Освещение led: преимущества светодиодов, их разновидности, применение и принцип работы

За последнее десятилетие светодиодное освещение буквально ворвалось в нашу жизнь и изменило ее до неузнаваемости. Светодиоды (LED) используют практически везде. Заменив люминесцентные лампы, они способствовали новому витку в развитии жидкокристаллических дисплеев: техника стала компактной, появились тонкие цветные телефоны, затем смартфоны, планшеты, ультратонкие  телевизоры и мониторы.

Все это повлияло на значительное сокращение потребления электроэнергии. По этой же причине уличное led освещение уже давно стало нормой в развитых городах. Как вы уже поняли, сегодняшняя статья будет целиком и полностью посвящена светодиодам.

Плюсы и минусы светодиодного освещения

Как и любая вещь, светодиоды имеют положительные и отрицательные качества, которые необходимо знать.

Достоинства светодиодного освещения

Давайте начнем с того, что назовем преимущества такого освещения, чтобы до конца понять, почему оно так быстро набрало популярность и смогло подвинуть своих конкурентов.

• По сравнению с предыдущими поколениями источников света, светодиоды (СИД, СД – светоизлучающие диоды) намного экономичнее используют электрическую энергию. В сочетании с резонансным источником питания световая отдача достигает 120 Люмен на 1 Ватт. Для сравнения – люминесцентные лампы имеют показатель 60-100 Лм/Вт, а лампы накаливания – 10-24.
• Очень длительный срок эксплуатации, который, прежде всего, зависит от схемотехники источников питания и качества используемых радиодеталей. При соблюдении теплового режима работы данный показатель способен достичь невероятной цифры в 36 -72 тысяч часов. Для сравнения — срок службы лампы накаливания составляет 1000 часов, а люминесцентного источника питания – 10–20 тысяч часов. Таким образом, экономия выходит не только за счет меньшего энергопотребления

Интересно знать! На самом деле производители не имеют возможности выполнять полноценного тестирования срока службы, из-за постоянных изменений и развития технологий, а для определения сроков службы пользуются различными методиками прогнозирования, такими как: ТМ-21 и IESNA LM -80.

• На продолжительность эксплуатации количество включений-выключений не оказывает никакого влияния.
• Для того чтобы получить свечение в нужном спектре не нужно использовать светофильтры, как в люминесцентных лампах.
• С помощью светодиодов можно организовать направленное освещение без применения рефлекторов, однако эта особенность может считаться и минусом, но об этом немного позже. Изменение угла излучения светодиода возможно с применением компактных линз.

• Еще одно существенное преимущество перед люминесцентным освещением – это отсутствие инерционности при включении и выключении. Благодаря этому светодиоды можно применять в динамических световых установках.
• При использовании специальных светодиодных диммеров, возможно плавное изменение интенсивности свечения ламп.
• Светодиоды экологически безопасны, в них не используется ртуть, как в люминесцентных лампах.
• Светодиоды компактны. В их составе используется значительно меньшее количество редкоземельных материалов.

• Сами светодиоды и корпуса для ламп к ним очень прочны. Посмотрите на фото выше. Лампа имеет прочную колбу из пластика и многочисленные ребра жесткости в основании, которые еще, по совместительству, являются радиатором для теплоотвода. Такая конструкция устойчива к падениям и вибрациям, так как не имеет нити накаливания и прочих чувствительных компонентов.
• Практически полностью отсутствует инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
• Энергоэффективные лампы выделяют мало тепла, что позволяет использовать их в пожароопасных местах и компактных светильниках, не боясь за возникновение пожара.
• К тому же стоит отметить электрическую безопасность таких ламп. Они работают на низких напряжениях.

Согласитесь, перечень достоинств весьма велик.

Недостатки LED освещения

Но, как и всегда, имеется «ложка дегтя». Давайте перечислим проблемы светодиодов, которые пока не удалось разрешить:

• Основным недостатком светодиодного освещения является тепловыделение, которое не рассеивается вместе со световым излучением, а перелается в цоколь, вызывая перегрев СД. Из-за этого, при больших мощностях, лампы необходимо оборудовать теплоотводом, к качеству которых предъявляются высокие требования. Так, для того чтобы рассеять 5 Ватт теплового излучения полупроводника нужен радиатор площадью 100 см².
• Необходимость установки радиатора делает лампы дороже и сильно усложняет производство компактных ламп с мощностью свыше 15 Вт для стандартных цоколей Е14 и Е27.
• При перегреве светодиоды очень быстро выходят из строя, поэтому их не рекомендуется устанавливать в местах, где окружающая температура превышает 100 градусов по Цельсию. К ним относят: освещение сауны led, освещение внутри духовых шкафов или микроволновых печей и т.д.
• Для питания светодиодов требуется низкое напряжение. Из-за того, что в общественных электрических сетях оно составляет 220В, приходится для питания отдельных светодиодов использовать преобразователь постоянного тока.  Это не может не сказаться на габаритах и надежности такой схемы, которая к тому же требует дополнительной защиты.

• Светодиоды это однонаправленный источник света. Угол освещенности у большинства таких ламп не превышает 120 градусов.
• Некоторые типы схем подключения светодиодов являются последовательными. По этой причине лампа не может продолжать работать, даже если перегорит всего лишь один диод (как гирлянда).
• Еще один недостаток – это цена, которая в несколько раз выше, чем у хороших ламп накаливания. Однако в последнее время наметилась тенденция на снижение стоимости, и уже сегодня можно приобрести неплохую лампу мощностью в 6-8 Вт за 120-150 рублей.
• Не все светодиоды имею представленный выше показатель световой отдачи. У недорогих ламп массового производства этот показатель составляет 80-110 Лм/Вт. По данному показателю лидерские позиции занимают газоразрядные натриевые лампы ДНаТ – светоотдача на 1 Ватт составляет 150-200 Люмен. Именно натриевые лампы преимущественно используются для уличного освещения, хотя уличное освещение на led тоже очень популярно и набирает обороты.
• Спектр свечения у светодиодов отличен от солнечного, поэтому производители постоянно вынуждены выбирать между качеством и мощностью. Однако правильно подобранные люминофоры позволяют создать свечение, которое по цветопередаче, не будет уступать лучшим представителям люминесцентного освещения.
• С LED лампами нельзя использовать диммеры для ламп накаливания, по причине встроенного вторичного источника питания, хотя лампы подходящие для такого подключения все же существуют. Их стоимость будет выше на 30%, а регулировка яркости свечения происходит скачкообразно от номинальной до 20% мощности и полного выключения. Если же использовать светодиодные диммеры, то регулировка не будет отличаться от привычной.

• Недорогие лампы имеют неприятную пульсацию, которая составляет удвоенную частоту электрической сети, то есть у нас в Росси и странах СНГ лампа будет мерцать с частотой в 100Гц. Такое мерцание хоть и незаметно человеческому глазу, но вызывает дискомфорт, и может отрицательно сказаться на здоровье.

Синий спектр светодиодного света также вреден – он утомляет глаза и может повредить сетчатку глаза при длительном воздействии.

Дополнительно мы подобрали для вас видео, где про светодиодные лампы рассказано и показано много интересного.

Применение светодиодного освещения

Где же чаще всего используют светодиоды? Как мы успели убедиться, данная технология еще не до конца освоена, и порой минусы перечеркивают все преимущества. Но, естественно, существуют области, в которых замена освещения на led, более чем оправдана.

В первую очередь, речь идет о наружном освещении улиц городов и пригородных участков трасс (см. Где применяется наружное светодиодное освещение). Многие страны начали менять старые ртутные лампы на новые, светодиодные. В лидерах оказалась Европа, где инвестиции в LED освещение составили в два раза большую сумму, чем в обычное. Ожидаемая экономия составляет 60-70%.

Отдельные города, такие как финский Турку, планируют полный переход на светодиодное освещение. К примеру, в уже упомянутом городе, сумели сэкономить 1 386 00 КВт, что сопоставимо со среднегодовым потреблением 1300 одноэтажных зданий.

Благодаря своей экономичности, яркости и безопасности светодиоды широко применяются в прожекторах, светильниках, автомобильных фарах, светофорах, домашних лампах освещения и компактных, переносных ручных фонариках, светоотдача которых может доходить до 5000 Лм.

Также их используют:

• В качестве индикаторов на различных устройствах, в том числе и табло электронных часов;

• Большие уличные таблоиды и бегущие строки;

• В оптопарах;
• Для создания оптического модулированного излучения;

• В гибких шнурах из ПВХ — Дюралайт;
• На USB носителях;
• Различных игрушках;

• Дорожных световых знаках;
• В последнее время, светодиоды пришли и в растениеводство.

Для организации праздничной  и декоративной уличной подсветки  светодиоды подходят, как нельзя лучше. Для упрощения монтажа по периметру зданий и прочих труднодоступных мест была разработана светодиодная лента.

С ее помощью  можно выполнить подсветку объекта со сложной геометрией в любом доступном цветовом спектре. Ленты вешают на дома, деревья, памятники и другие объекты.

Интересные факты о светодиодах

Данная глава будет интересна для людей, которые желают расширить свой кругозор, и узнать особенности СИД поподробнее. Мы поговорим о тех вещах, которые обычно опускаются в подобных статьях, но данная информация может показаться кому-то очень интересной.

Что такое светодиод, и как он работает

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый прибор с p-n-переходом (электронно-дырочным). При пропускании через него электрического тока создается электромагнитное излучение, видимое человеческим глазом – свет.

В момент перехода электрического тока в прямом направлении, электроны и дырки (носители заряда), из-за того, что электроны переходят с одного уровня на другой, рекомбинируют с излучением от фотонов.

Человечеству известно много полупроводников, но не все они способны эффективно излучать. Лучше остальных светят прямозонные полупроводники, типа A^IIIB^V  и  A^IIIB^VI. Производители комбинируют состав полупроводников, чтобы создавать требуемые длины волн излучения – от инфракрасного до ультрафиолета.

История появления

Британский экспериментатор Генри Раунд, еще в далеком 1907 году, впервые обнаружил свечение, излучаемое твердотельным диодом. Он пропускал электрический ток через карбид кремния (карборунд) и заметил оранжевое, желтое и зеленое свечение на катоде. По сути, он первым открыл и описал эффект электролюминесценции.

В 1923 году, те же открытия повторно, но независимо, совершил советский ученый-физик О.В. Лосев. Работая в Нижегородской радиолаборатории, он обнаружил слабое свечение в точке контакта двух различных материалов (работал он с парой карборунд — стальная проволока).

Данное открытие было опубликовано в научной литературе, но практического применения в то время оно не нашло, поэтому дальнейшие исследования не возобновлялись не один десяток лет. Однако сам Лосев смог найти практическую значимость, предположив, что открытие можно применять для создания твердотельных безвакуумных источников света, способных работать на очень низком напряжении (около 10 В). Также он доказал, что электрическая люминесценция возникает в районе спая двух материалов.

В 1961 году два физика Гарри Питтман и Роберт Брайард получили патент на изобретение первого инфракрасного светодиода.

Интересно знать! Данные диоды до сих пор применяются в пультах дистанционного управления бытовой техники.

Первый в мире светодиод, излучающий в видимом спектре (красном), разработал Ник Холоньяк, работавший на компанию General Electric. Именно он считается создателем современных светодиодов.

Немного позднее, его бывший студент Джордж Крафорд демонстрирует первый светодиод, излучающий желтый свет. Он же дорабатывает конструкцию диода Холоньяка, улучшая его эффективность в 10 раз – сделано это было в 1972 году.

Первый в мире светодиод с высокой яркостью создает в 1976 году Т. Пирсол. Его изобретение было предназначено для применения в телекоммуникациях под оптоволоконные линии связи.

Из-за того, что до 1968 года цена светодиодов была невероятно высока (до 200 долларов за штуку), их практическое применение практически отсутствовало. В 1971 году исследования Жака Панкова в американской лаборатории RCA привели к созданию синего светодиода. Тогда же и было организовано первое массовое производство.

В начале 90-х годов японские разработчики Исама Акасаки и Хироси Амано создали дешевый синий светодиод, за что получили Нобелевскую премию в 2014 году. Данный диод в сочетании с красным и зеленым дает яркий белый свет с высокой энергоэффективностью. Данное явление послужило толчком для создания светодиодных ламп освещения и жидкокристаллических экранов с LED подсветкой.

Схемотехника для светодиодов

СИД начинает работать, когда через него пропускают ток в прямом направлении (как и любой полупроводник, он пропускает ток только в одну сторону). То есть анод и катод имеют различные потенциалы. Ток начинает бежать только при достижении порогового напряжения в цепи, что позволяет с высокой степенью вероятности определить материал полупроводника.

Для работы светодиодов требуются Драйверы – преобразователи тока.

Светодиод подключается к источнику тока, из-за резко возрастающей вольт-амперной характеристики электронно-дырочного перехода. Подключается СД к источнику напряжения через резистор, который ограничивает ток в цепи. Часть светодиодов устроена таким образом, что ток ограничивает встроенная цепь. Для них всегда указывается допустимый диапазон напряжений.

Если подключить светодиод к источнику напряжения, который превышает заявленное падение напряжения, то возможно, что ток превысит допустимые значения, из-за чего СИД перегреется и мгновенно выйдет из строя. Именно поэтому в схеме обязательно наличие последовательно подключенного резистора или схемы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Последний вариант способен ограничивать ток в необходимых пределах и выполнять регулировку яркости.

Светодиоды обладают невысоким обратным пробивным напряжением, поэтому недопустимо подавать на них напряжение с обратной полярностью от источника, который обладает небольшим внутренним сопротивлением. В тех схемах, где возможно возникновения обратного напряжения, светодиод защищается простым диодом, который подключается параллельно в противоположной полярности.

OLED – органические светодиоды

Не так давно, мир увидел первые органические светодиоды, которые представляют собой изготовленные из органических соединений многослойные структуры. Они способны эффективно излучать свет при пропускании через них электрического тока.

Основное применение данной разработки состоит в создании экранов (дисплеев), которые возможно со временем придут на смену жидкокристаллическим матрицам. Поспособствует этому удешевление производства, но пока цена данного продукта намного выше.

Изображение на таких устройствах является более ярким и контрастным, но проблемой остается срок их службы. Дело в том, что синие OLED не в состоянии работать дольше 17000 тысяч часов (около 2-х лет непрерывного функционирования), тогда как красные и зеленые могут продержаться в несколько раз дольше. При выходе их строя синих светодиодов происходит искажение цветности, то есть монитор становится неисправным.

Интересно знать! Органические СИД нашли свою нишу в устройствах, которые не служат дольше указанного срока, а именно: смартфонах, навигаторах, планшетах и даже в приборах ночного видения.

Крупнейшие производители светодиодов

На сегодняшний день самым массовым производителем является японская корпорация «Nichia Corporation». Это та самая компания, в подразделениях которой и были разработаны дешевые синие и белые светодиоды. На их долю приходится самая большая выручка за продажу сверхъярких полупроводников.

Также можно отметить следующие компании:

• Royal Phillips Electronics;
• Cree;
• Emcore Corp.;
• Veeco Instruments;
• Seoul Semiconductor;
• Germany’s Aixtron.

В России самым крупными предприятиями, выпускающими светодиоды, являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника», продукция которых является конкурентоспособной даже на территории Европы. Оба предприятия располагаются в Санкт-Петербурге.

«Оптоган» был создан при поддержке ГК «Роснано». Компания выпускает как сами светодиоды, так и матрицы, и чипы.

«Светлана-Оптоэлектроника» — уникальное в своем роде предприятие, которое сумело организовать на территории страны полный технологический цикл: от стадии разработок, до стадии производства. Выпускают они осветительные системы любого класса, и даже интеллектуальные системы автоматизированного управления освещением.

Также можно отметить дочернее предприятие «Samsung Electronics», расположенное в Калужской области. Они выпускают не только светодиоды, но и телевизоры с LED подсветкой.

Формы ламп и типы цоколей

Если вы, все-таки, решили заменить лампы в доме на светодиодные, то никакая инструкция вам не потребуется – достаточно знать лишь тип цоколя, который установлен в вашем светильнике. Для домашних светодиодных ламп используются следующие типы цоколей:

• Е14 – стандартный компактный цоколь, который мы привыкли видеть на лампочках в форме свечи;

• Е27 – цоколь Эдисона, который служит человечеству верой и правдой, вот уже более 100-та лет;

• Е40 — это разновидность цоколя для уличного и промышленного освещения;

• G4, G9, G3, GU10 – данными типами цоколей оснащаются лампы под точечные светильники, а также самые маленькие лампы для дизайнерских люстр.

Лампы на светодиодах бывают разных размеров и форм. Они отличаются друг от друга еще и углом рассеивания светового излучения.

Различают следующие типы светодиодных ламп:

• Стандартная «грушевидная»;
• Шарообразная;
• Свеча;
• «Свеча на ветру» — у лампы изогнут кончик, имитирующий трепещущее на ветру пламя;
• Трубка – по типу типовых люминесцентных ламп;
• «Кукуруза» — лампа с самым высоким углом рассеивания – внешне имеет сходство с упомянутой культурой.

На этом подведем итог нашим любительским изысканиям в мире светодиодов. Замена освещения на led, сегодня более чем оправдана, так как недорогие и долговечные светодиоды сильно сокращают расходы на электроэнергию, исключения лишь составляют места с высокой температурой окружающей среды. Всего хорошего, наш дорогой читатель!