Šta bi rekao Edison?

Od prve Edisonove sijalice sa užarenim ugljenim štapićem pa do danas, malo šta se promenilo u našim pokušajima da razbijemo tamu i osvojimo noć. Tek je u poslednjih nekoliko godina poluprovodnička tehnologija ponudila revolucionarno nov način pretvaranja električne energije u svetlosnu. Svi su izgledi da će svetleća dioda (ili LED, Light Emitting Diode) postati izvor svetla budućnosti.

Šta je LED rasvetu učinilo tako privlačnom? Prednosti su mnogobrojne. Pre svega visoka efikasnost u prevaranju električne energije u svetlosnu (što povlači manje zagrevanje svetlosnog izvora, jer se inače "višak" pretvara u toplotu), male dimenzije, lako podešavanje jačine osvetljenja (a uz odgovarajući sklop i izbro boje, do punog zasićenja), bitno duži radni vek u kome nema naglog pregorevanja izvora svetla a još manje neprijatnog treperenja pri kraju radnog veka kao kod flurescentnih cevi, odsustvo infracrvenog i ultraljubičastog opsega, otpornost na udarce i vibracije, trenutno postizanje pune snage kao i otpornost na često uključivanje i isključivanje.

Tu su i neki nedostaci - pre svega visoka cena i neophodnost ugradnje ispravljača za napajanje niskim naponom sa stabilisanom (ili bar ograničenom) jačinom struje. Dalje, hlađenje je neophodno jer su LED-ovi manji od drugih rasvetnih tela, a veoma su osetljivi na pregrevanje. Nisu zanemarljive ni primedbe na kvalitet (spektralnu karakteristiku) svetla koji proizvode beli LED-ovi, a primedba se upućuje i usmerenosti svetlosnog zračenja - ne postoji LED koji isijava svetlost na sve strane podjednako, kao obična sijalica.

U poslednje je ekologija važna tema, pa je Evropska unija, u cilju uštede energije (a samim tim i očuvanja okoline), objavila da će od 2012. godine zabraniti upotrebu klasičnih sijalica sa grejnim vlaknom. Umesto njih koristiće se tzv. "štedljive" sijalice, koje su zapravo fluorescentne svetiljke sa ugrađenim elektronskim startnim mehanizmom. U startu je zanemarena čiljenica da sve elektroluminiscentne svetiljke (pa i ove "štedljive") sadrže živu, koja je veoma otrovna, pa je naknadno uvedena obaveza posebnog odlaganja iskorišćenih štedljivih sijalica kao rizičnog otpada. Tu leži jedna od velikih prednosti LED rasvete, jer ona objedinjuje sve prednosti koje se tiču ekologije: najnižu potrošnju energije, najduži životni vek i potpuno odsustvo otrovnih materija.

U sledećim brojevima PC-ja predstavićemo nekoliko konkretnih slučajeva u kojima je realizovana LED rasveta u kućnom ambijentu, kao rezultat entuzijazma naših sugrađana, prenećemo njihova iskustva i daćemo neke konkretne projekte i savete budućim konsktruktorima koji žele da se bave ovom oblašću. Naravno da ni autor ovog teksta nije ostao imun na izazov, pa je deo svog životnog prostora već osvetlio poluprovodničkom rasvetom, a svi su izgledi da će u dogledno vreme zauvek proterati i poslednju sijalicu i flurescentnu lampu. Za početak ćemo se pozabavimti teorijskim pitanjima.

Vrste LED-ova

Osim podele po boji, potrebno je upoznati se i sa osobinama raznih oblika u kojima nam LED-ovi stižu. Nemoguće je nabrojati ih sve, ali ih grubo možemo podeliti na LED-ove u epoksidnom (plastičnom) kućištu, na minijaturne SMD (Surface Mounted Device) i na LED-ove velike snage, koji imaju metalnu površinu za termički kontakt sa hladnjakom.

Ovi poslednji su najzanimljiviji za rasvetu. Klasifikovani su kao LED-ovi snage 1 W, 3 W, 10 W, 20 W a postoje i jači, mada deklarisanu snagu treba shvatiti uslovno. Za svaki od njih navedena je maksimalna jačina struje koju mogu da podnesu. Recimo, za LED snage 1 W, bez obzira na boju, maksimalna jacina struje je 350 mA, a za 3 W ona iznosi 700 mA, pa tako dolazimo do podatka da crveni LED, na kome je pad napona oko 2 V, u prvom slučaju nema potrošnju 1 W nego 0,7 W, a u drugom, umesto 3 W samo 1,4 W. Zato plavi ili zeleni LED, na kojima je pad napona oko 3,5V, imaju potrošnju 1,225 W ili 2,45 W.

Prelazimo na dijagram usmerenosti. Difuzni LED-ovi su uvek manje usmereni od onih u "čistom" providnom kućištu, ali tu se krije opasnost da pogrešno protumačimo njihovu svetlosnu snagu, koja se izražava u kandelima (cd). Kod difuznih je kataloški izražena snaga uvek manja, ali razlog za to ne leži u manjoj količiji isijane svetlosti, nego u tome što, zbog difuzije, manje svetla padne na instrument kojim se meri intenzitet izračene svetlosti.

Usmerenost se najčešće izražava u ugaonim stepenima, ali i ovde postoje finese. LED-ovi bez "optike" (sa ravnom površinom, koja je standardna za sve SMD LED-ove, ili sa kalotom čiji je centar u neposrednoj blizini kristala koji emituje svetlost) uvek imaju takozvanu Lambertovu karakteristiku, koja je dobila naziv po Johanu Hajnrihu Lambertu, koji je još 1760. godine matematički objasnio zašto se isečak kružnice uvek vidi pod istim uglom kada se posmatra sa bilo koje tačke te kružnice. Osim ove karakteristike, često ćemo u proizvođačkim specifikacijama pronaći i karakteristiku Batwing ("krilo slepog miša"). Optika je kod ovih LED-ova tako prilagođena da manje svetlosti isijavaju unapred a više ustranu, što ih čini pogodnim za homogeno osvetljavanje ravne površine sa manje udaljenosti.

Kako nastaju boje

Ljudsko oko opaža tri boje: crvenu, zelenu i plavu, a ostale "sintetiše" mešanjem te tri osnovne. O ovome smo detaljno pisali pre 14 godina u PC-ju #10, u tekstu o teoriji boja. Ovaj tekst, pod naslovom "I bi svetlost", preuzimite sa www.pcpress.rs/download/broj/10/pc010073.pdf

Umesto prostog posmatranja boje izvora svetla, mnogo bolji uvid u njegove karakteristike pružiće ispitivanje spektroskopom, instrumentom koji uz pomoć prizme razlaže svetlost i meri intenzitet u svakoj tački spektra. Rezultat takvog ispitivanja je na dijagramu koji, mada na prvi pogled deluje komplikovano, pruža podatke korisne za analizu boja pojedinih LED-ova i za poređenje njihovih spektralnih karakteristika sa karakteristikama svetla koje nam daje Sunce, klasična sijalica sa grejnim vlaknom i fluorescentna lampa (štedljiva sijalica). Moguća su odstupanja prikazanih karakteristika, jer one zavise od proizvođača i tehnologije proizvodnje, naročito za fluorescentne izvore i bele LED-ove. Prikazan je samo vidljivi deo spektra; levo od njega nalazio bi se ultraljubičasti, a desno infracrveni.

Pogledajmo najpre obojene površine na dijagramu: one predstavljaju tipične karakteristike plavog, zelenog i crvenog LED-a. Deo spektra koji ovi LED-ovi isijavaju je prilično uzan, svega oko 25 nm, što nam omogućava da dobijemo veoma zasićenu ("čistu") boju ako nam je to potrebno, ali i da napravimo svaku boju koju poželimo, pa čak i belu. Na isti način i televizijski ili kompjuterski ekran generišu sve boje iz spektra.

Izgleda da ovako "nazubljena" spektralna karakteristika belog svetla, dobijena pomoću crvenog, zelenog i plavog LED-a, ne smeta ljudskom oku, ali postoje i beli LED-ovi koji, kao što vidimo na dijagramu, imaju ravniju spektralnu karakteristiku (ljubičasta i narandžasta linija). Oni se prave tako što se direktno na kristal plavog LED-a nanese sloj fosfora, koji "pomera" učestanost plave svetlosti ka toplijem delu spektra. Ova pojava se zove Strouksov pomak (Strokes shift), po irskom fizičaru Džordžu Strouksu, koji ju je prvi zapazio i objasnio.

Pored belih LED-ova koji rade na principu Strouksovog pomaka, postoje i beli LED-ovi koji u jednom kućištu objedinjuju crveni, zeleni i plavi LED. Najavljeni su i beli LED-ovi zasnovani na tehnologiji cink selena (ZnSe), koji istovremeno emituju plavu i žutu svetlost, što u zbiru daje belu, ali su oni još u eksperimentalnoj fazi. Priča se i o organskim LED-ovima (OLED), ali se oni koriste uglavnom za matrične LED displeje, jer su jeftini i jednostavni za pravljenje matrica visoke rezolucije, dok za rasvetu nisu pogodni jer im je projektovani životni vek jedva nešto duži od 1000 radnih sati. Postoje još i LED-ovi koji emituju svetlost u nevidljivom infracrvenom ili ultraljubičastom delu spektra - takođe nezanimljivo za rasvetu.

Tako za sada moramo da se zadržimo na belim LED-ovima koji su, kao što smo videli, zapravo plavi sa fosfornim premazom. Svaki proizvođač ima svoju tehnologiju, pa time i karakteristike svojih proizvoda, tako da priložene dijagrame treba kao orijentaciju. Zato smo priložili dva dijagrama, pošto većina proizvođača nudi dve vrste belih LED-ova: Cool White (hladno bele) i Warm White (toplo bele). Šta im to znači?

Temperatura boje

(kliknite za veću sliku)

Sunčeva svetlost pokriva praktično sve talasne dužine koje naše oko opaža (380-750 nm). Ova karakteristika zavisi od temperature Sunca; da je ono toplije, imali bismo više "hladnih" boja (koje su u levom delu dijagrama), a kada bi bilo hladnije, kriva linija dijagrama bi bila povišena u "toplom" (crvenom) delu spektra. Kada bismo ovu liniju "zategli" tako da bude prava (ali ne obavezno i horizontalna), od nagiba bi zavisio utisak toplote svetlosnog izvora, pa je to poslužilo kao jednostavno merilo za predstavljanje temperature izvora svetla.

Svako telo, čija je temperatura iznad apsolutne nule (a to su sva tela u poznatom svemiru), emituje elektromagnetske zrake. Što je telo toplije, učestanost ovih zraka je viša, a talasna dužina manja. Na sobnoj temperaturi, sva tela emituju zrake u infracrvenom opsegu (na čemu se zasniva rad beskontaktnih IC termometara i pasivnih IC protivprovalnih senzora), ali već kada se zagreju na 470 stepeni Celzijusa, počinju da emituju tamnocrvenu svetlost. Kako se temperatura dalje podiže, pretežna vrednost te svetlosti se pomera ka plavom delu spektra. Površina Sunca ima temperaturu od oko 5500 stepeni i ono će emitovati svetlost čija je temperatura boje (zapamtite taj izraz) znatno viša. U grani fizike koja se zove kolorimetrija, umesto Celzijusove skale koristi se Kelvinova, ali preračunavanje u ovu skalu, srećom, nije komplikovano: vrednosti u Celzijusovim stepenima treba dodati samo 273 i već smo dobili kelvine. Tako bismo, uz malo zaokruživanja, mogli da kažemo da je temperatura Sunca oko 5800 K.

Zvuči poznato? Kada podešavate monitor, u meniju vam se nudi da podesite i temperaturu boje u kelvinima. Ako izaberete 4800 K, odnos boja ste podesili tako da bela boja bude kao da je isijava neko hipotetično Sunce (ili bilo koji drugi predmet) zagrejano na 4800 K, što je približno 4500 stepeni Celzijusa. Malo je neobično to što viša temperatura boje daje "hladnije" boje (bliže plavoj) a niža "toplije", ali je to konvencija koja je zasnovana na čovekovom psihološkom doživljavanju boja i koju treba prihvatiti.

Bele LED-ove, birate ih po temperaturi boje koju oni isijavaju. Hladno beli LED-ovi imaju temperaturu boje između 5000 K i 8000 K, a toplo beli između 3000 K i 4000 K. Ako želite efekat sličan dnevnom svetlu opredelite se za hladno bele, a ako više volite toplu kućnu atmosferu, radije uzmite toplo bele. Ovi drugi simuliraju temperaturu boje sijalice sa grejnim vlaknom, jer temperatura tog užarenog vlakna je obično oko 2700 K (kod halogenih lampi oko 3300 K).

Ljudska vrsta je, kada je otkrila vatru i naučila kako da osvetli tamu noći, verovatno doživljavala svoje najprijatnije trenutke uz toplotu vatre, njenu crvenu svetlost i miris hrane koja se pripremala na ognjištu. Nije onda ni čudo što je u naše gene utkana ljubav prema "toplim" bojama.

A štedljive sijalice?

Fluorescentne sijalice (klasične, u obliku cevi ili tzv. štedljive - razlika je samo u obliku) su izvori ultraljubičastog svetla sa specijalnim premazom koji, ponovo na proncipu Struksovog pomaka, pretvaraju ultraljubičastu boju u belu. Zbog toga one imaju veoma "neravnu" spektralnu karakteristiku, ali svaka vrsta ima definisan odnos između toplih i hladnih boja, pa samim tim i broj koji određuje temperaturu boje u kelvinima.

Za opis oznaka temperature boja na štedljivim sijalicama, uputstva za izbor i kupovinu te njihovo poređenje sa LED osvetljenjem pogledajte PC #164.

© 1995-2024 PC Press. Sva prava zadržana.