Использование светодиодов c максимальной выгодой


Светодиодное освещение в музее

Финансовые соображения - а именно цена покупки и эксплуатационные затраты - всегда фигурируют при подборе осветительных приборов. Но в игру также вступают и многие другие аспекты, значение которых меняется в зависимости от способа использования светодиодов. Светодиоды имеют ряд уникальных свойств, и важно понять, каким образом можно извлечь из них выгоду. Некоторые касаются дизайна продукта, другие связаны с использованием светодиодов в конкретных приложениях. Характеристики, выгодно отличающие светодиодные источники света от традиционных лампам, включают:

Светодиоды являются полупроводниковыми устройствами, которые излучают свет за счет электролюминесценции (светодиоды функционируют за счет инжекционной люминесценции - разновидность электролюминесценции. Свет возникает при рекомбинации электронов с дырками, в процессе чего излучаются фотоны). Эта основная характеристика является базисом для многих преимуществ светодиодов, так как в основе работы традиционных источников света лежит другой принцип. Например, лампы накаливания испускают свет при помощи нити накала, люминесцентные лампы - при возбуждении люминофора ультрафиолетовым излучением газового разряда, в разрядных лампах высокой интенсивности (HID) использует электрическая дуга. Для работы всех этих традиционных технологий требуется стеклянная колба, в которой содержатся газ, и/или на ее поверхность нанесено специальное покрытие.

В отличие от массивных традиционных ламп, в случае светодиода источником света является крошечный чип (чаще всего имеет размер около 1 мм. кв.), состоящий из слоев полупроводникового материала - использование какого-то конкретного материала определяет длину волны (цвет) излучения. На следующем уровне находятся корпуса светодиодов, которые могут содержать один или несколько чипов, установленных на теплопроводный материал, и, как правило, линзу или герметизирующий компаунд. Готовое устройство, как правило, имеет размер менее 1 см. кв., и может быть использовано отдельно или в составе массива. Наконец, светодиоды монтируются на плате и встраиваются в осветительный прибор, прикрепленный к архитектурному сооружению, или создаются с учетом форм-фактора традиционных ламп (лампочек).

Направленное излучение света

Традиционные источники света распределяют световое излучение по всем направлениям. Таким образом, оптическая система - корпус лампы или светильник с такими элементами, как отражатель или линза - как правило, необходима для формирования потока света в нужном направлении. Поскольку ни одна оптическая система не является абсолютно эффективной, это оборачивается снижением эффективности. Кроме того, если оптическая система плохо спроектирована (или отсутствует), свет может распространяться в нежелательных направлениях.

Благодаря своим физическим характеристикам, а также потому, что они устанавливаются на ровной поверхности, светодиоды излучают свет через купол полусферической формы, а не сферический, как в случае обычных ламп. Для целей рабочего освещения и других приложений, требующих направленного освещения, это может увеличить эффективность применения источника (Эффективность определяется как объем полезных люмен разделённый на мощность (лм/Вт). С другой стороны, при работе со светодиодами труднее получить всенаправленное распределение света, хотя системы с инновационным дизайном в настоящее время обеспечивают такую возможность.

Размеры и формфактор

Небольшой размер, масштабируемость массива, и направленное световое излучение светодиодов создают возможности для разработки инновационных, низкопрофильных или компактных осветительных приборов. Это преимущество может быть не только эстетическим, но и функциональным. Например, уменьшение толщины светильников может создать больше места для трубопровода, водопровода и других систем здания. Возможно даже сокращение размера пространства за подвесным потолком. С другой стороны, уникальный формфактор светодиодов может быть недостатком, если сравнивать их с высоковаттными газоразрядными лампами высокой интенсивности. Чтобы добиться соответствующего уровня яркости, необходим очень большой массив светодиодов.

Небольшой форм-фактор требует тщательного проектирования, в частности, системы управления температурным режимом. Хотя светодиоды для общего освещения не излучают инфракрасное излучение (т.е. тепловое), они генерируют тепловую энергию, которая должна быть отведена от чипа массивным радиатором. Для того чтобы добиться большего потока света, инженеры часто группируют светодиоды в массивы, что диктуют необходимость использования дополнительных элементов для теплоотвода. Таким образом, несмотря на небольшой размер корпуса светодиодов, им непросто сравниться по качеству света с традиционными лампами, такими как MR16.

Устойчивость к механическим повреждениям

Светодиоды в основном невосприимчивы к вибрации, поскольку они не имеют нитей накала или стеклянных корпусов. Продолжительность работы стандартной лампы накаливания и газоразрядной лампы может снизиться из-за вибрации при их применении в автомобилях или в промышленных агрегатах, хотя специализированные вибростойкие лампы помогают решить эту проблему. Присущая светодиодам виброустойчивость может быть полезна при использовании их в системах освещения на транспорте (самолеты, поезда или автомобили), лампах возле промышленного оборудования или для наружного освещения и освещения автомагистралей.

В дополнение к преимуществам в процессе работы, светодиоды отличаются повышенной устойчивостью к повреждениям при транспортировке, хранении и установке. Светодиодные устройства, установленные на плате, соединены проводами, которые могут быть уязвимы для прямого воздействия, но подобная проблема характерна и для других электронных устройств. Светодиодные светильники благодаря отсутствию в их составе стекла, могут быть особенно полезны в местах, где есть высокая вероятность повреждения лампы, таких как спортивные сооружения или другие объекты с повышенной вероятностью вандализма. Прочность светодиодов может быть полезна в случаях, когда разбитая лампа представляет опасность для окружающих (детские комнаты, кухни, продуктовые цеха).

Мгновенное включение

Большинство люминесцентных ламп не могут выйти на максимальный уровень яркости немедленно после включения. Это особенно актуально для амальгамных компактных люминесцентных ламп (CFL), которым может потребоваться три минуты или больше, чтобы достичь полной световой отдачи. Лампам HID требуется еще больше времени: от нескольких минут для металлогалогенных и до десяти минут или более для натриевых ламп высокого давления (HPS). Газоразрядные лампы также должны остывать после выключения перед повторным включением. Как правило, это занимает от 2 до 20 минут, в зависимости от балласта. В отличие от традиционных технологий, светодиоды выходят на полную яркость практически мгновенно и обладают возможностью быстрого включения-выключения. Это преимущество может быть просто эстетическим, но оно также может быть полезным в чрезвычайных ситуациях. Кроме того, эта особенность важна для автомобильных стоп-сигналов - светодиодные лампы загораются на 170 - 200 миллисекунд быстрее, чем стандартные лампы накаливания, обеспечивая приблизительно 6 метров дополнительного тормозного пути на высоких скоростях (100 км/ч).

Возможность быстрого включения-выключения

Светодиоды невосприимчивы к негативным эффектам включения-выключения. Фактически, один из способов затемнения светодиодов является их последовательное выключение и включение с большой частотой, которая незаметна человеческому глазу. В случае люминесцентных ламп, высокое пусковое напряжение разрушает материал покрытия электродов. Таким образом, срок службы сокращается, когда частота цикла включения-выключения увеличивается. В связи с продолжительным временем “прогрева” и остывания, быстрое включение-выключение не подходит для газоразрядных ламп. Благодаря своим эксплуатационным характеристикам, светодиоды имеют преимущество при использовании в сочетании с датчиками присутствия или сенсорами дневного света, которые включают и выключают осветительный прибор при необходимости. В то время как срок службы люминесцентных источников света будет уменьшаться, никакого негативного воздействия на светодиоды не будет.

Работа при низких температурах

Холодные температуры представляет проблему для люминесцентных ламп. С другой стороны, световой выход (и эффективность) светодиодов увеличивается по мере падения рабочих температур. Это делает светодиоды естественно верным выбором для применения в холодильных камерах и многих системах наружного освещения. С другой стороны, работа светодиодов в горячих средах или использование в устройствах с низким уровнем эффективности управления температурным режимом, может привести к нежелательным последствиям, начиная от снижения светового потока вплоть до преждевременного выхода из строя.

Затемнение

Затемнение часто является желательной рабочей характеристикой, но в сфере наиболее энергоэффективных технологий есть проблемы, которые необходимо преодолеть или смягчить. Многие (но не все) светодиоды могут быть затемнены, но необходимо уделять большое внимание обеспечению совместимости между различными устройствами (например, между драйвером и диммером). Комбинации несовместимых ламп и диммеров могут привести к мерцанию, изменению цвета, акустическим шумам, преждевременному появлению неисправности, очень ограниченному уровню затемнения или отсутствию свечения. Эти проблемы могут проявляться, когда устройство работает на полную мощность и/или затемняется. Кроме того, их интенсивность, как правило, зависит от количества ламп, связанных с диммером. Самые эффективные светодиоды при работе с подходящим диммером имеют лучшую производительность при затемнении, чем компактные люминесцентные лампы или HID. Тем не менее, существует значительная разница в производительности светодиодной продукции в различных комбинаций диод – диммер.

Возможность регулирования

Одним из наиболее важных преимуществ светодиодов является возможность смешивать чипы разных типов в одном продукте. Например, красный, зеленый и синий (RGB) чипы могут быть объединены, чтобы создать белый свет (и любой цвет в их гамме). Светодиоды двух оттенков белого могут быть объединены и регулироваться независимо друг от друга, чтобы создать свет с различной цветовой температурой (например, более теплый или холодный). Объединение нескольких люминесцентных ламп также дает эту возможность, но на практике она редко используется. Идея настраиваемых источников света сегодня не превалирует на рынке, но этот инструмент может быть использован для повышения удовлетворенности обитателей различных помещений, таких как офисы, гостиницы, рестораны и дома. Таким образом, с ростом популярности светодиодов этот концепт может получить более широкое признание и применение.

В дополнение к настройке цветов, может быть изменена выходная мощность светодиодов в течение всего их рабочего цикла. Таким образом, можно предотвратить изменения цвета и/или значительно уменьшить потерю яркости. Последнее особенно выгодно, поскольку это позволит не учитывать дегенерацию диода в проектных расчетах и избавит от необходимости выбирать чип с “запасом”. Эта технология в настоящее время применяется недостаточно широко, но с удешевлением оборудования, ее потенциальные преимущества смогут быть реализованы.

Отсутствие инфракрасного или ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое и инфракрасное излучение замыкает спектр видимого света, но не способствуют работе человеческого зрения. Ультрафиолетовое излучение может повредить произведения искусства, артефакты и ткани, а также вызывает ожоги кожи и глаз. Кроме того, чрезмерное инфракрасное излучение от систем освещения сулит опасность ожога людей и порчи материалов. При использовании традиционных источников, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения необходимы для создания видимого света (например, люминесцентные лампы), или просто выступают побочным продуктом. Последнее может обернуться снижением эффективности и/или необходимостью применения дополнительных мер предосторожности. Например, на долю инфракрасного излучения, генерируемого лампами накаливания, приходится более 90% их энергопотребления. При создании металлогалогенных ламп требуются внешний экран для блокирования ультрафиолетового излучения.

Светодиоды, используемые для общего освещения, практически не излучают свет в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне. Это помогает повысить эффективность и снижает вероятность нежелательных последствий. Такой вид освещения подходит например для освещения экспозиций в музее.

Продолжительный срок службы

Номинальный срок службы светодиодной продукции, как минимум, сопоставим с другими высокоэффективными осветительными приборами, а зачастую он выше. Для многих конкретных видов светодиодной продукции длительность эксплуатации очень высока. Эта особенность может быть сильно важна там, где затруднен доступ к системам освещения или относительно высоки эксплуатационные расходы. Исследования департамента энергетики США показали, что совсем не энергосбережение, а именно экономия на эксплуатационных расходах является основным фактором, определяющим срок окупаемости светодиодных продуктов.

Заключение

Рынок светодиодной продукции продолжает расти быстрыми темпами. Во многих областях применения, современные высококачественные светодиоды превосходят традиционные технологии, если оценивать обычные показатели: эффективность, качество цветопередачи, а также эксплуатационные расходы. Однако, разные светодиодные продукты сильно различаются между собой. Следовательно, обобщенные сравнения часто неприемлемы. При покупке или выборе светодиодной продукции важно оценить различные данные и, при необходимости, создать физическую модель и провести анализ практики применения.

Особенности, рассмотренные в этой статье, относятся к физическим характеристикам светодиодов, они могут быть не отображены в каталоге или спецификации конкретного продукта. Для выбора наиболее подходящей технологии очень важно рассмотреть конкретные потребности в рамках конкретной сферы применения. В общем случае, самый лучший вариант не всегда может быть наиболее эффективным. Независимо от того, сколько энергии можно сэкономить, продукт, который не отвечает требованиям производительности, не является хорошим выбором.

Назад к каталогу статей >>>

Метки: