Светодиоды в освещении

Давно прошли времена, когда светодиоды представляли интерес только для ученых и производителей радиоэлектронной аппаратуры, применявших их в качестве светящихся индикаторов включения в сеть. Теперь каждый из нас встречается со светодиодами по нескольку раз в день, хотя чаще всего даже не подозревает об этом. Необычные осветительные приборы таят в себе массу возможностей.

Что такое светодиод? Светодиод – это полупроводниковый прибор, действие которого основано на явлении испускания фотонов при рекомбинации носителей разноименных зарядов в области контакта полупроводниковых материалов с разными типами проводимости (так называемый р‑n‑переход).

Явление свечения (выделение фотонов при совершении упомянутого p‑n‑перехода) сопровождало работу уже самого первого полупроводникового диода, разработанного для того, чтобы пропускать ток в одном направлении, и использовавшегося в качестве выпрямителя. Но оно скорее мешало, чем помогало ему выполнять свои основные функции. Ну а с тем, что мешает работать, как известно, надо бороться всеми возможными способами. И боролись примерно до середины 50‑х гг. XX века. Но уже в начале 60‑х гг. были начаты работы по увеличению яркости свечения и появились первые диоды, действующие как источник света, – светодиоды. Светились они красным светом, очень слабо, но тем не менее быстро нашли применение в качестве индикаторов включения в самых разных приборах, сменив мини‑лампы накаливания. Довольно долго сфера их применения этим и ограничивалась.

С мертвой точки процесс сдвинулся в начале 90‑х, когда создали первый синий светодиод. Правда, чтобы увидеть его свечение, необходимо было воспользоваться мощным увеличительным стеклом. А уж стоил он столько!.. Но светился. Затем, как утверждают специалисты, произошла революция, которую совершил японский профессор С. Накамура, создав яркий синий светодиод. Дальнейшие события развивались, как в ускоренной киносъемке: появились зеленые светодиоды, за ними желтые и, наконец, белые. Практически одновременно с разработкой велась подготовка к их промышленному выпуску. И пять‑семь лет назад они впервые были использованы при создании наружной рекламы. В последние же год‑полтора светодиоды стали массовым видом продукции, выпускаемой производителями Европы, Юго‑Восточной Азии и США.

Основу светодиода (Light Emitting Diode, или LED) составляет искусственный полупроводниковый кристаллик размером 0,3x0,3 мм, в котором реализован вышеупомянутый p‑n‑переход. Цвет свечения зависит от материала кристаллика. Так, красные и желтые светодиоды, как правило, изготовляют на основе арсенида галлия, зеленые и синие – на галлий‑нитридной основе. Усиления свечения добиваются разными способами. В одних случаях в состав кристаллика вводят специальные добавки и присадки, в других – применяют многослойные структуры, что позволяет реализовать в одном кристаллике сразу несколько р‑n‑переходов, увеличив тем самым яркость его свечения.

Кристаллик «сажают» в металлическую полированную чашечку (медную или алюминиевую), которая является отражателем и «катодом» (–). К самому кристаллику «приваривают» золотую нить – «анод» (+). Затем всю конструкцию заливают прозрачным компаундом, которому придают определенную форму (назовем это колбой). От нее зависит угол излучения света, испускаемого кристалликом. Если верх колбы плоский, свет выходит широким пучком (угол составляет 120–130°). Если верх выпуклый, получается линза, собирающая свет в более узкий пучок (угол 8‑60°). Чем меньше угол излучения, тем более интенсивный световой поток дает кристалл. Выпускаются светодиоды разных цветов: красного, желтого, зеленого, синего, сине‑зеленого и белого, причем белый с недавних пор бывает нескольких оттенков (холодного, теплого, «солнечного» и т. д.). Стоимость светодиодов зависит от цвета и колеблется довольно существенно. Если выбрать для примера наиболее простые устройства с диаметром колбы 5 мм, то самыми дешевыми окажутся красные (от $ 0,01), а самыми дорогими – зеленые (от $ 0,15).

Естественно, сам по себе светодиод – пластмассовый баллончик с двумя тонкими ножками‑выводами – это еще не полноценный осветительный прибор. Чтобы такой прибор создать, надо обеспечить стабильную работу диода. А для этого его необходимо встроить в соответствующую электросхему. Дело в том, что, в отличие от лампы накаливания, светодиод нуждается не только в определенном напряжении, но и в ограничении протекающего через него тока. То есть для нормального функционирования прибора мало подать на контакты напряжение, чтобы электроны начали преодолевать p‑n‑переход, испуская при этом фотоны (например, для срабатывания красного светодиода необходимо 2 В, для синего и зеленого – 3–4 В). Надо еще обеспечить определенную силу тока (для разных диодов его величина колеблется от 20 до 150 мА), иначе светодиод быстро сгорит. Почему? Особенности действия p‑n‑перехода таковы, что изменение напряжения всего на 0,1 В вызывает увеличение тока, проходящего через диод, в несколько раз. И значит, чтобы прибор нормально работал, необходимо применить стабилизатор тока или хотя бы простейшую схему на резисторах, ограничивающую ток.

Чтобы потребитель не занимался всем этим самостоятельно, светодиоды заранее устанавливают на печатную плату с нужной электронной схемой. В результате получается не просто светодиод, а светодиодный модуль – в плане квадратный, прямоугольный или округлый, снабженный собственными контактами. Это и есть простейший осветительный прибор, который можно встретить в продаже.

Модули, в схеме которых имеются только ограничительные резисторы, наиболее дешевы ($ 0,5–2), но зато требуют источника питания, стабильно дающего, например, 12 В. Если схема представляет собой так называемый электронный стабилизатор тока, модули обойдутся дороже ($ 1–5). Зато, во‑первых, они позволяют использовать источник питания с напряжением 10–90 В, во‑вторых, не пострадают, если при подсоединении перепутать «плюс» с «минусом», – в схеме есть диодный мостик (как говорят специалисты, «дуракоустойчивая» схема).

Одна из новинок рынка – так называемые RGB‑модули. Их собирают либо на основе трех диодов – красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue), отсюда и название, – либо на основе трехцветных диодов, внутри каждого из которых спрятаны кристаллы трех цветов. Последние устройства несколько дороже (от $ 1) и управляются специальным контроллером. Зато благодаря смешению названных цветов в разных пропорциях способны светиться практически всеми оттенками радужного спектра.

С помощью единичных модулей можно создавать, например, светящиеся буквы для поздравительных надписей, орнаменты и т. п. Но надо сказать, что этим путем идут довольно редко. Куда чаще применяются так называемые светодиодные линейки (источников света в них может быть 4‑24 шт.), снабженные общей контактной группой. К ней остается лишь подсоединить источник питания (отдельные светодиоды в цепи включаются последовательно, и в результате требуется более высокое суммарное напряжение – 12 В). Такую систему могут составлять светодиоды разных цветов, что позволяет с помощью единственного модуля получать самую широкую гамму световых красок (управляется модуль специальным контроллером).

Встречаются линейки как без защиты (длинная печатная плата с открыто установленными диодами), так и в специальном корпусе. При использовании первых об их безопасности вам придется позаботиться самому (например, можно спрятать устройство под матовым оргстеклом). Зато они гибкие (плата тонкая и легко гнется), что позволяет при создании подсветки без проблем «обтекать» сложные геометрические поверхности (колонны и т. п.). Во втором случае система надежно оберегается от механических повреждений (например, американская фирма SUPER VISION INTERNATIONAL предлагает устройства, которые можно смело монтировать в подступенники лестниц). Помимо этого может быть предусмотрена защита таких моделей от влаги (IP65), что позволяет применять их для садовой и архитектурной подсветки. Недаром PHILIPS (Нидерланды) называет свои изделия LEDline2 не иначе как прожекторами. Понятно, что цена линеек зависит от количества светодиодов и их цвета ($ 8‑25), а также наличия корпуса и степени его защищенности (до $1600). Кстати, из подобных систем, как и из модулей, можно собирать разнообразные геометрические фигуры и узоры.

Для сравнения: лампа накаливания мощностью 100 Вт – это примерно 1000 люменов, то есть чтобы заменить одну такую лампу, надо собрать в одну конструкцию около 500 светодиодов. Но сравнивать таким образом светодиоды с обычными лампами не совсем правомерно: лампа дает свет рассеянный, светодиод – направленный.

Разные конструкции светодиодов сравнивают между собой по силе испускаемого ими света, измеряемой в канделах. Но при таком сравнении важно учитывать и угол раскрытия излучаемого диодом светового пучка. Например, если взять две конструкции с одинаковым углом излучения в 30°, но обладающие различной силой света, например в 20 и 30 кандел, то второй прибор окажется в 1,5 раза мощнее первого. Ну а если с устройством в 20 кандел и углом в 30° сравнить источник в 30 кандел с углом в 60°, то окажется, что создают они примерно одинаковый световой поток. К чему все эти сложности?

Существуют нормативы освещенности. Для работы за письменным столом требуется освещенность не менее 300 люкс (для сравнения: лампа накаливания в 100 Вт, освещая 10 м² площади, обеспечивает около 100 люкс). Измеряют освещенность именно в люксах, для чего используют приборы, которые так и называются – люксометры. Ни в канделах, ни в люменах никто ничего не меряет.

И если вы решили, например, осветить свой рабочий стол светодиодной настольной лампой, то, услышав, что предлагаемый прибор дает 100 кандел, не спешите его приобретать. Очень может быть, что эти самые 100 кандел обеспечиваются при угле излучения в 1–5°, и нормальную освещенность лампа даст только на небольшом пятачке.

Как и всякие приборы, светодиоды имеют плюсы и минусы. К несомненным плюсам относится то, что преобразование электроэнергии в свет происходит практически без потерь и при минимальном потреблении энергии (напомним: для работы диоду необходимы напряжение порядка 2 В и ток 20 мА). Это выгодно отличает такие приборы и от люминесцентных ламп, и от ламп накаливания. Световое излучение наблюдается в узкой части спектра (свет близок к монохроматическому), что особо ценится дизайнерами. А главное – светодиод практически не нагревается (исключение составляют мощные модели последнего поколения, но и те греются на порядок меньше ламп накаливания), а срок его службы достигает 100 тыс. ч, то есть почти в 100 раз больше, чем у лампы накаливания, и в пять‑десять раз больше, чем у люминесцентной лампы. К этому следует добавить высокую механическую прочность и исключительную надежность. Если же учесть, что светодиод – прибор низковольтный, следовательно, безопасный, мы получаем почти идеальный источник света!

Минусов два, но довольно существенных. Во‑первых, как уже говорилось, диоды не дают много света. Во‑вторых, они достаточно дороги. Сегодня цена осветительного прибора, собранного на светодиодах, в 10–50 раз выше, чем изготовленного с привычными лампами накаливания (естественно, при одинаковом световом потоке, создаваемом обоими приборами). Правда, специалисты утверждают, что в ближайшие два‑три года цены упадут примерно в десять раз – видимо, тогда‑то и начнется обещаемая специалистами «революция» в светотехнике.

Теоретически светодиод может работать без перерыва от 10 до 100 тыс. ч (первый срок называют китайские производители, второй – европейские и американские). Если учесть, что включаться он будет только в вечернее да изредка в ночное время, можно считать, что светить ему предстоит 40–50 лет. Но это теоретически. На практике следует принять во внимание, что в конструкции используется не только собственно светодиод, но и множество вспомогательных элементов, имеющих собственные слабые места: микросхемы с некачественной пайкой и окисляющимися дорожками, корпусы, в которые просачивается вода, и т. д. В результате для изделий из Китая можно гарантировать пять лет эксплуатации.

С западными производителями картина принципиально иная – они дают гарантию не на светодиоды, а на все изделие целиком. И значит, прослужит оно существенно дольше. Правда, и обойдется в два‑три раза дороже китайского. Что делать – за качество приходится платить.

Чем обеспечивается такое качество? У каждой фирмы секрет свой, и раскрывают они его с большой неохотой. Например, одна из нидерландских компаний проводит так называемый отжиг светодиодов: их выдерживают в печи при температуре 60 °C примерно трое суток. После этого диод более стабилен в работе и обеспечивает устойчивый спектр свечения.

Теперь о том, что случится по окончании гарантийного срока. Нет‑нет, диод не «умрет», как обычная лампа накаливания. За это время уровень его яркости упадет не более чем на 50 % (произойдет так называемая деградация кристалла), но он будет продолжать работать. В зависимости от качества изготовления кристаллы деградируют по‑разному: одни постепенно теряют в год 3–5 % яркости, другие делают это резко, едва приблизится назначенный срок. Но меркнут неизбежно как те, так и другие.

Заметим, что на скорость деградации огромное влияние оказывают температурные условия эксплуатации (нормативы указаны в паспорте прибора и обычно находятся в пределах от ‑40 до +40 °C). Чем ниже температура, тем дольше живет светодиод. Например, где‑нибудь на севере (при ‑20–40 °C) он сможет работать почти вечно (при такой температуре кристалл практически не деградирует). А вот если установить его на печной трубе, где температура постоянно высока (60–80 °C), то проживет он примерно год. В сауне же, где температура доходит до 120 °C, его хватит всего на несколько суток. И жаловаться на некачественный товар бесполезно – производитель по состоянию кристалла легко определит, что условия эксплуатации нарушены.

Светодиоды используются практически во всех областях светотехники, за исключением разве что квартирного освещения. Хотя идея прямой замены ламп накаливания светодиодными давно не воспринимается как фантастическая.

В домашних условиях их вполне можно применять уже сейчас, например, для аварийного освещения. Поскольку светодиоды потребляют очень мало электроэнергии, емкости обычного автомобильного аккумулятора (55 Аxч), используемого в качестве источника резервного питания, хватит для работы системы аварийного освещения небольшого загородного дома (15–18 светильников) в течение недели. Незаменимы светодиоды и для подсветки интерьеров, архитектурных деталей зданий и ландшафта. В жилище они могут использоваться для создания:

– дежурного или ночного освещения;

– светящихся знаков и узоров на дверях, стенах или потолке, а также системы «звездное небо»;

– светового и цветового зонирования пространства;

– подсветки ступенек;

– мебельной подсветки, позволяющей придать привычным предметам интерьера новые яркие образы;

– подсветки коллекции, хранящейся на стеллажах.

В последних двух случаях использование светодиодов представляется особенно актуальным. Небольшие по размеру небьющиеся модули могут встраиваться не только во вновь изготовляемую, но и в давно эксплуатируемую мебель. Хотите организовать подсветку стойки домашнего бара – нет проблем! Закрепите (с помощью саморезов, клея или другими способами) под столешницей необходимое количество небольших линеек‑модулей желаемых цветов, помещенных в защитный корпус, – и все. Разве что тонкие провода, тянущиеся к светодиодам, потребуется защитить миниатюрным кабель‑каналом.

Для подсветки коллекций светодиоды вообще незаменимы. Во‑первых, они позволяют создать индивидуальный вариант освещения для каждого предмета (а сами почти не видны). Во‑вторых, не нагревают освещаемый «раритет», как бы близко от него ни располагались.

При использовании светодиодных модулей в качестве архитектурной подсветки следует учитывать, что они пока еще не в состоянии испускать световой поток, который бы озарил, подобно прожектору, сразу весь фасад. Но подчеркнуть отдельные архитектурные детали и элементы этого фасада вполне возможно. Так, при помощи светодиодных линеек можно заливать светом или выделять отдельные поверхности, создавать световые карнизы и т. д. При этом подсветка бывает как белой, так и цветной, и даже меняющейся в зависимости от погодных условий и температуры на улице. Если вы хотите менять цвет фасада по собственному желанию, можно, используя светодиодные модули в трубчатых корпусах, создать на фасаде практически любой рисунок, а отдельные детали постройки подчеркнуть светодиодными прожекторами. Единственное, что надо учитывать при установке светодиодных светильников, – что их холодный свет не в состоянии растопить снег. А значит, лучше располагать их так, чтобы светящаяся поверхность была обращена вниз.

И наконец, о подсветке водоема и сада. При погружении в воду светодиоды насыщенных цветов позволят добиться просто фантастических эффектов, обеспечив при этом абсолютную электробезопасность. Кроме того, любимый пруд или бассейн можно «заселить» плавающими светящимися предметами (например, шарами), не требующими электропитания. Герметичный светящийся шар со встроенной солнечной батареей, аккумулятором и автоматическим выключателем подсветки украсит как бассейн, так и альпийскую горку.

При оформлении ландшафта светодиоды могут быть встроены в дорожки (в том числе подъездные), газоны, использованы для подсветки кустов и элементов садовой архитектуры, а также для обозначения габаритов открытых въездных ворот и гаражей. Но это летом, а зимой весь названный «эксклюзив», засыпанный снегом, к сожалению, не будет виден. Зато в зимнее время светодиоды с успехом применяются для украшения деревьев, а также подсветки ледяных скульптур и замерзшего пруда. Причем не просто освещают их, а подсвечивают изнутри – из‑подо льда!

Где еще выгодно использовать светодиоды? Прежде всего там, где невозможно или слишком дорого обслуживать осветительные приборы (труднодоступная подсветка лестничных ступеней, скрытая под защитным стеклом подсветка стены за кухонной столешницей, встроенные в наружные стены зданий светильники и т. п.). А еще там, где нужно жестко экономить электроэнергию (например, если на ваш коттедж выделено всего 3 кВт электрической мощности, а подсветить его фасад и окружающий ландшафт очень хочется) или важна высокая вандалоустойчивость (светильники в специальном исполнении в подъездах, на лифтовых площадках, над въездными воротами). Впрочем, всего и не перечислить.

Дата добавления: 2015-05-06