Энергосберегающие светодиодные лампы

В этой статье: история светодиодов; светодиодная лампа — устройство; характеристики светодиодной лампы; производители и цены; выбор энергосберегающей лампы для дома.

Каким должны быть освещение в наших домах? На этот счет есть два мнения: домочадцев — свет должен быть приятным и не резким; руководителей страны — на освещение домов должно расходоваться как можно меньше электроэнергии. Неумолимый рост расценок на энергоносители мало понятен рядовому обывателю, его больше интересует вопрос «почему эти самые энергосберегающие лампы так дорого стоят». В этой статье будет подробно рассмотрены энергосберегающие светодиодные лампы, которые в самом ближайшем будущем, причем вне зависимости от желания или нежелания рядового потребителя, будут освещать наши дома. Разберемся, так ли они хороши, как их описывают?

История светодиодных ламп

Все началось в далеком 1907 году, когда английский инженер Генри Раунд, выключив освещение в лаборатории, случайно заметил свечение вокруг диодного контакта, находящегося под напряжением. Он решил, что свечение вызвано какой-то ошибкой в расчетах и не придал этому особого внимания, хотя и отметил этот факт в отчете.

Олег Владимирович Лосев

Спустя 16 лет после этого события советский физик Олег Владимирович Лосев занялся исследованием странного свечения, возникающего в месте пайки контактов диода из карбида кремния (карборунда). Лосев так и не выяснил природы свечения, отметив, что нагрева до высоких температур при этом не было — причина свечения таилась в каком-то электронном процессе, не известном науке тех лет. Результаты исследований Лосева по свечению диодов были переведены на несколько языков и опубликованы в ряде научных журналов, но особого интереса не вызвали. Привычные лампы с нитью накаливания в начале XX века считались вполне достаточными и незаменимыми — изобретать что-то новое не было необходимости.

Устойчивый интерес к свечению диодов возник во второй половине прошлого века, когда американский инженер Рубин Браунштейн заявил о своем открытии — диоды из арсенида галлия (GaAs) при подключении питания излучают инфракрасные лучи. По словам инженера точно такое же излучение было замечено им у диодов из фосфида индия (InP), антимонида галлия (GaSb) и состоящих из кремнево-германиевого сплава.

Первый инфракрасный диод был запатентован в 1961 году — американскими исследователями Гари Питманом и Робертом Бьярдом. Но использовать такие диоды для освещения помещений было невозможно, т.к. инфракрасные лучи находятся за пределами спектра, видимого человеческим глазом.

Американский учёный и изобретатель Ник Холоньяк

Создателем полноценного светодиода стал Ник Холоньяк-младший, создавший в 1962 году полноценный LED-светодиод, излучающий видимый красный свет. Именно Холоньяк считается «отцом» светодиодных ламп. Через 10 лет его ученик Джордж Крафорд создал первый светодиод, излучающий желтый свет, а также десятикратно усилил яркость красных и оранжево-красных светодиодов.

Однако особым коммерческим спросом новые источники света не пользовались — еще бы, ведь стоимость одного светодиода составляла в то время 200$ США. Первое коммерчески успешное производство светодиодов в 1968 году наладила американская компания «Monsanto», специализирующаяся на химической продукции, это были светодиоды из сплавов арсенида галлия и фосфида индия. Именно «Monsanto» сделала светодиоды популярными и широко распространенными в электронных калькуляторах и цифровых часах — в период с 1968 по 1970 год эта компания-монополист в области светодиодов продавала продукции в два раза больше, чем в каждом предыдущем месяце. Внедрением в электронику светодиоды обязаны компании «Hewlett-Packard», первой оценившей значение светодиодов для электроприборов и активно закупавшей их у «Monsanto».

В 1970 году монополия «Monsanto» на рынке светодиодов была прекращена — используя полупроводниковые чипы доктора Жана Эрни, американская компания «Fairchild Semiconductor» наладила выпуск дешевых светодиодов стоимостью в пять центов каждый.

Десятилетия светодиоды активно использовались в бытовой и промышленной электронике, но никак не для освещения помещений. Идея создания полноценных светодиодных ламп, способных освещать наши дома лучше, чем любые «лампы Ильича», возникла у Сюдзи Накамура, работавшего на японскую компанию «Nichia Corporation» — именно под его руководством инженеры компании создали в 1993 году первый синий светодиод высокой яркости.

Первый светодиод, испускающий яркий белый свет, был создан не так давно — в 1997 году, его создателем стал американский инженер Фред Шуберт.

Сегодня энергосберегающие светодиодные лампы уже существуют, но все еще проходят совершенствование, ведь первые светодиоды, интенсивность света которых стала равна и, в последствии, превысила яркость ламп с нитью накаливания, появились лишь в начале XXI века.

Как устроена и работает светодиодная лампа

Устройство любой современной лампы на светодиодах таково:

• цоколь. Стандартный элемент любой лампы, предназначен для вкручивания в патрон светильника;
• пускатель-балласт (драйвер), заключенный в пластиковый корпус с вентиляционными отверстиями. Преобразует переменный ток в постоянный, содержит более мощные конденсаторы, чем в схеме балласта люминесцентных ламп. Причина следующая — тепло, вырабатываемое диодами в светодиодных лампах, направлено не наружу, а внутрь ее корпуса, поэтому и требуются вентиляционные отверстия в корпусе балласта. Срок службы любой светодиодной лампы связан с количеством вентиляционных отверстий в корпусе и надежностью конденсаторов, а также от стабилитронов, выравнивающих напряжение в случае его перепадов;
• алюминиевый радиатор. Его выступающие ребра расположены вдоль и по спирали, что улучшает отвод тепла;
• плата, на которой установлены светодиоды. Выполнена из алюминия, на сторону, обращенную к радиатору, нанесена термопаста, отводящая тепло — 90% излучения тепла от светодиодов приходится на алюминиевую плату, в которой они установлены;
• светодиоды, числом от 5-ти, обеспечивающие общую мощность лампы. От качества светодиодов зависит световой поток, генерируемый ими;
• рассеиватель света, закрепленный на внутреннем кольце из алюминия. Производится из матового пластика, служит для равномерного рассеивания светового пучка от светодиодов. Практически не греется.

Основными элементами светодиодной лампы являются светодиоды — полупроводниковые приборы, преобразующие электрический ток в световое излучение. Любой светодиод состоит из не проводящей ток подложки, на которую уложен полупроводниковый кристалл — оба этих элемента заключены в корпус с выводами контактов с одной и линзой из пластика с другой стороны. Свободное пространство между линзой и кристаллом заполнено бесцветным силиконом, конструкция светодиода закреплена на алюминиевом основании, отводящем тепло и придающем светодиоду большую жесткость.

Почему же светодиод светится? Секрет свечения заключается в рекомбинации электронов между двумя контактами полупроводника с разной проводимостью. Кристалл полупроводника в местах вывода контактов проходит легирование акцепторной примесью, содержащей недостаточное число электронов, с одной стороны и донорской, где электроны имеются в изобилии, с другой. При подаче питания происходит рекомбинация электронов и возникающая при этом избыточная энергия превращается в видимый свет. На первый взгляд создается впечатление, что чем выше сила тока — тем более интенсивно будет свечение светодиода. Все верно, интенсивность световой энергии будет выше, но при этом из-за сопротивления в полупроводнике резко возрастет нагрев диода, что вызовет оплавление контактов или сгорание полупроводника.

Плюсы и минусы энергосберегающих светодиодных ламп

Существующие на сегодня светодиодные лампы обладают как преимуществами, так и недостатками — их разработка до полноценного источника света в наших домах еще не завершена.

Положительные характеристики:

• наименьшее, по сравнению с любыми другими типами бытовых ламп, потребление электроэнергии — в 8-10 раз меньшее, чем у ламп с нитью накаливания;
• высокая световая отдача, порядка 120 люменов на каждый затраченный ватт энергии. Для сравнения светоотдача «ламп Ильича» составляет от 10 до 24 лм на каждый ватт, у люминесцентных ламп — от 60 до 100 лм на ватт;
• наивысший, по сравнению с любыми другими лампами освещения, срок службы порядка 50 000 часов, при условии качественного построения самой светодиодной лампы и применении в ее изготовлении высококачественных материалов;
• получение различных характеристик спектра без использования светофильтров, т.е. по аналогии с лампами накаливания;
• прочность и безопасность для пользователей. Светодиодная лампа при случайном падении не разобьется и не будет повреждена, т.е. осколков стекла, характерных для подобной ситуации с любой другой осветительной лампой, не будет. Ее элементы не содержат сколько-нибудь опасных компонентов химического происхождения, присутствующих, к примеру, в люминесцентных лампах;
• не зависит от количества включений и отключений, в случае других ламп количество включений-отключений серьезно влияет на продолжительность службы;
• безопасна в работе — не требуется ток высокого напряжения, наибольшая температура светодиода и ограждающей арматуры не превысит 60 °С.

Отрицательные характеристики:

• высокая цена. Стоимость светодиодных ламп на сегодня превышает стоимость люминесцентных ламп аналогичной мощности в 8-10 раз. Снижение розничной цены без потери качества — главная задача производителей светодиодных ламп;
• потребность в отводящем тепло радиаторе. Размеры светодиодов слишком малы и не достаточны для самостоятельного отвода тепла, выделяемого им при работе — чем мощнее светодиодная лампа, тем большего размера и площади радиатор ей необходим. Соответственно, внушительный размер алюминиевого радиатора влияет на себестоимость лампы, к тому же мощную светодиодную лампу будет трудно или невозможно установить в обычные светильники — она в них не поместится;
• в отсутствии конденсатора, выравнивающего световой поток светодиодов, наблюдается заметная пульсация света;
• при построении лампы на дешевых светодиодах ее светоотдача понижается до максимальных 100 лм/Вт и становится равной люминесцентным лампам, т.е. утрачивается важное преимущество светодиодной лампы;
• световой спектр, генерируемый светодиодами, монохромен и существенно отличается от естественного солнечного освещения. Для смягчения монохромного светового излучения требуется люминофоры специального состава;
• генерируемый световой поток узко направлен и требует установки нескольких разнонаправленных ламп или рассеивателя света, однако применение последнего существенно снижает интенсивность освещения.

Как выбрать светодиодную лампу для дома

В хозяйственных магазинах России энергосберегающие светодиодные лампы распространены не так широко, как люминесцентные — они дороже, поэтому пользуются меньшим спросом. Крупнейшие производители светодиодных ламп: американская «General Electric», немецкие «Osram», «Bioledex» и «BLV licht», голландская «Philips», индийская «Sylvania», российская «Оптоган» — стоимость их продукции варьируется от 600 до 3 000 руб. за одну лампу.

Помимо известных брендов, в магазинах часто встречаются недорогие светодиодные лампы китайских и небольших отечественных производителей — на мой взгляд, приобретать их продукцию не стоит, т.к. дешевизна скорее всего объясняется экономией на комплектующих, а значит такие лампы прослужат недолго.

А теперь о критериях выбора светодиодных ламп:

• мощность лампы. 100 Вт лампе накаливания соответствует светодиодная в 12-15 Вт, причем световой поток 15 Вт светодиодной лампы будет немного более интенсивным, чем у «лампы Ильича» в 100 Вт;
• температура света. На упаковке либо корпусе лампы будет нанесена температура света в кельвинах, привычный нам солнечный свет имеет температуру 2 700 — 3 000 К. Своим происхождением температура света ламп в кельвинах обязана цвету металлического бруска, нагреваемого в печи — до 3 000 К он желто-белого цвета, с нарастанием температуры становится все более белым. Лампы, излучающие свет большей температуры чем 3 000 К, более яркие, но их свет сложно переносится и уместен только в офисных помещениях;
• угол освещения. Если все светодиоды в лампе будут расположены в одной плоскости, то характер освещения будет очаговым, узконаправленным — каждый светодиод излучает направленный световой поток. Для рассеивания света и эффективного освещения комнаты будет удобно, если светодиоды размещены на нескольких плоскостях, а сама лампа оснащена линзами рассеивания света, покрытыми изнутри люминофором;
• коэффициент передачи цвета. Его значение должно быть указано на упаковке лампы, для светодиодов коэффициент обычно составляет от 70 до 95 — чем выше приведенное на упаковке значение, тем лучше будет светить светодиодная лампа и наоборот. Если на упаковке указано коэффициент цветопередачи 95, а стоимость самой лампы низка — это попытка обмануть покупателя, дешевые лампы не могут иметь столь высокую цветопередачу;
• отвод тепла. Наличие алюминиевого радиатора обязательно и если вместо алюминия используется пластмасса — откажитесь от покупки данной лампы, она прослужит недолго;
• время работы. Как правило, производителями указывается значение в 30 000 рабочих часов, что в действительности является средним значением. Сама лампа по прошествии этого срока будет работать и дальше, но ее яркость сократится примерно на 30% — нагрев светодиодов со временем снижает интенсивность светового потока.

Не сомневаюсь, что в ближайшие 5-10 лет светодиодные лампы будут усовершенствованы — количество люменов на каждый потребленный ватт возрастет, а стоимость существенно снизится. Они станут не менее популярными, как когда-то были лампы накаливания, только более выгодными и для рядового потребителя и для государства. Но на это уйдет время…