Led светодиоды для рекламы и нашей жизни

   Конец 20-го века для светотехников ознаменовался очень крупным событием: впервые за 130 лет появился совершенно новый тип источников света - светоизлучающие диоды или просто светодиоды.

     До этого времени существовало два принципиально различающихся типа источников света: тепловые, в которых свет получается за счёт нагрева излучающего тела до очень высокой температуры, и разрядные, в которых свет образуется при электрическом разряде в каком-либо газе или парах металлов. К первому типу относятся все лампы накаливания, в том числе и галогенные. Ко второму типу - люминесцентные, металлогалогенные, натриевые и многие другие лампы.

     Надо сказать, что существуют и другие типы источников света - химические, электролюминесцентные, радиоактивные, но параметры таких источников настолько хуже параметров тепловых и разрядных, что для целей освещения они не применяются, а используются только в очень узких областях, таких как индикаторы, светосигнальные элементы и другие.           Светодиоды - это полупроводниковые электронные приборы. Полупроводники - это материалы, хорошо проводящие электрический ток в одном направлении и плохо - в другом. Существует два вида полупроводниковых материалов - с избытком свободных электронов (полупроводники n-типа) и с недостатком свободных электронов, т.е. с избытком «дырок», способных поглотить электроны, поступающие извне, например, от источников электрического тока - батареек, аккумуляторов и т.п. (полупроводники p-типа).

     В светодиодах свет генерируется за счёт энергии, выделяющейся на границе двух полупроводниковых материалов с разными типами проводимости, за счёт рекомбинации электронов и «дырок».

     В 50-е годы минувшего века в мире происходила подлинная «полупроводниковая революция». В разных странах мира появлялись новые полупроводниковые материалы, проводились обширные научные исследования, в результате которых были созданы полупроводниковые транзисторы, тиристоры, интегральные микросхемы и другие элементы, совершившие полный переворот в электронной технике. Сегодня уже невозможно представит нашу жизнь без компьютеров, мобильных телефонов, устройств для записи и воспроизведения изображения и звуков и массы других устройств, созданных исключительно за счёт достижений полупроводниковой техники.

     В ходе этой «полупроводниковой революции» в 1962 году американская фирма General Electric создала новые светоиндикаторные элементы. Эти элементы были разработаны на основе полупроводникового материала - арсенида-фосфида галлия. При прохождении через этот материал электрического тока на границе с металлом возникало свечение красного цвета, хорошо видимое не только в темноте, но и при достаточно высокой внешней освещённости. Новые изделия получили название light emitting diode, или LED, или светоизлучающие диоды, или СИДы, или светодиоды, и стали быстро распространяться как светосигнальные элементы.

     Через несколько лет на базе этого же материала, а также арсенида-фосфида алюминия были созданы светодиоды с зелёным, жёлтым и оранжевым цветом излучаемого ими света. Светотехнические параметры этих светодиодов были низкими: срок службы - около 500 часов, световая отдача - менее 0,1 люмена на ватт (для сравнения - световая отдача миниатюрных сигнальных ламп накаливания мощностью 0,1 ватта - не менее 3 люмен на ватт, срок службы - до 5000 часов). Естественно, что как источники света светодиоды даже не рассматривались.

     Решающим фактором для повышения параметров светодиодов явилось открытие Ж.И.Алфёровым в конце 80-х годов так называемых «двойных многопроходных гетероструктур», за которые в 2001 году он был удостоен Нобелевской премии.

     В 1994 год в японской фирме Nichia на основе двойных многопроходных гетероструктур и новых полупроводниковых материалов - соединений индия, галлия и других элементов - были созданы первые светодиоды с голубым цветом излучаемого света. Голубое излучение с помощью специальных веществ - люминофоров - можно превращать в жёлтое и путём их смешивания получать белый свет. В 1996 году были созданы, а в 1997 году появились на рынке первые светодиоды с белым цветом излучаемого света, полученным именно таким путём.

     Двойные многопроходные гетероструктуры позволили резко повысить все параметры светодиодов. Уже к 2000 году световая отдача светодиодов с жёлтым, зелёным и красно-оранжевым цветом излучения превысила 20 лм/Вт, то есть увеличилась по сравнению с началом 90-х годов почти на три порядка. Срок службы серийно выпускаемых светодиодов достиг 50000 часов, а американская компания Hewlett Packard объявляла о возможности создания светодиодов со сроком службы 1000000 часов, то есть около 120 лет непрерывной работы.

     По световой отдаче светодиоды превысили тепловые источники света, а по сроку службы превзошли и разрядные. На свет появился действительно новый тип источника света в традиционном понимании этого термина, то есть не просто индикаторное устройство, а прибор, способный создавать достаточное для освещения количество света. Стали появляться осветительные приборы, в которых в качестве источника света использовались светодиоды. Наиболее ярые сторонники нового типа источников света заявляли, что уже в ближайшем будущем светодиоды полностью вытеснят и тепловые, и разрядные источники. Называлась даже конкретная дата - 2007 год.

Светодиоды обладают целым набором положительных качеств:

- Исключительно высокой надёжностью, определяемой высоким сроком службы;
- Высокой световой отдачей, соизмеримой со световой отдачей наиболее эффективных разрядных источников света;
- Малыми габаритными размерами;
- Отсутствием необходимости во внешних оптических элементах;
- Высокой насыщенностью цвета излучения (другими словами, излучение светодиодов - очень чистых и насыщенных цветовых оттенков);
- Отсутствием в спектре излучения ультрафиолетовой и инфракрасной составляющих (кроме случаев, когда светодиоды специально предназначены для работы именно в этих частях спектра);
- Очень высокой устойчивостью к механическим нагрузкам;
- Способностью работать в широком диапазоне температур окружающей среды;
- Экологической безопасностью, связанной с отсутствием ртути и других вредных веществ;
- Лёгкой регулируемостью;
- Простотой схем включения и управления;
- Малой инерционностью;
- Электрической безопасностью (низким рабочим напряжением).

     Однако два последних достоинства в определённых ситуациях превращаются в недостатки. Остановимся на недостатках светодиодов подробнее.

Основными недостатками светодиодов являются:

- Довольно высокая цена;
- Необходимость отвода тепла;
- Малая единичная мощность;
- Очень высокая стоимость вырабатываемого светодиодами светового потока;
- Низкое рабочее напряжение (необходимость использования понижающих трансформаторов и выпрямителей);
- Большая глубина пульсаций светового потока при питании непосредственно от сети переменного тока с частотой 50 Гц, вызванная малой инерционностью.

Основные области применения светодиодов

     Наибольшее распространение светодиоды сегодня получили в различных светосигнальных установках. В крупных городах мира, в том числе и в Москве, большая часть уличных светофоров и дорожных указателей уже переведена на новый источник света - светодиоды.

     Несмотря на то, что цена светодиодных изделий многократно превышает цену аналогичных изделий на лампах накаливания, использование светодиодов в таких изделиях даёт значительный экономический эффект. Это вызвано, прежде всего, большим сроком службы светодиодов и резким снижением эксплуатационных расходов, связанных с необходимостью частой замены ламп по мере выхода их из строя или в ходе регламентных работ.

     Чистота генерируемого светодиодами цвета позволяет использовать их в светосигнальных приборах без цветных светофильтров, необходимых при лампах накаливания. Это значительно снижает расход электроэнергии: при равных силах света зелёный светофор с светодиодами потребляет примерно в 20 раз меньшую мощность, чем с лампой накаливания и зелёным светофильтром, красный - в 15–20, жёлтый - в 5–10 раз. Наибольший выигрыш по этому показателю достигается в синих железнодорожных светофорах (указателях переключения стрелок) - до 100 раз. Снижение потребляемой мощности ведёт к дополнительному снижению эксплуатационных расходов.

     Так как в светофорах и дорожных указателях используются не одиночные светодиоды, а сборки из достаточно большого количества светодиодов, объединённых в несколько последовательно-параллельных групп, то на порядки повышается надёжность изделий: во-первых, светодиоды имеют срок службы в 50–100 раз больший, чем лампы накаливания, а во-вторых, выход из строя одной или даже нескольких групп светодиодов не приводит к полному отказу светофора, так как остальные светодиоды продолжают работать.

     Отсутствие внешних оптических элементов, в частности, цветных светофильтров, значительно повышает вандалоустойчивость изделий, то есть их способность противостоять попыткам нарочитого разрушения, что особенно важно в условиях нашей страны.

     Вторая важная область применения светодиодов сегодня - это рекламно-информационные табло, щиты, световые указатели и т.п. На улицах и площадях в Москве, Санкт-Петербурге и многих других городов в нашей стране, не говоря уже о зарубежных странах, установлены огромные рекламно-информационные щиты со светодиодами, хорошо видимые с больших расстояний даже в ясный день. Малая инерционность и насыщенные цвета излучения светодиодов позволяют с хорошим качеством демонстрировать на таких щитах даже телевизионные передачи, не говоря уже о статических картинках и текстах.

 Всё шире используются светодиоды в малогабаритных переносных осветительных приборах - ручных фонарях, налобных светильниках и т.п.

     На Международных светотехнических выставках, в том числе и на московском Интерсвете, в последние годы экспонировалось уже достаточно много осветительных приборов с светодиодами, предназначенных не для сигнализации или рекламы, а непосредственно для целей освещения.

     Отсутствие в спектре светодиодов ультрафиолетового и инфракрасного излучения предопределило одну из первых областей их применения, а именно экспозиционное освещение музейных и выставочных экспонатов. При освещении музейных экспонатов приходится особое внимание уделять их защите от воздействия ультрафиолетового излучения, приводящего к выцветанию красок, повышению хрупкости бумаги и тканей и к другим неприятным последствиям. В обычно используемых для этих целей светильниках с галогенными лампами накаливания приходится использовать защитные светофильтры и ограничивать освещённость и время экспозиции. Экспозиционные светильники с светодиодами успешно решают эту проблему.

     Малые габариты светодиодов позволяют эффективно использовать их для ввода света в плоские счетоводы. Для этой цели особенно хорошо подходят ленточные светодиодные модули.

     Лёгкая регулируемость светодиодов и богатая цветовая палитра их света открывают возможности широкого использования светодиодов для декоративного свето и цветодинамичного освещения архитектурных сооружений. Для этого рядом фирм разработаны и выпускаются специальные прожекторы и светильники. Созданию эффективных осветительных приборов для архитектурного освещения способствуют также такие свойства светодиодов, как отсутствие необходимости в дополнительных оптических устройствах и возможность работы в широком диапазоне окружающей температуры.

     Ещё одно направление в технике освещения, в котором светодиоды сегодня уже занимают монопольное положение - это встраиваемые светильники для освещения лестничных ступенек, индикации проездных путей или определённых мест, светильники, встраиваемые в стены и мебель, ландшафтные светильники.

     Особо следует отметить использование светодиодов в светильниках аварийного освещения и эвакуационных указателях.

     Высокая надёжность и большой срок службы светодиодов и в этом случае являются залогом широчайшего использования этих новых источников света.