Глобальний ринок освітлення переживає радикальні зміни, спричинені масовим зростанням впровадження світлодіодної технології (LED). Ця революція твердотільного освітлення (SSL) докорінно змінила економіку ринку та динаміку галузі. Технологія SSL забезпечила не тільки різні форми продуктивності, але й перехід від звичайних технологій до світлодіодного освітлення також кардинально змінює уявлення людей про освітлення. Звичайні технології освітлення були розроблені насамперед для задоволення візуальних потреб. Завдяки світлодіодному освітленню все більше уваги привертає позитивна стимуляція біологічного впливу світла на здоров’я та самопочуття людей. Поява світлодіодної технології також проклала шлях для конвергенції освітлення та Інтернету речей (IoT), що відкриває цілий новий світ можливостей. На початку існувала велика плутанина щодо світлодіодного освітлення. Швидке зростання ринку та величезний інтерес споживачів створюють нагальну потребу розвіяти сумніви навколо технології та інформувати громадськість про її переваги та недоліки.
Як працюють світлодіоди?
Світлодіод — це напівпровідниковий корпус, що містить світлодіодний кристал (чіп) та інші компоненти, які забезпечують механічну підтримку, електричне з’єднання, теплопровідність, оптичне регулювання та перетворення довжини хвилі. Світлодіодний чіп — це, по суті, пристрій pn-переходу, утворений протилежно легованими шарами напівпровідника. Складним напівпровідником, який широко використовується, є нітрид галію (GaN), який має пряму заборонену зону, що забезпечує вищу ймовірність радіаційної рекомбінації, ніж напівпровідники з непрямою забороненою зоною. Коли pn-перехід зміщується в прямому напрямку, електрони із зони провідності напівпровідникового шару n-типу переміщуються через граничний шар у p-перехід і рекомбінують з дірками з валентної зони напівпровідникового шару p-типу в активна область діода. Електронно-діркова рекомбінація призводить до того, що електрони переходять у стан нижчої енергії та вивільняють надлишок енергії у вигляді фотонів (пакетів світла). Цей ефект називається електролюмінесценцією. Фотон може переносити електромагнітне випромінювання будь-якої довжини хвилі. Точна довжина хвилі світла, випромінюваного діодом, визначається шириною забороненої зони напівпровідника.
Світло, що генерується електролюмінесценцією в світлодіодному чіпі, має вузький розподіл довжини хвилі з типовою смугою пропускання в кілька десятків нанометрів. Вузькосмугове випромінювання призводить до того, що світло має один колір, наприклад червоний, синій або зелений. Щоб забезпечити джерело білого світла широкого спектру, необхідно збільшити ширину спектрального розподілу потужності (SPD) світлодіодного чіпа. Електролюмінесценція світлодіодного чіпа частково або повністю перетворюється на фотолюмінесценцію в люмінофорах. Більшість білих світлодіодів поєднують короткохвильове випромінювання блакитних мікросхем InGaN і повторно випромінюване довгохвильове світло від люмінофорів. Люмінофорний порошок диспергований у кремнієвій, епоксидній матриці або інших смоляних матрицях. Люмінофорна матриця нанесена на світлодіодний чіп. Біле світло також можна виробляти шляхом накачування червоного, зеленого та синього люмінофорів за допомогою ультрафіолетового (УФ) або фіолетового світлодіода. У цьому випадку отриманий білий колір може досягти чудової передачі кольору. Але цей підхід має низьку ефективність, оскільки великий зсув довжини хвилі, пов’язаний із перетворенням ультрафіолетового або фіолетового світла, супроводжується великою втратою енергії Стокса.
Переваги світлодіодного освітлення
Винахід ламп розжарювання більше століття тому здійснив революцію в штучному освітленні. Наразі ми спостерігаємо революцію цифрового освітлення, завдяки SSL. Освітлення на основі напівпровідників не тільки забезпечує безпрецедентний дизайн, продуктивність і економічні переваги, але також дає змогу використовувати безліч нових застосувань і цінних пропозицій, які раніше вважалися непрактичними. Прибуток від отримання цих переваг значно переважатиме відносно високу початкову вартість встановлення світлодіодної системи, щодо якої на ринку все ще є певні сумніви.
1. Енергоефективність
Одним з основних обґрунтувань для переходу на світлодіодне освітлення є енергоефективність. За останнє десятиліття світлова віддача корпусів білих світлодіодів, перетворених на люмінофор, зросла з 85 лм/Вт до понад 200 лм/Вт, що означає ефективність перетворення електричної енергії в оптичну (PCE) понад 60 відсотків за стандартного робочого струму. щільність 35 А/см2. Незважаючи на покращення ефективності синіх світлодіодів InGaN, люмінофорів (ефективність і довжина хвилі відповідають реакції людського ока) і упаковки (оптичне розсіювання/поглинання), Міністерство енергетики США (DOE) каже, що залишається більше простору для PC-LED. покращення ефективності та світлової віддачі приблизно 255 лм/Вт повинні бути практично можливими для синіх світлодіодів насоса. Висока світловіддача, безсумнівно, є переважною перевагою світлодіодів перед традиційними джерелами світла — лампами розжарювання (до 20 лм/Вт), галогенними (до 22 лм/Вт), лінійними люмінесцентними лампами (65-104 лм/Вт), компактними люмінесцентними лампами. (46-87 лм/Вт), індукційна флуоресцентна лампа (70-90 лм/Вт), пара ртуті (60-60 лм/Вт), натрій високого тиску (70-140 лм/Вт) , галогенід металу кварцу (64-110 лм/Вт) і галоген керамічного металу (80-120 лм/Вт).
2. Ефективність оптичної доставки
Окрім значного покращення ефективності джерела світла, здатність досягти високої оптичної ефективності світильників за допомогою світлодіодного освітлення менш відома звичайним споживачам, але дуже бажана дизайнерами освітлення. Ефективна доставка світла, випромінюваного джерелами світла, до цілі була головною проблемою проектування в галузі. Традиційні лампи у формі колби випромінюють світло у всіх напрямках. Це призводить до того, що більша частина світлового потоку, виробленого лампою, затримується всередині світильника (наприклад, відбивачами, розсіювачами) або виходить із світильника в напрямку, який не підходить для передбачуваного застосування або просто образливий для очей. Світильники HID, такі як металогалогенні та натрієві світильники високого тиску, загалом ефективні від 60 до 85 відсотків для направлення світла, виробленого лампою, поза світильника. Нерідкі випадки, коли вбудовані світильники та шафи, які використовують флуоресцентні або галогенні джерела світла, мають 40-50% оптичних втрат. Спрямований характер світлодіодного освітлення забезпечує ефективну передачу світла, а компактний форм-фактор світлодіодів дозволяє ефективно регулювати світловий потік за допомогою складних лінз. Добре розроблені системи світлодіодного освітлення можуть забезпечити оптичну ефективність понад 90 відсотків.
3. Рівномірність освітлення
Рівномірне освітлення є одним із головних пріоритетів у дизайні внутрішнього навколишнього середовища та зовнішнього освітлення/проїжджої частини. Рівномірність - це міра співвідношення освітленості на площі. Гарне освітлення має забезпечувати рівномірний розподіл світлового потоку, що падає на робочу поверхню або область. Надзвичайні відмінності в яскравості, спричинені нерівномірним освітленням, можуть призвести до зорової втоми, вплинути на виконання завдань і навіть викликати занепокоєння у безпеці, оскільки око має адаптуватися між поверхнями різної яскравості. Переходи від яскраво освітленої зони до зони з дуже різним освітленням спричинять перехідну втрату гостроти зору, що має значні наслідки для безпеки під час застосування на відкритому повітрі, де задіяний рух транспортних засобів. У великих закритих приміщеннях рівномірне освітлення сприяє високому візуальному комфорту, забезпечує гнучкість розташування завдань і усуває необхідність переміщення світильників. Це може бути особливо корисним на високих промислових і комерційних об’єктах, де переміщення світильників пов’язане зі значними витратами та незручностями. Світильники, які використовують лампи HID, мають набагато вищу освітленість безпосередньо під світильником, ніж зони, розташовані далі від світильника. Це призводить до поганої однорідності (типове співвідношення макс./мін. 6:1). Розробники освітлення повинні збільшити щільність світильників, щоб рівномірність освітлення відповідала мінімальним вимогам до дизайну. Навпаки, велика світловипромінююча поверхня (LES), створена з масиву невеликих світлодіодів, забезпечує рівномірність розподілу світла менше ніж 3:1 макс./хв. установок над робочою зоною.
4. Спрямоване освітлення
Завдяки своїй спрямованості випромінювання та високій щільності потоку світлодіоди за своєю суттю підходять для спрямованого освітлення. Спрямований світильник концентрує світло, випромінюване джерелом світла, у спрямований промінь, який безперервно рухається від світильника до цільової області. Вузько сфокусовані промені світла використовуються для створення ієрархії важливості за допомогою контрасту, щоб вибрані елементи виділялися із фону, а також для додання інтересу та емоційної привабливості об’єкту. Спрямовані світильники, включаючи точкові світильники та прожектори, широко використовуються в системах акцентного освітлення, щоб підкреслити або підкреслити елемент дизайну. Спрямоване освітлення також використовується в додатках, де потрібен інтенсивний промінь, щоб допомогти виконати складні візуальні завдання або забезпечити освітлення на великій відстані. Продукти, які служать для цієї мети, включають ліхтарі, прожектори, ліхтарі, дальнє вогні для транспортних засобів, прожектори для стадіонів тощо. Світлодіодний світильник може мати достатню потужність у своєму світловому потокі, незалежно від того, чи потрібно створити дуже чітко визначений «жорсткий» промінь для драматичного ефекту. Світлодіоди COB або кинути довгий промінь далеко на відстань за допомогою світлодіодів високої потужності.
5. Спектральна інженерія
Світлодіодна технологія пропонує нову можливість контролювати спектральний розподіл потужності (SPD) джерела світла, що означає, що склад світла можна адаптувати для різних застосувань. Спектральна керованість дозволяє спроектувати спектр від освітлювальних приладів, щоб задіяти специфічні зорові, фізіологічні, психологічні реакції людини, фоторецептори рослин або навіть напівпровідниковий детектор (тобто камера HD) або комбінацію таких реакцій. Висока спектральна ефективність може бути досягнута шляхом максимізації бажаних довжин хвиль і видалення або зменшення шкідливих або непотрібних частин спектру для даного застосування. У додатках білого світла SPD світлодіодів можна оптимізувати для заданої точності кольору та корельованої колірної температури (CCT). Завдяки багатоканальному дизайну з кількома випромінювачами можна активно й точно контролювати колір світлодіодного світильника. Системи змішування кольорів RGB, RGBA або RGBW, які здатні виробляти повний спектр світла, створюють безмежні естетичні можливості для дизайнерів та архітекторів. Динамічні білі системи використовують світлодіоди з декількома CCT для забезпечення теплого затемнення, яке імітує колірні характеристики ламп розжарювання при затемненні, або для забезпечення регульованого білого освітлення, яке дозволяє незалежно контролювати колірну температуру та інтенсивність світла. Орієнтоване на людину освітлення, засноване на регульованій білій світлодіодній технології, є одним із імпульсів багатьох останніх розробок світлотехніки.
6. Вмикання/вимкнення
Світлодіоди вмикаються на повну яскравість майже миттєво (від однієї цифри до десятків наносекунд) і мають час вимкнення в десятки наносекунд. Навпаки, час розігріву, або час, який потрібен лампочці, щоб вийти на повну світловіддачу, компактних люмінесцентних ламп може тривати до 3 хвилин. Лампи HID потребують періоду прогріву протягом кількох хвилин, перш ніж дати придатне світло. Гаряче повторне запалювання викликає набагато більше занепокоєння, ніж початковий запуск металогалогенних ламп, які колись були основною технологією для освітлення високих приміщень і потужних прожекторів промислових об’єктів, стадіонів і арен. Відключення електроенергії в об’єкті з металогалогенним освітленням може поставити під загрозу безпеку, оскільки процес повторного запалювання металогалогенних ламп займає до 20 хвилин. Миттєвий запуск і гаряче повторне включення надають світлодіодам унікальне положення для ефективного виконання багатьох завдань. Короткий час відгуку світлодіодів дає значну користь не тільки для загального освітлення, але й для багатьох спеціальних застосувань. Наприклад, світлодіодні ліхтарі можуть працювати синхронно з дорожніми камерами, щоб забезпечити переривчасте освітлення для зйомки транспортного засобу, що рухається. Світлодіоди вмикаються на 140-200 мілісекунд швидше, ніж лампи розжарювання. Перевага часу реакції свідчить про те, що світлодіодні стоп-сигнали ефективніші, ніж лампи розжарювання, для запобігання зіткненням ззаду. Ще однією перевагою світлодіодів у режимі перемикання є цикл перемикання. На термін служби світлодіодів часті перемикання не впливають. Типові світлодіодні драйвери для загального освітлення розраховані на 50, 000 циклів перемикання, і рідко для високоефективних світлодіодних драйверів витримують 100, 000, 200, 000 або навіть 1 мільйон цикли перемикання. На термін служби світлодіода не впливає швидка циклічна зміна (перемикання високої частоти). Завдяки цій функції світлодіодні ліхтарі добре підходять для динамічного освітлення та для використання з елементами керування освітленням, такими як датчики присутності або денного світла. З іншого боку, часте вмикання/вимкнення може скоротити термін служби ламп розжарювання, розжарювання та люмінесцентних ламп. Ці джерела світла зазвичай мають лише кілька тисяч циклів перемикання протягом свого номінального терміну служби.
7. Можливість затемнення
Здатність випромінювати світло в дуже динамічний спосіб надає світлодіодам ідеальний контроль затемнення, тоді як люмінесцентні лампи та лампи HID погано реагують на затемнення. Регулювання люмінесцентних ламп потребує використання дорогих, великих і складних схем, щоб підтримувати умови збудження газу та напруги. Зменшення яскравості ламп HID призведе до скорочення терміну служби та передчасного виходу лампи з ладу. Металогалогенні та натрієві лампи високого тиску не можуть бути затемнені нижче 50 відсотків від номінальної потужності. Вони також реагують на сигнали затемнення значно повільніше, ніж світлодіоди. Затемнення світлодіодів можна здійснити за допомогою зменшення постійного струму (CCR), більш відомого як аналогове затемнення, або шляхом застосування широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) до світлодіода, також відомого як цифрове затемнення. Аналогове затемнення контролює струм приводу, що протікає через світлодіоди. Це найбільш широко використовуване рішення для затемнення для загального освітлення, хоча світлодіоди можуть не працювати добре за дуже низьких струмів (нижче 10 відсотків). ШІМ-діммування змінює робочий цикл широтно-імпульсної модуляції для створення середнього значення на її виході в повному діапазоні від 100 відсотків до 0 відсотків. Контроль затемнення світлодіодів дозволяє узгодити освітлення з потребами людини, максимізувати енергозбереження, увімкнути змішування кольорів і налаштування CCT, а також продовжити термін служби світлодіодів.
8. Керованість
Цифрова природа світлодіодів сприяє бездоганній інтеграції датчиків, процесорів, контролерів і мережевих інтерфейсів у системи освітлення для реалізації різноманітних стратегій інтелектуального освітлення, від динамічного освітлення та адаптивного освітлення до будь-якого IoT, що приносить далі. Динамічний аспект світлодіодного освітлення варіюється від простої зміни кольору до складних світлових шоу через сотні чи тисячі індивідуально керованих вузлів освітлення та складної трансляції відеовмісту для відображення на світлодіодних матричних системах. Технологія SSL лежить в основі великої екосистеми підключених освітлювальних рішень, які можуть використовувати збір денного світла, визначення зайнятості, контроль часу, вбудовану програмованість і підключені до мережі пристрої для керування, автоматизації та оптимізації різних аспектів освітлення. Перенесення керування освітленням до мереж на основі IP дозволяє інтелектуальним системам освітлення, наповненим датчиками, взаємодіяти з іншими пристроями в мережах IoT. Це відкриває можливості для створення широкого спектру нових послуг, переваг, функціональних можливостей і джерел доходу, які підвищують цінність систем світлодіодного освітлення. Керування системами світлодіодного освітлення можна реалізувати за допомогою різноманітних дротових і бездротових протоколів зв’язку, включаючи протоколи керування освітленням, такі як 0-10V, DALI, DMX512 і DMX-RDM, протоколи автоматизації будівель, такі як BACnet, LON, KNX і EnOcean, а також протоколи, розгорнуті на все більш популярній сітчастій архітектурі (наприклад, ZigBee, Z-Wave, Bluetooth Mesh, Thread).
9. Гнучкість дизайну
Невеликий розмір світлодіодів дозволяє розробникам світильників створювати форми та розміри джерел світла, які підходять для багатьох застосувань. Ця фізична характеристика дає дизайнерам більше свободи виражати свою філософію дизайну або створювати ідентичність бренду. Гнучкість, що є результатом прямої інтеграції джерел світла, дає можливість створювати освітлювальні прилади, які ідеально поєднують форму та функціональність. Світлодіодні освітлювальні прилади можна створити так, щоб розмити межі між дизайном і мистецтвом для застосувань, де потрібна декоративна фокусна точка. Вони також можуть бути розроблені для підтримки високого рівня архітектурної інтеграції та вписуватися в будь-яку дизайнерську композицію. Твердотільні освітлювальні прилади також стимулюють нові тенденції дизайну в інших секторах. Унікальні можливості стилю дозволяють виробникам автомобілів створювати характерні фари та задні ліхтарі, які надають автомобілям привабливий вигляд.
10. Довговічність
Світлодіод випромінює світло від блоку напівпровідника, а не від скляної колби чи трубки, як це має місце у застарілих лампах розжарювання, галогенних, люмінесцентних і HID-лампах, у яких для генерування світла використовуються нитки або гази. Твердотільні пристрої, як правило, встановлюються на друковану плату з металевим сердечником (MCPCB), з’єднання зазвичай забезпечується спаяними проводами. Світлодіодні системи освітлення надзвичайно стійкі до ударів, вібрації та зносу. Довговічність світлодіодних систем освітлення в твердому стані має очевидні значення в різних сферах застосування. На промисловому об’єкті є місця, де освітлювальні прилади страждають від надмірної вібрації від великих машин. Світильники, встановлені вздовж доріг і тунелів, повинні витримувати повторювану вібрацію, спричинену важкими транспортними засобами, що проїжджають на високій швидкості. Вібрація становить типовий робочий день робочих ліхтарів, встановлених на будівельних, шахтних і сільськогосподарських транспортних засобах, машинах і обладнанні. Портативні світильники, такі як ліхтарики та кемпінгові ліхтарі, часто піддаються ударам падінь. Існує також багато застосувань, де розбиті лампи становлять небезпеку для мешканців. Усі ці виклики вимагають надійного освітлювального рішення, а це саме те, що може запропонувати твердотільне освітлення.
11. Термін служби продукту
Довгий термін служби виділяється як одна з головних переваг світлодіодного освітлення, але заяви про тривалий термін служби, засновані виключно на показниках терміну служби для світлодіодного пакета (джерела світла), можуть бути оманливими. Термін служби світлодіодної упаковки, світлодіодної лампи або світлодіодного світильника (освітлювальних приладів) часто вказується як момент часу, коли вихідний світловий потік знизився до 70 відсотків від початкового вихідного, або L70. Зазвичай світлодіоди (упаковки світлодіодів) мають термін служби L70 від 30,000 до 100,000 годин (при Ta=85 градусів). Однак вимірювання LM-80, які використовуються для прогнозування терміну служби L70 корпусів світлодіодів за допомогою методу TM-21, проводяться з пакетами світлодіодів, які постійно працюють у добре контрольованих умовах експлуатації (наприклад, у середовищі з контрольованою температурою). і живиться постійним струмом приводу постійного струму). Навпаки, світлодіодні системи в реальному застосуванні часто стикаються з вищим електричним перенапруженням, вищими температурами переходу та суворішими умовами навколишнього середовища. Світлодіодні системи можуть відчувати прискорене збереження світлового потоку або прямий передчасний вихід з ладу. Загалом, світлодіодні лампи (лампочки, трубки) мають термін служби L70 від 10,000 до 25,000 годин, інтегровані світлодіодні світильники (наприклад, ліхтарі, вуличні ліхтарі, ліхтарі вниз) мають термін служби від 30, 000 годин і 60,000 годин. У порівнянні з традиційними освітлювальними приладами — лампами розжарювання (750-2, 000 годин), галогенними (3, 000-4, 000 годин), компактними люмінесцентними лампами (8, 000-10) ,000 годин) і металогалогенних (7,500-25,000 годин), світлодіодні системи, зокрема інтегровані світильники, забезпечують значно довший термін служби. Оскільки світлодіодні ліхтарі практично не потребують технічного обслуговування, зниження витрат на технічне обслуговування в поєднанні з високою економією енергії завдяки використанню світлодіодних ліхтарів протягом їхнього тривалого терміну служби забезпечує високу віддачу від інвестицій (ROI).
12. Фотобіологічна безпека
Світлодіоди є фотобіологічно безпечними джерелами світла. Вони не створюють інфрачервоного (ІЧ) випромінювання та випромінюють незначну кількість ультрафіолетового (УФ) світла (менше 5 мкВт/лм). Лампи розжарювання, люмінесцентні та металогалогенні лампи перетворюють 73 відсотки, 37 відсотків та 17 відсотків споживаної енергії в інфрачервону енергію відповідно. Вони також випромінюють в УФ-області електромагнітного спектру — лампи розжарювання (70-80 мкВт/лм), компактні флуоресцентні (30-100 мкВт/лм) і металогалогенні (160-700 мкВт/лм) . При досить високій інтенсивності джерела світла, які випромінюють ультрафіолетове або інфрачервоне світло, можуть становити фотобіологічну небезпеку для шкіри та очей. Вплив УФ-випромінювання може спричинити катаракту (помутніння зазвичай прозорого кришталика) або фотокератит (запалення рогівки). Короткочасний вплив високого рівня ІЧ-випромінювання може спричинити термічне ураження сітківки ока. Тривалий вплив високих доз інфрачервоного випромінювання може викликати катаракту склодува. Тепловий дискомфорт, спричинений системою освітлення лампами розжарювання, вже давно викликає роздратування в галузі охорони здоров’я, оскільки звичайні освітлювальні прилади для хірургічних операцій і освітлювальні прилади для стоматологічних кабінетів використовують джерела світла розжарювання для створення світла з високою точністю кольору. Промінь високої інтенсивності, створюваний цими світильниками, випромінює велику кількість теплової енергії, що може викликати у пацієнтів дуже незручні відчуття.
Неминуче обговорення фотобіологічної безпеки часто зосереджується на небезпеці синього світла, яке відноситься до фотохімічного пошкодження сітківки в результаті опромінення довжинами хвиль переважно від 400 нм до 500 нм. Поширеною помилкою є те, що світлодіоди з більшою ймовірністю спричиняють небезпеку синього світла, оскільки більшість білих світлодіодів, перетворених на люмінофор, використовують синій світлодіодний насос. Міністерство енергетики та IES чітко дали зрозуміти, що світлодіодні вироби нічим не відрізняються від інших джерел світла, які мають однакову колірну температуру щодо небезпеки синього світла. Світлодіоди, перетворені на люмінофор, не становлять такого ризику навіть за жорсткими критеріями оцінки.
13. Радіаційний ефект
Світлодіоди випромінюють енергію лише у видимій частині електромагнітного спектру приблизно від 400 нм до 700 нм. Ця спектральна характеристика дає світлодіодним лампам цінну перевагу в застосуванні перед джерелами світла, які виробляють енергію випромінювання за межами спектра видимого світла. УФ- та ІЧ-випромінювання від традиційних джерел світла не тільки становить фотобіологічну небезпеку, але й призводить до руйнування матеріалу. Ультрафіолетове випромінювання надзвичайно шкідливе для органічних матеріалів, оскільки енергія фотонів випромінювання в ультрафіолетовому спектральному діапазоні є достатньо високою для прямого розриву зв’язку та шляхів фотоокислення. Порушення або руйнування хромофора може призвести до погіршення якості матеріалу та зміни кольору. Музейні програми вимагають відфільтрувати всі джерела світла, які генерують УФ понад 75 мкВт/лм, щоб мінімізувати незворотні пошкодження творів мистецтва. ІЧ-випромінювання не викликає такого ж фотохімічного пошкодження, як ультрафіолетове випромінювання, але все одно може сприяти пошкодженню. Підвищення температури поверхні об’єкта може призвести до прискореної хімічної активності та фізичних змін. ІЧ-випромінювання високої інтенсивності може спровокувати затвердіння поверхні, зміну кольору та розтріскування картин, псування косметичних засобів, висихання овочів та фруктів, розплавлення шоколаду та кондитерських виробів тощо.
14. Пожежо- та вибухобезпека
Небезпека пожежі та експозиції не характерна для систем світлодіодного освітлення, оскільки світлодіод перетворює електроенергію на електромагнітне випромінювання за допомогою електролюмінесценції в напівпровідниковій упаковці. Це на відміну від застарілих технологій, які виробляють світло шляхом нагрівання вольфрамових ниток або збудження газоподібного середовища. Несправність або неправильна робота може призвести до пожежі або вибуху. Металогалогенні лампи особливо схильні до ризику вибуху, оскільки кварцова дугова трубка працює під високим тиском (від 520 до 3100 кПа) і дуже високою температурою (900 до 1100 градусів). Несправності непасивної дугової трубки, викликані умовами закінчення терміну служби лампи, несправністю баласту або використанням неправильної комбінації лампа-баласт, можуть призвести до поломки зовнішньої колби металогалогенної лампи. Розпечені фрагменти кварцу можуть запалити легкозаймисті матеріали, горючий пил або вибухові гази/пари.
15. Зв'язок у видимому світлі (VLC)
Світлодіоди можна вмикати та вимикати з частотою, вищою, ніж людське око здатне сприймати. Ця невидима можливість увімкнення/вимкнення відкриває нове застосування для освітлювальних приладів. Технологія LiFi (Light Fidelity) привернула значну увагу в галузі бездротового зв’язку. Він використовує послідовності світлодіодів «ON» і «OFF» для передачі даних. Порівняно з поточними технологіями бездротового зв’язку з використанням радіохвиль (наприклад, Wi-Fi, IrDA та Bluetooth), LiFi обіцяє в тисячу разів більшу смугу пропускання та значно вищу швидкість передачі. LiFi вважається привабливим додатком IoT завдяки повсюдному поширенню освітлення. Кожну світлодіодну лампу можна використовувати як оптичну точку доступу для бездротової передачі даних, якщо її драйвер здатний перетворювати потоковий вміст у цифрові сигнали.
16. Освітлення постійного струму
Світлодіоди — це пристрої низької напруги, що працюють від струму. Така природа дозволяє світлодіодному освітленню використовувати переваги розподільних мереж постійного струму (DC) низької напруги. Зростає інтерес до мікромережних систем постійного струму, які можуть працювати як незалежно, так і в поєднанні зі стандартною електромережею. Ці невеликі електромережі забезпечують покращені інтерфейси з генераторами відновлюваної енергії (сонячної, вітрової, паливних елементів тощо). Місцеве джерело живлення постійного струму усуває потребу в перетворенні живлення змінного струму в постійний на рівні обладнання, яке передбачає значні втрати енергії та є типовою точкою збою світлодіодних систем із живленням від змінного струму. Високоефективне світлодіодне освітлення, у свою чергу, покращує автономність акумуляторних батарей або систем зберігання енергії. Оскільки мережевий зв’язок на основі IP набирає обертів, Power over Ethernet (PoE) з’явилася як опція мікромережі з низьким енергоспоживанням для доставки живлення постійного струму низької напруги через той самий кабель, який передає дані Ethernet. Світлодіодне освітлення має очевидні переваги для використання сильних сторін установки PoE.
17. Робота при низьких температурах
Світлодіодне освітлення чудово підходить для холодних температур. Світлодіод перетворює електричну енергію в оптичну через інжекційну електролюмінесценцію, яка активується, коли напівпровідниковий діод електрично зміщений. Цей процес запуску не залежить від температури. Низька температура навколишнього середовища сприяє розсіюванню відпрацьованого тепла, що виділяється світлодіодами, і таким чином звільняє їх від теплового спаду (зниження оптичної потужності при підвищених температурах). Навпаки, робота при низьких температурах є великою проблемою для люмінесцентних ламп. Для запуску люмінесцентної лампи в холодному середовищі необхідна висока напруга для запуску електричної дуги. Флуоресцентні лампи також втрачають значну кількість номінального світлового потоку при температурах нижче нуля, тоді як світлодіодні лампи найкраще працюють у холодному середовищі — навіть до -50 градусів. Тому світлодіодні ліхтарі ідеально підходять для використання в морозильних камерах, холодильниках, холодильних камерах і зовнішньому застосуванні.
18. Вплив на навколишнє середовище
Світлодіодні ліхтарі значно менше впливають на навколишнє середовище, ніж традиційні джерела освітлення. Низьке споживання енергії означає низькі викиди вуглецю. Світлодіоди не містять ртуті, тому вони менше впливають на навколишнє середовище після закінчення терміну служби. Для порівняння, утилізація ртутьвмісних люмінесцентних і HID ламп передбачає використання суворих протоколів утилізації відходів.
Недоліки та проблеми світлодіодного освітлення
Не захоплюйтеся багатством переваг світлодіодного освітлення. Хоча ця технологія, безумовно, є знаковим досягненням в історії електричного освітлення, вона викликає власні проблеми. Світлотехнічна промисловість стикається з такими масштабами, з якими вона ніколи раніше не стикалася. Напівпровідникове освітлення змінило філософію дизайну та інженерії. Системи освітлення більше не є тупими освітлювальними приладами, вони перетворилися на силову електроніку. Іншими словами, конструкція систем освітлення безпрецедентно складна. Світлодіоди — це самонагріваючі, чутливі до струму та інтенсивні напівпровідникові джерела світла. Це викликає найбільше занепокоєння щодо світлодіодного освітлення — продуктивність і надійність світлодіодної системи значною мірою залежать від багатовимірної роботи. Показники світлодіодного пакету є лише одним з аспектів цілісного дизайну та системної розробки системи світлодіодного освітлення. Багато інших взаємозалежних факторів вступають у гру, включаючи керування температурою, регулювання струму приводу та оптичний контроль.
Експерти з крісел часто складають довгий список недоліків світлодіодного освітлення. І щоб зробити історію сенсаційною, вони ніколи не забудуть згадати, що світлодіодне освітлення може викликати небезпеку синього світла. Біле світло — це в основному суміш довжин хвиль із різних кольорових смуг. Усі білі з однаковим кольором, незалежно від джерела світла, з якого випромінюється світло, мають приблизно однакову частку довжин хвиль синього у видимому спектрі. Вигляд кольору білого світла можна охарактеризувати як такий, що має корельовану колірну температуру (CCT). Синій вміст джерела світла, як правило, відповідає його CCT. Чим вище CCT, тим вище частка синіх хвиль. За однакових умов яскравості та освітленості синє випромінювання від світлодіодного виробу на 3000 К таке ж низьке, як і від лампи розжарювання на 3000 К, а синє випромінювання від світлодіодного виробу на 6000 К таке ж сильне, як і від люмінесцентної лампи на 6000 К. Як і у випадку з іншими джерелами світла, небезпека синього світла рідко викликає занепокоєння для білих світлодіодів. Можливість проектування спектрального складу білого світла є величезною перевагою світлодіодної технології. За допомогою світлодіодного освітлення можна створити будь-який спектральний склад світла, який позитивно впливає на здоров’я та благополуччя людини. Орієнтоване на людину освітлення, головна технологічна тенденція, яка сприяє зростанню індустрії освітлення, використовує можливості налаштування CCT світлодіодних систем для регулювання кількості синього випромінювання для здорового спектру білого світла.
Насправді світлодіодне освітлення має лише кілька внутрішніх недоліків.
Найвідомішим недоліком світлодіодного освітлення є те, що світлодіоди виробляють побічний продукт — тепло. Світлодіоди називаються обігрівачами, оскільки вони виробляють тепло всередині пристрою, а не випромінюють тепло у формі інфрачервоної енергії. Приблизно половина електричної енергії, що надходить до світлодіода, перетворюється на тепло, яке має передаватися та передаватися фізичним тепловим шляхом. Нездатність підтримувати температуру з’єднання пристрою нижче встановленого ліміту може прискорити кінетику механізмів відмови, таких як утворення та зростання атомних дефектів в активній області діода, карбонізація та пожовтіння герметика, а також зміна кольору пластикового корпусу упаковки. Понад максимальну номінальну температуру переходу термін служби світлодіода скорочуватиметься на 30–50 відсотків за кожні 10 градусів C підвищення температури переходу.
Найбільш невідомим, а також найбільшим недоліком світлодіодного освітлення є те, що світлодіоди є делікатною силовою електронікою. Вони надзвичайно вибагливі до їжі — руховий струм. Для світлодіодів їх висока чутливість до прямого струму є палицею з двома кінцями. Це надає системам освітлення чудову керованість, але також робить регулювання струму приводу надзвичайно складним завданням. Дуже незначна зміна струму приводу призведе до коливань світлового потоку. Світлодіоди є пристроями, що працюють від постійного струму, однак їх часто потрібно живити від джерела змінного струму. Неповне придушення змінної форми сигналу після виправлення може призвести до залишкової пульсації (залишкової періодичної зміни) вихідного струму від драйвера до світлодіодів. Ця пульсація змушує світлодіоди мерехтіти з подвійною частотою вхідної напруги мережі, тобто 100 Гц або 120 Гц. Електрична та теплова взаємозалежність світлодіодів також ускладнює регулювання навантаження. Коли температура переходу підвищується, пряма напруга зменшується, електрична потужність, що подається на світлодіод, також зменшується. З іншого боку, чим вищий струм приводу, тим більше відпрацьованого тепла утворюється в напівпровідниковому кристалі. Перевищення того, на що розрахований світлодіод, може призвести до раннього виходу з ладу світлодіода через перегрівання. Тим не менш, найбільш небезпечною загрозою для світлодіодів є електричні перенапруги (EOS). EOS виникає, коли струм або напруга приводу перевищують максимальні номінальні значення компонента. Існує багато можливих джерел електричних перенапруг, зокрема електростатичний розряд (ESD), пусковий струм або інші типи перехідних стрибків напруги. Тому вразливість світлодіодів до різних типів електричних навантажень вимагає суворого регулювання струму приводу.
Третім недоліком є те, що світлодіоди мають високу щільність потоку. Концентровані джерела спрямованого світла потенційно можуть створювати відблиски. Висока яскравість у полі зору заважає бачити (відблиски інвалідності) або викликає відчуття подразнення чи болю (відблиски дискомфорту). У конструкцію світильників можна включити додаткову оптику для пом’якшення відблисків, але вона часто призводить до великих оптичних втрат.
І останнє, але не менш важливе: підвищена складність проектування системи призводить до вищої початкової вартості світлодіодних виробів у порівнянні зі застарілими продуктами освітлення. Це робить оптимізацію витрат важливою частиною процесу проектування світильників. Коли тиск на витрати переважує продуктивність і надійність продуктів, виникне низка проблем.
