Светит, но не греет

Давно прошли времена, когда светодиоды представляли интерес только для ученых и производителей радиоэлектронной аппаратуры, применявших их в качестве светящихся индикаторов включения в сеть. Теперь каждый из нас встречается со светодиодами по нескольку раз в день, хотя чаще всего даже не подозревает об этом. Необычные осветительные приборы таят в себе массу возможностей. Где и с какой целью они используются в квартире и коттедже?

Не прошло и 130лет 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 Недавно появившись в свободной продаже, светодиоды смело вторглись в мир искусственного освещения, потеснив и лампы накаливания, и даже всемогущий в сфере рекламы неон 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. Иборолись. Примерно до середины 50-х гг.XXв. Но уже к концу этого десятилетия положение изменилось, и были начаты работы по увеличению яркости свечения. Ив начале 60-хгг. 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.

Смертвой точки процесс сдвинулся в начале 90-х, когда создали первый синий светодиод. Правда, чтобы увидеть его свечение, необходимо было воспользоваться мощным увеличительным стеклом. Ауж 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. Ипять-семь лет назад они впервые были использованы при создании наружной рекламы. Впоследние же год-полтора светодиоды стали массовым видом продукции, выпускаемой производителями Европы, Юго-Восточной Азии, США и России.

Как он устроен

Основу светодиода (Light Emitting Diode, или LED) составляет искусственный полупроводниковый кристаллик размером 0,30,3мм, 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. Водних 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"(-). Ксамому 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). Если верх выпуклый, получается линза, собирающая свет в более узкий пучок (угол 8-60). 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" ит.д.). Стоимость светодиодов зависит от цвета и колеблется довольно существенно. Если выбрать для примера наиболее простые устройства с диаметром колбы 5мм, то самыми дешевыми окажутся красные (от $0,01), а самыми дорогими- зеленые (от $0,15).

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. Адля этого его необходимо встроить в соответствующую электросхему. Дело в том, что, в отличие от лампы накаливания, светодиод нуждается Светодиодные модули, используемые для локального освещения и подсветки букв 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 2В, для синего и зеленого- 3-4В). Надо еще обеспечить определенную силу тока (для разных диодов его величина колеблется от 20 до 150мА), иначе светодиод быстро сгорит. Почему? Особенности действия p-n-перехода таковы, что изменение напряжения всего на 0,1В вызывает увеличение тока, проходящего через диод, в несколько раз. Изначит, 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. Врезультате 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.

Модули, в схеме которых имеются только ограничительные резисторы, наиболее дешевы ($0,5-2), но зато требуют источника питания, стабильно дающего, например, 12В. Если схема представляет собой так называемый электронный стабилизатор тока, модули обойдутся дороже ($1-5). Зато, во-первых, позволят использовать источник питания с напряжением 10-90В, во-вторых, не пострадают, даже если при подсоединении перепутать "плюс" с "минусом",- в схеме есть диодный мостик (как шутят специалисты, «дуракоустойчивая» схема).

Относительная новинка рынка- так называемые RGB-модули. Их собирают либо на основе трех диодов- красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue), отсюда и название,- либо на основе трехцветных диодов, внутри каждого из которых спрятаны кристаллы трех цветов. Последние устройства несколько дороже (от $1) и управляются Прожекторы на основе RGB- светодиодов, управляемые специальным контроллером специальным контроллером. Зато благодаря смешению названных цветов в разных пропорциях способны светиться практически всеми оттенками радужного спектра.

Спомощью единичных модулей можно создавать, например, светящиеся буквы для поздравительных надписей, орнаменты ит.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. Кней остается лишь подсоединить источник питания (отдельные светодиоды в цепи включаются последовательно, и в результате требуется более высокое суммарное напряжение- 12В). 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 ит.п.). Во втором случае система надежно оберегается от механических повреждений (например, американская фирма SUPER VISION INTERNATIONAL предлагает устройства, которые можно смело монтировать в подступенники лестниц). Помимо этого может быть предусмотрена защита таких моделей от влаги (IP65), что позволяет применять их для садовой и архитектурной подсветки. Недаром PHILIPS (Нидерланды) называет свои изделия LEDline2 не иначе как прожекторами. Понятно, что цена линеек зависит от количества светодиодов и их цвета ($8-25), а также наличия корпуса и степени его защищенности (до$1600). Кстати, из подобных систем, как и из модулей, можно собирать разнообразные геометрические фигуры и узоры.

Следующие по сложности- сборки в форме галогенных (МР11-МР16), а также привычных ламп накаливания (со стандартным цоколемЕ27). Ваналогах галогенок от 19 до 33 светодиодов (цена- $12-30), в "лампах накаливания"- 32-132 светодиода (цена- $12-150). Ив те и в другие встроена система стабилизации тока. Вобщем, бери и устанавливай на место старой лампы новую, светодиодную. Правда, света она столько же, сколько старая, не даст- светодиодную лампу мощностью 1-1,5Вт можно приравнять к лампе накаливания мощностью 10-20Вт (однако уже появились светодиодные лампы и с большей светоотдачей).

Готовые конструкции

Потолочный светильник Origami (PHILIPS)Начнем с того, что светодиоды стали широко использоваться в качестве подсветки в бытовой технике, например холодильниках. На основе светодиодов и светодиодных сборок производители выпускают широкий спектр готовых изделий. Например, PHILIPS предлагает встраиваемые в потолок RGB-светильники Origami (от 200), прожекторы для архитектурной подсветки LEDflood (от 200), уличные светильники на опоре Equinox (от 600), встраиваемую в пол или стены модель LEDuplight. Вассортименте компании SUPER VISION INTERNATIONAL- большой выбор прожекторов как для архитектурной подсветки (SaVi Flood), так и подводных (SaVi Spot). Но не надо думать, что на рынке присутствуют только иностранные производители. Так, довольно широкий спектр прожекторов для архитектурной (серии Smart-RGB и «Москва») и подводной (серия «Орел») подсветки, наборы для создания «звездного неба» и многое другое предлагает, например, «ЛАБОРАТОРИЯ «СВЕТОВОД». Кстати, ее защищенные (IP68) подводные прожекторы вполне могут использоваться и в условиях сада.

Прожектор
(DECO NEON) со спиральным расположением светодиодовОднако перечисленными приборами предложения рынка не ограничиваются. Впродаже сейчас имеется огромное количество фонариков, от карманных до наголовных ($1,5-100), елочных (и не только) гирлянд, садовых светильников, не требующих подключения электроэнергии (имея встроенную солнечную батарею, днем они заряжаются от солнца), плавающих фонарей-шариков для бассейна (они тоже заряжаются от солнца) и празднично подмигивающего покупателям едва ли не из каждой витрины дюралайта- прозрачных "трубок", внутри которых светятся те же самые диоды ($3-15 за 1м длины). Все эти изделия поступают к нам из Китая и стран Юго-Восточной Азии. Говоря о китайской продукции, мы должны отметить, что среди них есть и качественные устройства (их выпускают фирмы NEON KING, G-NOR, SANLIGHT, NEON-NEON, DECO NEON, GENIOR NEON KING), обеспеченные как минимум годовой гарантией, и не очень качественные (продавцы стараются даже не упоминать названий их мелких производителей).

Кстати, о дюралайте. Он применяется не только для витрин магазинов. Сего помощью можно украсить к празднику фасад дома, создав на нем рисунок, или просто выделить контуры либо отдельные элементы здания. Не хочется делать рисунок самому- купите готовую декоративную композицию. Большое их разнообразие предлагает, например, отечественная фирма "ИТОГ" (цена- от $9 до $400).

Аргументы «за» и «против»

Аккумулятор на 55Ач обеспечивает до 12суток работы прожектора мощностью 4,5ВтКак и всякие приборы, светодиоды имеют плюсы и минусы. Кнесомненным плюсам относится то, что преобразование электроэнергии в свет происходит практически без потерь и при минимальном потреблении энергии (напомним: для работы диоду необходимы напряжение порядка 2В и ток 20мА). 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. Аглавное- светодиод практически не нагревается (исключение составляют мощные модели последнего поколения, но и те греются на порядок меньше ламп накаливания), а срок его службы достигает 100тыс.ч. То есть почти в 100 раз больше, чем у лампы накаливания, и в пять-десять раз больше, чем у люминесцентной лампы. Кэтому следует добавить высокую механическую прочность и исключительную надежность. Инаконец, 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. 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

Плитка Light Tile (VILLEROYBOCH) снабжена светодиодными светильниками с ресурсом непрерывной работы 100тыс.ч. Как минимум 10лет они не будут требовать технического обслуживанияТеоретически светодиод может работать без перерыва от 10 до 100тыс.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 40-50лет. 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, ит.д. Врезультате, например, для изделий из Китая гарантировать можно пять лет эксплуатации.

Сзападными производителями картина принципиально иная- они дают гарантию не на светодиоды, а на все изделие целиком. Изначит, прослужит оно существенно дольше. Правда, и обойдется в два-три раза дороже китайского. Что делать- за качество приходится платить.

Чем обеспечивается такое качество? У каждой фирмы секрет свой, и разглашают они его с большой неохотой. Например, одна из нидерландских компаний проводит так называемый отжиг светодиодов: их выдерживают в печи при температуре 60С примерно трое суток. После этого диод более стабилен в работе и обеспечивает устойчивый спектр свечения. Правда, линейка таких приборов стоит 85.

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. Взависимости 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 +40С). Чем ниже температура, тем дольше живет светодиод. Например, где-нибудь на севере (при -20...-40С) он сможет работать почти вечно (при такой температуре кристалл практически не деградирует). Авот если установить его на печной трубе, где температура постоянно высока (60- 80С), то проживет он примерно год. Всауне же, где температура доходит до 120С, его хватит всего на несколько суток. Ижаловаться на некачественный товар бесполезно- производитель по состоянию кристалла легко определит, что условия эксплуатации нарушены.

Где применять светодиоды

Встраиваемые в потолок светильники на светодиодах призваны заменить аналогичные галогенныеСветодиоды 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 (55Ач), 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. Вжилище 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.

Впоследних 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.

"АРТ-ФОТОНИКС"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, Герметичный светящийся шар со встроенной солнечной батареей, аккумулятором и автоматическим выключателем подсветки украсит как бассейн, так и альпийскую горку создавать световые карнизы ит.д. При этом подсветка бывает как белой, так и цветной, и даже меняющейся, например в зависимости от погодных условий и температуры на улице (именно такую задачу в свое время пытался решить знаменитый итальянский дизайнер Карло Пазолини, что удалось ему с величайшим трудом). Аможно 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.Азначит, лучше располагать их так, чтобы светящаяся поверхность была обращена вниз.

Инаконец, о подсветке водоема и сада. При погружении в воду светодиоды насыщенных цветов «ИТОГ» 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. Азимой, 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? Прежде всего там, где невозможно или слишком дорого обслуживать осветительные приборы (труднодоступная подсветка лестничных ступеней, скрытая под защитным стеклом подсветка стены за кухонной столешницей, встроенные в наружные стены зданий светильники ит.п.). Аеще там, где нужно жестко экономить электроэнергию (например, если на ваш коттедж выделено всего 3кВт электрической мощности, а подсветить его фасад и окружающий ландшафт очень хочется) или важна высокая вандалоустойчивость (светильники в специальном исполнении в подъездах, на лифтовых площадках, над въездными воротами). Впрочем, всего и не перечислить.

Редакция благодарит фирмы PHILIPS, «АРТ-ФОТОНИКС», «ИТОГ», «ЛАБОРАТОРИЯ «СВЕТОВОД», «ПОЛИТЕКС» за помощь в подготовке материала.

• Источник: Журнал «Идеи вашего дома»№93