Основы технологии светодиодного освещения

В этой статье описаны основы работы светодиодов в системах освещения.

В отличие от ламп накаливания и люминесцентных ламп, светодиоды не являются по своей природе источниками белого света. Вместо этого, светодиоды излучают почти монохроматический свет, что делает их очень эффективными для применения в системах цветного освещения, таких как светофоры и указатели выхода. Тем не менее, для работы обычных систем освещения требуется белый свет. Получить его при помощи светодиодов можно двумя основными способами:

• применение люминофора, который помещается на поверхности или вблизи чипа светодиода, чтобы получить белый свет;

• система RGB, в которой свет от нескольких монохроматических светодиодов (красный, зеленый и синий) смешивается, в результате чего получается белый свет.

Потенциал светодиодной технологии по созданию высококачественного белого света с беспрецедентной степенью эффективности использования энергии является стимулом для интенсивных исследований и разработок в этой области, которые курируются правительствами промышленно развитых стран, в том числе министерством энергетики США.

Два рисунка показывают как светодиоды могут производить белый свет. Слева с помощью фосфора, справа RGB метод

Количество светодиодной продукции способной производить белый свет продолжает расти, новые поколения устройств становятся доступны покупателям каждые четыре-шесть месяцев. Часть продуктов работают очень хорошо, но их качество и энергоэффективность по-прежнему сильно разнятся. С каждым годом появляются новые процедуры тестирования и стандарты, в том числе ENERGY STAR ®. Ориентируясь на них, покупатели могут принимать обоснованные решения при оценке той или иной системы светодиодного освещения.

Часто задаваемые вопросы

Чем светодиодное освещение отличается от других энергосберегающих технологий освещения?

Светодиодное освещение в супермаркете

Светодиоды создают возможности снижения общего потребления энергии систем освещение на одну четверть. Они помогают не только сэкономить деньги, но и уменьшить объем выбросов углекислого газа. Их уникальные характеристики - компактные размеры, долговечность и простота в обслуживании, устойчивость к разрушению и вибрации, высокая производительность при низких температурах, отсутствие инфракрасного или ультрафиолетового излучения и возможность мгновенного применения - полезны для многих систем освещения. Возможность достичь затемнения и управлять цветами является еще одним преимущество светодиодных ламп.

Одной из определяющих особенностей светодиодов выступает то, что они излучают свет в определенном направлении. Направленное освещение снижает потребность в отражателях и рассеивателях, которые могут препятствовать распространению света. В случае люминесцентных ламп и ламп накаливания свет излучается во всех направлениях, что создает заведомо неэффективную систему. В большинстве случаев применения люминесцентных осветительных приборов и ламп накаливания теряется от 40 до 50% от общего объема света.

Насколько энергоэффективными являются светодиоды?

Важно учитывать два аспекта энергоэффективности: эффективность самого светодиода (эффективность источника) и тот факт, насколько хорошо светодиод и вся система работают для обеспечения необходимого освещения (эффективность осветительного прибора). Объем используемой для освещения электроэнергии зависит не только от светодиода, но и от конструкции светильника. Светодиоды чувствительны к тепловому и электрическому воздействию, поэтому они должны быть тщательно интегрированы в осветительные приборы. Светильники с плохой конструкцией не спасут даже самые лучшие светодиоды. С другой стороны, хорошо спроектированные системы могут использовать лишь около половины от общего объема электроэнергии, необходимой для работы люминесцентных систем освещения.

Энергоэффективность светодиодных систем освещения продолжает улучшаться. Целью долгосрочной программы исследований и разработок под руководством Министерства Энергетики США является уровень эффективности светодиодов в 160 люмен на ватт. Подобные продукты должны будут внедряться в экономически эффективные коммерческие системы уже к 2025 году. Приведенная ниже таблица показывает типичный уровень световой эффективности для традиционных и светодиодных источников, включая балластные потери в зависимости от обстоятельств.

Типичный уровень эффективности светодиодов по сравнению с традиционными системами освещения (2010 год)

Тип продукта Типичный уровень световой отдачи (лм / Вт)
Холодный белый светодиод 130
Теплый белый светодиод 93
Светодиодная лампа A19 (теплый белый) 64
Светодиодная лампа PAR38 (теплый белый) 52.5
Разряд высокой интенсивности (многоваттный) 120
Лампа и балласт 120
Линейная люминесцентная 118
Лампа и балласт 108
Разряд высокой интенсивности (маловаттный) 104
Лампа и балласт 97
Компактная люминесцентная лампа 63
Галоген 20
Лампа накаливания 15

Источник: 2011 DOE SSL Multi-Year Program Plan

Могут ли светодиоды обеспечить качественное освещение?

Ключевые аспектами качества освещения являются цветовое оформление (белый свет может казаться более желтым / золотым или более синим) и цветопередача (способность источника света излучать определенные оттенки по сравнению с эталонными лампами накаливания и источниками дневного света).

  • Цветовое оформление. Этот параметр измеряется цветовой температурой (CCT - Correlated Color Temperature) по шкале Кельвина (К). Для большинства систем интерьерного освещения является целесообразным теплый белый свет (2700K до 3000K) и в некоторых случаях нейтральный белый (3500K до 4000K). Многие продукты используют холодные белые светодиоды с очень высоким уровнем CCT (голубоватый на вид). Они, как правило, дают более высокую эффективность при низких затратах. Тем не менее, все большее количество систем светодиодного освещения работают в тепло-белом или нейтрально-белом цветовых диапазонах. Они менее эффективны, чем холодные белые светодиоды, но уже практически на одном уровне с люминесцентными лампами.
  • Цветопередача. Индекс цветопередачи (CRI) измеряет способность рассматриваемого источника света отображать те или иные цвета по сравнению с лампами накаливания и источниками дневного света. Ведущие производители высокоэффективных светодиодов сообщают, что добились CRI на уровне 80 для белых светодиодов с люминофором. Следовательно, для внутреннего освещения рекомендуем приборы с уровнем CRI, как минимум, 80 единиц. Показатель CRI оказался недостаточными для характеристики светодиодных систем RGB (красный, зеленый, синий). Новая система измерения находится в стадии разработки, но в то же время, цветопередачи светодиодной продукции может и должна быть оценена непосредственным покупателем, если это возможно.
  • Качество цветопередачи. В течение многих лет ССТ и CRI использовались для описания обычного освещения, но этих показателей недостаточно для SSL. Два источника света с одинаковым уровнем CCT могут излучать цвета по-разному из-за различий в спектрах. В то время как ССТ выступает показателем того, какой цвет излучает источник света (желтый или голубой), показатель под названием Duv необходим в качестве дополнительной метрики для предотвращения появления чрезмерно зеленоватых или розоватых оттенков. Кроме того, показатель CRI вряд ли поможет в прогнозировании качества насыщенного красного освещения, а также не вполне соответствует человеческому восприятию качества цвета. Национальный Институт Стандартов и Технологии (NIST) США разработал показатель под названием Шкала Качества Цвета (CQS), который предназначен для замены или дополнения текущих измерений в рамках CRI. Разработчики считают, что CQS будет лучше отражать человеческое цветовосприятие.

Как долго могут работать светодиоды?

В отличие от других источников света, светодиоды, как правило, не "выгорают", вместо этого они с течением времени становятся более тусклыми. Срок полезной эксплуатации светодиодной лампы, как правило, основан на количестве рабочих часов, на протяжении которых светодиод излучает как минимум 70 процентов своего первоначального светового потока. Качественные белые светодиоды в хорошо продуманной системе освещения должны иметь срок полезного использования от 30000 до 50000 часов. Типичная лампа накаливания может проработать около 1000 часов, сопоставимая компактная люминесцентная лампа будет работать от 8000 до 10000 часов, а обладатели лучших образцов линейных люминесцентных ламп могут рассчитывать на 30000 часов.

Основной причиной износа рассматриваемых осветительных приборов является тепло, возникающее в месте соединения подложки и излучающего элемента. Светодиоды не выделяют тепло в виде инфракрасного излучения, как другие источники света, так что тепло должно быть удалено из устройства за счет теплопроводности и конвекции. Управление температурным режимом выступает, возможно, самым важным аспектом успешного проектирования светодиодной осветительной системы.

Можно ли назвать светодиоды экономически эффективными?

Светодиодные осветительные приборы существенно отличаются по стоимости. Качественная светодиодная продукция стоит намного дороже по сравнению со стандартными осветительными приборами. Тем не менее, затраты быстро окупаются. С 2009 по 2010 год цены на теплые белые светодиоды сократились в два раза: с 36 до 18 долл. из расчёта на тысячу люмен (klm). Цены, как ожидается, сократятся до уровня в 2 $/klm к 2015 году. Также необходимо иметь в виду стоимость полной замены лампы, затраты электричества и эксплуатационные расходы в течение предполагаемого срока службы системы светодиодного освещения.

Исходный текст: Департамент Энергетики США | 18.08.2011

Назад к каталогу статей >>>

Метки: 
Освещение
DOE