Светодиодное освещение.

В современном домашнем освещении начинают широко использоваться светодиодные светильники. Как правило, в них установлен  не один, а несколько светодиодов.

Светодиод (LED, OLED или СИД) – полупроводниковое или органическое квантовое устройство, предназначенное для преобразования электрического тока в свет. Физическая основа этого явления теоретически довольно проста. При протекании прямого постоянного тока через p-n переход происходит излучательная рекомбинация свободных носителей с испусканием определенных длин волн. LED – это аббревиатура от light emitting diode.

Однако на практике потребовалось много лет для разработки новых современных технологий создания мощных сверхярких светодиодов, пригодных для решения задач освещения.

Первыми LED-приборами с 60-х годов прошлого века были устройства пригодные лишь для индикации. Сейчас для изготовления СИД чаще используются самые различные полупроводниковые гетероструктуры, но придет время, и светящиеся плоские панели OLED, которые дают мягкий и рассеянный свет, во многих применениях заменят LED. Например, на структурах AlInGaP, получают красные, оранжевые и янтарные светодиоды. На InGaN – в том числе и белые.

Рис 1

Для получения белого света часто используют синие светодиоды с нанесенным на них желто-зеленым люминофором. Или применяют ультрафиолетовый LED со смесью трех люминофоров. Третий способ заключается в точном смешивании излучения трех (или больше) светодиодов, обычно красного, зеленого и синего цветов .

При производстве на полупроводниковые чипы кроме нанесения люминофора монтируется ещё и специальная оптическая система, и далее готовые сборки устанавливаются в светильник, причем обязательно предусматривается теплоотвод. На каждый ватт LED используется радиатор массой от 80 до 100 г, если в светильниках не применяются улучшенные системы охлаждения.

К непременным достоинствам светодиодов следует отнести:

• экологичность и безопасность;
• большой срок службы;
• высокие параметры эффективности более 100 лм/Вт;
• возможность просто управлять яркостью и использовать цветовое смешение излучения RGB-приборов для получения практически любого оттенка из 16 миллионов цветов.

Среди свойств также можно отметить отсутствие пульсаций (мерцаний) излучения, узость спектра и диаграммы направленности излучения для LED. Преимуществом являются и малые габаритные размеры, а также возможность создавать конструкции светильников практически на любой вкус и с различными вариантами монтажа.

Многих удивляет, что маломощные устройства практически холодные, особенно если их сравнивать с лампами накаливания. Кроме того, это быстрые приборы - они почти мгновенно включаются и не боятся частых переключений, как иные энергоэффективные КЛЛ-лампы. Также следует отметить потенциальное отсутствие шумов функционирования в хороших светильниках и возможность применения для целей освещения низковольтного, безопасного для человека постоянного напряжения.

Немного о недостатках

Однако и у подобных приборов есть недостатки. Это довольно сильная зависимость параметров светодиодов от температуры работы и снижение характеристик при существенных сроках эксплуатации, а также пока большая цена в сравнении с традиционными источниками света, особенно с обычной маломощной лампой накаливания. Стоимость одного люмена сейчас достигла 3-4 руб. Кроме этого, при прямом попадании в глаз человека излучения мощного светодиода возникают болезненные ощущения, поэтому следует принимать меры к защите глаз от подобных последствий.

С высокой ценой и некоторым снижением параметров при использовании светодиодных светильников можно смириться, однако изменению их свойств при температуре следует уделять значительно большее внимание, иначе характеристики, которые были заявлены для светильника, окажутся просто не достижимы в условиях его реальной эксплуатации. Это особенно важно для мощных приборов. В настоящее время разработаны различные варианты СИД и конструкций на их основе, которые пригодны как для замены традиционных ламп и светильников, так и могут быть применены в новых типах устройств – светящиеся ленты, приборы с регулируемым цветом света и так далее.

Выпускаются как обычные ленты со светодиодами в катушках длиной 3-5 метров, так и влагозащищенные, предназначенные для уличного использования. Стоит, однако, заметить, что прямая замена лампы накаливания на светодиодную с тем же цоколем в обычном светильнике с сохранением всех параметров освещения, как правило, не возможна.

Какие же бывают?

По конструкции и способу монтажа можно определить несколько типов LED-светильников предназначенных для замены традиционных источников света. Таких классов как минимум четыре: для замены ламп накаливания с цоколем Е27 или Е14, для замены «галогенных» ламп с цоколем G и GU, для замены люминесцентных ламп Т8 и Т5, а также в составе офисных светильниках для монтажа в подвесной потолок типа «Армстронг» - рис.2, 3 и 4.

К ним можно добавить светильники прожекторного типа и светящиеся ленты рис.5 и 6. Отдельно следует рассматривать светильники произвольной конструкции, которые могут быть выполнены как монтаж отдельных светодиодов в потолок типа «звездного неба» рис.7, и как иные различные и уникальные дизайнерские решения.

По типу свечения следует выделить две главные группы: белые и цветные светодиоды. Белые светодиоды согласно стандарту МКО имеют разную цветовую температуру и составляют три подгруппы: так называемые теплые Тц ≤3000 К, нейтральные(средние) Тц =3300-5300 К и холодные ≥5300 К. Кроме этого у них может быть существенно различный индекс цветопередачи CRI (лучше когда он больше 80). Светодиоды с низким качеством цветопередачи - менее 40 - для применения в общественных зданиях не допускаются.

Среди цветных светодиодов можно определить отдельный класс RGB-приборов, которые путем управления красным, зеленым и синим светодиодами позволяют получать любые требуемые цвета, отттенки и даже использовать их динамические изменения - переливы.

Малые габариты и различные конструкции светодиодов и светильников на их основе позволяют проводить монтаж в практически любых местах: на стене, потолке, в полу, на улице при степени защиты не менее IP44-54 и даже в грунте при степени защиты IP67 .

Рис 2

Рис 4

Рис 6

Светодиодные светильники различаются по мощности. Сейчас уже есть LED-лампы, предназначенные для замены 60-75 Ваттных ламп накаливания, при этом их электрическая мощность не превышает 12-16 Вт.

Рис 3

Рис 5

Рис 7

Это маломощные приборы, а вот, например светильники с потоком более 1000 люменов и мощностью более 20-30 Вт следует относить уже к мощным устройствам.

Типы питания

По типу питания можно выделить несколько видов СИД-светильников: от силовой линии переменного напряжения 220-230 В и от постоянного напряжения 12-24 В. Максимального напряжения 24 В, как правило, хватает для питания цепочки из 6 светодиодов, но на самом деле ограничивается постоянный ток, который протекает через них. Для многих типов светодиодов номинальный ток определен в 350 мА, но они могут быть работоспособны и при токе 700 мА. Заметим, что яркость светодиодов управляется не напряжением, которое подается на них, а током, который через них пропускается.

При этом прямое напряжение варьируется от 2 до 4.5 В, в зависимости от спектра и величины тока, причем это напряжение падает по мере повышения температуры работы СИД. Следует отметить, что при нормальных условиях эксплуатации, срок работоспособности светодиодов может достигать 50 тыс. часов, что соответствует 20 годам даже при эксплуатации по 7 часов каждый день.

Это формирует совершенно иные требования к надежности электронных драйверов, конструкции устройств и системам управления, по сравнению с традиционными светильниками в современных домах.

Интересно отметить, что кроме включения цепочкой, возможно соединение светодиодов по матричной схеме, и в этом случае перегорание одного из светодиодов не приводит к выходу из строя всего светильника, а лишь незначительно ухудшает его параметры. Таким образом, можно считать, что правильно разработанные и сконструированные СИД-светильники очень практичны, хотя не следует забывать, что ухудшение условий освещения, связанные с накопление пыли на них никто не отменял.

Типы управления

Светодиодные светильники следует различать и по способу управления. Чаще всего светильники-лампы, питающиеся от силовой сети 220-230 В, имеют в своем составе только простой преобразователь – драйвер, формирующий постоянное напряжение для питания цепочки светодиодов.

В некоторых драйверах для управления яркостью может быть использовано управляющее напряжение 1-10 В или способ ШИМ. В последнее время применяются и различные протоколы, такие как DALI, KNX, a в сложных и профессиональных светильниках чаще всего используют специализированный DMX протокол. Также для целей управления применяют различные контроллеры, которые подключаются к светильникам.

Для правильного использования каждого осветительного прибора, кроме его мощности или светового потока должно быть обязательно задано предельное напряжение питания и способ/протокол управления. Иначе при интегрировании в общую систему освещения не удастся его включить или будет не возможно достижение требуемых от него функций в составе системы «умного дома» - АСУЗ.