Биография полезных изобретений - светодиодная лампа
Каждые 10-15 лет в быту появляется новый пользовательский прибор, который улучшает качество нашей жизни. Вспомним как вошли в
обиход швейные машинки, осветительные лампочки накаливания, холодильник, пылесос и т.д. Со временем каждый из этих бытовых гаджетов совершенствуется, но иногда эта модернизация настолько глубокая, что равносильна появлению совсем нового устройства, выполняющего привычные функции на новом уровне. И как раз сейчас мы наблюдаем такое пополнение в рядах осветительных приборов – на повестке дня светодиодная лампочка.
Как это начиналось
Биография светодиода насчитывает чуть больше 100 лет – в 1907 году в лаборатории всем известного Гульемо Маркони был впервые замечен эффект свечения полупроводника, получивший названние «электролюминесценция». Об этом тут же появилась статья в научном журнале, но она осталась мало замеченной. Советский учёный Лосев О.В., исследовавший кристалл карбид кремния через 20 лет, также обнаружил его свечение при прохождении тока. Эффект назвали “свечение Лосева”, и автор получил на него патент.
Олег Лосев, исследуя полупроводниковый детектор, обратил внимание на слабое свечение образца при прохождении тока, но объяснить этот эффект не смог. Природа свечения стала понятна только после создания теории p-n переходов в полупроводниках. На ее базе в 1948 году появился транзистор, который стал основой электронной техники и до сих пор. Свечение твердого тела возникает при преодолении носителями заряда энергетического барьера на границе двух полупроводников разного типа. «Сэндвич» из двух кристаллов светится в месте их соприкосновения. Тонкости технологической цепочки изготовления полупроводников нужной структуры и были той стеной, над преодолением которой и работали исследователи много лет.
Длинная дорога проб и ошибок…
Первые опыты указали на возможность свечения прибора, но до использования этого свечения было еще очень далеко. Только с 1955 года за рубежом начались исследования полупроводников с целью увеличения яркости свечения, получения полной цветовой гаммы излучения, упрощения технологий изготовления полупроводниковых материалов и так далее. Первый образец светодиода с удовлетворительными рабочими характеристиками был получен в лаборатории бессменного лидера осветительной продукции компании General Electric, хотя это и не бесспорное утверждение, так как подобные работы одновременно велись в лабораториях разных стран мира и похожие результаты получили многие исследователи.
Вначале светодиоды стоили чрезвычайно дорого - в 1968 году цена одного лабораторного экземпляра достигала 200 долларов! Постепенно, со снижением стоимости, их стали применять в лабораторных приборах в качестве индикаторов. Но и тогда никто не прогнозировал, что светодиод сможет стать конкурентом уже известных источников света – лампочек накаливания, газоразрядных приборов и т.д. Революция в светотехнике произошла в 1995 году, когда японская фирма Nichia продемонстрировала сверхъяркий светодиод, способный служить полноценным источником света. Как только перспектива получения нового суперэкономного источника света стала вполне очевидной, во всем мире работы по совершенствованию полупроводниковых светоприборов получили новый толчок и уже к началу нового века они стремительно начали наполнять потребительский рынок. Сегодня это привычный атрибут нашей жизни, и специалисты прогнозируют, что осветительные приборы на базе сверхъярких светодиодов вытеснят традиционные источники света уже в ближайшем будущем.
Как устроен современный светодиод?
Первый пригодный для целей светоиндикации прибор продемонстрировал в 1962 году Ник Холоньяк, американец. Дальнейшие исследования сверхчистых полупроводников и многослойных структур, улучшение технологии их производства позволили улучшить световые характеристики до уровня приемлемого для источников света. Кроме того, различные комбинации полупроводниковых материалов дали возможность создать светоприборы с излучением во всем видимом спектре. Единичный светодиод представляет собой один или несколько кристаллов в одном корпусе и оптической системы, определяющей форму светового потока. Конструктивно корпус выглядит очень похожим на миниатюрные двухвыводные лампочки, но более распространенными стали светодиоды в форме кубиков со стороной 3, 5, 10 мм - их называют SMD–светодиоды.
Мощность единичного светодиода может быть от долей до единиц ватт. Осветительные приборы на их базе представляют собой конструкцию из монтажных блоков, «упакованных» в похожий на обычную лампочку с цоколем Е27 или Е14 корпус. Это позволяет использовать для перехода на новые осветительные приборы старые электропроводку и арматуру светильников без каких-либо переделок. Мощность такой лампочки может быть от 1 до 15 Ватт, что эквивалентно лампе накаливания на 150 Вт. Здесь нет никаких ограничений ни по мощности, ни по габаритам, ни по вариантам конструктивного оформления. В последнее время появились даже плоские осветительные панели. Толщина их не более 5 мм, а мощность достигает десятков Ватт.
Цвет излучения кристалла определяется его материалом и набором легирующих примесей. Отбор кристаллов по цвету излучения выполняют при их изготовлении. В партиях поставки отбираются кристаллы близкие по спектру излучения.
Как выбирают светодиодный осветитель
При проектировании оборудования на базе светодиодных осветителей принимают во внимание следующие параметры:
- яркость светодиода - световой поток (единица измерения люмен), осевая сила света (измеряется в канделах) и диаграмма направленности. Более привычно диаграмму направленности оценивают углом освещенности, который бывает от 4 до 140 градусов;
- цвет излучении - цветовая температура (единица – градус Кельвина), и длина волны излучения (нанометры);
- потребляемая мощность, Вт;
- коэффициент эффективности – характеристика для сравнительного анализа светоэлементов между собой. Определяют его через отношение потока света к мощности потребления - Люмен/Ватт.
- цена люмена - $/Люмен, которая применяется для экономической оценки системы освещения.
Данные по светодиодным устройствам разных производителей можно найти в их прайс-листах. Среди лидеров по выпуску новых световых приборов известные фирмы: Philips, GE, Osram и другие. Их продукция традиционно имеет высокую надежность. Наряду с ними широкой популярностью пользуется продукция китайских производителей – она значительно более дешевая и имеет приемлемое качество. Выбор, как всегда, за потребителем.
Преимущества светодиодного освещения
Так уж повелось, что вехи прогресса оцениваются сравнительным анализом улучшения пользовательских характеристик объекта - экономичности, технологичности, долговечности, безопасности, качества светового потока (отсутствие мерцания) и т.д. Можно констатировать, что в наши дни произошла смена поколения осветительной техники. Применявшиеся раньше осветители проигрывают новичку по всем показателям. Рассмотрим, как это выглядит в цифрах.
Экономичность
Самым привлекательным достижением светодиодных осветителей является чрезвычайно низкое потребление электроэнергии - при одинаковой освещенности лампа накаливания потребляет в 10 раз больше. Такой показатель в условиях дефицита энергоресурсов и роста цен на них не остался незамеченным потребителями.
Срок службы и надежность светодиодов
Производители светодиодных ламп обычно указывают наработку (ресурс) от 50 тысяч часов, что при 8 часовом «рабочем дне» составляет более 15 лет. Цифра впечатляет! Экономический эффект от снижения энергопотребления покрывает высокие расходы на приобретение этих ламп примерно за 2-3 года эксплуатации.
Долговечность светодиодной лампы сильно зависит от тока через прибор и конструкции охладителя. Очевидно, что в светодиодах мощностью от 1 Вт при рабочем токе 0,350 А тепловыделение намного больше, чем в светодиодах типа SMD, с током потребления 0,02 А. При этом светоотдача одного одноваттного светодиода равна светоотдаче 50 светодиодов типа «SMD-5», но и нагрев у него сильнее. По этой причине мощные светодиоды требуют пассивного охлаждения, которое реализуется на печатной плате с металлическим радиатором.
Оценку пригодности светодиодов для дальнейшей эксплуатации дают по яркости свечения. В процессе эксплуатации световой поток либо уменьшается, либо вовсе прекращается. Обычно говорят о полезном сроке службы, когда световой поток уменьшается не ниже определенного уровня. Снижение яркости зависит от проходящего тока, конструкции охладителя кристалла, и, безусловно, технологии сборки. Параметр «старения», который выражается в уменьшении яркости, ограничивает применение осветителя при снижении освещенности до 30% от начального уровня. Рабочий срок для светодиодных приборов не ниже 30000-50000 часов, а для изделий высокого качества до 100000 часов.
Следующим фактором долговечности светодиода является отсутствие броска тока в момент включения. У ламп накаливания он обусловлен малым сопротивлением холодной нити накаливания, что есть причиной выхода их из строя преимущественно в момент включения. У светодиодных приборов бросок тока отсутствует, а напряжение питания, при его колебаниях в сети, остается постоянным, благодаря встроенному стабилизатору питания.
Влияние светодиодного излучения на зрение
Наиболее устойчивой темой при появлении новых потребительских товаров всегда было обсуждение влияния нового гаджета на здоровье. Обычно, это сопровождается мифами и слухами. Например, известно, что при появлении на улицах Лондона автомобилей, появились слухи, что на скорости более 50 км/час пассажиры и водитель могут терять сознание от «эфирных волн». Сейчас такое утверждение вызывает улыбку.
Влияние излучения на органы зрения – это для источников света вопрос первостепенный. Опасения вызывает отрицательное влияние на сетчатку глаз голубого света. Считалось, что это приводит к ухудшению зрения вплоть до его потери, но оказалось, что легко реализуемый в конструкции излучателя рассеиватель-отражатель полностью устраняет этот недостаток. Дополнительным достоинством нового излучателя является полное отсутствие мерцания.
Заключение
Все вышесказанное о преимуществах светодиодных ламп меняет сложившиеся о них стереотипы. Это более экономные и безопасные источники света, которые обеспечивают комфортное освещение и имеют срок службы до 15 лет! Единственный их недостаток – высокая стоимость при покупке, но и здесь не все так печально.
Посчитаем расход электроэнергии и ее стоимость для лампочки накаливания на 100 Вт и ее светодиодного аналога мощностью 10 Ватт. Если такая лампочка используется 10 часов в день, то за год она «скушает» 360 квт/час электроэнергии, что будет стоить, в зависимости от региона эксплуатации, 700-1000 рублей. Ее светодиодный собрат потребует затрат не более 100 рублей в год. Таким образом, новый осветитель в реальных условиях окупит себя за 2-3 года.
Возможность регулировать оптические характеристики в широком диапазоне, миниатюрные размеры и дискретное управление позволяет применять светодиоды для создания различных световых приборов и изделий. Современные осветители на базе сверхъярких светодиодов заполнили весь спектр осветительных приборов – от мощных прожекторов на 200-300 Вт до бытовых осветителей точечного типа. Потребители, которые пользуются светодиодными светильниками, получают новое качественное освещение, основное отличие которого от предыдущего поколения («лампочек Ильича») высокая экономичность и более качественный и комфортный световой поток.
