ВСЕ О СВЕТОДИОДАХ

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике.

Производители и потребители, продавцы и покупатели – все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.

Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и
завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно
экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Прежде чем говорить о применении светодиодов, их достоинствах и недостатках,
ответим на несколько вопросов о сущности самого светодиода:


Что такое светодиод?

Светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток
непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется
light emitting diode, или LED.


Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и
оптической системы.

Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного современного
светодиода схематически изображена на рисунке.


Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы,
электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и
теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при
должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых
приложений.

Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют.
Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может
достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод – низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Как получить белый свет с использованием
светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов.

Первый – смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.

Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в
ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.

И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод – низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше – от нескольких сотен мА до 1А в проекте.

В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может
выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет
более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым
потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности.

Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов .

Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками
света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт
электрической мощности.

Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

В рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные
изменения напряжения приводят к большим изменениям тока.

Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его
ускоренному старению.

Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения
напряжения питания – этого-то как раз делать нельзя, – а так называемым методом
широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы).

Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться.

Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем
больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его
температура и тем быстрее наступает старение.

Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время  20 – 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости.
Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное
отличие от спектра солнца или лампы накаливания.

Хорошо это или плохо -доподлинно не известно, потому что, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось.

Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют. Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально.

Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за
исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться  в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

Возможности и применение

Изобретение первых светодиодов – полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку – относится к 1960-м годам.

Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света.

Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в
начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание
многих производителей к данным источникам света.

Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе – мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, -оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие
необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти
источники света конкурентоспособными с более традиционными -газоразрядными,
люминесцентными лампами и лампами накаливания.

Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

Преимущества

 

Экономично…

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света
обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной
работы. Для сравнения – максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Удобно…

Светодиодный модуль – многокомпонентная структура с неприхотливой схемой
подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не
только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное
световое излучение.

Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.

Надежно…

Есть надежность совершенно особого рода – та, от которой порою зависят
человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.

Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками
отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные
качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из
пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических
повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, –
3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер
безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды
являются оптимальным выбором.

Рабочее напряжение светодиодных модулей, как
упоминалось ранее, составляет 10-12В. Очевидно, что при низком напряжении не
требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также
облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в
отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света
загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение.
Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их
яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически
сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является
устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри
газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к
снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают
проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.

Красиво…

Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры.
Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные
возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким
образом, чтобы световые акценты точно работали на образ.

Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света

Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна
удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра
со спектрами имеет и экологическое значение.

Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.

Представительно…

Светодиоднве модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

Недостатки

Поверхностный взгляд на использование светодиодов сразу отмечает их высокую
стоимость – главный недостаток по сравнению с лампами накаливания и неоновыми
трубками различных типов. Если говорить о цене изделия как таковой, то LED-изделия действительно «не каждому по карману».

До сих пор затраты на светодиодные модули – два раза выше стоимости неонового изделия аналогичной яркости. Однако производители по всему миру продолжают наращивать мощности по изготовлению светодиодов, и цены на данные источники света неуклонно понижаются. По оценкам специалистов, к 2007 году цены на светодиоды (LEDs) понизятся в 10 раз по отношению к существующим.

Практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 – 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники.

Также недостатком при использовании светодиодов в конструировании объемных букв средних и крупных размеров можно считать их миниатюрность, из-за которой
требуется объединять многочисленные отдельные светодиоды в группы.

Чтобы обеспечить яркий и красочный свет, мгновенно привлекающий внимание, требуется большое количество светодиодов. В данном случае возникает необходимость использования универсальных модулей: один или два светодиода, которые можно интегрировать практически в любой рекламный образ.

Где применяют светодиоды?

  • все виды световой рекламы (вывески, щиты,
    световые короба и др.)
  • замена неона
  • дизайн помещений
  • дизайн мебели
  • архитектурная и ландшафтная подсветка
  • одноцветные дисплеи с бегущей строкой
  • магистральные информационные табло
  • полноцветные дисплеи для больших видео экранов
  • внутреннее и внешнее освещение в
    автомобилях, грузовиках и автобусах
  • дорожные знаки и светофоры

Другие сферы применения включают подсветку жидкокристаллических дисплеев в
сотовых телефонах, цифровые камеры, а также архитектурное и другие виды
освещения. Сектор электронного оборудования включает применение светодиодов в
качестве индикаторных ламп в промышленных и потребительских товарах.

Будущее за светодиодами?

Специалисты подчеркивают, что в ближайшие несколько лет цены на светодиоды
упадут до уровня, при котором готовые изделия из них будут стоить дешевле неоновых.

В этом случае необходимости в квалификации по работе с неоном, электропроводке высоковольтных проводов для подключения газоразрядных трубок и мерах для предотвращения ошибок, ведущих к перегоранию источников света, нет.

Еще более перспективны светодиодные модули – исключительный по гибкости “конструктор”
для дизайнера и изготовителя рекламы, включающий разнообразные простейшие
геометрические формы – линии, кольца, звезды, прямоугольники… Подобно
разноцветным пластиковым модулям LEGO светодиодные модули легко объединяются друг с другом и не менее легко присоединяются к любой поверхности.

Если светодиоды открывают новую эру в освещении вообще, светодиодные модули –
бесспорно, новая эра светодизайна.

Осветительный прибор как автономное устройство перестает быть главным компонентом архитектурного и интерьерного освещения; светодиодные модули делают шаг “вглубь”, встраивая, интегрируя свет в различные объекты, можно получить совершенно новую степень свободы в формировании световой среды, выходя на фантастический уровень детальности, согласованности, управляемости.

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 модулей 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. Заманчивой 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. Нужно только не забывать, что холодный свет
светодиодов не в состоянии растопить скапливающийся на карнизах снег, поэтому
использовать их (в наших краях) в архитектурной подсветке нужно в положении “светим вниз”.

Тот же аргумент справедлив для ландшафтного освещения, поэтому встраиваемые в дорожку или газон светодиодные “аплайты” зимой видны не будут.

Однако здесь есть и плюсы: светодиоды, как и оптоволоконо, можно использовать
для подсветки ледяных скульптур, замерзших прудиков из-под льда и т. д.).

Насыщенные цвета светодиодов создают фантастические эффекты при подсветке воды. Светодиодное освещение фонтанов создает ни с чем не сравнимые “флюоресцирующие” световые картины, одну из которых мы можем наблюдать в Москве (площадь Европы перед Киевским вокзалом).