Освітлення led: застосування та принцип роботи


Світ засяяв в новому світлі світлодіодів

За останнє десятиліття світлодіодне освітлення буквально увірвалося в наше життя і змінило її до невпізнання. Світлодіоди (LED) використовують практично скрізь. Замінивши люмінесцентні лампи, вони сприяли нового витка в розвитку рідкокристалічних дисплеїв: техніка стала компактної, з’явилися тонкі кольорові телефони, потім смартфони, планшети, ультратонкі телевізори та монітори.

Все це вплинуло на значне скорочення споживання електроенергії. З цієї ж причини вуличне led освітлення вже давно стало нормою в розвинених містах. Як ви вже зрозуміли, сьогоднішня стаття буде цілком і повністю присвячена светодиодам.

Плюси і мінуси світлодіодного освітлення


Світлодіодна лампа типу «кукурудза»

Як і будь-яка річ, світлодіоди мають позитивні і негативні якості, які необхідно знати.

Переваги світлодіодного освітлення

Давайте почнемо з того, що назвемо переваги такого освітлення, щоб до кінця зрозуміти, чому воно так швидко набрало популярність і змогло посунути своїх конкурентів.


Порівняння люмінесцентної і світлодіодним ламп

  • У порівнянні з попередніми поколіннями джерел світла, світлодіоди (СІД, СД – світловипромінюючі діоди) набагато економічніше використовують електричну енергію. У поєднанні з резонансним джерелом харчування світлова віддача досягає 120 Люмен на 1 Ватт. Для порівняння – люмінесцентні лампи мають показник 60-100 Лм / Вт, а лампи розжарювання – 10-24.
  • Дуже тривалий термін експлуатації, який, перш за все, залежить від схемотехніки джерел живлення і якості використовуваних радіодеталей. При дотриманні теплового режиму роботи даний показник здатний досягти неймовірної цифри в 36 -72 тисяч годин. Для порівняння – термін служби лампи розжарювання складає 1000 годин, а люмінесцентного джерела живлення – 10-20 тисяч годин. Таким чином, економія виходить не тільки за рахунок меншого енергоспоживання

Цікаво знати! Насправді виробники не мають можливості виконувати повноцінного тестування терміну служби, через постійні зміни і розвитку технологій, а для визначення термінів служби користуються різними методиками прогнозування, такими як: ТМ-21 і IESNA LM -80.

  • На тривалість експлуатації кількість включень-виключень не має ніякого впливу.
  • Для того щоб отримати світіння в потрібному діапазоні не потрібно використовувати світлофільтри, як в люмінесцентних лампах.
  • За допомогою світлодіодів можна організувати спрямоване освітлення без застосування рефлекторів, однак ця особливість може вважатися і мінусом, але про це трохи пізніше. Зміна кута випромінювання світлодіода можливо із застосуванням компактних лінз.


Світлодіоди в автомобільних фарах

  • Ще одна істотна перевага перед люмінесцентним освітленням – це відсутність інерційності при включенні і виключенні. Завдяки цьому світлодіоди можна застосовувати в динамічних світлових установках.
  • При використанні спеціальних світлодіодних диммеров, можливо плавне зміна інтенсивності світіння ламп.
  • Світлодіоди екологічно безпечні, в них не використовується ртуть, як в люмінесцентних лампах.
  • Світлодіоди компактні. У їх складі використовується значно менша кількість рідкоземельних матеріалів.


Міцний корпус LED світильника

  • Самі світлодіоди і корпусу для ламп до них дуже міцні. Подивіться на фото вище. Лампа має міцну колбу з пластика і численні ребра жорсткості в підставі, які ще, за сумісництвом, є радіатором для відводу тепла. Така конструкція стійка до падінь і вібрацій, так як не має нитки розжарювання і інших чутливих компонентів.
  • Практично повністю відсутня інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання.
  • Енергоефективні лампи виділяють мало тепла, що дозволяє використовувати їх в пожежонебезпечних місцях і компактних світильниках, не боячись за виникнення пожежі.
  • До того ж варто відзначити електричну безпеку таких ламп. Вони працюють на низькій напрузі.

Погодьтеся, перелік переваг досить великий.

Недоліки LED освітлення

Але, як і завжди, є «ложка дьогтю». Давайте перерахуємо проблеми світлодіодів, які поки не вдалося вирішити:


Масивні радіатори для охолодження світлодіодних ламп

  • Основним недоліком світлодіодного освітлення є тепловиділення, яке не розсіюється разом зі світловим випромінюванням, а перелається в цоколь, викликаючи перегрів СД. Через це, при великих потужностях, лампи необхідно обладнати теплоотводом, до якості яких пред’являються високі вимоги. Так, для того щоб розсіяти 5 Ватт теплового випромінювання напівпровідника потрібен радіатор площею 100 см ?.
  • Необхідність установки радіатора робить лампи дорожче і сильно ускладнює виробництво компактних ламп з потужністю понад 15 Вт для стандартних цоколів Е14 і Е27.
  • При перегрів світлодіоди дуже швидко виходять з ладу, тому їх не рекомендується встановлювати в місцях, де навколишня температура перевищує 100 градусів за Цельсієм. До них відносять: освітлення сауни led, освітлення всередині духових шаф або мікрохвильових печей і т.д.
  • Для живлення світлодіодів потрібно низька напруга. Через те, що в громадських електричних мережах воно становить 220, доводиться для харчування окремих світлодіодів використовувати перетворювач постійного струму. Це не може не позначитися на габаритах і надійності такої схеми, яка до того ж потребує додаткового захисту.


Схема підключення світлодіодів

  • Світлодіоди це односпрямований джерело світла. Кут освітленості у більшості таких ламп не перевищує 120 градусів.
  • Деякі типи схем підключення світлодіодів є послідовними. З цієї причини лампа не може продовжувати працювати, навіть якщо перегорить всього лише один діод (як гірлянда).
  • Ще один недолік – це ціна, яка в кілька разів вище, ніж у хороших ламп розжарювання. Однак останнім часом намітилася тенденція на зниження вартості, і вже сьогодні можна придбати непогану лампу потужністю в 6-8 Вт за 120-150 рублів.
  • Не всі світлодіоди маю представлений вище показник світлової віддачі. У недорогих ламп масового виробництва цей показник становить 80-110 Лм / Вт. За даним показником лідерські позиції займають газорозрядні натрієві лампи ДНаТ – світловіддача на 1 Ватт становить 150-200 Люмен. Саме натрієві лампи переважно використовуються для вуличного освітлення, хоча вуличне освітлення на led теж дуже популярно і набирає обертів.
  • Спектр світіння у світлодіодів відмінний від сонячного, тому виробники постійно змушені вибирати між якістю і потужністю. Однак правильно підібрані люмінофори дозволяють створити світіння, яке по передачі кольору, не поступатиметься кращим представникам люмінесцентного освітлення.
  • З LED лампами можна використовувати диммери для ламп розжарювання, через вбудованого вторинного джерела живлення, хоча лампи підходять для такого підключення все ж існують. Їх вартість буде вище на 30%, а регулювання яскравості світіння відбувається стрибкоподібно від номінальної до 20% потужності і повного виключення. Якщо ж використовувати світлодіодні диммери, настройка не буде відрізнятися від звичної.


світлодіодний диммер

  • Недорогі лампи мають неприємну пульсацію, яка становить подвоєну частоту електричної мережі, тобто у нас в Россі і країнах СНД лампа буде мерехтіти з частотою в 100 Гц. Таке мерехтіння хоч і непомітно для людського ока, але викликає дискомфорт, і може негативно позначитися на здоров’ї.

Синій спектр світлодіодного світла також шкідливий – він стомлює очі і може пошкодити сітківку ока при тривалому впливі.

Додатково ми підібрали для вас відео, де про світлодіодні лампи розказано і показано багато цікавого.

Застосування світлодіодного освітлення

Де ж найчастіше використовують світлодіоди? Як ми встигли переконатися, дана технологія ще не до кінця освоєна, і часом мінуси перекреслюють всі переваги. Але, природно, існують області, в яких заміна освітлення на led, більш ніж виправдана.


LED вуличне освітлення

В першу чергу, мова йде про зовнішньому освітленні вулиць міст і приміських ділянок трас (див. Де застосовується зовнішнє світлодіодне освітлення). Багато країн почали міняти старі ртутні лампи на нові, світлодіодні. У лідерах виявилася Європа, де інвестиції в LED освітлення склали в два рази більшу суму, ніж у звичайний. Очікувана економія становить 60-70%.

Окремі міста, такі як фінський Турку, планують повний перехід на світлодіодне освітлення. Наприклад, у вже згаданому місті, зуміли заощадити 1 386 00 КВт, що можна порівняти із середньорічним споживанням 1300 одноповерхових будівель.


Ручний світлодіодний ліхтарик

Завдяки своїй економічності, яскравості і безпеки світлодіоди широко застосовуються в прожекторах, світильниках, автомобільних фарах, світлофорах, домашніх лампах освітлення і компактних, переносних ручних ліхтариках, світловіддача яких може доходити до 5000 Лм.

Також їх використовують:


Плоский світлодіодний світлофор

  • В якості індикаторів на різних пристроях, в тому числі і табло електронного годинника;


світлодіодне табло

  • Великі вуличні таблоїди і рядки, що біжать;


Оптопара з світлодіодом посередині

  • У оптопарах;
  • Для створення оптичного модульованого випромінювання;


шнур Дюралайт

  • У гнучких шнурах з ПВХ – Дюралайт;
  • На USB носіях;
  • Різних іграшках;


Світлодіодний дорожній знак

  • Дорожніх світлових знаках;
  • Останнім часом, світлодіоди прийшли і в рослинництво.


Декоративне освітлення світлодіодами легко змонтувати своїми руками

Для організації святкової і декоративної вуличного підсвічування світлодіоди підходять, як не можна краще. Для спрощення монтажу по периметру будівель і інших важкодоступних місць була розроблена світлодіодна стрічка.

З її допомогою можна виконати підсвічування об’єкта зі складною геометрією в будь-якому доступному колірному спектрі. Стрічки вішають на будинки, дерева, пам’ятники та інші об’єкти.

Цікаві факти про світлодіодах

Дана глава буде цікава для людей, які бажають розширити свій кругозір, і дізнатися особливості СІД детальніше. Ми поговоримо про ті речі, які зазвичай опускаються в подібних статтях, але дана інформація може здатися комусь дуже цікавою.

Що таке світлодіод, і як він працює


Розкриваємо таємницю світлодіодів

Діоди LED – це напівпровідниковий прилад з p-n-переходом (електронно-дірковий). При пропущенні через нього електричного струму створюється електромагнітне випромінювання, видиме людським оком – світло.

У момент переходу електричного струму в прямому напрямку, електрони і дірки (носії заряду), через те, що електрони переходять з одного рівня на інший, рекомбинируют з випромінюванням від фотонів.

Людству відомо багато напівпровідників, але не всі вони здатні ефективно випромінювати. Краще за інших світять прямозоні напівпровідники, типу AIIIBV і AIIIBVI. Виробники комбінують склад напівпровідників, щоб створювати необхідні довжини хвиль випромінювання – від інфрачервоного до ультрафіолету.

Історія появи


Еволюція освітлювальних приладів

Британський експериментатор Генрі Раунд, ще в далекому 1907 році, вперше виявив світіння, що випромінюється твердотілим діодом. Він пропускав електричний струм через карбід кремнію (карборунд) і помітив помаранчеве, жовте і зелене свічення на катоді. По суті, він першим відкрив і описав ефект електролюмінесценції.

У 1923 році, ті ж відкриття повторно, але незалежно, зробив радянський вчений-фізик О.В. Лосєв. Працюючи в Нижегородської радіолабораторії, він виявив слабке світіння в точці контакту двох різних матеріалів (працював він з парою карборунд – сталевий дріт).


О.В. Лосєв – радянський фізик-експериментатор

Таке відкриття було опубліковано в науковій літературі, але практичного застосування в той час воно не знайшло, тому подальші дослідження не поновлювалися не один десяток років. Однак сам Лосєв зміг знайти практично багато важать, припустивши, що відкриття можна застосовувати для створення твердотільних безвакуумних джерел світла, здатних працювати на дуже низькій напрузі (близько 10 В). Також він довів, що електрична люмінесценція виникає в районі спаю двох матеріалів.

У 1961 році два фізика Гаррі Піттман і Роберт Брайард отримали патент на винахід першого інфрачервоного світлодіода.


Діоди LED інфрачервоний

Цікаво знати! Дані діоди досі застосовуються в пультах дистанційного керування побутової техніки.

Перший в світі світлодіод, що випромінює в видимому діапазоні (червоному), розробив Нік Холоньяк, який працював на компанію General Electric. Саме він вважається творцем сучасних світлодіодів.

Трохи пізніше, його колишній студент Джордж Крафорд демонструє перший світлодіод, що випромінює жовте світло. Він же допрацьовує конструкцію діода Холоньяка, покращуючи його ефективність в 10 разів – зроблено це було в 1972 році.


«Батько» світлодіодного освітлення Ніколас Холоньяк

Перший в світі світлодіод з високою яскравістю створює в 1976 році Т. Пірсол. Його винахід був призначений для застосування в телекомунікаціях під оптоволоконні лінії зв’язку.

Через те, що до 1968 року ціна світлодіодів була неймовірно висока (до 200 доларів за штуку), їх практичне застосування практично було відсутнє. У 1971 році дослідження Жака Панкова в американській лабораторії RCA привели до створення синього світлодіода. Тоді ж і було організовано перше масове виробництво.


LED телевізори дуже тонкі і яскраві

На початку 90-х років японські розробники Ісама Акасака і Хіросі Амано створили дешевий синій світлодіод, за що отримали Нобелівську премію в 2014 році. Даний діод в поєднанні з червоним і зеленим дає яскравий білий світ з високою енергоефективністю. Дане явище послужило поштовхом для створення світлодіодних ламп освітлення і рідкокристалічних екранів з LED підсвічуванням.

Схемотехніка для світлодіодів


Схема драйвера світлодіода

СІД починає працювати, коли через нього пропускають струм в прямому напрямі (як і будь-який напівпровідник, він пропускає струм тільки в одну сторону). Тобто анод і катод мають різні потенціали. Струм починає бігти тільки при досягненні порогового напруги в ланцюзі, що дозволяє з високим ступенем ймовірності визначити матеріал напівпровідника.

Для роботи світлодіодів потрібні Драйвери – перетворювачі струму.

Світлодіод підключається до джерела струму, через різко зростаючій вольт-амперної характеристики електронно-діркового переходу. Підключається СД до джерела напруги через резистор, який обмежує струм в ланцюзі. Частина світлодіодів влаштована таким чином, що струм обмежує вбудована ланцюг. Для них завжди вказується допустимий діапазон напруг.


драйвер світлодіода

Якщо підключити світлодіод до джерела напруги, який перевищує заявлену падіння напруги, то можливо, що струм перевищить допустимі значення, через що СІД перегріється і миттєво вийде з ладу. Саме тому в схемі обов’язково наявність послідовно підключеного резистора або схеми з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Останній варіант здатний обмежувати струм в необхідних межах і виконувати регулювання яскравості.

Світлодіоди володіють невисоким зворотним пробивним напругою, тому неприпустимо подавати на них напруга з зворотною полярністю від джерела, який володіє невеликим внутрішнім опором. У тих схемах, де можливо виникнення зворотної напруги, світлодіод захищається простим діодом, який підключається паралельно в протилежної полярності.

OLED – органічні світлодіоди


органічні світлодіоди

Не так давно, світ побачив перші органічні світлодіоди, які представляють собою виготовлені з органічних сполук багатошарові структури. Вони здатні ефективно випромінювати світло при пропущенні через них електричного струму.

Основне застосування даної розробки полягає в створенні екранів (дисплеїв), які можливо з часом прийдуть на зміну рідкокристалічним матрицями. Сприятиме цьому здешевлення виробництва, але поки ціна даного продукту набагато вище.

Зображення на таких пристроях є більш яскравим і контрастним, але проблемою залишається термін їх служби. Справа в тому, що сині OLED не в змозі працювати довше 17000 тисяч годин (близько 2-х років безперервного функціонування), тоді як червоні і зелені можуть протриматися в кілька разів довше. При виході з ладу синіх світлодіодів відбувається спотворення кольоровості, тобто монітор стає несправним.

Цікаво знати! Органічні СІД знайшли свою нішу в пристроях, які не служать довше зазначеного терміну, а саме: смартфонах, навігаторах, планшетах і навіть в приладах нічного бачення.

Найбільші виробники світлодіодів


Серійне виробництво світлодіодів

На сьогоднішній день наймасовішим виробником є ??японська корпорація «Nichia Corporation». Це та сама компанія, в підрозділах якої і були розроблені дешеві сині та білі світлодіоди. На їх частку припадає найбільша виручка за продаж надяскравих напівпровідників.

Також можна відзначити наступні компанії:

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

У Росії самим великими підприємствами, що випускають світлодіоди, є компанії «Оптоган» і «Світлана-Оптоелектроніка», продукція яких є конкурентоспроможною навіть на території Європи. Обидва підприємства розташовуються в Санкт-Петербурзі.


Продукція компанії «Оптоган»

«Оптоган» був створений за підтримки ГК «Роснано». Компанія випускає як самі світлодіоди, так і матриці, і чіпи.


Продукція компанії «Світлана-Оптоелектроніка»

«Світлана-Оптоелектроніка» – унікальне у своєму роді підприємство, яке зуміло організувати на території країни повний технологічний цикл: від стадії розробок, до стадії виробництва. Випускають вони освітлювальні системи будь-якого класу, і навіть інтелектуальні системи автоматизованого управління освітленням.


Samsung в Калузькій області

Також можна відзначити дочірнє підприємство «Samsung Electronics», розташоване в Калузькій області. Вони випускають не тільки світлодіоди, але і телевізори з LED підсвічуванням.

Форми ламп і типи цоколів

Якщо ви, все-таки, вирішили замінити лампи в будинку на світлодіодні, то ніяка інструкція вам не буде потрібно – досить знати лише тип цоколя, який встановлений у вашому світильнику. Для домашніх світлодіодних ламп використовуються наступні типи цоколів:


цоколь Е14

  • Е14 – стандартний компактний цоколь, який ми звикли бачити на лампочках в формі свічки;


цоколь Е27

  • Е27 – цоколь Едісона, який служить людству вірою і правдою, ось вже більше 100-та років;


цоколь Е40

  • Е40 – це різновид цоколя для вуличного і промислового освітлення;


цоколь G4

  • G4, G9, G3, GU10 – даними типами цоколів оснащуються лампи під точкові світильники, а також найменші лампи для дизайнерських люстр.


Різні форми світлодіодних ламп

Лампи на світлодіодах бувають різних розмірів і форм. Вони відрізняються один від одного ще і кутом розсіювання світлового випромінювання.

Розрізняють такі типи світлодіодних ламп:

  • Стандартна «грушоподібна»;
  • куляста;
  • свічка;
  • «Свічка на вітрі» – у лампи зігнутий кінчик, що імітує тріпотливе на вітрі полум’я;
  • Трубка – за типом типових люмінесцентних ламп;
  • «Кукурудза» – лампа з найвищим кутом розсіювання – зовні має схожість зі згаданою культурою.

На цьому підведемо підсумок нашим аматорським вишукувань в світі світлодіодів. Заміна освітлення на led, сьогодні більш ніж виправдана, так як недорогі і довговічні світлодіоди сильно скорочують витрати на електроенергію, винятки лише складають місця з високою температурою навколишнього середовища. На все добре, наш дорогий читачу!

Ссылка на основную публикацию