Economia de energie electrică în iluminatul interior cu ajutorul LED-urilor

Transcription

1 38 Economia de energie electrică în iluminatul interior cu ajutorul LED-urilor Florin IONESCU, Constantin IVANOVICI, Mioara MAZILU, Ionel POPA, Mihai CHERSIN, Ioan DRÂNGĂ, Daniel Emilian DOBRESCU Abstract The general artificial lighting system represents one of the important factors which determines the society development, the labour efficiency and the health level of people, through the conditions ensured over the period without natural lighting. A constant concern on the international level is the increase of the performances of the artificial light sources, which requires studies for both the increase of the present sources parameters and the new solutions for the artificial light generation. The LED lamps, contrary to the compact luminous ones, do not imply the use of any gas, and the technology develops rapidly enough so that one can state that today it represents the best compromise between the luminous emission level and the electrical energy saving. Keywords: LEDs, indoor lighting, energy saving, luminous lamps, incandescence lamps 1. INTRODUCERE Una dintre soluţiile care deschide noi direcţii de dezvoltare în domeniul iluminatului este utilizarea diodelor luminiscente (LED-uri), pentru producerea luminii artificiale. LED-urile (Ligting Emiting Diode) sunt componente optoelectronice capabile să emită lumină atunci când sunt parcurse de un curent electric. Apărute în 1962, LED-urile sunt cele mai economice surse luminoase produse vreodată. De exemplu, o lampă de iluminat cu incandescenţă de 100 W nu generează decât 5 W lumină, pe când o lampă de iluminat cu LED-uri are un randament de 99 %. Tabelul 1 prezintă o comparaţie privind diversele tipuri de lămpi. Tabelul 1. Comparaţie privind randamentul luminos şi durata de viaţă Tehnologie Lampă cu incandescenţă Randament (lumen pe watt /W) Durata medie de viaţă (ore) Lampă cu halogen Florin IONESCU prof.dr., Univ. Politehnica din Bucureşti; Constantin IVANOVICI ing. ICPE; Mioara MAZILU ing. IANLUX Târgovişte; Ionel POPA dr.ing. ICPE; Mihai CHERSIN ec. LOHUIS IMPEX; Ioan DRÂNGĂ ing. TRION ELECTRONICS; Daniel Emilian DOBRESCU ing. LOHUIS IMPEX. Lampă cu fluorescenţă Lampă cu LED De prin anii '60, iluminatul fără lămpi cu incandescenţă a fost un deziderat imaginat de descoperirea LED-urilor cu radiaţie în spectrul vizibil. De atunci, inovaţiile tehnologice nu încetează să fie promovate de societăţi de renume CREE, Lumileds, Osram, Avago şi Optek. Astăzi aceste tehnologii precum Luxeon Rebel, Moonstone, Xlamp, Golden Dragon, care au revoluţionat piaţa iluminatului. Adaptarea nivelului de iluminare şi a culorii luminii generate la tipul de activitate şi la nivelul de intensitate a muncii reprezintă una dintre condiţiile necesare asigurării microclimatului luminos al locului de muncă şi are o influenţă hotărâtoare asupra eficienţei muncii şi a nivelului de sănătate. În acest sens, sistemele de iluminat cu LED-uri pot asigura condiţii optime de obţinere a unui sistem de iluminat modern, eficient şi uşor controlabil, care permite realizarea adaptării la necesarul momentan de lumină şi prin urmare răspunde tuturor dezideratelor arătate. LED-urile sunt avantajoase în cea ce priveşte utilizarea mai eficientă a energiei electrice, protecţia mediului, reducerea costurilor de întreţinere şi

2 39 emisia unei lumini superior calitative ce asigură o bună vizibilitate. Îmbunătăţirea randamentului surselor de iluminat cu LED-uri împreună cu o utilizare cât mai eficientă sunt aspecte de luat în seamă. Această îmbunătăţire se poate face sub două aspecte. Primul aspect este cel al parametrilor geometrici ai corpului emiţător de lumină, iar al doilea aspect este legat de imbunătăţirea performanţelor electrice. Fiecare LED este consituit dintr-o diodă semiconductoare, care emite lumină, când o tensiune este aplicată la terminale. Efectul este o formă de electroluminiscenţă. Culoarea emisă depinde de compoziţia şi de condiţiile de utilizare a materialelor componente şi poate fi infraroşie, vizibilă sau ultravioletă. Având în vedere perspectivele iluminatului cu LED-uri, pe plan mondial şi european, se remarcă eforturi deosebite de cercetare pentru obţinerea de produse din ce în ce mai performante şi cu preţ de cost cât mai redus. Cercetările sunt în direcţia creşterii omogenităţii suprafeţei cristalului, a scăderii rezistenţei termice, a creşterii randamentului becurilor, a fiabilităţii lor, a menţinerii stabilităţii culorii la variaţia temperaturii şi în timp, în paralel cu scăderea costului. Modificarea tehnologiei de fabricaţie sau îmbunătăţirea celei existente constituie o prioritate pentru producătorii de surse de iluminat. Principalele societăţi producătoare de LEDuri şi lămpi cu LED-uri sunt: OSRAM, Philips (Lumileds), Avago, National Semiconductor, Optek, Sylvania, Seoul Semiconductors, Cree Semiconductors, Nexxus Lighting. 2. UTILIZAREA LED-URILOR DE MICĂ PUTERE ÎN ILUMINATUL INTERIOR Preocuparea pentru realizarea LED-urilor de mică putere destinate iluminatului interior este foarte intensă pe plan mondial, iar numeroase societăţi fac cercetări în această direcţie. În cele ce urmează, vom prezenta două dintre cele mai performante LED-uri destinate iluminatului interior. Dioda LED OSTAR-Lighting, de mare randament a fost dezvoltată pentru iluminatul general, ca de exemplu: iluminat interior, iluminat arhitectural şi scenic, iluminat industrial, ca şi pentru aplicaţii speciale ca iluminare pentru microscop, lămpi flash de mare calitate şi panouri de semnalizare. Dioda luminiscentă OSTAR-Lighting este destinată, înainte de toate, utilizării în aplicaţii care necesită o luminanţă ridicată asociată cu o extindere geometrică minimă a zonei radiante, în special, în aplicaţiile cu lentile sau sisteme de lentile. Datorită formei sale plate şi compacte, ea oferă producătorilor de sisteme de iluminat posibilitatea dezvoltării sau creării de noi concepţii de iluminare interioară, sau de sisteme de iluminat. La conceperea acestei diode, s-a urmărit optimizarea proiectării termice a modulului. În funcţie de tipul modulului, partea lui esenţială constă din 4 sau 6 cristale semiconductoare de înaltă performanţă, montate pe un suport ceramic. Pentru asigurarea unei conductibilităţi termice optime, suportul ceramic este montat direct pe aluminiul substratului metalic (IMS-PCB). Ca sursă luminoasă, se utilizează cristale semiconductoare şi o peliculă (fi) subţire (ThinGaN) extrem de performantă. Toate cristalele semiconductoare sunt montate în serie, pentru asigurarea unui curent cu aceeaşi intensitate şi pentru obţinerea unei luminozităţi uniforme a suprafeţei. În afara eficacităţii foarte mari, avantajul noii tehnologii ThinGaN constă în emisiunea luminoasă şi conversia lungimilor de undă care se face numai prin suprafaţa superioară a cristalului. Materialul, care face conversia, este aplicat direct pe suprafaţa cristalului semiconductor, procedeu numit chip-coating şi, nu ca la alte diode LED de lumină albă, în cadrul unei răşini de umplere (conversie de volum). Avantajul procedeului chip-coating constă în materialul de conversie care se poate aplica într-un strat de grosime omogenă şi de concentraţie uniformă pe suprafaţa cristalului, încât partea de radiaţie convertită să fie, practic, constantă pe toată suprafaţa cristalului. Temperatura de culoare a diodei OSTAR-Lighting este de ordinul a 4500 K la 7000 K (alb lumina zilei) cu un indice de redare a culorilor (CRI) egal cu 80. Dioda Luxeon de la Lumileds Lighting este o nouă sursă luminoasă, extrem de performantă, cu consum de energie redus şi un design ultra-compact care îmbină avantajele privind durata de viaţă şi fiabilitatea LED-urilor. Introducerea gamei de surse luminoase Luxteon TM de la Lumileds Lighting imbunătăţeşte performanţele LED-urilor disponibile pe piaţă. Diodele Luxeon standard sunt de puteri de 1 W, 3 W şi 5 W. Gama surselor luminoase Luxeon utilizează o nouă tehnologie. Astfel, acestea prevăd un cristal semiconductor instalat pe o pastilă care permite o mai bună disipare a căldurii şi dispune de proprietăţi termice superioare comparativ cu diodele electro-

3 40 luminiscente de semnalizare existente. Având în vedere caracteristicile termice optimizate şi dimensiunile mai mari ale cristalului semiconductor, Luxeon poate funcţiona la curenţi superiori celor obişnuiţi. Trecerea curentului provoacă o inevitabilă generare de căldură. Pentru un LED clasic de 5 mm, este permisă trecerea unui curent de 20 ma. La un curent de 20 ma, care parcurge o diodă, electroluminiscenţa clasică o face să producă aproximativ 1 lumen de lumină albă. Proprietăţile termice superioare ale diodelor Luxeon le permit acestora să suporte un curent de aproximativ 350 ma generând astfel circa 20 lumeni de lumină albă. Astfel, o singură sursă luminoasă Luxeon produce o lumină echivalentă celei generate de mai multe LED-uri clasice de 5 mm şi permite dezvoltarea unei densităţi (/m 2 ) mult mai ridicate. Sursele luminoase Luxeon includ numeroase alte îmbunătăţiri tehnologice introduse pentru ameliorarea fiabilităţii şi a luminozităţii. Cristalul semiconductor este optimizat pentru a garanta eficacitatea iluminării şi o bună gestiune a densităţii de curent şi, implicit, a regimului termic. Cristalul semiconductor de InGaN Luxeon, precum şi sursele luminoase de lumină albă Luxeon sunt sudate pe un cristal secundar brevetat, de silicon, care dispune de o protecţie împotriva descărcărilor electrostatice. Lumileds a conceput, de asemenea, surse luminoase Luxeon de lumină albă, proiectate să elimine diferitele mecanisme care au o influenţă defavorabilă asupra intensităţii luminoase. Căteva dintre aceste elemente de noutate sunt: - dioda Luxeon dispune de o reducere a rezistenţei termice de circa 20 de ori faţă de o diodă electroluminiscentă de semnalizare de 5 mm clasică şi permite o intensitate maximă a curentului de 350 ma; - Luxeon utilizează o capsulă brevetată de silicon şi cuplaj optic, care, contrar celei realizate din raşină epoxidică transparentă, nu îngălbeneşte lumina, ci permite menţinerea intensităţii luminoase a diodei, pe toată durata de viaţă; - Luxeon utilizează o grilă de conexiune protejată de decolorare printr-un tratament oxidant, ceea ce permite şi ameliorarea iluminării; - Luxeon utilizează un cristal secundar de silicon situat sub cristalul semiconductor, încât stratul de răşină epoxidică fixat pe matrice să intre în contact doar cu cristalul din silicon şi nu cu cristalul semiconductor. Acest procedeu permite şi el ameliorarea intensităţii luminoase. Gama de surse luminoase Luxeon utilizează fire de aur pentru interconctarea cristalelor semiconductoare (AllnGaP Luxeon) sau a celor secundare de silicon (InGaN Luxeon şi surse luminoase albe Luxeon). Firul de aur este susţinut, din punct de vedere mecanic, de capsula transparentă şi ajută la generarea unei forţe mecanice suficiente pentru garantarea unei rezistenţe satisfăcătoare la şocuri mecanice şi vibraţii, inerente tehnologiei semiconductoarelor, în opoziţie cu sursele luminoase bazate pe elemente incandescente, sau cu halogen, uşor de deteriorat din punct de vedere mecanic. Temperaturile de funcţionare şi de depozitare pentru sursele luminoase bazate pe semiconductoare sunt, în general, limitate din cauza proprietăţilor mecanice ale capsulei. Dacă temperatura este prea scăzută, capsula devine casantă. Materialele moderne folosite la construcţia capsulelor pot rezista la temperaturi inferioare valorii de 40 0 C. Această valoare este acoperitoare pentru aplicaţiile potenţiale. Dacă temperatura este prea ridicată, capsula se dilată şi îmbătrâneşte prematur. Variaţiile extreme de temperatură pot genera tensiuni mecanice la nivelul firului de aur contribuind la reducerea drastică a duratei de viaţă a produsului. Prin urmare, temperatura maximă a joncţiunii interne la diodele Luxeon este limitată la C. Diodele Luxeon pot totuşi rezista la câteva sute de cicluri de temperatură ( C) fără să fie parcurse de curent. Procentul de defectare poate avea creşteri importante în cazul variaţiilor extreme de temperatură. Intensitatea luminoasă, plecând de la prezumţia că sistemul funcţionează în cadrul limitei definite pentru temperatura maximă a joncţiunii, şi modul de defectare cel mai des întâlnit pentru o diodă semiconductoare constau în reducerea graduală a luminii generate. Centrul de Cercetări pentru Iluminat (Lighting Research Center) a efectuat un studiu independent cu privire la intensitatea luminoasă a LED-urilor de 5 mm şi a surselor de iluminat de putere (vezi fig. 1).

4 41 Figura 1. Producţia luminoasă relativă pentru indicatoare de 5 mm şi pentru diode electroluminiscente de putere în funcţie de durata de funcţionare. Şi Lumileds a testat intensitatea surselor luminoase albe Luxeon, observând că, după o funcţionare de 4000 de ore, aproape nici o depreciere nu are loc. Este de remarcat că lumina produsă se diminuează puţin câte puţin. LED-urile albe de 5 mm produc o lumină echivalentă, egală cu 50 % din cea iniţială, în urma unei funcţionări de 6000 de ore, în timp ce sursele de iluminat de putere albe generează încă 90 % din lumina iniţială în urma unei funcţionări de 9000 de ore. Fig. 2 arată intensitatea luminoasă medie obţinută după o funcţionare de 2000 de ore a surselor luminoase albe Luxeon la 0,35 A şi 85 0 C. Se remarcă deprecierea mai importantă, când temperatura este mai ridicată. spontan. În acelaşi timp, modificarea temperaturii joncţiunii T J, în cadrul intervalului de temperatură autorizat, influenţează mai mulţi parametri ai LED-ului. Astfel, tensiunea directă, fluxul luminos, punctul de cromaticitate şi durata de viaţă a LED-urilor sunt influenţate de temperatura joncţiunii. a) Influenţa asupra tensiunii directe V F şi fluxului luminos Φ v Creşterea temperaturii joncţiunii determină pentru LED atât scăderea tensiunii directe V F (vezi fig. 3), Figura 3. Tensiunea directă în funcţie de temperatura joncţiunii (de ex: OSTAR LEE W E2x) cât şi diminuarea fluxului luminos Φ v (vezi fig. 4). Figura 4. Fluxul luminos în funcţie de temperatura joncţiunii (de ex.: OSTAR LEE W E2x) Figura 2. Producţia luminoasă relativă pentru sursele luminoase albe Luxeon la 0,35 A şi 85 0 C 3. FACTORII CARE INFLUENŢEAZĂ PERFOR- MANŢELE TEHNICE ALE LED-URILOR Influenţa temperaturii joncţiunii În general, depăşirea temperaturii maxime admisibile a joncţiunii determină deteriorarea ireversibilă a LED-ului şi provoacă un defect Modificările, care apar, sunt reversibile, iar, când temperatura scade, se revine la valorile iniţiale. Practic, cu cât temperatura joncţiunii T J este mai mică, cu atât randamentul luminos este mai ridicat. b) Influenţa asupra punctului de cromaticitate (coordonate de cromaticitate x/y) Efectul unei modificări a temperaturii joncţiunii asupra punctului de cromaticitate se traduce printr-o deplasare reversibilă a

5 42 valorilor. Mărimea şi importanţa deplasării se calculează în funcţie de coeficienţii de temperatură ai coordonatelor cromatice x/y ai LED-ului. De exemplu, în tabelul 2, sunt prezentaţi coeficienţii de temperatură tipici coordonatelor de cromaticitate ai diodei LED Ostar Lighting. Tabelul 2. Coeficienţii de cromaticitate ai LED Ostar Lighting Coeficient de temperatură [10-3 /K] TC x I f = 700 ma, -10<T<100 ºC TC y I f = 700 ma, -10<T<100 ºC -0,1-0,2 Din tabelul 2, se observă că, o creştere a temperaturii de 40 0 C determină, pentru coordonata de cromaticitate x, o deplasare de ordinul 0,004, iar pentru coordonata de cromaticitate y, o deplasare de ordinul 0,008, care antrenează o schimbare de culoare şi care poate influenţa aplicaţia. În concluzie, în funcţie de aplicaţie, trebuie să se verifice, dacă deplasarea punctului de cromaticitate este tolerabilă, sau dacă este necesar, să se evite, sau să se compenseze, efectul temperaturii asupra lui. c) Influenţa asupra fiabilităţii şi duratei de viaţă. În general, nu se recomandă să se utilizeze LED-uri la temperatura maximă admisibilă. S- a constatat, o creştere a temperaturii joncţiunii, care determină îmbătrânirea accelerată şi diminuarea duratei de viaţă. De asemenea, trebuie să se evite scăderea temperaturii sursei luminoase sub temperatura ambiantă, care determină apariţia unor picături de condensare, care pot strica modulul. Alţi factori care influenţează performanţele tehnice ale LED-urilor sunt: a) Curentul direct al LED-ului Din cauza neliniarităţii diodei semiconductoare, corespondenţa dintre creşterea, sau scăderea, luminozităţii sursei luminoase şi curentul direct nu este liniară. În consecinţă, curentul direct trebuie să fie mult mai ridicat pentru a dubla fluxul luminos corespunzător unei anumite valori. De exemplu, dependenţa fluxului luminos faţă de curentul direct, pentru dioda OSTAR Lighting LE W E3x, este prezentată în fig. 5. Figura 5. Fluxul luminos în funcţie de curentul direct (OSTAR LE W E3x) În tabelul 3, sunt prezentate performanţele optice ale câtorva diode OSTAR Lighting. Tabelul 3. Valorile caracteristice ale diodei OSTAR-Lighting LE D I f 350 ma Φ v (tip) I f (tip) 124 / /44 OSTAR -Lighting LE W E2A /LE W E2B (4-Chip) 700 ma 200 / /70 1 A 350 ma 20 / / LE W E3A /LE W E3B / /65c d (6-Chip) 700 ma 300 / /104c d 1A 360 / /125c d La o comparaţie directă a valorilor iluminării pentru diodele LED, trebuie avută în vedere distanţa, la care a fost determinată valoarea, ţinând seama că iluminarea este invers proporţională cu pătratul distanţei (legea distanţei fotometrice): Iv E ( r) = (1) v 2 r Dacă distanţa se dublează, iluminarea se micşorează de 4 ori, aşa cum se arată în tabelul 4 pentru diodele OSRAM Lighting. Tabelul 4. luminarea diodei OSRAM Lighting la I F=700 ma Modul LE W E2A OSTAR -Lighting 4-Chip LE W E2B LE W E3A 6-Chip LE W E3B E v 265 lx 280 lx 380 lx 416 lx

6 43 la 0,5 m E v la 1 m E v la 1,5 m E v la 2 m 64 lx 70 lx 95 lx 104 lx 28 lx 31 lx 42 lx 46 lx 16 lx 18 lx 24 x 26 lx b) Sistemul optic al LED-ului Iluminarea poate fi influenţată prin sistemul optic utilizat. Un sistem optic, cu un unghi de radiaţie corespunzător, poate creşte iluminarea de până la 3 ori. Comanda cel mai frecvent utilizată este în curent constant. În general, blocurile de alimentare, care asigură alimentarea cu curent constant, sunt surse de curent comandate PWM. Această metodă oferă avantajul major de menţinere a punctului de cromaticitate, la un nivel constant, mărimea curentului fiind constantă, numai durata impulsului este variabilă. 4. STUDIU PRIVIND ILUMINATUL INTERIOR UTILIZAND TUBURI CU LED-URI CE ÎNLOCU- IESC LĂMPILE FLUORESCENTE DE 18 W, 36 W, 58 W Ne-am propus construirea unor tuburi cu LED-uri care să înlocuiască tuburile fluorescente T8 (D = 26 mm) de puteri 36 W şi 18 W. Tuburile cu LED-uri care vor fi proiectate vor avea puterea de 18 W respectiv 9 W la aceeaşi eficienţă luminoasă a corpului de iluminat, ca şi cel fluorescent. Ele au aceeaşi formă constructivă ca tuburile cu neon, dar au partea de comandă încorporată. Nu mai trebuie balast şi starter, deci se face o economie substanţială. Caracteristicile acestor tuburi cu LED-uri vor fi: putere (9/18 W); tensiune de alimentare ( V ac/50 Hz), culoare ( K). Din punct de vedere constructiv, se utilizează un tub de aluminiu (practic, o jumătate din tubul lămpii), în care se montează 2 plăci de circuit imprimat (PCB) cu LED-uri albe SMD, capsulă PLCC 2 de 0,2 W (3,2 V /65 ma) cu dioda Zener de 3 V, încorporată pe chip şi destinată protecţiei la supratensiuni, precm şi modulul de comandă. Cealaltă jumătate din tubul lămpii este din plastic transparent rezistent la UV (Policarbonat sau PVC) prevăzut cu striaţii longitudinale pentru uniformizarea luminii date de LED-uri. Numărul de LED-uri utilizate în fiecare caz va fi în funcţie de puterea lămpii. Alimentarea LED-urilor de la reţea presupune realizarea unui lanţ de conversie, care să împiedice injectarea unor armonici în reţea şi care, în acelaşi timp, să asigure un factor de putere apropiat de unitate. Iluminatul fluorescent este mai economic decât cel cu incandescenţă, iar cel cu LED-uri aduce beneficii în plus faţă de cel fluorescent. În cele ce urmează vom detalia aceste avantaje ale iluminatului cu LED-uri faţă de cel fluorescent şi avantajele înlocuirii tuburilor fluorescente. Iluminatul fluorescent Putere: 36 W Energie pentru 1 zi: 432 Wh Energie pentru 1 an: 152 kwh Puterea balastului: 18 W Energie pentru 1 zi:216 Wh Energie pentru 1 an: 76 kwh Energie totală pentru 1 an: 228 kwh Cost total (pentru $ 0,18 /kwh): $ 41,045 Total efort instalare pentru 1 an: 5 minute Total energie pentru 10 ani: 2280,3 kwh Total cost (pentru $ 0,18 /kwh): $ 410,405 Total efort intreţinere pentru 10 ani: 50 minute Pentru de tuburi fluorescente, într-un an, se va utiliza un total de kwh. Dacă electricitatea este evaluată la $ 0,18/kWh, se vor plăti $ ,8 pentru energia electrică consumată într-un an. Într-un an, puterea a de tuburi echivalează cu un total de 14,077 kg de cărbune negru care ar arde. Aceasta va realiza în jur de 42,231 kg de dioxid de carbon, 74,6 kg de dioxid de sulf şi 39,4 kg de oxid de azot. Totodată, trebuie s se ţină seama de un factor de efort de de minute. În zece ani, ar rezulta că energia consumată ar fi de kwh, iar costul de $ Un total al cărbunelui ars de kg produce kg de dioxid de carbon, 746 kg de dioxid de sulf şi 394 kg de oxid de azot. Timpul de efort va fi de aprox minute. Iluminatul cu LED-uri Putere: 15 W Energie pentru 1 zi: 180 Wh Balastul nu este necesar Energie totală pentru 1 an: 65,52 kwh Costul total (pentru $ 0,18 pe kwh): $ 11,79 Total efort întreţinere pentru 1 an: 15 minute Energie totală pentru 10 ani: 655,2 kwh Total cost intreţinere ($ 0,18 pentru kwh): $ 117,936

7 44 Total efort intreţinere: 15 minute Pentru de tuburi LED, se consumă o energie de aprox. 131,04 kwh, care va costa $ Aceasta echivalează cu arderea a 4.044,05 kg de cărbune, care ar realiza aproape 14,2 kg de dioxid de carbon, 21,43 kg de dioxid de sulf şi 11,32 kg de oxid de azot. Efortul total pentru aceste surse de iluminat va fi de aprox de minute pentru deconectarea balasturilor şi înlocuirea tuburilor. Pe o perioadă de 10 ani, consumul ar trebui să fie de 1.310,4 kwh cu un cost de $ Totalul carbunelui, care ar trebui să fie ars, este de aproape kg. Aceasta ar trebui să realizeze kg de dioxid de carbon, kg de dioxid de sulf şi 110,35 kg de azot. Tuburile nu mai trebuie schimbate, deci timpul de efort este tot de aprox de minute. Economiile sunt substanţiale: $ $ =$ , deci înlocuirea tuburilor fluorescente cu tuburi cu LED-uri este pe deplin justificată pentru utilizator. Producerea corpurilor de iluminat şi a tuburilor cu LED-uri este rentabilă pentru agentul economic. 6. CONCLUZII Iluminatul cu LED-uri este încă la început. Standardele pentru surse de lumină alternative, în special, pe bază de LED-uri, sunt în dezvoltare, fiind rezultatul colaborării a diferite instituţii, workshop-uri şi întâlniri ale ANSI/IESNA. În 2008, au apărut specificaţiile privind spectrul cromatic al surselor de lumină tip LED, cuprinse în ANSI C : Specification for the Chromaticity of Solid- State Lighting Products. Un alt standard este IESNA LM-79: Approved Method for the Electrical and Photometric Testing of Solid- State Lighting Devices. Se specifică metode de testare standard pentru măsurarea proprietăţilor fotometrice permiţând calcularea eficienţei iluminării. Alte standarde în dezvoltare sunt: IESNA RP-16 Definitions, IESNA LM-80 Lifetime, ANSI C82-.XX1 Power Supply, UL 8750 LED Safety. Fluxul luminos şi prin extensie, eficienţa luminoasă trebuie măsurată la nivelul de iluminare, din două motive: nu există procedură standard pentru caracterizarea directă şi totalul luminii emise de dispozitiv nu poate fi predeterminată pe baza informaţiilor disponibile despre LED. Industria surselor de iluminat a adoptat eficienţa luminoasă ca fiind măsura preferată pentru evaluarea performanţelor LED-urilor. Sursele, care se pot folosi pentru alimentarea LED-urilor, pot fi de la simpla rezistenţă înseriată cu o sursă de tensiune, până la circuitele integrate de ultimă generaţie, special proiectate pentru alimentarea LED-urilor în curent. Randamentul acestora depăşeşte 90 %. Un exemplu este cel al firmei Fairchild Semiconductor, care realizează integrate ce se alimentează direct de la sursa alternativă şi fără circuit de feedback pe circuitul secundar, de joasă tensiune, încât este permisă realizarea atât a unor surse de tensiune continuă, cât şi de current continuu. Metoda se numeşte Ringing Choke Converter (RCC). Prin eliminarea circuitului de reacţie în schema originală de la Fairchild, se reduc timpii de proiectare, se reduce numărul de componente şi se reduc dimensiunile. În plus, circuitul integrat poate conţine şi etajul de putere, tip MOSFET. Aceste integrate asigură o funcţionare fără variaţii de frecvenţă, care ar putea degrada semnalul şi calitatea iluminării, întrunind specificaţiile EMI. Diferenţa clară de eficienţă dintre sursele de iluminat convenţionale şi cele pe bază de LED-uri oferă acestora din urmă perspective ample de implementare. Astfel, dacă se iau în considerare durata mare de funcţionare, imunitatea la factorii de mediu şi eficienţa mare, aceste surse de iluminat sunt potrivite pentru iluminatul interior, industria auto, iluminatul public, iluminatul de siguranţă. Evident, că pot fi folosite în orice domeniu unde este nevoie de lumină, ţinând cont de particularităţi. Astfel, focalizarea undelor luminoase constituie un avantaj în unele cazuri, dar poate fi un dezavantaj în altele. În prezent, se remarcă un preţ absolut, relativ mare pe unitatea de produs, al becurilor cu LED-uri, dar, dacă se ia în consideraţie durata lor de viaţă şi economia de energie, aşa cum s-a arătat în cadrul acestei lucrări şi se face raportarea, ţinând seama de aceşti doi factori, se observă că iluminatul cu LED este competitiv faţă de celelalte tipuri de iluminat interior. În concluzie, există avantaje şi dezavantaje ale iluminatului cu LED-uri, ce se pot sintetiza astfel: AVANTAJE: Eficienţă: LED-urile produc mai multă

8 45 lumină pe watt decât becurile normale, aspect ce poate fi exploatat şi în cadrul dispozitivelor alimentate de la baterii; Culoare: LED-urile pot emite culoarea dorită fără utilizarea unor filtre de culoare; Dimensiuni: LED-urile au dimensiuni foarte mici (>2 mm 2 ) şi pot fi uşor fixate pe cablajele imprimate (SMT sau through-hole ); Timp de pornire-oprire: Din momentul alimentării, LED-urile luminează practic instantaneu, de exemplu un LED roşu are o întârziere de câteva microsecunde; Regim pornit-oprit: LED-urile suportă foarte bine regimurile de pornit-oprit, spre deosebire de lămpile fluorescente, sau cele cu incandescenţă; Reglaj de iluminare: lumina emisă poate fi variată prin utilizarea tehnicii PWM, sau mai puţin liniar prin modificarea curentului direct; Timp de viaţă: LED-urile clasice au o durată tipică de ore, pentru o scădere a gradului de iluminare la 80 %, dar pentru LED-urile înglobate în corpurile de iluminat, se garantează de ore. Spre comparaţie, becurile cu incandescenţă au o durata de de ore, iar becurile de înaltă eficienţă ( economice ) ajung la de ore; Rezistenţă la şocuri: fiind fabricate fără componente sensibile, unitar, LED-urile sunt dificil de distrus mecanic; Focalizare: poate fi un avantaj, prin faptul că sursele de lumină convenţionale necesită un reflector extern pentru concentrarea luminii; Toxicitate: LED-urile nu conţin mercur sau tungsten, spre deosebire de tuburile fluorescente, respective cele cu incandes-cenţă. DEZAVANTAJE: Preţ unitar ridicat: deşi preţul este ridicat, el se află în continuă scădere; Dependenţa de temperatură: performanţele LED-urilor depind de temperatura mediului. Pentru LED-urile, care se utilizează la limită, este recomandat utilizarea unui radiator; Sensibil la tensiune: LED-urile necesită surse speciale de alimentare (de la un rezistor până la surse de curent), care să nu permită depăşirea unor valori limită; Calitatea luminii: sensibile la dopajul şi impurităţile folosite. Existenţa unor unde emise suplimentar determină percepţia diferită de realitate a unor culori, în special la LEDurile albe; Sursă punctuală de lumină: pentru surse de lumină omnidirecţionale este dificil de utilizat LED-urile; Blue Hazard: există pericolul de depăşire, pentru ochiul uman, a specificaţiilor de siguranţă pentru ochi, cuprinse în ANSI/IESNA RP : Recommended Practice for Photobiological Safety for Lamp and Lamp Systems; Poluarea albastră: deoarece LED-urile albe emit mai mult spectrul de albastru, decât cele convenţionale folosite la exterior, apare o poluare cu lumină albastră. Astfel LED-urile nu trebuie folosite în apropierea observatoarelor astronomice. Deci, înlocuirea surselor de iluminat convenţionale cu surse, care au la bază LEDurile, este o opţiune viabilă, ţinându-se cont de anumite reguli. Aceste reguli ţin mai mult de ergonomia surselor de iluminat şi de influenţa acestora asupra activităţii umane. Se consideră că utilizarea surselor cu LED-uri va permite o importantă economie de energie electrică pentru iluminatul interior, o durată de viaţă a sursei de peste 20 de ani, o importantă reducere a pierderilor în reţeaua electrică de alimentare prin reducerea componentei reactive a curentului electric şi a componenţei spectrale a acestuia. Implementarea surselor de iluminat cu LED-uri, are şanse să fie generalizată până în anul 2012, având în vedere preocupările la nivel mondial şi european, deci preocuparea de a realiza lămpi cu LED-uri în România este benefică şi poate avea un impact economic foarte mare. Sursele cu LED-uri în afara avantajelor menţionate asigură posibilitatea realizării unui iluminat adecvat locului de muncă, cu controlul nivelului de iluminare şi a culorii, în funcţie de intensitatea muncii. Prin creşterea duratei de viaţă a surselor de lumină se obţine o reducere importantă a cheltuielilor pentru mentenanţă (înlocuire surse defecte). Dezideratul este realizarea, în România, a unor lampi cu LED-uri, cu performanţe superioare pentru iluminatul interior, prin aducerea calităţii luminii la nivelul celei oferite de becurile cu incandescenţă, care asigură cea mai confortabilă lumină dintre corpurile de iluminat. Se urmăreşte, de asemenea, realizarea unui preţ de cost competitiv, care să permită utilizarea în masă a acestor tipuri de corpuri de iluminat. BIBLIOGRAFIE [1] MOROLDO H.E., Iluminatul public, între ineficienţă şi ilaritate, în Electricianul, nr. 8, [2] OANCEA C.D., Semiconductor Light Emitting Devices, International Conference: on

9 46 Management and Sustainable Marine Development, mai 2008, Constanţa, ROMANIA. [3] ***, XLamp XR-C LED Data Sheet, Cree Inc., Durham, NC [4] MORENO I., AVENDAÑO-ALEJO M., TZONCHEV R.I., Designing LED Arrays for Uniform Near-Field Irradiance, în Appl. Opt. 45, p (2006). [5] ***, Benchmarks, în Fairchild Semiconductor, vol. 1-4, 2008 [6] Lumileds, Maintenance des sources lumineuses blanches Luxeon. Note d application resumée AB07. [7] Lumileds, Fiabilité de Luxeon. Note d application resumée AB25. [8] Osram, OSTAR-Lighting. Note d application. iun