go-to-topgo-to-top
Грамотное вложение инвестиций в светодиодную технику PDF  
Грамотное вложение инвестиций в светодиодную технику
Вторая половина XX века принесла человечеству ряд выдающихся открытий в физике полупроводников. Мы стали свидетелями взрывного развития еще одной области техники, основанной на физике полупроводников - оптоэлектроники. Прежде всего это проявляется в стремительном совершенствовании светодиодов - замечательных полупроводниковых источников света, которые с высокой вероятностью в ближайшем будущем преобразят мир искусственного освещения.

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (в английском варианте LED - light emitting diodes) хорошо известны каждому как миниатюрные индикаторы (обычно красного или зеленого цвета), применяемые в аудио- и видеоаппаратуре и в бытовой технике. Чтобы понять, почему этим маленьким "огонькам" пророчат большое будущее, рассмотрим подробнее их устройство, характеристики, принципы работы и историю создания и развития.

Прежде всего, светодиод - это полупроводниковый диод, то есть по сути дела p-n-переход. Напомним, что p-n-переход - это "кирпичик" полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разным типами проводимости (один с избытком электронов - "n-тип", второй с избытком дырок - "p-тип"). Если к p-n переходу приложить "прямое смещение", т. е. подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток. Современные технологии позволяют создавать интегральные схемы, содержащие огромное количество p-n переходов на одном кристалле; так, в процессоре Pentium-IV их количество измеряется десятками миллионов.

После того, как через прямо смещенный p-n переход пошел ток, а именно момент рекомбинации носителей электрического заряда - электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны "находят пристанище" в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. Такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света - фотона. В случае безызлучательной рекомбинации энергия расходуется на нагрев вещества. В природе существует как минимум 5 видов излучательной рекомбинации носителей зарядов, в том числе так называемая прямозонная рекомбинация.

Эффективность свечения светодиодов, ранее измеряемая в Вт, по мере возрастания их КПД, все чаще измеряется световым потоком (Лм) или светоотдачей Лм/Вт. Световой поток - плотность видимого светового излучения. Светоотдача - количество светового потока на 1Вт потребляемой мощности. Показатель светоотдачи в прямом смысле характеризует энергосбережение любых ламп. Чем выше светоотдача, тем более энергосберегающими являются лампы. Для сравнения светоотдача ламп накаливания - до 15 Лм/Вт, люминесцентных ламп - до 60 Лм/Вт, металлогалогеновых - до 85 Лм/Вт. Исследования светодиодов привели к созданию эффективных светодиодов, излучающих в других областях спектра. Так, светодиоды на основе фосфидов алюминия-галлия-индия (разработка компании Hewlett Packard) излучали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет. Они имели световую отдачу до 30 Лм/Вт (и внешний квантовый выход до 55%), превосходя лампы накаливания. При этом необходимо понимать, что, в отличие от ламп накаливания, светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20-50 нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое "узкополосное" излучение называют "квазимонохроматическим". Как источники "цветного" света светодиоды давно обогнали лампы накаливания со светофильтрами.

Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 3 Лм/Вт, в то время как красные светодиоды сегодня дают 30 Лм/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds обеспечивают 50 Лм/Вт для красной и даже 65 Лм/Вт для оранжево-красной части спектра. Впрочем, и это не рекорд - для желто-оранжевых светодиодов планка 100 Лм/Вт уже взята. Компанией Cree, например, первой было освоено производство белых светодиодов светоотдачей 100 Лм/Вт в промышленных объемах. Изобретение синих светодиодов замкнуло "RGB-круг": теперь стало возможным получение любого цвета, в том числе любого оттенка белого цвета простым смешением цветов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и трехкристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.

Существуют различные способы получения белого света от светодиодов: Первый - смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, синие и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. В другом, менее распространенном подходе, для получения белого света смешивается излучение светодиодов основных и вторичных цветов.

Во втором способе желтый (или зеленый плюс красный) люминофор наносится на синий светодиод, в результате два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

Третий способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносятся три люминофора, излучающих, соответственно, синий, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.

В основе четвертого способа получения белого света с помощью светодиодов, лежит использование полупроводника ZnSe. Структура представляет собой синий светодиод ZnSe, "выращенный" на ZnSe-подложке. Активная область проводника при этом излучает синий свет, а подложка - желтый.

Преимущества светодиодов

Светодиоды Cree при себестоимости порядка 8-9 $ за 100 Лм обеспечивают светоотдачу 100 Лм/Вт при цветопередаче близкой к солнечному свету. На сегодняшний день светодиоды обладают рекордным энергосбережением, превышающим металлогалогеновые лампы.

Применение надежных и технологичных светодиодов в архитектурном освещении решает массу проблем с энергосбережением, снижением затрат на эксплуатацию до нуля и мн. др.

При грамотном подключении данные светодиоды через 100 тыс. часов теряют 30% своей яркости. При средней продолжительности работы источников света 12ч/сут. их срок службы может составлять до 22 лет! За это время можно 22 раза поменять металлогалогеновые лампы и 5 раз корпуса осветительных приборов и в качестве бонуса получить снижение затрат на энергосбережение до 10 раз.

Но эти показатели относятся только лишь к качественным светодиодам от мировых производителей при условии их грамотной корпусировки и решения проблем с отводом тепла и подключением.

Все сверхъяркие светодиоды можно разделить на 2 группы: 5-ти миллиметровые (high brightness 5mm LED) и 1-но ваттные (high power 1W LED).

Все вышеуказанные показатели надежности и срока службы приведены для 1Вт светодиодов. Для 5мм светодиодов в среднем все показатели надежности можно смело делить на 3.

Стоимость 5мм светодиодов достигает рекордной цифры - 3-5 $ за 100 Лм светового потока. При такой низкой цене данные светодиоды широко используются азиатскими производителями дешевых светодиодных осветительных приборов. Особое место в линейке дешевых азиатских осветительных приборов занимают светодиодные модули "кристаллайт". Корпусировка данных модулей путем заливания их в твердый пластиковый корпус является одним из самых больших пренебрежений эксплуатации светодиодов. К другим подобным минусам относятся некачественная пайка, разгон светодиодов со стандартных значений токов в несколько раз превышающие допустимые и др. Поэтому реальный срок эксплуатации светодиодов составляет 2 года при средней работе 10-12 часов в сутки. Однако, из-за низкой стоимости модулей их эксплуатация оправдывается в качестве заменителей неона в рекламных конструкциях.

Очень часто, люди, использующие дешевые приборы на основе 5мм светодиодов, сравнивают их с надежными 1Вт конкурентами. Это сравнение ни в коем случае неприемлемо.

Еще одним преимуществом 1Вт светодиодов перед 5мм является возможность установки вторичной оптики на сам светодиод. Использование оптики позволяет сужать, расширять и создавать разные формы световых пятен, что дает очень широкие возможности при их использовании в архитектурном освещении.

Кристалл светодиода - практически точечный источник света, поэтому корпус может быть очень миниатюрным. Конструкция корпуса светодиода должна обеспечить минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном телесном угле. Кроме того, должен быть обеспечен эффективный отвод тепла от кристалла. Самая распространенная конструкция светодиода - традиционный 5миллиметровый корпус.

Конечно, это не единственный вариант "упаковки" кристалла. Например, для сверхъярких 1Вт светодиодов, расчитанных на большие токи, требуется массивный теплоотвод.

Применение светодиодов в светотехнике позволяет использовать все возможные варианты управления ими (диммирование (изменение яркости), смена цветов, стробирование и др.) без добавления в корпус прибора каких-либо дополнительных устройств.

Применение LED в световой архитектуре

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.

Интересной 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.

Наша компания плотно занимается разработками, связанными с созданием мощных светодиодных прожекторов, аналогов 150Вт, 250Вт металлогалогенных прожекторов. Стоимость таких прожекторов колеблется в районе 2000$ за 10 000 Лм.

Насыщенные цвета светодиодов создают фантастические эффекты при подсветке воды. Светодиодное освещение фонтанов создает ни с чем не сравнимые "флуоресцирующие" световые картины.

В отличие от мощных галогенных ламп низковольтные, слаботочные светодиоды (потребляемая мощность - 6 Вт) практически не представляют опасности при эксплуатации в воде.

Вообще, светодиодная система подсветки - достаточно дорогой вариант по сравнению с той же "галогенной" альтернативой. Впрочем, это касается только единовременных затрат на производство и монтаж. По оценкам специалистов, светодиодный вариант неминуемо оправдает себя в ходе эксплуатации и даст практически пятнадцатикратную экономию.

Одно из самых удивительных, завораживающих применений светодиодов - создание установок с динамически меняющимися яркостью и цветом.

Конечно, цветодинамика родилась не вчера, можно вспомнить Скрябина, казанское ОКБ "Прометей", цветомузыкальные фонтаны в разных городах СССР и, конечно, мощную современную индустрию профессионального света для шоу-бизнеса. Однако сегодняшняя "светодиодная революция" создает качественно новую ситуацию: произвольно меняющийся во времени и пространстве цветной свет становится инструментом, доступным каждому архитектору, дизайнеру, художнику.