Светодиодно осветление

Слънцето, огънят от вулканите и светкавиците, факлите, запалените свещи, газените лампи и лампите с нажежаема жичка - всичките те изглеждат от едно семейство, защото излъчват светлина със сходен спектър и в същото време - топлина. Бихме могли да ги наречем естествени или близки до естествените източници. Те обаче все по-трудно могат да поддържат темпа на развитие и изискванията на съвременната цивилизация. Тук на помощ идва технологичната революция и създаваните от нея все по-съвършени средства и начини на осветление. Луминисцентните лампи, халогенните лампи, светодиодно осветление и други видове съвременно осветление, предлагат редица нови възможности, икономична работа и дълготрайност. В тази статия се спираме основно на светодиодното осветление (или на английски LED lighting), което е част от твърдотелното осветление (SSL – Solid State Lighting). Дадени са основните предимства и предизвикателства пред него и са посочени перспективите им за развитие, които изглеждат много примамливи.

Историята на светодиодите (Light Emitting Diodes или LEDs) започва официално през 1962г. в лабораториите на General Electric, където се демонстрират първите светодиодни източници на светлина. През следващите десетина години теорията и практиката се развиват и около 1975г. вече има масово производство на светодиоди от неорганични материали, а след това и на светодиоди от органични материали, като последните бяха подобрени значително след 1990г. Появиха се светодиоди с почти всички видове цветове на светлината. След това дойде комбинирането на разноцветни светодиоди в единен корпус и интегрирането и на управляваща схема в същия корпус. Ефективността и надеждността се увеличаваха значително във времето, а цената постоянно се понижаваше. След 2000г. светодиодното осветление стана масова реалност, като понастоящем развитието му е изключително динамично.

Предизвикателства пред осветлението
В света се произвежда все по-голямо количество електроенергия и според някои оценки около 20% от нея се използва изключително за осветление. Тъй като става дума за огромни разходи в световен мащаб, е жизненоважно да се повиши ефективността на изкуственото осветление. Луминесцентните лампи и други подобни осветителни тела не могат да решат напълно този проблем и затова много надежди се възлагат на светодиодното осветление. В момента приблизително 7% от всички осветителни тела в света използват твърдотелно осветление, като се предполага, че през 2020г. около 50% от осветлението ще се осъществява от SSL.

Светодиодното осветление включва множество технологии, като трите основни вида са: осветление с повече или по-малко стандартни светодиоди на базата на полупроводници (LED), осветление с органични светодиоди (OLED – Organic Light Emitting Diodes) и осветление със светодиоди на базата на полимери (PLED – Polymer Light Emitting Diodes). В тази статията ще разгледаме общите технически аспекти на светодиодното осветление. Обръщаме внимание на различни гледни точки, свързани с темата, тъй като това е нова и динамично развиваща се област, в която все още няма утвърдена терминология и стандартизация по много въпроси.

Основни параметри и особености на светодиодното осветление
Нека да разгледаме основните параметри на светодиодното осветление и да ги илюстрираме с някои примери. Да започнем с продължителността на живота на светодиодното осветление, която е голяма и се измерва в десетки и дори стотици хиляди часове средно време на безотказна работа. За сравнение ще посочим, че в една година има 8760 часа и ако светодиодното осветление работи по 12 часа всеки ден, то ще работи 4380 часа годишно. При средно време на безотказна работа от 100 хиляди часа, това означава, че то ще може да се използва в продължение на 22.8 години. Малко са сградите или приложенията, които не се модернизират след 10-15 години, което практически означава, че веднъж инсталирано, светодиодното осветление няма да се нуждае от поддръжка. От гледна точка на експлоатацията на сградата, това означава, че направената първоначална инвестиция, води след това до много ниски допълнителни разходи във времето.

Светодиодното осветление започва все по-добре да съчетава и ниска консумация и висока ефективност. Това означава, че ще има по-малък разход на енергия за постигане на една и съща осветеност в сравнение с други светлинни източници, като например лампата с нажежаема жичка. Автоматично това води до използване на проводници с по-малко сечение, което означава икономии на ниво електрически инсталации. Освен това електромагнитното излъчване от електрическите инсталации също се намалява.

По отношение на стандартизацията на светодиодното осветление, има все още какво да се желае. Тъй като технологията е нова и бързоразвиваща се, все още няма пълна стандартизация и едва ли ще се получи в следващите няколко години. Процедурите за тестване и валидация на ниво компоненти, инсталация и поддръжка също подлежат на развитие и регулиране.

На ниво инсталация светодиодното осветление разсейва много по-малко топлина от лампата с нажежаема жичка. Това води до няколко предимства. Едното от тях е, че светодиодно осветление може да се монтира на места за локално осветление, в които по-рано беше недопустимо монтиране на лампи с нажежаеми жички. На ниво електронни компоненти обаче, в светодиодното осветление се отделя значително количество топлина, концентрирана на малка площ, която ефективно трябва да се разсее в пространството. Това изисква много добро топлоотвеждане на ниво отделен компонент. Общият КПД на осветително тяло със светодиодно осветление зависи от много фактори и е от 5% до 40%. Този широк диапазон се дължи на огромното различие на прилаганите технологии и решения.

Светодиодното осветление е по-здраво и по-малко чупливо от лампите с нажежаема жичка и луминесцентните лампи. Това е огромно предимство за монтаж на места, където има удари и вибрации. Ето защо светодиодното осветление е за предпочитане в много видове транспортни средства, започвайки от велосипеди и мотоциклкети и стигайки до авиационната промишленост. Преносимите осветителни устройства също предпочитат светодиодно осветление. Счупването на такова тяло е много по-малко вероятно да предизвика пожар от счупването на лампа с нажежаема жичка.

Светодиодното осветление е много по-бързо при включване, особено в сравнение с луминесцентните осветителни тела. В повечето случаи това не е голямо предимство, но все пак е предимство, което понякога не е за пренебрегване. Светодиодното осветление има практически неограничен брой включвания и изключвания. Това го прави удобно за всякакви осветителни ефекти и импулсни управления. Лампите с нажежаема жичка и луминесцентните лампи отстъпват с много в това отношение.

Яркостта на отделния светодиод е сравнително малка въпреки високата ефективност. Ето защо в едно осветително тяло се интегрират десетки, стотици и дори хиляди светодиоди за да се получи необходимата яркост. Това пък от своя страна изисква много по-високи технологии, отколкото производството на другите видове осветителни тела.

Цената на светодиодното осветление все още е сравнително висока като първоначална инвестиция. Разликата може да е дори няколко пъти, в сравнение с друг вид осветление. Счита се обаче, че след експлоатация 3 до 10 години тази цена ще се откупи от по-малките разходи за електроенергия и поддръжка на инсталацията. Ето защо светодиодно осветление се монтира обикновено на места, където ще работят поне по няколко часа на ден или нa места, където използването на други светлинни източници е невъзможно. Светодиодното осветление е удобно за труднодостъпни места като високи сгради, фасади, покриви, стълбове, комини, тунели, шахти и др., където подмяната на повредено осветително тяло е много скъпо.

Светодиодното осветление предполага богат избор на цветове. Практически може да се получи всякакъв цвят, което е негов голям плюс. В същото време, голям проблем се явява това, че спектърът, излъчван от светодиодното осветление, обикновено е доста тесен. Разбира се това може и да е предимство в определени приложения, като например светофари, указателни знаци, подсветки за екрани и други. Но в обикновените приложения, свързани с получаване на различни разновидности на бялата светлина, тесният спектър на светодиодите все още си остава проблем. Ето защо се прилагат различни конструктивни мерки за получаване на бяла светлина, например като се комбинират излъчватели с няколко цвята, които след това се настройват така, че да се получи желаният ефект. Получената светлина се разсейва по подходящ начин, така че източникът да не изглежда точков за зрителя. Светлината от светодиодното осветление лесно се фокусира на малка площ, което може да се окаже предимство при някои приложения, тъй като светлината от повечето от другите осветителни тела се разпространява повече или по-малко равномерно в почти всички посоки.

Белият цвят на светодиодното осветление може да създаде затруднения както при получаването му, така и при задържането му. Обикновено той се получава чрез комбиниране на светлината на разноцветни излъчватели, които стареят по различен начин във времето. Това означава не само промяна на интензитета, но и на цвета, като промяната може да достигне и 30% към края на живота на светодиодното осветление.

Светодиодното осветление може да замени лампа с нажежаема жичка с десетина пъти по-голяма мощност. Предлагат се например осветителни тела с мощност 12-15W, предназначени за подмяна на лампи с нажежаема жичка с мощност 120-150W. Токът, протичащ през светодиодното осветление, е сравнително слаб и нагарянето на контакти и ключове е почти невъзможно. Светодиодни осветителни тела вече се предлагат с цокли и корпуси, подобни на тези на лампите с нажежаема жичка, така че да могат да служат за директната им подмяна в бита и на работното място. Светодиодното осветление може да се комбинира с малки акумулаторни батерии и да отдава светлина в продължение на минути или часове след отпадане на основното захранване.

При някои от светодиодно осветление е възможно мощността да се регулира от нула до 100%, без това да променя цвета или надеждността на осветителното тяло. Това дава възможност светлинният поток да се регулира автоматично, в зависимост от околната осветеност или от друг параметър.

Биологически ефект на светодиодното осветление
Биологическият ефект на светодиодното осветление не се дискутира особено много. Известно е, че всички живи организми, включително и растенията, реагират по специфичен начин на светлинните източници. Те абсорбират светлината и в известен смисъл я преработват. В какво ще превърне фотосинтезата при растенията светлината от светодиодните източници, не изглежда добре проучено. Дърветата в градовете като че ли боледуват повече от дърветата в природата. А птиците избягват да гнездят в постоянно осветените места и намаляват все повече в големите населени места.

По принцип светодиодните осветителни тела за разлика от лампите с нажежаема жичка и луминесцентните лампи не съдържат вредни газове, които при счупването им се отделят в атмосферата. Светодиодното осветление не излъчва инфрачервени и ултравиолетови лъчи и това е факт, който също трябва да се оцени по достойнство.

Времетраенето на излагане на изкуствено осветление е важно и определя до голяма степен типа на изкуственото осветление. Ще използваме най-простата класификация в две групи. Кратковременно излагане на изкуствена светлина, например мостове, тунели, витрини, някои видове улично осветление, светофари, коридори, сервизни помещения, бани, тоалетни, изложбени зали, празнично осветление, осветление за спортни, музикални, политически, обществени прояви и др. Осветлението на такива места едва ли ще има дълготраен ефект върху хората, но все пак може да повлияе на настроението им и или тяхното поведение. Дълговременното излагане на светлинни източници е например в жилищни помещения, работни места, детски градини, училища, болници и други. Тук може да се очакват промени във физическото и психическото състояние на хората в зависимост от типа на осветление и това да има значително по-дълготраен ефект. Светодиодното осветление може да бъде създадено и използвано във всяка от двете групи, като това е придружено с индикация, кое осветление за какво приложение е предназначено.

Светодиодно осветление и фотоволтаици
Светодиодното осветление, фотоволтаиците и акумулаторните батерии се комбинират много успешно за осветяване на места, на които не бива или не могат да се захранват от електрическата мрежа. Това може да са опасни участъци от пътища, завои, тунели, временни строителни обекти, ремонтни работи по пътищата, билбордове, временни светещи надписи и знаци и др. На такива места светодиодното осветление засега е незаменимо, защото е много по-икономично и устойчиво на външни въздействия от лампите с нажежаема жичка и може лесно да се комбинира с акумулаторни батерии и с автоматика.

Производство на светодиодно осветление
Производителите на светодиодно осветление стават все по-многобройни. Водещи полупроводникови фирми като Philips, фирми водещи в осветителните тела като OSRAM или в електротехническата и електронна промишленост, като General Electric, са сред тях. Списъкът е много дълъг и ще става все по-голям, тъй като множество малки фирми започват да запълват празните за производството на голям брой преносими, мобилни или стационарни осветителни тела със светлинни източници по новата технология.

Процесът от замислянето до серийното производство на светодиодното осветление е дълъг, понякога в него са въвлечени хиляди специалисти и работници от множество лаборатории, университети и фирми и от много страни. Сложността на производството на светодиодното осветление е голяма. В началото процесите са с висока температура, с голяма енергоемкост и в специална контролирана среда. Целият процес на производство е високотехнологичен и се провежда в условия, изискващи значителни инвестиции и квалификации. В тази област предстои да се извършва още много научноизследователска работа, както преди производството, така и по време на производството, а също и по време на експлоатацията. Процесите на рециклиране също не са напълно усвоени, въпреки че по принцип изглеждат ясни. Рециклирането на светодиодното осветление е възможно, но затова все още трябва да се създава законодателство и инфраструктура и все още не е определен процентът на рециклиране, но се предполага, че ще е по-висок от 90%.

Бъдещето на светодиодното осветление
Бъдещето на светодиодното осветление изглежда гарантирано, като все по-голяма част от осветителните тела и екраните на компютризираните устройства и системи ще го използват. Изкуственото осветление остава един от основните предизвикателства пред цивилизацията и оптималното решение все още не е намерено. Предстои голяма научноизследователска и експериментаторска дейност в тази насока.

Съзнателно в статията не се споменават много цифрови данни за параметри на светодиодното осветление, тъй като те зависят твърде много от производителя и от технологията. Повечето необходими данни, разбира се, могат да се намерят в документацията на производителите. Един от критериите за стабилност на технологията е наличието на общоприети термини и на сравнително тесния обхват на цифровите параметри на изделия от един и същ тип от различни производители. Засега това все още не се наблюдава в сферата на светодиодното осветление, но се предполага, че ще се постигне за по-малко от десетина години.

Растящата цена на електроенергията също ще бъде от голямо значение за избора на типа на осветление. Така все повече и повече ще има смисъл да се инвестира в светодиодно осветление. Например, твърди се, че светодиодно осветление с 6-7W може да замени халогенно осветление с 30-40W и лампа с нажежаема жичка от 40-60W. Това не изглежда скъп или сложен експеримент и затова бихме могли лесно да проверим на практика у дома или в офиса дали това е така и до какви ефекти и резултати води. Осветителни тела за светодиодно осветление се предлагат на много места у нас. Също така има и множество специалисти, които могат да дадат необходимите консултации по въпроса със светодиодното осветление.