Эволюция освещения: энергосберегающие светильники на полупроводниковых источниках

Содержание

• Что такое светодиод и как он работает
• Способы получения белого света от светодиодов
• Область применения

Пожалуй, самое серьезное препятствие на пути к энергосбережению — консервативное экономическое мышление. На первое место ставится стоимость покупки хотя разница полностью окупается за несколько лет, а потом выходит постоянная экономия. При этом в обычном расчете во внимание берется лишь прямая экономия, а комплекс косвенных показателей: уменьшение энергодефицита, объемов дополнительного строительства, потребностей в кабельно-проводниковом оборудовании в итоге сокращает этот срок вдвое. Скорее всего, многих смущает долговечность современных светильников. Ведь она может сделать ненужными некоторые ведомства, занятые обслуживанием фонарей. Но эти опасения беспочвенны. Чтобы полностью переоборудовать улицы под новые системы освещения, потребуются долгие годы, так что без работы никто не останется. Кроме того, даже в мегаполисах неосвещенных улиц по-прежнему много, да и новые появляются постоянно.

Особенно актуальна проблема энергосбережения при строительстве и вводе в эксплуатацию новых зданий. Например, для населенного пункта в 100000 человек нужно около 9000 светоточек. Если вместо так называемых энергосберегающих светильников с натриевыми лампами поставить светодиодные, можно получить экономию электроэнергии до 3 ГВт в год. И это не только уменьшение расходов на подключение, но и возможность применения кабелей с меньшим сечением и пр.

Использование светодиодов приводит к более чем двукратной экономии электроэнергии, не имеет нужды в специальном обслуживании в противоположность стандартным осветительным системам. Переоборудование городских улиц светодиодными светильниками даст освещение, близкое к естественному.

Что такое светодиод и как он работает

Первый светодиод появился в 1960 г. Он работал всего несколько часов и излучал тускло желтый свет. Современные светодиоды воспроизводят мельчайшие оттенки цветов. Их яркость регулируется в зависимости от освещения А работают они до 100 000 часов. По сути, светодиоды – это компактные индикаторы, как правило, красного или зеленого цвета. Они используются в аудио- и видеоаппаратуре, в бытовой технике. Трудно поверить, но за этими крошечными лампочками огромные перспективы.

Светодиод (на Западе применяют аббревиатуру LED – light emitting diodes) — это полупроводниковый прибор, который переводит электрический ток в световое излучение. Он представляет собой p-n-переход. Это как бы «кирпичик» полупроводниковой электроники, который состоит из двух кусков полупроводника с различными типами проводимости – n-тип с избытком электронов, p-тип с избытком дырок. Если к p-переходу присоединить источник тока плюсом, то через него пойдет ток. Новые разработки позволяют формировать интегральные схемы, включающие бессчетное число p-n переходов на одном кристалле; например, в процессоре Pentium-IV их умещается десятки миллионов.

Итак, ток пошел через p-n переход. Это тот самый момент, когда происходит перераспределение носителей электрического заряда — электронов и дырок — когда отрицательно заряженные электроны присоединяются к положительно заряженным ионам кристаллической решетки полупроводника. Это перераспределение может быть излучательным, то есть при соединении дырки и электрона энергия преобразуется в излучение кванта света — фотона. Если перераспределение не привело к образованию излучения, то энергия превращается в тепловую и идет на нагрев вещества. В природе есть более 5 видов излучательного перераспределения носителей, в том числе прямозонное перераспределение.

Эффективность свечения светодиодов на заре их существования измерялась в Вт по мере увеличения их КПД, а теперь определяется световым потоком (Лм) или светоотдачей Лм/Вт. Световой поток – это плотность светового излучения, которое мы видим, а светоотдача — это интенсивность светового потока на 1 Вт расходуемой мощности. Именно по светоотдаче можно судить об энергосберегающих характеристиках любых световых приборов. Соответственно, чем больше светоотдача, тем более энергосберегающим можно считать световой прибор. Для наглядности приведем некоторые цифры:

• светоотдача ламп накаливания — 15 Лм/Вт;
• светоотдача люминесцентных ламп — 60 Лм/Вт;
• светоотдача металлогалогеновых ламп — 85 Лм/Вт.

Постоянное изучение свойств светодиодов привело к появлению эффективных светодиодов, дающих излучение в различных областях спектра. Например, светодиоды на основе фосфидов алюминия, галлия, индия (разработка компании Hewlett Packard) давали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет. Их световая отдача была до 30 Лм/Вт, а внешний квантовый выход до 55%, что, конечно, намного превосходило любые лампы накаливания. Причем нужно учитывать, что в противоположность традиционным лампам светодиоды излучают свет в довольно узкой линии спектра — шириной всего 20-50 нм. По этому показателю они находятся где-то между лазерами (их свет монохромен, то есть излучение идет со строго установленной длиной волны) и лампами разных видов, которые дают белый свет (комбинация излучений разных спектров). Подобное узкополосное излучение еще называют квазимонохроматическим. Светодиоды уже долгое время являются лучшими источниками «цветного» света, и давно превзошли в этом отношении лампы накаливания со светофильтрами.

Например, светоотдача лампы накаливания с красным светофильтром измеряется лишь в 3 Лм/Вт, а вот красные светодиоды в настоящее время производят 30 Лм/Вт и более.

Появление синих светодиодов стало кульминацией и замкнуло "RGB-круг": сейчас можно получить любой цвет и любой оттенок белого цвета, элементарно смешав разные цвета. Для этого можно использовать и отдельные светодиоды, и трехкристалльные светодиоды, которые внутри одного корпуса содержат три кристалла красного, зеленого и синего свечений.

Способы получения белого света от светодиодов

• Первый — комбинация цветов по технологии RGB. На одной основе, тесно прилегая друг к другу, располагаются красные, синие и зеленые светодиоды, и их излучение миксуется посредством оптической системы, скажем, линзы. В итоге получается тот самый белый свет. Есть и менее популярный способ: для получения белого света миксуется излучение светодиодов основных и других цветов.
• Второй способ. Желтый (или смесь красного с зеленым) люминофор наносится на синий светодиод. Тогда 2 или 3 излучения опять же соединяются и образуют белый или сходный с ним цвет.
• Третий способ. На корпус светодиода, дающего излучение в ультрафиолетовом спектре, накладываются три люминофора, дающих синий, зеленый и красный цвета. Принцип действия схож с работой люминесцентной лампы.
• Четвертый способ базируется на применении полупроводника ZnSe. Его строение представляет собой синий светодиод ZnSe, сформированный на ZnSe-платформе. Активная область проводника, таким образом, дает синий свет, а платформа — желтый. Первый белый светодиод появился несколько лет назад. Специалисты ведущих инженерных компаний предложили применение диодной технологии при производстве любых экранов (включая экраны мобильных телефонов). В министерстве энергетики США идет дискуссия о снижении на 90% расходов на освещение с появлением диодной технологии. Крупнейшие корпорации вкладывают средства в дальнейшее совершенствование светодиодных технологий, так что в ближайшее время можно ожидать новых предложений на этом рынке. Тем более что спрос постоянно растет.

Область применения

Возможности практического применения светодиодов при освещении помещений сегодня представляют интерес для многих потребителей. Но наиболее актуальным остается вопрос именно наружного освещения, поэтому здесь светодиоды «захватывают власть» особенно интенсивно.

Сначала светодиоды использовались в конструкциях, где максимальный уровень освещенности не требовался. Это дежурное и аварийное освещение, ночное интерьерное освещение, знаки и таблички, маркировочное освещение. Однако нужно помнить, что интенсивный свет светодиодных «световых маркеров» может быть применен для создания в помещении цветовых зон и цветовых акцентов. Комбинация светопрозрачных элементов интерьера — окна, стеновые панели, стеклянная мебель со светодиодными осветительными приборами приводит к появлению светящихся и меняющих цвет форм. Использование ультракомпактных источников света дает возможность «творить» необычные, порой фантастические световые формы и образы даже в самых обыденных и скучных интерьерах. Чем выше светоотдача и чем ниже цена светодиодных светильников, тем более популярными они становятся не только в локальных, но и в любых других системах освещения.

А вот что касается наружного освещения, то здесь светодиоды стали гораздо более востребованы. Сегодня архитекторы и дизайнеры научились создавать гибкие светодиодные формы для декорирования зданий световыми карнизами. Да и в шоу-бизнесе светодиоды просто незаменимы: любой цвет, свет, любые формы и целые световые картины можно создавать с помощью этой технологии, практически меняя время и пространство по вкусу заказчика.