История создания и использования светодиодов, их преимущества
Недостатки светодиодных лампочек настолько незначительны, что легко отбросить в сторону. Люминесценция замечена сотрудником лаборатории Маркнони в 1907 году, когда он оснастил кристаллический детектор небольшим образцом карбида кремния. Независимо в 1923 году наш соотечественник Лосев проделал подобное, но не осознал значимости опыта. Стало понятно, что отныне становится возможным создание малогабаритных, низковольтных источников света, обходящихся без вакуумной трубки. Будущих прототипов современных светодиодных лампочек.
Любопытно, что понятие p-n перехода отсутствовало, объяснений эффекту дать не сумели. Лосев в 1927 году получил ряд патентов, успешно забытых. А отцом современных светодиодов с 1962 года поныне считается Полоньяк, первым представивший на суд публики полупроводниковый прибор, излучающий в видимом диапазоне. Посмотрим, что происходит с точки зрения обывателя:
Светодиодная лампа
Излучение на стыке полупроводников светодиодной лампочки происходит за счёт наличия подходящих по уровню переходов состояний электронов. Энергия равна кванту света.
Недавно светодиоды массового применения не находили, не удавалось создать достаточно чёткую кристаллическую решётку для реализации преимуществ, заложенных в идее. Но! В начале 2000-х годов ведущие страны мира приняли концепцию о развитии нанотехнологий и создании элементной базы нового поколения. Вкратце, было обещано, что КПД приборов резко возрастёт, а когерентность излучения станет приемлемой для конструирования лазеров на основе перспективных светодиодов. Когда истекли сроки программы, рынок наводнился новым продуктом – светодиодными энергосберегающими лампами.
Лазеры упоминаются не случайно, излучение требуется получить исключительно в видимом спектре. Причина в ширине спектра полосы излучения. Лампочки накала активно работают и в инфракрасном. Таким образом, гора энергии превращается в бесполезное, порой вредное, тепло. Со светодиодами иначе – жёстко заданная частота генерируется по объёму полупроводникового перехода, при аналогичной светимости расход энергии падает на порядок.
Спектр излучения светодиодов возможно гибко подстраивать.
Лампочка накала за счёт повышения температуры спирали имеет тёплый оттенок, дальнейший рост вызовет увеличение количества отказов. В случае со светодиодами иначе. Частота волн (цвет свечения) зависит от структуры полупроводников. Поэтому без ухудшения условий эксплуатации удаётся получить холодные тона. Тёплые тона создают атмосферу уюта, в подобной обстановке отлично засыпается. Она хороша в конце рабочего дня. Если требуется напрячься, лучше использовать холодные дневные тона.
Это небезобидно, применение ламп накаливания днём способно сбить суточные часы человека. Днём станет клонить в сон, а вечером – трудности с засыпанием. Что касается светодиодов, применяя в плафоне разные оттенки удастся первой клавишей создавать «день», второй «ночь». Имеются лампы, где регулятором теплота оттенков подстраивается. К примеру, внутренней коммутацией элементов с разной температурой свечения.
Спектр свечений
Не все электроны, проходящие p-n переход, вызывают свечение.
Некоторые провоцируют разогрев или следуют далее, не совершая работы. Это обусловливает КПД. Со светодиодами гораздо удобнее пользоваться отношением лм/Вт. Оно показывает, какой световой поток создаёт 1 Вт мощности лампы. Параметр несложно посчитать самостоятельно прямо в магазине.
К примеру, светодиодная лампочка Paulmann 28209 имеет мощность 6,5 Вт и светимость 470 лм (для сравнения лампа накаливания мощностью 60 Вт даёт 710 лм, а 40 Вт – 420 лм). Делим и получаем КПД = 470/6,5 = 72,3 лм/Вт. Идём на англоязычный домен Википедии и обнаруживаем типичные цифры: для красных светодиодов – 72 лм/Вт, для зелёных – 93, для синих – 37, для голубых – 75. При этом стандартный КПД в процентах не превышает сорока пяти, хотя уже созданы устройства на 60%. По питанию 6,5 Вт диодной лампы эквивалентны 45 Вт нити накала. Это значит, что ежечасно экономится 40 Втч или 1 кВтч за сутки непрерывного свечения.
При тарифе 4 рубля светодиодная лампа окупится через 500 часов работы (при стоимости 2000 рублей). Это 60 трудодней. Продавцы обещают, что лампочка проработает 30000 часов, выдают гарантию. Оценивайте выгоду самостоятельно.
Получается, что плафон греется меньше, в комнате прохладнее, оттенок вправе выбрать и не беспокоиться о постоянной замене. Светодиодная лампа не боится встряхивания, как нить накала. Цены приемлемые. По оттенкам: уже сказали, для спальни нужны тёплые, для рабочего кабинета холодные.
Подбор мощности
Грубо говоря, мощность лампы – это то, как она освещает помещение. Но не нужно выбирать чересчур мощные изделия – это ни к чему. Оно будет потреблять чересчур много энергии, давая избыточный свет, который раздражает глаза. Правильнее всего приобретать светильники, деля имеющуюся мощность на 5. К примеру, вы используете для освещения комнаты лампу накаливания 75 Вт. Делим 75/5 и получаем, что вам нужна мощность не более 15 Вт (а, скорее всего, подойдет и 12 Вт).
Освещение комнаты можно измерить в Люменах. Мы составили для вас табличку, которая позволит оценить мощность различных видов ламп при одинаковом световом потоке:
| Накаливания | Люминесцент | Светодиод | Световой поток |
| 25 | 16 | 5 | 250 |
| 40 | 23 | 7-8 | 400 |
| 60 | 30 | 11 | 600 |
| 75 | 35 | 15 | 850-900 |
Экономия электроэнергии при замене действительно серьезная – минимум в 4-5 раз. Для небольших комнат в 12-14 метров квадратных хватает 8-ваттных светильников, для крупных – 15-ваттных. Пары 15-ваттных ламп достаточно, чтобы качественно осветить комнату в 35-40 квадратных метров, тогда как классических “колб” вам понадобится 4-5.
При выборе светодиодной лампочки для дома обязательно учитывайте, от какого напряжения они работают. Их можно разделить на два вида: работающие от 12 вольт и от стандартной электросети на 220 вольт.
Устройства, работающие от 12 вольт, обычно используют в помещениях с высокой влажностью. Их применяют в ванной комнате, туалете, банях, на улице (в случае, если светильник негерметичен и он может оказаться в зоне поражения человека). Для подобных устройств необходимы специальные трансформаторы, удорожающие систему освещения. Не нужно думать, что если светильник работает от малого напряжения, то он потребляет меньше энергии – это не так. Суммарно он будет “есть” больше, за счет питания трансформатора. Поэтому, если вы задумываетесь о том, какие светодиодные лампы лучше, то для обычных комнат приобретайте устройства на 220 вольт, работающие напрямую от электросети. Для влажных помещений из соображений безопасности правильнее выбрать 12-вольтовые устройства, подключив их через трансформатор.
Лампы могут иметь различную форму и цоколь
Сравнение ламп накаливания и светодиодных ламп
Когда на рынке появилось такое освещение, потребители стали задумываться, какие лучше, и чем они отличаются? Чтобы ответить на этот вопрос необходимо провести сравнение ламп накаливания и светодиодных ламп. Их можно выделять по следующим критериям:
· Первый критерий сравнения – это мощность и светоотдача, у ламп накаливания светоотдача происходит при 8-10 Вт. А у светодиодных светильников она намного выше и осуществляется при 77Вт, но бывают модели, у которых показатели намного выше. Соответствие мощности светодиодных ламп лампам накаливания показывается специальными расчетами и таблицами, и благодаря ним становится видно, диоды не такие мощные, но при этом они намного качественней и свет от них ярче;
· Второй такой же важный критерий, это теплоотдача
Если брать во внимание критерии безопасности, тогда можно сказать, что при использовании ламп накаливания, колба достаточно сильно нагревается, а это не безопасно. А вот светодиоды успели себя зарекомендовать намного лучше, и максимальный нагрев составляет 50 градусов;
· А срок службы выступает главным показателем сравнение ламп накаливания и светодиодных ламп. Светодиоды смогут проработать свыше 50000 часов, а обычные лампочки всего 1000, а это в 50 раз меньше. Поэтому лучше купить один раз лампочку дороже, чем постоянно менять обычные модели;
· Коэффициент полезного действия, также нужно брать во внимание при покупке. У светодиодов процент КПД составляет около 90, это достаточно мощный показатель, по сравнению со стандартными лампами
Они способны почти в семь раз экономить электроэнергию;
· Безопасность, также в большей мере влияет на выбор, ведь при использовании люминесцентных ламп не стоит забывать, что они содержат ртуть и от них происходит вредные испарения, и они требуют специальной утилизации. А светодиоды совершенно безопасны для человеческого здоровья, и не содержат вредных примесей.
Конечно, стоимость светодиодных ламп выше, чем у альтернативы, но они смогут прослужить намного дольше и счета за электроэнергию будут ниже.
Общие сведения
30 лет назад был изобретён первый светодиод синего цвета свечения. Он давал тусклый холодный свет, не пригодный для освещения. Благодаря разработкам ученых, теперь светодиодное оборудование используется в различных сферах хозяйства.
Светодиодная лампа выгодно отличается от других источников света:
- устойчивостью к перепадам температуры;
- высокой светоотдачей;
- не моргают при перепадах напряжения;
- долго служат;
- экономичны;
- простые в использовании и подключении;
- прочные;
- очень лёгкие.
LED-светильники не имеют аналогов по энергетической эффективности и по экологической безопасности. Несмотря на различные виды по исполнению, в общем устройство диодных осветительных приборов одинаково.
Распространенные разновидности изделий
В отличие от других
видов ламп при изготовлении светодиодных моделей нет строгих ограничений по
форме и размеру колбы. Поэтому и существует такое огромное разнообразие их типов по этим параметрам,
среди которых наиболее популярными все же выделяются следующие три:
- Груша. Большинство led-лампочек изготавливается именно в такой модификации, так как напоминают по внешнему виду всем привычную и еще не вышедшую из обихода стандартную лампу накала. Угол распространения светового потока варьируется от 180 до 360 градусов. Это позволяет применять их в любых люстрах, плафонах, фонарях и прочих светильниках для дома или офиса с возможностью вкручивания цоколем вперед.
- Свеча. Благодаря компактности и рассеиванию излучения светоисточники подобного вида устанавливаются в небольшие светильники, ночники, торшеры, настольные лампы. Небольшие размеры не позволяют оснащать их мощными лед-элементами, и потому их светимость, как правило, не превышает 500-600 лм.
- Кукуруза. Цилиндрическая колба с равномерно распределенными лэд-кристаллами по ее внутренней поверхности, позволяющая создавать широкое светорассеивание излучения до 300, – главная особенность строения этого вида светодиодных ламп. Используется преимущественно в горизонтальных и точечных светильниках с затеняющими плафонами.
Кроме того, по
назначению светодиодные лампы чаще всего распространены в трех основных видах:
- Общего
использования. Характеризуются широким диапазоном угла рассеивания – от 20
до360 градусов, применяются в жилых и общественных помещениях. - Узконаправленного
светового потока. Блок светильника включает от одного до нескольких диодов.
Применяется в приборах освещения для специализированной интерьерной или внешней
подсветки – для выделения конкретной области. - Линейные
светоисточники. Светодиодные элементы помещены в лампу-трубку. Среди их главных
характеристик – экономичность, возможность работать от сети с низким
напряжением, пожаробезопасность, герметичность и влагозащищенность.
Характеризуются широкой сферой применения.
Немного истории
Чтобы Вы поняли разницу появления обеих вариантов, а соответственно и разницу в том, какой был научно-технический прогресс, представим следующие факты сравнения ламп накаливания и светодиодных по дате изобретения:
- Первый источник света (с вольфрамовой нитью) был запатентован в 1890-х годах российским инженером Александром Николаевичем Лодыгиным. В то же время первой попыткой можно считать изобретение 11 июля 1874 года – нитевая лампа.
- Что касается светодиода, первый, свечение которого было видимым, изобрели в 1962 году. Человек, который придумал LED освещение – Ник Холоньяк, американский ученый.
Как Вы видите, даже если сравнить дату изобретения альтернативных вариантов, можно увидеть огромнейшую разницу практически в столетие. Тем не менее, старейшая лампочка до сих пор «бьется за место под Солнцем», что является ее огромным плюсом.
Основные характеристики
Выбирая светодиодные
осветительные приборы важно знать технические и оптические характеристики:
напряжение, ток, мощность, светоотдачу, температуру свечения, угол рассеивания,
размеры и срок службы. https://www.youtube.com/embed/o9d0U3UjjUo
Ток потребления светодиода
Стандартный светодиодный кристалл работает на токе 20 мА. Если в чипе несколько кристаллов, эта цифра умножается на 2,3,4. Определить точное значение необходимо при выборе резистора, так как существуют модули, потребляющие ток до 1 А.
От величины тока зависит стабильность
работы осветительного прибора. Интенсивность излучения снижается при малейшем
отклонении вниз, одновременно снижается температура света и появляется синий
оттенок в потоке.
Все осветительные приборы подключаются
через резистор, обеспечивающий требуемый уровень тока. При подключении одного
светодиода блок можно заменить резистором. Сопротивление зависит от
характеристик источника света.
Номинальное напряжение
Напряжение, необходимое кристаллу в SMD
или DIP,
зависит от его цвета и варьирует в пределах 1,8-3,5 В. Самое низкое напряжение
требуется для источников, излучающих желтый и красный цвет (1,8-2,4 В). Для
работы белых, синих и зеленых чипов требуется 3-3,5 В. Сколько вольт требуется
осветительному прибору, зависит от количества чипов. Обычно это 2-12 В для
маломощных изделий и 12-36 В для мощных ламп и прожекторов.
Значение этого параметра особенно важно при параллельном подключении, так как при отклонении всего на 0,1 В ток повышается в 1,5 раз, источник света выходит из строя
Сопротивление
Сопротивление светодиода меняется в
зависимости от типа подключения (величины тока и напряжения).
Согласно закону Ома, сопротивление равно соотношению напряжения к току. Сразу после подключения к источнику питания сопротивление большое, после открытия p-n перехода снижается благодаря снижению напряжения и росту тока. При протекании электротока в обратном направлении сопротивление очень высокое, так как диоды проводят электричество только в одном направлении.
Светоотдача и угол свечения
Светодиод DIP
c диаметром 5 мм излучает
поток в 1-5 лм, мощная лампа – до 350 лм. Свет более яркий в центре,
по краям угла рассеивания яркость снижается. Площадь освещенности увеличивается
при помощи линз. Угол рассеивания зависит от формы диода, варьирует в пределах
20-120 градусов.
Мощность светодиодных ламп
Мощность
светодиода определяется
умножением тока на падение напряжения. Например, для СМД 5050 ток 0,06 А,
падение напряжения для белого кристалла 3,3В, мощность 0,06*3,3 = 0,198 Вт.
При замене лампы накаливания на светодиодную используется простой расчет. Мощность «лампочки Ильича» делится на 8. Например, для замены источника на 100 Вт требуется светодиодный прибор на 100/8 = 12,5 Вт. Но такой расчет подходит только при покупке качественного источника света.
Цветовая температура
Температура обеспечивает комфортность
восприятия света, излучаемого конкретным прибором. В маркировке этот параметр
обозначается как 4 цифры и буква «К».
Цвет светодиодов лампах:
- 1800
К (красный) – декоративная подсвета, подсветка растений; - 2700-330
(желтый) – подсветка интерьеров; - 30000-3500
К (теплый белый) – для замены ламп накаливания в жилых и офисных помещениях; - 3500-5300
К (дневной) – для освещения рабочих мест на производстве; - От
5300 (холодный белый) – для уличного освещения; - 6000-7000
К (синий) – подсветка растений.
Размер чипа Led элемента
Измерить светодиод при покупке нельзя,
можно определить количество кристаллов, если нет люминофора. Размеры SMD
указываются в маркировке. Первые 2 цифры – длина чипа, последние – ширина.
Ток определяется не по размеру чипа, а по размеру кристалла.
В квадратных моделях обычные кристаллы 30mil
или 45mil с мощностью 1 или 2 Вт. В диодах с мощность 10-100 Вт кристаллы 24
milх24mil, 24 milх44mil либо 44 milх44mil. В маломощных изделиях может быть
несколько элементов различных размеров, соединенных параллельно или
последовательно.
