В настоящее время почти вся европейская бытовая техника имеет специальную наклейку с обозначением класса энергосбережения от А до G. К классу А относятся наиболее экономичные приборы, к классу G - наименее. На этой же наклейке указывается годовое потребление электроэнергии в кВт-ч. Каждому классу энергосбережения соответствует определенный уровень энергопотребления.

Например, по данным компании «Самсунг», стиральные машины при загрузке 1 кг хлопкового белья и температуре стирки 95 °С потребляют;

• класса А - 0,19 кВт ч;

• класса В -0,19-0,23 кВт-ч;

• класса С - 0,23-0,27 кВт-ч.

При загрузке 5 кг эти показатели, соответственно, увеличиваются и составляют:

• для класса А - до 0,95 кВт-ч;

• класса В - 0,95-1,15 кВт-ч;

• класса С-1,15-1,35 кВт-ч.

Суточный расход электроэнергии бытовых холодильников составляет:

• класса В - 1,26 кВт-ч;

• класса С - 1,45 кВт-ч.

Классификация источников света по энергетической эффективности

Лет двадцать тому назад отечественные электролампы упаковывались на заводе-изготовителе очень просто: из гофрированного картона склеивалась четырехугольная коробочка без дна и крышки, которая затем надевалась на лампочку. Никаких надписей, естественно, на такой таре не было. Маркировка лампы, номинальное питающее напряжение и мощность наносились прямо на колбу. Другая информация потребителю по каким-то причинам не предоставлялась.

В январе 1998 г. Европейский союз издал директиву комиссии о маркировке эффективности бытовых ламп под номером 98/11/ЕС, которая вступила в силу 1 июля 1999 г. Этот документ требует, чтобы все бытовые лампы, непосредственно питающиеся от сети, имели на упаковке маркировку, показывающую класс потребления электроэнергии.

Сегодня на отечественном рынке предлагается огромное количество импортных ламп, упакованных в разноцветные коробочки с фотографией лампы, рисунками, графиками и цифрами. Другими словами, производители с помощью упаковки заботятся не только о сохранности лампы (с этой задачей отлично справлялся и гофрированный картонный коробок), но и публикуют много важной технической информации, благодаря которой приобретение лампы перестает быть гаданием на кофейной гуще.

На рис. 2.132 показан знак, который можно встретить практически на всех упаковочных коробках стандартных ламп, произведенных на территории Европейского сообщества (ЕС). Называется такой знак маркировкой потребления энергии. В соответствующей директиве ЕС всем производителям ламп накаливания и люминесцентных ламп предписано указывать их класс эффективности по 7-ступенчатой шкале от А до G; при этом А соответствует характеристике «очень эффективно», a G - «неэффективно». К примеру, лампа компактная люминесцентная OSRAM DULUX S/Е мощностью 9 Вт отнесена к классу А, а лампа накаливания PHILIPS SOFT WHITE мощностью 60 Вт - к классу Е, хотя обе излучают примерно один и тот же световой поток (660 и 600 лм соответственно).

Согласно этой схеме лампы квалифицируются следующим образом:

• А - лампы с трехполосным люминофором, как линейные, так и штырьковые компактные люминесцентные, интегральные компактные люминесцентные с электронным балластом;

• В - галофосфатные линейные люминесцентные лампы, некоторые типы штырьковых компактных люминесцентных ламп;

• С - высокоэффективные галогенные лампы;

• D - прочие галогенные лампы;

• Е, F - стандартные лампы накаливания;

• G - декоративные лампы накаливания и прочие.

Еще один часто встречающийся значок показан на рис. 2.133. Он называется Communite Europeenne (СЕ mark). Этот - знак сертификации, который разрешается проставлять на упаковке только после положительного прохождения испытаний продукции в сертификационных центрах Европейского сообщества. В частности, экспертиза проводится на предмет отсутствия содержания некоторых вредных веществ, на энергетическую эффективность, на электромагнитную совместимость (отсутствие помех радиосвязи). Печатая СЕ mark, производитель берет на себя ответственность, связанную с возможным ущербом, который может принести его изделие по причине несоответствия требованиям стандартов. Изделия, не имеющие такого знака, на территории ЕС продаваться не могут.

Необходимо знать, что отечественная система сертификации источников света проводится дополнительно, и в случае положительного ее прохождения выдается другой сертификационный значок.

Рис. 2.132. Маркировка потребления энергии

Рис. 2.133. Знак сертификации на территории Европейского союза

Известные иностранные фирмы, распространяющие свою продукцию на нашем рынке, как правило, имеют оба знака сертификации, что является определенной гарантией работоспособности ламп.

На упаковочной коробке также можно найти значение светового потока, срок службы, наименование цоколя, индекс цветопередачи и цветовую температуру. Иногда цветовая температура люминесцентных ламп кодируется тремя цифрами в соответствии с табл. 2.13.

Таблица 2.13

Коды цветовой температуры

Восприятие света

Цветовая температура, К

Код

Тепло-белый

2700

827

3000

830

930

Нейтрально-белый

4000

840

940

Белый дневной свет

5000

950

6000

860

6500

965

Лампы со световым потоком больше 6500 лм освобождены от требования маркировки. Зеркальные лампы и лампы мощностью меньше 4 Вт также исключены.

Часто на коробках встречаются чисто рекламные лозунги, утверждающие, что «именно эта лампа самая яркая», «только эта лампа по-настоящему экономичная», «нет более долговечной лампы, чем эта» и т. д. Теперь, когда вы знаете о реальных характеристиках источников света, ваши ожидания никогда не будут обмануты.

Твердотельное будущее

До сих пор мы говорили об источниках света, потенциальные возможности которых уже исчерпаны или приблизятся к технически достижимым пределам в ближайшем будущем. Но дальше речь пойдет о таких световых источниках, которые, по прогнозам специалистов, уже к 2020 г. по светоотдаче приблизятся к магической цифре 200 лм/Вт, то есть станут настоящими рукотворными солнцами. Речь идет о светодиодах, их устройстве и возможностях.

По своей распространенности светодиоды, пожалуй, могут легко соперничать с лампами накаливания: встретить их можно практически везде. Только подавляющее большинство этих замечательных полупроводников используется не для освещения, а для... сигнализации! Взгляните на лицевую панель системного блока персонального компьютера, и вы увидите одну-две цветные точки, ровно горящие или мигающие. Разглядывать что-либо в свете этого огня бессмысленно, но зато его хорошо видно при внешней засветке любой интенсивности. Оглянитесь вокруг себя, и обязательно найдете еще два-три примера использования светодиода в качестве сигнальной лампочки. Симпатично выглядят бытовые выключатели со встроенным светодиодом, который позволит обнаружить этот самый выключатель даже в полной темноте.

Сверхъяркий луч светодиода

Современные сигнальные светодиоды LED (англ. Light Emitting Diode) выпускаются в огромных количествах, имеют разный цвет свечения (что очень удобно для различных сигнальных устройств), различные размеры и конструкцию корпуса. Их применяют при создании буквенно-цифровых и даже графических табло. Можно приобрести двухцветные модели, которые плавно меняют свой цвет в зависимости от соотношения входных сигналов. Можно - мигающие при подаче напряжения. Можно - со стандартным цоколем, для замены ламп накаливания в сигнальной арматуре. Но какой из стандартного светодиода источник света в истинном смысле этих слов? Да никакой! Максимум, на который его хватает, - это подсветить жидкокристаллический индикатор мобильного телефона... Не правда ли, трудно представить, что вы нормально живете в свете полупроводниковых ламп: выполняете обычную работу, читаете книги, обедаете, занимаетесь домашними делами? Что в вашем автомобиле установлены полупроводниковые фары, а дорогу освещают светодиодные фонари? Фантастика? Нет, всего лишь реальность ближайшего будущего.

Но прежде чем начать разговор о светодиодах, или, как их сейчас называют, твердотельных источниках света, немного окунемся в историю вопроса и вспомним, что больше 100 лет назад, в 1907 г.,

английский инженер X. Раунд, занимаясь вопросами радиосвязи, случайно заметил свечение в месте контакта электрода с полупроводником. В 1922 г. свечение карборунда пытался исследовать советский ученый О. Лосев, а затем исследования были продолжены после Второй мировой войны изобретателем плоскостного транзистора У. Шокли. Значительно продвинуться по пути увеличения световой отдачи полупроводников позволили труды академика Ж. Алферова. Еще одно известнейшее имя - сотрудник фирмы «Nichia Chemical» доктор Ш. Накамура, которому впервые удалось получить свечение полупроводника голубым цветом. Ему же принадлежит пальма первенства в разработке высокоэффективных светодиодов увеличенной яркости, которые можно использовать уже как источники света, а не только как сигнализаторы.

Свойство испускания световых волн р-п-переходами - это фундаментальное свойство всех полупроводников. Но такой способностью они наделены в разной степени. Например, используемые для изготовления транзисторов и обычных диодов кремниевые р-n-переходы совершенно не годятся для светодиодов: они испускают крайне мало световых волн. Значительно лучше излучают полупроводники на основе соединений галлия (фосфид галлия и арсенид галлия). Как только подобные соединения были найдены, специалисты разработали коммерческие светодиоды красного, желто-зеленого и зеленого свечения. Световая отдача этих приборов составляла всего 1,5 лм/Вт, но не будем забывать, что тогда, полвека назад, все только начиналось. Заслуга нашего ученого Ж. Алферова состоит в увеличении эффективности излучения полупроводников до 10 лм/Вт. Открытие технологий получения нитрида галлия привело к появлению светодиодов синего свечения. Настала пора задуматься о светодиодах, излучающих белый свет. Белые светодиоды впервые появились на мировом рынке в 1998 году.

Возможности современных светодиодов впечатляют: световая отдача коммерческих образцов, излучающих в красно-желтой части спектра, составляет 65 лм/Вт, в зеленой области достигнута светоотдача до 85 лм/Вт. На подходе - образцы с эффективностью 150 лм/Вт, и это далеко не предел.

А сейчас давайте вслед за Ш. Накамурой задумаемся, каким образом получить с помощью многоцветья светодиодных источников белый свет. Найдено четыре способа получения белого света, причем все они жизнеспособны и активно используются в промышленном производстве.

Первый способ предполагает смешивание разных цветов (рис. 2.134), а именно - красного, зеленого и синего. На одном кристалле очень близко компонуются в определенном порядке светоизлучающие кристаллики, их свет фокусируется с помощью линзы так, чтобы суммарный спектр был близким к естественному солнечному. Осуществляя отдельное управление всеми тремя каналами, можно получить любой цвет (или оттенок цвета) свечения светодиода. Недостаток способа: очень сложная технология изготовления и необходимость цветовой балансировки (поскольку светодиоды разных цветов имеют разную эффективность излучения).

Второй способ чем-то напоминает люминесцентную лампу: на корпус светодиода, излучающего волны в УФ-диапазоне, наносится специальный трехцветный люминофор, который под действием излучения начинает светиться белым светом (рис. 2.135). Конечно,

Рис. 2.134. Схема получения белого света с помощью кристаллов трех цветов

Рис. 2.135. Схема получения белого света с помощью трехцветного люминофора этот способ проверен и не вызывает никаких сложностей, но все же наибольшее распространение получили два других способа, которые являются логическим продолжением этого.

При реализации способа номер три задействуется голубой светодиод, но в него включается конструктивный рефлектор, на который наносится люминофор желтого цвета. При смешении цветов образуется белый свет (рис. 2.136).

Наконец, четвертый способ имеет мало отличий от третьего: тот же самый голубой светодиод, тот же самый рефлектор, но наносят на него уже два люминофора - с зеленым и красным цветом свечения (рис. 2.137).

Предупреждаем читателя: подавляющее большинство светодиодов белого свечения изготовлено на основе именно люминофорной технологии. Именно по этой причине свет таких светодиодов имеет небольшой, практически незаметный сине-фиолетовый оттенок. В целом же светоотдача среднего белого светодиода сегодня нахо-

Рис. 2.136. Схема получения белого света с помощью голубого светодиода

Рис. 2.137. Более сложная схема получения белого света с помощью голубого светодиода дится на уровне светоотдачи хорошей люминесцентной лампы, продолжая свой рост. А высокая стоимость производства окупается фантастическим сроком службы (более 100000 ч непрерывной безотказной работы), высочайшей механический надежностью, работоспособностью при очень низких температурах, отсутствием вредных материалов типа ртути, возможностью элементарной регулировки яркости, противопожарной безопасностью (отсутствием излучений в ИК-области), малыми затратами на обслуживание. Есть, правда, обстоятельство, которое внесет некоторый диссонанс в эту победную песню о фантастических ресурсах светодиодов. Дело в том, что светоизлучающие диоды имеют свойство стареть в процессе работы, что выражается в снижении излучающей способности. Известные фирмы-производители гарантируют сохранение 80 % начальной излучающей способности к середине срока службы. Иногда встречаются безапелляционные заявления о реальном сроке службы в пределах 2000-3000 ч, приводятся примеры, связанные с подсветкой мобильных телефонов. Это может оказаться правдой только в двух случаях: когда используется контрафактная продукция, которая действительно может потерять до 40 % за указанное время, или когда светодиоды эксплуатируют в значительно завышенных по сравнению с номинальными режимах.

А как обстоит дело со стоимостью светодиодного света? Пока это - самый дорогой источник, если учитывать только световую производительность. Цена 1 люмена света от полупроводников пока в 50-100 раз выше стоимости 1 люмена от лампы накаливания, но не спешите записывать светодиод в разряд расточительных приборов. К примеру, уже сейчас можно приобрести светодиодную лампу мощностью 5 Вт за $15, в то время как обычная лампа накаливания с такой же светоотдачей (60 Вт) стоит чуть меньше $1. Еще один расчет показывает, что матрица стоимостью $20 из 20 светодиодов по светоотдаче равна галогенной лампе мощностью 20 Вт стоимостью $1. Если принять во внимание срок службы светодиодной лампы и текущие расходы на электроэнергию, становится понятно, что все в этом вопросе очень и очень относительно.

По прогнозам специалистов, динамика снижения стоимости светодиодных ламп окажется менее выраженной, чем повышение их светоотдачи: ожидается падение стоимости всего на 20 % при удвоении показателя эффективности использования. Продвижение светодиодных источников на рынки будет происходить по еледующему сценарию - вначале их будут использовать как второстепенную (декоративную) подсветку, потом начнется процесс вытеснения ламп накаливания и галогенных ламп. Вопрос о вытеснении газоразрядных и HID-ламп пока остается за рамками прогнозов, он будет решаться в ближайшее десятилетие. Уже сейчас автомобилестроители ведут активные разработки твердотельных фар дальнего и ближнего света на основе светодиодов белого свечения. Достижения разработок впечатляют: уже получен световой поток порядка 1000 лм, что вполне сопоставимо с потоком стандартной ксеноновой лампы. С указателями поворотов за рубежом все гораздо проще - технологии отработаны и стремительно внедряются. Другое дело, что приобрести светодиодную лампу в нашей стране пока еще очень сложно, но ее можно изготовить самому. Об этом мы поговорим позже, а сейчас перейдем собственно к техническим вопросам, связанным с использованием светодиодов.

Этот раздел хочется закончить цитатой из статьи, прочитанной в одном из научно-технических журналов: «Инженеры итальянской фирмы “Rimsa” разработали высокотехнологичную лампу для использования в медицинских операционных светильниках. По своим светотехническим параметрам новая лампа не уступает традиционным изделиям того же назначения на основе галогеновых источников света, но при этом имеет ряд преимуществ. Во-первых, она практически не излучает тепла, во-вторых, крайне экономно расходует электроэнергию, обеспечивая световой поток 600 люменов и освещенность 50000 люкс, потребляет всего 25 Вт, то есть втрое меньше, чем галогеновый аналог со сходными характеристиками. Кроме того, срок службы нового светильника увеличен по сравнению с обычными в 25 раз. Наконец, светодиодная лампа создает в операционной повышенный физический комфорт как для хирургов, так и для пациентов: первые не потеют, у вторых не так быстро сохнут ткани в открытой ране». Сообщения подобного рода вы будете встречать в технической прессе чаще и чаще.

Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод!

Наверняка не все читатели имеют представления об устройстве и технических характеристиках главного элемента твердотельных источников света - собственно светодиода. Поэтому начнем именно с этого вопроса, а затем перейдем к современным устройствам, сконструированным на основе светодиодов, и необходимому дополнительному оборудованию.

На рис. 2.138 показаны основные части светодиода. Выводы светодиодов бывают штыревыми (для пайки в отверстие), планарные (для монтажа к печатным площадкам) и даже проводные (у мощных образцов). Значительным разнообразием отличаются и их корпуса: они могут быть цветными и бесцветными (прозрачными и матовыми), полукруглыми, плоскими, прямоугольными, с концентрирующими линзами. Иметь дело с бесцветными корпусами сложнее: никогда не угадаешь, какого цвета светодиод до подключения его к источнику энергии.

Наиболее наглядно описывает электрические свойства светодиодов вольт-амперная характеристика (ВАХ), то есть зависимость проходящего через диод тока от приложенного к нему напряжения (рис. 2.139). При приложении обратного (запирающего) напряжения любой диод ток не проводит. Но надо запомнить, что, в отличие от выпрямительных диодов светодиоды не допускают больших значений обратных напряжений. Стандартное предельное обратное напряжение светодиода не превышает 5 В.

Прямая ветвь ВАХ светодиодов отличается от ВАХ обычных диодов только значением напряжения открывания и падением напряжения в открытом состоянии. Если германиевые диоды открываются при напряжении 0,1-0,2 В, кремниевые - при 0,6-0,7 В, то напряжение открывания светодиодов лежит в диапазоне 1,2-2,9 В. После

Рис. 2.138. Светодиод открывания напряжение на светодиодах немного растет с увеличением тока, стабилизируясь на определенном уровне уже при токе порядка 1 мА. Это означает, что светодиод в практических схемах может работать только как токовый прибор. Как это понять? Очень просто!

Вернемся к рис. 2.139. Хорошо видно, что разница между напряжением зажигания светодиода и неконтролируемым увеличением тока через него составляет всего 0,3 В. Светодиод, как любой полупроводник, не может держать бесконечно большие токи - он просто расплавится от нагрева. Поэтому необходимо вспомнить о балласте, который возьмет на себя излишек напряжения и ограничит протекающий ток. Так как светодиоды питают постоянным (или импульсным) напряжением, в качестве простейшего балласта выступает преимущественно обычное активное сопротивление.

Балластный резистор необходимо рассчитать. Этот расчет очень простой. На рис. 2.140 показана простейшая цепь, состоящая из источника питания G, балластного резистора R и светодиода HL. Допустим, что светодиод должен работать от источника с напряжением Uc, равным 15 В. Открываем справочник и ищем значение прямого падения напряжения UHL данного светодиода (в зарубежных источниках этот параметр именуется Forward Voltage). Обычно значение прямого падения напряжения нормируется при рекомендуемом прямом токе iHL светодиода (Forward Current). Производители приводят значение тока, при котором, во-первых, светодиод не сгорит, а во-вторых, будет светиться достаточно ярко.

Рис. 2.139. Сравнительные вольт-амперные характеристики различных полупроводников

Предположим, что прямое падение напряжения на светодиоде составляет 3,2 В при токе 20 мА (данные приводятся для светодиода белого света APK3216PWC производства фирмы «Kingbright»).

В нашем примере расчетная мощность будет 0,25 Вт. Выберем резистор мощностью 0,5 Вт с учетом обеспечения запасов по рассеиваемому теплу.

В электротехнике очень часто для обеспечения каких-либо требований используют последовательное или параллельное соединение элементов. Для светодиодных приборов принцип наращивания особенно актуален: светодиоды как отдельные элементы представляют собой достаточно миниатюрную конструкцию. Здесь, однако, есть свои особенности, о которых мы поговорим.

На рис. 2.141 представлены разные способы параллельного соединения светодиодов, причем один из них не рекомендуется для применения на практике. В чем здесь разница? Как и любые другие реальные элементы, светодиоды имеют технологические разбросы величины прямого падения напряжения, а значит, через них будут

Рис. 2.140. Схема подключения балластного резистора проходить разные токи. Интенсивность света светодиодных ячеек окажется разной даже при одинаковых номинальных характеристиках излучателей, что вблизи будет выглядеть как разная яркость или неоднородно-яркое пятно, если станем наблюдать издалека. Предпочтительнее все-таки выровнять токи балластными резисторами.

С последовательным соединением все гораздо проще: светодиоды включаются друг за другом, через них протекает один и тот же ток, а падение напряжения в цепи равно сумме падений напряжений на отдельных светодиодах (рис. 2.142).

Можно также выполнить комбинацию последовательного и параллельного соединения; соединять параллельно несколько последовательно соединенных гирлянд светодиодов. И здесь возникает великий соблазн выбрать балластный резистор как можно меньшего сопротивления, чтобы суммарное падение напряжения цепочки подогнать как можно ближе к напряжению питания. На первый взгляд такое решение кажется эффективным: ведь сократятся тепловые потери на балласте! Не спешите - давайте разберемся, почему к этому вопросу нужно подойти с максимальной осторожностью.

Еще раз вернемся крис. 2.140, а именно - к источнику питания G. Если этот источник стабильный, то есть не меняет значения выходного напряжения, изменение тока через светодиоды тоже окажется

Рис. 2.141. Параллельное соединение светодиодов: а - неправильно; 6 - правильно

Рис. 2.142. Последовательное соединение светодиодов минимальным, и можно выбирать балластный резистор поменьше. А если источник нестабилизированный, а такое случается сплошь и рядом, могут быть неприятности. Допустим, некто, окрыленный прочитанным, собрал гирлянду из светодиодов и подключил ее к промышленной сети через простейший выпрямитель. Сеть - нестабильный источник энергии. Мало того что напряжение имеет полное право (по действующим стандартам) отклоняться в любую сторону на 10%, так еще в сети периодически возникают провалы (что не так страшно) и выбросы (что намного опасней), величина которых может достигать 20 %. Для светодиодных гирлянд эти броски могут стать губительными. И вот почему.

При исчезающе малом падении напряжения на светодиодах этой величиной можно пренебречь, и тогда в формуле останутся только минимальное и максимальное напряжения питания. Если прямое суммарное падение напряжения и напряжение питания будут сопоставимы, ток может меняться в несколько раз.

В продолжение темы о наращивании светодиодных источников приведем некоторые данные из технического отчета фирмы «Osram». Рассматривалась матрица из 16 светодиодов типа TOPLED LAE67 со средним прямым падением напряжения 2,125 В и технологическим разбросом в пределах 2,05-2,20 В. Первый вариант матрицы, который можно назвать последовательным соединением параллельных ячеек (такой вариант еще называется соединением с одиночным резистором), представлен на рис. 2.143, а. Светодиоды HL1-HL4 имеют минимальное прямое падение напряжения (2,05 В), светодиоды HL5-HL12 - среднее (2,125 В), a HL13-HL16 - максимальное (2,2 В). Характер распределения токов в каждой ячейке мы можем увидеть на том же самом рисунке. Очевидно: светодиоды с минимальным прямым падением напряжения находятся на грани максимально допустимых токовых параметров, в то время как другие светодиоды недогружены. Это чревато, во-первых, снижением надежности матрицы и, во-вторых, неравномерностью свечения ячеек.

Попробуем усугубить ситуацию, имитировав выход из строя светодиода HL9. Результат мы видим на рис. 2.143, б: выросли токи оставшихся в линейке светодиодов, а ток через HL1 вообще превысил предельно допустимый. В скором времени следует ожидать выхода из строя HL1, затем HL5 и, наконец, HL13. Итог весьма неприятный: один неисправный светодиод выводит из строя всю матрицу, а при ремонте придется менять четыре светодиода вместо одного.

Намного более удачен и надежен способ параллельного соединения последовательных ячеек (рис. 2.144). Обратите внимание на распределение токов в режиме нормального функционирования (рис. 2.144, а): разброс токов составляет примерно 5%, небольшие различия яркости глаз едва ли заметит. Все светодиоды работают в номинальном режиме, с большим запасом по токовой перегрузке.

Рис. 2.143. Соединение светодиодов с одиночным резистором:

а - в нормальном режиме работы; 6 - при выходе из строя одного светодиода

Опять имитируется несчастный случай - перегорание светодиода HL9 (рис. 2.144, б). Заметьте: распределение токов в остальных ветках не меняется, а значит, матрица продолжит излучать свет, которого станет теперь немного меньше. Вот и все последствия отказа ячейки!

Теперь перейдем ко второй части характеристик светодиода - к оптической. Как представляются эти данные в технической документации? Вы наверняка уже поняли, что излучение светодиода направленное, то есть неравномерное в зависимости от его положения относительно наблюдателя. Некоторые светодиоды обладают ярко выраженной направленностью и светят как маленькие прожекторы, другие подобны лампе накаливания с отражателем - световые волны здесь распространяются в достаточно широком углу. Но одиночных светодиодов, излучающих одинаково хорошо (или равномер-

Рис. 2.144. Параллельное соединение последовательных ячеек: а - в нормальном режиме работы; б - при выходе из строя одного светодиода но) во все стороны, пока еще не изобрели. Впрочем, если нужно равномерное излучение, выручает набор светодиодов, направленных в разные стороны.

Главная пространственная характеристика светодиода - его направленность (англ. Directivity). Фирмы-производители характеризуют направленность, во-первых, углом излучения (англ. Radiation Angle), а во-вторых, диаграммой направленности. Если первая характеристика - просто цифра, то вторая - гораздо более информативный график. Специалист-светотехник никогда не станет проектировать светодиодное освещение, пользуясь только углом излучения, так как диаграммы направленности подчас оказываются причудливыми, с провалами и горбами.

На рис. 2.145 приведена полная диаграмма направленности белого светодиода NSPW515BS, который производится мировым лидером светодиодной индустрии - фирмой «Nichia». Правая часть диаграммы выполнена в полярных координатах (что удобно - сразу понятно, как излучает светодиод), а левая - в декартовых. В этом графике аргументом выступает угол поворота относительно главной оси (линии максимума излучения), а что выступает функцией? Безразмерная величина! Просто-напросто график нормирован к максимальной величине излучения. В качестве нормирующей величины выступает сила света (англ. Luminous Intensity) в микроканделах при определенном значении прямого тока. На диаграмме направленности этому параметру соответствует безразмерное значение 1.

В некоторых случаях, когда диаграмма направленности достаточно широкая, а светодиоды предназначены только для освещения,

Рис. 2.145. Диаграмма направленности белого светодиода приводят значение светового потока (англ. Luminous Flux), измеренного в люменах, что весьма удобно для расчета освещенности по стандартным методикам. В таком случае диаграмма направленности выступает как кривая силы света (КСС). Кроме того, уважающие себя фирмы приводят в технической документации вид спектральной характеристики излучения.

Мы помним, что цветовая температура света в значительной степени оказывает влияние на эмоциональное состояние человека. До настоящего времени светодиодное освещение обладало имиджем холодного, мрачного, неуютного. К счастью, недавно на рынке появились светодиоды теплого белого свечения (англ. Warm White), которые имитируют свет лампы накаливания. В частности, такие светодиоды есть в номенклатуре фирмы «Nichia». Отличие светодиодов типа «Warm White» от просто «White» наиболее наглядно демонстрируют спектры на рис. 2.146.

Если излучению светодиода типа «White» придает бледность пик большой амплитуды в синей области спектра, то в светодиоде типа «Warm White» синяя составляющая компенсируется более интенсивным излучением желтого люминофора, окрашивающего излучение в теплый оттенок. Вот и вся премудрость.

Познакомимся теперь с основными видами конструктивного исполнения корпусов светодиодов, изделий на их основе и дополнительным оборудованием. По правде говоря, сегодня выпускается несколько тысяч самых разнообразных светодиодов, но здесь мы не станем скрупулезно перечислять их характеристики - на это есть каталоги фирм, интернет-сайты с документацией, продавцы-консультанты в магазинах.

Рис. 2.146. Спектры светодиодов: а - «Warm White»; 6 - «White»

Коснемся лишь самых основных, широко распространенных, а потому сравнительно недорогих и самых узнаваемых вариантов.

Корпуса светодиодов, показанные на рис. 2.147, сегодня можно считать классическими: это круглый бочонок, с одной стороны которого имеется полусфера-линза, а с другой - электрические выводы. Казалось бы, чем больше диаметр светодиода, тем больше должна быть сила света, однако это не всегда так. Крошечный светодиод может обладать силой света, в разы превышающей силу света его более крупного собрата, а может быть и обратная ситуация. Но какой смысл в выпуске разных типоразмеров светодиодов? Достаточно большой: если светодиоды, особенно разноцветные, входят в матрицу, то равномерность излучения и смешивание цветов окажется лучше у матрицы с маленькими ячейками, чем у матрицы с крупными. Однако есть здесь и оборотная сторона - мелких светодиодов понадобится больше, чем крупных.

В связи с бурным развитием твердотельных источников освещения появились и другие конструктивные исполнения светодиодов. На рис. 2.148 показаны новые светодиодные корпуса, специально предназначенные для составления матриц. Особенно удобно компоновать маленькие квадратики - они могут быть вытянуты в линию или

Рис. 2.147. Светодиоды: а - 03,1 мм; 6 - 05,0 мм; в - 07,5 мм набраны в любую геометрическую фигуру. Данные светодиоды обладают очень высоким значением силы света - до 25 кд. Номинальный прямой ток также отличается в большую сторону по сравнению со стандартными значениями и составляет примерно 70-100 мА. Именно поэтому их называют в технической документации «Super-Flux LEDs», то есть светодиодами с большим световым потоком.

Интересным представителем нового поколения твердотельных источников света можно считать серию «Warm White LEDs» (светодиоды теплого белого света с цветовой температурой 3500 К), выпускаемую фирмой «Lumileds». Сюда входят светодиоды типа LXHL-BW03, LXHL-MWGC и LXHL-NWG8. При рабочем токе 350 мА световой поток составляет порядка 20 лм, 90 % светового потока распространяется в угле 220° (если рассматривать проекцию телесного угла, так как излучение светодиода не зависит от поворота вокруг оси максимального излучения). Светодиод LXHL-NWG8 предназначен для создания узкого пучка света в угле 20°, для этого исполнения значение яркости по оси максимального излучения - 200 кд. Производитель гарантирует сохранение 70% светового потока через 100000 ч непрерывной работы светодиода. К сожалению, его стоимость довольно высока и составляет $3,5.

Конструктивно светодиоды представляют собой круглую шайбу диаметром 8 мм, оснащенную двумя выводами. Однако для удобства

Рис. 2.148. Светодиоды в различных вариантах корпусов монтажа светодиоды также поставляются со специальной шестигранной пластиной, на которой нанесены контактные площадки.

Еще один интересный продукт предлагает фирма «Сгее»: ее серия Xlamp-7090 позиционируется на рынке именно как светодиодная лампа, хотя размеры ее не больше 9 х 7x5 мм и монтируется она поверхностным способом. Световой поток этого источника белого света при токе 350 мА достигает 45 лм, излучение лежит в угле 100°.

Бывают еще более мощные светодиоды с прямым током чуть больше 1 А. Характеристики светоизлучения этих светодиодов оказываются под стать протекающим токам. Но здесь обозначается существенная проблема, начинающая создавать ощутимые трудности при практическом применении таких источников света, - это рассеяние тепла. Крохотный корпус элемента при прямом падении напряжения 3 В должен рассеивать тепловую мощность около 3 Вт. Сразу становится понятным, насколько серьезной представляется эта проблема: самостоятельно светодиод не сможет рассеивать такую мощность - ему потребуется радиатор, и достаточно большой (по крайней мере, с габаритами на порядок большими, чем сам светодиод). Соответственно, корпус полупроводника должен быть таким, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт с радиатором.

Вскользь уже упоминалось о существовании светодиодных модулей. Сейчас рассмотрим их подробнее.

Светодиодные модули сегодня выпускаются многими зарубежными и отечественными фирмами в дополнение к традиционной светотехнической продукции: лампам накаливания, люминесцентным лампам и т. д. Обычно модули не имеют самостоятельной ценности: они встраиваются в светильники, рекламные щиты, конструктивные дизайнерские элементы. Наиболее типичные конструкции модулей мы рассмотрим на примере продукции фирмы «Vossloh-Schwabe».

Светодиодная линейка LEDline (рис. 2.149) представляет собой планку, на которой через равные промежутки установлены разноцветные или белые светодиоды. В частности, линейка WUM-228 WWW состоит из 66 светодиодов, объединенных в три группы по 22 элемента в каждой. Потребление тока каждой группой не превышает 80 мА, питается линейка от источника постоянного тока с напряжением 24 В. Средний световой поток оценивается в 36 лм - не так много для общего освещения, но для местного вполне достаточно. Также интересно будет изучить вид кривой силы света, показанной на рис. 2.149, 6. Естественно, вид кривой приведен в поперечном разрезе линейки.

Второй вид светодиодного модуля типа FloodLED представляет собой круг, в котором светодиоды размещены равномерно. Кстати, светодиоды здесь могут быть как разноцветными (тогда легко управлять цветом излучения), так и белыми. Эти модули пригодятся для установки в прожекторы наружной подсветки - кривая силы света этих модулей похожа на узкий лепесток. Модуль типа WUM-214 RGB в составе имеет 10 красных, 8 зеленых и 12 голубых светодиодов, создает световой поток 40 лм и питается от источника напряжением 12 В, потребляя 220 мА.

Одиночные светодиоды и светодиодные модули продаются преимущественно в магазинах, торгующих электронными компонентами, поскольку они в основном интересуют специалистов, радиолюбителей или тех, кто любит и умеет работать руками. Использование этих полуфабрикатов твердотельной оптики сопряжено с необходимостью конструктивно размещать их, подключать дополнительное оборудование, придумывать оформление в виде светильников. Но что предложить массовому потребителю, живущему по принципу «купил, поменял, забыл»? Потребитель привык покупать то, что ему привычно, что приспособлено к налаженной жизни. Приобрести баснословно эффективную суперлампочку, а потом мучительно долго подыскивать к ней светильник, потому что она не подходит ни к одному патрону в доме, - это примерно то же самое, что купить автомобиль под имеющийся ремень вентилятора. Светотехнические фирмы знают психологию покупателя и не спешат отказываться от привычных форм электрических ламп. Более того, они стремятся сделать так, чтобы новые светодиодные лампы были полностью совместимы со старыми по габаритам, конструкции корпуса и патрона, а также по своим электрическим характеристикам. Короче говоря, чтобы не создавать потребителю ненужных проблем.

Рис. 2.149. Светодиодная линейка LEDline:

а - внешний вид; б - кривая силы света

Так, лампы LEDlight, выпускаемые «Vossloh-Schwabe», полностью совместимы с «галогенками» типа MR-16 с цоколем GX5.3 или GU5.3, питаются напряжением 12 В и потребляют всего 1,9 Вт. Световой поток, излучаемый лампами, находится в диапазоне от 4 до 39 лм. Цвета излучения ламп: белый, красный, зеленый, голубой, янтарный, желтый. Угол излучения составляет 20°. Эта лампа не что иное, как модуль FloodLED, помещенный в корпус и оснащенный цоколем. Аналогичные лампы выпускаются многими другими фирмами, средняя стоимость - примерно $6.

Весьма и весьма похожи на обычные лампы накаливания LED-источники света типа «ball-bulb» (рис. 2.150): у них имеется круглый матовый баллон и цоколь Е27, что еще более роднит их с лампами накаливания. Однако баллон служит не для накачки инертного газа, а для обеспечения светорассеивания, равномерной засветки лампы. Питать LED-лампы можно от обычной сети 220 В 50 Гц, при этом они потребляют от 1 до 5 Вт (в зависимости от цвета и типоразмера).

И, наконец, о светодиодных прожекторах. Именно они все чаще и чаще начинают применяться в крупных городах для подсветки памятников архитектуры (создание так называемых световых карнизов), ночных фонтанов. Такие дизайнерские новшества весьма и весьма недешевы, но благодаря чрезвычайной насыщенности цветовых оттенков позволяют получать потрясающие результаты.

Для этих целей нужны специальные светильники, которые имеют возможность концентрировать световые лучи и при этом обеспечивать электробезопасную герметичность. Светотехнические фирмы выпускают очень большую номенклатуру светодиодных прожекторов.

Напоследок несколько слов о вспомогательном управляющем оборудовании для LED-ламп. Несложно запитать 3-4 светодиода, но когда их несколько тысяч, возникают сложные проблемы: как обеспечить необходимый питающий ток, как поддерживать колебания

Рис. 2.150. LED-источники света типа «ball-bulb»

напряжения в безопасных для полупроводников пределах, каким образом оперативно управлять цветовой гаммой полноцветных светильников? Задачи эти достаточно просто решаются с помощью специализированных источников питания и контроллеров-диммеров.

Внешний вид специализированных устройств не представляет собой ничего интересного: обычно это пластмассовые или металлические коробочки разных размеров либо печатные платы. Гораздо интереснее их электрические характеристики.

Разработанный «Лабораторией “Световод”» стабилизатор SPWR500 имеет номинальную выходную мощность 500 Вт и может применяться для обслуживания большого количества светодиодных прожекторов. Также выпускаются стабилизаторы мощностью 300 и 100 Вт. Эти изделия рационально применять в осветительных установках с централизованным питанием.

А вот примеры устройств питания для одиночных светильников. Серия «Xitanium LED Power Drivers» фирмы «Philips» в своем составе имеет устройства питания с максимальной мощностью 12,17, 25 и 40 Вт. Первые два исполнения - коробочки размером 120 х 30 х 22 мм, остальные - 77 х 83 х 34 мм. Питаются они от сети 220 В частотой 50 Гц, коэффициент полезного действия составляет примерно 80 %, максимальный выходной ток - до 1,7 А. Поскольку драйверы представляют собой источники тока, к ним совершенно спокойно можно подключать цепочки длиной от одного до восьми светодиодов.

Чтобы управлять яркостью и цветностью светодиодных светильников, разработаны специальные DMX-контроллеры. DMX - это специализированный стандартный протокол управления многоцветными светильниками. Изменение цвета здесь можно производить отдельно для каждого канала (каналом считается одиночный светильник), программно задавать цветовой сценарий, составлять его самостоятельно или пользоваться готовыми, заложенными в память контроллера. Популярность DMX-контроллеров многократно возрастает в связи с развитием так называемой цветодинамики, особого направления в искусстве, создающего светомузыкальные шоу. Цветодинамика возникла достаточно давно, ее решения широко используются на дискотеках и в клубах, но светодиодная техника позволила ей перейти на качественно новый уровень. Хочется верить - радиолюбители не останутся в стороне от LED-цветодинамики, возвратятся к конструированию светомузыкальных установок, как это было в 70-х годах прошлого века, когда использовали лампы накаливания.