Преимущества и недостатки светодиодного освещения

Аннотация: Светодиодное освещение обеспечивает множество преимуществ, таких как высокая энергоэффективность, длительный срок службы, возможность спектральной инженерии, цифровое управление и долговечность полупроводников. В этом руководстве вы узнаете о плюсах и минусах светодиодных технологий.

Преимущества и недостатки светодиодного освещения

Мировой рынок освещения претерпевает радикальные преобразования, обусловленные все более широким внедрением светодиодных (LED) технологий. Революция в области полупроводникового освещения (SSL) коренным образом изменила экономику рынка и динамику отрасли. Технология SSL позволила не только повысить производительность, но и переход от традиционных технологий к светодиодному освещению коренным образом меняет представление людей об освещении. Традиционные технологии освещения были разработаны в первую очередь для удовлетворения визуальных потребностей. Благодаря светодиодному освещению все большее внимание привлекает положительная стимуляция биологического воздействия света на здоровье и благополучие людей. Появление светодиодных технологий также проложило путь к сближению освещения и Интернета вещей (IoT), что открывает целый новый мир возможностей. В начале было много путаницы в отношении светодиодного освещения. Быстрый рост рынка и огромный интерес потребителей создают настоятельную необходимость развеять сомнения, связанные с технологией, и информировать общественность о ее преимуществах и недостатках. Кстати, светильники армстронг 600х600 вы можете приобрести на страницах специализированного сайта.

Как работают светодиоды?

Светодиод представляет собой полупроводниковый корпус, содержащий светодиодную матрицу (микросхему) и другие компоненты, которые обеспечивают механическую поддержку, электрическое соединение, теплопроводность, оптическое регулирование и преобразование длины волны. Светодиодный чип в основном представляет собой устройство с p-n-переходом, образованное противоположно легированными составными полупроводниковыми слоями. Широко используемым составным полупроводником является нитрид галлия (GaN), который имеет прямую запрещенную зону, что обеспечивает более высокую вероятность радиационной рекомбинации, чем полупроводники с косвенной запрещенной зоной. Когда p-n-переход смещен в прямом направлении, электроны из зоны проводимости полупроводникового слоя n-типа перемещаются через пограничный слой в p-переход и рекомбинируют с дырками из валентной зоны полупроводникового слоя p-типа в активной области диода. Электронно-дырочная рекомбинация приводит к тому, что электроны переходят в состояние с более низкой энергией и высвобождают избыточную энергию в виде фотонов (пакетов света). Этот эффект называется электролюминесценцией. Фотон может переносить электромагнитное излучение всех длин волн. Точные длины волн света, излучаемого диодом, определяются шириной запрещенной зоны полупроводника.

Свет, генерируемый посредством электролюминесценции в светодиодном чипе, имеет узкое распределение длин волн с типичной полосой пропускания в несколько десятков нанометров. Узкополосное излучение приводит к тому, что свет имеет один цвет, такой как красный, синий или зеленый. Для обеспечения источника белого света с широким спектром необходимо увеличить ширину спектрального распределения мощности (SPD) светодиодного чипа. Электролюминесценция от светодиодного чипа частично или полностью преобразуется посредством фотолюминесценции в люминофорах. Большинство белых светодиодов сочетают коротковолновое излучение от InGaN blue chips и переизлучаемый более длинноволновый свет от люминофоров. Порошок люминофора диспергируется в кремниевой, эпоксидной или другой полимерной матрице. Матрица, содержащая люминофор, наносится на светодиодную микросхему. Белый свет также может быть получен путем накачки красного, зеленого и синего люминофоров с использованием ультрафиолетового (УФ) или фиолетового светодиодного чипа. В этом случае в результате белого цвета можно добиться превосходной цветопередачи. Но этот подход страдает от низкой эффективности, поскольку большой сдвиг длины волны, связанный с понижающим преобразованием ультрафиолетового или фиолетового света, сопровождается высокими потерями энергии Стокса.

Преимущества светодиодного освещения

Изобретение ламп накаливания более века назад произвело революцию в искусственном освещении. В настоящее время мы являемся свидетелями революции в области цифрового освещения, обеспечиваемой SSL. Освещение на основе полупроводников не только обеспечивает беспрецедентный дизайн, производительность и экономические преимущества, но также позволяет создавать множество новых приложений и ценностных предложений, которые ранее считались непрактичными. Отдача от сбора этих преимуществ значительно перевесит относительно высокую первоначальную стоимость установки светодиодной системы, по поводу которой на рынке все еще существуют некоторые сомнения.

1. Энергоэффективность

Одним из основных обоснований перехода на светодиодное освещение является энергоэффективность.За последнее десятилетие световая эффективность белых светодиодных корпусов с преобразованием люминофора увеличилась с 85 лм / Вт до более 200 лм / Вт, что соответствует эффективности преобразования электрической энергии в оптическую (PCE) более 60% при стандартной рабочей плотности тока 35 А / см2. Несмотря на повышение эффективности светодиодов InGaN blue, люминофоров (эффективность и длина волны соответствуют реакции человеческого глаза) и упаковки (оптическое рассеяние / поглощение), США Министерство энергетики (DOE) заявляет, что остается больше возможностей для повышения эффективности светодиодов PC-LED, и светоотдача примерно в 255 лм / Вт должна быть практически возможной для светодиодов blue pump. Высокая светоотдача, несомненно, является подавляющим преимуществом светодиодов перед традиционными источниками света — лампами накаливания (до 20 лм / Вт), галогенными (до 22 лм / Вт), линейными люминесцентными (65-104 лм / Вт), компактными люминесцентными (46-87 лм / Вт), индукционными люминесцентными (70-90 лм/ Вт), пары ртути (60-60 лм/Вт), натрий высокого давления (70-140 лм/Вт), металлогалогенид кварца (64-110 лм/Вт) и металлогалогенид керамики (80-120 лм/Вт).

2. Эффективность оптической доставки

Помимо значительного улучшения эффективности источника света, возможность достижения высокой оптической эффективности светильника с помощью светодиодного освещения менее известна обычным потребителям, но очень востребована дизайнерами освещения. Эффективная доставка света, излучаемого источниками света, к цели была основной проблемой проектирования в отрасли. Традиционные лампы в форме колбы излучают свет во всех направлениях. Это приводит к тому, что большая часть светового потока, создаваемого лампой, задерживается внутри светильника (например с помощью отражателей, рассеивателей) или для отвода от светильника в направлении, которое не подходит для предполагаемого применения или просто неприятно для глаз. HID-светильники, такие как металлогалогенные и натриевые высокого давления, обычно эффективны на 60-85% при направлении света, создаваемого лампой, из светильника. Нередко встраиваемые светильники и светильники, использующие флуоресцентные или галогенные источники света, испытывают 40-50% оптических потерь. Направленный характер светодиодного освещения обеспечивает эффективную подачу света, а компактный форм-фактор светодиодов позволяет эффективно регулировать световой поток с помощью составных линз. Хорошо спроектированные системы светодиодного освещения могут обеспечить оптическую эффективность более 90%.

3. Равномерность освещения

Равномерное освещение является одним из главных приоритетов при проектировании внутреннего освещения, наружного освещения и освещения проезжей части. Равномерность — это мера соотношения освещенности по площади. Хорошее освещение должно обеспечивать равномерное распределение светового потока, падающего на рабочую поверхность или область. Экстремальные различия в яркости, возникающие в результате неравномерного освещения, могут привести к зрительной усталости, повлиять на выполнение задач и даже представлять угрозу безопасности, поскольку глазу необходимо адаптироваться между поверхностями разной яркости. Переходы из ярко освещенной зоны в зону с другой яркостью приведут к временной потере остроты зрения, что имеет серьезные последствия для безопасности при использовании на открытом воздухе, где задействовано транспортное движение. В больших помещениях равномерное освещение способствует высокому визуальному комфорту, обеспечивает гибкость расположения задач и устраняет необходимость в перемещении светильников. Это может быть особенно полезно в промышленных и коммерческих помещениях с высокими потолками, где перемещение светильников сопряжено со значительными затратами и неудобствами. Светильники, использующие HID-лампы, имеют гораздо более высокую освещенность непосредственно под светильником, чем области, расположенные дальше от светильника. Это приводит к плохой однородности (типичное соотношение макс/мин 6:1). Проектировщикам освещения приходится увеличивать плотность светильников, чтобы обеспечить соответствие освещенности минимальным проектным требованиям. Напротив, большая светоизлучающая поверхность (LES), созданная из массива светодиодов небольшого размера, обеспечивает равномерное распределение света с соотношением макс / мин менее 3: 1, что обеспечивает лучшие условия для обзора, а также значительно сокращает количество установок в рабочей зоне.

4. Направленное освещение

Благодаря направленному характеру излучения и высокой плотности потока светодиоды идеально подходят для направленного освещения. Направленный светильник концентрирует свет, излучаемый источником света, в направленный луч, который непрерывно проходит от светильника к целевой области. Узконаправленные лучи света используются для создания иерархии важности за счет использования контраста, выделения отдельных элементов на фоне и придания объекту интереса и эмоциональной привлекательности. Направленные светильники, в том числе точечные и прожекторы, широко используются в акцентном освещении для усиления заметности или выделения элемента дизайна. Направленное освещение также используется в приложениях, где интенсивный луч необходим для решения сложных визуальных задач или для обеспечения дальнего освещения. Продукты, которые служат для этой цели, включают в себя фонари, прожекторы, точки слежения, фары дальнего света автомобиля, прожекторы стадиона и т. Д. Светодиодный светильник может обеспечить достаточный световой поток, будь то для создания очень четкого «жесткого» луча для высокой драматичности с помощью COB-светодиодов или для отбрасывания длинного луча далеко на расстояние с помощью мощных светодиодов.

5. Спектральная инженерия

Светодиодная технология предлагает новую возможность управления спектральным распределением мощности источника света (SPD), что означает, что состав света может быть адаптирован для различных применений. Спектральный контроль позволяет спроектировать спектр от осветительных приборов так, чтобы он воздействовал на специфические визуальные, физиологические, психологические реакции человека, фоторецепторов растений или даже полупроводниковых детекторов (например, HD-камеры) или комбинацию таких реакций. Высокая спектральная эффективность может быть достигнута за счет максимизации желаемых длин волн и удаления или уменьшения вредных или ненужных участков спектра для данного применения.При использовании белого света SPD светодиодов может быть оптимизирован для обеспечения заданной точности цветопередачи и коррелированной цветовой температуры (CCT). Благодаря многоканальному дизайну с несколькими излучателями цвет, создаваемый светодиодным светильником, можно активно и точно регулировать. Системы смешивания цветов RGB, RGBA или RGBW, способные создавать полный спектр света, создают бесконечные эстетические возможности для дизайнеров и архитекторов. В системах динамического белого цвета используются светодиоды с несколькими CCT для обеспечения теплого затемнения, имитирующего цветовые характеристики ламп накаливания при затемнении, или для обеспечения настраиваемого белого освещения, позволяющего независимо контролировать как цветовую температуру, так и интенсивность света. Освещение, ориентированное на человека технология, основанная на перестраиваемых белых светодиодах, является одним из важнейших факторов, лежащих в основе большинства новейших разработок в области технологий освещения.

6. Включение/выключение

Светодиоды включаются на полную яркость практически мгновенно (от однозначного числа до десятков наносекунд) и имеют время выключения в десятки наносекунд. В отличие от этого, время прогрева или время, необходимое лампе для достижения полной световой мощности, компактных люминесцентных ламп может длиться до 3 минут. Лампы HID требуют прогрева в течение нескольких минут, прежде чем обеспечить полезный свет. Горячее восстановление вызывает гораздо большую озабоченность, чем первоначальный запуск металлогалогенных ламп, которые когда-то были основной технологией, используемой для освещения больших отсеков и мощного прожекторного освещения на промышленных объектахстадионы и арены. Отключение электроэнергии на объекте с металлогалогенным освещением может поставить под угрозу безопасность и безопасность, поскольку процесс горячей замены металлогалогенных ламп занимает до 20 минут. Мгновенный запуск и повторная установка в горячем состоянии дают светодиодам уникальные возможности для эффективного выполнения многих задач. Не только общее освещение значительно выигрывает от короткого времени отклика светодиодов, но и широкий спектр специальных приложений также использует эту возможность. Например, светодиодные фонари могут работать синхронно с дорожными камерами, обеспечивая прерывистое освещение для захвата движущегося транспортного средства. Светодиоды включаются на 140 — 200 миллисекунд быстрее, чем лампы накаливания. Преимущество во времени реакции говорит о том, что светодиодные стоп-сигналы более эффективны, чем лампы накаливания, для предотвращения столкновений сзади. Еще одним преимуществом светодиодов при переключении является цикл переключения. Частое переключение не влияет на срок службы светодиодов. Типичные светодиодные драйверы для общего освещения рассчитаны на 50 000 циклов переключения, а высокопроизводительные светодиодные драйверы редко выдерживают 100 000, 200 000 или даже 1 миллион циклов переключения. На срок службы светодиода не влияет быстрая цикличность (высокочастотное переключение). Эта особенность делает светодиодные лампы хорошо подходящими для динамического освещения и для использования с элементами управления освещением, такими как датчики присутствия или дневного света. С другой стороны, частое включение/ выключение может сократить срок службы ламп накаливания, HID и люминесцентных ламп. Эти источники света обычно имеют всего несколько тысяч циклов переключения в течение их номинального срока службы.

7. Возможность затемнения

Способность создавать очень динамичный световой поток позволяет светодиодам идеально регулировать яркость, в то время как люминесцентные и HID-лампы плохо реагируют на затемнение.Затемнение люминесцентных ламп требует использования дорогостоящих, больших и сложных схем для поддержания условий возбуждения газа и напряжения. Затемнение HID-ламп приведет к сокращению срока службы и преждевременному выходу лампы из строя. Металлогалогенные и натриевые лампы высокого давления не могут быть затемнены ниже 50% от номинальной мощности. Они также реагируют на сигналы затемнения значительно медленнее, чем светодиоды. Затемнение светодиодов может быть выполнено либо с помощью уменьшения постоянного тока (CCR), которое более известно как аналоговое затемнение, либо путем применения широтно-импульсной модуляции (PWM) к светодиоду, или цифрового затемнения. Аналоговое затемнение управляет током возбуждения, протекающим к светодиодам. Это наиболее широко используемое решение для затемнения для общего освещения, хотя светодиоды могут плохо работать при очень низких токах (ниже 10%). ШИМ-диммирование изменяет рабочий цикл широтно-импульсной модуляции для создания среднего значения на ее выходе во всем диапазоне от 100% до 0%. Регулировка яркости светодиодов позволяет привести освещение в соответствие с потребностями человека, добиться максимальной экономии энергии, включить смешивание цветов и настройку CCT, а также продлить срок службы светодиодов.

8. Управляемость

Цифровая природа светодиодов облегчает бесшовную интеграцию датчиков, процессоров, контроллеров и сетевых интерфейсов в системы освещения для реализации различных интеллектуальных стратегий освещения, от динамического освещения и адаптивного освещения до всего, что предлагает IoT. Динамический аспект светодиодного освещения варьируется от простого изменения цвета до сложных световых шоу с использованием сотен или тысяч индивидуально управляемых узлов освещения и сложной трансляции видеоконтента для отображения на светодиодных матричных системах. Технология SSL лежит в основе обширной экосистемы подключенных осветительных решений которое может использовать сбор дневного света, определение присутствия, контроль времени, встроенные возможности программирования и подключенные к сети устройства для управления, автоматизации и оптимизации различных аспектов освещения. Перенос управления освещением на IP-сети позволяет интеллектуальным системам освещения, оснащенным датчиками, взаимодействовать с другими устройствами в сетях Интернета вещей. Это открывает возможности для создания широкого спектра новых услуг, преимуществ, функциональных возможностей и источников дохода, которые повышают ценность систем светодиодного освещения. Управление системами светодиодного освещения может быть реализовано с использованием различных протоколов проводной и беспроводной связи, включая протоколы управления освещением, такие как 0-10 В, DALI, DMX512 и DMX-RDM, протоколы автоматизации зданий, такие как BACnet, LON, KNX и EnOcean, и протоколы, развернутые на все более популярной сетчатой архитектуре (например, ZigBee, Z-Wave, Bluetooth Mesh, Thread).

9. Гибкость дизайна

Небольшой размер светодиодов позволяет разработчикам светильников создавать источники света в формах и размерах, подходящих для многих применений. Эта физическая характеристика дает дизайнерам больше свободы в выражении своей философии дизайна или в создании фирменного стиля. Гибкость, обусловленная прямой интеграцией источников света, открывает возможности для создания осветительных приборов, в которых идеально сочетаются форма и функциональность. Светодиодные светильники могут быть изготовлены таким образом, чтобы стирать границы между дизайном и искусством для приложений, где требуется декоративный фокус. Они также могут быть спроектированы таким образом, чтобы поддерживать высокий уровень архитектурной интеграции и вписываться в любую дизайнерскую композицию. Твердотельное освещение стимулирует новые тенденции дизайна и в других секторах. Уникальные возможности дизайна позволяют производителям автомобилей создавать характерные фары и задние фонари, которые придают автомобилям привлекательный внешний вид.

10. Долговечность

Светодиод излучает свет от полупроводникового блока, а не от стеклянной колбы или трубки, как в старых лампах накаливания, галогенных, люминесцентных и HID—лампах, в которых для генерации света используются нити или газы. Твердотельные устройства обычно монтируются на печатной плате с металлическим сердечником (MCPCB), подключение к которой обычно обеспечивается припаянными выводами. Благодаря отсутствию хрупкого стекла, движущихся частей и обрыва нити накала светодиодные системы освещения чрезвычайно устойчивы к ударам, вибрации и износу. Долговечность светодиодных систем освещения в твердом состоянии имеет очевидные преимущества в различных областях применения. На промышленных объектах есть места, где светильники страдают от чрезмерной вибрации от большого оборудования. Светильники, установленные вдоль дорог и туннелей, должны выдерживать повторяющуюся вибрацию, вызванную проносящимися мимо на высокой скорости тяжелыми транспортными средствами. Вибрация составляет типичный рабочий день рабочих ламп, установленных на строительных, горнодобывающих и сельскохозяйственных машинах, машинах и оборудовании. Портативные светильники, такие как фонари и походные фонари, часто подвергаются воздействию падений. Существует также множество применений, в которых разбитые лампы представляют опасность для пассажиров. Все эти проблемы требуют надежного решения для освещения, и это именно то, что может предложить твердотельное освещение.

11. Срок службы изделия

Длительный срок службы выделяется как одно из главных преимуществ светодиодного освещения, но заявления о долгом сроке службы, основанные исключительно на показателях срока службы светодиодной упаковки (источника света), могут вводить в заблуждение. Срок службы светодиодного блока, светодиодной лампы или светодиодного светильника (светильников) часто называют моментом времени, когда мощность светового потока снизилась до 70% от его первоначальной мощности, или L70. Обычно срок службы светодиодов (светодиодных корпусов) L70 составляет от 30 000 до 100 000 часов (при Ta = 85 °C). Однако измерения LM-80, которые используются для прогнозирования срока службы светодиодных корпусов L70 с использованием метода TM-21, проводятся при непрерывной работе светодиодных корпусов в хорошо контролируемых условиях эксплуатации (например, в среде с регулируемой температурой и при постоянном постоянном токе возбуждения). Напротив, светодиодные системы в реальных условиях часто сталкиваются с более высокими электрическими перегрузками, более высокими температурами соединений и более суровыми условиями окружающей среды. Светодиодные системы могут испытывать ускоренное обслуживание люмена или прямой преждевременный выход из строя. В целом, светодиодные лампы (лампочки,срок службы ламп L70 составляет от 10 000 до 25 000 часов, встроенных светодиодных светильников (например, светильников с высоким потолком, уличных фонарей, светильников) составляет от 30 000 до 60 000 часов. По сравнению с традиционными осветительными приборами — лампами накаливания (750-2000 часов), галогенными (3000-4000 часов), компактными люминесцентными (8000-10000 часов) и металлогалогенными (7500-25000 часов), светодиодные системы, в частности встроенные светильники, обеспечивают значительно более длительный срок службы. Поскольку светодиодные светильники практически не требуют технического обслуживания, снижение затрат на техническое обслуживание в сочетании с высокой экономией энергии за счет использования светодиодных светильников в течение их длительного срока службы обеспечивают основу для высокой окупаемости инвестиций (ROI).

12. Фотобиологическая безопасность

Светодиоды являются фотобиологически безопасными источниками света. Они не производят инфракрасного (ИК) излучения и излучают незначительное количество ультрафиолетового (УФ) света (менее 5 мкВт / лм). Лампы накаливания, люминесцентные и металлогалогенные лампы преобразуют 73%, 37% и 17% потребляемой мощности в инфракрасную энергию соответственно. Они также излучают в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра — лампы накаливания (70-80 мкВт/лм), компактные люминесцентные (30-100 мкВт/лм) и металлогалогенные (160-700 мкВт/лм). При достаточно высокой интенсивности источники света, излучающие ультрафиолетовый или ИК-свет, могут представлять фотобиологическую опасность для кожи и глаз. Воздействие ультрафиолетового излучения может вызвать катаракту (помутнение обычно прозрачного хрусталика) или фотокератит (воспаление роговицы). Кратковременное воздействие высоких уровней ИК-излучения может привести к термическому повреждению сетчатки глаза. Длительное воздействие высоких доз инфракрасного излучения может вызвать катаракту стеклодува. Тепловой дискомфорт, вызванный системой освещения с лампами накаливания, уже давно вызывает беспокойство в сфере здравоохранения, поскольку обычные хирургические лампы и стоматологические операционные лампы используют лампы накаливания для получения света с высокой точностью цветопередачи. Луч высокой интенсивности, создаваемый этими светильниками, выделяет большое количество тепловой энергии, что может вызвать у пациентов сильный дискомфорт.

Неизбежно, что обсуждение фотобиологической безопасности часто фокусируется на опасности синего света, которая относится к фотохимическому повреждению сетчатки в результате воздействия излучения на длинах волн в основном от 400 нм до 500 нм. Распространенным заблуждением является то, что светодиоды могут с большей вероятностью вызывать опасность синего света, потому что большинство белых светодиодов, преобразованных в люминофор, используют синий светодиодный насос. DOE и IES ясно дали понять, что светодиодные продукты ничем не отличаются от других источников света, которые имеют ту же цветовую температуру в отношении опасности синего света. Светодиоды, преобразованные в люминофор, не представляют такого риска даже при строгих критериях оценки.

Яндекс.Метрика