Výzkumníci japonské společnosti Nichia, sídlící na ostrově Šikoku, ve městě Tokušima se snaží o další zefektivnění běžného osvětlení a hledají způsoby, jak vylepšit LED diodu (Light Emitting Diode), která by mohla nahradit libovolnou interiérovou, nebo exteriérovou klasickou žárovku, donedávna běžně používanou téměř všude. Přitom by ale ještě lépe vytvářela vjem bílého denního světla a samozřejmě při nesrovnatelně menší elektrické spotřebě. Zdá se, že jsou blízko cíle a u jednoho typu LEDky vyzařující bílé světlo dosáhli zajímavých parametrů: při intensitě proudu 1 A naměřili světelný tok 1913 lumenů a světelnou efektivitu 135 lumenů na watt. Kromě běžně používaných žárovek nová LEDka bude prý vhodná i do reflektorů aut a prosvícení LCD displejů.
Tým vedený Yukiem Narukawou výsledky práce publikoval v nejnovějším vydání odborného časopisu Journal of Physics D: Applied Physics. V článku vědci představili tři druhy vysoce výkonných diod. Při jejich vývoji se zaměřili na dvě kritéria – na světelný tok, který je fotometrickou veličinou udávanou v jednotkách lumen (lm) a jenž je vázán na citlivost oka na různé vlnové délky. Druhým kritériem byla světelná účinnost záření, která jako poměr světelného toku a zářivého toku (množství energie za sekundu) přes stejnou plochu se měří v lumenech na jednotku elektrického výkonu - watt (lm/W).
Několik údajů z historie různých typů světelných zdrojů prozrazuje, jak v porovnání s těmi nejrozšířenějšími osvětlovacími zdroji je vývoj LEDek rychlý. Klasická žárovka se žhaveným vláknem byla vyvinuta v roce 1879 a měla světelnou účinnost 1,5 lm/W. Trvalo dlouhých 130 let, než její hodnota dosáhla 16 lm/W. Fluorescenční zářivky se objevili v roce 1938 a v průběhu dalších 60 let jim stoupla světelná účinnost z 50 na 100 lm/W. Pokrok u LED-diod emitujících bílé světlo byl vůči tomu doslova raketový: od uvedení na trh v roce 1996 do současnosti se jejich světelná účinnost zvýšila z 5 lm/W na současných 150 lm/W. A stále zůstává velký prostor pro zdokonalování, protože teoretický limit LEDek se nachází v rozmezí hodnot 260 až 300 lm/W.
A do těchto limitních hranic posunuli koumáci z japonské Nichie své nové typy „bílých“ LEDek. První z nich, s výkonem 47,1 miliwattů poskytovala při elektrickém proudu s intenzitou 20 mA světelnou účinnost 249 lm/W a světelný tok 14,4 lm. Vědci ji použili jako základní budící zdroj pro další dva typy – jeden s výkonem 47,1 mW, který při 350 miliampérech měl světelnou účinnost 183 lm/W a světelný tok 203 lm. Další, tedy třetí typ bílé LEDky (zmíněné v úvodu) vznikl sériovým propojením čtyř modrých diod prvního typu, čímž se vytvořil zdroj, u kterého při proudu 1 A Japonci naměřili světelný tok 1913 lm a světelnou účinnost 135 lumenů na každý watt elektrického výkonu. To je v obou parametrech více, než dosahuje 20 wattová fluorescenční zářivka
Všechny tři nové typy bílých LED-diod mají modrý safírový podklad potažený žlutou luminiscenční látkou ((Y1−aGda)3(Al1−bGab)5O12, Ce3+ = zkratka YAG) pro dosažení širšího emisního spektra. Když se modré záření zkombinuje se žlutou fluorescencí, LEDka produkuje bílé světlo. Bylo ale nutné se vypořádat s problémem nízké úrovně záření v červené části spektra, proto pro lepší barevnou vyváženost světla vědci přimíchali ještě něco červeného luminiscenčního materiálu (SrCaSiN:Eu). Tímto způsobem se dá regulovat odstín a nový nadějný zdroj je tak současnou jedničkou v reprodukci běžného denního bílého světla s barevnou teplotou 6 500 K.
Optimalizace si vyžádala i další inovativní řešení. Pro snížení absorpce světla vědci použili jako elektrodu transparentní tenkou vrstvu ze slitiny oxidů india a cínu (ITO – viz obrázek) a modrou safírovou podložku tvarovali tak, aby světlo rozptylovala a tím zvyšovala účinnost vyzařování celé diody. Tým z Nichie také o něco snížil pracovní provozní napětí z 3,08 na 2,80 V.
S těmito inovacemi jsou nové LEDky důkazem, že polovodičové diodové světelné zdroje mohou nahradit širokou škálu současných, méně efektivních typů osvětlení. Brzké komerční využití trpí klasickým počátečním syndromem – vysokou cenou. Bezpočet příkladů elektronických novinek ale skýtají naději, že jde o problém dočasný.
Pro porovnání teplotní účinnosti různých zdrojů:
Běžné žárovky: 40 W asi 12,6 lm/W; 60 W asi 14,5 lm/W; 100 W asi 17,5 lm/W
Křemenné halogenky 24 lm/W
Vysoce teplotní žárovky 35 lm/W
Fluorescenční zářivky: 4 W asi 16 lm/W; 13 W asi 60 lm/W; 32 W asi 100 lm/W
Další informace a ne zcela aktualizované porovnání zde.
Zdroj: volně přístupný článek v Journal of Physics D: Applied Physics
Diskuze:
V obrázku by mohla být zvýrazněna epitaxní vrstva
Vladimír Šmídl,2011-09-19 21:08:58
(měřítko nelze pochopitelně dodržet), protože pn přechod v ní je vlastním zdrojem modrého (resp. UV)
světla.
Směrové světlo
Martin Kuba,2010-09-06 11:26:56
Jsem majitelem dvou turistických LED čelovek. Ta starší je Petzl Tikka Plus se čtyřmi bílými LED diodami, a ta novější je Petzl Tikka 2 Plus s jednou vysoce výkonnou bílou LED diodou (a jednou červenou LED diodou). Takže mám jisté zkušenosti.
Hlavní nevýhodou LED diody pro běžné svícení je to, že produkuje úzce směrové světlo. U čelovky to není problém, protože má svítit ve směru pohledu. Ale pro osvícení místnosti je to naprosto nevhodné. Místnosti je nejlepší osvětlovat klasickými trubicovými zářivkami, mají největší účinnost přeměny elektřiny na světlo. A vyrábějí se v mnoha verzích s různou barevnou teplotou i s různým stupněm rovnoměrného rozložení barevného spektra, stačí si vybrat.
vyzarovaci uhel
Ondřej Zeman,2010-09-06 18:22:43
LED zavisi na jeji konstrukci a bezne se delaji o 140°, coz je vice nez vyhovujici. A zalezi predevsim i na kostrukci te zarovky samotne. Vhodnym rozmistenim ledek (pri mensim poctu i trebas i pomoci rozptylek v krytu tech diot) se osviti vse, dokonce i prostor takrikajic pod svicnem...
Tomáš Sládek,2010-09-10 14:52:09
Problém je opačný - jak zaostřit dostatečný světelný výkon produkovaný LED do úzkého kuželu. Třeba potápěči potřebují úzký "světelný meč". Prvním důvodem je signalizace pohybem stopy světla na dně. Druhý důvod je, že široký kužel by ozářil i částečky kalu mezi potápěčem a osvětlovaným předmětem.
LED o dostatečném výkonu (desítky wattů) je ovšem tvořena mnoha PN přechody vedle sebe - tj. svítí plocha, nikoli bod. Na to se rozumně malá optika udělat nedá. Řeší se to znásobením LED i s optikou, to je ale drahé a je problém s rovnoběžností os kuželů. LED totiž při pájení vlnou "plavou"...
Zni to legracne,
Jiri Hasek,2010-09-06 00:10:44
ale jinak to nema chybu. Giganticke uspory by se dosahlo uzivanim celovek napajenych ze site pro cetbu, nebo pro rucni praci. Napriklad list papiru A4 ze vzdalenosti 40cm zabira pouze 0.3 steradianu oproti plnemu uhlu 4*pi= 13ster. V mistnosti by se mohla celovka automaticky adaptovat pri pohledu na vetsi vzdalenost. Pri sejmuti z hlavy by se automaticky rozsvitil lustr.
S přechodem na LED bych byl opatrný
Frantisek Kroupa,2010-09-05 17:49:36
Stávající bílé výkonové LED dosud trpí řadou nectností, zejména nízkou životností v reálných provozních podmínkách. Chcete-li z LED dostat inzerovaný světelný výkon, pak je třeba provozovat je za nominálních hodnot napětí a proudu. Zde dochází k jejich nezanedbatelnému ohřevu a je třeba je účinně chladit (prostá úvaha: i kdyby měla LED účinnost 10x vyšší nežli žárovka, pak u LED nahrazující 100 W musí být z poměrně malé plochy čipu rozptylován výkon asi 10 W - na to je potřeba docela slušný chladič).
Vyšší teplota (byť přípustná) LED nesvědčí, v praxi se udávaná životnost až stovky tisíc hodin degraduje o řád, ba i dva a více (reálné zkušenosti + teorie spolehlivosti; klesá svítivost, případně u svítidel s mnoha LED odchází jednotlivé kousky).
Já osobně přecházím na LED
Jan Šimůnek,2010-09-03 09:57:52
Jejich subjektivní intenzita svícení je výrazně vyšší než v případě kompaktních zářivek, navíc mají vyšší životnost (a je omezeno riziko, že naráz zhasnou, jen na poničení patice s elektronikou). Nehodlám také podporovat korupčníky, kteří prosadili nesmyslný zákaz klasických žárovek (úspora při přechodu na kompaktní zářivky je prakticky nulová, svítí asi polovinu toho, co by podle údaje výrobce měly svítit, při normálním provozu je jejich životnost menší než u klasické žárovky, což vede ke dlouhodobému až trvalému svícení v některých prostorách - cena snížení životnosti svítidla je pod cenou prosvícené elektřiny, navíc se tepelný efekt klasických žárovek promítne, zejména v zimě, do spotřeby tepla na vytápění).
Bohužel je výběr svítidel dost omezený, naprosto převažuje nabídka různých blikadel a barevných svítidel pro různá speciální použití.
Karel Š,2010-09-03 00:24:48
Jsem docela zvědav jak to bude vypadat v praxi - moje dosavadní zkušenosti jsou dost špatné.
Světelný výkon zářivek je obvykle horší než co udává výrobce - pokud výrobce píše že zářivka svítí jako 100W žárovka tak obvykle svítí jako 60W (subjektivně, ale o to přece jde). A to nezmiňuju jak často nezvládnou pořádně barvu světla a člověk pak nejen že pořádně nevidí ale ještě ho z toho bolí oči.
Co jsem měl zatím možnost zkoumat LED osvětlení tak to bylo naprosto nepoužitelné, nevhodná barva, naprosto nedostatečná svítivost (stolní lampička se svítivostí slabší kapesní baterky). Nejsvítivější LED "žárovka" co jsem potkal byla silná asi jako 40W žárovka a stála 2000,- Kč - no, ještě chvíli počkám než je začnu kupovat.
Tak snad tenhle článek znamená že se začíná blýskat na lepší časy, opravdu bych to uvítal.
Dagmar Gregorova,2010-09-03 01:12:43
"Normálně" patřím mezi zarputilé skeptiky, ale u LEDek jsem celkem optimistkou. Příspěvek od pana Sládka mě přinutil porozhlédnout se po síti...
Je vidět, že jde o perspektivní obor, protože v něm probíhá nelítostní konkurenční boj i se soudními spory o patenty (právě f. Nichia, která patří mezi pionýry ve vývoji LEDek a snaží si svou pozici mezi nejlepšími udržet).
Na téma novinek ve vývoji těchto technologií se koná několik mezinárodních konferencí ročně...
Myslím, že fanatičtí sběratelé LED čelovek (např. z řad turistů) by věděli celkem obšírně referovat o stále lepších a zajímavějších novinkách - s překvapivou dobou "výdrže", svítivostí i teploty světla. Již dávno to není nepříjemně chladné, mrtvolně namodralé světlo. Nevím to odhadnout, ale zahraji se na Sibylu s předpovědí, že za 5-6 let nebudou LED žárovky ničím výjimečným (když se neobjeví nečekaný větší "trhák"). Již teď výrobci slibují dloooouhou životnost u současných produktů.
A teď i ty negativa: http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode#Disadvantages
Opatrny optimista
Mohammed Saeed,2010-09-06 21:36:44
No, mam nejake zkusenosti - a rekl bych ze to je velmi nadejny zdroj svetla. Jediny problem je a jeste nejaky te patek bude cena. Ty "lepsi" LED jsou a tom velmi dobre jak ucinosti, tak spektrem - urcite lepsi nez zarivky. Problem je v tom co se u nas obvykle prodava - v podobe hotovych "zarovek" ci svitidel - kolikrat jsou to o generaci - dve starsi LED, s horsi ucinnosti, o spektru nemluve. (hlavne veskery jinde neprodej "odpad" v OBI, Baumaxu a spol.) Zajimave ze sehnat samotne kvalitni LED az takovy problem neni a pro nektere ucely se uz s nima svitit vyplati. Plose vetsi prostor zatim ne, to je zatim neunosne drahe :(
nehleďte na náhradní výkon
Vladimír Šmídl,2011-09-19 19:10:17
Kvalitní výrobky mají uveden světelný tok (mám před sebou výrobek, kde je uvedeno 2000 lm) a spotřebu (36w). Je to kompaktní zářivka, vychází asi 55 lm/W, pro T5 trubici by to byl jasný dvojnásobek. Úsporné zářivky nejsou totiž úsporné.Ten odkaz u článku je dobrý, chcete-li něco v češtině, zkuste stránky Philips,Osram nebo Narva.Všimmněte si zaručované životnosti(s elektronickým předřadníkem, pochopitelně). LED jsou zatím buď kvalitní, nebo levné, nikdy oboje.
135 lm/W neni zadny zazrak
Tomáš Sládek,2010-09-02 19:32:39
Bezne komercne dostupna LED (Cree XP-G RS) ma 112 lm/W (370 lm pri prikonu 3,3 V). V laboratornich podminkach uz bylo prekonano 200 lm/W jak u Philipsu (Lumiled), tak u Cree.
Dagmar Gregorova,2010-09-02 21:53:22
Děkuji, jestli jde o LEDky s teplotou záření okolo bílého denního světla a jsou dostupné info, doplňte prosím link.
Našla jsem jen info o studené bílé Cree LED, která by se koncem roku měla objevit na trhu:
A cool white XM LED driven at 350 mA can produce 160 lumens at 160 lumens per watt. The new platform has a larger footprint than Cree’s XP family and also offers the unique combination of very high efficacy at very high drive currents. At 2 A, an XM LED produces 750 lumens at 110 lumens per watt.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
