Светодиодное освещение – наше будущее

1)История освещения

Сегодня зажечь свет в доме настолько просто, что, кажется, иначе и быть не может: щелкнул выключателем, и комната осветилась. Электричество стало настолько привычным, что даже удивляешься – как же обходился прежде без него человечество? А между тем «борьба за свет» вписалась любопытной страницей в историю человечества.

Понятно, самый первый источник света оказался совсем простым: горел в пещере первобытного человека костер, играя неяркими отблесками пламени на стенах. Однако когда наши далекие предки обзавелись настоящими жилищами-домами, потребовалось более совершенное техническое решение. И оно было найдено.

В поэмах Гомера можно встретить описания сосудов с раскаленным углем и промасленной или пропитанной жиром древесной стружкой. Огонь, горевший в них, и освещал жилища древних греков.

В Древнем Египете позже была изготовлена самая первая масляная лампа. И все же масло было довольно дорогим материалом. Воск оказался гораздо дешевле. На длительное время в обиход прочно вошли свечи.

В XIX (19) веке появилась, наконец, масляная лампа, конструкцию которой можно считать вполне совершенной.

Но неумолимо надвигался век электричества. И на смену пришла Электрическая лампочка. Долгое время лампочка была лучшей альтернативой в мире света, но лампы накаливания не удовлетворяли всем запросам человека, и на смену им в мир шагнуло «светодиодное освещение».

2) Эффективность светодиодных светильников

Одним из важнейших преимуществ светодиодного светильника по сравнению с традиционными лампами накаливания (ЛН), галогенными (ГЛ), люминесцентными (ЛЛ), является их эффективность, то есть способность преобразовывать потребляемую электроэнергию в видимый свет. У светильников она характеризуется так называемой световой отдачей — отношением количества света, воспринимаемого человеческим глазом (лм), к количеству электроэнергии, затрачиваемой на работу светильника (Вт). У ламп накаливания эта величина составляет 10–15 лм/Вт, а у белых светодиодов до 100 лм/Вт и выше.

Чтобы светодиодный светильник обладал высокой светоотдачей, недостаточно просто установить в нем самые эффективные светодиоды, о чем заявляют многие изготовители. Разработчик светодиодного светильника обязательно должен обеспечить правильный тепловой режим, а потребитель — соблюдать условия эксплуатации. При повышении температуры активной области светодиода на 10°С световой поток снижается примерно на 2,5%.

3)  Из Основных преимущества светодиодных светильников

1. Средний срок службы светодиодных систем освещения может быть доведен до 100 тысяч часов - 25 лет эксплуатации при 10 часовой работе в день (в настоящее время производители заявляют срок службы 50 тысяч часов), что в 50-200 раз больше по сравнению с массовыми лампами. С течением времени такие его основные характеристики как световой поток и сила света практически не претерпевают изменений. Все элементы светильника долговечны, в отличие от ламп, где применяются нити накала.

3. Отсутствие ртутных паров.

4. Высокая надежность, механическая прочность, виброустойчивость.

5. Отсутствие необходимости замены светодиодов и обслуживания светильников в течение всего срока эксплуатации, позволяет значительно экономить на обслуживающих мероприятиях и персонале.

7. В светодиодном освещении КПД использования светового потока на много больше, чем у устарелых вариантов освещения. Другим важным преимуществом использования светодиодной продукции высочайшего качества – это возможность направлять световой поток, за счет специальной оптики.

8. Полное отсутствие вредного эффекта низкочастотных. Это позволяет исключить усталость глаз при работе в таком освещении, что немаловажно для таких сфер как школьное и вузовское обучение, проектная и офисная деятельность.

9. Отсутствует опасность перегрузки городских и муниципальных электросетей в момент включения светодиодных светильников (потребляемый ток равен 0,6-0,9А, в отличии от традиционных светильников с газоразрядной лампой, где потребляемый ток около 2,2А, а пусковой ток 4,5А).

10. Мгновенное зажигание при подаче питающего напряжения и стабильная работоспособность при низкой температуре (в том числе в условиях крайнего Севера). Экономически неэффективные и устарелые, но используемые в настоящее время светильники с лампами ртутными для уличного освещения крайне неудовлетворительно запускаются при низких температурах от – 20°С. В отличие от них, светодиоды прекрасно зажигаются и работают при минусовых температурах до -50°С.

11. На практике зафиксировано значительное снижение светового потока газоразрядных ламп в процессе их эксплуатации. Снижение светового потока ртутной лампы достигает 40-60% от показателей новой лампы. Причем наибольшая скорость спада светового потока наблюдается в первые 100-200 часов эксплуатации лампы, т.е. в течение первых месяцев работы.

12. При оценке экономии электроэнергии необходимо учитывать потери на проводах линий питания светильников. Потребляемый лампами дуговыми натриевыми и ртутными ток составляет около 2А, потребляемый ток светодиодного светильника составляет намного меньшие порядки, примерно около 1мА в зависимости от режима работы. Таким образом, достигается экономия на техническом обслуживании и при монтаже светодиодных уличных систем, где используется кабель меньшего сечения.

4)Но как и все в  этом мире, светодиодное освещение не обошло недостатки, а именно это

1. цена. Отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов больше, чем у традиционных ламп. Впрочем, данный недостаток компенсируется быстрой окупаемостью светодиодных ламп за счет серьезного снижения потребляемой электроэнергии и долгого срока службы (отсутствуют расходы по замене и обслуживанию ламп), а так же за счет отсутствия затрат на специальную утилизацию.

2. При использовании светодиодных фонарей с радиаторами, заметно увеличивается масса и габариты конструкции. И конечно же это и повышает стоимость, и уменьшает долговечность работы без поломок.

3. Для питания светодиодов от 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.

5) Применение светодиодных ламп освещения актуально в любой отрасли, где практикуется хоть какой-нибудь контроль над энергопотреблением при обширности освещаемых площадей.

Как пример можно привести метрополитен. В коридорах и переходах свет не гаснет практически никогда, экономия при переводе освещение на светодиоды будет просто колоссальной, учитывая количество освещаемых площадей, вагоны железнодорожных поездов, светофоры, декоративная подсветка фасадов, фонтанов помещений и т.д.

Сегодня светодиоды наиболее востребованы в производстве светильников. Эта сфера потребления останется основной и к 2018 году, когда ее доля, по прогнозам, составит 57%.

Рост продаж светодиодов говорит о том, что увеличивается и востребованность светодиодных светильников по всему миру. По данным аналитических агентств, светодиодные светильники получили наиболее широкое распространение в 4 сферах освещения:

• Промышленное.
• Наружное (уличное).
• Архитектурное.
• Коммерческое.

Наиболее востребованы светодиодные светильники для наружного освещения, и доля их будет расти вплоть до 2018 года.

В отчете агентства CSIL за 2013 год опубликованы данные об объемах продаж только светодиодных светильников (количество ламп не учитывалось). Они увеличились до 20 млрд.долларов.

В России развитие идет стремительными темпами. Если в 2009 году объем российского рынка составлял 2,6 миллиарда рублей, то в 2013 году этот показатель, по статистике Research Techart, достиг отметки в 13,7 миллиардов рублей. На отечественном рынке доля продаж промышленных светодиодных светильников выше, чем в Европе. В 2015 году она составила 4,1 млрд рублей. А в 2018 году, по прогнозам Research Techart, вырастет до показателя 6,9 млрд рублей. Высокие темпы развития отрасли LED-продукции обусловлены тем, что российские предприятия активно внедряют программы энергосбережения. Это способствует и развитию собственного производства светодиодного оборудования для промышленного освещения.

Приведу несколько комментариев ведущих аналитических агентств мира: «Title»- Светодиодные технологии: тенденции рынка в России и в мире, «Decription»- Светодиодное освещение год за годом вытесняет традиционные источники освещения на мировом рынке осветительных систем. Агентство «Strategies Unlimited» опубликовало статистику за 2015 год, согласно которой общий объем продаж светодиодной продукции составил 19,4 млрд долларов. Это на 6,5% больше, чем в 2014 году

И исходя из анализа «мира лампочек», было решено создать фонарь со светодиодами, и не таким как в мире миллионы, а такой который решает проблемы вызванные радиатором. А именно я убраю его из конструкции, и систему охлаждения построю без него.

6)Понятие, виды, структура светодиодов

Так что же такое сам светодиод!? Светодиод-это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение.

7) Охлаждение и регулирование температурных режимов светодиодов. Неисправности, связанные с воздействием высоких температур

Cрок службы светодиода зависит от используемого полупроводникового материала, а также отношения тока светодиода к количеству выделяемого тепла. Световая отдача постепенно снижается, и после того как она достигнет 50% от начального значения, ожидаемый срок службы светодиода по определению истекает. Достижимый срок службы светодиодов высок, но только в отсутствие воздействия высоких температур, которые радикально его сокращают.

Мощность излучения, или световой поток светодиода, сильно зависит от температуры p-n-перехода кристалла. Это значит, что КПД существенно уменьшается с ростом температуры. Хотя светодиод и называют «холодным излучателем», в свет преобразуется не вся его электрическая энергия. Как и в других полупроводниковых устройствах, большая ее часть (70–80%) превращается в тепло. Именно поэтому, в отличие от тепловых излучателей (например, ламп накаливания), светодиоды нуждаются в обязательном регулировании температурных режимов (охлаждении).

При всех великолепных характеристиках высокоэффективных белых светодиодов- их длительная и бесперебойная работа, а значит, воплощение в жизнь новых технологий освещения возможны только при соблюдении граничных условий, накладываемых на температурные режимы.

8)Регулирование температурных режимов

Теплоинженерные расчеты для оптимального охлаждения чрезвычайно сложны, поскольку необходимо учесть конструкцию светодиода и общее тепловое сопротивление как сумму тепловых сопротивлений отдельных материалов и переходов. Как уже было сказано, лишь около 20–35% номинальной мощности светодиода преобразуется в свет — остальная мощность теряется в виде выделяемого тепла, которое должно рассеиваться в окружающую среду с компонентов системы во время работы светодиода.

Есть три возможных способа охлаждения светодиода: через корпус, через печатную плату и с помощью радиаторов.

1) При охлаждении светодиода через корпус отводимое тепло проходит два участка: между p-n-переходом и выводами светодиода, а далее между выводами и окружающей средой.

2) Другой метод охлаждения предполагает монтаж радиатора на той же печатной плате, на которой установлены светодиоды. При интенсивном тепловыделении используются печатные платы особой конструкции. Алюминиевое основание позволяет отводить тепло от светодиодов в окружающую среду через тепловые.

3) Среди других методов охлаждения светодиодов с большим тепловыделением можно упомянуть термоэлектрическое (на базе элементов Пельтье) и жидкостное охлаждение (через микроканалы и т. п.). Однако эти методы находят лишь ограниченное применение по причине их дороговизны.