0 Список сравнения
0
09:07:57 - 19.09.2018

Светодиодным источникам света принадлежит будущее

Первым искусственным источником света, освоенным людьми еще в самой глубокой древности, был огонь костров, факелов, лучин и других горящих предметов. И служил людям этот источник света в течение многих тысячелетий – вплоть до последней трети ХІХ века, когда  немецкий электротехник Э.В. Сименс в 1867 году изобрел динамомашину, способную непрерывно генерировать электрический ток, а английский ученый X. Дэви примерно в это же время впервые наблюдал кратковременное свечения платиновой проволоки от протекающего по ней электрического тока, создаваемого батареей. Именно эксперименты со световой дугой положили начало созданию дуговых электрических ламп, представлявших собой конструкцию из двух угольных электродов, соединенных между собой и подключенных к батарее [1]. В момент подключения такой лампы к батарее при удаления электродов на небольшое расстояние друг от друга в течение очень короткого промежутка времени  возникала световая дуга, характеризующаяся  высокой плотностью светового потока и большой силой света. Чтобы такая дуга не погасла, необходимо, чтобы по электрической цепи, состоящей из источника, электродов и подводящих проводов, непрерывно протекал электрический ток.


Изобретение Сименсом динамомашины, способной непрерывно генерировать электрический ток, позволило успешно применять дуговые электрические лампы, позднее названные разрядными лампами высокого давления, для освещения больших площадей – производственных помещений, торговых центров и т. п.


В быту электрический свет появился после изобретения лампы накаливания, впервые созданной в  1874 году Г. Гебелем, который,  запаяв пережженную бамбуковую нить в стеклянную колбу без воздуха и подключив ее к источнику электрического тока, осветил часовую мастерскую. Т. Эдисон усовершенствовал лампу накаливания: он применил стеклянную колбу и вывел электрический контакт на поверхность винтового цоколя. В совершенствовании конструкции лампы накаливания принимали участие многие изобретатели, среди которых, в частности, следует отметить австрийского химика А. Вельсбаха, впервые в 1898 году изготовившего нить накала лампы из осмия, которая через пять лет была заменена на более прочную вольфрамовую нить [1].


Достоинства и недостатки основных видов современных электроламп

Развитие и совершенствование конструкций электроламп в течение всего прошлого и в самом начале нынешнего века происходило в нескольких направлениях и в конечном итоге привело уже в наши дни к созданию достаточно широкого их ассортимента, насчитывающего на одном лишь российском рынке более 7 тысяч разновидностей ламп. В быту на сегодняшний день чаще всего используют четыре вида электроламп [5, 6]: лампы накаливания, люминесцентные, галогенные и энергосберегающие, из которых самыми распространенными и в то же время наиболее неэкономичными по потреблению электроэнергии являются лампы накаливания. Недалеко то время, когда повсеместно будет использоваться пятый вид электроламп – светодиодные лампы, которые, как следует из дальнейшего, позволят преобразовать нашу жизнь.


Кратко охарактеризуем основные достоинства и недостатки перечисленные выше четырех видов электроламп, обратив особое внимание на такой исключительно важный для каждого из этих видов ламп показатель, как экономичность электропотребления. Именно этот показатель в настоящее время приобрел решающее значение при выборе  того или иного вида электроламп для нужд освещения не только в отдельно взятых странах, но и в общемировом масштабе. И объяснение здесь очень простое: в наше время  на электрическое освещение расходуется около 21% от общего количества потребляемой в мире электроэнергии. Кроме того, в станах третьего мира на освещение с помощью керосиновых  и других ламп, работающих на жидком органическом топливе, которыми до сих пор продолжают пользоваться около 1,6 млрд. человек, тратится ежегодно  около 38 млрд. долларов США. Львиная доля этих трат расходуется на приобретение ежегодно требуемых для нужд такого освещения 77 млрд. литров жидкого топлива, для получения которого перерабатывается 1,3 млн. баррелей сырой нефти в день, что эквивалентно дневному объему ее добычи в Ливии, Индонезии или Катаре [5, 6].


Использование жидкого топлива для освещения крайне неэффективно, поскольку основная часть внутренней энергии углеводородов в результате сгорания переходит в тепло, практически ненужное для стран с жарким климатом. Поэтому проблема замены в странах третьего мира керосиновых ламп намного более экономичным электрическим освещением была и продолжает оставаться  исключительно важной проблемой общемирового масштаба. По экспертным оценкам крупнейших специалистов в области светотехники кардинально решить общемировую проблему замены керосиновых ламп сверхэкономичным электрическми освещением можно путем использования нового вида электроламп – белых светоизлучающих светодиодов (WLED), разработка которых в настоящее время находится на завершающей стадии. Питаться эти лампы будут от обычных батареек или же аккумуляторов, заряжаемых от небольших фотоэлементов, использующих солнечное излучение. Сверхэкономичность светодиодных электроламп обусловлена их способностью преобразовывать электрическую энергию в световую с очень высоким КПД, намного превосходящим  КПД ламп накаливания, люминесцентных или галогенных ламп. Кроме того, замена керосиновых ламп светодиодными позволит хотя бы частично решить  экологические проблемы, связанные с глобальным потеплением.


После этих предварительных замечаний по возможному решению проблемы сокращения электропотребления на освещение, перейдем к характеристике конкретных видов ламп, используемых в наши дни для нужд освещения [6].


Лампа накаливания (рис. 1) – это появившаяся в начале ХХ века лампа, в которой в результате пропускания через спираль электрического тока создается свечение за счет подогрева вольфрамовой спирали до ее накаливания. Главные достоинства ламп накаливания: сравнительно небольшая стоимость, простота в изготовлении, компактность, удобство и надежность в эксплуатации. Существенные недостатки: низкая световая отдача и вытекающая отсюда неэкономичность эксплуатации, небольшой (до 1000 часов) срок службы, высокая (до 200?С) температура нагрева, требующая бережного обращения с лампой во избежание ожога рук и в определенной мере ограничивающая область ее применения.


Галогенная лампа (рис. 2), производство которой было освоено в 1936 году, представляет собой заполненную газом лампу накаливания, в которой имеются вольфрамовая нить (спираль) и небольшое количество галогенидов, препятствующих  осаждению испаряющихся с нити накала атомов вольфрама на поверхность стеклянной колбы, как это имеет место в традиционных лампах накаливания. Тем самым газовая среда на основе галогенов обеспечивает сохранение прозрачности колбы лампы. Спектр излучения галогенных ламп накаливания, применявшихся изначально для решения профессиональных задач в освещении, приближается к солнечному. Принцип действия таких ламп основан на дуговом разряде в парах ртути низкого давления и преобразовании получающегося при этом ультрафиолетового излучения в видимое излучение в слое люминофора, покрывающего внутренние стенки лампы. Главные достоинства галогенных ламп: бoльший срок службы по сравнению с обычными лампами накаливания, в 2 раза превышающий срок службы последних, экономия электроэнергии, составляющая до 80% от электроэнергии, потребляемой лампами накаливания при той же самой силе света, более высокие показатели термостойкости и механической прочности, повышенная светоотдача по сравнению с лампами накаливания,  достаточно широкий ассортимент цветности, покрывающий диапазон от теплого до яркого холодного белого света, хорошая цветопередача, достигаемая с помощью применяемых в этих лампах современных люминофоров, отличное качество света без мерцания и шума, которое обеспечивается встроенной электронной пускорегулирующей аппаратурой (ЭПРА). Основной недостаток галогенных ламп: высокая (до 200?С) температура нагрева при работе, ограничивающая область их применения, поскольку эти лампы нельзя устанавливать рядом с легко воспламеяющимися материалами.


Люминесцентная лампа (рис. 3)  – это лампа, относящаяся к категории газоразрядных ламп: в ней свечение создается непосредственно или опосредованно от электрического разряда в газе, парах металла или в смеси газа и пара. Основные достоинства люминисцентных ламп: большой (от 3000 до 25000 часов) срок службы, более высокая, чем у ламп накаливания, светоотдача, относительно невысокая (до 50 – 60?С) температура нагрева при работе, небольшое, практически незаметное, влияние перепадов напряжения в 220 – 240 В. Недостатоки люминесцентных ламп: необходимость в дополнительном оборудовании – пускорегулирующей аппаратуре (ПРА), малая единичная мощность лампы при больших размерах, значительное снижение светового потока и его пульсация к концу срока службы.


Энергосберегающая лампа (рис. 4)  – это компактная дуговая люминесцентная лампа со встроенной ПРА, предназначенная для замены ламп накаливания в осветительных системах. Настоящий прорыв во внедрении энергосберегающих ламп произошел в 1985 году, когда всемирно известной светотехнической компании OSRAM впервые в мире удалось встроить ЭПРА в стандартный цоколь энергосберегающей лампы. Такую лампу можно использовать практически в любых светильниках, где применяются лампы накаливания. Основные достоинства энергосберегающих ламп: высокий КПД: обычная лампа накаливания 92 – 94% электроэнергии преобразует в тепло и лишь 6 – 8% – в свет, тогда как компактная люминесцентная лампа с таким же световым потоком расходует в 5 раз меньше электроэнергии; мгновенное включение без мерцаний; равномерное распространение света по колбе (отсутствие ослепляющего действия света); практически неощутимое влияние  перепадов напряжения в рабочем диапазоне напряжений, составляющем 180 – 260 В; низкая (до 40?С) температура нагрева во время работы; большой (до 15000 часов) срок службы; гарантия порядка 1 года с момента продажи на качественные энергосберегающие лампы; "гарантированное предсказание о выходе лампы из строя", определяемое следующими признаками: основание баллона энергосберегающей лампы рядом с колбой начинает темнеть и в течение примерно 5 дней лампа перестает работать (также возможно, что световой поток лампы начнет уменьшаться, и через некоторое время она совсем погаснет). Основной недостаток энергосберегающихламп: ихвысокая стоимость, в 10 и более раз превышающая стоимость ламп накаливания. Хотя такие лампы в 10 и даже большее число раз служат дольше, чем лампы накаливания, все же  столь значительная разница в цене нередко является причиной отказа от покупки энергосберегающих ламп.


На этом рассмотрение достоинств и недостатков основных видов современных электроламп (за исключением светодиодных, о которых речь пойдет далее) можно считать завершенным. Основной вывод, следующий из этого рассмотрения, такой: все современные виды электроламп имеют довольно высокий  уровень электропотребления, (хотя для энергосберегающих ламп этот показатель остается наименьшим). Причина высокого  уровня электропотребления современными электролампамикроется в используемом в них способе преобразования электрической энергии в световую: свет в этих лампах получают с помощью нити накала, электрического разряда или световой дуги. Если же свет получать на основе применения другой, принципиально  отличной, технологии полупроводниковой оптики (как это имеет место в светодиодах), то для создания в такой лампе светового потока потребуется значительно меньшее количество потребляемой электроэнергии, чем в обычных лампах накаливания, люминесцентных, галогенных или  даже энергосберегающих электролампах.


Перспективы разработки светодиодных источников света

Прежде чем перейти к характеристике светодиодных источников света, приведем наиболее значимые факты из истории исследований в области светодиодов [1 – 5]. Светодиоды представляют собой полупроводниковые приборы, непосредственно преобразующие с высоким КПД электрическую энергию в энергию оптического некогерентного излучения. Это излучение, в отличие от тепловых источников света, имеет более узкий спектр, вследствие чего излучение в видимой области спектра воспринимается человеческим глазом как одноцветное.


Исследования в области светодиодов начали проводиться еще более 100 лет тому назад. Так, в 1907 году Дж. Раунд в Америке наблюдал электролюминесценцию в карбиде кремния, а позже, независимо от него, в 20-е годы прошлого века О.В. Лосев открыл "эффект Лосева" – явление, возникающее на границе р и n  областей. За исследование этого явления, а также за изучение свойств основанных на р-n переходах транзисторов В.Шокли, Дж.Бардин и У.Браттейн позднее получили Нобелевскую премию. Следующим важнейшим шагом в истории светодиодов стало открытие Ж.И. Алферовым и его учениками свойств гетеропереходов, то есть  контактов двух различных по химическому составу полупроводников (Нобелевская премия 2000 г.).


В 90-е годы прошлого века японские ученые И.Акасаки, Х.Амано, Ш.Накамура достигли значительных результатов в исследовании светодиодов на основе нитрида галлия, что позволило осуществить  прорыв в создании сверхъярких светодиодов – основы для осуществления светодиодного освещения. С началом промышленного производства светодиодов в конце 90-х годов  прошлого века и созданием светодиодной промышленности исследования по светодиодам стали проводиться еще более интенсивно. Так, в основном была решена проблема увеличения тока через один диод и проблема уменьшения нагрева диодов с целью получения от одной светодиодной лампочки возможно большего светового потока, удалось добиться рекордного значения КПД преобразования электрической энергии в световую – до 60%.


Была успешно решена еще одна проблема, стоявшая перед учеными и инженерами, связанная с получением с помощью  светодиодов белого света, воспринимаемого человеческим глазом. Восприятие света человеческим зрением характеризуется световой отдачей, измеряемой в люменах на ватт электрической мощности. Лампы накаливания имеют световую отдачу около 18 лм/Вт, а  используемые в промышленности светодиоды белого свечения по мощности светодиодного излучения приближаются к обычным источникам освещения. Они уже сейчас достигли значений порядка 80 лм/Вт, то есть уровня экономичных люминесцентных ламп. Когда в массовом производстве светодиодов будут достигнуты значения световой отдачи в 150 лм/Вт, которые уже получены в лабораторных условиях, белые светодиоды, потребляющие минимальное количество электроэнергии и отличающиеся повышенным (до 30000 часов и даже больше) сроком службы,  вытеснят обычные электролампы. А в том, что это произойдет в ближайшем будущем не приходится сомневаться, поскольку реальные достижения в области светодиодов в целом опережают прогнозы на 5 – 6 лет.


По словам видного российского светотехника, профессора МГУ А.Э. Юновича "настоящие светотехнические устройства на основе светодиодов не будут похожи на наши лампы накаливания. Не обязательно ввинчивать светодиодную лампу в тот же цоколь, что и лампы накаливания. Должны быть принципиально другие светотехнические устройства: и потолочные осветители, и настольные лампы, и внешние фонари". И далее профессор отмечает: "Компании, вложившие несколько лет назад большие средства в научные исследования, сейчас начинают получать прибыли от массового производства светодиодов. Когда общее освещение перейдет на светодиоды, эти прибыли увеличатся в сотни раз. Так, если вы вложили большие средства в 2002 – 2007 годах, то весомый результат следует ожидать в 2011 – 2012 годах". По его словам "для развития производства светодиодов и создания светодиодного освещения недостаточно усилий отдельных фирм. Необходима координация усилий и связей между различными институтами и компаниями, необходима государственная поддержка, которая осуществляется в Соединенных Штатах, в Китае, в Японии, Корее, Австралии, на Тайване". "Светодиоды – основа освещения будущего" – подводит итог профессор МГУ. – "Однако, для успешной реализации заложенного в светодиодах потенциала необходимо создание государственной программы научных исследований, технологических разработок, технических разработок светотехнических устройств и продвижения их на рынок. В России есть все возможности, чтобы разработать и провести в жизнь программу светодиодного освещения, но без государственных вложений и без государственного организационного участия в этой программе она не будет эффективна".


Общая характеристика светодиодных источников света и основные области их применения

Основные преимущества светодиодных источников света по сравнению с обычными электролампами следующие [1 – 5]:

  • Намного бoльшие, чем у электроламп коэффициент отдачи и прогнозируемый срок службы. Так, прогнозируемый срок службы светодиодов компании Philips составляет [3]:  35000 часов – для 1-ваттных моделей при 70%-ном сохранении светоотдачи и при менее, чем 5% отказов; 25000 часов – для 3-ваттных моделей при 70%-ном сохранени светоотдачи и при менее, чем 5% отказов.
  • Исключительно высокий уровень надежности и малая аварийность светодиодов, которые достигаются за счет отсутствия стеклянных деталей и колб, что обеспечивает высокую стойкость светодиодов и их компонент к ударам и вибрациям.
  • Динамические эффекты, создаваемые за счет возможности с помощью светодиодов организовывать освещение с изменяемой яркостью и цветностью. При этом новейшие достижения в технологии изготовления светодиодов  позволяют получать все цвета видимого спектра.
  • Достижение максимального зрительного эффекта за счет того, что излучение светодиодов делает цвета более сочными, насыщенными и яркими по сравнению с освещением от обычных источников света. Поэтому современные светодиоды белого цвета могут иметь как теплый, так и холодный оттенок излучения.
  • Компактность, малые размеры и масса светодиодов, позволяющие их встраивать в стены, полы или потолки или применять практически в любых конструкциях и архитектурных сооружениях.
  • Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения в спектре, что позволяет безопасно использовать светодиодные светильники для освещения продуктов питания и других товаров, чувствительных к свету.
  • Моментальное включение светодиодов после подачи на них напряжения, что дает возможность засвечивать их и гасить практически с неограниченно большой частотой.
  • Низкое напряжение питания, что делает эксплуатацию светодиодных светильников простой и безопасной.
  • Отсутствие в светодиодных светильниках ртути, вредной для окружающей среды.
  • Низкая стоимость обслуживания светодиодных светильников в отличие обычных осветительных систем, требующих частой замены ламп.


Нерешенные проблемы в области разработки светодиодных источников света следующие:

  • Светодиоды имеют маленькую поверхность и, следовательно, являются сосредоточенными источниками света. Поэтому их использование в помещениях создает опасность ослепления от весьма яркого света и, как следствие, – ухудшение условий видимости, что необходимо учитывать при проектировании осветительных установок и соответствующей осветительной арматуры.
  • Проблема получения высококачественного белого света, длительное время остававшаяся главным препятствием на пути к широкому применению светодиодных светильников.


На проблеме получения высококачественного белого света с помощью светодиодов из-за отсутствия необходимой технологии их изготовления следует остановиться более подробно. Первые светодиоды излучали почти монохроматический свет с линейным спектром, и единственный способ получения белого света заключался в объединении в одном светильнике трех диодов в диодные матрицы с светом красного, зеленого и голубого цветов. Однако объединение структур с такими цветами в диодные матрицы не позволяло обеспечивать стабильность и повторяемость параметров светодиодов. Современная технология позволяет изготавливать белые светодиоды в форме одной структуры из голубых светодиодов путем прибавления фосфора. Излучение таких диодов характеризуется цветовой температурой 4000 К, а показатель воспроизведения цветов равняется 75. К сожалению, такие диоды имеют невысокую стабильность, и после определенного времени эксплуатации отдельные экземпляры светодиодов начинают неодинаково изменять цвет излучения. Новейшее поколение светодиодов генерирует ультрафиолетовое излучение, которое затем люминофором превращается в видимый свет.


Области применения светодиодов разнообразны [1 – 5]. Впервые цветные светодиоды начали использовать в грузовиках для верхних сигналов "стоп". Позднее они появились в сигнализаторах управления дорожным движением, в системах обозначения выходов, аварийного освещения, для индивидуального освещения пассажирских мест в автобусах, самолетах и т.п.


В настоящее время они широко применяются в установленных на улицах светодиодных экранах, которые эффективно работают при любой погоде (мороз, дождь, ветер) в условиях максимальной освещенности. Прекрасная цветопередача и контраст делает изображение на светодиодном экране лучше, чем на хорошем телевизоре. Поэтому светодиодные экраны используют: рекламные агентства, спортивные комплексы и стадионы, концертные залы и выставочные павильоны, транспортные терминалы (аэро- и железнодорожные вокзалы), торговые супер- и гипермаркеты, мэрии городов и другие государственные организации.


Во внешнем освещении светодиоды используют как декоративные и акцентирующие источника света, надежно работающие в сложных климатических и погодных условиях. Благодаря высокой надежности, возможности работы в условиях низких температур, чрезвычайно низкому электропотреблению и хорошей защите, существенно снижена стоимость их эксплуатации. Эти же свойства делают осветительные системы на светодиодах незаменимыми для создания осветительных систем архитектурных объектов.


Светодиодные системы очень быстро развиваются и совершенствуются, и в ближайшем будущем созданные на  основе светодиодных технологий сверхэкономные по электропотреблению светодиодные лампы преобразят мир искусственного освещения, вытеснив все другие источники искусственного освещения.


Таким образом, светодиодные источники света способны в самое ближайшее время произвести революцию в мире искусственного освещения. Этим источникам света принадлежит будущее!


Возврат к списку