Использование светодиодных светильников

Использование светодиодных светильников

 

 

Исследовательская работа

Глаголь Н.Г., студентка 3 курса группы ЭС-179

Омск, 2012 г.

Список сокращений

ДРЛ - дуговая ртутная лампа;

ДНаТ - дуговая натриевая трубчатая лампа;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

ПРА - пускорегулировочная аппаратура;

НЛВД - натриевая лампа высокого давления;

НЛНД - натриевая лампа низкого давления.

Введение

Проблема энергосбережения в настоящее время принимает всё большую актуальность. Значительная часть электроэнергии, потребляемая предприятиями и организациями, расходуется на освещение производственных помещений и уличное освещение. Следовательно, возникает задача производства модернизации в области освещения путём применения энергосберегающих источников света. Одним из путей решения данной задачи может являться использование светодиодного освещения. В процессе работы необходимо проанализировать преимущества светодиодного освещения относительно других видов искусственного освещения.

В данной научно-исследовательской работе, объектом являются светодиодные светильники и осветительные приборы на основе других источников света, предметом исследования являются технические показатели рассматриваемых осветительных приборов. Цель работы - выявление преимуществ эффективных источников освещения в отношении энергосбережения, экологической безопасности, долговечности.

В ходе работы были решены следующие задачи:

1)Систематизация и анализ собранной информации по исследуемому вопросу;

2)Проведение сравнительного анализа технических параметров светодиодных светильников и осветительных приборов с альтернативными источниками света;

)Изложение вывода на основе полученных результатов исследовании.

Проведения исследований в области использования светодиодных светильников является довольно значимыми, так как в результате подтверждения теоретических данных, указывающих на тот факт, что данный вид освещения является наиболее рациональным и перспективным, появится необходимость модернизации осветительной системы, направленной на получение качественного и безвредного для человека и экологии освещения.

Глава 1. Теоретические особенности полупроводниковой светотехники

1.1 История развития светодиодных источников света

В. Лосев в ходе радиотехнических экспериментов с детекторным приемником, обнаружил малозаметный, но странный побочный эффект - при приложении небольшого прямого напряжения к детектору (фактически детектором был кристалл карбида кремния, один из первых полупроводников) некоторые области кристалла начинали излучать слабый голубоватый свет. При обратном напряжении эффект не повторялся, интенсивность свечения немного зависела от проходящего через детектор (диод) тока, но была все же весьма низкой, едва фиксируемой глазом. При этом кристалл-диод нисколько не нагревался, было очевидно, что свечение является результатом каких-то неведомых доселе процессов, рождающихся при взаимодействии полупроводника и электрического тока.

Открытие этого таинственного явления прошло практически незамеченным, ведь практической ценности оно, как казалось, не имело. Лишь в начале шестидесятых годов двадцатого века ученые вплотную занялись исследованиями странной способности некоторых полупроводников испускать свет при прохождении электрического тока. Начинался рассвет новой эпохи в области искусственного освещения - эпохи твердотельных источников света - светодиодов [3].



Рисунок 1.Устройство светодиода

Современный светодиод представляет собой двухвыводной прибор в прозрачном или полупрозрачном пластиковом литом корпусе различных цветов. В глубине пластика запаян непосредственно кристалл светодиода, корпус совмещает роли линзы и защитного покрытия (рис.1). Размеры светодиодов, в зависимости от назначения и мощности, колеблются от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Питается светодиод постоянным или пульсирующим стабилизированным током, управляя которым, можно в широких пределах менять яркость свечения светодиода. Современная электроника создала целое направление устройств - источников питания для светодиодных ламп и одиночных светодиодов. Таким образом, питать светодиодную лампу можно практически от любого источника электроэнергии, необходим только дешевый электронный преобразователь нужного типа, дающий стабильный ток необходимой величины. Как правило, такой преобразователь встроен в цоколь наиболее распространённых ламп для сети напряжением 220В.

1.2 Принцип работы современного светодиода

Сегодня физика работы светодиода кажется весьма простой: при подаче «прямого» напряжения на p- и n- области кристалла полупроводника, через p-n переход носителями положительных и отрицательных зарядов начинает создаваться электрический ток. В процессе передачи тока происходит так называемая рекомбинация - слияние и взаимная компенсация электронов (отрицательных зарядов) и «дырок» (положительных зарядов). Но рекомбинация, как явление энергетических превращений, обязательно сопровождается излучением какого-либо кванта. В обычных полупроводниках высвобожденная энергия рекомбинации превращается в тепло. Но изменяя состав полупроводникового кристалла, возможно достичь эффекта, когда «свободным» квантом рекомбинации будет фотон [2]. А фотон, как известно - квант света. Таким образом, свечение светодиода есть следствие рекомбинации зарядов в p-n переходе полупроводника специального состава. Очевидно, что если практически вся энергия рекомбинации переходит в световую, на тепловую ничего не остается. Этим объясняется отсутствие нагрева работающего светодиода. Точнее, небольшой нагрев рабочего тела имеет совсем другую природу, нежели рождение света. Цвет излучаемого светодиодом света не монохроматичен, как у лазера, но имеет довольно узкий спектр, что долгое время определяло область применения светодиодов как индикаторных приборов. Но в зависимости от состава полупроводника, оказалось возможным создавать светодиоды, излучающие от средне-инфракрасного до жесткого ультрафиолетового спектры. Эта особенность светодиодов сильно расширила горизонты применения приборов, от медицинских до научно-исследовательских лабораторий

Три способа получения белого свечения у светодиодов.

Белый свет можно получить смешением красного, зеленого и голубого, излучаемого светодиодами разного типа, размещенными на одной матрице. Данный принцип используется в телевидении при передаче цветного сигнала.

Второй способ похож на реализуемый в люминесцентных лампах, когда свет излучает белый люминофор под воздействием ультрафиолетового излучения. Источником ультрафиолетового излучения может быть светодиод.

По третьей технологии светодиод голубого света покрывают смесью зеленого и красного люминофора. В результате сложения излучения диода и люминофоров получается белый свет [3].

В последние несколько лет ученые создали новое поколение светодиодов, вплотную подошедших к спектральным параметрам самых лучших ламп освещения, а по многим другим критериям - далеко обогнавшим своих газонаполненных собратьев. Сверхъяркие, всех возможных цветов и мощностей, экономичные, легкие и миниатюрные источники засияли как маленькие звезды, грозя полностью вытеснить лампы накаливания и прочие обыденные электрические источники света.

Управление яркостью 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.

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 [1].

Влияние температуры.

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй - световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод. Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов [3].

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.

Глава 2. Сравнительный анализ различных источников света

.1 Обзор искусственных источников света

До изобретения сверхъярких светодиодов белого цвета (то есть с широким спектром излучения), человечество располагало широчайшим арсеналом электрических источников света. Существует множество специальных типов ламп. Это индукционные, ртутные, дуговые лампы, неоновые источники света, ксеноновая дуговая лампа, различные виды газоразрядных ламп. Для полноты исследования необходимо провести краткий обзор устройства и принципа работы рассматриваемых типов источников света:

. Люминесцентная лампа состоит из баллона или трубки, наполненной парами ртути и инертным газом, подогреваемых катодов. На внутренние стенки трубки нанесено люминофорное покрытие, преобразующее ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимый свет.

. Лампа накаливания состоит из следующих частей: нити накала в виде спирали из вольфрамовой проволочки, стеклянного баллона (который откачивается и заполняется инертным газом) и цоколя, который является объединяющей и силовой деталью лампы и имеет контакты для подключения нити накала к электропитанию.

. Галогенные лампы - это усовершенствованные лампы накаливания. Тело накала галогенных ламп накаливания изготавливают из специальных марок вольфрамовой проволоки, преимущественно в виде спирали, которой в лампе с помощью электродов и держателей придается необходимая форма.

Принцип действия галогенных ламп накаливания заключается в образовании на стенке колбы летучих соединений - галогенидов вольфрама, которые испаряются со стенки, разлагаются на теле накала и возвращают ему, таким образом, испарившиеся атомы вольфрама.

. Натриевая лампа. Устройство натриевой лампы высокого давления следующее: газоразрядная трубка (цилиндрическая), располагается в вакуумированной внешней колбе. Запуск осуществляется при помощи ПРА.

. Представляет собой безэлектродную лампу (отсутствие нитей накала, электродов), состоящую из колбы, наполненной газом, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором. Электронный блок, магнитное кольцо вокруг трубки и индукционная катушка создают газовый разряд в высокочастотном электромагнитном поле, благодаря чему лампа начинает светиться. Возможна конструкция, когда электромагнит находится внутри колбы. Электронный блок, вырабатывающий высокочастотный ток, может находиться в одном корпусе с колбой или выполняться как отдельное устройство. Отсутствие нитей накала и электродов позволяет повысить долговечность и мощность лампы[3].

2.2 Сравнительный анализ осветительных приборов

Для подробного анализа необходимо провести обзор технических показателей искусственных источников света, что позволит определить степень эффективности применения светодиодных светильников:

А) Люминесцентная лампа

Достоинства люминесцентных ламп:

по сравнению с лампами накаливания обеспечивает такой же световой поток, но потребляют в 4-5 раз меньше энергии;

имеют низкую температуру колбы;

повышенный срок службы (8000 ч);

Недостатки люминесцентных ламп:

снижает световой поток при повышенных температурах;

содержание ртути;

имеют большой пусковой ток;

люминесцентные лампы не работаю при температуре воздуха ниже 15-20° С.

Компактные (энергосберегающие) люминесцентные лампы вырабатывают свет по тому же принципу, что и обычные люминесцентные, только на гораздо меньшей площади, и являются компактной альтернативой люминесцентным лампам-трубкам.

Преимущества компактных ламп по сравнению с лампами накаливания:

до 80% меньшее потребление тока при том же количестве света;

срок службы в 6-15 раз больше по сравнению с обычными лампами накаливания и

составляет, соответственно, 6000-15000 ч. в зависимости от типа;

меньшие потери на обслуживании за счет длительного времени службы;

возможность выбора цвета свечения.

Б) Лампа накаливания

Достоинства лампы накаливания:

низкая начальная стоимость лампы и необходимого для нее оборудования

компактность, благодаря которой она хорошо подходит для регулирования светового потока

надежная работа при низких температурах и довольно высокий при ее размерах световой выход

К недостаткам же, способным при некоторых обстоятельствах "перевесить" достоинства, относятся:

низкий световой КПД, только 5% энергии преобразуется в свет, остальные 95% - в тепло

высокая рабочая температура

заметные колебания светового выхода при изменениях напряжения питания

недолговечность

В) Галогенные лампы

Достоинством галогенных ламп является неизменно яркий свет, прекрасная передача цвета и возможность создания разнообразных световых оттенков. Использование специальных фильтров, нанесенных на кварцевое стекло, "останавливает" ультрафиолет, что оберегает освещаемые вещи от выгорания. Дихроичные отражатели отводят тепловое излучение за пределы освещаемой площади. Яркость освещения регулируется с помощью большого ассортимента диаметров отражателей.

Достоинства галогенных ламп:

высокая светоотдача;

стабильно яркий свет на протяжении срока службы;

долгий срок службы (5000 ч);

миниатюрная конструкция;

возможность регулирования светового потока;

высокий уровень безопасности, особенно в условиях повышенной влажности (низковольтные лампы).

Недостатки галогенных ламп:

до стеклянной поверхности лампы нельзя дотрагиваться голыми руками, так как на ней остаются жирные пятна, что может привести к оплавлению в этом месте стекла колбы.

чувствительность к перепадам напряжения в питающей сети;

температура колбы может достигать 500° С, поэтому при установке ламп следует соблюдать нормы противопожарной безопасности;

Г) Натриевые лампы

Данный тип ламп принадлежит к числу наиболее эффективных источников видимого излучения: они обладают высокой световой отдачей среди газоразрядных ламп, экономны и имеют длительный срок службы. Обычно лампы излучают характерный желтый цвет, но если в состав зажигающего вещества входит ксенон, они дают яркий белый свет. Натриевые лампы классифицируются на НЛВД, которые излучают свет теплого желтого цвета, подходящий для освещения больших парков, дорог и площадей, и НЛНД, которые идеально подходят для уличного освещения.

Достоинства натриевых ламп:

высокий уровень светоотдачи (до 130 лм/Вт);

длительный срок службы (до 12 000 ч.);

энергетическая экономичность;

Недостатки натриевых ламп:

плохая цветопередача (Ra = 20);

имеют большой пусковой ток;

долгое зажигание и перезажигание (до 10 мин.).

Д) Ртутная лампа высокого давления

Такие лампы обладают высокой надежностью, хорошей цветопередачей, позволяют снизить затраты на установку и техническое обслуживание. Лампы данного типа отличаются высокой светоотдачей при сравнительно небольших габаритах, они имеют длительный срок службы. 40% излучения приходится на ультрафиолетовую область спектра. Для увеличения светоотдачи ультрафиолетовое излучение преобразуют в видимый свет с помощью люминофора, которым покрыта колба лампы.

Применяются для внутреннего и наружного освещения коммерческих и производственных объектов, для декоративного и охранного освещения. Ртутно-вольфрамовая лампа - лампа, внутри которой в одной и той же колбе находятся разрядная трубка ртутной лампы высокого давления и спираль лампы накаливания, соединенные последовательно. Колба может быть покрыта люминофором. Вольфрамовая спираль служит дополнительным источником света в красной области света и одновременно выполняет функцию балластного давления для ртутной горелки. Благодаря этому устройству улучшается передача цвета и отпадает необходимость использования дополнительного дросселя.

Преимущества ртутных газоразрядных ламп:

широкий диапазон мощностей;

достаточный уровень световой отдачи (30-60 лм/Вт);

большой срок службы (до 12000 ч.);

ртутно-вольфрамовые лампы не требуют пускорегулирующего аппарата;

компактные размеры;

Недостатки ртутных газоразрядных ламп:

плохая цветопередача;

имеют большой пусковой ток;

долгое зажигание и перезажигание (до 5 -10 мин.).

Ж) Светодиодная лампа

Достоинства светодиодных ламп

высокий уровень светоотдачи (от 80-120 лм/Вт);

длительный срок службы;

мгновенное включение, отсутствие мерцаний;

высокий индекс цветопередачи Ra>80;

широкий диапазон цветовых температур (2700-10000К);

отсутствует ультрафиолетовое излучение;

высокая виброустойчивость и ударопрочность;

низкое энергопотребление.

Недостатки светодиодных ламп:

высокая стоимость;

низкая предельная температура;

направленность свечения (для получения привычной для человека освещенности в помещении необходимо больше светильников, чем при использовании ламп накаливания и люминесцентных ламп);

для питания светодиодов от сети необходим низковольтный источник питания постоянного тока, что дополнительно увеличивает объём светильника, а его наличие дополнительно снижает общую надёжность и требует дополнительной защиты;

Помимо перечисленных выше недостатков светодиодного освещения можно ещё одно замечание: наличие небольшого свечения светодиодной лампы (цоколь Е27) в отключенном состоянии выключателя, оснащённого подсветкой неоновой лампы, имеющей небольшой ток утечки (около 2-ух миллиампер).

2.3 Результаты сравнительного анализа

Анализируя данные, представленные в таблицах 1, рис. 2, можно сказать о том, что светильники на основе светодиодов имеют преимущества перед другими сравниваемыми осветительными приборами, но не являются достойной альтернативой для модернизации систем освещения.

Таблица 1. Сравнение технических параметров светодиодных и ртутных уличных светильников

 

Технические показатели

Ламповый (ртутный) уличный светильник

Светодиодный уличный светильник

Срок службы источника света

до 6 000 часов

до 100 000 часов

Экономия электроэнергии

-

до 90%

Использование светового потока

65%

100%

Затраты на обслуживание

ежегодные

только мытье струей воды

Пусковой ток

4,5 А

нет

Потребляемый ток

2,1-2,2 А

0,4-0,6 А

Нагрузка на электросети

высокая

низкая

Специальная утилизация источников света

требуется

не требуется

Виброустойчивость

слабая

высокая

Устойчивость к перепадам напряжения

слабая

не чувствителен

Стабильность работы при низких температурах

низкая

высокая

Наличие стробоскопического эффекта

есть

нет

Контрастность и цветопередача

низкая

высокая

Экологическая безопасность

нет

полная

Недостатки ртутных ламп

- мерцание от сети 50 Гц - нестабильность мощности и светового потока лампы при колебаниях сетевого напряжения - низкий коэффициент мощности; - большая масса ПРА, наличие отдельного блока импульсного запуска и необходимость применения дополнительного конденсатора для улучшения коэффициента мощности; - отсутствие возможности управления светом.

более высокая цена

 



Рис. 2. Зависимость светового потока светодиода от времени наработки

Из графика, изображённого на рисунке 2, видно, что в процессе эксплуатации световой поток светодиода снижается на половину после 50 тысяч часов, а за первые 10 тысяч часов он падает на 10 единиц. Можно сделать вывод, что большой срок службы не подразумевает под собой качественное освещение в период эксплуатации.

Применение светодиодного освещения целесообразно лишь в тех областях освещения, где действительно присутствует большое потребление электроэнергии (уличное освещение).

Заключение

В результате проведения сравнительного анализа различных источников света, направленного на выявление преимуществ светодиодных светильников, были выявлены следующие основные преимущества:

низкое энергопотребление;

экологическая безопасность и отсутствие необходимости специальной утилизации;

высокий коэффициент полезного действия.

Так же можно отметить такую отличительную особенность данного типа освещения как мгновенность выхода на полную рабочую мощность при подаче питающего напряжения, что позволяет использовать светодиодные светильники в уличном освещении, где имеют место перепады температуры.

Но, анализируя недостатки светодиодного освещения, можно сказать, что на сегодняшний день данный вид освещения не является наиболее актуальным для модернизации освещения офисных и жилых помещений. Причина отсутствия необходимости выражается в достаточно затратном переходе к данному виду освещении, а так же ввиду довольно сомнительных преимуществ светодиодного освещения с другими видами освещения.

Проведя обзор сравнительного анализа и теоретических сведений различных осветительных приборов, можно говорить о том, что осветительные приборы на основе светодиодов не являются достаточно актуальными для производства модернизации освещения на различных объектах с целью экономии электроэнергии. Целесообразность их применения видится в достаточно узких областях, например, уличное освещение или освещение крупных производственных помещений, архитектурное освещение.

Следовательно, факт преимущества светодиодных светильников перед другими осветительными приборами в полном объёме не нашёл своё подтверждение в процессе данной научно-исследовательской работы.

Необходимо отметить, что в работе были затронуты лишь некоторые аспекты проблемы и данная тема требует дальнейших глубоких проработок и исследований.

светодиод светильник осветительный прибор

Список литературы

1. Алфёров Ж.И.// Физика и техника полупроводников.1998. Т32. № С.3-18.

. Берг А., Дин П.// Светодиоды (перевод с англ. под редакцией Юновича А.Э.). М.,1979.