Светодиодные лампы

Светодиодная лампа — это искусственный источник света, в котором в качестве излучателя используются светодиоды (LED, Light-Emitting Diode). Относится к классу полупроводниковых источников света, преобразующих электрическую энергию в оптическое излучение за счёт явления электролюминесценции. Отличается от традиционных ламп накаливания и люминесцентных ламп высоким коэффициентом полезного действия (КПД), длительным сроком службы и низким энергопотреблением.

История

Первые практические светодиоды, излучающие видимый свет, были созданы в начале 1960-х годов. В 1962 году американский инженер Ник Холоньяк-младший из компании General Electric разработал первый красный светодиод. Долгое время светодиоды использовались преимущественно в качестве индикаторов в электронных устройствах из-за низкой светоотдачи и ограниченного спектра цветов.

Прорыв в области светодиодного освещения произошёл в 1990-х годах. В 1993 году японский учёный Сюдзи Накамура из компании Nichia Chemical Industries создал первый высокоэффективный синий светодиод. Это открытие позволило получать белый свет путём комбинирования синего излучения с жёлтым люминофором, что сделало возможным производство светодиодных ламп для общего освещения. За эту разработку Накамура получил Нобелевскую премию по физике в 2014 году.

Массовое внедрение светодиодных ламп в бытовое и промышленное освещение началось в конце 2000-х — начале 2010-х годов, после значительного снижения стоимости производства и повышения светоотдачи до конкурентоспособных с люминесцентными лампами значений.

Устройство и принцип работы

Конструкция

Типичная светодиодная лампа для сети переменного тока 220 В состоит из следующих основных компонентов:

• Цоколь — резьбовой (E27, E14, GU10 и др.) или штырьковый (G4, G9, GU5.3), обеспечивающий механическое крепление и электрический контакт.
• Корпус — обычно изготавливается из алюминия или термопластика, выполняет функцию радиатора для отвода тепла от светодиодов.
• Драйвер (преобразователь питания) — электронная схема, преобразующая переменное напряжение сети в постоянный ток с заданными параметрами (обычно 12–24 В, стабилизированный по току).
• Плата со светодиодами — печатная плата с установленными на ней светодиодами (SMD-чипами или COB-матрицами).
• Рассеиватель — прозрачный или матовый колпак (обычно из поликарбоната), защищающий светодиоды и равномерно распределяющий световой поток.

Принцип действия

Светодиод представляет собой полупроводниковый диод, в котором при прохождении электрического тока в прямом направлении происходит рекомбинация электронов и дырок в области p-n-перехода. Этот процесс сопровождается выделением энергии в виде фотонов (электролюминесценция). Цвет излучения зависит от материала полупроводника (ширины запрещённой зоны). Для получения белого света в бытовых лампах обычно используется синий светодиод, покрытый слоем люминофора (обычно на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного церием), который преобразует часть синего излучения в жёлто-зелёное. Смешение синего и жёлтого света даёт белый свет с различной цветовой температурой.

Классификация

Светодиодные лампы классифицируются по нескольким признакам.

По типу цоколя

• Резьбовые (Эдисона): E27 (стандартный), E14 (миньон), E40 (для мощных промышленных ламп).
• Штырьковые: GU10, GU5.3 (MR16), G4, G9, GX53.
• Софитные: G13 (для линейных LED-трубок T8), S14S.
• Специализированные: для автомобилей, фонарей, световых приборов.

По типу светодиодов

• SMD (Surface-Mounted Device) — поверхностно-монтируемые чипы. Наиболее распространённый тип, обеспечивающий высокую плотность светодиодов на плате и хорошее рассеивание тепла.
• COB (Chip-On-Board) — множество кристаллов, размещённых непосредственно на подложке. Даёт более равномерное свечение, но требует эффективного охлаждения.
• Filament (филаментные) — светодиоды, имитирующие нить накаливания. Размещаются на прозрачных стеклянных стержнях, покрытых люминофором. Отличаются узким углом излучения и высокой энергоэффективностью.

По форме

• Грушевидные (A-форма) — классическая форма лампы накаливания.
• Свечеобразные (C-форма) — для декоративных светильников.
• Шарообразные (G-форма) — для открытых плафонов.
• Споты (PAR, MR) — для направленного света (трековые системы, встраиваемые светильники).
• Линейные (T8, T5) — для замены люминесцентных ламп.

Характеристики

Светотехнические параметры

• Световой поток (лм, люмен) — количество излучаемого света. Для бытовых ламп составляет от 200 до 2000 лм.
• Световая отдача (лм/Вт) — отношение светового потока к потребляемой мощности. У современных светодиодных ламп достигает 100–200 лм/Вт, что в 5–10 раз выше, чем у ламп накаливания.
• Цветовая температура (К, кельвин) — определяет оттенок белого света: тёплый (2700–3000 К, аналогичен лампе накаливания), нейтральный (4000–4500 К), холодный (5000–6500 К).
• Индекс цветопередачи (CRI, Ra) — показатель точности цветопередачи по сравнению с эталонным источником. Для качественных ламп CRI > 80 (для жилых помещений) и > 90 (для музеев, медицинских учреждений).
• Угол рассеивания — для большинства ламп составляет 120–180°, для направленных — 15–60°.

Электрические параметры

• Напряжение питания: 220–240 В переменного тока (для бытовых), 12–24 В постоянного тока (для низковольтных систем).
• Мощность: от 1 до 100 Вт и более.
• Коэффициент мощности (Power Factor, PF): для качественных ламп > 0,9, для дешёвых может быть 0,5–0,6.
• Наличие пульсаций (стробоскопический эффект): качественные лампы имеют коэффициент пульсации менее 5–10%, дешёвые — до 30–50%, что вредно для зрения.

Эксплуатационные параметры

• Срок службы: 15 000–50 000 часов (заявленный производителем), реально — 10 000–30 000 часов в зависимости от качества и условий эксплуатации.
• Количество циклов включения/выключения: практически неограниченно (в отличие от люминесцентных ламп).
• Рабочий диапазон температур: от –40 до +50 °C.
• Степень защиты (IP): для открытых помещений — IP20, для влажных — IP44, для уличных — IP65.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая энергоэффективность: потребляют в 8–10 раз меньше электроэнергии, чем лампы накаливания, при той же яркости.
• Долговечность: срок службы в 10–50 раз больше, чем у ламп накаливания, и в 2–5 раз больше, чем у люминесцентных.
• Мгновенное включение: достигают полной яркости за доли секунды, без разогрева.
• Экологичность: не содержат ртути и других токсичных веществ, не требуют специальной утилизации.
• Устойчивость к вибрациям и ударам: за счёт отсутствия хрупких стеклянных колб и нитей накаливания.
• Компактность и разнообразие форм.

Недостатки

• Высокая начальная стоимость: хотя цены значительно снизились, качественные светодиодные лампы дороже ламп накаливания и компактных люминесцентных.
• Чувствительность к перегреву: при недостаточном теплоотводе светодиоды деградируют, снижая яркость и срок службы.
• Необходимость качественного драйвера: дешёвые лампы часто имеют низкий коэффициент мощности, высокие пульсации и малый срок службы.
• Зависимость цветопередачи от качества люминофора: дешёвые лампы могут иметь CRI < 70, что искажает цвета.
• Утилизация электронных компонентов: хотя лампа не содержит ртути, её электронная начинка (драйвер) подлежит переработке как электронный лом.

Применение

Светодиодные лампы широко применяются во всех сферах освещения:

• Бытовое освещение: жилые комнаты, кухни, ванные, коридоры.
• Офисное и административное освещение: потолочные светильники, настольные лампы, трековые системы.
• Уличное освещение: фонари, прожекторы, архитектурная подсветка.
• Промышленное освещение: цеха, склады, производственные помещения.
• Автомобильное освещение: фары, габаритные огни, салонное освещение.
• Декоративное освещение: светодиодные ленты, гирлянды, дизайнерские светильники.
• Специальное освещение: медицинские приборы, растениеводство (фитолампы), аквариумы.

Регулирование и стандарты

В России качество светодиодных ламп регулируется несколькими нормативными документами:

• ГОСТ Р 54815-2011 (МЭК 62612:2009) — лампы светодиодные для общего освещения со встроенным устройством управления.
• ГОСТ Р 54350-2015 — приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний.
• Технический регламент Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС 004/2011) — требования к электробезопасности.
• Технический регламент Таможенного союза «Электромагнитная совместимость технических средств» (ТР ТС 020/2011) — требования к помехоэмиссии.

С 2011 года в России действует запрет на производство и импорт ламп накаливания мощностью 100 Вт и более, что стимулировало переход на энергоэффективные источники света, включая светодиодные.

Интересные факты

• Первый светодиод, пригодный для освещения, был создан в 1962 году, но его яркость была ничтожна — менее 0,1 лм.
• Современные светодиодные лампы способны проработать непрерывно более 5 лет (при 24-часовой работе в сутки).
• Светодиодные лампы Filament (филаментные) по внешнему виду максимально приближены к классическим лампам накаливания, но потребляют в 8–10 раз меньше энергии.
• В 2018 году группа учёных из Массачусетского технологического института (MIT) разработала светодиод, КПД которого превышает 99% (теоретический предел).
• Светодиодное освещение используется в космических аппаратах и на Международной космической станции (МКС) для создания искусственного освещения, близкого к солнечному.

Источники

• ГОСТ Р 54815-2011. Лампы светодиодные для общего освещения со встроенным устройством управления. — М.: Стандартинформ, 2012.
• Шуберт Ф. Е. Светодиоды. — М.: Физматлит, 2008. — 496 с.
• Накамура С., Фасол Г. Светодиоды: история, физика, технология. — М.: Техносфера, 2014.
• Технический регламент Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС 004/2011).
• Справочник по светотехнике / Под ред. Ю. Б. Айзенберга. — М.: Знак, 2006.