Светодиоды – вчера, сегодня, завтра.
История появления светодиодов (электролюминесценции полупроводников) началась в начале 20 века.
История появления светодиода.
История появления светодиодов (электролюминесценции полупроводников) началась в начале 20 века. Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из лаборатории Маркони. В 1923 г. наш соотечественник О.В. Лосев, проводя радиотехнические исследования, заметил голубоватое свечение, испускаемое некоторыми полупроводниковыми детекторами. При этом разогрева элементов конструкции не было, свет рождался внутри карбидокремниевого кристалла вследствие неизвестных тогда электронных превращений. Однако интенсивность излучения была столь ничтожной, что научная общественность фактически «не увидела» его, по крайне мере, в переносном смысле, так как в электронике тех дней происходили вещи более значимые.
Олег Владимирович Лосев обессмертил свое имя двумя открытиями: он первый в мире показал, что полупроводниковый кристалл может усиливать и генерировать высокочастотные радиосигналы; он открыл электролюминесценцию полупроводников, т.е. испускание ими света при протекании электрического тока.
Олег Лосев создатель одного из первых светодиодов в середине 1920-гг.
В 1923 году Олег Владимирович, работая в Нижегородской радиолаборатории, проводил глубокие исследования такого явления, как излучательная рекомбинация, а так же наблюдал излучение света, исходящее из кристаллов карбида кремния SiC (карборунда).
О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за Россией приоритет в области светодиодов, утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.
Лишь 40 лет спустя, после исследований Лосева О.В. ученые всерьез занялись проблемой «полупроводникового света». Промышленная разработка полупроводниковых ламп началась только в 1951 году. Именно в этом году в Соединенных Штатах Америки был создан центр, занимающийся разработкой ламп, функционирующих на основе «эффекта Лосева». Во главе этого центра стоял знаменитый ученый К. Леховец.
Первые светодиоды промышленного назначения были созданы Ником Холоньяком в лабораториях Университета штата Иллинойс (США). Эти светодиоды основывались на структурах GaAsP/GaP. И именно Ник Холоньяк считается «отцом» современных светодиодов.
В шестидесятые годы двадцатого столетия были созданы первые цветные светодиоды из GaP, излучающие красный и желто-зеленый свет. Длина волны, которую излучали эти приборы, находилась в пределах верхней границы восприятия человеческого глаза (500-600 нм), поэтому для целей индикации этого зелено-желтого свечения было вполне достаточно. Световая отдача этих светодиодов составляла около 1-2 Лм/Вт, а стоимость была примерно $200 за штуку. Их практическое применение было очень ограничено.
В 1968 году была создана первая светодиодная лампа, предназначенная для индикатора Monsanto.
В этом же 1968 году в США компания Hewlett-Packard выпустила в свет самый первый в мире светодиодный экран, предназначенный для рекламы. Это был слабосветящийся дисплей, информация на котором отображалась только красным цветом.
Светодиоды той поры - идеальные сигнализаторы состояния «включено-выключено», они тотчас полюбились конструкторам радиоаппаратуры и вскоре засветились на лицевых панелях радиоприемников, телевизоров и т.д.
В тоже время начинается бурное развитие отрасли создания светодиодов. Светодиоды совершенствуются сразу по двум направлениям: расширение диапазона излучения и увеличение светового потока. Кроме этого, в семидесятых годах лауреат Ленинской премии Жорес Иванович Алферов, с группой единомышленников, изобрел «многопроходные двойные гетероструктуры», благодаря которым значительно увеличился внешний световой поток. Это стало возможным за счет сокращения области рекомбинации. Сначала им были предложены гетероструктуры, основанные на GaAs (и его твердых растворах, типа AlGaAs), а некоторое время спустя, он изготовил и гетероструктуры с другими полупроводниковыми комбинациями. Благодаря этому, удалось достичь 15%-ного внешнего светового потока для красной части спектра (светоотдача около10 Лм/Вт), и не менее 30% - для инфракрасного излучения. Это стало своеобразным «прорывом» в области науки и техники, за что впоследствии Ж.И. Алферов был награжден Нобелевской премией. В тех же семидесятых годах прошлого столетия в лаборатории IBM группой сотрудников под руководством Дж. Панкова были созданы светодиоды с голубым и фиолетовым излучением. Эффект такого свечения стал возможен за счет применения, в качестве основы, эпитаксиальных пленок GaN. Однако срок службы таких светодиодов был очень коротким.
В 1976 году выходят в свет желтые, желто-зеленые и красно-оранжевые светодиоды, основанные на фосфидах алюминия-галлия-индия. Эти светодиоды были разработаны и выпущены компанией Hewlett Packard.
Чуть позже, в самом начале восьмидесятых годов, ученые М. В. Чукичев и Г. В. Сапарин (Московский Государственный Университет им. Ломоносова) обнаружили яркое люминесцентное свечение частей образца GaN, легированного цинком, при воздействии на него электронного пучка. Понять причину этого явления в то время ученым не удалось.
Начиная с 1985 года поток света, излучаемый светодиодами, увеличился до 10 лм, и появилась возможность их применения в качестве самостоятельных световых элементов (к примеру - лампочки в автомобилях).
Проблема приборов с излучением в синем цветовом диапазоне, не находила своего решения вплоть до 1991 года. И лишь 28 марта 1991 года можно считать «днем рождения» синих светодиодов. Родителем этого изобретения стал японский ученый доктор Ш. Накамура (Shuji Nakamura) из компании Nichia Chemical. Ему удалось решить эту задачу при помощи гетероструктуры, основанной на нитриде индия- галлия InGaN. Благодаря этому изобретению, замкнулся «RGB-круг», и теперь появилась возможность получить любой цветовой оттенок, в том числе и различные оттенки белого цвета, путем обычного смешения цветов. В этом процессе могут использоваться, как отдельные разноцветные светодиоды, так и «трехкристалльные», - светодиоды, в корпусе которых объединены кристаллы синего, зеленого и красного свечения.
В начале 90-х годов малоизвестная японская фирма Hure выбросила на рынок светодиоды в десятки раз более яркие, чем все их предшественники. Получение светодиодов с большей яркостью становиться возможным за счет поиска и использования новых материалов с большей светоотдачей и цветовым спектром. Первыми появились светодиоды, содержащие Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In) и Фосфор (P) с цветами от красного до желто-зеленого и светоотдачей 20 лм/Вт.
В 1993 году японская корпорация Nichia объявила об открытии высокоэффективного материала - нитрида галлия, и на свет вышли светодиоды с цветами от голубого до зеленого. Теперь светодиоды освоили практически весь видимый световой спектр, что существенно расширило области их применения. Полупроводниковая палитра засверкала всеми цветами радуги. Наконец в последний год были открыты органические полупроводники, позволяющие создавать суперсверхяркие светодиоды, что вызвало в настоящее время «светодиодную лихорадку» в Азии.
В январе 1994 доктор Никамура создал первый синий светодиод коммерческого назначения. Он был выполнен на основе гетероструктуры InGaN/AlGaN с активным слоем InGaN, легированным цинком.
К декабрю 1997 года компанией Nichia Chemical Industries были запатентованы главные этапы технологии. Вскоре объем реализации голубых и зеленых светодиодов, произведенных этой компанией, достиг 20 миллионов штук в месяц.
К концу ХХ столетия, общее количество выпускаемых в нашей стране светодиодов приравнивалась к 100 миллионам штук в год, а в мире – к десяткам миллиардов.
К началу 1990-х годов светоотдача промышленный полупроводниковых светодиодов уже перешагнула рубеж в 30 лм/Вт. С этого времени светодиоды становятся адекватной альтернативой лампам накаливания.
В 1997 году инженер Фред Шуберт изготовил первый в мире светодиод, излучающий белый свет.
К 1999 году ежемесячный выпуск зеленых и голубых светодиодов компаниями «Toyoda Gosei», «Nichia Chemical», «Cree» и «Hewlett Packard» составляет около сотни миллионов штук.
В июле месяце 1999 года доктор Накамура объявил, что яркость излучения светодиодов достигает уже 60 лм/Вт, а мощность светодиодов на основе InGaN, излучающих желтый свет, равна 6 мВт.
2000 год – начался массовый выпуск светодиодов компаниями «Osram» и «Nichia Chemical».
В том же, 2000 году «Большой Тройкой» - LumiLeds / Phillips, Osram / Cree и GELcore / Uniroyal/GE
было инвестировано свыше 70 миллионов долларов в исследовательскую деятельность, связанную с возможностями применения и производства светодиодов.
К середине 2006 года среднее количество электронных светодиодных придорожных рекламных биллбордов на территории США приравнивалось к 200 штук, однако уже через год это количество удвоилось. Благодаря такой рекламе, произошел ощутимый скачок во всех сферах производства и реализации светодиодов.
К концу 2006 года светодиоды заняли прочные позиции на современном рынке, и сфера их применения значительно расширилась. Основной объем рынка мощных светодиодов к этому году распределяется следующим образом:
- Мобильные устройства – около 50%
- Автомобильная светотехника – не менее 15%
- Всевозможные табло, экраны и пр. – 15%
Применение светодиодов в качестве альтернативного общего освещения не превышает 5%, что составляет около 200 миллионов долларов. Однако по прогнозам аналитиков, к 2011 году эта цифра возрастет до 1 миллиарда долларов, а доля светодиодного освещения составит от 30 до 50% от общего.
Материалы кристаллов светодиода.
Светодиод или светоизлучающий диод (light emission diode – LED) является полупроводниковым прибором, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава, использованного в нем полупроводника. Его активная часть, называемая «кристалл» или «чип», как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника – с электронной (n-типа) и с дырочной (p-типа) проводимостью. В отличие же от обычного диода, в светодиоде на границе полупроводников разного типа существует определенный энергетический барьер, препятствующий рекомбинации электронно-дырочных пар. Электрическое поле, приложенное к кристаллу, позволяет преодолеть этот барьер и происходит рекомбинация (аннигиляция) пары с излучением кванта света. Длина волны излучаемого света определяется величиной энергетического барьера, который, в свою очередь, зависит от материала и структуры полупроводника, а также наличия примесей.
Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
Основные современные материалы, используемые в светодиодах:
- InGaN – синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости;
- AlGaInP - желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости;
- AlGaAs - красные и инфракрасные светодиоды;
- GaP – желтые и зеленые светодиоды.
Развитие светодиодов:
Материалы кристаллов | Годы | Коментарии |
GaAsP (Фосфид арсенида галлия) | 1960-1970 | Обычные малоэффективные красные светодиоды полученные по жидкофазной эпитаксии |
GaP (Фосфид галлия) | 1970-1980 | Высокоэффективные красные светодиоды |
GaA|As (Арсенид галлия-алюминия) | 1980-1990 | На основе одинарных и двойных гетероструктур с эпитаксией из паровой фазы – увеличение эффективности |
InGaA|P (Фосфид индия-галлия-алюминия) | 1990-2000 | Металлоорганическая эпитаксия из паровой фазы |
InGaN (Нитрид индия-галия) | 2000-н.в. | Сверхяркие зеленые и синие светодиоды |
Особенности светодиодов.
По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:
- Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL). Высокая надежность и стабильность в работе.
- Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).
- Длительный срок службы. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости (деградация кристалла).
- Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это — достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.
- Малая инерционность.
- Малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком.
- Очень низкое тепловыделение.
- Безопасность — не требуются высокие напряжения.
- Нечувствительность к низким и очень низким температурам (до - 40єС). Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам (температура максимальная при работе кристалла +120-130єС).
- Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.
Экологичность – существенное уменьшение выбросов в атмосферу (сжигание кислорода и выделение угарного газа).
Обозначение светодиодов на электрических схемах.
Как устроен светодиод.
Основой для построения современных полупроводниковых источников света служит излучающий кванты света p-n – переход. Это – гетероструктуры с широкозонными p-n – переходами, у которых ширина запрещённой зоны более 1,9 эВ. В настоящее время созданы структуры, способные излучать во всём видимом диапазоне, ближнем ИК и ультрафиолете. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов в качестве различных источников света. Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического тока в световую, основой которого является излучающий кристалл. Излучение светодиода занимает достаточно узкую полосу (до 25-30 нм) шкалы спектрального распределения плотности энергетической яркости и поэтому носит характер квазимонохроматического излучения.
Конструкция светодиода определяет направление, пространственное распределение, интенсивность излучения, электрические, тепловые, энергетические и другие характеристики излучения от полупроводникового кристалла. И, конечно, взаимное влияние всех этих параметров друг на друга.
Характеристики современных светодиодов.
Современные светодиоды, кроме высокой световой отдачи, малого энергопотребления и возможности получения любого цвета излучения, обладают целым рядом других замечательных свойств.
Отсутствие нити накала благодаря нетепловой природе излучения светодиодов обусловливает фантастический срок службы. Производители светодиодов прогнозируют срок службы более 100 тысяч часов, а это почти 11 лет непрерывной работы, – срок, существенно превышающий жизненный цикл любых осветительных установок. Отсутствие стеклянной колбы определяет очень высокую механическую прочность и надежность.
Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности, а безинерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие (например, для светодиодных мониторов, бегущих строк, сигнальных фонарей автомобилей.).
Сверхминиатюрность и изначальное светораспределение определяют другие, не менее важные достоинства. Световые приборы на основе светодиодов оказываются неожиданно компактными, плоскими и удобными в установке.
Светодиод имеет несколько основных параметров, которые обязательно указываются в справочных данных производителями светодиодов:
1. Сила света светодиода - I, Кд (кандела).
2. Угол двойной половинной яркости - 2θ – пространственный угол
Характер светораспределения определяется углом излучения – углом двойной половинной яркости. Естественно, чем меньше угол излучения, тем больше осевая сила света, притом же световом потоке. Обязательно указываются также цвет свечения и длина волны излучения с определенным допуском.
Цветовая температура и общий индекс цветопередачи весьма актуальны для белых светодиодов, применяемых в целях освещения. Производители декларируют Ra до 75–85 (хорошая цветопередача). Еще лучших результатов можно добиться, "синтезируя" белый цвет путем смешения нескольких цветов; при этом белые светодиоды могут использоваться совместно с "цветными".
Фотометрические (световые) характеристики светодиодов
Фотометрия — это измерение света в видимом спектре. Это та часть светового спектра, которая приблизительно соответствует длинам волн 380-770 нм и видна невооружённым глазом «усреднённого» наблюдателя. Существует множество фотометрических величин, таких как яркость (1 нит = 1 кд/м2 или 1 стильб = 1 кд/см2), освещённость (1 люкс = 1 лм/м2), и т.д. Все они основаны на двух основных фотометрических стандартах: световой поток и сила света.
Световой поток измеряется в люменах. 1 люмен определяется как световой поток, испускаемый точечным источником с силой света 1 кандела внутри телесного угла 1 стерадиан (1 лм = 1 кдЧср). Важно понимать определение стерадиана, являющегося телесным углом (конусом) с центром в сфере радиуса r, который вырезает из сферы поверхность площадью r2 (см. рис.1). Угол свечения светодиода θ (двойной угол половинной яркости), указанный производителем, определяем телесный уголΩ: =2π (1 — cos(θ/2)). Площадь поверхности сферы равна 4πr2, поэтому полный световой поток, создаваемый точечным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.
световой поток F = Iv Ч Ω, где Iv — сила света светодиода
Сила света измеряется в канделах. Научное определение канделы достаточно сложно для образного восприятия: «единица силы света точечного источника в заданном направлении, испускающего монохроматическое излучение частотой 540Ч1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср». Частота излучения Ч5140012 Гц соответствует длине волны 555 нм (излучение зеленого цвета). Для упрощения понимания можно обратиться к происхождению названия «кандела». Так вот, одна кандела (в переводе с латыни — «свеча») это сила света обычной восковой свечи.
Источник света излучает световой поток Ф разных направлениях с различной интенсивностью. Интенсивность излучаемого в определенном направлении света называется силой света I.
Яркость L - яркость света L источника света или освещаемой площади является главном фактором для уровня светового ощущения глаза человека. Единица измерения: кандела на квадратный метр [кд/м2].
Световая отдача (эффективность) - показывает, с какой экономичностью потребляемая электрическая мощность преобразуется в свет. Единица измерения: люмен на Ватт [лм/Вт].
Цветовая температура - цветовая температура источника света определяется путем сравнения с так называемым “черным телом” и отображается “линией черного тела”. Если температура “черного тела” повышается, то синяя составляющая в спектре возрастает, а красная составляющая убывает. Единица измерения: Кельвин [K]. Цветность света очень хорошо описывается цветовой температурой. Существуют следующие три главные цветности света:
- теплая-белая < 3300 К
- нейтральная-белая 3300 — 5000 К
- холодная белая > 5000 К.
Цветопередача - характеристика цветопередачи светодиода, которая выражаются с помощью различных степеней “общего коэффициента цветопередачи” Ra. Коэффициент цветопередачи отражает уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света. Для определения значения Ra фиксируется сдвиг цвета с помощью 8 указанных в DIN 6169 стандартных эталонных цветов, который наблюдается при направлении света тестируемого или эталонного источника света на эти эталонные цвета. Чем меньше отклонение цвета излучаемого тестируемой лампой света от эталонных цветов, тем лучше характеристики цветопередачи этой лампы. Источник света с показателем цветопередачи Ra = 100 излучает свет, оптимально отражающий все цвета, как свет эталонного источника света. Чем ниже значение Ra, тем хуже передаются цвета освещаемого объекта.
Радиометрические (энергетические) характеристики светодиодов.
Радиометрия занимается измерениями полного светового излучения во всех (видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом) оптических диапазонах. Основная единица радиометрической оптической мощности — ватт (Вт). Ватт — абсолютная величина, не зависящая от длины волны. Один ватт инфракрасного света несёт такую же мощность, как один ватт видимого света. Другие измеряемые радиометрические величины — энергетическая сила излучения (Вт/ср), энергетическая освещённость (Вт/м2) и энергетическая яркость (Вт/срЧм2). Основной метод измерения полной оптической мощности основан на использовании сферического интегратора. Сферический интегратор измеряет свет, испускаемый светодиодом во всех направлениях. По большому счету, эти измерения не зависят от угла свечения и не подвержены угловым погрешностям, характерным для фотометрического тестирования. Наиболее широкое применение получили сферы диаметром от 75 до 150 мм. Если критична точность измерений, то предпочтителен больший диаметр, так как немаловажным является соотношение площади сферы к размеру светодиода. Однако при измерениях светодиодов с различным пространственным распределением силы света ошибки неизбежны. Главным фактором, вносящим ошибку в измерения, является местоположение светодиода в сфере. Последняя спецификация, принятая CIE, предполагает, что корпус светодиода должен полностью находиться в сфере — это так называемое «π2» измерение светового потока.
Колориметрические (спектральные) характеристики светодиодов.
Колориметрия — научное измерение и определение цветовых характеристик светодиодов. Колориметрические параметры светодиодов обычно выражены в координатах цветности или в длинах волн. Цветовое восприятие человека весьма сложно, поскольку оно зависит не только от различных физических свойств света, но также и от окружающих объектов, механических свойств излучателя, физиологического отклика глаза наблюдателя и его психологического состояния. В 1931 году Международной комиссией по освещению (CIE) были измерены реакции на цвет нескольких тысяч людей и введено понятие «стандартного наблюдателя». Реакцию такого абстрактного наблюдателя на цвета различного спектра описали через tristimulus — три кривые, названные X, Y и Z (см. рис. 4). Система tristimulus базируется на условии, что каждый цвет — это комбинация трёх первичных цветов: красного, зелёного и синего. Диаграмма цветности CIE (см. рис. 5) получена из значений tristimulus следующим образом:
X = X / (X+Y+Z) или X = Красный / (Красный + Зелёный + Синий)
Y = Y / (X+Y+Z) или Y = Зелёный / (Красный + Зелёный + Синий)
Поскольку, (X + Y + Z) = 1, третья ось Z = 1 — (X + Y)
Ординаты кривых сложения (CIE spectral tristimulus values)
Диаграмма цветности CIE (1931г)
Обычно координаты цветности определяются только осями X и Y. Но если светодиод не имеет «белого» свечения, большинство спецификаций, предоставляемых изготовителями, содержат не координаты цветности, а скорее пиковую и доминирующую длины волн. Доминирующая длина волны используется для обозначения цвета в координатах CIE и измеряется в нанометрах (нм). Это, по существу, цвет, фактически воспринимаемый человеческим глазом. Пиковая длина волны — это длина волны максимальной спектральной интенсивности. Пиковое значение легко определить, и поэтому оно является наиболее частым параметром, указываемым изготовителями светодиодов. Однако пиковая длина волны имеет меньшее практическое значения для применений в области спектра, воспринимаемой человеческим зрением: два светодиода могут иметь одинаковую пиковую длину волны, но будут оценены человеком как имеющие различные цвета.
В настоящее время самый точный метод измерения цвета — с использованием спектрорадиометра. Данное устройство регистрирует и измеряет спектральное распределение мощности источника света, после чего могут быть математически вычислены все фотометрические, радиометрические и колориметрические параметры. Точность определения оборудованием длины волны должна быть не хуже, чем 0,5 нм (желательно 0,1 нм).
Существуют различные факторы, влияющие на полученный результат. Одним из них является температура. С повышением температуры окружающей среды увеличивается и температура активной области светодиода, соответственно увеличивается длина волны излучения светодиода. Это увеличение обычно имеет значение в пределах 0,1-0,2 нм/єC в зависимости от типа используемого кристалла. Некоторые светодиоды, например, красного свечения, могут демонстрировать и отрицательную температурную зависимость длины волны. Светодиоды меняют яркость и цвет с изменением температуры и в течение времени. Если температура повышается, выход света сокращается, а цвет обычно смещается в длинноволновую сторону спектра.
Гониометрические (угловые) характеристики светодиодов.
Гониометрия занимается измерением угловых характеристик светодиодов. Гониометр — устройство, измеряющее пространственное распределение силы света светодиода. Суть этого метода основана на пошаговой фиксации значений силы света светодиода при его повороте на известный угол, что может быть реализовано перемещением датчика вокруг светодиода или наклонами светодиода относительно неподвижного датчика. Несколько измерений выхода света делаются для каждого угла, при выполнении вращения от 0є до 180є. В результате мы получаем профиль излучения в одной плоскости. Так как большинство светодиодов имеет круглую форму линзы, то чаще всего диаграмма направленности излучения (индикатриса) является симметричной. Многие производители светодиодов предоставляют именно такую диаграмму в качестве графического представления угла свечения светодиода. Существуют светодиоды имеющие две диаграммы направленности (30є x 70є или 90є x 160є например),
Эксплуатационные характеристики светодиодов или тест на деградацию
Основная качественная характеристика светодиодов - срок их службы. Световой поток светодиода уменьшается в процессе работы. Срок службы - важнейший эксплуатационный параметр источников света — отражает оба этих неприятных факта: различают полный (пока прибор не перегорит) и полезный (пока световой поток не упадет ниже определённого предела - обычно порогом является 30 или 50% светового потока относительно первоначального) срок службы. Подавляющее большинство поставляемых сегодня промышленностью светодиодов деградирует в течение нескольких лет. Чтобы понять скорость деградации, необходимо учесть определённые факторы:
- поддержание стабильности токового питания светодиода (превышение питающего тока резко снижает время работы светодиода, понижение же - снижает световой поток).
- соблюдение температурного режима (чем ниже температура работы светодиода - тем дольше срок службы).
Основные виды светодиодов для освещения.
В настоящее время светодиоды для освещения подразделяются по своей номинальной мощности
(питающему току). Можно выделить несколько типов:
- «цилиндрические», размером 3, 5 или 10мм в диаметре и углом свечения от 5є до 100є.
Их питают током от 20 до 50 мА, мощность составляет от 0,1 до 0,2Вт.
Это одни из самых первых светодиодов. Они широко применяются в индикаторных, сигнальных устройствах (светофор) и всевозможных бегущих строках или больших светодиодных экранах. Их редко используют для систем освещения из-за устаревшей конструкции корпуса и рядом технических ограничений.
- «пиранья» или high flux led – это квадратной формы светодиоды на четырех ножках (реже ножки соединяют попарно в пластины, которые выполняют роль радиатора).
Размер светодиода 5*5 или 7,62*7,62 миллиметра.
Углы свечения – 50 є, 60 є, 70 є, 90 єили 120є. Их питают током от 20 до 70 мА, а мощность составляет от 0,1 до 0,25Вт
- smd (светодиоды поверхностного монтажа) - светодиоды малой и средней мощности.
Такие светодиоды имеют корпус, как правило, «3528», трех или пяти кристальный. Сам корпус - керамический.
Мощность от 0,1 до 0,5 Вт, питаются током 20, 30, 3*50мА и имеют угол свечения 120є
- мощные светодиоды – это весьма широкая линейка светодиодов с разными корпусами и размерами. Их мощность составляет 1, 2, 5, 10 и более Ватт, что требует специального подключения и серьезного расчета работы светодиода. Такие светодиоды имеют широкий угол свечения, под них специально разрабатываются отражатели и оптика для фокусировки светового потока и получения более интенсивного свечения при небольшой потребляемой мощности. Мощные светодиоды наиболее эффективны из всех, в настоящее время она достигает 100-130 лм/Вт, что позволяет делать из них светильники альтернативные традиционным люминесцентным, галогеновым или с лампами накаливания.
Применение: вчера и сегодня
Много лет назад такие факторы как маленький размер, прочность, низкое энергопотребление, способность быстро переключаться и совместимость с электрическими схемами сделали светодиоды незаменимыми в использовании в качестве индикаторов. Сегодня все эти факторы, к которым добавились еще такие как: увеличенная светоотдача, долгий срок службы (измеряемый годами) и колоссальная экономия электроэнергии вдохновили разработчиков на создание светодиодных источников света, которые явились заменой лампам накаливания, люминесцентным лампам и неону.
Светодиодные источники света получили на сегодняшний день наибольшее распространение в следующих областях: автомобильные габаритные огни, экраны сотовых телефонов и компьютеров, подсветка клавиатуры, уличные экраны, знаки регулировки движения, наружная реклама, вспышки фотоаппаратов, а также архитектурная подсветка. Светодиодная экспансия в светотехнику началась со светосигнальных приборов, изначально основанных на применении цветного света. Здесь преимущества светодиодов особенно очевидны. Например, лампа на основе светодиодов AlInGaP красного цвета излучения потребляет в 100 раз (!) меньше электроэнергии и служит в 100 раз (!) дольше, чем обеспечивающая аналогичный эффект лампа накаливания с красным светофильтром. В последнее время значительно увеличилась доля светодиодов используемых для основного освещения – это: прожектора, уличные светильники, светильники для офисов, складов и прочих помещений.
Светофоры, автомобильные стоп-сигналы, сигналы поворота, габаритные и заградительные огни, дорожные знаки, навигационные знаки водных путей – в этих областях светодиоды стремительно захватывают лидерство (объем продаж только в США превысил полмиллиарда долларов и удваивается быстрее, чем раз в два года). Это и не удивительно: лампы накаливания в обычных светофорах требуют ежегодной замены, а светодиодные приборы служат 5–10 лет, потребляя при этом в 5–10 раз меньше электроэнергии (по тем же американским данным, новые светофоры "экономят" как минимум 400 млн кВт-ч в год).
Светодиодное освещение: уличное, промышленное, бытовое, декоративное, архитектурное освещение.
Индикаторы - в виде одиночных светодиодов (например индикатор включения на панели прибора) так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например цифры на часах). В светодиодных дорожных знаках.
Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют кластерами светодиодов, светодиодными кластерами, или просто кластерами.
В последнее время, светоизлучающие диоды всё больше претендуют на использование их в освещении, художественной подсветке, ответственной сигнальной технике. Всё это стало возможным благодаря достаточно быстрому росту энергетических показателей, надёжности и долговечности этих квазимонохроматических источников излучения. Малое потребление электрической энергии, лёгкость формирования диаграммы направленности с помощью различной оптики, простота управления и самое важное – специфическое восприятие излучения глазом делают светодиоды незаменимыми для создания полноцветных светодиодных экранов, вывесок и других средств представления информации в виде динамического изображения.
Современные производители светодиодов.
Рынок светодиодов расценивается как исключительно важный всеми "китами" светотехнической индустрии. Количество заключенных стратегических альянсов, явно рекордное в последние годы, косвенно свидетельствует о серьезном движении капиталов "за сценой".
Nichia Chemical Corp. Япония
NICHIA – японская компания, мировой лидер в производстве люминофоров (Люминофор – основа светодиода). Первая компания, разработавшая сверх- яркие светодиоды на основе соединения индия и гелия, сохраняет лидирующие позиции в производстве сверхъярких синих, зеленых и белых светодиодов.
Agilent Technologies США
Отделение электронных компонентов компании Hewlett Packard с 1999 г. – самостоятельная компания. Признанный лидер в разработке сверхъярких LED красного и желтого свечения на основе структур AlInGaP.
Lumileds Lighting (США)
Совместное предприятие Agilent Technologies и Philips Lighting. Производство сверхъярких светодиодов с повышенным током накачки, светодиодных сборок и модулей (Barracuda, Luxeon) очень высокой яркости.
VOSSLOH Wustlich OPTO GmbH&Co (Германия)
Производство светодиодов различных типов, в том числе и сверхъярких, семисегментных индикаторов, светодиодных модулей.
OSRAM Optosemiconductors (штабквартира компании находится в Германии, производственные мощности – в США и Малайзии)
Бывшее совместное предприятие OSRAM и Infineon Technologies, которое сейчас полностью
принадлежит OSRAM. Производство сверхъярких светодиодов, в том числе для поверхностного монтажа. Очень широкая линейка светодиодных модулей (линейные, гибкие, круглые и др.).
LIGITEK Electronics (Тайвань)
Тайваньские фирмы, как водится, не отстают! В хит-листе рекордов светодиоды LIGITEK мы, может, и не найдем, а вот по cоотношению цена–качество эта компания – один из лидеров.
Kingbright Electronics (Тайвань)
Еще одна крупная тайваньская компания, поставляющая широкий ассортимент светодиодов и изделий на их базе.
К сожалению, в России производство светодиодов для освещения сильно отстает от мирового уровня.
Правительство приняло решение о создании мощного центра по производству светодиодов мирового уровня и светодиодных изделий полного цикла, начиная от выращивания кристаллов, до создания светодиодных светильников под контролем госкорпорации "Роснано"
Разработка и производство высокоэффективных светодиодов, ИК диодов, диодных осветителей с потоком до 55 Лм, светодиодных фонарей с силой света до 3000 Кд, в т. ч. белого цвета свечения и других устройств.
PHILIPS – ведущий мировой производитель светодиодов высокой мощности.
CREE – один из крупнейших мировых производителей светодиодных структур и светодиодов.
Типы светильников и их свойства.
Осветительные приборы – это такие устройства, которые распределяют или перераспределяют световой поток от источников света в пространстве нужным образом и в требуемом направлении. Осветительные приборы разделяются на три типа, включают в себя проекторы, прожекторы и светильники. Рассмотрим каждый вид осветительных приборов более подробно.
Виды осветительных приборов:
Проекторы – это осветительные приборы, которые концентрируют и сосредотачивают световой поток источника света на определенной четко ограниченной площади или в малом объеме. Самым ярким примером таких осветительных приборов являются кинопроекторы, эти приборы направляют световой поток на полотно экрана и создают на нём освещённость. Проекторы как правило не используются с целью освещения, требуются лишь для специальных нужд.
Прожекторы - это осветительные приборы распределяющие световой поток от источников света (ламп) в малых телесных углах, и освещающие объекты и предметы находящиеся от осветительного прибора на значительном расстоянии, значительно превышающих размеры самих осветительных приборов.
Светильниками называют световые приборы, свет от которых распределяется в пределах больших
телесных углов. Светильники освещают поверхности и объекты, находящиеся близко от светильника, эти расстояния вполне соизмеримы с размерами осветительного приборы.
Маркировка светильников
Структура условного обозначения светильников по ГОСТ 17677-82
Первая буква обозначает источник света: | Вторая буква обозначает способ установки светильника: | Третья буква обозначает основное назначение светильника: | Двухзначное число (0 - 99) означает номер серии. Цифра (цифры) - количество ламп и их мощность, Вт, трехзначное число (001 - 999) - номер модификации. |
Н - лампа накаливания С - лампы-светильники (зеркальные и диффузные) И - кварцевые галогенные (накаливания) Л - прямые трубчатые люминесцентные Ф - фигурные люминесцентные Э - эритемные люминесцентные Р - ртутные типа ДРЛ Г -ртутные типа ДРИ, ДРИШ Ж - натриевые типа ДНаТ Б - бактерицидные К - ксеноновые, трубчатые | С- подвесные П- потолочные В - встраиваемые Д - пристраиваемые Б - настенные Н - настольные, опорные Т – напольные, венчающие К - консольные, торцевые Р - ручные Г - головные | П - для промышленных и производственных зданий О - общественных зданий Б - жилых (бытовых) помещений У - наружных Р - рудников и шахт Т – кинематографических и телевизионных студий. | Например: НСП 18В 1Ех-200-111 IP65 У,ХЛ Н - источник света-лампа накаливания; С – способ установки светильника-подвесной; П – назначение светильника-для промышленных и производственных зданий; 18В – номер серии (буква «В» дополнительно идентифицирует производителя-Ватра); 1Ех –светильник является взрывобезопасным; 200 – в светильнике используется одна лампа мощностью 200 Вт; 111 – модификация светильника; IP65 – степень защиты от пыли и влаги; УХЛ – климатическое исполнение |
Светопропускающие материалы используются для изготовления линз, рассеивателей, защитных стекол, колпаков и т.п. Основным параметром светопропускающих материалов является коэффициент пропускания – отношение светового потока, прошедшего сквозь материал, к световому потоку, упавшему на него.
Светопропускающие материалы можно разделить по типу исходного сырья:
- силикатные - это обычное стекло всех сортов, хрусталь, кварц;
- органические – к ним относятся светотехнические бумаги и ткани, а также полиметилметакрилат, полистирол, поливинилхлорид и другие, получаемые, как правило, синтетическим путем.
К достоинствам силикатных светопропускающих материалов относятся:
- абсолютная негорючесть (могут применяться в ОП с любыми источниками света);
- высокая твердость (не уступают большинству сортов стали и значительно превосходят алюминий и его сплавы);
- возможность окрашивания в самые различные цвета (их окраска очень устойчива к воздействию света, тепла и времени);
- высокая химическая стойкость (силикатные материалы превосходят большинство известных
- веществ, ОП с силикатными материалами могут применяться в производственных помещениях с самой агрессивной средой);
- устойчивость ко всем растворителям;
- высокая теплоустойчивость (силикатные материалы значительно превосходят все органические).
К недостаткам силикатных светопропускающих материалов относятся:
- неустойчивость к ударным нагрузкам;
- довольно большая плотность, делающая изделия из этих материалов тяжелыми;
- сложность механической обработки;
- очень высокая стоимость многих цветных и хрустальных стекол и чистого кварца.
Достоинства и недостатки силикатных материалов определяют области их применения:
- плоские закаленные прозрачные стекла используются в качестве защитных элементов во всех ОП
- прожекторного типа с линейными галогенными лампами накаливания и мощными разрядными лампами;
- призматические рассеиватели широко применяются в уличных светильниках как функционального, так и декоративного назначения;
- элементы из хрусталя – основа многих декоративных ОП для бытовых, представительских, зрелищных и других помещений;
- цветные стекла широко используются в ОП проекторного типа для создания декоративных
- эффектов в шоу-программах и т.п.;
- молочное стекло – основа большинства бытовых светильников.
Во многих случаях силикатные материалы являются безальтернативными в создании ОП. Однако в ряде ОП, в частности, в светильниках с люминесцентными лампами, в последние десятилетия широко применяются и органические светопропускающие материалы.
К достоинствам органических светопропускающих материалов необходимо отнести их большую устойчивость к ударным нагрузкам, меньшую плотность, возможность механической обработки, часто – меньшую стоимость. Общим недостатком всех полимерных материалов является их низкая устойчивость к свету и, особенно, к ультрафиолетовому излучению. Под действием света большинство материалов желтеет, и становиться более хрупкими. Для повышения устойчивости к свету в полимеры вводят различные светостабилизирующие добавки, которые повышают стоимость материалов, а иногда снижают коэффициент пропускания.
Другим общим свойством для всех синтетических светопропускающих материалов является их старение, в другом смысле, постепенное ухудшение светотехнических и механических параметров. Если стекло может сохранять свои параметры в течение столетий, то срок службы полимерных материалов редко превышает 10 лет.
Еще одним неприятным свойством полимеров является низкая теплоустойчивость полимерных материалов, которая делает невозможным использование их в ОП с галогенными лампами накаливания и мощными разрядными лампами. В производстве светильников с люминесцентными лампами полимерные светопропускающие материалы в настоящее время являются практически единственным типом материалов для изготовления рассеивателей. Наиболее распространенным соединением является полиметилметакрилат, известный также под названиями «органическое стекло», «плексиглас», «акрил». Кроме полиметилметакрилата, для изготовления рассеивателей используется полистирол, реже полипропилен.
Поликарбонат применяют при изготовлении так называемых «антивандальных» светильников, которые используются для освещения подъездов, лестничных клеток и лифтов в жилых домах, в подземных пешеходных переходах, для садово-паркового освещения, а именно в местах, где светильники могут подвергаться умышленному разрушению. Кроме этого, поликарбонат используется для изготовления рассеивателей и защитных колпаков в ОП с высокой степенью защиты (IP54, IP65), применяемых для освещения производственных помещений.
Светоотражающие материалы используются для изготовления отражателей и перераспределения светового потока источников света путем отражения его в нужных направлениях.
В светотехнической промышленности в качестве светоотражающего материала чаще всего используется алюминий. Недостатками листового светотехнического алюминия является невозможность использования его для изготовления отражателей сложной формы из-за неизбежного повреждения защитного слоя при глубокой вытяжке и достаточно высокая стоимость. Для получения светоотражающих материалов с рассеянным отражением, на поверхность отражателей распылением струей сжатого воздуха или электростатическим полем наносятся различные краски и эмали.
В светильниках с мощными лампами часто применяются стеклоэмали. Стеклоэмали наносятся чаще всего на поверхность стальных отражателей, которые одновременно являются и корпусами светильников.
Стеклоэмалевые покрытия характеризуются высокой теплоустойчивостью, химической стойкостью,
механической прочностью (допускают многократную протирку и мойку). Основная область применения светильников с отражателями, покрытыми стеклоэмалью – освещение производственных помещений.
Конструкционные материалы светотехнической промышленности не выполняют какие-то светотехнические функции, а служат лишь для создания конструкций ОП. Наиболее распространенными конструкционными материалами в светотехнической промышленности являются алюминиевые сплавы,
листовая сталь, поликарбонат, полиамид (капрон). Для изготовления электроустановочных изделий
(патронов, клемных колодок, розеток, выключателей и т.п.) широко используется керамика, а из полимерных материалов – термореактивные смолы на основе фенолформальдегидных соединений; поликарбонат; полиамид.
Осветительные приборы требуются во всех сферах жизни и имеют различное назначение. Разделяются на несколько классов. Разделение осветительных приборов осуществляется по основным и дополнительным признакам.
Основными признаками классификации осветительных приборов являются:
-характер светораспределения (светильники, прожекторы и проекторы);
-условия эксплуатации осветительного прибора (уличные, в закрытых помещениях, в экстремальных условиях, например взрывозащищенные или стойкие к химическим веществам).
основное назначение (производства, общественные здания, улицы, дороги и магистрали и.т.п)
Основные функции | Осветительные приборы | ||||||||||||
Характер светораспределения | Светильники | Прожекторы | Проекторы | ||||||||||
Помещения | Производственные | Студии, спортивные и другие сооружения | Экранные | ||||||||||
Рудники и шахты | |||||||||||||
Общественные здания | Театры и клубы | ||||||||||||
Жилые | Музеи и выставки | Технологические | |||||||||||
Транспортные средства | |||||||||||||
Открытые пространства | Улицы, дороги и площади | Общего назначения | |||||||||||
Большие открытые пространства | Морские и речные | ||||||||||||
Туннели и пешеходные переходы | Аэродромные | ||||||||||||
Архитектурные и декоративные сооружения | Зенитные | ||||||||||||
Транспортные средства | Транспортные средства | ||||||||||||
Сады и парки | Киносъемочные | ||||||||||||
Экстремальные средства | Под водой | Под водой | |||||||||||
В космосе | В космосе |
По способу установки светильники делятся на следующие группы:
встраиваемые; потолочные; подвесные; настенные; напольные; настольные; венчающие; консольные; переносные
Световой поток, выходящий из светильника, попадает на место назначения не в полном объеме, большая часть светового потока рассеивается в разные стороны. Для оценки доли света попадающего на требуемое место, нужно знать характер распределения светового потока светильника.
Характер светораспределения описывается кривыми силы света.
Кривая силы света светильника (осветительного прибора) - графическое изображение зависимости силы света светильника от направления распространения света.
ГОСТ предусматривает следующие типы кривых сил света:
концентрированная (К), глубокая (Г), косинусная или диффузная (Д), полуширокая (Л), широкая (Ш), синусная (С), равномерная (М).
Следует отметить, что у светильников с кривыми силы света: концентрированная, глубокая, диффузная - направление максимальной силы света совпадает полностью или частично с оптической осью.
Светильники, имеющие синусную кривую силы света - максимальная сила света перпендикулярна.
Оптическая ось - условная прямая линия, которая проходит через световой центр прибора перпендикулярно плоскости его выходного окна.
Широкий тип кривой силы света создаёт максимальное освещение 55-85 градусах от оптической оси
Полуширокий тип кривой силы света рассеивает максимальное количество световой энергии в 35-55 градусах от оптической оси.
Существует международная система классификации и обозначения светильников и другого электротехнического оборудования по степени их защищенности от воздействия влаги (воды) и твердых частиц (пыли).
Степень защиты обозначается буквами IP (Ingress Protection) - защита от проникновения - и двумя цифрами. Первая цифра показывает степень защищенности светильников от проникновения в него пыли и посторонних тел и может принимать значение от 2 до 6:
2 - специальной защиты от пыли нет; обеспечена защита от проникновения твердых тел с максимальным размером в поперечном сечении более 12 мм;
3 - защиты от пыли также нет, но исключена возможность прикосновения к токоведущим элементам твердыми телами с максимальным размером в поперечном сечении более 2,5 мм (например, отверткой);
4 - защиты от пыли нет, исключена возможность прикосновения к токоведущим элементам твердыми телами с максимальным размером в поперечном сечении 1 мм (например, проволокой);
5 - обеспечена защита от попадания пыли на токоведущие элементы и колбы ламп. Полная защита от соприкосновения с токоведущими деталями;
6 - полная защита от попадания пыли во внутренний объем ОП и от соприкосновений с токоведущими деталями.
Вторая цифра в обозначении показывает степень защиты от проникновения воды внутрь светильника. Эта цифра может быть от 0 до 8 и означает:
0 - никакой защиты от попадания воды нет;
1 - в классификации степени защищенности не используется;
2 - обеспечена защита от капель воды, падающих сверху под углом не более 15 градусов к вертикали (каплезащищенные);
3 - защита от капель и брызг, падающих сверху под углом к вертикали до 60 градусов (дождезащищенные);
4 - защита от капель и брызг, попадающих на прибор с любого направления (брызгозащищенные);
5 - защита от водяных струй, падающих с любого направления (струезащищенные);
6 - защита от проникновения воды при непостоянном попадании на светильник больших ее масс (волнозащищенные);
7 - защита от проникновения воды внутрь светильника при погружении его на определенную глубину и заданное время (водонепроницаемые);
8 - защита от проникновения воды при погружении светильника в воду на неограниченное время (герметичные).
На практике, наиболее часто встречаются светильники со степенями защиты:
IP 20 (все светильники для освещения общественных и бытовых помещений, некоторых производственных помещений и спортивных сооружений),
IP 54 (пылезащищенные светильники, уличные светильники),
IP 65 (пылевлагозащищенные светильники для предприятий с тяжелыми условиями, светильники для наружного архитектурно-художественного освещения, уличные светильники). Для получения необходимой степени защиты светильников от пыли и влаги используются прокладки из эластичных материалов.
В таблице приведены наиболее распространенные и часто встречающиеся степени защиты (IP) светильников и осветительных приборов от пыли и влаги и рекомендуемые области применения приборов с такими степенями защиты.
Степень защиты | Защита от пыли | Защита от влаги | Рекомендуемые области применения |
IP20 | Нет | Нет | Большинство административных и жилых помещений. |
IP23 | Нет | Защита от дождя | Промышленные предприятия с нормальной воздушной средой. |
IP40 | Частичная | Нет | Чистые промышленные предприятия. |
IP43 | Частичная | Защита от дождя | Душевые, ванные. Школьные классы. Уличное освещение. |
IP54 | Пылезащищенные | Защита от капель и брызг, падающих под любым углом | Производственные помещения с высокой влажностью. |
IP65 | Пыленепроницаемые | Защита от струй, падающих под любым углом | Промышленные предприятия с тяжелой средой. Наружное освещение, в т.ч. архитектурное. |
Степень защиты IP таблица
Твердые тела | Вода | ||||
Индекс | Степень защиты | Характеристика | Характеристика | Степень защиты | Индекс |
Отсутствие защиты | Отсутствие защиты от случайного контакта и инородных тел | Отсутствие защиты | Отсутствие защиты от влаги | ||
Защита от крупных инородных тел | Защита от контакта с рукой человека на большой площади и защита от крупных твердых инородных тел диаметром >50 мм | Защита от капель воды, падающих вертикально | Защита от капель | ||
Защита от инородных тел среднего размера | Защита от контакта с пальцами руки человека и защита от небольших твердых инородных тел диаметром >12 мм | Защита от капель воды, падающих под углом до15° | Защита от капель | ||
Защита от инородных тел небольшого размера | Защита от инструмента, проводов или подобных им объектов диаметром > 2.5 мм и от небольших инородных тел диаметром > 2.5 мм | Защита от капель воды, падающих под углом до 60° | Защита от брызг | ||
Защита от гранулообразных инородных тел | Защита от инструмента, проводов или подобных им объектов диаметром > 1 мм и от небольших инородных тел диаметром > 1 мм | Защита от воды, льющейся со всех направлений | Защита от брызг | ||
Защита от оседающей пыли | Полная защита от контакта. Защита от внутренних повреждений оборудования вследствие пылевых отложений | Защита от струй воды, льющихся под давлением со всех направлений | Защита от струи | ||
Защита от проникновения пыли | Полная защита от контакта. Защита от проникновения пыли | Защита от кратковременного затопления | Защита от затопления | ||
Защита от временного конденсата | Защита от конденсата | ||||
Защита от воды под давлением (полное погружение) | Полная защита от влаги (герметичность) |
Основные виды светодиодных светильников.
Идея прямой замены ламп накаливания на светодиодные "аналоги" уже давно не воспринимается как фантастическая. "Прямые заменители" на базе светодиодов созданы как для низковольтных галогеновых ламп MR-11 и MR-16, так и для ламп с другими стандартными цоколями Е27 и Е14. Процесс "замены" быстрее всего протекает в "мобильных" приложениях (фонари для разного рода работ, карманные фонарики, велосипедные фары и т. д.) из-за небольшой мощности светодиодов.
Еще более перспективны светодиодные модули – исключительный по гибкости "конструктор" для дизайнера, включающий разнообразные простейшие геометрические формы – линии, кольца, звезды,
прямоугольники. Подобно разноцветным пластиковым модулям LEGO светодиодные модули легко объединяются друг с другом и не менее легко присоединяются к любой поверхности. Если светодиоды открывают новую эру в освещении вообще, светодиодные модули – бесспорно, новая эра светодизайна. Осветительный прибор как автономное устройство перестает быть главным компонентом архитектурного и интерьерного освещения; мы делаем шаг "вглубь", встраивая, интегрируя свет в различные объекты, и получаем совершенно новую степень свободы в формировании световой среды, выходя на фантастический уровень детальности, согласованности, управляемости.
Интереснейшие возможности открывают светодиодные осветители для оптоволоконных систем. Их экспансии явно мешает громоздкость, шумность и ненадежность используемых проекторов. Светодиодные осветители не имеют ни одного из перечисленных недостатков, зато имеют "нетипично" высокий для оптоволоконных систем КПД, а такой недостаток, как невысокий уровень светового потока, похоже, уже начинает терять актуальность.
Пожалуй, самое интересное – это процесс вторжения светодиодных технологий в "традиционное" освещение. Начался он с установок, где не требуется высокий уровень освещенности: дежурное и аварийное освещение, ночное интерьерное освещение, знаки и таблички, "маркировочное" освещение. Насыщенный цвет светодиодных "световых маркеров" позволяет использовать светодиоды для цветового зонирования пространства, создания цветовых акцентов. Сочетание светопрозрачных конструкций (окна, стеновые панели, стеклянная мебель) с гибкими линейными светодиодными модулями позволяет создавать светящиеся и меняющие цвет формы. Применение сверхминиатюрных источников света позволяет создать "альтернативные" яркие световые образы для привычных предметов интерьера. С ростом световой отдачи и удешевлением приборов светодиодная "экспансия" распространяется не только на локальное, но и на общее освещение, в котором лидирующее положение пока занимают традиционные и галогенные лампы накаливания (жилые помещения) и люминесцентные лампы (офисные помещения).
Наиболее остры вопросы обслуживания в наружном освещении, поэтому внедрение светодиодов в архитектурное освещение происходит очень быстро. Заманчивой идеей для архитекторов является применение светодиодных "линий" для создания световых карнизов. Характеристики светодиодных модулей по эксплуатационным параметрам многократно превышают существующие альтернативы, а по стоимости оказываются вполне сравнимыми с ними.
Вырвавшаяся из недр твердого тела энергия света (правильнее сказать, освобожденная выдающимися отечественными и зарубежными учеными) поражает воображение. Можно смело сказать, что найден значительно более "прямой" путь преобразования электроэнергии в свет, чем все существовавшие до сих пор. То, что на светодиоды сделаны крупные ставки, подтверждает факт существования долгосрочной программы финансирования фундаментальных исследований National Lighting Initiative из госбюджета США. Согласно этой программе департамент энергетики правительства США выделяет более млрд. в течение 11 лет. Есть надежда добиться роста эффективности белых светодиодов до 150-200 Лм/Вт в течение ближайших 2 лет. При этом уступить натиску твердотельных источников света придется не только лампам накаливания и люминесцентным, но и газоразрядным. Экономия электроэнергии при этом достигнет невероятной цифры в 1100 тераватт-часов в год.
Светодиодные прожектора и светодиодные светильники получают все большее распространение во всех сферах применения технического света. Область использования светодиодных светильников уже не ограничивается только архитектурным освещением фасадов зданий и подсветкой бассейнов и фонтанов. Светодиодные встраиваемые и подвесные потолочные светильники можно увидеть во внутреннем освещении общественных и коммерческих зданий, уличном освещении, освещении парковок, интерьерном и декоративном освещении. Интерес к использованию светодиодов проявляют сети АЗС (автозаправочных станций).
Особенно актуально применение светодиодных светильников в регионах с дефицитом электроэнергии – районах Крайнего Севера, крупных городах. В Москве, например, уже принята и функционирует программа замены светильников в подъездах жилых домов на светодиодные. Светодиодная технология стремительно развивается, набирает обороты и завоевывает все новые и новые отрасли светотехнического оборудования.
Будущее светодиодных прожекторов и светодиодных светильников видится «радужным», учитывая их технические преимущества в сравнении со светильниками, использующими металогаллогенные, люминесцентные и галогенные лампы и тем более устаревшие лампы накаливания. Оптимизма добавляет активная экспансия китайских производителей светодиодов и светодиодных изделий. Если еще несколько лет назад их никто не воспринимал всерьез, то сейчас их лучшие образцы уже возможно отдаленно сравнивать со светодиодной продукцией ведущих мировых производителей.
Срок службы светодиодов зависит от многочисленных факторов и для светодиодных светильников и прожекторов составляет от 25000 и более часов.
К сожалению, структур, излучающих белый свет, никто еще не придумал. Основой светодиодов дающих белый цвет свечения является структура InGaN, излучающая на самом деле синий цвет. Поверх этой структуры наносится люминофор дающий излучение в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части. Такая комбинация воспринимается человеческим глазом как белый цвет.
Конструкция теплоотвода светодиодов является предметом основных усилий разработчиков светодиодов. Чем лучше устроен теплоотвод, тем дольше и эффективнее будет работать светодиод, тем ярче он будет светить. Светодиоды действительно не производят света путем нагрева нити накала, поэтому не греются подобно лампам накаливания и не разогревают пространство вокруг себя. Это свойство позволяет использовать их в местах, где нагрев нежелателен, например, при подсветке музейных экспонатов, цветов, еды, парфюмерии. Светодиоды выделяют тепло в полупроводниковом переходе и если светодиоды установлены в герметичный корпус, то нагрев становится значительным. Максимальная температура, при которой светодиод выходит из строя примеєрСн.о 100 И если не происходит отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, отчего изменяются характеристики светодиода, и через некоторое время он может выйти из строя. Так что очень важно строго контролировать количество тепла и обеспечивать эффективный теплоотвод. Учитывая вышесказанное, на морозе (при температурах не ниже - 40) светодиоды будут работать эффективнее, т.к. естественное охлаждение за счет низкой температуры окружающей среды позволит сократить негативное влияние нагрева в полупроводниковом переходе.
В итоге можно разделить существующие светодиодные светильники на несколько классов:
- уличные, предназначенные для освещения автомагистралей, внутри дворовых территорий, парков и прочих мест общего пользования,
- общего назначения, предназначенные для общего освещения, пришедшие на смену люминесцентным и лампам накаливания,
- декоративные, небольшой мощности, компактных размеров предназначенные для местной подсветки или акцентировании внимания. Иногда бывают монохромными, многоцветными или RGB.
Люминесцентные светильники 4*18.
Потолочными называют светильники, устанавливаемые на потолок. Потолочные светильники могут встраиваться в потолок (встраиваемые светильники), крепиться к нему при помощи подвесов (подвесные светильники) или устанавливаться непосредственно на потолок (накладные светильники). Способ установки потолочных светильников зависит от типа потолка и концепции освещения объекта. Понятно, что установить на бетонный потолок можно только накладные потолочные светильники или подвесив потолочные светильники на тросах. А вот в подвесной потолок, например, гипсокартонный, потолок типа «Армстронг» или «Грильято» можно и встроить, и закрепить непосредственно на потолок, и подвесить потолочные светильники в зависимости от конструкции. Встраиваемые в потолки типа «Армстронг» потолочные люминесцентные светильники 4х18 («клетки») предназначены для установки в потолки этого типа.
Характеристики светильника TLC418:
Корпус из листовой стали c полимерным покрытием белого цвета;
Растр – зеркальный параболический. Выполнен с применением многослойный технологии, из синтетического материала, выдержанного под высокотемпературным и механическим давлением и нанесенным на него металлическим напылением по технологии PVD (Physical Vapor Deposition);
Конструкция крепления растра в светильнике выполнена таким образом, чтобы максимально экономить время при монтаже и обслуживании светильника, обеспечивая при этом надежность крепления;
Стандартное исполнение: электромагнитные пускорегулирующие аппараты (ПРА), патроны для ламп и стартеров, стартеры, компенсирующий конденсатор.
Светильники выпускаются как с электромагнитными пускорегулирующими аппаратами (ПРА), так и с электронными ПРА (ЭПРА) производства фирмы Philips. Отличие в маркировке - дополнительные буквы EL - например, TLC418EL. Применение ЭПРА позволяет увеличить срок службы ламп до 30%, снизить энергопотребление до 25%, а также существенно улучшить качественные параметры освещения - снизить на порядок пульсации светового потока (отсутствие усталости глаз к концу рабочего дня) и устранить стробоскопический эффект.
Область применения: Представительские офисы; Небольшие офисы; Комнаты для переговоров;
Офисы с открытой планировкой; Вычислительные центры;
Приемные и помещения общественных служб;
Гипер- и супермаркеты, магазины самообслуживания; Универмаги;
Небольшие продуктовые и непродовольственные магазины. Коэффициент Полезного Действия КПД светильника TLC(A)418 - 72% (Измерения значения КПД проводились в комплекте с лампами Philips TL-D18W/33).
Высокая эффективность оптической системы достигается благодаря сочетанию сплошной отражающей поверхности растра, полностью охватывающей лампы и поперечных ламелей из профилированного анодированного алюминия. Полученное светораспределение позволяет размещать светильники с максимальным шагом для получения равномерной освещенности.
Установка: в потолки со стандартным модулем размером 600x600 мм, с видимыми направляющими Т24 или Т15.
Усредненные данные по уровню освещенности для люминесцентного светильника TCL418
Расстояние, метров | Освещенность, люкс |
1 | 700 |
1,5 | 320 |
2 | 195 |
2,5 | 140 |
3 | 105 |
3,5 | 83 |
Достоинства
- Высокая унифицированность в строительной индустрии.
- Простота конструкции.
- Невысокая стоимость.
- Простота в обслуживании.
Недостатки
- Невысокий КПД самого источника света. При световом потоке каждой из ламп в 1100-1300лм, общая световая отдача всего 3000-3300лм от 4 ламп (т.е. 1900 лм светового потока теряется при отражении от растра, корпуса самого светильника).
- - Потребляемая мощность светильника от 90 (для ЭПРА) до 110 Вт (для стартерно-дроссельного варианта).
- - Световой поток лампы существенно снижается в течении всего периода эксплуатации.
- - Необходимость периодической замены ламп и стартеров.
Светодиодный встраиваемый светильник LM 26
Светодиодное освещение становится все более популярным в связи с ростом тарифов и ограничениями в необходимой электроэнергии. Светодиодное освещение имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам светодиодного освещения можно отнести длительный срок службы и низкое потребление электроэнергии светодиодными светильниками. Светодиодное освещение помещений может быть реализовано с применением встраиваемых, накладных или подвесных светодиодных светильников. При этом освещение может быть локальным и выполнять декоративную функцию, либо светодиодные светильники могут использоваться для общего освещения помещений. Стремительное развитие технологии и разумное стремление к энергосбережению дает основания полагать, что светодиодное освещение будет и дальше столь же стремительно завоевывать позиции основного вида современной светотехники.
Светодиодное освещение вчера было перспективой будущего. Сегодня светодиодное освещение становится реальностью настоящего.
Светодиодный светильник LM-26 унифицирован размерами с популярными светильниками размером 595*595мм.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Светодиодный светильник LM-26 и LM-36 предназначен для общего освещения помещений с электропитанием 220 Вольт переменного напряжения.
Светильник укомплектован светодиодным источником света, состоящим из 24 светодиодов.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Размеры, мм: 595 (длина) х 595 (ширина) х80 (высота)
Масса, кг: 2
Класс светильника по способу защиты от электрического тока: 1
Степень защиты: IР20
Климатическое исполнение: УХЛ 4
Количество светодиодов в светильнике: 24
Цветовая температура: 5000-7000К
Рабочее напряжение, В: 220 (от 150В до 260В), при перенапряжении в питающий сети срабатывает внутренняя защита и светильник отключается. Для возобновления работы после перенапряжения светильник необходимо на несколько секунд отключить от питающей сети.
Потребляемый ток, А: 0,13
Потребляемая мощность, Вт: 29,3
Срок службы, часов: 50000 (до снижения яркости светодиодов на 30%).
Данные измерительной лаборатории:
Усредненные данные по уровню освещенности для светодиодного светильника LM-26
Расстояние, метров | Освещенность, люкс |
1 | 985 |
1,5 | 470 |
2 | 290 |
2,5 | 200 |
3 | 150 |
3,5 | 110 |
Сравнение светильников светодиодного LM-26 и люминесцентного TCL418
Сравнительный анализ источников света: люминесцентный светильник 4*18Вт и светодиодные светильники LM-26, LM-36.
Источник света | Светильник люминесцентный 4*18 | Светодиодный светильник LM-26 |
Потребляемая мощность, Вт | 100 | 30 |
Срок службы источника света, часов | 5000-8000 | не менее 50000 до снижения яркости на 30% |
Чувствительность к перепадам напряжения | Высокая: резко снижается срок службы и количество и качество света. | Низкая: достигается использованием блока питания с диапазоном входного напряжения от 150 до 270 В и устройством коррекции мощности. |
Надежность, ремонтопригодность | Невысокая, лампа не всегда стабильна в работе, требуется частая замена стартеров. | Хорошая, светильник не обслуживается в течении всего срока службы, при необходимости можно произвести замену любых элементов светильника. |
Экологичность | Нет, требуется обязательная утилизация, так как в самой колбе лампы есть пары ртути, вредна для здоровья человека | Да |
Сравнительные данные светотехнического расчета:
Параметр для сравнения | Светильник люминесцентный 418 | Светильник светодиодный LM 26 |
Площадь помещения, кв.м. | 24 | 24 |
Высота установки, метров | 3 | 3 |
Освещенность средняя рабочей плоскости (850мм от уровня пола), лк | 492 | 517 |
Освещенность средняя пола, лк | 424 | 443 |
Освещенность средняя стен, лк | 179 | 212 |
Освещенность средняя потолка,лк | 84 | 99 |
Общая потребляемая мощность,Вт | 828 (с ЭПРА) | 261 |
Удельная подсоединенная мощность Вт/кв.м. | 34,5 | 10,88 |
По полученным данным можно сделать вывод, что при одинаковом уровне освещенности потребляемая мощность светодиодных светильников LM-26 меньше в 3,84 раза по сравнению с аналогичным светильником 4х18 с люминесцентными лампами.
Сравнительный анализ затрат при использовании светильников различного типа.
Исходные данные при составлении расчета:
Время работы светильников 16 часов – рабочий день 12 часов и 4 часа – подготовка к открытию и закрытие предприятия.
Режим работы – 365 дней в году.
Стоимость электроэнергии – усредненная – 3,5 рубля за кВт/ч.
Стоимость ламп 18W – 20 рублей при среднем сроке службы 6000 часов, стартеров – 10 рублей при среднем сроке службы 3000 часов.
В затраты на эксплуатацию входят: заработная плата оперативного электроперсонала, заработная плата ИТР и операторов.
Увеличение тарифов на электроэнергию 25% в год.
Увеличение стоимости комплектующих и ЗП персанала – 15% в год.
Для первого года эксплуатации.
Светильник люминесцентный 4*18 ЭПРА | Светильник люминесцентный 4*18 дроссель | Светодиодный светильник LM-30 | |
Потребляемая электрическая мощность, Вт | 92 | 110 | 29,3 |
Расход электроэнергии в год, кВт/ч (при работе светильника по 16 часов в сутки) | 537,28 | 642,40 | 171,11 |
Затраты на электроэнергию (при стоимости 3,5 руб за кВт/ч), рублей | 1880,48 | 2248,40 | 598,89 |
Стоимость светильника, руб. | 800,00 | 500,00 | 4300,00 |
Затраты на замену ламп в год (усредненно материалы без стоимости работ), руб. | 77,87 | 116,80 | 0,00 |
Затраты на обслуживание светильников (работа по замене ламп, стартеров, содержание штата ремонтников и ИТР), рублей | 1752,00 | 2628,00 | 0,00 |
Затраты на утилизацию ламп, рублей | 38,93 | 58,40 | 0,00 |
Ежегодные затраты для работы светильника, рублей | 3749,28 | 5051,60 | 598,89 |
Для второго года эксплуатации.
Светильник люминесцентный 4*18 ЭПРА | Светильник люминесцентный 4*18 дроссель | Светодиодный Светильник LM-30 | |
Потребляемая электрическая мощность, Вт | 92 | 110 | 29,3 |
Расход электроэнергии в год, кВт/ч (при работе светильника по 16 часов в сутки) | 537,28 | 642,40 | 171,11 |
Затраты на электроэнергию (при стоимости 3,5 руб за кВт/ч), рублей | 2350,60 | 2810,50 | 748,62 |
Стоимость светильника, руб. | |||
Затраты на замену ламп в год (усредненно материалы без стоимости работ), руб. | 89,55 | 134,32 | 0,00 |
Затраты на обслуживание светильников (работа по замене ламп, стартеров, содержание штата ремонтников и ИТР), рублей | 2014,80 | 3022,20 | 0,00 |
Затраты на утилизацию ламп, рублей | 58,40 | 87,60 | 0,00 |
Ежегодные затраты для работы светильника, рублей | 4513,35 | 6054,62 | 748,62 |
Для третьего года эксплуатации.
Светильник люминесцентный 4*18 ЭПРА | Светильник люминесцентный 4*18 дроссель | Светодиодный светильник LM-30 | |
Потребляемая электрическая мощность, Вт | 92 | 110 | 29,3 |
Расход электроэнергии в год, кВт/ч (при работе светильника по 16 часов в сутки) | 537,28 | 642,40 | 171,11 |
Затраты на электроэнергию (при стоимости 3,5 руб за кВт/ч), рублей | 2938,25 | 3513,13 | 935,77 |
Стоимость светильника, руб. | |||
Затраты на замену ламп в год (усредненно материалы без стоимости работ), руб. | 102,98 | 154,47 | 0,00 |
Затраты на обслуживание светильников (работа по замене ламп, стартеров, содержание штата ремонтников и ИТР), рублей | 2317,02 | 3475,53 | 0,00 |
Затраты на утилизацию ламп, рублей | 67,16 | 100,74 | 0,00 |
Ежегодные затраты для работы светильника, рублей | 5425,41 | 7243,86 | 935,77 |
Сводные данные по затратам в течение первых трех лет.
Время, лет | Светильник люминесцентный 4*18 ЭПРА | Светильник люминесцентный 4*18 дроссель | Светодиодный светильник LM-26 | |
Первоначальные затраты, рублей | 0 | 800,00 | 500,00 | 2300,00 |
общие затраты (с эксплуатационные затраты) за один год, рублей | 1 | 4549,28 | 5551,60 | 2898,89 |
Эксплуатационные затраты за два года, рублей | 2 | 9062,63 | 11606,22 | 3647,51 |
Эксплуатационные затраты за три года, рублей | 3 | 14488,04 | 18850,08 | 4583,28 |
Сводная диаграмма затрат эксплуатации светильников.
На основании полученных расчетов можно сделать вывод, что окупаемость светодиодного светильника LM-26 по отношению к светильнику с ПРА составляет 8-14 месяцев, а по отношению к светильнику с дросселем – менее 11 месяцев, при одновременном снижении единовременно потребляемой мощности более чем в 4 раза.
- Комментарии