hirdetés
hirdetés

Mennyi az annyi?

A LED-es világítás energiaigénye

Az izzólámpakorszaknak vége, lassan, de biztosan átveszi a piacot a LED a kisülőcsövektől is. A kisülőcsöves fényforrásokhoz képest a LED-eseknek több előnyös tulajdonságuk van, amelyek közül sokszor emlegetjük a nagyobb energiahatékonyságot. De valójában „mennyi az az annyi?”, hogy a divatos szlenggel éljünk. Cikkünkben foglalkozunk a korszerű LED-es világítással, főként az energiafelhasználás szemszögéből.

hirdetés

Mint a fizikából ismeretes, a fény egy sugárzás, amely energiatartalommal bír, spektruma széles, és ebből a(z emberi szem számára) látható 380–780 nm közötti hullámhossztartomány a számottevő. Bár emberi alkalmazásra használatos készülékek működnek az infravörös és az ultraibolya tartományban is, kifejezetten világítás céljára a látható tartománynak van jelentősége, cikkünkben ezzel foglalkozunk.

Életünk mintegy fele idejében a világítást természetes módon a nap fénysugárzása adja, azonban napnyugtával is egyre többet szeretnénk látni, amihez fény kell, ezt pedig mesterséges világítással pótoljuk. A leghagyományosabb világítóeszköz a fosszilis energiát alakítja fénnyé, éghető anyag égése során fényt ad (tűz, fáklya, gyertya, mécses, gázláng stb.). Évezredekig ezek a hőmérsékleti sugárzók adtak mesterséges fényt. Csak a 19. század végén jelentettek reménysugarat a „hideg fény” előállítására az ívkisüléssel működő eszközök, amelyek másodsugárzó fénypor alkalmazásával látható fénysugárzást adtak lényegesen jobb hatásfokkal, kisebb hőveszteséggel. Így jöttek létre a fénycsövek, amelyeket még ma is használunk.

LED-ek folyamatos fejlődésben

A félvezetőtechnológia fejlődésével azonban megszületett a fényemittáló dióda, azaz az angol elnevezés rövidítéséből kialakult LED, amely legtöbb paraméterében fölülmúlta elődeit, és ma is fejlődésben van. A LED tulajdonképpen egy egyszerű p-n átmenetet tartalmazó félvezető eszköz, amelyben a Fermi-szintek kiegyenlítődnek oly módon, hogy az n típusú részből elektronok lépnek át a p oldalra, onnan pedig lyukak vándorolnak át az n oldalra. A töltésmozgás alapjában véve diffúzió, hiszen a két oldal között töltéskoncentráció-beli különbség van. A határréteg mindkét oldalán töltéshordozó-csökkenés mutatkozik, ez átmeneti ellenállást okoz. Ha a p-n átmenetre nyitó irányú feszültséget kapcsolunk, nyitó irányú áram indul meg, lecsökken az átmeneti ellenállás, a határrétegen megnövekszik a töltésmozgás, és bekövetkezhet a nagy számú elektron-lyuk rekombináció, ennek eredménye pedig kedvező esetben fotonemisszió.

A LED-es világítás hatásfoka meghatározó lehet a világ villamosenergia-fogyasztásának csökkentésében (forrás: 123rf)
A LED-es világítás hatásfoka meghatározó lehet a világ villamosenergia-fogyasztásának csökkentésében (forrás: 123rf)

A keletkezett fotonok sugárformában hagyják el a félvezető kristályt, amely sugárzás energiában és hullámhossztartományban a félvezető anyagától függ. A viszonylag keskeny hullámhossztartományban sugárzó LED-ek azonban még nem alkalmasak világításra, mert a közel monokromatikus színük világítóeszközként használhatatlanná teszi őket, hiszen világításra a kevert fehér fény alkalmas. Kézenfekvő az optika azon megoldása, amelyben a három alapszínben (R-G-B) sugárzó LED-ekből kikeverhető a világításra alkalmas fehér szín (és alkalmaznak is ilyen világítóeszközöket), széles körű elterjedésre azonban a fehér fényt sugárzó LED-ek lettek alkalmasak. De milyen félvezető kristályt tartalmaznak a fehér LED-ek?

A fehér fény előállítása

Fehér fényt emittáló kristály nincs, kék (esetleg UV-) fényt sugárzó LED-et alkalmaznak, és a fotolumineszcencia elvén működő szekunder sugárzást hasznosítják a kevert fehér fény előállítására. A fényporban a fény energiatartalmának abszorpciója következtében foton keletkezik, amelynek energiája a Planck-egyenlet szerint

ahol h a Planck-állandó, l a fény hullámhossza, c pedig a sebessége. A megoldás tehát fénypor alkalmazása, amelynek kutatását a kisülőcsöveknél már ismert elvek alapján kezdhették meg. A LED alapsugárzásának közvetlen közelébe (többnyire a LED tokozásába) fényport helyeznek, amely szekunder sugárzás révén sárga-vörös fényt bocsát ki. Ez keveredve az eredeti kékkel eredőként fehér fényt eredményez.

1 A szekunder sugárzás energiaviszonyai
1 A szekunder sugárzás energiaviszonyai

Az 1. ábrán láthatjuk, hogy a primer sugárzó (kék LED) Eabs energiája gerjeszti a szekunder sugárzót, amely Eem nagyságú energiát ad le a sárga hullámtartományban. A hullámtartomány eltolódása miatt (Stokes tétele) az energia egy része az atomok rezgetését végzi, ami hőveszteséget okoz, a látható spektrumban nem gerjeszt hullámot. A veszteségi energia fordítottan arányos a hullámhossz-eltolódással a következő összefüggés szerint:

Ebből látható, hogy a veszteség annál kisebb, minél nagyobb a hullámhossz-eltolódás, tehát jobb eredményt lehet elérni ultraibolya tartományban sugárzó primer fényforrással, mint kék LED-nél. Helyesen megválasztott anyagoknál az energiaveszteség 10 százalék alatt tartható, de még mindig érdemes alkalmazni, hiszen elsődleges sugárzóval csak R-G-B színkeveréses módszerrel juthatunk fehér fényhez, ami viszont a helyes színvisszaadás elérésekor jelenthet akadályokat. Nem véletlen tehát, hogy a világítási célokra gyártott fehér LED-ek inkább a szekunder sugárzás elvét használják.

Az energiaátalakulás természetesen veszteséggel jár, a keletkező szekunder fény hullámhossza a fényportól függ, ami a LED eredő fényét befolyásolja. Készítenek meleg fehértől (2700 K színhőmérsékletű) szélsőségesen hideg fehér (6500 K színhőmérsékletű) LED-eket. Energetikai szempontból azonban a LED-ek gyártástechnológiája alapvetően meghatározza a terméket, irányítja alkalmazási területét.

Világítástechnikai LED-ek energiahasznosítása

Mint minden energiaátalakítás, a fénykeltés is veszteséggel jár, amelynek nagy része hőveszteség. A fizika törvényei alapján 1 W villamos energiából elméleti maximumként 683 lumen fényáram nyerhető, a technológia jelen szintjén azonban ennek megközelítően harmadánál tartunk. Ugyanakkor örömmel mondhatjuk, hogy az izzólámpa évszázados egyeduralmát jelenleg több mint tízszeres energiahasznosítással múlta felül a LED-es technológia.

2 Izzólámpa és LED energiafelhasználásának összehasonlítása
2 Izzólámpa és LED energiafelhasználásának összehasonlítása

Ez azért óriási eredmény, mert felmérések szerint a világ villamosenergia-fogyasztását mintegy 80 százalékban világításra fordítjuk, tehát ezen spórolni „kötelesség”. De hogyan is állunk a LED-es világítás hatásfokával?

A fényhasznosítás hatásfokára többféle definíció ismert, a fizikusokat, a lámpa- és eszközfejlesztő konstruktőröket a félvezető kristály vonatkozásában érdekli, hogy a betáplált villamos energiával hány foton keletkezik. Ezt az értéket az energiakonverzió, illetve a kvantumhatásfok szintjén kezeljük, a gyakorlati felhasználót nem érdekli. A gyakorlatban alkalmazott és ma már az adatlapokon megkövetelt érték a fényhasznosítás, amelyet lumen/wattban mérünk (lm/W).

A keletkezett veszteségi hő három faktorból áll össze: a LED meghajtására szolgáló villamos tápegység veszteségéből, a LED mint félvezető dióda veszteségéből, valamint a fényt kicsatoló optikai rendszer (diffúzor, lámpabúra stb.) veszteségéből.

3 A LED-es fényforrás csatolása a külvilághoz
3 A LED-es fényforrás csatolása a külvilághoz

Igényes gyártó a világítóeszköz adatlapján feltünteti a fényhasznosítási hatásfokot lm/W-ban, azonban óvatosan kell fogadni ezt az értéket. Előfordul ugyanis, hogy a világítótestbe szerelt LED-ek hatásfoka kerül bele, akár 250 lm/W hivalkodóan magas értékkel, holott a komplett egység hatásfoka nem éri el a 90-et. Nagyon nagy veszteség (több mint 30 százalék) keletkezhet például lámpabúra, fénydiffúzor alkalmazásával, hogy a kápráztatást elkerüljék, bár léteznek olyan diffúzorfóliák, amelyekkel 5 százalék alatt tartható ez a veszteség.

A kutatások – több más paraméter mellett – főként a fényhasznosítási hatásfok javítása irányában folynak.

hirdetés
Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
hirdetés
hirdetés
hirdetés
hirdetés