Светит, но не греет или светодиоды в освещении.

Не прошло и 130 лет со времени изобретения первой лампы накаливания, как человечество открыло для себя более дешевый и эффективный осветительный прибор - светодиод. Одними из первых его уникальные возможности оценили дизайнеры, применив светодиод для подсветки интерьеров, фасадов зданий, фонтанов, бассейнов и других объектов.

Что такое светодиод

Светодиод - это полупроводниковый прибор, действие которого основано на явлении испускания фотонов, возникающем при рекомбинации носителей разноименных зарядов в области контакта полупроводниковых материалов с разными типами проводимости (так называемый р-n-переход). Явление свечения (выделение фотонов при совершении упомянутого p-n-перехода) сопровождало работу уже самого первого полупроводникового диода, разработанного для того, чтобы пропускать ток в одном направлении, и использовавшегося в качестве выпрямителя. Но оно скорее мешало, чем помогало ему выполнять свои основные функции. Ну а с тем, что мешает работать, как известно, надо бороться всеми возможными способами. И боролись. Примерно до середины 50-х гг. XX в. Но уже к концу этого десятилетия положение изменилось, и были начаты работы по увеличению яркости свечения. И в начале 60-х гг. появились первые диоды, действующие как источник света, - светодиоды. Светились они красным, очень слабо, но тем не менее довольно быстро нашли себе применение в качестве индикаторов включения в самых разных приборах, сменив мини-лампы накаливания. Но дальше этого дело довольно долго не шло.

С мертвой точки процесс сдвинулся в начале 90-х, когда создали первый синий светодиод. Правда, чтобы увидеть его свечение, необходимо было воспользоваться мощным увеличительным стеклом. А уж стоил он столько!.. Но светился. Затем, как утверждают специалисты, произошла революция, которую совершил японский профессор С. Накамура, создав яркий синий светодиод. Дальнейшие события развивались, как в ускоренной киносъемке: появились зеленые светодиоды, за ними желтые и, наконец, белые. Практически одновременно с разработкой велась подготовка к их промышленному выпуску. И пять-семь лет назад они впервые были использованы при создании наружной рекламы. В последние же год-полтора светодиоды стали массовым видом продукции, выпускаемой производителями Европы, Юго-Восточной Азии, США и России.

Как он устроен

Основу светодиода (LED) составляет искусственный полупроводниковый кристаллик размером 0,3х0,3 мм, в котором реализован вышеупомянутый p-n-переход. Цвет свечения зависит от материала кристаллика. Так, красные и желтые светодиоды, как правило, изготовляют на основе арсенида галлия, зеленые и синие- на галлий-нитридной основе. Усиления свечения добиваются разными способами. В одних случаях в состав кристаллика вводят специальные добавки и присадки, в других - применяют многослойные структуры, что позволяет реализовать в одном кристаллике сразу несколько р-n-переходов, увеличив тем самым яркость его свечения.

Кристаллик "сажают" в металлическую полированную чашечку (медную или алюминиевую), которая является отражателем и "катодом" (-). К самому кристаллику "приваривают" золотую нить-"анод" (+). Затем всю конструкцию заливают прозрачным компаундом, которому придают определенную форму (назовем это колбой). От нее зависит угол излучения света, испускаемого кристалликом. Если верх колбы плоский, свет выходит широким пучком (угол составляет 120-130 град.). Если верх выпуклый, получается линза, собирающая свет в более узкий пучок (угол 8-60 град.). Чем меньше угол излучения, тем более интенсивный световой поток дает кристалл. Выпускаются светодиоды разных цветов: красного, желтого, зеленого, синего, сине-зеленого и белого, причем белый с недавних пор бывает нескольких оттенков (холодного, теплого, "солнечного" и т. д.).

Светодиодные сборки

Естественно, сам по себе светодиод - пластмассовый баллончик с двумя тонкими ножками-выводами - это еще не полноценный осветительный прибор. Чтобы такой прибор создать, надо обеспечить стабильную работу диода. А для этого его необходимо встроить в соответствующую электросхему. Дело в том, что, в отличие от лампы накаливания, светодиод нуждается не только в определенном напряжении, но и в протекающем через него токе. То есть для нормального функционирования прибора мало подать на контакты напряжение, чтобы электроны начали преодолевать тот самый p-n-переход, испуская при этом фотоны (например, для срабатывания красного светодиода необходимо 2 В, для синего и зеленого - 3-4 В). Надо еще обеспечить определенную силу тока (для разных диодов его величина колеблется от 20 до 150 мА), иначе светодиод быстро сгорит. Почему? Особенности действия p-n-перехода таковы, что изменение напряжения всего на 0,1 В вызывает увеличение тока, проходящего через диод, в несколько раз. И значит, чтобы прибор нормально работал, необходимо применить стабилизатор тока или хотя бы простейшую схему на резисторах, ограничивающую ток.

Чтобы потребитель не занимался всем этим самостоятельно, светодиоды заранее устанавливают на печатную плату с нужной электронной схемой. В результате получается не просто светодиод, а светодиодный модуль - в плане квадратный, прямоугольный или округлый, снабженный собственными контактами. Это и есть простейший осветительный прибор, который можно встретить в продаже.
С помощью единичных светодиодных модулей можно создавать, например, светящиеся буквы для поздравительных надписей, орнаменты и т. п. Но надо сказать, что этим путем идут довольно редко. Куда чаще применяются так называемые светодиодные линейки (источников света в них может быть 4-24 шт.), снабженные общей контактной группой. К ней остается лишь подсоединить источник питания (отдельные светодиоды в цепи включаются последовательно, и в результате требуется более высокое суммарное напряжение - 12 В). Такую систему могут составлять светодиоды одного или разных цветов, что позволяет с помощью единственного модуля получать самую широкую гамму световых красок (управляется модуль специальным контроллером).

Встречаются линейки как без защиты (длинная печатная плата с открыто установленными диодами), так и в специальном корпусе. При использовании первых об их безопасности вам придется позаботиться самому (например, можно спрятать устройство под матовым оргстеклом). 
Зато они гибкие (плата тонкая и легко гнется), что позволяет при создании подсветки без проблем "обтекать" сложные геометрические поверхности (колонны и т. п.). Во втором случае система надежно оберегается от механических повреждений. Помимо этого может быть предусмотрена защита таких моделей от влаги (IP65), что позволяет применять их для садовой и архитектурной подсветки.

Аргументы "за" и "против"

Как и всякие приборы, светодиоды имеют плюсы и минусы. К несомненным плюсам относится то, что преобразование электроэнергии в свет происходит практически без потерь и при минимальном потреблении энергии (напомним: для работы диоду необходимы напряжение порядка 2 В и ток 20 мА). Это выгодно отличает такие приборы и от люминесцентных ламп, и от ламп накаливания. Да еще световое излучение наблюдается в довольно узкой части спектра (свет близок к монохроматическому), что особо ценится дизайнерами. А главное - светодиод практически не нагревается (исключение составляют мощные модели последнего поколения, но и те греются на порядок меньше ламп накаливания), а срок его службы достигает 100 тыс. ч. То есть почти в 100 раз больше, чем у лампы накаливания, и в пять-десять раз больше, чем у люминесцентной лампы. К этому следует добавить высокую механическую прочность и исключительную надежность. И наконец, если учесть, что светодиод - прибор низковольтный, следовательно, безопасный, мы получаем почти идеальный источник света!

Минусов два, но довольно существенных. Во-первых, как уже говорилось, диоды дают не много света. Cветодиод диаметром 5 мм дает 1-5 люменов света. 
Для сравнения: лампа накаливания мощностью 100 Вт - это примерно 1000 люменов, то есть чтобы заменить одну такую лампу, надо собрать в одну конструкцию около 500 светодиодов. Но, к сожалению, таким образом сравнивать светодиоды с обычными лампами не совсем правомерно: лампа дает свет рассеянный, светодиод - направленный.

Во-вторых, они достаточно дороги. На сегодня цена осветительного прибора, собранного на светодиодах, в 10-50 раз выше, чем изготовленного с привычными лампами накаливания (естественно, при одинаковом световом потоке, создаваемом обоими приборами). Правда, специалисты утверждают, что в ближайшие два-три года цены упадут примерно в десять раз - видимо, тогда-то и начнется обещаемая специалистами "революция" в светотехнике.

Сроки эксплуатации

Теоретически светодиод может работать без перерыва от 10 до 100 тыс. ч (первый срок называют китайские производители, второй - европейские и американские). Если учесть, что включаться он будет только в вечернее да изредка в ночное время, можно считать, что светить ему предстоит 40-50 лет. Но это теоретически. На практике следует принять во внимание, что в конструкции используется не только собственно светодиод, но и множество вспомогательных элементов, имеющих собственные слабые места: микросхемы с некачественной пайкой и окисляющимися дорожками, корпусы, в которые просачивается вода, и т. д. В результате, например, для изделий из Китая гарантировать можно пять лет эксплуатации. С западными производителями картина принципиально иная - они дают гарантию не на светодиоды, а на все изделие целиком. И значит, прослужит оно существенно дольше. Правда, и обойдется в два-три раза дороже китайского. Что делать - за качество приходится платить.

Теперь о том, что случится по окончании гарантийного срока. Нет-нет, диод не "умрет", как обычная лампа накаливания. За это время уровень его яркости упадет не более чем на 50% (произойдет так называемая деградация кристалла), но он будет продолжать работать. В зависимости от качества изготовления кристаллы деградируют по-разному: одни постепенно теряют в год 3-5% яркости, другие делают это резко, едва приблизится назначенный срок. Но меркнут неизбежно как те, так и другие. Заметим, что на скорость деградации огромное влияние оказывают температурные условия эксплуатации (нормативы указаны в паспорте прибора и обычно находятся в пределах от -40 до +40 град. Цельсия). Чем ниже температура, тем дольше живет светодиод. Например, где-нибудь на севере (при -20...-40 град. Цельсия) он сможет работать почти вечно (при такой температуре кристалл практически не деградирует). А вот если установить его на печной трубе, где температура постоянно высока (60- 80 град. Цельсия), то проживет он примерно год. В сауне же, где температура доходит до 120 град. Цельсия, его хватит всего на несколько суток. И жаловаться на некачественный товар бесполезно - производитель по состоянию кристалла легко определит, что условия эксплуатации нарушены.

Где применять светодиоды

Светодиоды используются практически во всех областях светотехники, за исключением разве что квартирного освещения. Хотя идея прямой замены ламп накаливания светодиодными давно не воспринимается как фантастическая. Тем не менее в домашних условиях их вполне можно применять уже сейчас. Например, для аварийного освещения. Поскольку светодиоды потребляют очень мало электроэнергии, емкости обычного автомобильного аккумулятора (55 А • ч), используемого в качестве источника резервного питания, хватит для работы системы аварийного освещения небольшого загородного дома (15-18 светильников) в течение недели. Незаменимы они и для подсветки интерьеров, архитектурных деталей зданий и ландшафта. В жилище могут использоваться для создания:

• дежурного или ночного освещения;
• светящихся знаков и узоров на дверях, стенах или потолке, а также системы "звездное небо";
• светового и цветового зонирования пространства;
• подсветки ступенек;
• мебельной подсветки, позволяющей придать привычным предметам интерьера новые яркие образы;
• подсветки коллекции, хранящейся на стеллажах.

В последних двух случаях их использование представляется особенно актуальным. Небольшие по размеру небьющиеся светодиодные модули могут встраиваться не только во вновь изготовляемую, но и в давно эксплуатируемую мебель. Хотите организовать, например, подсветку стойки домашнего бара - нет проблем! Закрепите (с помощью саморезов, клея и другими способами) под столешницей необходимое количество небольших линеек-модулей желаемых цветов, помещенных в защитный корпус, - и все. Разве что тонкие провода, тянущиеся к светодиодам, потребуется защитить миниатюрным кабель-каналом. Для подсветки коллекций светодиоды вообще незаменимы. Во-первых, они позволяют создать индивидуальный вариант освещения для каждого предмета (а сами почти не видны). Во-вторых, не нагревают освещаемый"раритет", как бы близко от него ни располагались. Теперь об архитектурной подсветке. Конечно, светодиодные модули пока еще не в состоянии испускать световой поток, который бы озарил, подобно прожектору, сразу весь фасад. Но подчеркнуть отдельные архитектурные детали и элементы этого фасада они вполне позволяют. Так, с помощью светодиодных линеек можно заливать их светом или выделять отдельные поверхности, создавать световые карнизы и т. д.

При этом подсветка бывает как белой, так и цветной, и даже меняющейся, например в зависимости от погодных условий и температуры на улице. А можно менять цвет фасада по собственному желанию. Используя светодиодные модули в трубчатых корпусах, вы создадите на фасаде практически любой рисунок. Отдельные детали постройки подчеркивают и светодиодными прожекторами. Единственное, что надо учитывать при установке светодиодных светильников, - что их холодный свет не в состоянии растопить снег. А значит, лучше располагать их так, чтобы светящаяся поверхность была обращена вниз. 
И наконец, о подсветке водоема и сада. При погружении в воду светодиоды насыщенных цветов позволят добиться просто фантастических эффектов, обеспечив при этом абсолютную электробезопасность (IP68). Кроме того, любимый пруд или бассейн можно "заселить" плавающими светящимися предметами (например, шарами), не требующими электропитания.

При оформлении ландшафта светодиоды могут быть встроены в дорожки (в том числе подъездные), газоны, использованы для подсветки кустов и элементов садовой архитектуры, а также для обозначения габаритов открытых въездных ворот и гаражей. Но это летом. А зимой, засыпанный снегом, весь названный "эксклюзив", к сожалению, не будет виден. Зато в зимнее время светодиоды с успехом применяются для украшения деревьев, а также подсветки ледяных скульптур и того же замерзшего пруда. Причем не просто освещают их, а подсвечивают изнутри - из-подо льда!

Где еще выгодно использовать светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чис¬тому цвету, а также в светодинамических системах. Выгод¬но же их применять там, где дорого обходится частое обслу¬живание, где необходимо жестко экономить электроэнергию и, где высоки требования по электробезопасности.

Журнал «Техника и оборудование» №3(93) март 2006 г.