энергосберегающие светильники на полупроводниковых источниках

Особенно актуальна проблема энергосбережения при строительстве и вводе в эксплуатацию новых зданий. Например, для населённого пункта в 100000 человек нужно около 9000 светоточек. Если вместо так называемых энергосберегающих светильников с натриевыми лампами поставить светодиодные, можно получить экономию электроэнергии до 3 ГВт в год. И это не только уменьшение расходов на подключение, но и возможность применения кабелей с меньшим сечением и пр.
Использование светодиодов приводит к более чем двукратной экономии электроэнергии, не имеет нужды в специальном обслуживании в противоположность стандартным осветительным системам. Переоборудование городских улиц светодиодными светильниками даст новый свет, близкий к натуральному.

Что такое светодиод и как он работает

Первый светодиод появился в 1960 г. Он работал всего несколько часов и излучал тускло жёлтый свет. Современные светодиоды воспроизводят мельчайшие оттенки цветов. Их яркость регулируется в зависимости от освещения А работают они до 100 000 часов.
По сути светодиоды – это компактные индикаторы, как правило, красного или зелёного цвета. Они используются в аудио- и видеоаппаратуре, в бытовой технике. Трудно поверить, но за этими крошечными лампочками огромные перспективы. Почему? Ответ на этот вопрос даст понимание их устройства, характеристик и принципов работы.
Светодиод (на Западе применяют аббревиатуру LED – light emitting diodes) – это полупроводниковый прибор, который переводит электрический ток в световое излучение. Он представляет собой p-n-переход. Это как бы «кирпичик» полупроводниковой электроники, который состоит из двух кусков полупроводника с различными типами проводимости – n-тип с избытком электронов, p-тип с избытком дырок. Если к p-переходу присоединить источник тока плюсом, то через него пойдёт ток. Новые разработки позволяют формировать интегральные схемы, включающие бессчетное число p-n переходов на одном кристалле; например, в процессоре Pentium-IV их умещается десятки миллионов.
Итак, ток пошёл через p-n переход. Это тот самый момент, когда происходит перераспределение носителей электрического заряда – электронов и дырок – когда отрицательно заряженные электроны присоединяются к положительно заряженным ионам кристаллической решётки полупроводника. Это перераспределение может быть излучательным, то есть при соединении дырки и электрона энергия преобразуется в излучение кванта света – фотона. Если перераспределение не привело к образованию излучения, то энергия превращается в тепловую, и идёт на нагрев вещества. В природе есть более 5 видов излучательного перераспределения носителей, в том числе прямозонное перераспределение.

Эффективность свечения светодиодов на заре их существования измерялась в Вт по мере увеличения их КПД, а теперь определяется световым потоком (Лм) или светоотдачей Лм/Вт. Световой поток – это плотность светового излучения, которое мы видим, а светоотдача – это интенсивность светового потока на 1 Вт расходуемой мощности. Именно по светоотдаче можно судить об энергосберегающих характеристиках любых световых приборов. Соответственно, чем больше светоотдача, тем более энергосберегающим можно считать световой прибор. Для наглядности приведём некоторые цифры:
- светоотдача ламп накаливания – 15 Лм/Вт;
- светоотдача люминесцентных ламп – 60 Лм/Вт;
- светоотдача металлогалогеновых ламп – 85 Лм/Вт.

Постоянное изучение свойств светодиодов привело к появлению эффективных светодиодов, дающих излучение в различных областях спектра. Например, светодиоды на основе фосфидов алюминия-галлия-индия (разработка компании Hewlett Packard), давали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет. Их световая отдача была до 30 Лм/Вт, а внешний квантовый выход до 55%, что, конечно, намного превосходило любые лампы накаливания. Причём, нужно учитывать, что в противоположность традиционным лампам светодиоды излучают свет в довольно узкой линии спектра – шириной всего 20-50 нм. По этому показателю они находятся где-то между лазерами (их свет монохроматичен, то есть излучение идёт со строго установленной длиной волны) и лампами разных видов, которые дают белый свет (комбинация излучений разных спектров). Подобное «узкополосное излучение» ещё именуют «квазимонохроматическим». Светодиоды уже долгое время являются лучшими источниками «цветного» света, и давно превзошли в этом отношении лампы накаливания со светофильтрами.
Например, светоотдача лампы накаливания с красным светофильтром измеряется лишь в 3 Лм/Вт, а вот красные светодиоды в настоящее время производят 30 Лм/Вт и более. Скажем, самые современные приборы Luxeon производства американской компании Lumileds дают 50 Лм/Вт для красной и даже 65 Лм/Вт для оранжево-красной части спектра. Да и это далеко не предел совершенства среди жёлто-оранжевых светодиодов – пик в 100 Лм/Вт уже пройден. Компания Cree смогла поставить на поток изготовление белых светодиодов светоотдачей 100 Лм/Вт. Появление синих светодиодов стало кульминацией и замкнуло "RGB-круг": сейчас можно получить любой цвет и любой оттенок белого цвета, элементарно смешав разные цвета. Для этого можно использовать и отдельные светодиоды, и трёхкристалльные светодиоды, которые внутри одного корпуса содержат три кристалла красного, зелёного и синего свечений.

Способы получения белого света от светодиодов

Первый – комбинация цветов по технологии RGB. На одной основе, тесно прилегая друг к другу, располагаются красные, синие и зелёные светодиоды, и их излучение миксуется посредством оптической системы, скажем, линзы. В итоге получается тот самый белый свет. Есть и менее популярный способ: для получения белого света миксуется излучение светодиодов основных и подосновных цветов.
Второй способ. Жёлтый (или смесь красного с зелёным) люминофор наносится на синий светодиод. Тогда 2 или 3 излучения опять же соединяются и образуют белый или сходный с ним цвет.
Третий способ. На корпус светодиода, дающего излучение в ультрафиолетовом спектре, накладываются три люминофора, дающих синий, зелёный и красный цвета. Принцип действия схож с работой люминесцентной лампы.
Четвёртый способ базируется на применении полупроводника ZnSe. Его строение представляет собой синий светодиод ZnSe, сформированный на ZnSe-платформе. Активная область проводника, таким образом, даёт синий свет, а платформа – жёлтый.
Первый белый светодиод появился несколько лет назад. Специалисты ведущих инженерных компаний предложили применение диодной технологии при производстве любых экранов (включая экраны мобильных телефонов). В министерстве энергетики США идёт дискуссия о снижении на 90% расходов на освещение с появлением диодной технологии. Крупнейшие корпорации вкладывают средства в дальнейшее совершенствование светодиодных технологий, так что в ближайшее время можно ожидать новых предложений на этом рынке. Тем более что спрос постоянно растёт.

Область применения

Возможности практического применения светодиодов при освещении помещений сегодня представляют интерес для многих потребителей. Но наиболее актуальным остается вопрос именно наружного освещения, поэтому здесь светодиоды «захватывают власть» особенно интенсивно.

 

Сначала светодиоды использовались в конструкциях, где максимальный уровень освещённости не требовался. Это дежурное и аварийное освещение, ночное интерьерное освещение, знаки и таблички, "маркировочное" освещение. Однако нужно помнить, что интенсивный свет светодиодных «световых маркеров» может быть применён для создания в помещении цветовых зон и цветовых акцентов. Комбинация светопрозрачных элементов интерьера (окна, стеновые панели, стеклянная мебель) со светодиодными осветительными приборами приводит к появлению светящихся и меняющих цвет форм. Использование ультракомпактных источников света дает возможность «творить» необычные, порой фантастические световые формы и образы даже в самых обыденных и скучных интерьерах. Чем выше светоотдача и чем ниже цена светодиодных светильников, тем более популярными они становятся не только в локальных, но и во любых системах освещения, хотя пока здесь царствуют обычные лампы накаливания и галогенные светильники (чаще в жилых домах) и люминесцентные лампы в офисах.

 

А вот что касается наружного освещения, то здесь светодиоды стали гораздо более востребованы. Сегодня архитекторы и дизайнеры научились создавать гибкие светодиодные формы для декорирования зданий световыми карнизами. Да и в шоу-бизнесе светодиоды просто незаменимы: любой цвет, свет, любые формы и целые световые картины можно создавать с помощью этой технологии, практически меняя время и пространство по вкусу заказчика.

На практике зафиксировано значительное снижение светового потока ламп ДНаТ, ДНаЗ в процессе их эксплуатации. Снижение светового потока достигает 40-60% от показателей новой лампы. Причем наибольшая скорость спада светового потока наблюдается в первые 100-200 часов эксплуатации лампы, т.е. в течение первого месяца работы. Основываясь на данной особенности работы ламп ДНаТ, ДНаЗ, в различной литературе рекомендуют производить их замену еще до выхода их из строя через 4-6 месяцев (по данным различных источников). Т.е. реальный срок жизни этих ламп определен 4-6 месяцами.

Практический опыт показал, что по мере старения некоторые натриевые лампы начинают "мигать", т.е. лампа включается, разогревается как обычно, потом вдруг гаснет и через минуту все повторяется. Если своевременно не поменять лампу, а реально это не всегда удается, приходится "любоваться" этим эффектом долгое время.

Указанные неблагоприятные факторы особенно начинают сказываться при минусовых температурах. И лампу, которая летом еще могла бы светить, в наиболее неудобный для проведения ремонтных работ период - зимой, необходимо менять на новую.

Отслужившую лампу необходимо отправить на утилизацию, что требует дополнительных денежных затрат. Утечка ртути или других газов из лампы при ее повреждении приведет к возникновению экологических проблем (негативное влияние на здоровье людей, загрязнение окружающей среды и т.п.). Так, любая ртутная лампа содержит до 100 мг сильнодействующего вещества - паров ртути. Предельно допустимая концентрация этих паров в населенном пункте равняется 0,0003 мг/м². можно отметить, что эта опасная проблема остается, если возникает бой ламп при транспортировке и эксплуатации.

Бытует неверное мнение о том, что современная лампа ДНаТ является экологически чистой, так как в ней используется натрий. В техническом описании подобной лампы, например SON-T Comfort Pro указано, что ее горелка содержит натриево-ртутную амальгаму и ксенон для зажигания разряда.

Многие исследования показали, что белый свет  имеет преимущества перед другим освещением:

- улучшает ночное видение на от 40 до 100% относительно освещения другого спектра;

- улучшает цветовое восприятие (цветопередачу), что в свою очередь увеличивает контраст изображения и восприятия глубины пространства.

Светодиодный светильник создает освещенность с более высокой контрастностью (в 400! раз выше чем у газоразрядных ламп), что улучшает качество освещения объекта.

Светодиодные светильники являются экологически чистыми и не требуют специальных условий по обслуживанию и утилизации. Срок их службы значительно превышает существующие аналоги (срок непрерывной работы светильника не менее 80 тыс. часов, что эквивалентно 25 годам эксплуатации, при 10 часовой работе в день).

Причем это не срок, когда светодиод выходит из строя, а примерно в это время снижение его светового потока достигнет 50%.