Светодиоды современные источники света

Современные искусственные источники света

Д. Д. Юшков, канд. техн. наук, ученый секретарь Всероссийского светотехнического института им. С. И. Вавилова (ВНИСИ)

Сегодня на рынок активно продвигаются энергоэффективные полупроводниковые источники света – светодиоды. Однако в большом количестве осветительных приборов до сих пор широко используются лампы накаливания. Разберемся, какие вообще на сегодняшний день существуют искусственные источники света и какова их энергоэффективность, а значит, и перспектива дальнейшего использования.

Лампы накаливания

Лампы накаливания – это тепловые источники света. На сегодняшний день эффективные лампы накаливания – это галогенные лампы, в которых используется буферный газ в виде паров галогенов. Пары галогена в колбе лампы позволяют увеличить ее ресурс до 2 тыс. ч и более и повысить световую отдачу до 20–24 лм/Вт 1 .

Предпринимались неоднократные попытки повысить эффективность ламп накаливания, например создать лампу накаливания, в которой часть длинноволнового ИК-излучения преобразовывалась бы в более коротковолновое видимое излучение с помощью так называемых антистоксовых люминофоров 2 .

Кроме того, предлагались интерференционные покрытия на колбу лампы, которые возвращают тепловую энергию на нить накаливания, подогревая ее. Таким образом, для нагрева нити требуется меньше электрической энергии.

Сейчас пытаются использовать в лампах накаливания новые технологии, в том числе нанотехнологии, которые позволяют эффективно выделить из теплового излучения лампы видимый диапазон, который воспринимается человеческим глазом. Применение таких технологий позволяет уменьшить тепловые потери и, соответственно, повысить эффективность лампы накаливания. Специалисты говорят о трехкратном повышении световой отдачи.

Если удастся создать лампу со световой отдачей более 60 лм/Вт при тех же достоинствах, которыми отличаются современные лампы накаливания: спектр излучения, привычный для человека, отсутствие пульсаций и приемлемая стоимость,– это будет хороший и эффективный источник света. «Хоронить» лампу накаливания неэтично, неправильно.

Разрядные источники света

Лампы с электродами

Разрядные источники света делятся на две большие группы. Это лампы высокого давления и лампы низкого давления. Обычно они имеют два электрода для введения энергии в разряд, а для включения их в сеть требуется пускорегулирующий аппарат.

Лампы низкого давления наиболее широко представлены трубчатыми люминесцентными лампами различной объемной конфигурации. Это могут быть линейные лампы или сложно изогнутые конструкции. Принцип их действия таков: электрический разряд в насыщенных парах ртути с инертным газом создает ультрафиолетовое излучение, которое трансформируется люминофором в свет видимого диапазона. Световая отдача люминесцентных ламп от 60 до 115 лм/Вт.

В лампах высокого давления используются разные виды заполнения колбы. Например, в металлогалогенных лампах (МГЛ) это смесь паров ртути, инертных газов и галогенидов металлов, состав которых и определяет спектр лампы. Наиболее высокими параметрами обладают лампы с керамическими горелками, их световая отдача превышает 100 лм/Вт при хорошей цветопередаче. В натриевых лампах, главными областями применения которых являются освещение дорог и растениеводство, используется амальгама натрия. Световая отдача превышает 130 лм/Вт, и на сегодня это самое высокое значение среди разрядных ламп.

Безэлектродные лампы

Наряду с упомянутыми выше разрядными лампами, в последнее время расширяется класс безэлектродных ламп. Необходимо сразу пояснить: безэлектродность – это просто другой способ ввода электрической энергии в объем разрядной колбы ламп. Соответственно, существуют безэлектродные лампы как низкого, так и высокого давления. Главным преимуществом этих ламп является отсутствие вакуумноплотных вводов в колбу, распыления электродов при работе, и особенно при зажигании, и, как следствие, больший срок службы по сравнению с аналогичными электродными лампами.

Для передачи мощности в объем разрядной колбы в лампах высокого давления используются более высокие частоты, низкого давления – переменное напряжение более низких частот. Это связано как со свойствами электромагнитного поля, так и с условиями, которые нужно создать в разрядной колбе. Низкая частота в данном случае – это десятки и сотни килогерц, вплоть до 10 МГц. Для ламп высокого давления эта цифра достигает порядка 1000 МГц. Это частоты сантиметрового СВЧ-диапазона, то есть длина волны соизмерима с размером разрядной колбы.

Люминесцентные безэлектродные лампы состоят из колбы тороидальной или подобной ей замкнутой формы, разряд в которой представляет собой вторичный виток высокочастотного трансформатора – индуктора (иногда их называют индукционными лампами). Существуют лампы, имеющие шарообразную колбу 3 , принцип их действия такой же. На колбу лампы нанесен люминофор, наполнение вполне традиционное – ртуть или ее амальгама с инертным газом. Частота питания «низкая», световая отдача более 80 лм/Вт при сроке службы выше 35 тыс. часов.

Плазменные лампы имеются двух типов. Один из них – «высокочастотная» безэлектродная МГЛ с кварцевой колбой, ее мощность до 250 Вт. Это компактная полупроводниковая СВЧ-техника, ее световая отдача до 130 лм/Вт. Срок службы таких ламп может составлять свыше 20 тыс.ч.

Ко второму типу относятся плазменные лампы, имеющие спектр излучения, близкий к солнечному. Мощность ламп от 500 Вт до нескольких киловатт. Применяются они, как правило, для освещения больших пространств. СВЧ-излучение большой мощности генерируют магнетроны. Ресурс магнетронного генератора определяет срок службы этой системы; один из производителей указывает значение 10 тыс. ч 4 .

Потенциал срока службы безэлектродных ламп во многом определяется ресурсом радиоэлектронных компонентов.

Светодиоды

Один из самых перспективных и динамично развивающихся сейчас источников искусственного света – это светодиоды, полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающие оптическое излучение при пропускании через них тока в прямом направлении. Быстрое развитие и применение светодиодов для освещения началось с конца 1990-х годов, после разработки относительно дешевых синих светодиодов. Сочетание таких светодиодов с люминофором позволило создать компактный белый источник света. Главные их достоинства – высокая эффективность и механическая прочность, длительный срок службы. Световая отдача коммерческих изделий достигает 130 лм/Вт при сроке службы более 30 тыс.ч. С применением светодиодов созданы конструкции ламп-ретрофитов, повторяющих по внешнему виду лампы накаливания и предназначенных для их прямой замены в диапазоне мощности 5 до 75 Вт.

Основные области применение светодиодной техники – это наружное и архитектурное освещение, административные здания и крупные предприятия. Сегодня главным ограничивающим фактором более широкого применения полупроводниковых источников света является их высокая стоимость.

1 Каталог. Источники света 2013–2014. Osram.

2 Согласно эмпирическому правилу Стокса – Ломмеля, длина волны фотолюминесценции больше, чем длина волны возбуждающего света. Однако существуют так называемые антистоксовые люминофоры, излучающие более коротковолновое излучение, чем падающее. С помощью антистоксовых люминофоров можно преобразовывать инфракрасное излучение в видимый свет.

3 Каталог. Источники света. Philips.

4 Каталог. GE Electronics. Группа светотехники.

5 Каталоги: Источники света 2013–2014. Osram и Источники света. Philips.

Источник

Светодиодные источники света

Отличительным элементом светодиодных ламп является наличие ребристой части — теплоотводящего радиатора.

LED-лампы (light emitting diods), или светодиоды, являются наиболее перспективными световыми источниками на данный момент времени и имеют реальный шанс стать лидерами на рынке ламп и осветительных устройств. Изобретены они были для применения в электронике в качестве индикаторов и датчиков, затем стали широко применяться в сигнализационной аппаратуре (указатели, светофоры, дорожные фонари). Со временем технология светодиодов начала активно использоваться и в декоративном комнатном освещении. Наиболее привлекательны и перспективны в данное время именно они.

В чем же их особенность, и что позволяет им лидировать по всем показателям

1. Высокая экономичность. Светодиоды функционируют от низкого напряжения и, в связи с этим, расходуют крайне незначительное количество электроэнергии, мало того, в отличие от вышеперечисленных источников света, они превращают практически всю потребляемую электроэнергию в свет, что сокращает расход электричества на 75 процентов.
2. Продолжительный срок работы. Светодиоды способны проработать 35 лет при условии использования ламп восемь часов в сутки, что в сумме составит общую продолжительность работы – 100 000 часов. Обычная галогенная лампа проработает лишь 2000 часов, имея мощность 10 Вт.
3. Повышенная прочность и устойчивость к повреждениям. В светодиодах отсутствуют элементы, которые легко повреждаются, в отличие от других типов ламп (пружина, контакты, закрепители, электроды, реле), поэтому они обладают повышенной прочностью и более устойчивы к повреждениям извне.

Продукция

Накладной стеклянный светильник IP20, 40-55 Вт

Потолочный светодиодный светильник IP20, 21-43 Вт

Накладной стеклянный светильник IP20

Потолочный светодиодный светильник типа Monopoint IP20, 7 Вт

Мы поможем подобрать светильники на ваш объект

1. Отсутствие у светодиодов вредных излучений (ультрафиолета и инфракрасного излучения), что дает возможность использовать осветительные приборы на светодиодах в любых помещениях, не опасаясь за здоровье, а также применять эти лампы для подсветки различных экспозиций.
2. Большой выбор оттенков цвета. В светодиодах используется специфическая система смешения цветов за счет монтирования в корпус комплекта разных диодов, это позволяет получить свет любого оттенка и расширяет сферу использования светодиодов.

Кроме перечисленного светодиоды дополнительно имеют ряд преимуществ перед остальными световыми источниками. К примеру, компактность – позволяет необычайно широко использовать эти лампы. Лампы можно объединять в одну форму в любом количестве, в зависимости от количества использованных диодов, такие лампы могут использоваться для освещения территорий разных размеров.

Светодиоды обладают точной направленностью светового луча, что облегчает регулирование направленности света, также этот вид ламп имеет широкие возможности для управления интенсивностью освещения и цветовыми гаммами с помощью дополнительной аппаратуры. Главным и, наверное, единственным недостатком современных светодиодов является их относительно высокая цена по сравнению с традиционными осветительными приборами, однако в данном случае качество и дальнейшая экономия на электричестве полностью оправдывает затраченную сумму.

В итоге можно сказать, что первоочередной задачей оформителя, занимающегося проектом освещения, является скрупулезный выбор параметров освещения, светильников и ламп для обеспечения необходимого уровня света на объекте и сохранения хорошей цветопередачи.

Светодиодные источники света – излучающие диоды, являются элементом светодиодной лампы или светодиодного светильника. Осветительные приборы не нуждаются в замене источника света, поскольку конструктивно обеспечена длительность его эксплуатации.

Источник

Светодиоды – современные источники света

Описание презентации по отдельным слайдам:

Светодиоды – современные источники света
Автор: Магкоев Таймураз,
РЦДТТ, СОШ № 26, 7 класс

Задача работы – изучить теоретический материал, посвящённый принципам действия светодиодов, а также изготовить приборы со светодиодами. Данная тема на сегодняшний день очень актуальна, так как вопросы энергосбережения давно вышли на первый план в экономике любой страны мира. Люминесцентные лампы и светодиоды начали вытеснять лампы накаливания. Но приоритет в дальнейшем должен быть за светодиодами, не смотря на их сегодняшнюю относительную дороговизну ( если не учитывать очень большой срок службы светодиодов).
Новизной данной работы стали авторские модели двух фонарей: автоматического аварийного освещения, включаемого с помощью фоторезистора и инфракрасного, позволяющего создать изображение предмета в невидимых лучах с их последующей фиксацией электронной аппаратурой, а также светодиодной лампы.

Теоретическая часть работы
Изучение вопросов:
«Электрический ток в полупроводниках»,
«Почему светодиод излучает ?»

Образование парноэлектронных (ковалентных связей) между 4-х валентными атомами
Движение электронов
+4
+4
+4
+4
+4

Собственная проводимость (электронная и дырочная)
Разрыв связей: появление свободных носителей заряда
+4
+4
+4
+4
+4
+
+

Равновесное состояние
В единицу времени кол-во разорвавшихся связей = кол-ву восстановившихся
+4
+4
+4
+4
+4
+
+
+
+
+
+
+
Свободные
+
+
+
Связанные

Процесс рекомбинации электронов и дырок в светоизлучающем диоде

Контакт двух полупроводников — р-n переход
При данном подключении к источнику тока электроны и дырки устремляются к р-n – переходу, где будет происходить рекомбинация с излучением фотонов

Донорная примесь
5-тый валентный электрон слабо связан с атомом

Полупроводник р-типа (positivе)
Акцепторная примесь (3-хвалентный In – индий)

Образцы светодиодных источников света
Блок электронного управления светодиодной лампой. То есть такую лампу можно применить в «умном доме»

Сравнение ламп накаливания, люминесцентной и светодиодной

Проведение экспериментов со светодиодами. Снятие вольт-амперных характеристик

Использование цифровых измерительных приборов

БЛОК-СХЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО СВЕТОДИОДНОГО ФОНАРЯ (с датчиком уровня освещённости)

Электрическая схема самодельной светодиодной лампы
470мкФ х 16 В
220В

Заключение
Светодиоды — это не дань моде, а уже насущная необходимость цивилизации, озабоченной вопросами энергоэффективности и энергосбережения. С этой точки зрения у светодиодных источников света, исходя их технических характеристик, большое будущее, а применение контроллеров даёт возможность добавить в лампы сервисные функции. Лампы будут включать по радиоканалу или с помощью инфракрасного пульта управления. Можно будет осуществлять управление лампой от встроенных в неё датчиков звука, освещённости, движения.
В рамках выбранной темы есть возможность успешно продолжать изготовление новых приборов на светодиодах. А уже изготовленные, автоматический светодиодный фонарь с датчиком уровня освещённости, инфракрасный излучатель и светодиодная лампа понадобятся в следующих сериях экспериментов и как световые устройства с определёнными свойствами и параметрами, и как пробные варианты для создания других приборов.

Источник