Світлодіодне освітлення: переваги, недоліки та сфера використання

Світлодіодне освітлення на сьогоднішній день вважається найбільш універсальним і найбільш перспективним напрямком серед усього розмаїття технологій штучного освітлення. Джерелом такого світла є світлодіоди.

Світлодіод (англ. LED – light-emitting diode) – це напівпровідниковий пристрій, що при пропусканні через нього електричного струму і певної хімічної реакції випромінює світло. Перші світлодіоди з’явилися у 1962 році, вони випромінювали виключно інфрачервоне світло низької інтенсивності та використовувалися як індикаторні лампи у дорогому лабораторному або електронному випробувальному обладнанні. Пізніші розробки створили світлодіоди різних кольорів та розширили сферу їх використання, а поява білих світлодіодів зробила останні придатними для освітлення приміщень і вулиць. Сьогодні практично уся сучасна техніка використовує світлодіоди того чи іншого типу. Вони зустрічаються у схемах дистанційного керування побутовою електронікою, медичних приладах, калькуляторах, цифрових годинниках, чайниках, кавомолках, телевізорах, холодильниках, пральних машинах, радіоприймачах, ліхтариках, комп’ютерах, смартфонах і автомобілях.

Завдяки низькому енергоспоживанню та мінімальним витратам на обслуговування світлодіоди масово застосовуються у дисплеях на стадіонах, залізничних вокзалах і в аеропортах, дисплеях пунктів призначення для поїздів, автобусів, трамваїв та поромів, а також динамічних знаках з повідомленнями на автострадах. Одноколірне світло світлодіодів добре підходить для світлофорів, знаків виходу, аварійних вогнів, навігаційних вогнів суден і святкового освітлення.

Завдяки тривалому терміну служби, швидкому перемиканню та видимості серед білого дня, що забезпечується високою потужністю і фокусом, світлодіоди використовуються в автомобільних стоп-сигналах і покажчиках повороту.

І, звичайно ж, помітна частина сфери штучного освітлення також побудована на LED-елементах.

Світлодіодні джерела світла

До LED-елементів прийнято відносити світлодіоди, світлодіодні модулі і матриці, світлодіодні лампи та світлодіодні світильники. Переважна більшість людей усі ці елементи називає «світлодіодними лампами», але між ними існує певна різниця.

Світлодіод – це окремий елемент, який є самостійним джерелом світла і може використовуватися як світловий індикатор для підсвітки вимикача або кнопки ліфта. А також є основою світлодіодних ламп та світильників.

Світлодіодний модуль об’єднує кілька світлодіодів в одну групу, що встановлюються на друковану плату. Типовими прикладом світлодіодного модуля є світлодіодна стрічка або кластер.

Світлодіодна лампа – це випромінюючий елемент на основі одного або декількох світлодіодів (світлодіодної матриці), що має цоколь для установки лампи в світильник і виглядає як звичайна лампа розжарювання. LED-лампи можуть використовуватися у корпусі різних світильників і дозволяють легко замінити традиційні джерела світла.

Світлодіодний світильник – це самостійний освітлювальний прилад, сконструйований за допомогою вбудованих незмінних світлодіодних модулів або змінних світлодіодних ламп.

Будова світлодіодних світильників доволі складна. Оскільки діоди живляться постійною і досить низькою напругою 12-24 В їх не можна просто підключити до мережі змінного струму 220 В. Тому у корпусі таких світильників розміщується напівпровідниковий пристрій для зниження напруги живлення та випрямлення струму. Найчастіше це драйвер, що являє собою електронну плату на якій встановлюють конденсатори, резистори, діодний міст та інші компоненти, набір яких визначає тип драйвера і впливає на ціну товару. Драйвер регулює силу струму, знижуючи і перетворюючи струм звичайної мережі на необхідний для живлення виробу, захищає від коливань напруги і дозволяє світлодіодним лампам працювати від мережі 220 В.

Ще однією особливістю світлодіодів є їх температурна залежність та деградація світлодіодних кристалів внаслідок перегріву. За своєчасне відведення тепла і захист світлодіодів від перегріву відповідає корпус світлодіодних світильників, виготовлений з пластику або високоякісного алюмінію, а також, присутній більшості моделях додатковий охолоджувальний елемент – радіатор. Радіатор являє собою металеву ребристу пластину вбудовану всередину корпусу або розташовану зовні, що забезпечує відведення тепла від кристалів і повністю виключає нагрівання ламп.

Крім того LED-пристрої мають вбудований диммер, що дозволяє регулювати яскравість освітлення та управляти світлом через пульт чи сенсор.

На сьогоднішній день, завдяки низці незаперечних переваг, світлодіодні освітлювальні прилади є найбільш використовуваними в усьому світі і поступово замінюють інші традиційні види ламп та світильників.

Переваги світлодіодів

Енергоефективність

Певно найголовнішою перевагою світлодіодів є їх енергоефективність та ощадність. Енергоефективністю або світловіддачею джерела світла прийнято називати співвідношення споживаної енергії і виробленого світлового потоку. Чим менше енергії споживає лампа і більше виробляє світла, тим вона енергоефективніша.

Світловий потік – це величина світлового випромінювання або, іншими словами, яскравість лампи, що вимірюється в люменах. Для розрахунку світловіддачі необхідно розділити світловий потік лампи (в люменах) на її потужність (у ватах). Відповідно, світловіддача вимірюється у люменах на ват (лм/вт) і є одним з основних критеріїв оцінки ефективності лампи. Приміром, світловіддача ламп розжарювання становить приблизно 10-15 лм/вт, галогенних ламп – 15-20 лм/вт, люмінесцентних ламп – 40-70 лм/вт, а сучасних світлодіодних приладів – не менше 80-120 лм/вт. При цьому ефективність світлодіодів постійно зростає. Нині доступні світлодіоди здатні випромінювати 130-135 лм/вт, а топові виробники вже розробили світлодіод зі світловіддачею понад 200 лм/вт.

При цьому світлодіодні лампи споживають від 3% до 60% потужності, необхідної для живлення традиційних ламп аналогічної яскравості, забезпечуючи чудову якість світла з більшою потужністю світлового потоку. Так, використання світлодіодного освітлення забезпечує економію споживання електроенергії приблизно на 93% порівняно з лампами розжарювання, 90% – порівняно з галогенними, 70% – з металогалогенними та 66% порівняно з люмінесцентними лампами.

Таким чином, світлодіодна лампа споживає помітно меншу кількість енергії і при цьому виробляє більше світла, що з часом дозволяє скоротити витрати та заощадити на комунальних послугах.

За параметром енергоефективності саме світлодіодні лампи вважаються найбільш ефективними, а лампи розжарювання – найменш енергоефективними.

Термін служби

Окрім енергоефективності, світлодіоди забезпечують максимальну довговічність використання порівняно з іншими рішеннями. Так, термін служби світлодіодної лампи становить до 50 тисяч годин, що еквівалентно 11 рокам експлуатації при 12 годинний роботі на день. Світлодіодні світильники служать ще довше – до 80 і навіть 100 тисяч годин, а це понад 20 років роботи без періодичної заміни ламп. Такі показники значно перевищують терміни служби інших виробів.

Приміром, лампи розжарювання служать не більше 1-2 тисячі годин, галогенні – до 2-4 тисяч годин, люмінесцентні – від 2 до 10 тисяч годин (хоча виробники часто зазначають триваліші терміни служби у 20 і, навіть, 25 тисяч годин проте обумовлюють ідеальні умови експлуатації, дотримуватися яких в реальних умовах доволі складно), металогалогенні газорозрядні лампи працюють до 15 тисяч годин, а натрієві лампи високого тиску – до 30 тисяч годин. Як бачимо, світлодіодні прилади перевищують усі вищевказані строки. Хоча, справедливості заради, варто зазначити, що реальний термін їх служби може бути більшим або меншим заявленого, оскільки залежить від якості самих світлодіодів, вбудованого драйвера, охолоджуючого радіатора та типу корпусу.

Частково такий тривалий термін служби світлодіодів пояснюється тим, що LED-світильники працюють від драйвера, який служить довше, ніж стандартний баласт та захищає від прилади стрибків напруги, а також тим, що світлодіодні лампи створюють освітлення без втрати тепла. Так, наприклад, лампи розжарювання споживають велику кількість енергії, але виробляють лише 5-10% видимого світла, решта ж енергії перетворюється на тепло. На відміну від них, світлодіоди майже всю спожиту енергію перетворюють у видимий спектр світла і лише дуже незначна її кількість втрачається у вигляді тепла.

Крім того, світлодіодні світильники не містять елементів, що виходять з ладу та потребують періодичної заміни і, відповідно, не вимагають обслуговування протягом терміну служби. Тож, завдяки своїй довговічності і відсутності витрат на технічне обслуговування, забезпечують швидку окупність світлодіодних продуктів.

Миттєве увімкнення

Світлодіодні лампи та матриці загораються практично миттєво (за мікросекунди) і досягають максимального світлового потоку одразу після увімкнення. Вони не бояться частих вмикань і вимикань на відміну від ламп розжарювання та люмінесцентних ламп, які швидше виходять з ладу при частому перемиканні або газорозрядних ламп високої інтенсивності, яким потрібен час на розігрів, охолодження та перезапуск.

Колір

Світлодіоди можуть випромінювати світло бажаного кольору без використання будь-яких кольорових фільтрів. Адже усе випромінювання світлодіода, є забарвленим світлом і в застосуванні світлофільтра немає потреби.

Світлодіодні рішення мають найбільш різноманітний спектр колірної температури (від теплого до холодного), відрізняються високим індексом передачі кольору, дозволяють індивідуально підібрати колір освітлення з урахуванням особливостей інтер’єру або екстер’єру та регулювати яскравість і температуру світла, вибираючи більш комфортне світіння відповідно до функціоналу приміщення або місця застосування.

Мала тепловіддача

На відміну від більшості джерел світла, світлодіоди практично не нагріваються, оскільки майже усю енергію перетворюють на світло, а незначна частина тепла розсіюється через основу світлодіода або вбудований радіатор. Завдяки цьому світлодіодні лампи та світильники можна безпечно встановлювати у освітлювальні прилади виконані з матеріалів різної чутливості до нагрівання: металу, пластику, текстилю і навіть паперу. Оформлювати підсвічування натяжних та підвісних стель, декорувати меблі, ніші в стінах та вбудованих шафах і навіть при інтенсивній роботі світлотехніки не боятися їх деформації. Ця особливість також дозволяє використовувати світлодіоди для декоративного підсвічування фасадів, паркових і архітектурних елементів та рекламних конструкцій.

Висока міцність

Світлодіоди є твердотілими випромінювачами, що відрізняються удароміцною конструкцією, яку важко пошкодити зовнішнім ударом. Вони стійкі до вібрацій, механічних пошкоджень, вандалізму, не містять скляних колб, спіралей та інших крихких елементів. Можуть використовуватися в умовах підвищених вібрацій, на рухомих об’єктах та в транспорті.

Діоди у герметичному корпусі з певним рівнем захисту можуть також вільно використовуватися на відкритому повітрі, в умовах підвищеної вологості і запиленості.

Малий розмір

Ефективність світлодіодних освітлювальних приладів не залежить від форми та розміру, а самі світлодіоди можуть бути дуже маленькими (менше 2 мм кв.). Це дозволяє використовувати їх для створення широкого спектру освітлювальних приладів різних форм, застосовувати у якості індикаторів у різноманітному обладнанні, дисплеях, світлодіодних стрічках, маленьких компактних лампах, для підсвічування клавіатур мобільних телефонів та екранів рідкокристалічних дисплеїв, а також в інших конструкціях і установках.

Екологічність

Світлодіодні світильники не містять ртуті, свинцю, хрому, шкідливих металів, газів та інших токсичних речовин, що можуть розлитися і змішатися з джерелом води або у вигляді пари потрапити у повітря. А тому не потребують спеціальної утилізації після закінчення терміну служби на відміну від ламп розжарювання, галогенних, люмінесцентних і газорозрядних ламп.

Крім того, завдяки своєму ощадному споживанню енергії, світлодіоди зменшують викиди вуглецю – джерела забруднення повітря та посилення парникового ефекту. Так, незважаючи на активний розвиток і застосування альтернативних джерел енергії, і досі близько 70% електроенергії в усьому світі виробляється за рахунок спалювання викопного палива (нафти, газу та вугілля). В результаті їх спалювання утворюються шкідливі викиди парникових газів, які заважають енергії сонячних променів, відбиваючись від Землі, вільно повертатися у космос і призводять до підвищення температури земної поверхні. Зростання споживання енергії призводить до більшого спалювання горючих копалин і, відповідно, до більшого забруднення атмосфери, зростання парникового ефекту і глобальної зміни клімату.

Використання ж енергоощадних світлодіодів сприяє зменшенню споживання електроенергії шляхом більш ефективного її використання (адже чим менше потрібно енергії, тим менше необхідно спалювати викопного палива і тим менші викиди парникових газів) та є важливим і ефективним кроком до екологічної безпеки людства.

Спрямований потік світла

Світлодіодне освітлення відрізняється спрямованістю випромінювання, що створюється без застосування рефлектора. На відміну від традиційних ламп, що випромінюють світло у всіх напрямках, світлодіоди фокусують світло лише в певному напрямку, не освітлюють простір позаду себе, дають можливість змінити кут випромінювання за допомогою лінз та організувати привабливе декоративне підсвічування будь-яких елементів.

Інтелектуальне управління

Світлодіодне освітлення є одним з найсучасніших джерел світла, що дало початок кращим технологіям автоматизації і управління освітленням, які раніше ніколи не застосовувалися. Воно цілком сумісне з популярними нині технологіями «розумний дім» та «розумне місто» і, завдяки інтелектуальному управлінню, здане враховувати присутність людей в приміщенні, визначати час доби для увімкнення або вимкнення ламп, змінювати ступінь освітленості, управляти світлом через смартфон, планшет або ноутбук, підтримувати функцію голосового керування та підключатися до датчиків руху і таймерів.

Вуличне світлодіодне освітлення може бути оснащене датчиками освітленості, присутності, руху та погоди, забезпечувати освітлення «на вимогу», створювати індивідуальні сценарії освітлення вулиць, шосе, площ і центрів міст. Інтелектуальне вуличне освітлення здатне регулювати світловий потік, аналізувати кількість пішоходів, велосипедистів і автомобілів, враховувати швидкість їх руху та вмикати більшу кількість вуличних ліхтарів попереду і менше позаду. Світлодіодні вуличні ліхтарі доступні з функціями дистанційного керування, увімкнення центральним таймером, запрограмовані на вимикання вдень і включення вночі, а також оснащені опціями енергозбереження, що визначають найкращий час увімкнення та вимкнення вуличного освітлення задля забезпечення економії енергії.

У світлодіодних лампах та світильниках відсутнє мерехтіння та колірні перепади, вони не видають шуму і при правильно підібраному освітленні не викликають втому очей.

Простий монтаж, обслуговування та експлуатація

Світлодіодні світильники можуть легко кріпитися до будь-якої поверхні, не вимагають особливих зусиль для заміни раніше встановлених джерел освітлення, не потребують спеціальних приладів для підключення, прості в експлуатації, універсальні у сферах використання та відкривають нові можливості для дизайнерських рішень у сфері освітлення.

Недоліки

Вартість

Однак, навіть у найбільш високотехнологічних приладів зазвичай є певні недоліки, і світлодіоди не виключення. Одним з найперших, традиційно прийнято називати високу вартість світлодіодних ламп та світильників. Звісно, якщо порівнювати з лампами розжарювання та енергозберігаючими лампами, то вартість LED-приладів дійсно буде вищою, проте вже давно доведено, що тривалий термін служби, відсутність витрат на технічне обслуговування та ощадне споживання електроенергії забезпечують швидку окупність виробів.

Серед інших недоліків можна зазначити залежність довговічності світильника від якості виготовлення, високі вимоги до якості тепловідводу, чутливість до напруги, більше світлове забруднення та вплив на дику природу.

Температурна залежність

Продуктивність світлодіодів значною мірою залежить від температури навколишнього робочого середовища та виконання вимог щодо відведення тепла. Високі температури навколишнього середовища можуть призвести до перегріву корпусу світлодіода, що зрештою може призвести до поломки пристрою. LED-прилади здатні ефективно працювати при температурі від -60°C до +60°C, а в середовищі з температурою вище +60°С відбувається різке скорочення терміну служби світильника.

Крім того, незважаючи на те що світлодіоди генерують значно менше тепла, ніж традиційне освітлення, вони все одно потребують наявності хорошого охолоджуючого радіатора, щоб функціонувати належним чином і забезпечити усі переваги їх тривалого терміну служби. Це особливо важливо при використанні світлодіодів вбудованих у різні освітлювальні прилади: стельові світильники, лінійні модулі освітлення або меблеву підсвітку. Зменшений розмір радіатора або його відсутність не дозволить світлодіодам належним чином відводити тепло і значно скоротить термін їх служби.

Чутливість до напруги

Також світлодіоди дуже чутливі до сили струму. Зі збільшенням електричного струму їх ефективність зменшується, відповідно LED-прилади потребують використання перетворювачів напруги. У недорогих світильниках для цього використовується неполярний конденсатор, у більш дорогих пристроях конденсатор доповнюється резистором. Проте, ці прилади повною мірою не забезпечують необхідні параметри напруги живлення і такі світильники порівняно швидко виходять з ладу. Тільки використання пристроїв з ефективним і якісним драйвером – універсальним джерелом живлення повного діапазону, що перетворює змінний струм електромережі на струм з характеристиками, необхідними для живлення ланцюга світлодіодів, згладжує коливання струму, захищає від короткого замикання, перенапруги і перегріву, – є ключем до отримання усіх переваг світлодіодів. А монтуються драйвери переважно у лампах середнього і високого цінового сегменту.

Вбудована конструкція

У разі купівлі та встановлення повністю світлодіодного освітлювального приладу, а не просто заміни традиційної лампочки на світлодіодну, важливо пам’ятати, що такі освітлювальні прилади зазвичай не передбачають можливості заміни джерела світла. Світлодіоди вбудовані в освітлювальний прилад, тож будь-які дефекти або проблеми, які можуть виникнути, вимагатимуть або заміни всього освітлювального приладу або дорогого ремонту, наприклад заміни драйвера, що може бути доволі незручним та коштовним.

Фокусоване джерело світла

Оскільки світлодіоди забезпечують спрямований потік світла їх зручно застосовувати для спрямованих освітлювальних приладів, наприклад, прожекторів і важко використовувати для цілей, де потрібне сферичне світлове поле і розсіяне світло.

Так, у ламп розжарювання сектор випромінювання практично круговий, а у світлодіода – це зазвичай близько 120-180 градусів. Для того щоб обійти цю проблему і змінити кут розсіювання світлового потоку напівпровідники розташовують під різними кутами, спрямовуючи світлові потоки кожного світлодіода в певний бік, виготовляють світлодіодні лампи різної конструкції, а також використовують вбудовані в освітлювальне обладнання, фокусуючі лінзи і рефлектори. Завдяки зазначеним технологіям у сучасних світлодіодних освітлювачів кут розсіювання світлового потоку може бути практично будь-яким.

Світлове забруднення

Білі світлодіоди випромінюють більше короткохвильового світла, включаючи синє і зелене, ніж, наприклад натрієві лампи високого тиску і при використанні у зовнішньому освітленні спричиняють значно більше світлове забруднення, що може приховувати зірки та заважати астрономічним дослідженням.

Тому у місцях поблизу астрономічних телескопів і обсерваторій рекомендується використовувати натрієві лампи низького або високого тиску, що випромінюють монохроматичне світло меншої інтенсивності. Тоді обсерваторії зможуть відфільтрувати довжину хвилі натрію зі своїх спостережень, таким чином практично усунувши перешкоди від сусіднього міського освітлення.

Також зменшенню світлового забруднення сприяє використання вуличних ліхтарів з повним відключенням та екрануванням.

Вплив на дику природу

Світлодіоди білого світла є набагато привабливішими для комах, ніж лампи з парами натрію, настільки, що навіть виникло припущення про можливість порушення їх харчових меж. При яскравому освітленні комахи також стають легкою здобиччю хижаків або кружляють навколо джерела світла до смерті чи знемоги. Вуличні ліхтарі можуть скорочувати місцеві популяції комах, а також впливати на ріст рослин і кількість комах, які харчуються цими рослинами.

Яскраве біле світло вуличних світильників може впливати на біорізноманіття та екосистеми, порушувати біоритми тварин, особливо нічних (їх сон, міграцію, полювання та розмноження), перешкоджати міграції деяких видів птахів, які мігрують у нічний час та негативно впливати на кажанів.

Використання в зимових умовах

Також існує пересторога, що оскільки світлодіодні освітлювальні прилади не виділяють багато тепла порівняно з лампами розжарювання, то світлодіодні ліхтарі, які використовуються для регулювання дорожнього руху, може закривати снігом, що призведе до аварій. І хоч проблема вважається перебільшеною та зустрічається вкрай рідко, але і тут виробники запропонували рішення – встановлення щитків від погоди, додавання нагрівальних елементів, подібних до тих, що використовуються у ліхтарях злітно-посадкової смуги аеропорту, або ж покриття світлодіодних ліхтарів водовідштовхувальними речовинами.

Як бачимо, недоліків у світлодіодних ламп та світильників небагато. І деякі з них одночасно є і перевагами. Наприклад наявність драйвера хоч і здорожчує пристрій, проте робить його надійним та універсальним, максимально продовжуючи термін його служби. А над усуненням решти недоліків невтомно працюють розробники та виробники LED-приладів, постійно вдосконалюючи їх конструкцію, розробляючи низку систем управління вуличним освітленням та експериментуючи з хвилями і колірною температурою.

Технічний прогрес не стоїть на місці, світлодіодні технології продовжують розвиватися та вдосконалюватися, триває розробка принципово нових світлодіодів, а виробники докладають зусиль аби поліпшити якість комплектуючих, технології виготовлення і вирішити специфічні проблеми світлодіодних світильників.

Як бачимо, світлодіодні інновації завдяки своїм незаперечним перевагам, знайшли застосування майже в усіх сферах нашого життя. Енергоефективні, довговічні, прості в обслуговуванні та екологічні, вони не мерехтять, не спотворюють передачу кольорів, не бувають тьмяними, можуть давати будь-який спектр відтінків, дозволяють регулювати температуру світла, не створюють навантаження на струмопровідні елементи та допомагають заощадити кошти. Завдяки своїй чудовій ефективності, відмінній якості світла та універсальності світлодіоди нині є найкращою технологією сучасного суспільства, що широко використовується в усьому світі задля зменшення споживання електроенергії та пов’язаних з нею викидів, витісняючи менш ефективні джерела світла.