Konwersja światła w diodach LED

Druga metoda otrzymywania światła białego polega na zastosowaniu luminoforu, którym pokrywa się diodę LED promieniującą w paśmie nadfioletu (UV LED) (rys. 2). Luminofor pokrywający chip diody składa się z trzech warstw, z których każda realizuje konwersję światła UV na jedną z trzech barw podstawowych. Dalej następuje wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor biały. Rozwiązanie to charakteryzuje się prostą technologią produkcji białej diody LED i nieskomplikowanym układem zasilania diod w oprawie oświetleniowej. W rezultacie niskie koszty są atutem tej metody. Jednocześnie, ze względu na straty na konwersję światła w trójkolorowym luminoforze, jest to rozwiązanie najmniej efektywne energetycznie. Rozwiązanie to nie daje możliwości kontrolowania barwy światła białego i współczynnika oddania barw, które to parametry ustalane są w trakcie produkcji białej diody. W niektórych zastosowaniach wadą jest też szczątkowe promieniowanie UV, które przedostaje się poprzez warstwy luminoforu. Obecnie diody białe z wzbudzaniem luminoforu światłem UV są rzadko produkowane ze względu na problemy z odpornością materiałów obudowy na promieniowanie ultrafioletowe, niedoborem emiterów o odpowiedniej wydajności oraz jego szkodliwe działania na zdrowie.

Rys. 2. Otrzymywanie bieli przez konwersję promieni UV
w luminoforze RGB

 Sposoby otrzymywania białych emiterów LED

Diody LED są emiterami wytwarzającymi promieniowanie w wąskim zakresie widma częstotliwości – są więc źródłami światła monochromatycznego. Światło białe jest natomiast wrażeniem wzrokowym, które odczuwa człowiek w wyniku pobudzenia siatkówki oka światłem zawierającym fale świetlne z całego widma widzialnego od 425 nm do 675 nm. Nie jest więc możliwe bezpośrednie uzyskanie światła białego z pojedynczego złącza półprzewodnikowego p-n, które najczęściej emituje widmo o szerokości połówkowej nie przekraczającej kilkunastu nanometrów (podstawowe informacje o złączu p-n i działaniu diod LED zamieściłem w pierwszej części artykułu pt. Elektroluminescencja ). Mimo to wytwarza się białe diody LED, i co więcej, są one teraźniejszością i przyszłością nowoczesnej techniki oświetleniowej. Żeby wykonać białą diodę LED korzysta się z jednego z podstawowych praw kolorymetrii, a mianowicie sumowania addytywnego podstawowych barw światła. W wyniku dodania barw światła: czerwonej, zielonej i niebieskiej (RGB – ang. Red Green Blue) możliwe jest otrzymanie światła białego. Warunkiem jest, by natężenia poszczególnych barw pozostawały ze sobą w ścisłych stosunkach ilościowych. Wychodząc od prawa addytywności barw stosuje się 3 główne metody otrzymania białej diody LED: mieszanie światła kilku barw, konwersja długości fali z wykorzystaniem luminoforu lub metoda hybrydowa będąca połączeniem 2 pierwszych.

Mieszanie światła w diodach LED

W pierwszej metodzie najczęściej umieszcza się w jednej obudowie 3 chipy LED tworzące diodę RGB (rys. 1). W wyniku addytywnego sumowania barw otrzymywany jest kolor biały. Jest to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż nie występują tu straty w luminoforze związane z konwersją światła. Rozwiązanie to daje duże możliwości w zakresie elastycznego sterowania temperaturą światła białego i współczynnikiem oddania barw CRI. Przykładowo dzięki zastosowaniu 3 barw podstawowych możliwe jest otrzymanie maksymalnego wskaźnika oddawania barw CRI (Ra) do 90, natomiast jeżeli dodać jeszcze 2 diody – jedną turkusową i jedną żółtą, to wówczas maksymalne CRI naweti 99. Niekorzystną cechą tej metody jest duży koszt i komplikacja obwodu zasilająco-sterującego. Każda z diod wymaga osobnego obwodu zasilającego ustalającego odpowiedni punkt pracy. Dodatkowo trzeba uwzględnić różnice w natężeniu oświetlenia poszczególnych barw. Odmienne są też charakterystyki termiczne i starzeniowe dla każdego rodzaju diod, co wymaga uwagi podczas projektowania i wykonywania kompensującego te zmiany systemu sterującego. W metodzie mieszania barw wykorzystuje się również matryce dyskretnych diod: czerwonych, zielonych i niebieskich. Wówczas należy wykorzystywać rozpraszające układy optyczne, które wspomogą efekt mieszania barw.


Rys. 1. Otrzymywanie bieli poprzez mieszanie trzech barw podstawowych