Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Светодиоды - освещение завтрашнего дня Лампы накаливания, освещавшие наши дома, улицы и подъезды на протяжении всего ХХ в., скоро навсегда исчезнут с прилавков магазинов. 7 декабря 2008 г. Евросоюз принял решение, согласно которому с 2012 г. в Европе будет полностью запрещена их продажа как слишком энергоемких и малоэффективных источников света. Дело в том, что лишь 5% потребляемой ими энергии расходуется на освещение, остальное идет на выработку тепла. В соответствии с принятым Ев­рокомиссией решением, уже с 1 сентября 2009 г. будет запрещена продажа ламп накаливания мощностью 100 Вт. В следующем году такая же участь постигнет 75-ваттные лампы, в 2011 г. настанет очередь 60-ват­т­ных, а к сентябрю 2012 г. будут запрещены даже самые слабые 40- и 25-ваттные источники. Учитывая, что срок службы ламп накаливания составляет максимум 2–3 года, к 2015 г. ЕС должен полностью избавиться от этой «классики» во всех сферах жизни. Еще прежде Евросоюза, в конце 2007 г., Джордж Буш подписал закон о замене традиционных ламп накаливания энергосберегающими. Документ предусматривает сокращение потребления электроэнергии лампами на 30% в течение 7 лет. При этом предполагается, что лампы мощностью 100 Вт выйдут из употребления к 2012 г., 75 Вт — к 2013 г., а 60- и 40-ваттные перестанут освещать американские домовладения с 2014 г. Отдельные законы, предусматривающие полную замену ламп накаливания люминесцентными, приняты в американском штате Ка­лифорния и канадской провинции Онтарио. О планах ввести запрет на лампы накаливания два года назад объявила и Австралия. Как заявил тогда министр по вопросам окружающей среды и водным ресурсам Малкольм Тернбулл, замена ламп накаливания энергосберегающими люминесцентными источниками поз­волит к 2012 г. сократить выбросы парниковых газов в атмосферу на 4 млн т. В Австралии лампы накаливания будут выведены из употребления к 2010 г. Власти Новой Зеландии приняли закон, запрещающий их продажи с октября 2009 г. Такая мера позволит значительно сократить выбросы углекислого газа и сэкономить на производстве электроэнергии к 2020 г. около 500 млн долл. Ведущие западные электротехнические концерны — General Electric, Havells Sylvania и Philips уже заявили о своем намерении отказаться от производства ламп накаливания и перейти на компактные люминесцентные лампы. Но, по мнению российских и зарубежных специалистов, собравшихся в ЦВК «Экспо­центр» на 2-й Меж­дуна­родный фо­рум по светодиодным источникам света, более перспективным является переход на принципиально новую полупроводниковую технологию ос­ве­щения. В отличие от люминесцентных ламп, в конструкции светодиодных полупроводников не содержится ядовитых соединений ртути. И после их широкого внедрения не потребуется дополнительно создавать две обслуживающие индустрии — систему централизованного сбора отработанных источников и заводы по их утилизации. Как устроен светодиод В применяемых сейчас лампах накаливания, галогенных и люминес­центных источниках свет получают с помощью нити накала или электрического разряда, затрачивая массу энергии на побочные тепловые эффекты. Светодиод же представляет собой полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение, что теоретически можно сделать почти без потерь. Активная часть светодиода, называемая «кристалл» или «чип», состоит из двух полупроводников с разными типами проводимости — электронной (n-типа) и дырочной (p-типа). При прохождении через нее электрического тока в области контакта происходит рекомбинация электрона и дырки с излучением кванта света. Первые светодиоды использовались только в качестве зеленых и красных индикаторов, позволяющих следить за работой различных электронных устройств — информационных табло, приборных панелей самолетов и других систем визуализации информации. Свет их был слишком слаб. Но в начале 1990-х гг. японцам удалось создать на основе нитрида галлия (GaN) новые сверхъяркие источники синего света. Цвет оптического излучения светодиодов зависит, прежде всего, от материала полупроводника. Прежде применявшиеся для создания кристаллов арсениды и фосфиды галлия, индия и алюминия давали возможность получать лишь красные, оранжево-желтые и желто-зеленые светодиоды. На основе карбида кремния (SiC) удалось создать диоды с зеленовато-голубым и сине-фиолетовым свечением. Но у этих источников оказались слишком малы КПД и яркость излучения. Только применение кристаллов из нитрида галлия и различных легирующих примесей позволило добиться яркого свечения диода и чистого синего цвета. А с помощью нанесения на источник слоя люминофора ученые сумели придать монохромно-синему диоду белое свечение, которое воспринимается человеческим глазом как весьма близкое к дневному свету. Устройство светодиода белого света упрощенно представлено на рисунке. Полупроводниковый кристалл на подложке соединен с контактными выводами. Излучаемый им свет проходит сквозь отражатель, покрытый люминофорной смесью, и прозрачный корпус в виде линзы. Светоотдача нитридных светодиодов, определяемая как отношение светового потока в люменах к потребляемой электрической мощности в ваттах, многократно превысила светоотдачу ламп накаливания. И диоды начали активно применять в оптоэлектронике и светотехнике. Преимущества и проблемы светодиодного освещения Как говорилось выше, большая часть электричества, проходящего через диод, непосредственно преобразуется в свет, поэтому его энергопотребление в 7–8 раз ниже, чем у лампы накаливания. Срок службы диодов может достигать 100 тыс. ч, что почти в 100 раз больше, чем у ламп накаливания, и в 5–10 раз — чем у люминесцентных источников. От­сутст­вие стеклянных деталей и колб обеспечивает высокую механическую прочность и надежность светодиодов. Моментальное включение этих источников после подачи на них напряжения позволяет, в отличие от люминесцентных ламп, засвечивать и гасить их неограниченное число раз. Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию методом широтно-импульсной модуляции, когда на них подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток. При этом частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, но свет при этом не гаснет. Поскольку светодиод излучает лишь в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценится дизайнерами при создании искусственной подсветки. Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения позволяет безопасно использовать светодиодные светильники для освещения продуктов питания и других товаров, чувствительных к свету. При этом новейшие технологии изготовления светодиодов обеспечивают сегодня возможность получения всех цветов видимого спектра. Наконец, светодиод — низковольтный и, стало быть, совершенно безопасный электроприбор. Работа­ет он обычно при напряжении 2–4 В и токе 10–30 мА, в то время как для работы миниатюрной лампы накаливания необходимо напряжение около 12 В при токе 50–100 мА. Компактность, малые размеры и масса светодиодов позволяют встраивать их в стены, полы или потолки и применять практически в любых конструкциях и архитектурных сооружениях. Для получения больших световых потоков десятки и сотни источников объединяют в световые панели. А возможность фокусировки излучения в каждом элементе позволяет создавать панели с направленным световым потоком. Однако сказать, что светодиодные источники света полностью лишены недостатков, было бы преувеличением. Главная проблема заключается в том, что до сих пор нет точного ответа на вопрос — как они влияют на зрение? В отличие от солнечного света и света ламп накаливания, спектр излучения светодиодов близок к монохроматическому (одноцветному). Хорошо это или плохо для человеческого глаза — доподлинно не известно, т. к. никаких серьезных исследований на эту тему не проводилось. Во всяком случае, пока какие-либо сведения о вредном воздействии таких источников отсутствуют. Светодиоды имеют маленькую поверхность и, следовательно, яв­ляются сосредоточенными источниками света. Поэтому необходима специальная оптика при использовании их для нужд бытового и уличного освещения, где требуется не глубина, а широта охвата. Хотя светодиоды, как отмечалось выше, считаются исключительно долговечными источниками света, однако и они подвержены старению, которое выражается в постепенном уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30–50%, светодиод надо менять. Чем больший ток пропускается через него в процессе службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. По­этому срок службы мощных светодиодов короче, чем маломощных, и составляет в настоящее время 20– 50 тыс. ч. Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественное изменение его цвета в процессе старения и сравнить с другими источниками. Существенным недостатком, ограничивающим применение светодиодов, является и их цена, которая пока еще на порядок выше, чем у люминесцентных и галогенных ламп. Перспективы развития светодиодной индустрии Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и здесь они могут использоваться для аварийной сигнализации. Сейчас такие источники наиболее широко востребованы в дизайнерском освещении и светодинамических системах. Но выгоднее всего устанавливать их там, где дорого обходится техническое обслуживание и высоки требования электробезопасности. Именно из-за низких эксплуатационных расходов в Москве стали массово применяться светодиодные светофоры. Более того, ОАО «РЖД», желая сократить затраты на содержание осветительных систем, приняло специальную программу по внедрению светодиодной техники для коммутации, освещения инфраструктурных объектов и подвижного состава. Конечно, очень привлекательна идея использования белых светодиодов для обычного освещения. Появление этих источников может заметно преобразить облик жилых и офисных помещений. Из них, по-видимому, полностью исчезнут люстры и лампы с ввинчивающимся цоколем, на смену которым придет встраиваемая светотехника, а также светильники и фонари с рассеивающими линзами, чтобы узконаправленный свет диодов не слепил глаза. Согласно расчетам министерства энергетики США, эффективность этих источников в бытовом применении будет обеспечена при светоотдаче примерно 160 лм/Вт. Сейчас средний показатель промышленно производимых светодиодов составляет около 60 лм/Вт. Однако в минувшем 2008 г. японская компания Nichia Corp. сумела создать источник со светоотдачей 169 лм/Вт. Учитывая, что за последние пять лет светоотдача промышленных светодиодов была повышена вдвое, появление подобных светильников в наших домах уже не за горами! Объем мирового рынка светодиодов в 2007 г. составлял 4,2 млрд долл. Рост его достиг 37% при росте общего рынка светотехники (всех источников света) в 5%. Только в одном Китае в производстве светодиодной продукции были задействованы свыше 600 предприятий и несколько десятков тысяч работников. Согласно докризисным прогнозам, к 2012 г. объем рынка этой техники должен был составить 12 млрд долл. при среднегодовых темпах роста 20–25%. В России светодиоды занимают не более 4% рынка светотехнических приборов. Но по оценкам специалистов, обладают большим потенциалом роста. Во-первых, у нас имеется необходимая научная база для развития светодиодной индустрии, ведутся исследования технологий по выращиванию кристаллов нитридов, созданию полупроводниковых гетероструктур и p-n-переходов. Кроме того, проводятся исследования физических и химических свойств необходимых для этих целей материалов. Уже сейчас по конструкции и технологическому исполнению российские светодиоды, созданные в лабораторных условиях, ни в чем не уступают зарубежным. Во-вторых, отечественные предприятия, в числе которых можно назвать фирмы «Светлана-Опто­электроника» (г. Санкт-Петербург), BetaLight и XLight (г. Москва), уже в течение длительного времени выпускают светодиодные светильники для архитектурной подсветки, подъездного и уличного освещения. А специалисты ОАО «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов» (г. Томск) разрабатывают светодиодные лампы технического назначения для светосигнальных приборов, сигнализации и индикаторной аппаратуры. Большая стоимость наших изделий связана с тем, что для их выпуска применяются в основном импортные чипы. Сейчас ведущие позиции в производстве светодиодных чипов занимают пять компаний из США, Японии и Западной Европы — Cree Inc., Lumiledes, Nichia Corp., Osram и Toyoda Gosei. Поэтому задачей ближайшего дня является создание в России собственного промышленного производства светодиодных чи­пов, что позволит снизить цены на российскую светотехнику в 5–6 раз. Российская корпорация нанотехнологий («РосНано») совместно с группой «Онэксим» приступила к финансированию проекта по организации на базе Уральского оптико-механического завода им. Э. С. Яла­мова (г. Екатеринбург) совместного предприятия по производству полупроводниковых чипов на основе нитрида галлия. Планируется, что в ближайшее время предприятие должно начать выпуск чипов размерами 0,4?0,4 мм мощностью 55 мВт, а к 2010 г. освоить производство более крупных (1?1 мм) и мощных (984 мВт) чипов. При этом 70% изготовленной продукции будет пущено в продажу, а 30% использоваться для собственных нужд. Помимо чипов, на предприятии наладят выпуск уличных и офисных светильников с энерго­потреблением 7–10 Вт и сроком службы 50 тыс. ч, что соответствует по эффективности лучшим мировым аналогам. Марина Народовая, фото автора