Автор: В. Б. Басов
Электро— 2010, № 6 (35-37 с.)
Басов Б. В. Светодиоды — преимущества и недостатки. В докладе рассмотрены этапы развития осветительной техники и радиотехнических устройств. Основное внимание уделено светодиодам. Описаны различные способы их изготовления, различные модификации, которые предлагает фирма Osram. Отмечены достоинства и недостатки светодиодов.
Технологические новшества в наше время происходят постоянно. Ежегодное появление новинок электроники, бытовой техники, автомобилестроения стало привычным явлением. То, что удивляло два–три года назад, часто уже безнадежно устарело к сегодняшнему дню. Большинство изменений касается улучшения существующих вещей, например, двигатель автомобиля становится более экономичным и экологически чистым от модели к модели. Вносимые улучшения понятны в основном узкому кругу специалистов. Двигатели производятся теми же фирмами на тех же заводах. Внешне индустрия меняется довольно медленно и постепенно.
Гораздо реже происходят принципиальные изменения — технические революции. Во время революции меняется сам подход к решению задачи. Это приводит к кардинальному изменению свойств изделий и отрасли в целом.
Сегодня в мире осветительной техники происходит как раз такая техническая революция. Эта революция в течение следующих 3–5 лет может полностью изменить рынок светильников, а также повлиять на список ключевых игроков. Есть повод задуматься над ситуацией как существующим производителям, так и новым компаниям, не занимавшимся до сих пор этой сферой.
Приведем исторический пример. До 70–х годов прошлого века основой радиотехнических устройств были электронные вакуумные приборы – радиолампы. Первые компьютеры были построены именно на лампах, и именно лампам они обязаны своими циклопическими размерами и стоимостью при вычислительной мощности калькулятора.
В 50–х годах началось активное развитие полупроводниковой техники, появились транзисторы, а позже интегральные схемы, содержащие сотни и тысячи транзисторов. Электронные лампы были полностью вытеснены из большинства областей, объемы их производства упали в десятки раз. Многие компании-производители вынуждены были полностью переориентироваться или исчезнуть с рынка. Полупроводники завоевали мир, открыли возможности для тысяч компаний и огромного количества новых приложений. Ниже мы вернемся к этому примеру, чтобы увидеть интересные параллели между революцией полувековой давности и тем, что происходит сейчас на наших глазах.
Полупроводники, эти удивительные материалы — основа современной электроники. Они обладают важными свойствами, применяемыми в транзисторах и микросхемах. Однако этим их использование не ограничивается.
Еще в начале прошлого века был замечен эффект слабого свечения в области электрического контакта полупроводников разных типов проводимости. Тогда это явление не было понято и изучено. Как считается, первый полупроводниковый светодиод был изготовлен в 1962 году в США.
До 90–х годов ХХ века светодиоды получили широкое распространение в качестве устройств индикации и декоративных элементов. Использованию светодиодов в осветительной технике мешали трудности в получении белого цвета свечения. Дело в том, что кристалл, на котором построен диод, может излучать свет только строго определенной длины волны. Наш глаз воспринимает такое излучение как чистый цвет из спектра, например, красный или зеленый. Мы видим белый цвет, когда в наш глаз попадает очень широкий спектр длин волн или смесь нескольких определенных основных цветов.
Эту проблему можно решить тремя способами.
Первый — собрать на одном кристалле светодиоды трех цветов, например, красного, зеленого и синего. Этот путь нашел свое применение в видеоэкранах и элементах декоративной подсветки с изменяющимся цветом.
Второй — использовать принцип люминесцентных ламп: излучение ультрафиолетового светодиода попадает на люминофор, светящийся белым светом под действием ультрафиолета.
Третий способ — использовать синий светодиод, покрытый желтым люминофором.
Последний способ оказался самым удобным и эффективным для изготовления сверхъярких светодиодов. Такие светодиоды были впервые продемонстрированы в 1997 году. С этого времени начинается и использование светодиодов для решения задач общего освещения.
В настоящий момент общедоступными являются светодиоды, дающие световой поток до 140 люмен на 1 ватт потребляемой мощности. В лабораторных условиях получены устройства, излучающие до 200 люмен 1 на ватт. Теоретический предел сегодняшних технологий составляет порядка 300 люмен 1 на ватт.
Для сравнения: лампа накаливания дает около 7 лм/Вт, а современная энергосберегающая люминесцентная лампа до 105 лм/Вт. Сравнимую со светодиодами эффективность на уровне 130 лм/Вт имеют натриевые лампы высокого давления. Существенным недостатком натриевых ламп является их почти монохроматический оранжево-желтый свет, ухудшающий цветопередачу предметов.
Световой поток источника, выраженный в люменах, характеризует его излучающую способность без учета диаграммы направленности. Когда мы оцениваем полезный эффект, производимый источником света, нам важно распределение света от светильника в пространстве. Например, дорожный светильник должен давать равномерное и яркое световое пятно на дороге, при этом не слепить водителей и не освещать дальний край обочины. Чтобы достичь этого, применяются рефлекторы и линзы — отражающая или фокусирующая оптика. Эффективность любого рефлектора или линзы зависит, в значительно степени, от геометрии источника света. Светодиод — это практически точечный источник, который позволяет добиться 80–90 % эффективности при форvировании освещенной области. Лампа излучает во все стороны и имеет большие размеры поверхности, испускающей свет чтобы добиться нужной диаграммы направленности, придется пожертвовать от 40 до 70 % света. По этой причине, даже при одинаковой энергетической эффективности (люмен на ватт), светодиод в полтора-два раза эффективней традиционной лампы.
У фирмы Osram имеется уникальное решение — светодиод со встроенной линзой, имеющий диаграмму направленности, идеально подходящую для освещения улиц и автомагистралей. При использовании такого диода нет необходимости в применении какой-либо вторичной оптики, следовательно, нет потерь света и дополнительных денежных затрат.
Светодиоды претендуют на то, чтобы стать серьезной альтернативой другим источникам света. Рассмотрим их преимущества и недостатки, чтобы самостоятельно оценить, насколько оправданы эти ожидания.
Итак, первое и самое главное достоинство — энергетическая эффективность. Электрический ток в светодиоде преобразуется непосредственно в кванты света — фотоны. Такое преобразование теоретически происходит без потери энергии — сколько энергии потрачено, столько и излучается. На практике потери, конечно, есть, но уже достигнуты впечатляющие результаты по сравнению с другими источниками. Светораспределение светильника создается с гораздо меньшими потерями света.
Надежность и время жизни. Начнем с самого определения времени жизни устройства. Для светодиода за время жизни принято количество часов, которое он прора ботает до снижения его светового потока на 30 %. Лидирующие производители (например, Osram) заявляют о времени жизни более 100 тыс. часов. Сравним: лампа накаливания — 1000 часов, стандартная люминесцентная лампа — 12 тыс. часов, газоразрядные лампы — до 40 тыс.—часов. Данные по традиционным источникам света приведены по критерию полного выхода источника из строя.
Малый размер светодиода. Мощный одноваттный светодиод серии OSLON производства Osr am имеет размер корпуса 3х3 мм. Это позволяет вписывать его в любую конструкцию светильника, а также создавать миниатюрные и при этом очень мощные осветительные приборы.
Экологическая безопасность. Светодиод сам по себе содержит сотые доли грамма вещества в кристаллической, крайне химически инертной форме. Люминесцентная лампочка содержит очень опасные для человека и природы вещества, такие как ртуть. Утилизация таких ламп дорогостоящий и сложный процесс.
Время включения–выключения и управление яркостью. Светодиоду требуются доли микросекунд (150 нс для белого одноваттного светодиода Golden Dragon Plus) для начала работы с полной отдачей после подачи на него электрического тока. Это дает возможность регулировать световой поток путем подачи коротких импульсов тока, следующих с высокой частотой. Таким образом, яркость светильника может регулироваться в любых пределах с сохранением 100 % эффективности. Можно отметить и еще один эффект - светодиод некритичен к количеству циклов включений-выключений, что является бичом, например, недорогих энергосберегающих ламп.
Механическая прочность и стойкость к ударам. Светодиод — это твердый кристалл в пластиковой или керамической оболочке. При желании его можно уничтожить при помощи молотка. На практике он абсолютно не чувствителен к вибрациям и другим воздействиям, характерным для условий промышленного применения.
Стабильная работа при низких температурах без сокращения срока службы и потери яркости. Светодиодному светильнику не требуется запуск, он практически мгновенно выходит на заданный температурный режим.
Недостатки светодиодов. Самой большой проблемой при проектировании светодиодных светильников является решение вопроса о том, что делать с выделяемым теплом. Как уже говорилось, светодиод преобразует электрический ток непосредственно в световой поток.
Это достоинство, которое превращается в недостаток, когда речь заходит об отводе тепла. Дело в том, что светодиод практически не излучает мощности в инфракрасном диапазоне спектра. Инфракрасное излучение мы ощущаем как тепло, исходящее от лампочки. Оно бесполезно с точки зрения наших глаз, но очень хорошо отводит лишнее тепло от источника света.
На практике в свет превращается около 25 % энергии, а остальное переходит в тепло. Полупроводники не любят нагрев, их срок службы существенно падает при температуре выше 130–150 °С. (для сравнения — спираль лампочки накаливания нагревается до 2300 °С, а у галогенной—— до 2700 °С).
Итак, недостаток № 1: нужно отводить тепло и делать это приходиться при помощи радиаторов, а иногда даже активных систем охлаждения.
Для того, чтобы получить ожидаемую эффективность светодиодного светильника, требуется позаботиться о правильном источнике питания. Источник должен обеспечивать стабилизированный ток (а не напряжение, как требует подавляющее большинство устройств) на уровне от 100 мА до 1 А в зависимости от типа диода. Для достижения эффективности обычно используются импульсные источники с коррекцией коэффициента мощности.
Недостаток № 2 — относительно сложная схема питания.
Недостаток № 3, вероятно существующий лишь временно, — высокая цена светодиодов. В светотехнической отрасли принято говорить о люменах, получаемых на затраченный доллар или евро. На сегодняшний момент эта величина составляет до 3 евроцентов за 1 люмен, что на порядок выше, чем стоимость 1 люмена в люминесцентной лампе. Это основной фактор, препятствующий широкому распространению светодиодных светильников в быту. Однако в тех областях, где значение имеет стоимость владения, включающая стоимость обслуживания, светодиоды уже обходятся дешевле обычных ламп. Чтобы в этом убедиться, достаточно подсчитать стоимость работ с применением автовышки по замене ламп в мачтах уличного освещения, не говоря уж о существенной экономии электроэнергии. Очень часто переход на светодиоды производится просто из–за физической нехватки электрической мощности в районе.
Не случайно в начале статьи приведена история о радиолампах и транзисторах. Помимо лучших технических характеристик, которыми, кстати, первые транзисторы не особенно могли похвастаться, полупроводники открыли дорогу в отрасль для тысяч мелких компаний. С их появлением резко уменьшился финансовый и технологический барьер для выхода на рынок. Первые компьютеры новой эры были собраны в гаражах. Гиганты потеряли монополию, и в электронную индустрию пришла невероятно сильная конкуренция.
Появление светодиодов открывает дорогу к производству светильников огромному количеству компаний, которые ранее этим не занимались. Все, что нужно на первом этапе, — это обычное оборудование для сборки электронных плат. В нашей стране существует избыток такого производства, который ждет своего часа.