Akva-tehnik.ru

Отделка дома своими руками
4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы и сферы применения световодного освещения

Светодиодное освещение – технология сегодняшнего дня

На сегодняшний день от 15% до 20% электроэнергии, используемой в домах, приходится на освещение. Если подсчитать расходы на нее за год, вызывает удивление тот факт, почему так мало людей перешли на использование экономных ламп. Некоторые, возможно, ошибочно полагают, что у освещения с низким энергопотреблением отсутствуют все те преимущества, которые делают традиционные лампы такими популярными. Тем не менее, в то время как использование старых и неэффективных ламп будет постепенно сокращаться, в центре внимания заслуженно окажутся лампы с высокой яркостью на основе светодиодов (LED).

Как и большинство качественных электротоваров, светодиоды будут работать без сбоев как при длительном использовании, так и при регулярном включении и выключении. Производители светодиодных ламп достигли такого уровня надежности благодаря эффективной системе управления терморегулированием, разработанной для предотвращения перегрева светодиодов.

Качественные светодиодные лампы могут работать до 40 тыс. часов, что, по крайней мере, в два раза (а то и более) превышает срок жизни обычной компактной флуоресцентной лампы, а часто – даже в три или четыре раза. Для светодиодных ламп, обычно используемых в темное время суток в течение нескольких часов, это означает, что, будучи вкрученной в тот день, когда в семье родился ребенок, она прослужит до того момента, пока он не покинет родительский дом и не создаст собственную семью.

Как устроен этот мир…

Если разобрать светодиодную ламу, можно найти множество крошечных чипов, которые загораются, когда через них проходит электричество.

LED лампа Verbatim

Схема светодиодной лампы

Этот массив элементов и является ответом, почему светодиодное освещение такое привлекательное. Некоторые светодиоды лампы излучают белый свет таким же образом, как и люминесцентные лампы: компоненты производят синий свет, но фосфорное покрытие на поверхности светодиода преобразует его в видимый белый свет. Способность светодиодных ламп легко воспроизводить различные оттенки света является ключевым, но не единственным их преимуществом по сравнению с компактными люминесцентными лампами.


Компактная люминесцентная лампа (CFL)Verbatim LED
Мощность8 Вт7,7 Вт
Сила светового потока400 лм500 лм
Светоотдача50 лм/Вт65 лм/Вт
Энергоэффективность80%82%
Регулирование яркости (диммирование)ИзбирательноДа
Вредные или опасные материалыДа, ртутьНет
Срок эксплуатации6 тыс. — 15 тыс. часовОк. 40 тыс. часов
Работа на полную мощностьОтложеннаяМгновенная
Стоимость электроэнергии за год*5 евро4,7 евро
*Стоимость используемой электроэнергии рассчитана, исходя из ежедневного освещения 10 часов в день 365 дней в году при среднем тарифе на электроэнергию в Европе 0,17 евро за кВт*ч

Таблица 1: Сравнение ламп

LED против люминесцентных ламп

С люминесцентными лампами потребителю всегда надо идти на компромисс. Например, прежде чем CFL достигнет полной яркости, пройдет несколько минут. Кроме того, уже при полной яркости свет флуоресцентных ламп кажется не таким привлекательным, как обычное освещение, к которому мы привыкли. Также вызывает беспокойство тот факт, как быстро CFL будут «выгорать» и как их ультрафиолетовое излучение может негативно повлиять на произведения искусства, ткани и отделку мебели с течением времени.

Компактные люминесцентные лампы технологически идентичны люминесцентным лампам, используемым в складских помещениях и в офисах – в среде, где главным критерием освещения становится функциональность и эффективность, а не эстетические соображения. В конце концов, не всякий решится установить у себя в гостиной люминесцентные лампы промышленного назначения. По сравнению с ними светодиодные лампы излучают привлекательные тона белого света.

Читайте так же:
Разновидности и особенности подключения электрических вилок

Еще один недостаток компактных люминесцентных ламп – это то, что для преобразования электричества в свет в них используется токсичная элементарная ртуть. Наличие высокотоксичной ртути означает, что их нельзя просто выбросить в мусорный бак, так как, разбившись, они будут выделять токсичные пары. Компактные люминесцентные лампы необходимо утилизировать особым образом, сдавая их в специализированные пункты приема.

Лампы на основе светодиодов не содержат никаких опасных веществ, и поэтому по окончанию срока эксплуатации их легко утилизировать, таким образом, уменьшив количество твердых бытовых отходов.

В настоящее время светодиодные технологии составляют конкуренцию экологичным галогенным, или IRC-галогенным, лампам, которые на 30% сокращают затраты по сравнению с обычными галогенными лампами. Галогенная лампа, как и «лампочка Ильича», излучает свет при нагревании электрическим током вольфрамовой нити. Для повышения эффективности новые галогенные эколампы используют специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное излучение и отражает его назад, к спирали. Однако новые галогенные лампы по-прежнему гораздо менее эффективны и долговечны, чем компактные люминесцентные и светодиодные лампы. Светодиодные лампы, по крайней мере, в три раза более эффективны, чем галогенные эколампы, и в силу своих надежных твердотельных технологий, как правило, светят в 15 раз дольше.

Тип лампыПреимуществаНедостатки
LED

  • Мгновенное достижение максимальной яркости
  • Не содержит ртути и др. вредных материалов
  • Свет высокого качества
  • Регулируемая яркость
  • Более высокий уровень энергоэффективности
  • Высокий уровень яркости
  • Совместимость со схемами затемнения
  • Срок службы – 20-35 лет
  • Долгий срок эксплуатации в режиме вкл./выкл.

  • Более высокие начальные издержки по сравнению с компактными люминесцентными лампами

  • Более низкие начальные издержки по сравнению со светодиодными лампами

  • Достижение максимального уровня яркости с задержкой
  • Содержит канцерогенную ртуть
  • Яркость не регулируется
  • Свет низкого качества
  • Излучает ультрафиолетовый свет
  • Срок службы до 13 лет
  • Требует специальной утилизации

Таблица 2: Преимущества и недостатки LED и CFL

Таким образом, светодиодные лампы являются очень привлекательным вариантом для домашнего освещения. Светодиоды являются более экологичными и энергоэффективными, чем альтернативные технологии освещения. Хотя изначально их стоимость может превышать стоимость компактных люминесцентных ламп и экологичных галогенных ламп, но в долгосрочной перспективе светодиодное освещение сэкономит вам средства, поскольку срок службы светодиодных ламп намного дольше, чем у любой другой технологии освещения, и они оправдают себя много раз, прежде чем потребуют замены.

Новинки светотехники от Verbatim

Не так давно компания Verbatim представила новинки светодиодного освещения, сделав основной акцент на расширении уже существующих линеек светодиодной продукции как в сегменте профессионального, так и бытового использования.

Новое поколение ламп конечного потребителя Verbatim Classic A имеет традиционный цоколь E27 и самую подходящую для домашнего освещения цветовую температуру 2700K и 3000K. Опции мощности: 4 Вт, 8 Вт, 10 Вт, 12 Вт и 13 Вт. Яркость: 250—1100 лм. Все новые модели диммируемые, что можно использовать для создания более уютной обстановки в доме и одновременно снизить потребление электроэнергии.

Суть, виды и преимущества светодиодного освещения

Освещение является важнейшим элементом благоустройства любых зданий или помещений. Без него возможность нормальной эксплуатации исчезает, вне зависимости от назначения или прочих особенностей. В настоящее время приоритетным видом является светодиодное освещение, демонстрирующее значительное преимущество перед всеми альтернативными вариантами.

Что такое светодиодное освещение

Система подсветки любого типа представляет собой комплекс приборов, обеспечивающих внутреннее или наружное освещение зданий, земельных участков, улиц и т.д. Освещение светодиодными светильниками выполняет те же функции, отличаясь только конструкцией ламп. При этом, существует заметная разница в способе организации и обеспечения питания осветительных приборов. Потребление электроэнергии у ЛЕД приборов многократно понижено, чем у традиционных ламп накаливания или люминесцентных конструкций. Это меняет технологии прокладки проводов, а в последнее время появились автономные лампы, питающиеся от собственного источника.

Изначально светодиодные источники света были дороги и использовались только в освещении помещений соответствующего уровня и назначения. Однако, цены быстро упали, сделав LED приборы наиболее эффективными и экономичными. Начался массовый переход с люминесцентных (энергосберегающих) ламп на полупроводниковые устройства, поскольку расходы на содержание и обслуживание подобных систем гораздо ниже, чем у любого альтернативного варианта.

Не менее широко LED освещение используется в наружных системах. Разработаны автономные фонари, снабженные блоком питания от солнечных батарей. Они накапливают заряд в светлое время суток, а при наступлении темноты отдают его светильникам. Такие приборы не нуждаются в проведении кабеля, могут быть перемещены в любое удобное место. Они снабжаются детекторами освещенности, автоматически включающими приборы при падении освещенности до определенного уровня.

Также есть датчики движения, включающие фонарь только при появлении на обслуживаемой территории движущихся объектов достаточно большого размера.

Принцип работы светодиодных источников освещения

Светодиод — это полупроводниковый прибор, способный к преобразованию электрического тока в световой поток. Основным элементом конструкции является светоизлучающий кристалл. Он установлен на алюминиевом или медном основании, фиксируется с помощью слоя силикона. К поверхности кристаллов подведены анод и катод, на которые подается напряжение питания. Сверху установлена линза из силикатного стекла или эпоксидного компаунда (в дешевых моделях). Вокруг кристалла находится рефлектор, формирующий световой поток и определяющий угол раскрытия данного светодиода.

Свечение возникает вследствие рекомбинации электронов и дырок на p-n переходе. Для усиления процесса границу между полупроводниками легируют специальными материалами, увеличивающими эффект. Рекомбинация происходит при ударе электрона о поверхность слоя n, когда возникает т.н. туннельный эффект — электрон ударяется о противоположные границы слоев, и при каждом ударе образуется фотон света.

Важно! Любой дефект поверхности исключает возможность рекомбинации в этой точке. Для получения интенсивного и стабильного процесса используют многослойные кристаллы — гетероструктуры.

Это базовая конструкция светодиода, которая послужила основой для создания множества более мощных и ярких устройств. Для создания таких конструкций изготавливаются матрицы из множества кристаллов, которые излучают световой поток одновременно, демонстрируя высокую яркость.

Устройство и принцип действия светодиода

Светодиоды были изобретены около полувека назад как более удобная альтернатива миниатюрным лампам с нитями накаливания. Новые осветительные элементы были более удобны, просты в эксплуатации и энергоэффективны. На протяжении последних 30 лет светодиоды совершенствуются и дорабатываются, захватывая все большую часть рынка. Причиной большой популярности стала эксплуатационная надёжность, большой рабочий ресурс и простой принцип работы светодиода.

Светодиоды

Историческая справка

Исторически изобретателями светодиодов считаются физики Г. Раунд, О. Лосев и Н. Холоньяк, которые по-своему дополняли технологию в 1907, 1927 и 1962 годах, соответственно:

  1. Г. Раунд исследовал излучение света твердотельным диодом и открыл электролюминесценцию.
  2. О. В. Лосев в ходе экспериментов открыл электролюминесценцию полупроводникового перехода и запатентовал «световое реле».
  3. Н. Холоньяк считается изобретателем первого светодиода, применяемого на практике.

Светодиод Холоньяка светился в красном диапазоне. Его последователи и разработчики дальнейших лет разработали жёлтый, синий и зелёный светодиоды. Первый элемент высокой яркости для применения в волоконно-оптических линиях был разработал в 1976 году. Синий светодиод LED был сконструирован в начале 1990-х трио японских исследователей: Накамура, Амано и Акасаки.

Эта разработка отличалась крайне малой себестоимостью и, по сути, открыла эпоху повсеместного применения LED-светодиодов. В 2014 году японские инженеры получили за это Нобелевскую премию по физике.

В нынешнем мире светодиоды встречаются повсеместно:

  • в наружном и внутреннем освещении светодиодными лампами и лентами;
  • как индикаторы для буквенно-цифровых табло;
  • в рекламной технике: бегущих строках, уличных экранах, стендах и т.п;
  • в светофорах и уличном освещении;
  • в дорожных знаках со светодиодным оснащением;
  • в USB-устройствах и игрушках;
  • в подсветке дисплеев телевизоров, мобильных устройств.

Устройство светодиода

Конструкция светодиода представлена следующими составляющими:

  • эпоксидная линза;
  • кристалл-полупроводник;
  • отражатель;
  • проволочные контакты;
  • электроды (катод и анод);
  • плоский срез-основание.

Устройство простейшего DIP-светодиода

Рабочие контакты закреплены в основании и проходят сквозь него. Другие компоненты лампы находятся внутри неё в герметичном пространстве. Оно образовано спайкой линзы и основания. При сборке на катоде закрепляется кристалл, а на контактах – проводники, которые через p-n-переход подключены к кристаллу.

Что такое OLED?

OLED – это органические полупроводниковые светодиоды, которые производятся из органических компонентов, которые светятся при прохождении электрического тока. Для их производства применяются многослойные тонкоплёночные структуры из различных полимеров. Принцип действия таких светодиодов также базируется на p-n-переходе. Преимущества OLED проявляются в сфере дисплеев – по сравнению с жидкокристаллическими и плазменными аналогами они выигрывают по яркости, контрастности, энергопотреблению и углам обзора. Технология OLED не используется для производства осветительных и индикаторных светодиодов.

Как работает элемент?

Принцип действия светодиода основывается на функциях и свойствах p-n-перехода. Под ним понимается специальная область, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). p-полупроводник является носителем положительного, а n-полупроводник – отрицательного заряда (электронов).

В конструкции светодиода положительным и отрицательным электродами выступают анод и катод, соответственно. Поверхность электродов, которая находится снаружи колбы, имеет металлические контактные площадки, к которым припаяны выводы. Таким образом, после подачи положительного заряда на анод и отрицательного – на катод – на p-n переходе начинает протекание электрического тока.

Рекомбинация на p-n переходе

При прямом включении питания дырки из области p-полупроводника и электроны из области n-полупроводника буду направлено двигаться на встречу друг другу. В результате этого на границе дырочно-электронного перехода происходит рекомбинация, то есть обмен, и выделяется световая энергия в виде фотонов.

Для преобразования фотонов в видимый свет материал подбирается таким образом, чтобы длина их волна оставалась в видимых пределах цветового спектра.

Разновидности светодиодов

Последовательное совершенствование открытой в 1962 году технологии привело к созданию разнообразных базовых элементов и моделей светодиодов на их основе. На сегодняшний день классификация проводится по расчётной мощности, типу соединения и типу корпуса.

В первом случае различаются осветительные и индикаторные варианты. Первые предназначены для использования в осветительных целях. Их уровень мощности приблизительно соответствует аналогичным вольфрамовым и люминесцентным лампам. Индикаторные светодиоды не излучают сильный поток света и используются в электронном оборудовании, приборных и навигационных панелях и т.д.

Индикаторные светодиоды между собой различают по типу соединения на тройные AlGaAs, тройные GaAsP и двойные GaP. Аббревиатуры, соответственно, означают алюминий-галлий-мышьяк, галлий-мышьяк-фосфор и галлий-фосфор. AlGaAs светят жёлтым и оранжевым в пределах видимого спектра, GaAsP- красным и жёло-зелёным, а GaP – зелёным и оранжевым.

По типу корпуса представленные в широком применении светодиодные светильники сейчас делятся на:

  • DIP. Это старый форм-фактор из линзы, пары контактов и кристалла. Такие светодиоды применяются в световых табло и игрушках для подсветки;
  • «Пиранья» или Superflux. Это доработанная модель DIP, которая имеет не два, а четыре контакта. Выделяет меньше тепловой энергии и, соответственно, меньше греется. Сейчас применяется в автомобильной подсветке;
  • SMD. Самая популярная технология на современном рынке LED-светильников. Это универсальный чип, монтаж которого был произведён непосредственно на плате. Используется в большинстве источников света, осветительных линий, лент и т.п;
  • COB. Это результат совершенствования технологии SMD. У таких светодиодов есть несколько чипов, монтированных на одной плате на алюминиевом или керамическом основании.

Типы корпусов светодиодов

Технические характеристики и их зависимость друг от друга

Основными функциональными и эксплуатационными параметрами светодиодных светильников являются:

  • интенсивность светового потока (яркость);
  • рабочее напряжение;
  • сила тока;
  • цветовая характеристика;
  • длина волны.

Светодиодное напряжение и яркость выступают прямо пропорциональными величинами – чем выше одна, тем выше другая. Но это не напряжение питающего тока, а величина падения напряжения на приборе. Кроме того, от напряжения зависит и цвет светодиода. Таким образом, между собой связаны яркость, длина волны, напряжение и цвет светодиода, а их соотношение представлено в следующей таблице.

Цвет

Длина волны

Напряжение

Принцип действия микроэлемента так устроен, что для стабильной работы в соответствии с номинальными характеристиками необходимо отслеживать не напряжение питания, а силу тока. Светодиоды работают от пульсирующего или постоянного тока, регулируя интенсивность которого можно изменять яркость излучения. Индикаторные светодиоды работают при токе в пределах 10-20 мА, а осветительные – от 20 мА и выше. Так, к примеру, элементы типа COB с четырьмя чипами требуют 80 мА.

Цветовая характеристика

Цвет свечения светодиодного элемента зависит от длины волны, которая измеряется в нанометрах. Для изменения цвета свечения в материал полупроводника на этапе производства добавляются активные вещества:

  • полупроводники обрабатываются аллюминий-индий-галлием (AlInGaP) для получения красного цвета;
  • оттенки зелёного и сине-голубого спектра получаются с использованием индий-нитрида галлия (InGaN);
  • для получения белого свечения на базе синего светодиода его кристалл покрывают люминофором, который преобразует синий спектр в красный и жёлтый свет;
  • для фиолетового свечения применяется индий-галлия нитрид;
  • для оранжевого – галлия фосфид-арсенид;
  • для синего – селенид цинка, карбид кремния или индий-галлия нитрид.

Цветовые характеристики

Аналогично методу получения белого свечения можно использовать люминофоры разных цветов для получения дополнительных оттенков. Так, красный люминофор позволяет выпускать розовые и пурпурные светодиоды, а зелёный – салатных оттенков. В обоих случаях люминофор наносит на основу в виде синего светодиода.

Преимущества

Особенности того, как работает светодиод, дали ему несколько важных эксплуатационных и функциональных достоинств перед другими видами преобразователей электрической энергии в световую:

Где используются светодиоды, области применения

Светодиоды и их применениеМощные светодиоды на практике применяются во множестве сфер, начиная от освещения жилых, производственных, офисных помещений и заканчивая архитектурной и даже уличной подсветкой.

Примечательно, что за последние несколько лет область применения светодиодов значительно расширилась. И если раньше они ассоциировались с индикаторами в электронных приборах, то сейчас, где их только нет: дорожные знаки, светофоры, индикация в салоне машин. В автомобильной промышленности без них уже не обойтись, они активно внедряются в сигналы торможения и габаритные фонари.

Такое широкое применение светодиодов объясняется прогрессом в технологиях разработки мощных диодов. Стоит заметить, что с каждым годом они все увереннее вытесняют другие, более привычные, но устаревшие источники домашнего и уличного света (лампы накаливания, галогенные лампы, компактные люминесцентные лампы).

Перечислять все сферы, где их применяют можно очень долго: освещение рабочих мест на промышленных и производственных предприятиях, подъездов и коридоров в домах, прилавков и витрин в магазинах и бутиках.

Те светодиоды, которые используют в качестве подсветки, являются мощными, то есть по многим параметрам (световой поток, надежность, индекс цветопередачи, световая отдача) совершенно не уступают, а в некоторых случаях даже превосходят привычные источники света, применяемые в осветительных приборах.

Светодиодная лампа для замены лампы накаливания

В сравнении с лампами их главные преимущества: срок службы в режиме номинальном около 50000 часов, а также направленное излучение. В светодиодах нет ртути, как в разрядных или люминесцентных лампочках, что в разы облегчает существующую ныне проблему с утилизацией.

Светодиодные лампы

Время выхода на максимальное значение излучаемого светового потока сразу после включения составляет всего долю секунды, и вы сможете подобрать освещение любого оттенка, начиная с приятного теплого (как лампа накаливания) и заканчивая белым дневным и голубым холодным.

Светодиодная лампа для замены низковольтной галогенной лампы

Применение светодиодов в роли источников света дает возможность значительно уменьшить все расходы электроэнергии. Именно поэтому необходимо рассматривать два главных фактора, где их преимущества применения светодиодных ламп наиболее существенны: отсутствие обслуживания и экономия электроэнергии.

Пример использования светодиодов в светильниках для уличного, промышленного и офисного освещения — светодиодные светильники Ledel. При использовании нового альтернативного вида освещения вместо старых ламп накаливания, экономия составляет около 95%, а вместо люминесцентных ламп – 50%.

Светодиодные лампы

В нашей стране время от времени предпринимаются попытки полного перевода всего города или определенного здания, района на полупроводникое освещение. И это имеет смысл, поскольку светодиодиодные лампы – это наиболее мощные и экономически выгодные источники света на сегодняшний день.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию