Skip to main content

Светильники LED. Луч света в темном царстве.

АССОРТИМЕНТ-


С изобретением лампы накаливания и всеобщей электрификацией, человечество сделало решительный шаг из многовековой тьмы и уверенно продолжает идти к свету. Лампы накаливания постепенно уходят в прошлое, их заменили люминисцентные лампы в разных модификациях, а в спину уже дышат светодиодные лампы и светильники LED. На наших глазах свершается новый прорыв в технологии освещения, кого сразу интересуют цены - смотрите ниже:
Прожектора LED сравнегние
Прожектора LED, ассортимент, цены
Кому интересна предыстория - вспомним.
Светодиод, как полупроводниковый элемент, преобразующий электрический ток в определенный спектр светового излучения известен давно и с большим успехом используется практически во всех сферах бытовой и промышленной электроники. Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены Ником Холоньяком1 в 1962 году. В начале 70-х годов появились светодиоды жёлтого и зелёного цветов свечения. Световой выход этих малоэффективных устройств к 1990 году достиг уровня в 1Лм/Вт, что не давало шансов использовать светодиоды как осветительные приборы. В 1993 году Сюдзи Накамура2, инженер компании Nichia (Япония), создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB устройства, поскольку синий, красный и зелёный цвета позволяли получать любой цвет, в том числе и белый. Более продвинутые белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996г. В дальнейшем технология создания новых светодиодов быстро развивалась и к 2005 году световая отдача светодиодов достигла значения 100Лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света и его экономичность позволили светильникам LED конкурировать с лампами накаливания и ставшими уже традиционными люминесцентными лампами. Началась эра использования светодиодных осветительных устройств в быту, во внутреннем и уличном освещении, на промышленных объектах и строительных площадках.
Теперь давайте разберемся в терминах.
Белый светодиод на сегодня — это многокомпонентный полупроводниковый прибор, излучающий свет, близкого к белому, в силу особенностей психофизиологии восприятия цвета человеческим глазом (метамерия). Различают два вида белых светодиодов:
многокристальные светодиоды, чаще — трёхкомпонентные (RGB-светодиоды), имеющие в своём составе три полупроводниковых излучателя красного, зелёного и синего свечений, объединённых в одном корпусе
люминофорные светодиоды, созданные на основе ультрафиолетового или синего светодиода, имеющего в своём составе слой специального люминофора, преобразующего часть излучения кристалла светодиода в свет относительно широкой спектральной полосы с максимумом в области жёлтого (наиболее распространённая конструкция). Излучение светодиода и люминофора, смешиваясь, дают белый свет различных оттенков.
Теперь более подробно о каждом виде.
Типичный спектр RGB светодиода - белый свет может быть создан путем смешивания излучений светодиодов различных цветов. Наиболее распространена трихроматическая конструкция из красного (R), зелёного (G) и синего (B) источников, хотя встречаются и другие варианты. Многоцветный светодиод имеет один законченный корпус, чаще всего аналогичный одноцветному светодиоду. Светодиодные чипы располагаются рядом друг с другом и используют одну общую линзу и отражатель. Поскольку полупроводниковые чипы имеют конечный размер и собственные диаграммы направленности, такие конструкции, чаще всего, имеют неравномерные угловые цветовые характеристики. Кроме того, для получения правильного соотношения цветов недостаточно установить расчётный ток, поскольку световая отдача каждого чипа заранее неизвестна и подвержена изменениям в процессе работы. Для установки нужных оттенков RGB светильники иногда оснащают специальными регулирующими устройствами. В таком варианте RGB-светодиоды позволяют легко и в широких пределах управлять цветом свечения путём изменения тока каждого светодиода, входящего в «триаду» и регулировать цветовой тон излучаемого ими белого света прямо в процессе работы — вплоть до получения отдельных самостоятельных цветов. Многоцветные светодиоды имеют зависимость световой отдачи и цвета от температуры за счёт различных характеристик излучающих чипов, что сказывается на изменение цвета свечения в процессе работы. Срок службы многоцветного светодиода определяется долговечностью полупроводниковых чипов, зависит от конструкции и чаще всего превышает срок службы люминофорных светодиодов. Многоцветные светодиоды используются в основном для декоративной и архитектурной подсветки, в электронных табло и в видеоэкранах.
Спектр одного из вариантов люминофорного светодиода - комбинирование синего (чаще) или ультрафиолетового (реже) полупроводникового излучателя и люминофорного конвертера, что позволяет изготовить недорогой источник света с неплохими характеристиками. Самая распространённая конструкция такого светодиода содержит синий полупроводниковый чип нитрида галлия, модифицированный индием (InGaN) и люминофор с максимумом переизлучения в области жёлтого цвета: иттрий-алюминиевый гранат, легированный трёхвалентным церием (ИАГ). Часть мощности исходного излучения чипа рассеивается через слой люминофора, другая часть поглощается люминофором и переизлучается в области меньших значений энергии. Спектр переизлучения захватывает широкий спектр от красного до зелёного, однако результирующий спектр такого светодиода имеет ярко выраженный провал в области сине-зелёного цвета.
В зависимости от состава люминофора получаются светодиоды с разной цветовой температурой («тёплые» и «холодные»). А путём комбинирования различных типов люминофоров достигается значительное увеличение индекса цветопередачи (CRI3 или Ra4), что дает возможность применения светодиодного освещения в критических для качества цветопередачи условиях.
Один из путей увеличения яркости люминофорных светодиодов при сохранении или даже снижении их стоимости — увеличение тока через полупроводниковый чип без увеличения его размеров, т.е. увеличение плотности тока. Такой метод требует одновременного повышения качества как самого чипа, так и теплоотвода. Увеличение плотности тока до предельного уровня приводит к локальным перегревам участков чипа, из-за неоднородности материала, что влияет на световой выход и долговечность светодиода в целом.
Одна из самых обсуждаемых тем в области технологии полихромных светодиодов — это их надёжность и долговечность. В отличие от многих других источников света, светодиод с течением времени меняет свои характеристики светового выхода, диаграммы направленности, цветовой оттенок, но редко выходит из строя полностью. Поэтому для оценки срока полезного использования принимают, например для освещения, уровень снижения светоотдачи до 70% от первоначального значения. То есть, светодиод, яркость которого в процессе эксплуатации снизилась на 30%, считается вышедшим из строя. Для светодиодов, используемых в декоративной подсветке, используется в качестве оценки срока жизни уровень снижения яркости 50%.
В конечном итоге, срок службы люминофорного светодиода зависит от многих параметров. Кроме качества изготовления самой светодиодной сборки: способа крепления чипа на кристаллодержателе (тип SMD) или непосредственно на плате (COB матицы), способа крепления токоподводящих проводников, качества и защитных свойств герметизирующих материалов - время жизни в основном зависит от особенностей самого излучающего чипа и от изменения свойств люминофора с течением наработки (деградация). Другим основным фактором влияния на срок службы светодиода считается температура.
Полупроводниковый чип в процессе работы часть электрической энергии преобразует в излучение, часть энергии выделяется в виде тепла. При этом, в зависимости от эффективности такого преобразования, количество тепла составляет около половины для самых эффективных излучателей. Сам полупроводниковый материал обладает невысокой теплопроводностью, кроме того, материалы и конструкция корпуса обладают определённой неидеальной тепловой проводимостью, что приводит к разогреву чипа до высоких (для полупроводниковой структуры) температур. Современные светодиоды работают при температурах чипа в районе 70...80°C. И дальнейшее увеличение этой температуры при использовании нитрида галлия недопустимо. Высокая температура приводит к увеличению количества дефектов в активном слое, изменению оптических свойств подложки и поглощению фотонов материалом чипа. Увеличение мощности и долговечности достигается усовершенствованием как самой полупроводниковой структуры (снижение локального перегрева), так и развитием конструкции светодиодной сборки, улучшением качества охлаждения активной области чипа. Также проводятся исследования с другими полупроводниковыми материалами или подложками.
Люминофор также подвержен действию высокой температуры. При длительном воздействии температуры коэффициент преобразования, а также, спектральные характеристики люминофора ухудшаются. В первых и некоторых современных конструкциях полихромных светодиодов люминофор наносится прямо на полупроводниковый материал и тепловое воздействие было максимально. Кроме мер по снижению температуры излучающего чипа, производители используют различные способы снижения влияния температуры чипа на люминофор. Технологии изолированного люминофора и конструкции светодиодных ламп, в которых люминофор физически отделён от излучателя, позволяют увеличить срок службы источника света.
Корпус светодиода, изготавливаемый из оптически прозрачной кремнийорганической пластмассы или эпоксидной смолы, также подвержен старению под воздействием температуры и со временем начинает тускнеть и желтеть, поглощая часть излучаемой светодиодом энергии. Отражающие поверхности портятся при нагреве — вступают во взаимодействие с другими элементами корпуса и подвержены коррозии. Все эти факторы в совокупности приводят к тому, что яркость и качество излучаемого света постепенно снижается. Однако, этот процесс можно успешно замедлить, обеспечивая эффективный теплоотвод.
Теперь о яркости и качестве света. Самым важным параметром считается даже не яркость светодиода, а его световая отдача, то есть световой выход с каждого ватта потреблённой светодиодом электрической энергии. Световая отдача современных светодиодных COB матриц достигает 150...170 Лм/Вт. Теоретический предел технологии оценивается в 260...300 Лм/Вт. При оценке необходимо учитывать, что эффективность светильника на базе светодиодов существенно ниже за счёт КПД источника питания, оптических свойств рассеивателя, отражателя и других элементов конструкции. Кроме того, производители зачастую указывают начальную эффективность излучателя при нормальной температуре. Тогда как температура чипа в процессе работы значительно выше. Это приводит к тому, что реальная эффективность излучателя ниже на 5...7%, а светильника — зачастую вдвое меньше излучения самого светодиодного чипа.
Второй не менее важный параметр — качество производимого светодиодом света. Для оценки качества цветопередачи существует три параметра.
Цветовая температура, цветовая коррелированная температура (correlated color temperature, CCT) — характеризует оттенок цвета, даётся производителями для указания субъективного восприятия цветового оттенка света, производимого источником, в сравнении с Планковским чёрным телом, нагретым до указанной температуры (в Кельвинах). Для освещения жилых помещений, преимущественно используют излучатели тёплого света (от 2700K до 3000K) и в некоторых случаях нейтрального (от 3500K до 4000K).
Индекс цветопередачи (color rendering index, CRI) — характеризует полноту спектра излучения, способность передавать правильно цвет предметов, по сравнению с солнечным светом. Определяется по стандарту опытным путём при сравнении цвета восьми эталонов, освещённых тестовым источником и максимально приближенным к идеальному. Считается, что источник бытового освещения должен иметь индекс цветопередачи не менее 80.
Качество света. Цветовая температура и индекс цветопередачи во многих случаях не могут адекватно передать качество производимого светодиодами света. Это в основном определяется особенностями спектра с резкими выбросами и провалами. Некоторые цвета, такие как глубокий красный, не анализируются по стандарту измерения CRI. Для более полной оценки качества света принимаются новые методики, например основанные не на восьми, а на девяти эталонах (с дополнительным девятым эталоном красного цвета R9), шкала качества цвета (Color Quality Scale, CQS), которая в будущем может заменить CRI.
Кроме уже ставшего распространённым варианта комбинации голубого светодиода и ИАГ, развивается также конструкция на базе ультрафиолетового светодиода. Полупроводниковый материал, способный излучать в близкой ультрафиолетовой области, покрывают несколькими слоями люминофора на базе европия и сульфида цинка, активированного медью и алюминием. Такая смесь люминофоров дает максимумы переизлучения в районе зелёной, синей и красной областей спектра. Полученный белый свет обладает весьма хорошими характеристиками качества, однако эффективность такого преобразования пока невелика. Этому есть три причины. Первая связана с тем, что разница между энергией падающего и излученного квантов при флюоресценции теряется (переходит в тепло), и в случае ультрафиолетового возбуждения она значительно больше. Вторая причина — в том, что часть УФ излучения, не поглощенная люминофором, не участвует в создании светового потока, в отличие от светодиодов на основе синего излучателя, а увеличение толщины люминофорного покрытия приводит к повышению поглощения в нём света люминесценции. И наконец, КПД ультрафиолетовых светодиодов значительно ниже КПД синих.
Учитывая высокую стоимость по сравнению с традиционными лампами, необходимы веские причины для использования светодиодных источников освещения.
Основное преимущество белых светодиодов — высокий КПД. Низкое удельное энергопотребление позволяет применять их в длительно работающих источниках автономного и аварийного освещения.
Высокая надежность и длительный срок службы позволяют говорить о возможной экономии на замене ламп. Кроме того, использование светодиодных источников света в труднодоступных местах и уличных условиях позволяет снизить затраты на обслуживание. В совокупности с высокой эффективностью, можно сказать о существенной экономии средств при использовании светодиодного освещения.
Малый вес и размер устройств. Светодиоды отличаются малыми габаритами и пригодны для использования в труднодоступных местах и малогабаритных переносных устройствах.
Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения в спектре позволяет использовать светодиодное освещение без вреда для человека и в специальных целях (например, для освещения раритетных книг или других подверженных влиянию света предметов), так как ультрафиолет губителен для тканей, живописи и кожи человека, а инфракрасное излучение дает много тепла и может привести к ожогам.
Отличная работа при отрицательных температурах без снижения, а зачастую и с улучшением, параметров. Большинство типов светодиодов показывают большую эффективность и долговечность при снижении температуры, однако устройства питания, управления и элементы конструкции могут иметь противоположную зависимость.
Светодиоды — безынерционные источники света, они не требуют времени на прогрев или выключение, как например, люминесцентные лампы и количество циклов включения и выключения не оказывает негативного влияния на их надежность.
Хорошая механическая прочность позволяет использовать светодиоды в тяжёлых условиях эксплуатации.
Легкость регулирования мощности как скважностью, так и регулированием тока питания без снижения параметров эффективности и надёжности.
Безопасность использования, нет опасности поражения электрическим током за счет низкого питающего напряжения.
Низкая пожароопасность, возможность использования в условиях взрывоопасности и опасности возгорания за счет отсутствия нити накаливания.
Влагостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред.
Химическая нейтральность, отсутствие вредных выбросов и отсутствие специальных требований к процедурам утилизации.
Но светильников LED есть и недостатки
■ Белые светодиоды в производстве значительно дороже и сложнее аналогичных по световому потоку ламп накаливания, хотя их цена постоянно снижается и на сегодня довольно приемлема.
■ Обладают в большинстве невысоким качеством цветопередачи (индекс CRI, по сравнению с солнечным цветом), которое, однако, постоянно растет с развитием технологий производства светодиодов.
■ Существуют опасения о вреде светодиодных источников для подверженных влиянию света предметов, например, произведений искусства, а также, вероятно вредное воздействие на органы зрения. Следует отметить, что подобные утверждения и исследования, как правило, относятся к холодным лампам (>5000К, чей свет в значительной мере отличается от привычного солнечного спектра).
■ При переходе от бытовых к промышленным светильникам требуется продуманная и надёжная система охлаждения.
■ Принципиальная невозможность работы при повышенных температурах окружающей среды более 60...80°C.
■ В силу значительной нелинейности вольт-амперной характеристики светодиоды не могут питаться напрямую от источников напряжения и требуют для сохранения высокого КПД всей системы применения достаточно сложных специализированных источников питания (обычно импульсных преобразователей — драйверов). В бытовых светодиодных лампах преобразователь встраивают в цоколь, что повышает требование к его охлаждению.
Светодиоды освещения обладают также особенностями, присущими всем полупроводниковым излучателям, учитывая которые, можно найти наиболее удачное применение, например, направленность излучения. Светодиод светит только в одну сторону без применения дополнительных отражателей и рассеевателей. Светодиодные светильники наилучшим образом подходят для местного и направленного освещения.
Освещение
Прожектора LED, прожектора галогенные и натриевые

Технологии изготовления светодиодов белого цвета, пригодных для целей освещения, находятся в стадии активного развития. Исследования в этой области стимулируются повышенным интересом со стороны общества. Перспективы значительной экономии энергии привлекают инвестиции в сферу изучения процессов, развития технологии и поиска новых материалов. Судя по публикациям производителей светодиодов и сопутствующих материалов, специалистов в области полупроводников и светотехники, можно обозначить пути развития в этой области.
■ Исследования и поиск более эффективных и качественных люминофоров. Коэффициент преобразования люминофора влияет на общую эффективность светодиода, кроме того, спектр переизлучения во многом определяет качество излучаемого света. КПД самого на сегодняшний день популярного люминофора ИАГ составляет немногим более 95%. Эффективность же других люминофоров, обеспечивающих лучший спектр белого света, существенно меньше. Получение более эффективного, долговечного и с нужным спектром люминофора является целью многочисленных исследований.
■ Комбинированные многокомпонентные светодиоды. Кроме комбинации полупроводниковых чипов различного цвета появляются светодиоды, содержащие несколько цветных чипов и люминофорный компонент. Результирующий многокристальный светодиод получается ярким и хорошего качества, но его стоимость пока высока.
■ Белые светодиоды на квантовых точках. Использование в качестве конвертора квантовых точек позволяет создать светодиод с хорошим качеством света, однако, эффективность такого метода пока невысока.
■ Увеличение эффективности полупроводниковых излучающих материалов. Самый большой резерв эффективности — светодиодный чип. Квантовый выход для большинства полупроводниковых структур не превышает 50%. Пока что самый высокий уровень эффективности достигнут у красных светодиодов и составляет чуть больше 60%.
■ Переход на более дешёвые полупроводниковые структуры. Эпитаксиальные структуры на базе нитрида галлия (GaN) традиционно выращивают на подложке из сапфира. Использование в качестве основы других материалов, например, карбида кремния, чистого кремния, оксида галлия, позволяет существенно снизить стоимость светодиода. Кроме попыток легирования нитрида галлия разными веществами, исследования ведутся с другими полупроводниковыми материалами — ZnSe, InN, AlN, BN.
■ Светодиоды без люминофора на базе эпитаксиальной структуры ZnSe на подложке ZnSe, активная область которой испускает голубой, а подложка одновременно (за счет того, что селенид цинка — эффективный люминофор сам по себе) — жёлтый свет.
■ Светодиоды с полупроводниковыми преобразователями излучения. Дополнительный слой полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны способен поглотить часть световой энергии, что приводит к вторичному излучению в области меньших значений энергии.

1 Nick Holonyak род. 11 марта 1928 года в Цайглере, Иллинойс, США — американский учёный и изобретатель, профессор Иллинойского университета, член Национальной и Национальной инженерной академий наук США. Его называют «отцом» современных светодиодов за изобретение первого полупроводникового светодиода видимого спектра излучения. За неоценимый вклад в развитие энергосберегающих технологий Ник Холоньяк стал в апреле 2003 года первым лауреатом Международной энергетической премии «Глобальная энергия».
2 Сю?дзи Накаму?ра род. 22 мая 1954 — японский и американский физик, изобретатель синего светодиода, лауреат Нобелевской премии по физике (2014), в настоящее время работает в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре (США).