Czy diody LED średniej mocy mogą zastąpić tanie oświetlenie uliczne?

W jaki sposób producenci wzmacniają diody średniej mocy?

Istnieje zatem rynek dla rozwiązań alternatywnych w stosunku do diod LED dużej mocy wykorzystywanych w oświetleniu ulicznym – takich, które byłyby w stanie wytrzymać trudne warunki i  jednocześnie są tanie.

Obecnie producenci diod LED wychodzą naprzeciw tym potrzebom, wprowadzając nowe rodziny diod LED średniej mocy, specjalnie wzmocnionych w celu stosowania w oświetleniu ulicznym. Nowe modele są często produkowane w obudowach łączących dwie kości w formacie 3030. Przykładem mogą być diody 3030N firmy LG Innotek. Mają one znakomite charakterystyki pod względem kompatybilności elektromagnetycznej i wykorzystują srebrną terminację pokrytą powłoką zabezpieczającą przed korozją (rysunek 3.).

Rys. 3. Zabezpieczenia przed zanieczyszczeniami zastosowane w diodach LED LG Innotek 3030N pozwalają utrzymać odpowiednie natężenie strumienia w warunkach ekspozycji na siarkowodór. (źródło: LG Innotek)

LG zademonstrowało skuteczność tego rozwiązania poprzez rozbudowane testy produktów, którym standardowe diody LED średniej mocy nie są poddawane. Należą do nich testy IEC60068-2-43 oraz IEC 60068-2-42 badające parametry diod LED pracujących w powietrzu zanieczyszczonym siarką.

Firma Nichia również odpowiedziała na zapotrzebowanie dotyczące diod LED średniej mocy pracujących na zewnątrz. Przeprowadzono liczne badania dotyczące wpływu zanieczyszczeń i utleniania na zachowanie diod LED. Obecnie Nichia wykonuje szybkie testy w warunkach mieszaniny siarkowodoru i dwutlenku azotu w temperaturze 40°C przy względnej wilgotności równej 75%. Wszystkie układy z rodziny 757 są testowane w tych warunkach przez 240 godzin, aby określić wpływ utleniania na charakterystykę świecenia.

Firma Lumileds zaproponowała inne rozwiązanie problemu, oferując diody HR (High Robustness) z serii HR30. Lumileds opisuje je jako modele pośrednie między diodami wysokiej a średniej mocy, przeznaczone do stosowania na zewnątrz i w przemyśle. Te diody LED mają układ wyprowadzeń pokryty złotem i mieszczą się w obudowie SMC o wysokim współczynniku odbicia. Układy HR30 zapewniają „odporność na korozję i odporność na oddziaływania chemiczne wyższą od wszystkich innych diod średniej mocy, również tych specjalnie zaprojektowanych w tym celu”. Jednak w porównaniu do diod wysokiej mocy, układy HR30 mają maksymalny prąd znamionowy do 240 mA.

Testy przeprowadzone w trudnych warunkach chemicznych potwierdzają wysoką wytrzymałość tych wzmocnionych diod. Wyniki zostały przedstawione na rysunku 4. i pochodzą z testów wykonanych zgodnie z metodą 4. opisaną w standardzie IEC 60068-2-43. Oznacza to warunki stężenia siarkowodoru na poziomie 15 ppm, temperaturę powietrza 45°C oraz wilgotność względną 75%.

Rys. 4. Względna zmiana temperatury barwowej (CCT) diod LED, w tym modelu HR30 firmy Lumileds, w powietrzu zanieczyszczonym siarkowodorem (źródło: Lumileds)

Lumileds wprowadził również testy w obecności dichlorku (Cl2). Złote pokrycie wyprowadzeń dobrze sprawdza się w tych warunkach, podczas gdy srebro może reagować z Cl2, tworząc chlorek srebra (AgCl).

 

Ekosystem formatu 3030

Jak zostało wyżej wspomniane, format obudowy 3030 jest najpopularniejszym rozwiązaniem stosowanym wśród producentów diod LED średniej mocy przeznaczonych dla oświetlenia ulicznego. Aby usprawnić wykorzystanie układów w tych obudowach, producenci elementów optycznych opracowali różne rozwiązania kompatybilne ze specyfikacją oświetlenia ulicznego pod względem luminancji, jednorodności wiązki i oślepiania.

Efektu oślepiania można łatwiej uniknąć, stosując diody średniej mocy: ponieważ emitują mniej światła, niż diody dużej mocy, potrzebują większej powierzchni emitującej światło do uzyskania takiej samej luminancji.

Poza redukcją oślepienia układ optyczny musi również zapewniać precyzyjny kształt wiązki wymagany w oświetleniu ulicznym. Firma LEDiL postanowiła dopasować wymiary fizyczne swych modeli do układów optycznych dla świateł ulicznych wykorzystujących diody LED większej mocy. Z kolei oferowana przez nią rodzina STRADELLA łączy większą liczbę elementów świecących wykorzystujących diody średniej mocy, wytwarzając wiązkę odpowiednią dla oświetlenia ulicznego.

Z kolei firma Carclo opracowała matrycę stworzoną specjalnie z myślą o diodach LED średniej mocy. Produkt o nazwie 12821 stanowi matrycę 84 diod średniej mocy i wytwarza wiązkę przeznaczoną dla oświetlenia ulicznego klasy P oraz S. Carclo przeprowadziło również charakteryzację swych układów optycznych dla oświetlenia ulicznego na wypadek połączenia ich z diodami LED w obudowie 3030.

 

Nowe diody LED dla dostawców oświetlenia ulicznego

Producenci oświetlenia ulicznego dostali nowe możliwości pozwalające obniżyć całkowite koszty swych produktów dzięki generacji wzmocnionych diod średniej mocy. Producenci oświetlenia powinni jednak pamiętać o właściwościach optycznych tych diod. Podczas produkcji diod tego typu stosowany jest tańszy proces pokrywania fosforem, niż w przypadku diod dużej mocy. Diody są zanurzane w roztworze fosforu, przez co uzyskana warstwa fosforu jest grubsza na brzegach, niż na środku. To prowadzi do nieuniknionej różnicy temperatury barwowej w przekroju wiązki. Natomiast w diodach dużej mocy pokrycie ma jednakową grubość na całej powierzchni emitującej światło, co pozwala uzyskać niemal jednorodną temperaturę barwową całej wiązki.

W wielu zastosowaniach świateł ulicznych pogorszenie wydajności pod wpływem warunków środowiska wraz ze zmianą koloru nie będzie przeszkadzało klientom ani użytkownikom. Jednak na niektórych obszarach występowania dużego ruchu, takich jak deptaki, klienci wyznaczają bardzo ścisłe kryteria odnośnie jakości oświetlenia. W takiej sytuacji użycie diod LED średniej mocy może być dobrą decyzją.

Warto również pamiętać, że producenci oświetlenia ulicznego są zainteresowani nie tylko diodami LED średniej mocy, ale też diodami w zintegrowanych obudowach (CSP) stanowiących alternatywę dla diod dużej mocy. Jest to inne rozwiązanie pozwalające uzyskać wyższe parametry, dłuższy czas życia i obniżyć koszty systemu.

Nowe generacje wzmocnionych diod średniej mocy oferowane przez firmy Lumileds, LG Innotek oraz Nichia, pozwalają uzyskać dobre parametry przy znacznie niższej cenie w porównaniu do diod LED dużej mocy. Dzięki nim przyszłe oświetlenie uliczne może być bardziej konkurencyjne i atrakcyjne cenowo dla potencjalnych klientów.

O autorze

Inżynier aplikacyjny ds. zastosowań terenowych, Future Electronics