Светодиодное освещение: преимущества, недостатки и сфера применения

Светодиодное освещение на сегодняшний день считается наиболее универсальным и наиболее перспективным направлением среди всего разнообразия технологий искусственного освещения. Источником такого света являются светодиоды.

Светодиод (англ. LED – light-emitting diode) – это полупроводниковое устройство, которое при пропускании через него электрического тока и определенной химической реакции излучает свет. Первые светодиоды появились в 1962 году, они излучали исключительно инфракрасный свет низкой интенсивности и использовались в качестве индикаторных ламп в дорогом лабораторном или электронном испытательном оборудовании. Более поздние разработки создали светодиоды разных цветов и расширили сферу их использования, а появление белых светодиодов сделало последние пригодными для освещения помещений и улиц. Сегодня практически вся современная техника использует светодиоды того или иного типа. Они встречаются в схемах дистанционного управления бытовой электроникой, медицинских приборах, калькуляторах, цифровых часах, чайниках, кофемолках, телевизорах, холодильниках, стиральных машинах, радиоприемниках, фонариках, компьютерах, смартфонах и автомобилях.

Благодаря низкому энергопотреблению и минимальным затратам на обслуживание светодиоды массово применяются в дисплеях на стадионах, железнодорожных вокзалах и аэропортах, дисплеях пунктов назначения для поездов, автобусов, трамваев и паромов, а также динамических знаках с сообщениями на автострадах. Одноцветный свет светодиодов хорошо подходит для светофоров, знаков выхода, аварийных огней, навигационных огней судов и праздничного освещения.

Благодаря длительному сроку службы, быстрому переключению и видимости среди бела дня, обеспечиваемых высокой мощностью и фокусом, светодиоды используются в автомобильных стоп-сигналах и указателях поворота.

И, конечно, заметная часть сферы искусственного освещения также построена на LED-элементах.

Светодиодные источники света

К LED-элементам принято относить светодиоды, светодиодные модули и матрицы, светодиодные лампы и светодиодные светильники. Подавляющее большинство людей все эти элементы называют светодиодными лампами, но между ними существует определенная разница.

Светодиод – это отдельный элемент, который является самостоятельным источником света и может использоваться в качестве светового индикатора для подсветки выключателя или кнопки лифта. А также является основой светодиодных ламп и светильников.

Светодиодный модуль объединяет несколько светодиодов в одну группу, устанавливаемую на печатную плату. Типичным примером светодиодного модуля является светодиодная лента или кластер.

Светодиодная лампа – это излучающий элемент на основе одного или нескольких светодиодов (светодиодной матрицы), имеющий цоколь для установки лампы в светильник и выглядящий как обычная лампа накаливания. LED-лампы могут использоваться в корпусе разных светильников и позволяют легко заменить традиционные источники света.

Светодиодный светильник – это самостоятельный светильник, сконструированный с помощью встроенных неизменных светодиодных модулей или сменных светодиодных ламп.

Конструкция светодиодных светильников достаточно сложная. Поскольку диоды питаются постоянным и довольно низким напряжением 12-24 В их нельзя просто подключить к сети переменного тока 220 В. Поэтому в корпусе таких светильников размещается полупроводниковое устройство для снижение питающего напряжения и выпрямления тока. Чаще всего это драйвер, представляющий собой электронную плату, на которой устанавливают конденсаторы, резисторы, диодный мост и другие компоненты, набор которых определяет тип драйвера и влияет на цену товара. Драйвер регулирует силу тока, снижая и превращая ток обычной сети в необходимый для питания изделия, защищает от колебаний напряжения и позволяет светодиодным лампам работать от сети 220 В.

Еще одной особенностью светодиодов является их температурная зависимость и деградация светодиодных кристаллов вследствие перегрева. За своевременный отвод тепла и защиту светодиодов от перегрева отвечает корпус светодиодных светильников, изготовленный из пластика или высококачественного алюминия, а также присутствующий в большинстве моделей дополнительный охлаждающий элемент – радиатор. Радиатор представляет собой металлическую ребристую пластину, встроенную внутрь корпуса или расположенную снаружи, обеспечивающую отвод тепла от кристаллов и полностью исключающую нагрев ламп.

Кроме того, LED-устройства имеют встроенный диммер, позволяющий регулировать яркость освещения и управлять светом через пульт или сенсор.

На сегодняшний день благодаря ряду неоспоримых преимуществ светодиодные осветительные приборы являются наиболее используемыми во всем мире и постепенно заменяют другие традиционные виды ламп и светильников.

Преимущества светодиодов

Энергоэффективность

Наверное, самым главным преимуществом светодиодов является их энергоэффективность и экономность. Энергоэффективностью или светоотдачей источника света принято называть соотношение потребляемой энергии и производимого светового потока. Чем меньше энергии потребляет лампа и больше производит света, тем она энергоэффективнее.

Световой поток – это величина светового излучения или, другими словами, яркость лампы, измеряемая в люменах. Для расчета светоотдачи необходимо разделить световой поток лампы (в люменах) на ее мощность (в ваттах). Соответственно светоотдача измеряется в люменах на ватт (лм/вт) и является одним из основных критериев оценки эффективности лампы. К примеру, светоотдача ламп накаливания составляет примерно 10-15 лм/вт, галогенных ламп – 15-20 лм/вт, люминесцентных ламп – 40-70 лм/вт, а современных светодиодных приборов – не менее 80-120 лм/вт. При этом эффективность светодиодов постоянно растет. В настоящее время доступны светодиоды способные излучать 130-135 лм/вт, а топовые производители уже разработали светодиод со светоотдачей более 200 лм/вт.

При этом светодиодные лампы потребляют от 3 до 60% мощности, необходимой для питания традиционных ламп аналогичной яркости, обеспечивая превосходное качество света с большей мощностью светового потока. Так, использование светодиодного освещения обеспечивает экономию потребления электроэнергии примерно на 93% по сравнению с лампами накаливания, 90% – по сравнению с галогенными, 70% – с металлогалогенными и 66% по сравнению с люминесцентными лампами.

Таким образом, светодиодная лампа потребляет заметно меньшее количество энергии и при этом производит больше света, что со временем позволяет сократить расходы и сэкономить на коммунальных услугах.

По параметру энергоэффективности именно светодиодные лампы считаются наиболее эффективными, а лампы накаливания – менее энергоэффективными.

Срок службы

Помимо энергоэффективности светодиоды обеспечивают максимальную долговечность использования по сравнению с другими решениями. Так, срок службы светодиодной лампы составляет до 50 тысяч часов, что эквивалентно 11 годам эксплуатации при 12 часовой работе в день. Светодиодные светильники служат еще дольше – до 80 и даже 100 тысяч часов, а это более 20 лет без периодической замены ламп. Такие показатели значительно превышают срок службы других изделий.

К примеру, лампы накаливания служат не более 1-2 тысяч часов, галогенные – до 2-4 тысяч часов, люминесцентные – от 2 до 10 тысяч часов (хотя производители часто указывают более длительные сроки службы в 20 и даже 25 тысяч часов однако обуславливают идеальные условия эксплуатации, соблюдать которые в реальных условиях достаточно сложно), металлогалогенные газоразрядные лампы работают до 15 тысяч часов, а натриевые лампы высокого давления – до 30 тысяч часов. Как видим, светодиодные приборы превышают все вышеуказанные сроки. Хотя, справедливости ради, стоит отметить, что реальный срок их службы может быть больше или меньше заявленного, поскольку зависит от качества самих светодиодов, встроенного драйвера, охлаждающего радиатора и типа корпуса.

Отчасти такой длительный срок службы светодиодов объясняется тем, что LED-светильники работают от драйвера, который служит дольше стандартного балласта и защищает прибор от скачков напряжения, а также тем, что светодиодные лампы создают освещение практически без потери тепла. Так, например, лампы накаливания потребляют большое количество энергии, но производят лишь 5-10% видимого света, остальная же энергия превращается в тепло. В отличие от них, светодиоды почти всю потребленную энергию превращают в видимый спектр света и лишь очень незначительное ее количество теряется в виде тепла.

Кроме того, светодиодные светильники не содержат выходящих из строя и требующих периодической замены элементов и, соответственно, не требуют обслуживания в течение срока службы. Поэтому, благодаря своей долговечности и отсутствию затрат на техническое обслуживание, обеспечивают быструю окупаемость светодиодных продуктов.

Мгновенное включение

Светодиодные лампы и матрицы загораются практически мгновенно (за микросекунды) и достигают максимального потока света сразу после включения. Они не боятся частых включений и выключений в отличие от ламп накаливания и люминесцентных ламп, которые быстрее выходят из строя при частом переключении или газоразрядных ламп высокой интенсивности, которым требуется время на разогрев, охлаждение и перезапуск.

Цвет

Светодиоды могут излучать свет желаемого цвета без использования цветных фильтров. Ведь все излучение светодиода является окрашенным светом и в применении светофильтра нет нужды.

Светодиодные решения имеют наиболее разнообразный спектр цветовой температуры (от теплого до холодного), отличаются высоким индексом цветопередачи, позволяют индивидуально подобрать цвет освещения с учетом особенностей интерьера или экстерьера и регулировать яркость и температуру света, выбирая более комфортное свечение в соответствии с функционалом помещения или места применения.

Малая теплоотдача

В отличие от большинства источников света, светодиоды практически не нагреваются, поскольку почти всю энергию превращают в свет, а незначительная часть тепла рассеивается через основание светодиода или встроенный радиатор. Благодаря этому светодиодные лампы и светильники можно безопасно устанавливать в осветительные приборы, выполненные из материалов разной чувствительности к нагреву: металла, пластика, текстиля и даже бумаги. Оформлять подсветку натяжных и подвесных потолков, декорировать мебель, ниши в стенах и встроенных шкафах и даже при интенсивной работе светотехники не бояться их деформации. Эта особенность также позволяет использовать светодиоды для декоративной подсветки фасадов, парковых и архитектурных элементов и рекламных конструкций.

Высокая прочность

Светодиоды представляют собой твердотелые излучатели, отличающиеся ударопрочной конструкцией, которую трудно повредить внешним ударом. Они устойчивы к вибрациям, механическим повреждениям, вандализму, не содержат стеклянных колб, спиралей и других хрупких элементов. Могут использоваться в условиях повышенных вибраций, на движущихся объектах и транспорте.

Диоды в герметичном корпусе с определенным уровнем защиты могут также использоваться на открытом воздухе, в условиях повышенной влажности и запыленности.

Малый размер

Эффективность светодиодных светильников не зависит от формы и размера, а сами светодиоды могут быть очень маленькими (менее 2 мм кв.). Это позволяет использовать их для создания широкого спектра осветительных приборов разных форм, применять в качестве индикаторов в разнообразном оборудовании, дисплеях, светодиодных лентах, маленьких компактных лампах, для подсветки клавиатур мобильных телефонов и жидкокристаллических дисплеев, а также в других конструкциях и установках.

Экологичность

Светодиодные светильники не содержат ртути, свинца, хрома, вредных металлов, газов и других токсичных веществ, которые могут разлиться и смешаться с источником воды или в виде пара попасть в атмосферу. По этой причине они не нуждаются в специальной утилизации по истечении срока службы в отличие от ламп накаливания, галогенных, люминесцентных и газоразрядных ламп.

Кроме того, благодаря своему экономному потреблению энергии, светодиоды уменьшают выбросы углерода – источники загрязнения воздуха и усиления парникового эффекта. Так, несмотря на активное развитие и применение альтернативных источников энергии, до сих пор около 70% электроэнергии во всем мире производится за счет сжигания ископаемого топлива (нефти, газа и угля). В результате их сжигания образуются вредные выбросы парниковых газов, мешающие энергии солнечных лучей, отражаясь от Земли, свободно возвращаться в космос и приводящие к повышению температуры земной поверхности. Рост потребления энергии приводит к большему сжиганию горючих ископаемых и, соответственно, к большему загрязнению атмосферы, росту парникового эффекта и глобальному изменению климата.

Использование же энергосберегающих светодиодов способствует уменьшению потребления электроэнергии путем более эффективного ее использования (ведь чем меньше нужно энергии, тем меньше необходимо сжигать ископаемое топливо и тем меньше выбросы парниковых газов) и является важным и эффективным шагом к экологической безопасности человечества.

Направленный поток света

Светодиодное освещение отличается направленностью излучения, создаваемое без применения рефлектора (отражателя). В отличие от традиционных ламп, излучающих свет во всех направлениях, светодиоды фокусируют свет только в определенном направлении, не освещают пространство позади себя, дают возможность изменить угол излучения с помощью линз и организовать привлекательную декоративную подсветку любых элементов.

Интеллектуальное освещение

Светодиодное освещение является одним из самых современных источников света, давшим начало лучшим технологиям автоматизации и управления освещением, не применявшимся ранее. Оно вполне совместимо с популярными ныне технологиями «умный дом» и «умный город» и благодаря интеллектуальному управлению способно учитывать присутствие людей в помещении, определять время суток для включения или выключения ламп, изменять степень освещенности, управлять светом через смартфон, планшет или ноутбук, поддерживать функцию голосового управления и подключаться к датчикам движения и таймерам.

Уличное светодиодное освещение может быть оснащено датчиками освещенности, присутствия, движения и погоды, обеспечивать освещение по требованию, создавать индивидуальные сценарии освещения улиц, шоссе, площадей и городских центров. Интеллектуальное уличное освещение способно регулировать световой поток, анализировать количество пешеходов, велосипедистов и автомобилей, учитывать скорость их движения и включать больше уличных фонарей впереди и меньше сзади. Светодиодные уличные фонари доступны с функциями дистанционного управления, включения центральным таймером, могут быть запрограммированы на выключение днем и включение ночью, а также оснащены опциями энергосбережения, определяющими наилучшее время включения и выключения уличного освещения для экономии энергии.

В светодиодных лампах и светильниках отсутствует мерцание и цветовые перепады, они не выдают шума и при правильно подобранном освещении не вызывают усталость глаз.

Простота монтажа, обслуживания и эксплуатации

Светодиодные светильники могут легко крепиться к любой поверхности, не требуют особого труда для замены ранее установленных источников освещения, не требуют специальных приборов для подключения, просты в эксплуатации, универсальны в сферах использования и открывают новые возможности для дизайнерских решений в сфере освещения.

Недостатки

Стоимость

Однако даже у наиболее высокотехнологичных приборов обычно есть определенные недостатки, и светодиоды не исключение. Одним из первых, традиционно принято называть высокую стоимость светодиодных ламп и светильников. Конечно, если сравнивать с лампами накаливания и энергосберегающими лампами, то стоимость LED-устройств действительно будет выше, однако уже давно доказано, что длительный срок службы, отсутствие затрат на техническое обслуживание и экономное потребление электроэнергии обеспечивают быструю окупаемость изделий.

Среди других недостатков можно отметить зависимость долговечности светильника от качества изготовления, высокие требования к качеству теплоотвода, чувствительность к напряжению, большее световое загрязнение и влияние на дикую природу.

Температурная зависимость

Производительность светодиодов в значительной степени зависит от температуры окружающей рабочей среды и выполнения требований по отводу тепла. Высокие температуры окружающей среды могут привести к перегреву корпуса светодиода, что может привести к поломке устройства. LED-приборы способны эффективно работать при температуре от -60 до +60°C, а в среде с температурой выше +60°С происходит резкое сокращение срока службы светильника.

Кроме того, несмотря на то что светодиоды генерируют значительно меньше тепла, чем традиционное освещение, они все равно нуждаются в наличии хорошего охлаждающего радиатора, чтобы функционировать должным образом и обеспечить все преимущества длительного срока службы. Это особенно важно при использовании светодиодов, встроенных в различные осветительные приборы: потолочные светильники, линейные модули освещения или мебельную подсветку. Уменьшенный размер радиатора или его отсутствие не позволит светодиодам правильно отводить тепло и значительно сократит срок их службы.

Чувствительность к напряжению

Также светодиоды очень чувствительны к силе тока. С увеличением электрического тока их эффективность уменьшается, соответственно, LED-приборы требуют использования преобразователей напряжения. В недорогих светильниках для этих целей используется неполярный конденсатор, в более дорогих устройствах конденсатор дополняется резистором. Однако, эти приборы в полной мере не обеспечивают необходимые параметры питающего напряжения и такие светильники сравнительно быстро выходят из строя. Только использование устройств с эффективным и качественным драйвером – универсальным источником питания полного диапазона, который превращает переменный ток из электросети в ток с характеристиками, необходимыми для питания цепи светодиодов, сглаживает колебания тока, защищает от короткого замыкания, перенапряжения и перегрева – является ключом к получению всех преимуществ светодиодов. А монтируются драйверы в основном в лампах среднего и высокого ценового сегмента.

Встроенная конструкция

В случае покупки и установки полностью светодиодного светильника, а не просто замены традиционной лампочки на светодиодную, важно помнить, что такие светильники обычно не предусматривают возможности замены источника света. Светодиоды встроены в осветительный прибор, поэтому любые дефекты или проблемы, которые могут возникнуть, потребуют или замены всего осветительного прибора или дорогостоящего ремонта, например замены драйвера, что может быть неудобно и затратно.

Фокусированный источник света

Поскольку светодиоды обеспечивают направленный поток света, их удобно применять для направленных осветительных приборов, например прожекторов и трудно использовать для целей, где требуется сферическое световое поле и рассеянный свет.

Так, у ламп накаливания сектор излучения практически круговой, а у светодиода – это обычно около 120-180 градусов. Для того чтобы обойти эту проблему и изменить угол рассеивания светового потока полупроводники располагают под разными углами, направляя световые потоки каждого светодиода в определенную сторону, производят светодиодные лампы разной конструкции, а также же используют, встроенные в осветительное оборудование, фокусирующие линзы и рефлекторы. Благодаря указанным технологиям, у современных светодиодных осветителей угол рассеивания светового потока может быть практически любым.

Световое загрязнение

Белые светодиоды излучают больше коротковолнового света, включая синий и зеленый, чем, например натриевые лампы высокого давления и при использовании в уличном освещении вызывают значительно большее световое загрязнение, что может скрывать звезды и мешать астрономическим исследованиям.

Поэтому в местах близ астрономических телескопов и обсерваторий рекомендуется использовать натриевые лампы низкого или высокого давления, излучающие монохроматический свет меньшей интенсивности. Тогда обсерватории смогут отфильтровать длину волны натрия из своих наблюдений и таким образом практически устранить препятствия от соседнего городского освещения.

Также уменьшению светового загрязнения способствует использование уличных фонарей с полным отключением и экранированием.

Воздействие на дикую природу

Светодиоды белого света гораздо привлекательнее для насекомых, чем лампы с парами натрия, настолько, что даже возникло предположение о возможности нарушения их пищевых границ. При ярком освещении насекомые также становятся легкой добычей хищников или кружат вокруг источника света до смерти или изнеможения. Уличные фонари могут сокращать местные популяции насекомых, а также влиять на рост растений и количество насекомых, питающихся этими растениями.

Яркий белый свет уличных светильников может влиять на биоразнообразие и экосистемы, нарушать биоритмы животных, особенно ночных (их сон, миграцию, охоту и размножение), препятствовать миграции некоторых видов птиц, мигрирующих в ночное время и негативно влиять на летучих мышей.

Использование в зимних условиях

Также существует предостережение, связанное с тем, что светодиодные осветительные приборы, не выделяющие много тепла по сравнению с лампами накаливания, в случае их использование в уличных светодиодных фонарях, регулирующих дорожное движение, могут оказаться закрытыми снегом, что приведет к авариям. И хоть проблема считается преувеличенной и встречается крайне редко, но и здесь производители предложили решения – установку щитков от погоды, добавление нагревательных элементов, подобных используемым в фонарях взлетно-посадочной полосы аэропорта, или же покрытие светодиодных фонарей водоотталкивающими веществами.

Как видим, недостатков у светодиодных ламп и светильников немного. И некоторые из них одновременно являются преимуществами. Например, наличие драйвера хоть и удорожает устройство, однако делает его надежным и универсальным, максимально продлевая срок его службы. А над устранением остальных недостатков без устали работают разработчики и производители LED-приборов, постоянно совершенствуя их конструкцию, разрабатывая ряд систем управления уличным освещением и экспериментируя с волнами и цветовой температурой.

Технический прогресс не стоит на месте, светодиодные технологии развиваются и совершенствуются, продолжается разработка принципиально новых светодиодов, а производители прилагают усилия для улучшения качества комплектующих, технологии изготовления и решения специфических проблем светодиодных светильников.

Как видим, светодиодные инновации благодаря своим неоспоримым преимуществам нашли применение почти во всех сферах нашей жизни. Энергоэффективные, долговечные, простые в обслуживании и экологичные, они не мерцают, не искажают цветопередачу, не бывают тусклыми, могут давать любой спектр оттенков, позволяют регулировать температуру света, не создают нагрузку на токопроводящие элементы и помогают сэкономить средства. Благодаря своей рекордной эффективности, отличному качеству света и универсальности светодиоды в настоящее время являются наилучшей технологией современного общества, широко используемой во всем мире для уменьшения потребления электроэнергии и связанных с ней выбросов, вытесняя менее эффективные источники света.