Светодиодные источники света

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Эволюция светодиодов -- от индикаторов до источников света

Преимущества и недостатки светодиода

Область применения

Источники света: сравнительный анализ

Сравнение с лампами накаливания и люминесцентными лампами

Изменение цен на светодиоды

Заключение

Список использованной литературы

Введение

светодиод лампа накаливание люминесцентный

Проблема освещения является, наверное, одной из самых старых проблем человека. Привычное существование современного общества без использования искусственного освещения невозможно. Люди используют освещение на работе и дома, освещение требуется на улицах, в производственных и учебных помещениях, в магазинах, кино и театрах, кафе и ресторанах и в других общественных местах.

Осветительные приборы и используемые в них источники света постоянно совершенствуются по мере развития науки и техники. Одной из основных целей данного развития, несомненно, является увеличение светового потока источника света, то есть величины, характеризующей мощность его оптического излучения, воспринимаемую человеческим глазом.

Второй целью развития источников света можно назвать снижение потребляемой ими электрической мощности и, как следствие, экономию потребляемой электрической энергии при эксплуатации светотехнических устройств с данными источниками света.

В последние годы проблема экономии электроэнергии приобретает особую актуальность из-за растущего достаточно быстрыми темпами спроса на электроэнергию во всём мире и ожидаемого дальнейшего увеличения её потребления, вызванного интенсивным развитием производства, транспорта, строительства и т.д.

Исходя из этих целей, ищутся новые решения, на общем фоне которых наибольший интерес в настоящее время проявляется к теме применения светодиодов в качестве источников света для светотехнических систем и установок. О светодиодах много говорится, об их особенностях и преимуществах написано большое количество статей, постоянно ведутся дискуссии о возможностях и перспективах их применения в качестве замены ламповым источникам света.

Области применения светодиодов существенно расширились. Если до недавнего времени светодиоды ассоциировались в основном с индикацией в электронных приборах, то сейчас они уже широко используются на транспорте, где устанавливаются в светофоры, дорожные знаки, на панели управления в кабинах и салонах транспортных средств, в автомобильной промышленности, где весьма успешно они «прижились» в габаритных фонарях и фонарях сигнала торможения, и во многих других отраслях. Светодиоды также проникли и в системы освещения, но применение их в этой области пока остаётся относительно новым направлением.

Необходимо отметить, что чёткого понимания возможностей применения светодиодов на сегодняшний день до конца не сложилось. Поэтому движение на рынке светодиодных решений скорее напоминает броуновское, то есть хаотическое, чем поступательное.

Эволюция светодиодов -- от индикаторов до источников света

Ни один из источников освещения не может "похвастаться" такой колоритной историей, широким спектром применения и стремительным развитием технологии как светодиоды.

Первые светодиоды появились в 1962 году, а в 1968 -- первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto и первый дисплей от Hewlett-Packard. Световой поток их был слабым, всего 0,001 лм и цвет -- только красный.

К 1976 году были получены оранжевые, желтые и желто-зеленые светодиоды, яркие настолько, что их можно было разглядеть и при солнечном свете. До 1985 года они использовались исключительно в качестве индикаторов, со световым потоком всего лишь 0,1лм на одну точку.

С 1985 года их световой поток увеличился до 1-100 лм, и они уже стали применяться в качестве отдельных световых элементов, таких, например, как лампы в автомобилях.

В 1990 году светоотдача полупроводников достигла уже 10 лм/Вт, что позволило им стать адекватной заменой лампам накаливания.

Получение светодиодов со все большей световой эффективностью становится возможным за счет поиска и использования новых материалов с большей светоотдачей и цветовым спектром. Первым появились светодиоды (GaAlInP) с цветами от красного до желто-зеленого и светоотдачей 20 лм/Вт.

В 1993 году японская корпорация Nichia объявила об открытии высокоэффективного материала голубого цвета -- нитрида галлия (GaN). Это означало, что теперь светодиоды освоили практически весь видимый цветовой спектр. Это существенно расширяло области их применения и делало возможным создание белого света путем комбинирования красных, зеленых и голубых светодиодов.

Для того, чтобы осуществить прорыв на рынок общего освещения, требующего от источников световой поток порядка 1000 лм и выше, необходимо добиться дополнительного увеличения световой эффективности зеленых, и, особенно, синих светодиодов. Строить прогноз для эффективности белых светодиодов довольно сложно. Когда она достигнет уровня 50 лм/Вт, светодиоды уже могут считаться реальной заменой ламп накаливания и галогенных, но еще рано говорить о люминесцентных лампах и лампах высокой интенсивности (HID). Если же продолжать работы в этом направлении и дальше, то светоотдача полупроводников вырастет еще в несколько раз и через пару десятилетий превысит светоотдачу люминесцентных ламп более чем в 2 раза. Такой оптимистический прогноз базируется на примере красных светодиодов, чья эффективность еще в конце 80-х была лишь 5 лм/Вт, а сегодня -- почти 75 лм/Вт:

Таблица 1 - Эволюция и прогноз использования светодиодов в различных сферах за период 1970-2020 гг.

Заметим, что на долю освещения приходится около 16% всей производимой в стране электроэнергии. Можно выделить 3 основных сектора потребителей электроэнергии -- промышленный сектор, коммерческий (общественный) сектор и жилой сектор. Так выглядят потребности каждого из секторов в освещении:

Таблица 2 - Потребление электроэнергии на освещение.

Увеличение световой эффективности существующих ресурсов освещения позволит производить необходимое количество света, уменьшая при этом потребность в электроэнергии.

Каковы же эволюционные тенденции рынка освещения сегодня? Из приведенного ниже графика, видим, что светодиоды не только "набрали" солидные обороты за последние десятилетия, но и имеют стойкую тенденцию к дальнейшему развитию.

Рис.1. Сравнение существующей и прогнозируемой эффективности различных видов освещения.

Характерно то, что низкоэффективные лампы накаливания затрачивают электричество для нагревания вольфрамовой нити, которая кроме света производит еще и тепло. Люминесцентные лампы, хотя и эффективнее ламп накаливания почти в 6 раз, используются в освещении жилых помещений не так широко, как лампы накаливания по причине неадекватной восприимчивости света человеческим глазом и дороговизны. Галогенные лампы могут составить конкуренцию лампам накаливания, но, тем не менее, массовое их использование ограничено рядом причин, в том числе и высокой ценой. Что касается светодиодов, максимальная эффективность которых еще не достигнута, потенциально они могут претендовать на значительную долю рынка освещения в течение следующих 15-20 лет.

Однако, использование различных по эффективности источников света неоднородно в зависимости от групп потребителей. Коммерческий и промышленный секторы используют большее количество высокоэффективных источников освещения, нежели жилой. Например, в количестве света, потребляемом коммерческим сектором, доля ламп накаливания составляет 5,2 %, люминесцентных -- 79,8% и высоко интенсивных (HID) -- 15.1%. Суммарно, доля высокоэффективных источников составляет 94,8% потребляемого коммерческим сектором освещения. Для сравнения, жилой сектор гораздо больше света получает от низкоэффективных ламп накаливания, а доля люминесцентного и других высокоэффективных источников света составляет всего 13%:

Таблица 3 - Доля использования высокоэффективных источников излучения для различных секторов

Преимущества и недостатки светодиода

Преимущества, которыми обладает светоизлучающий диод (СИД) по сравнению с традиционными лампами, позволяют с уверенностью утверждать, что появление новых типов осветительных приборов на основе СИД станет революционным технологическим прорывом в светотехнике.

Можно отметить основные преимущества ламп на светодиодах:

- низкое энергопотребление - в 10 раз ниже, чем у обычной лампы накаливания, и на 20-25% ниже, чем у энергосберегающей люминесцентной лампы;

- лампы на светодиодах не требуют особой системы утилизации, т.к. они, в отличие от люминесцентных ламп, экологически безвредны. Светодиод не представляет вреда для экологии, его размеры относительно малы;

- пожаро- и взрывобезопасность;

- полная цветовая гамма излучения;

- высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы непригодны для освещения жилых помещений из-за низкого качества света;

- высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);

- сверхдолгий срок работы - до 100 тыс. ч. Но и он не бесконечен -- при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости;

- спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром;

- малая инерционность;

- малый угол излучения -- также может быть как достоинством, так и недостатком;

- безопасность -- не требуются высокие напряжения;

- нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

Недостатки ламп на светодиодах:

- основной недостаток -- высокая цена. Отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов в 50 -- 100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания;

- низкая предельная температура:

мощные осветительные светодиоды требуют внешнего радиатора для охлаждения, потому что имеют неблагоприятное соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности (они слишком мелкие) и не могут рассеять столько тепла, сколько выделяют (несмотря даже на более высокий КПД, чем у ламп накаливания). Осветительный светодиод мощностью 10 Ватт требует пассивный радиатор размером как у микропроцессора Pentium 4 без вентилятора. Такой большой радиатор не только удорожает конструкцию, но и с трудом может быть вписан в формат бытовых осветительных приборов;

- для питания светодиода от питающей сети необходим низковольтный источник питания постоянного тока, тоже с радиатором, что дополнительно увеличивает объём светильника, а его наличие дополнительно снижает общую надёжность и требует дополнительной защиты. Поэтому многие разработчики ограничиваются выпрямителем, а светодиоды включают последовательно;

- высокий коэффициент пульсаций светового потока при питании напрямую от сети промышленной частоты без сглаживающего конденсатора, при его наличии пульсации малы;

- дешёвые массовые LED имеют светоотдачу 60-100 лм/Вт;

- спектр отличается от солнечного.

Область применения

Сейчас в РФ «освещено» около 60 самолетов типа Ту-134 и Ту-154, а также несколько десятков вертолетов фирмы ОАО «Камов».

Совместно с флотом оснащаются подводные и надводные корабли аналогичными светодиодными светильниками. Кроме этого, разрабатываются приборы для освещения космических кораблей и МКС.

Также разрабатываются различные осветительные приборы: для нумерации домов и улиц, заградительных огней, рекламных щитов, светофоров и табло обратного отсчета времени, освещения лифтов и подъездов домов.

Сейчас ведется работа для создания серии осветительных приборов, необходимых для жилищно-коммунального хозяйства, ТЭКа, транспорта и связи.

В плане уличного освещения ученые ориентируются на создание небольших тротуарных или парковых светильников, при этом разрабатывается светильник с энергопитанием от солнечных батарей. Другими словами, батарея, находящаяся над светодиодным светильником, вырабатывает энергию, которая накапливается в аккумуляторе, а ночью используется для освещения. Ввиду того, что энергопотребление у светодиодов низкое (5-10 Вт), солнечные батареи вполне могут обеспечивать данный светильник.

Светодиодное освещение применяется в светотехнике для создания дизайнерского освещения в специальных современных дизайн - проектах. Надёжность светодиодных источников света позволяет использовать их в труднодоступных для частой замены местах (встроенное потолочное освещение, внутри натяжных потолков и т. д.).

Декоративная светодиодная подсветка в основном применяется для праздничной иллюминации. Для чего используется новогоднее украшение - светодиодная гирлянда. В период праздников, (в большей степени новогодних) их можно увидеть на улицах городов, они украшают деревья, фасады зданий и другие уличные объекты.

Светодиоды в душевой. Cromobox -- инновационные светодиодные двери для душевых комнат, изменяющие окраску в зависимости от температуры воды и времени суток.

Источники света: сравнительный анализ

Лампа накаливания - это появившаяся в начале ХХ века лампа, в которой в результате пропускания через спираль электрического тока создается свечение за счет подогрева вольфрамовой спирали до ее накаливания. Главные достоинства ламп накаливания: сравнительно небольшая стоимость, простота в изготовлении, компактность, удобство и надежность в эксплуатации. Существенные недостатки: низкая световая отдача и вытекающая отсюда неэкономичность эксплуатации, небольшой (до 1000 часов) срок службы, высокая (до 200єС) температура нагрева, требующая бережного обращения с лампой во избежание ожога рук и в определенной мере ограничивающая область ее применения.

Энергосберегающая лампа - это компактная дуговая люминесцентная лампа со встроенной ПРА, предназначенная для замены ламп накаливания в осветительных системах. Настоящий прорыв во внедрении энергосберегающих ламп произошел в 1985 году, когда всемирно известной светотехнической компании OSRAM впервые в мире удалось встроить ЭПРА в стандартный цоколь энергосберегающей лампы. Такую лампу можно использовать практически в любых светильниках, где применяются лампы накаливания. Основные достоинства энергосберегающих ламп: высокий КПД: обычная лампа накаливания 92 - 94% электроэнергии преобразует в тепло и лишь 6 - 8% - в свет, тогда как компактная люминесцентная лампа с таким же световым потоком расходует в 5 раз меньше электроэнергии; мгновенное включение без мерцаний; равномерное распространение света по колбе (отсутствие ослепляющего действия света); практически неощутимое влияние перепадов напряжения в рабочем диапазоне напряжений, составляющем 180 - 260 В; низкая (до 40єС) температура нагрева во время работы; большой (до 15000 часов) срок службы; гарантия порядка 1 года с момента продажи на качественные энергосберегающие лампы; "гарантированное предсказание о выходе лампы из строя", определяемое следующими признаками: основание баллона энергосберегающей лампы рядом с колбой начинает темнеть и в течение примерно 5 дней лампа перестает работать (также возможно, что световой поток лампы начнет уменьшаться, и через некоторое время она совсем погаснет). Основной недостаток энергосберегающих ламп: их высокая стоимость, в 10 и более раз превышающая стоимость ламп накаливания. Хотя такие лампы в 10 и даже большее число раз служат дольше, чем лампы накаливания, все же столь значительная разница в цене нередко является причиной отказа от покупки энергосберегающих ламп.

Совсем недавно освоены и массового применяются уникальные технологии получения света из кристалла полупроводникового прибора - светодиода (LED). Выделено, доказано и опробовано масса положительных результатов применения источников света на мощных светодиодах. В большинстве западных и некоторых Российских заводах запущены в серийное производство светодиодные лампы различных модификаций на замену лампам накаливания, люминесцентным, галогенновым лампам.

Новые светодиодные лампы, которые по праву можно назвать лампами новейшего поколения по своим техническим, экологическим, энергосберегающим параметрам значительно опережают всех своих предшественников, несмотря на все заявленные производителями плюсы люминесцентных ламп.

Сравнительная таблица лампы накаливания, компактно люминесцентной и светодиодных ламп

Таблица 4 - Сравнение различных типов освещения по базовым характеристикам

Таблица 5 - Рейтинг различных источников освещения

Таким образом, из приведенных выше таблиц заключаем, что светодиоды за счет низкого расхода финансовых средств в течение периода эксплуатации, длительного жизненного цикла, высокой яркости, отсутствия инфракрасного и УФ излучений, являются лидерами в рейтинге прочих источников освещения.

Сравнение с лампами накаливания и люминесцентными лампами

Постоянно растущие потребности человечества в освещении требуют увеличения производства электроэнергии. Для этого необходимы дополнительные капиталовложения на строительство электростанций, выработку месторождений энергоносителей и последующую утилизацию растущих отходов производства. Вопрос об альтернативных высокоэффективных источниках освещения, способных удовлетворить спрос на освещение, не наращивая при этом производства и затрат на электроэнергию стоит очень остро.

Главными условиями новых источников являются небольшой размер ламп, долговечность и низкое энергопотребление. Именно светодиоды, отвечающие всем этим требованиям, считаются основным претендентом на замену лампам накаливания и люминесцентным. В то время, как все существующие на сегодняшний день источники освещения достигли своей максимальной световой эффективности, светодиоды приблизились только к 10% своих возможностей.

Подобное заключение основано на фундаментальных принципах физической теории полупроводников. В предыдущем параграфе мы уже достаточно подробно анализировали преимущества и недостатки различных источников света, поэтому остановимся, с нашей точки зрения, на наиболее ключевых моментах. Основными преимуществами светодиодов перед лампами накаливания является долгий срок службы, более высокий световой выход, безопасность, отсутствие нагревания. Светодиоды испускают чистый белый свет, в то время как лампы накаливания излучают и в инфракрасном спектре. Почти 95% электричества, потребляемого лампами накаливания, уходит в тепло, поэтому для помещений, в которых используется большое количество ламп накаливания, требуется проводить дополнительные работы по кондиционированию и охлаждению воздуха. Лампы накаливания потребляют на 80% больше электроэнергии, чем светодиоды, для них требуется высокое напряжение.

Сравнивая светодиоды с люминесцентными лампами нельзя говорить однозначно о преимуществе первых. На сегодняшний момент световая эффективность белых светодиодов вдвое меньше, чем у люминесцентных ламп, а цена - выше. Здесь в первую очередь следует учитывать тот факт, что для большинства случаев, где применяются в настоящее время люминесцентные лампы, по техническим показаниям и условиям эксплуатации выгоднее и безопаснее использовать именно светодиодное освещение. К примеру, в угледобывающих шахтах используются так называемые "взрывобезопасные" люминесцентные лампы, которые работают от напряжения в 127В. Если происходит бросок напряжения (рядовой случай для забоев и шахт), люминесцентная лампа гаснет немедленно. Точно так же ведут себя лампы при любом отклонении от норм эксплуатации - при тряске или понижении температуры воздуха.

Кроме того, использованные люминесцентные лампы после завершения срока эксплуатации должны быть подвергнуты обязательной утилизации, как ртутьсодержащие отходы (РСО). Для справки: ежегодно в России на 1 млн. населения приходится около 80 000 отработанных люминесцентных ламп (или 16 тонн РСО). Стоимость утилизации 1 т РСО составляет 300 долларов США. Нетрудно подсчитать, что ежегодные расходы только на утилизацию люминесцентных ламп для России должны составлять сумму порядка 700 000 долларов.

На практике срок службы люминесцентных ламп и особенно ламп накаливания оказывается короче срока, указанного изготовителем. Это объясняется тем, что зачастую условия их эксплуатации не соответствуют нормативам - если меняется напряжение в сети или температура окружающего воздуха, либо же осветительные приборы подвергаются неожиданным механическим воздействиям, лампы перегорают или бьются гораздо чаще, чем можно предполагать. Светодиоды, как твердотельные источники света, не содержат стекла, нитей накаливания или сменных деталей, их невозможно разбить, и они не чувствительны к любым изменениям в электросетях.

Изменение цен на светодиоды

Светодиодное освещение является достаточно дорогим на сегодняшний день, и пока не произойдет зримого снижения цен, светодиоды не смогут конкурировать с другими видами общего освещения и претендовать на сколько-нибудь весомую роль на этом рынке. Как уже говорилось ранее, в данной модели цена светодиодов является функцией, изменяющейся в зависимости от изменения их световой эффективности.

Предположительно, снижение цены будет происходить двумя фазами. Первая фаза, так называемая "фаза, предшествующая коммерческому использованию", имеет отношение к периоду исследований и демонстрации. На примере других энергетических технологий доказано, что во время первой фазы цена снижается на 20% (см. рис. 7) при каждом удвоении эффективности. За этой фазой следует "фаза подъема", во время которой технология проходит апробацию различных способов применения. В течение этой фазы цена падает в два раза меньшей степени, чем в первой, т.е. на 10% при каждом удвоении эффективности.

Прогноз изменений стоимости светодиодов до 2020 г.

Таким образом, за период исследований цена на светодиоды уменьшится на 20% после каждого удвоения их эффективности. Вторая фаза начнется после того, как светодиодам будет принадлежать 2% от общей массы освещения - с этого момента цена будет падать на 10% при каждом удвоении эффективности.

Заключение

Ведущие производители светодиодов уже имеют лабораторные образцы СД, световая отдача которых превышает 200 лм/Вт, что превосходит световую отдачу самых эффективных ныне ламп - натриевых ламп высокого давления. Прогресс в технологии производства мощных светодиодов и мировой кризис, заставивший с большим вниманием относиться к вопросам энергосбережения и энергоэффективности, могут способствовать выходу мощных светодиодов на первые роли среди источников света для систем освещения уже в самом ближайшем будущем.

Означает ли это, что в ближайшие несколько лет начнётся повсеместное внедрение в осветительные приборы светодиодов в качестве источников света, покажет время. Всё-таки существуют два основных недостатка светодиодов: высокая цена (следствием чего является высокая себестоимость люмена) и принципиально отличающееся от традиционных источников света (ламп) распределение света. Первый недостаток значительно повышает начальную стоимость светотехнических установок на основе светодиодов, второй делает невозможным прямую замену ламп на светодиоды в существующих изделиях, что требует дополнительных затрат на разработку новых систем. Безусловно, эти факторы сказываются на развитии светодиодных решений в светотехнике очень негативно и сильно тормозят его.

Однако существуют и факторы, стимулирующие внедрение светодиодных решений в светотехнику. Основными здесь выступают целевые программы, направленные на внедрение энергосберегающих технологий. Одной из них стала президентская программа «Новый свет», ориентированная на энергосбережение, энергоэффективность и модернизацию экономики и предусматривающая массовое производство светодиодов и внедрение светодиодных светильников. Также важную роль играют отраслевые программы, например программа ОАО «РЖД» по внедрению светодиодного освещения объектов железнодорожного транспорта в рамках обще отраслевой программы энергосбережения.

Подводя итоги обзора, можно сказать, что светодиоды по таким своим свойствам, как надёжность, долговечность, стойкость к механическому воздействию, изначально превосходили традиционные источники света. По фотометрическим и электрическим параметрам они в настоящее время сравнялись с самыми эффективными лампами, а уже в ближайшие год-два наверняка превзойдут их. Себестоимость излучаемого светодиодом люмена пока остаётся высокой, но наблюдается её постепенное снижение. Эти свойства на фоне низкого собственного энергопотребления светодиодов делают их всё более привлекательными. Общая мировая тенденция, направленная на уменьшение потребления электроэнергии и повышение энергоэффективности экономики, поддерживается уже на государственном уровне и подкрепляется соответствующими законами, что также положительно влияет на расширение использования светодиодов в качестве источников света в светотехнических устройствах.

Ближайшие годы должны показать, насколько данные рассуждения обоснованы, и если они окажутся верны, то уже к 2015 году мы сможем наблюдать доминирование светодиодных изделий в окружающих нас светотехнических устройствах, в окружающих нас светотехнических устройствах.

Список использованной литературы

1. http://www.bestreferat.ru/referat-206216.html

2. http://www.leds.ru/anl11.htm

3. http://ru.wikipedia.org

4. http://индукционка.рф/sravnenie.html

5. http://led7.ru/articles/main/sravnitelnaya_tablica_razlichnix_lamp.htm

6. http://www.electrician.com.ua/magazine/view269.html

Размещено на Allbest.ru