Coraz więcej zastosowań półprzewodników
Nick Holonyak prognozował transformację w dziedzinie oświetlenia od połowy lat 60., kiedy odkrył jak sprawić, aby półprzewodniki emitowały światło. Do dzisiaj okazuje radość, kiedy ktoś zapyta go o diody LED, które wynalazł w roku 1962.
– Nigdy przedtem ludzie nie mieli wyboru kolorów, ani takiej gamy możliwych wielkości, kształtów, rozkładów; w zasadzie w dowolnym miejscu można było umieścić kolorowe światło, a wszystko przy znacznie większej wydajności, oszczędności energii i redukcji kosztów – mówi Holonyak, który jest obecnie profesorem na Uniwersytecie Stanu Illinois w Champaign.
Ta powolna transformacja nabiera tempa wraz z poprawą jasności LED i obniżaniem ich cen. Dzięki pojawieniu się białych LED ta technika zastępuje tradycyjne żarówki, co również staje się możliwe dzięki niższym cenom i większej emisji światła.
Firmy takie jak Color Kinetics Inc. z Bostonu pracują z architektami, choreografami oraz innymi, którzy wprowadzają w życie marzenie Holonyaka. Sprzęt Color Kinetics oświetla wnętrza, jak również zapewnia oświetlenie zewnętrzne budowli takich jak Hard Rock Hotel w Las Vegas i most Bena Franklina w Filadelfii, Centrum Sztuki w Madison, a także WI Wystawa Rock Styles w nowojorskim muzeum sztuki nowoczesnej oraz bostońskie przedstawienie Dziadka do Orzechów.
Różnokolorowe LED można umieścić w ukrytych lokalizacjach, co pozwala architektom i projektantom łatwo zmieniać wygląd i nastrój. – W miejscach, w których kiedyś nawet nie można było marzyć o zmianie koloru – teatrach, na mostach i w budynkach rządowych – teraz instaluje się kolorowe oświetlenie rutynowo – mówi Ihor Lys, współzałożyciel i główny detektor techniczny Color Kinetics.
Uproszczenie różnic kolorystycznych jest jednym z głównych powodów powszechnego zastosowania. – Są mniejsze, żyją 10 razy dłużej, są bardziej wydajne i zużywają mniej energii niż żarówki – mówi Holonyak. Są również zgodne z nowymi przepisami ekologicznymi, które zakazują stosowania rtęci i ołowiu.
Aplikacje konsumenckie o dużej objętości wychodzą poza proste diody LED od lat stosowane w budzikach. Obecnie diody podświetlają telewizory LCD, zastępując kineskopy. Sony i Samsung zaczynają używać czerwonych, zielonych i niebieskich diod LED do udoskonalenia jakości obrazu telewizorów kolorowych i zwiększenia jasności.
|
|
|
RÓŻNOKOLOROWE LED można umieścić w ukrytych lokalizacjach, co pozwala architektom i projektantom łatwo zmieniać wygląd i nastrój |
– Zastosowanie czerwieni, zieleni i niebieskiego daje niesamowite efekty i pozwala na odwzorowanie większej gamy barw – mówi Robert Steele, starszy analityk w Strategies Unlimited z Mountain View, CA.
Podczas gdy jasność oraz mniejsze zużycie mocy zachęca wielu inżynierów, mała wielkość diod LED również przyczynia się do wzrostu ich zastosowania. Mitsubishi Digital Electronics America zaprezentowała kieszonkowy projektor PocketProjector, ważący 40 dag podręczny moduł, który używa LED do powiększania obrazów przechowywanych w komputerach, kamerach a nawet podręcznych grach. Czerwone, zielone i niebieskie diody wyświetlają obraz SVGA, który może mieć 100 cm, kiedy powierzchnia wyświetlacza jest oddalona o mniej niż jeden metr.
Innowacje techniczne
Szybki wzrost zastosowania LED wzmaga podejmowane prace badawczo-rozwojowe na całym świecie. Białe LED mają zaledwie kilka lat, ale już zaczynają osiągać poziom jasności i ceny umożliwiające zastosowanie ich w wymagającym przemyśle motoryzacyjnym. Holonyak uważa, że w przyszłości białe LED będą wytwarzane w jeszcze prostszych procesach, co jeszcze bardziej obniży ceny.
Ostatnim przykładem postępu technicznego jest Lumileds Lighting z San Jose, CA, wspólne przedsięwzięcie Agilent Technologies i Philips Lighting. Białe wersje zmodernizowanej ostatnio technologii Luxeon emitują obecnie do 65 lumenów zaledwie przy 350 mA lub około 60 lumenów/wat. To prawie cztery razy tyle, ile emituje konwencjonalna żarówka.
Zwiększona jasność jest krytyczna zarówno dla całkowitego efektu, jak i dla zredukowania liczby diod LED potrzebnych do oświetlenia danego obszaru.
– Zawsze posługiwaliśmy się najjaśniejszymi diodami, naszym celem było osiągnięcie najbardziej wydajnych lumenów na wat – mówi Lys. – Jest to szczególnie ważne w przypadku światła białego, które prawie zawsze pracuje z pełną mocą.
Linia Luxeon ma również temperaturę złączową 185°C, czyli o 50° większą niż rozwiązania poprzedniej generacji. Niektórzy uważają to za przełom. – To, że nie można było przekroczyć 125°C zostało już niemal przyjęte za prawo fizyki – mówi Steele.
Przełom ten powinien być pomocny we wprowadzaniu białych LED do zastosowań motoryzacyjnych, które wymagają bardziej wzmocnionych konstrukcji oraz większej niezawodności niż inne dziedziny. – Eliminuje to zmartwienia związane z temperaturą – powiedział Jeff Raggio, menedżer do spraw przemysłu motoryzacyjnego w Lumileds.
Inną korzyścią wynikającą z tego udoskonalenia jest to, że kiedy jaśniejsze diody LED mogą pracować z pełną mocą, to mniej ich potrzeba. Obserwatorzy trendów rynkowych są zgodni, że wyższa jasność LED przyczyni się do ich rozpowszechnienia. Strategies Unlimited prognozuje, że segment ten prawie podwoi się, przechodząc z poziomu 3,7 mld USD w roku 2004 do poziomu 7,2 mld USD w roku 2009.
W dużych aplikacjach przejście na zdecydowanie jaśniejsze światła może oznaczać ogólną redukcję zużycia energii i budżetów na cele energetyczne. Zastosowanie mniejszej liczby wysoko wydajnych LED redukuje potrzebę stosowania wentylatorów, które są hałaśliwe i zmniejszają niezawodność. – Robimy, co możemy z chłodzeniem pasywnym, wykorzystując przewodzące ciepło epoksydy i mnóstwo innych rzeczy, których zadaniem jest odprowadzenie ciepła – komentuje Lys.
|
|
|
UŻYTKOWNICY: Przenośne produkty, takie jak diody o niskim zużyciu mocy i wysokiej wydajności są również popularne w samochodach i sygnalizacji |
Udoskonalenia LED czasami wykonują gigantyczne skoki, ale w większości przypadków podążają znajomą ścieżką, rozwijając się powoli, podobnie jak półprzewodniki.
– Generalnie istnieje mapa, która przewiduje 150 lumenów na jeden wat do roku 2012 – mówi Nadarajah Narendra, dyrektor do spraw badań ciała stałego w Radzie Badań nad Oświetleniem, w Instytucie Politechniki Rensselaer w Troy, NY.
Przedsięwzięcia badawcze są podejmowane na skalę międzynarodową, podobnie jak wysiłki zmierzające do stworzenia podstawy produkcyjnej dla technologii o wielkim potencjale rozwojowym.
– Chiny wykazują bardzo duże zainteresowanie na najwyższych szczeblach rządowych – mówi Steele. – Diody LED są postrzegane jako częściowe rozwiązanie chińskich problemów energetycznych.
|
|
|
SILNY WZROST: Diody LED o wysokiej jasności to najszybciej rozwijający się segment w tym przemyśle, który do roku 2009 ma się podwoić |
– Korea, Tajwan i Chiny; wszystkie te kraje szykują się do produkcji LED – dodaje Narendra.
Producenci chipów również przyczyniają się do przejścia na LED. Color Kinetics mogła ostatnio zredukować liczbę komponent ów systemu poprzez zastosowanie sterowników Microchip, które dodały rdzeń DSP do procesora głównego. – Nasza starsza linia składała się ze 150 części. Byliśmy w stanie zredukować liczbę części do 100 i obniżyć koszt, ponieważ niektóre z tych komponentów były dość drogie – mówi Lys.
Terry Costlow
|
Motoryzacja – pęd do przodu Przemysł motoryzacyjny nie stał się jeszcze większym konsumentem diod LED, ale powszechna obecność LED w samochodach zwiastuje przejście na oświetlenie ciałem stałym. Wiele tylnych świateł hamulcowych wykorzystuje diody LED; przechodzą na nie również reflektory tylne oraz aplikacje wewnątrz pojazdów. Liczby są jeszcze w dalszym ciągu małe dla przemysłu, który sprzedaje 16 milionów pojazdów rocznie, ale trend jest wyraźny. W zeszłym roku diody LED znalazły się w 20 modelach, których sprzedano 650 000 sztuk. Jest to czterokrotny wzrost w ostatnich dwóch latach, jak podaje Osram Sylvania – Dział Oświetlenia Motoryzacji. Oszczędności w dziedzinie energii są kluczowym mechanizmem zachęcającym inżynierów do zasilania coraz większej liczby funkcji elektronicznych z tego samego akumulatora 12 V, który jest w użyciu od lat 50. Oszczędności te można zauważyć na przykładzie podłączenia świateł tylnych. – Nasze diody LED umieszczone w tym module zużywają 4 W zamiast 27 W w trybie hamowania – mówi David Hulick, globalny menedżer do spraw produktów w Osram. Kolorowe diody LED są stosowane przez niektórych producentów do zapewnienia harmonii wnętrza i osiągnięcia stosownego wrażenia zbudowanego na kolorach, jak to ma miejsce w przypadku bursztynowej barwy BMW czy błękitu Volkswagena. Wielu innych producentów samochodów wykorzystuje diody w deskach rozdzielczych. – Wiele diod znajduje się we wskaźnikach i światłach ostrzegawczych, a firmy przechodzą na całe skupiska LED – mówi Mike Godwin, menedżer do spraw produktów w Osram Sylvania z Danvers, MA. Jeszcze kilka lat a białe diody LED trafią do reflektorów przednich, ale w zasadzie już są stosowane prawie w każdym samochodzie. Niektórzy producenci samochodów już stosują je w światłach do jazdy dziennej, które nie wymagają dużej jasności. Minimalne wymogi głębokości miejsca instalacji cieszą inżynierów-projektantów, którzy byli ograniczeni wielkością żarówek. Cieszą się również inżynierowie odpowiedzialni za bezpieczeństwo, ponieważ diody LED będą mogły oświetlać drogę podczas wykonywanych przez samochody manewrów zawracania, pomagając kierowcom zobaczyć, co znajduje się w obszarach nieobjętych zasięgiem tradycyjnych świateł. Diody trafiają również do wnętrz i aplikacji, w których wymogi zasilania nie są aż tak rygorystyczne, a warunki nie są tak trudne. – Białe diody LED służą do oświetlania map, kopuł i oświetlania wnętrz – mówi Jeff Raggio, menedżer do spraw rozwoju rozwiązań motoryzacyjnych w Lumileds. Kompaktowa wielkość diod oznacza również, że można je umieścić w nietypowych lokalizacjach tak, aby dawały odrobinę światła w uchwycie kubka czy klamce. – LED są jednak ciągle droższe niż żarówki – mówi Hulick. Ale czynniki takie jak koszty gwarancji często przemawiają na ich korzyść, szczególnie w tablicach rozdzielczych i tam, gdzie trudno wymienić żarówkę. Czas użytkowania LED wynosi 10 000 godzin lub więcej, co jak przyznaje większość ekspertów jest równe lub większe spodziewanemu okresowi użytkowania samochodu. |
