TW/ora/an de electricitate utilizata pentru iluminat,

sau o economisire de 300TW/ora/an sau 25 bilioane de dolari pe an. O eliberare de peste 30 GW de capacitate de generare a energiei electrice pentru

alti utilizatori,sau , alternativ, eliminarea nevoii de generare de electricitate a 30de centrale.

O scadere de 50% din cele 50Mtone/an din emisiile de carbon create in timpulgenerariielectricitatii pentru iluminat, sau o scadere cu 25Mtone/an.

Desigur ca beneficiile reale vor depinde de cat de mult si cat de repede va fi penetratapiata, si de cat de repede va evolua tehnologia.Acest fapt poate fi privit si ca un “ cicluvirtuos”: pe masura ce tehnologia avanseaza(performanta crescuta si costscazut) ,penetrarea pietei creste, generand investitii crescute in avantul tehnologic.

Page 45: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 43

Mai multe scenarii au fost propuse pentru evolutia penetrarii pietei si a avansuluitehnologic, insa cel mai “agresiv” dintre acestea propune pentru aplicatii CRI medii uncost si o eficienta de 7 $/klm pana in 2012, si 110 lm/W, iar pana in 2020 0.5 $/klm si120 lm/W. Economisirea de carbon asociata cu predictiile acestea este substantiala: aproape3Mtone de carbon pe an.

2.4.2 Beneficii in ceea ce priveste calitatea luminii si a productivitatiiumane

Probabil ca cel de-al doilea ca insemnatate, dar usor mai putin cuantificatbeneficiu este acela ca o noua cultura a iluminarii va fi creata si ca noi tehnologiide iluminat se vor crea. Aceste noi aplicatii vor schimba modul in care utilizam si interactionam culumina. Printre aceste trasaturi unice care vor permite aceste noi utilizari se afla:

Culoare de iesire constanta indiferent de nivelul de iluminare. Posibilitatea de a varia in mod continuu culoarea de iesire. Design simplificat si flexibil pentru montaj si incapsulare. Integrare usora in cadrul dispozitivelor de control avansate din cladiri. Voltaj scazut si distribuirea de putere intr-un mod care sa confere siguranta. Simplificarea miniaturizarii datorata marimii scazute a sursei de iluminat-

echipamentul de iluminat va fi mai mic, mai usor si mai subtire. Structura simpla- nu necesita niciun dispozitiv special in scopul controlului

echipamentului de iluminat, iar numarul de componente din echipament vafi redus.

O siguranta sporita datorata utilizarii a tuturor dispozitivelor de staresolida(SSL) , fara gaz sau filament- foarte sigur in ceea ce priveste socurilemecanice.

Distributie de lumina flexibila si eficienta-dispozitivele bazate petehnologia SSL pot fi produse ca si pachete plate de orice forma care pot fiplasate pe podele, pereti, tavanuri, sai chiar incorporate in obiecte demobilier, si cuplate la orice sistem de distributie.

Page 46: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 44

Fig 2.15 Penetrarea pietei si si economia de energie.Graficul se bazeaza pe inventarultehnologiilor de iluminat utilizate in Statele Unite.[grafic preluat din Mark Kendall and Michael

Scholand,"Energy Savings Potential of Solid State Lighting in GeneralLighting Applications" (U.S. Department of Energy, Office ofBuilding Technology, State and Community Programs, Apr,

2001).]

Page 47: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 45

2.5 Tehnologia realizarii blocurilor componente

Tehnologia realizarii blocurilor componente se imparte in trei blocuri componente debaza:

1. Substraturi, tampoane(bufferuri) si epitaxie2. Fizica, procesare si dispozitive3. Lampi si sisteme de iluminat

2.5.1 Substraturi, tampoane(bufferuri) si epitaxie

Doua sisteme de materiale semiconductoare reprezinta centrul atentiei pentru tehnologiaSSL. AlGaInN(nitritii din coloana III) si AlGaInP(fosfitele din coloana III).Acestea suntsingurele materiale semiconductoare cunoscute ca avand urmatoarea combinatie deproprietati cerute pentru iluminarea de stare solida(SSL): Golurile acestora de banda maresc intervalul necesar spectrului vizibil si aproape-

ultraviolet in cazul luminii emise, emitand eficient lumina.Materialele AlGaInPmaresc intervalul de la rosu intens pana la verde galbui;Materialele cu AlGaInNmaresc intervalul de la verde galbui(si potential rosu) pana la ultraviolet.

Reprezinta familii de materiale a caror compozitie poate fi implementata innanostructuri optimizate pentru electroni si injectie cu goluri, transport sirecombinare radiativa.

Sunt suficient de robuste sa suporte procese de realizare a semiconductorilor, si ,de asemenea, operatii sub densitate mare de curenti inalti si conditii de stresputernic.

Page 48: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 46

Figura 2.16 Dependenta eficientei luminoase a variatilor compusi formati din materialesemiconductoare bazate pe densitatea de dislocare.Preluata din Shuji Nakamura, "Status of GaN

LEDs and Lasersfor Solid-State Lighting and Displays," OIDA Solid-State Lighting

Workshop (Albuquerque, May 30, 2002), modified andaugmented from S. D. Lester, F. A. Ponce, M. G. Craford, and D.

A. Steigerwald, "High dislocation densities in high-efficiencyGaN-based light-emitting diodes," Appl. Phys. Lett. 66 (1955)

1249.

2.5.1.1 Substraturi

Substraturile de baza sunt realizate din materiale AlGaInP si sunt relativ bine stabilite.Din punct de vedere al costului, substraturile GaAs sunt aproximativ $5/cm2, iarsubstraturileGe sunt chiar mai ieftine. Prin urmare, atentia este indreptata asupra substraturilor pentru sistemele materiale cuAlGaInN: GaN si AIN reprezinta un compus chimic aproape perfect, cristalografic, si cu o

expansiune termica apropiata de AlGaInN; Safirul este un substrat relativ unic fata de AlGaInN, dar pentru care s-au putut

creste straturi tampon pe straturile epitaxiale.Acest substrat este relativ ieftin,aproximativ 10 dolari pe centimetrul patrat.

Carbidul de Silicon este un substrat care se apropie de AlGaInN mai mult decatsafirul, dar costul sau de 40$ pe centimetrul patrat il face extrem de scump.

Page 49: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 47

Un substrat interesant este reprezentat de Silicon.Acesta se apropie mai putin deAlGaInN fata de carbidul siliconta sau safir, prin urmare nu au fost realizate incadispozitive de performanta ridicata bazate pe silicon. Daca insa se va dovedi un compusde succes, un AlGaInN pe substrat de silicon va fi extrem de productiv.

Va avea avantajul de maturitatea si pretul scazut al tehnologiei cu substrat de silicon,si de asemenea de posibilitatea integrarii cu alte tehnologii avansate bazate pe silicon,cum ar fi MEM si CMOS.

2.5.1.1.2 Tampoanele(Bufferii)

Al doilea pas in procesul ingineresc de substrat este acela de a creste un strattampon pe un substrat imperfect in ceea ce priveste potrivirea.Pentru tehnologiaAlGaInN, care se bazeaza pe cresterea unor straturi de GaN pe safir, acest buffer poate ficel mai important pas in realizarea unui material GaN folosit la dispozitive de calitateridicata. Scopul acestui strat tampon este acela de a realiza un material compatibil.

1 Tampoane subtiri de GaN.

Tehnologia dispozitivelor AlGaInN este bazata in mod curent pe tampoane GaN siAIN crescuti pe carbid siliconat sau pe safir, urmat de epitaxia dispozitivuluiAlGaInN.Demostrarea realizata de Amano si Akasaki la finalul anilor 80 afirma castraturi tampon de o calitate foarte buna pot fi realizate din safir, reprezinta un punct dereferinta pentru progresul in tehnologia SSL LED.

2 Tampoane ELO GaN

Cel mai bun lucru pe care aceste tampoane l-au putut realiza este ca pe orice substrat,incluzand safirul si SiC, a putut fi realizata o dislocare de densitate in gama 1e8-1e9/cm2 Acesta este un numar foarte mare pentru standardele semiconductorilor, si dispar si

multe din deficientele buferilor simpli.

Page 50: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 48

Figure 2.17 GaN crescut epitaxial pe un substrat SiC.Dupa Robert F. Davis, "Alternative Substrates for III-Nitride

LED Structures," OIDA Solid-State Lighting Workshop(Albuquerque, May 30, 2002).

Figure 2.18. Schema eliminarii cu laser a unei folii groase de GaN de pe substratSursa: Robert F. Davis, "Alternative Substrates for IIINitride

LED Structures," OIDA Solid-State Lighting Workshop

Page 51: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 49

2.6 Montarea Chip Sus vs Chip jos

Exista doua posibilitati generale de montare ilustrate in figura 2.19 de mai jos, pentrumontajul actual al cipului pe lampa de iluminat cu Led.

Prima o reprezinta montarea cipului sus, in care epistraturile emitoare de lumina suntsituate pe fata de sus a cipului, iar substratul este atasat lampii.In aceasta realizarecurentul poate fi condus in lampa printr-un substrat de contact situat in partea de jos, siin afara lampii printr-un contact de epistrat in partea de sus a cipului..Prin urmare aceasta metoda este recomandata pentru cipuri de substrat conductor, desipoate fi aplicata si cipurilor cu substrat neconducator. A doua metoda o reprezinta montarea in partea de jos a cipului, in care epistraturileactive emitoare de lumina sunt montate pe partea de jos a cipului.Curentul va intra si iesidin dispozitiv(lampa) prin doua contacte de epistrat.

Prin urmare, aceasta abordare este mai potrivita pentru cipurile cu substratneconducator, desi poate fi aplicata si celor cu substrat conducator.

Lampile cu cea mai amre putere aflate pe piata, de la firma LumiLed, se folosesc deaceasta metoda pentru a crea pachete de 5W care produc 180 de lumeni de lumina albadintr-o singura lampa.

Page 52: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 50

Figure 2.19. Geometriile Chip-up and chip-down . Sursa: D. A.Steigerwald, J. C. Bhat, D. Collins, R. M. Fletcher, M. O.Holcomb, M. J. Ludowise, P. S. Martin, and S. L. Rudaz,

"Illumination With Solid State Lighting Technology," IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics 8 (2002)

Page 53: Sisteme de Iluminat Cu Leduri

© Ilum

inare

-led.

ro

http://www.iluminare-led.ro/ 51

III Concluzii

Concluzionez ca iluminarea cu Led este mai buna decat orice alt tip de sistem deiluminare generala, in termeni de econimosire de energie si eficacitate acosturilor.Tehnologia este intr-o imbunatatire continua si va face posibila implementareaacestui sistem de iluminat la scara larga.

Avantajele iluminarii cu Leduri:

Consum de pana la 10 ori mai mic(economii mai mult decat substantiale la facturaelectrica)

Nu emite ultraviolete(nu afecteaza vederea pe termen lung, nu atrage insecte) Nu se incalzeste Rata de defectare 0 => costuri de inlocuire si mentenanta zero Lumina de o calitate mult mai buna Durata de viata foarte mare >40.000 ore Preturi din ce in ce mai accesibile Surse nepoluante de lumina(nu contin substante care afecteaza mediul,asa cum se

intampla in mod prezent cu sersele clasice de iluminat).

Becurile economice uzuale nu reprezinta o alternativa viabila. Nu rezista la aprinderifrecvente, sunt sensibile la variatii de tensiune si de temperatura si au nevoie de un timpde incalzire pana lumineaza normal. Contin substante toxice si sunt casabile! Daca suntscapate din mana, exista chiar si riscul imbolnavirii. Sunt deseuri toxice, nu se potarunca. Singura solutie viabila o reprezinta becurile bazate pe tehnologia SSL.