Светоизлучающие диоды. Светодиодное освещение
Министерство образования и науки Украины
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры
на тему «Светоизлучающие диоды. Светодиодное освещение»
ст. гр. ГСХ-13Б
Дмитренко А. А.
Проверила
Кузьменко Л. В.
Макеевка 2010 г.
Содержание
Введение
1. Светоизлучающий диод. Принцип работы
2. Преимущества и недостатки светоизлучающего диода
3. Область применения
4. Стоимость светодиодного светильника, пути снижения себестоимости
5. Перспективы светодиодных ламп в сфере ЖКХ, на широком рынке
6. Использование светодиодных ламп для передачи информации в современных коммуникационных сетях
Список используемой литературы
Введение
Светодиодные энергосберегающие лампы предназначены для использования, как на улице, так и внутри помещения, сочетают в себе традиционное исполнение (цоколь Е-27, Е-14, MR-16, GU-10) и высокую надежность, отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения вредного для здоровья, высокую насыщенность и чистоту цвета.
1. Светоизлучающий диод. Принцип работы
Светодиод
или светоизлучающий
диод
(СД, СИД, LED англ. Light-emittingdiode) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока.
Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава, использованного в нем полупроводника.
Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.
Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIII
BV
(например, GaAsили InP) и AII
BVI
(например, ZnSe или CdTe).
кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают.
Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
2. Преимущества и недостатки светоизлучающего диода
Преимущества, которыми обладает светоизлучающий диод (СИД) по сравнению с традиционными лампами, позволяют с уверенностью утверждать, что появление новых типов осветительных приборов на основе СИД станет революционным технологическим прорывом в светотехнике.
Впервые светодиоды стали использоваться в промышленной продукции во времена СССР в конце 60-х – начале 70-х гг. Тогда они не обладали требуемой для осветительных приборов светоотдачей, ресурс их был невелик, и светили они не белым цветом, как нужно, а красным или каким-то иным. Все упиралось в материалы. В 90-х гг. по понятным причинам работа над созданием светоизлучающих диодов была приостановлена.
компания Nichia и ее коллеги-конкуренты из других сопутствующих фирм, разработавшие пять технологических блоков процесса изготовления светильников:
- рост кристаллов сапфира по методу Киропулоса;
- эпитаксиальное наращивание нитрида галлия на полированных подложках сапфира методом газотранспортных реакций;
- сборочное производство (корпусирование) светодиодов.
В настоящее время в мире кристаллы светодиодов поставлены на массовое производство, и ежегодно общемировой прирост объемов их выпуска увеличивается на 30–40%. По результатам 2008 г., мировой рынок светодиодов достиг 25–30 млрд долл.
В настоящее время разработана целая серия осветительных приборов, в т. ч. идентичных по цоколю лампам накаливания мощностью от 40 до 100 Вт, с энергопотреблением 4–10 Вт. Значительно расширены сферы, в которых могут быть использованы приборы. Фактически речь идет о возможной замене существующих ламп накаливания и люминесцентных ламп светильниками на СИД.
Можно отметить основные преимущества ламп на светодиодах:
- низкое энергопотребление – в 10 раз ниже, чем у обычной лампы накаливания, и на 20–25% ниже, чем у энергосберегающей люминесцентной лампы;
- лампы на светодиодах не требуют особой системы утилизации, т. к. они, в отличие от люминесцентных ламп, экологически безвредны. Светодиод не представляет вреда для экологии, его размеры относительно малы;
- пожаро- и взрывобезопасность;
- полная цветовая гамма излучения;
- высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы непригодны для освещения жилых помещений из-за низкого качества света;
- высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);
- сверхдолгий срок работы – до 100 тыс. ч. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости;
преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром;
- малая инерционность;
- нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
Недостатки ламп на светодиодах:
- основной недостаток — высокая цена. Отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов в 50 — 100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания;
- низкая предельная температура:
мощные осветительные светодиоды требуют внешнего радиатора для охлаждения, потому что имеют неблагоприятное соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности (они слишком мелкие) и не могут рассеять столько тепла, сколько выделяют (несмотря даже на более высокий КПД, чем у ламп накаливания). Осветительный светодиод мощностью 10 Ватт требует пассивный радиатор размером как у микропроцессора Pentium 4 без вентилятора. Такой большой радиатор не только удорожает конструкцию, но и с трудом может быть вписан в формат бытовых осветительных приборов;
- для питания светодиода от питающей сети необходим низковольтный источник питания постоянного тока, тоже с радиатором, что дополнительно увеличивает объём светильника, а его наличие дополнительно снижает общую надёжность и требует дополнительной защиты. Поэтому многие разработчики ограничиваются выпрямителем, а светодиоды включают последовательно;
- высокий коэффициент пульсаций светового потока при питании напрямую от сети промышленной частоты без сглаживающего конденсатора, при его наличии пульсации малы;
- дешёвые массовые LED имеют светоотдачу 60-100 лм/Вт;
- спектр отличается от солнечного.
3.
Область применения
Совместно с флотом оснащаются подводные и надводные корабли аналогичными светодиодными светильниками. Кроме этого, разрабатываются приборы для освещения космических кораблей и МКС.
Также разрабатываются различные осветительные приборы: для нумерации домов и улиц, заградительных огней, рекламных щитов, светофоров и табло обратного отсчета времени, освещения лифтов и подъездов домов.
В плане уличного освещения ученые ориентируются на создание небольших тротуарных или парковых светильников, при этом разрабатывается светильник с энергопитанием от солнечных батарей. Другими словами, батарея, находящаяся над светодиодным светильником, вырабатывает энергию, которая накапливается в аккумуляторе, а ночью используется для освещения. Ввиду того, что энергопотребление у светодиодов низкое (5–10 Вт), солнечные батареи вполне могут обеспечивать данный светильник.
Светодиодное освещение применяется в светотехнике для создания дизайнерского освещения в специальных современных дизайн - проектах. Надёжность светодиодных источников света позволяет использовать их в труднодоступных для частой замены местах (встроенное потолочное освещение, внутри натяжных потолков и т. д.).
их можно увидеть на улицах городов, они украшают деревья, фасады зданий и другие уличные объекты.
Светодиоды в душевой. Cromobox — инновационные светодиодные двери для душевых комнат, изменяющие окраску в зависимости от температуры воды и времени суток.
4. Стоимость светодиодного светильника, пути снижения себестоимости
Если наладить ее выпуск на автоматизированной линии, цена понизится. Но значительного снижения цены можно достичь при использовании в производстве собственных светодиодов, т. е., закупив линию их сборки, можно получить снижение цены до 30%.
Таким образом, цена будет фактически сопоставима с ценой люминисцентных энергосберегающих ламп, но здесь нужно учитывать, что светодиодная лампа по многим пунктам выгоднее.
Также немаловажный аспект – таможенные налоговые льготы. В производстве используются импортные исходные комплектующие, и льготы, предусмотренные законом для особых экономических зон, принесут немалую выгоду. В частности, поэтому ожидается на выходе получать более дешевый продукт в виде светодиодных светильников и, соответственно, более массовое его производство.
5. Перспективы светодиодных ламп в сфере ЖКХ, на широком рынке
Если в жилищно-коммунальном и дорожном хозяйствах заменить традиционные лампы на светодиодные, то экономия электроэнергии в масштабах всей страны составит 20–25%, т. е. именно на столько можно сократить выработку электроэнергии. Налицо очевидная выгода. В целом, принимая многие факторы во внимание, ожидается, что рынок светодиодов в странах СНГ будет расти в геометрической прогрессии.
Таблица 1. Сравнительная характеристика ламп.
Тип светоизлучателя |
Потребляемая мощность, Вт |
Срок службы, час. |
Коэффициент преобразования
|
Удельная эффективность, Лм/Вт |
|
|
60 |
1000–2000 |
10–15 |
20–25 |
Дневной свет, цветные светофильтры |
Люминесцентная лампа |
20–30 |
|
20–25 |
40–80 |
светофильтры |
Светоизлучающий диод |
3–15 |
100000 |
60–65 |
70–100 |
Непосредственное получение красного, зеле- ного, синего, белого цветов |
6. Использование светодиодных ламп для передачи информации в современных коммуникационных сетях
Литтлом (Thomas Little) получили грант Национального фонда науки (NSF) на создание следующего поколения сетей беспроводных коммуникаций, основанного на совершенно неожиданном принципе – взамен радиоволн для передачи сигнала используется видимый свет. Ученые намерены использовать уже привычные сегодня энергоэффективные светодиодные лампы, освещающие помещение, в качестве передатчиков сигнала, превратив их в «умные лампы».
Основой технологии послужит одна из главных особенностей светоизлучающих диодов, которая отличает их от обычной лампы накаливания, — способность быстро, незаметно для человека включаться и выключаться. Мерцание света, происходящее с большой частотой, позволит передавать информацию без заметных изменений в уровне освещенности комнаты.
«Представьте, что ваш компьютер, iPhone, телевизор, радио и кондиционер смогут взаимодействовать друг с другом и с вами, в любом месте помещения. Для этого достаточно включить свет – и не требуется ни единого провода,» - поясняет Томас Литтл. - Сеть связи, использующая светодиоды, параллельно еще и освещает комнату, не требует лишней энергии, высоконадежна и не “засоряется” другими источниками электромагнитного излучения».
По его мнению, такая сеть будет еще и более быстрой, и защищенной. Вдобавок, она не потребует целой кучи дополнительного сетевого оборудования: подходящие лампы уже сегодня используются весьма широко. Они способны включаться и выключаться с частотой до 10 млн Гц, что позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с (Wi-Fi соединения сегодня достигают цифры в 600 Мбит), но для «световой сети» это далеко не предел, ведь для передачи данных можно параллельно использовать несколько ламп.
Интересно, что такая технология может с успехом применяться и на улице – например, для связи между автомобилями. Сразу приходит на ум возможность использования ее для связи в устройствах «коллективной сигнализации», так называемый «Массовый противоугон».
Изначально прогнозируется скорость передачи данных от 1 до 10 Mbps. Однако разработчики заявляют, что потенциальная пропускная способность таких сетей может быть гораздо выше, чем у ныне существующих радиоволновых. Кроме того, поскольку видимый свет не проникает через непрозрачные поверхности, такие как стены, подобные сети будут лучше защищены от прослушивания, чем традиционные — на радиочастотах.
Самым очевидным недостатком подобной технологии является, конечно, необходимость располагать сетевые устройства в зоне видимости светодиодной лампы. Но в сравнении с преимуществами и удобствами технологии это не кажется таким большим минусом.
Заключение
Инновационная светодиодная лампа - наиболее актуальный на сегодняшний день продукт новейших технологий, воплощенных в высококачественных, надежных электротехнических изделиях, которые прослужат долго. Использование светодиодных ламп позволит значительно сократить расходы на освещение, при этом не ухудшая его видимое качество и безопасность для здоровья человека и окружающей среды, а напротив – улучшая.
Принцип размещения ламп в помещениях не меняется, технологии позволяют выпускать светодиодную лампу с обычным цоколем, то есть переоборудовать ничего не нужно.
В дальнейшем ожидается настоящий бум по переоснащению на светодиодную технологию. В России уже запущены многомиллиардные проекты по постройке специализированных заводов для производства светодиодных ламп различного вида.
применение светоизлучающий диод лампа
Список используемой литературы
1. Сайт «Инженерные сети. ЖКХ», ссылка: «http://www.promvest.info»
2. Сайт «lightingnews», ссылка: «http://lightingnews.info»
4. Сайт «РадиоКот», ссылка: «http://www.radiokot.ru»
6. Сайт «Караван», ссылка: «http://caravan.hobby.ru»
|