ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Важным вопросом энергоэффективного освещения являются нормы освещенности и проектирование освещения. Значительный эффект энергоэффективности дает правильное проектирование освещения (сочетания источников и их мощности по отношению к требуемому уровню освещения и режимам использования светотехнических устройств). Выбор оптимального сочетания источников света следует начинать с расчета потребности в освещении и учета норм освещения.

Актуальность темы

Светодиодное освещение занимает лидирующие позиции на светотехническом рынке, ведь это световое решение максимально экологично с точки зрения того, что оно помогает сберечь бесценные ресурсы нашей планеты. В условиях общего сокращения расходов, разработки новых стандартов, зеленых инициатив и принятия законодательных актов, направленных на защиту окружающей среды, создаются большие возможности для использования светодиодного освещения как на национальном, так и на международном уровне.

Одним из барьеров, препятствующих широкому распространению светодиодного освещения, является довольно низкая осведомленность людей об этой технологии [3].

Цели, задачи

Целью моей работы было изучение характеристик светодиодного освещения, разработка в контексте требований устойчивого развития экологических и экономических показателей целесообразности использования светодиодных источников света.

1. Сравнительная характеристика различных типов освещения. Светодиодное освещение – как альтернативный источник

1.1. Лампы накаливания

Главным недостатком ламп накаливания (ЛН) является низкая световая отдача, составляющая 10–20 лм/Вт при сроке службы 1000 ч; световая отдача ГЛН несколько выше — до 26 лм/Вт при сроке службы до 4000 ч. Низкая световая отдача ЛН объясняется тем, что 70–76% мощности излучения вольфрамового тела накала (ТН) при его рабочих температурах лежит в ИК-области спектра, в то время как на видимую часть приходится только от 7 до 13 %. Т. е. ЛН являются по существу источниками ИК излучения [1].

Теоретически возможно весьма значительно повысить световую отдачу ЛН несколькими путями:

Работы в этих направлениях пока не дали заметных практических результатов. В начале 90–х голов фирма СЕ выпустила две рефлекторные ГЛН в которых, благодаря нанесению на внешнюю поверхность кварцевой колбы многослойной селективной высокотемпературной пленки, отражающей ИК излучение компактного вольфрамового тела накала обратно на ТН, удалось повысить световую отдачу на 35–50 % при сохранении всех остальных параметров. Создание новых термостойких селективных пленок явилось крупным шагом в развитии ИС. Работы в этих направлениях продолжаются.

1.2. Разрядные лампы

У современных осветительных разрядных лампах (РЛ) световая отдача в 5–10, а срок службы в 10–20 раз превышают световую отдачу и срок службы ЛН. Наиболее массовыми из РЛ являются люминисцентные лампы (ЛЛ). Они практически полностью вытеснили ЛН из освещения промышленных и общественных зданий — за счет лучшей экономической эффективности.

Появившиеся в 80–х годах компактные люминисцентные лампы (КЛЛ), выпуск которых растет быстрыми темпами, открыли дорогу люминесцентному освещению в быт, на автотранспорт и др. области, где прямые ЛЛ не могли применяться. В 1993–1994 гг. передовые зарубежные фирмы начали выпуск прямых ЛЛ, в которых за счет нанесения прозрачной защитной пленки на внутреннюю поверхность стекла перед нанесением слоя люминофора удалось достичь исключительно высокой стабильности светового потока и резко снизить содержание ртути при сохранении всех остальных параметров. В 1995–1996 гг. начался выпуск нового поколения прямых ЛЛ в более тонких трубках 16 мм (Т5) и сверхтонких ламп 7 мм. Выпускаются две серии ламп 16 мм (Т5): в одной достигнута самая высокая световая отдача (до 104 лм/Вт), в другой самый высокий световой поток на единицу длины ЛЛ. Лампы могут работать только со специальным электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА). Средний срок службы этих ламп не менее 16 тыс. ч при спаде светового потока 5 %. В перспективе развития и широкого применения этих ламп нет сомнений [2].

Вторая половина XX века ознаменовалась также созданием большой группы Р/1 высокой интенсивности (Р/1ВИ), работающих при ВД и СВД, обладающих высокими световыми отдачами и сроками службы при различном качестве цветопередачи и других характеристик. На основе открытий второй половины XX века были разработаны и получили весьма широкое распространение два новых класса РЛВИ: натриевые лампы ВД в керамических колбах — НЛВД и металлгалогенные лампы — МГЛ.

1.3. Светодиоды

Светодиоды (СД) — наиболее молодые источники света, принципиально отличающиеся от тепловых или разрядных излучателей. Они характеризуются низким энергопотреблением, длинными сроками работы и низкой стоимостью обслуживания. Однако, на данный момент СД гораздо дороже конкурирующих технологий.

Подлинная революция в производстве СД произошла в начале 90–х годов, когда были получены многопроходные двойные гетероструктуры. Световая отдача красных и зеленых СД увеличилась в 100 раз и достигла значений 10–20 лм/Вт.

К 2004 году световая отдача СД на основе МДГС достигла значений 30–50 лм/Вт, а на лабораторных образцах СД красного цвета была получена световая отдача 102 лм/Вт.

К 2006 году получены следующие значения параметров СД: цветность излучения - практически любая: световая отдача серийных СД — до 65 лм/Вт (цветных) и 45–55 лм/Вт (белых), общий индекс цветопередачи белых СД — 85. По прогнозам специалистов фирмы Philips (Голландия) в ближайшие годы световая отдача красных СД может быть увеличена до 150, зеленых — до 135 и белых — до 50 лм/Вт.

Важно, что для широкого применения СД в общем освещении в будущем следует заменить конструкции традиционных светотехнических устройств и их питание от электрической сети так, чтобы использовать особенности СД. Пока разработчики идут по более простому пути, приспосабливая, например, крепление СД модуля к обычному цоколю ЛН.

1.4. Неорганические светодиоды

Изготовление и применение неорганических светодиодов имеет более чем полувековую историю. Они характеризуются высокой механической прочностью, малыми размерами, значительной энергоэффективностью и высокой скоростью переключения. Традиционные сегменты применения неорганических светодиодов — освещение и подсветка, индикация информации, формирование изображения типа бегущая строка и экранов больших размеров.

Неорганические светодиоды производятся в два этапа. Первый — изготовление светоизлучающего чипа методами молекулярно-лучевой эпитаксии и осаждения металлоорганических соединений из газообразной фазы. Второй — включает сборку светодиода: корпусирование, присоединение оптической системы и системы охлаждения. Оба процесса предъявляют повышенные требования к технологическому уровню производства — нужны чистые комнаты и материалы высокой степени чистоты.

Светодиоды на базе фосфидов и арсенидов (инфракрасный, красный, желтый, оранжевый) относятся к наиболее изученному типу. Они имеют высокий уровень светоотдачи и налажено их массовое производство.

Светодиоды на базе нитридов (синий, зеленый, ультрафиолетовый). Несмотря на то, что система InGaN известна давно, основные результаты и коммерческий успех имели место только в последние годы благодаря разработке синих светодиодов высокой яркости. Светодиоды на основе этой системы могут работать при более высоких температурах, чем светодиоды на основе фосфидов [4]. Сегодня уровень разработки нитридных технологий существенно ниже, чем фосфидных. На рисунке 1 показаны различные источники освещения. На рисунке 2 показаны изменение эффективности различных видов освещения

Рисунок 1 - различные источники освещения Анимация: формат - gif, кадров - 4, повторов — 15, длительность - 6 сек.

Рисунок 1 — Различные источники освещения
(анимация: формат — gif, кадров — 4, повторов — 15, длительность — 6 сек)


Рисунок 2 - Изменение эффектиности различных видов освещения

Рисунок 2 — Изменение эффективности различных видов освещения

2. Преимущества и недостатки светодиодов

Все идет к тому, что происходит быстрое развитие светодиодных систем освещения, которые будут заменять традиционные источники света в системах общего освещения. Светодиодные источники белого света приближаются, а в некоторых случаях превосходят традиционные источники света по световому потоку и качеству света, что делает светодиодные системы освещения очень привлекательным [5]. В десятках стран мира зеленые инициативы и директивы об энергоэффективности ускоряют переход с традиционных систем освещения на светодиодные системы освещения, которые снижают потребление электроэнергии и вредное воздействие на окружающую среду, имеют самый большой полезный срок службы и самую низкую стоимость владения и эксплуатации в различных областях применения.

Так как светодиодное освещение является быстроразвивающейся технологией, поставщики светодиодных источников света и светильников должны продолжать внедрять инновации и совершенствовать свою продукцию для ее продвижения на рынке. Производители также должны играть активную роль в информировании потребителей о преимуществах светодиодного освещения и о его отличиях от традиционного. Без необходимых знаний о технологии светодиодного освещения потребители не смогут правильно оценить пригодность светодиодной системы освещения для конкретной области применения или решения практической задачи и правильно сравнить светодиодную систему освещения с традиционной.

Светодиодное освещение является принципиально новым видом освещения, использующим новые принципы, материалы и средства управления. Поэтому поставщики светодиодных осветительных приборов должны помочь потребителям разобраться в их особенностях. Светодиодное освещение может гармонично интегрироваться в окружающее пространство и использоваться людьми во благо, а ведь еще некоторое время назад таких возможностей не существовало. Правильно выбранные и корректно установленные светодиодные системы освещения могут улучшить качество окружающей среды и качество жизни людей во всем мире.

Светодиоды открывают дорогу новым приложениям и различным рынкам с широким рядам требований. Помимо прочих выгодных характеристик, светодиоды обеспечивают высокую надежность и большой срок службы — свыше 50 тыс. ч, однако производственный брак и плохие условия эксплуатации могут заметно снизить надежность этих изделий. Для того чтобы избежать отказа или быстро найти решение возникших проблем, требуется хорошо разбираться в механизмах сбоя и использовать подходящие методы анализа.

2.1. Отличия между традиционными и светодиодными типами освещения

По своей функциональности, эксплуатационным характеристикам и экономичности, правильно сконструированные светодиодные световые приборы превосходят традиционные [6].

Перечислим их возможности:

3. История создания светодиодов

  1. 1962 г. — первый красный светодиод, разработанный Ником Холоньяком в компании GE. Красные индикаторные светодиоды, выпущенные компанией HP из материалов производства Monsanto - 0,01 лм. Первые зеленые и желтые светодиоды.
  2. 1971 г. — первые синие светодиоды [7].
  3. 1972 г. — красные светодиоды со световым потоком 1 лм. Светодиоды начинают использовать в наручных часах, калькуляторах, светофорах и указателях.
  4. 1984 г. — достижения в области повышения эффективности по световому потоку: первые сверхъяркие красные светодиоды.
  5. 1993 г. — инженер компании Nichia Суджи Накамура создал первый синий светодиод высокой яркости.
  6. 1995 г. — зеленые светодиоды высокой яркости.
  7. 1996 г. — первый белый светодиод. Сверхъяркие красные и янтарные светодиоды. Светодиоды начинают вытеснять лампы накаливания там, где требуется освещение окрашенным светом. Светодиоды устанавливаются в портативных светильниках.
  8. 1997 г. — создание компании Color Kinetics.
  9. 1998 г. — источники света RGB.
  10. Белый свет, созданный с помощью светодиодов RGB. Белый свет, созданный с помощью синего светодиода с люминофорным покрытием. Первые настраиваемые светодиодные источники белого света. Светодиоды 10-100 лм.
  11. 2003 г. — светодиоды широко применяются при проведении развлекательных мероприятий.
  12. 2004 г. — светодиоды используются для акцентного освещения объектов.
  13. 2005 г. — появляются светодиодные кластеры со световым потоком, превышающим 1000 лм.
  14. 2008 г. — светодиоды используются в системах общего освещения. Увеличение количества производителей светодиодов (Nichia, Cree, Osram, Lumileds, King Brite, Toyoda Gosei, Cotco).

Выводы

Высококачественные светодиодные технологии уже достигли стадии развития, когда во всех сегментах рынка они являются конкурентоспособным, если не очевидным решением. Их использование способствует устойчивому развитию — за ними будущее.

Светодиоды сегодня в 2–3 раза дороже альтернативных им люминесцентных ламп с холодным катодом, которые постоянно дешевеют.

Задачей для светодиодов сегодня является сокращение разрыва в цене по отношению к люминесцентным лампам, применяемым в подсветке, до приемлемых значений в 20–30 %. Еще один существенный недостаток высокотехнологичных диодных кристаллов: цветовая гамма. Особенно остро данная проблема выглядит на фоне постоянного и качественного улучшения технических характеристик люминесцентных ламп. Выбор для производителей, таким образом, весьма неочевиден [8].

Рассуждая о светодиодах, скажем, в году 2000–м, мало кто мог предположить, что высокотехнологичные источники света за какие-то десять лет перерастут из диковинной экзотики в индустрию реального сектора экономики объемом более 11 млрд. долларов, а сегодня это лишь вопрос времени.

Список используемых источников

  1. Берг,  А. Светодиоды. / А. Берг, П. Дин – М.: Мир, 1979. — 450 с.
  2. Круглов, И. И. Разработка промышленной технологии и организация выпуска единичных и матричных светодиодов на основе карбида кремния / И. И. Круглов, В. И. Павличенко, И. В. Рыжиков // В сб. трудов III Всесоюзной конференции по полупроводниковому карбиду кремния, М., 1970. — С. 276–290 с.
  3. Мешков, С. П.  Основы светотехники. / С. П. Мешков — М.: Техническая литература, 1960. — Т. 1, 2. — 230 с.
  4. Гридин, В. Н. Полупроводниковая лампа – источник освещения будущего / В. Н. Гридин, И. В. Рыжиков, В. Н. Щербаков // Автоматизация в промышленности, 2007. — № 7. — С. 63–65.
  5. Коган,  Л. М. Светодиодные осветительные приборы. Светотехника. 2002. № 5. С. 16–20.
  6. Сайт корпорации Nichia.
  7. Сайт корпорации Philips.
  8. Сайт корпорации Acriche.
  9. Сайт корпорации Cree.
  10. Сайт корпорации Luxeon.