Вход/регистрацияПоиск по сайту
Сделай САМ!

2014-10-21 21:37:36        Автор: Damsky



Обзор бытовых лампочек освещения и особенности их использования. часть 2 (галогенные и светодиодные лампы)

  
По - настоящему энергосберегающий источник света
   В прошлый раз мы подробно рассмотрели принципы работы и область применения лампочек накаливания и активно вытесняющих их компактных люминесцентных энергосберегающих ламп. На этом конечно же варианты организации освещения помещений и дворовых территорий не исчерпаны. Сегодня мы рассмотрим еще два популярных источника света — высокотехнологичные светодиодные и менее технологичные но более популярные галогенные лампы.

    В прошлый раз мы отметили, что правительство РФ стимулирует использование в России энергосберегающих ламп. На люминесцентных лампах свет клином не сошелся — под термин «энергосберегающая» попадают любые лампы, что расходуют меньше энергии и генерируют больше света, чем лампы накаливания. В данную категорию попадают светодиодные лампы, рассмотрим их поподробнее.

    Итак, что же представляют из себя светодиодные источники света? Как можно догадаться из названия — они генерируют свет из светодиодов. Светодиод — это есть ничто иное как полупроводниковый диод (элемент схемы, пропускающий ток только в одном направлении) излучающий фотоны при прохождении через него электрического тока. Конструктивно сей девайс, грубо говоря, состоит из двух «спаянных» в плоскости полупроводников (полупроводник — это такой материал, который занимает по своим свойствам промежуточное место между проводящими электрический ток проводниками и не проводящими его диэлектриками) p и n типа и работает за счет свойств так называемого p-n перехода — участка на границе полупроводников. Как мы помним из уроков химии и физики, полупроводники бывают двух типов — электронные и дырочные. Электронные полупроводники проводят ток (направленное упорядоченное движение заряженных частиц) за счет движения отрицательно «negative» заряженных свободных электронов (стабильных, отрицательно заряженных элементарных частиц) коих в этом материале в избытке отсюда и название полупроводники n-типа. Дырочные же как несложно догадаться — за счет положительно заряженных «positive» дырок (незаполненных валентных связей, которые проявляют себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона) коих в данном материале много больше чем свободных электронов — полупроводники p — типа. Разные типы полупроводников можно получить из одного материала путем легирования (внесения структурных дефектов или небольших количеств примесей в исходный материал). Например для создания желтого светодиода применяется фосфид галлия (GaP), при легировании этого соединения теллуром — получается полупроводник n-типа, при легировании цинком — p — типа.   

Устройство светодиода

      При соединении этих двух типов полупроводников электроны и дырки начинают двигаться навстречу к друг другу в область p-n перехода стремясь перетечь из полупроводника где их избыток, в полупроводник где их недостаток — это явление называется «диффузный ток». При протекании электрического тока через светодиод направлении от полупроводника n-типа в полупроводник р-типа (сей процесс называется прямым смещением) избыточные электроны переходящие из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа рекомбинируют с дырками, говоря по простому - свободные носители заряда (электроны и дырки) «исчезают» в результате столкновения зарядов противоположных знаков. В момент столкновения происходит переход электрона из зоны проводимости в валентную зону (смена энергетического уровня) с выделением энергии в виде фотонов - элементарных частиц электромагнитного излучения, но не всегда, иногда энергия столкновения передается другому электрону, который переходит на высоковозбуждённый уровень в зоне проводимости. Это высоковозбуждённое состояние обуславливает колебания кристаллической решетки материалов полупроводника, приводя к выделению тепла светодиодом.

      В зависимости от типа исходного материала полупроводников длина волны излучения может быть разной. Играясь с материалами можно получать различные цвета излучения (от красного до пурпурного) в пределах видимой области спектра, а также в невидимых ультрафиолетовом и инфракрасном.

Светодиод в натуре

      Полупроводниковый кристалл (чип) монтируется на керамическую подложку, и накрывается сверху силиконовой линзой для защиты кристалла от внешних воздействий. Так как полупроводники имеют свойство при повышении температуры увеличивать свою проводимость, то кристаллы необходимо охлаждать, для этого к подложке монтируют теплоотвод. К кристаллу монтируют электрические контакты и все вышеописанное добро запечатывают в корпус — получается светодиод. Светодиод является потребителем постоянного тока и требует постоянного стабилизированного напряжения — поэтому внутри цоколя лампы стоит микросхема - AC/DC преобразователь. Яркость и тепловыделение светодиода зависит от величины протекающего через него тока. Чем больше тока тем выше яркость и тепловыделение. Особенность светодиодов состоит в том что невозможно получить два идентичных кристалла со 100% совпадающими характеристиками - у каждого произведенного кристалла прямое напряжение смещения, необходимое для процесса рекомбинации, «гуляет» в небольшом диапазоне (около 0,4 В). Небольшие изменения прямого напряжения приводят к значительным изменениям протекающего через светодиод тока и соответственно влияют на яркость кристалла. Поэтому для каждого кристалла необходимо подстраивать напряжение смещения, прилагаемого к светодиоду для получения одинакового светового потока с каждого кристалла. Самый простой способ достичь одинакового свечения кристаллов, состоит в индивидуальном подборе резистора, ограничивающего подаваемый на светодиод ток. Но вот при промышленном серийном производстве ламп, замумукаешься подбирать под каждый кристалл резистор. Чтобы светодиод выдавал заявленный производителем световой поток со светодиода при серийном производстве, в корпус светодиодной лампы встраивается серийная — одинаковая для всех ламп электронная схема - «драйвер», в задачу которой входит поддержание требуемого тока через светодиод. Логично, что управляя драйвером, можно регулировать ток на светодиод и соответственно управлять яркостью лампы — т.е. ее диммировать.
        Казалось бы вот она — готовая лампа — но нет, это еще не все. Нюанс состоит в том, что в природе не существует материала, излучающего при рекомбинации белый свет. Красный, синий, зеленый, желтый — пожалуйста, но не белый! Инженеры решили задачу двумя способами — оба применяются.
          Первый — смешивание цветов в одной точке — берутся синий, красный и голубой светодиоды и посредством смешивания цветов в разной пропорции получается нужный нам цвет свечения. Пропорции смешивания могут управляться драйвером - получаем настраиваемую лампу освещения. Минус этого подхода состоит в том, что подобрать «живой» цвет лампы достаточно проблематично — выглядит он не совсем естественно, ну и рост сложности схемы тянет за собой рост вероятности отказа и цену на продукт.

Схема светодиодной  цветной лампы Суть В натуре

      Такой подход применяется в лампах с настраиваемым цветом освещения, во всех остальных случаях производители предпочитают второй.
     Второй вариант — более дешевый. Для получения белого цвета используется кристалл, излучающий в УФ диапазоне или кристалл генерирующий синий цвет. Поверх кристалла напыляется либо белый (в первом варианте) либо желтый (при смешивании синего и желтого цветов получается белый) люминофор (что это такое, и как это работает мы рассматривали на примере люминесцентных ламп в предыдущем обзоре). При таком исполнении лампа получается дешевле.

Белый светодиод

 

       Еще один нюанс состоит в том — что светодиоды — ламбертиановский источник света. Не вдаваясь в подробности диаграммы Ламберта скажем так - большинство фотонов излучаемых кристаллом уходит перпендикулярно его поверхности. В остальных направлениях количество фотонов уменьшается с отклонением от вектора 90 градусов. Говоря еще проще — светодиод — точечный направленный источник света. Чтобы осветить комнату — нам не нужно направленное излучение — нужен рассеянный свет. Для решения данного вопроса производители светодиодных ламп в одну лампочку напихивают кучу светодиодов под разными углами, либо помещают их на одной плоскости, но рассчитывают для каждого преломляющую линзу для управления потоками света. В итоге рост количества светодиодов увеличивает общее тепловыделение лампы. Оно конечно в разы меньше чем у лампы накаливания, но повышение температуры свыше 60 градусов по Цельсию для светодиодов весьма отрицательно сказывается на их здоровье, поэтому корпус светодиодной лампы обычно представляет собой радиатор охлаждения. Причем если лампа очень мощная — то к этой конструкции прифигачивается вентилятор, что естественно отрицательно сказывается на ее габаритных показателях.

Нам нужно больше светодиодов Много больше...

     Итак мы имеем в итоге следующие плюсы: светодиодная лампа — очень экономичный источник света (потребление в районе 3 Вт), исключительно долгий срок службы (порядка 50000 тыс. часов против 25000 у люминесцентных), лампа обладает высокой светоотдачей (самой высокой среди ламп), конструкция лампы не подразумевает компонент приходящих в негодность при частом включении и выключении — поэтому можно юзать с датчиками движения (хотя это зависит от начинки лампы и конструкции датчика движения — некоторые модели могут не гаснуть до конца или мигать при состоянии «выключено»), ставить в комнатах где свет часто включают и выключают. Тепловыделение лампы не значительно — корпус обычно нагревается градусов до сорока — об рабочую поверхность тяжело обжечься и лампу можно использовать рядом с легковоспламеняющимся материалами. Лампа не содержит ни ртути, ни других ядовитых веществ — можно смело бить дома и на помойках. Лампа хорошо себя ощущает при низких температурах окружающей среды.
    Теперь немного о минусах. Так как светодиод — световой источник, потребляющий постоянный ток, то как и для люминесцентных ламп существует проблема мигания при использовании их совместно с выключателями с подсветкой. Проблема актуальна для дешевых китайских ламп с простенькими драйверами и лечится всеми теми же методами, что и для лечения мигания люминесцентных ламп, что мы рассмотрели в прошлый раз.
     Вторая беда — диммирование — дешевые драйвера не умеют работать со стандартными димерами для ламп накаливания, такое диммирование доступно лишь небольшому количеству моделей ряда ведущих производителей — они используют навороченные драйвера и стоят в разы дороже китайских собратьев. Китайские кулибины, тоже конечно, предлагают типа «дешевые» лампы с возможностью диммирования обычным димером для ламп накаливания — но как показывает практика — они мерцают и живут недолго — не стоит тратить на них деньги. Дешевые варианты есть конечно — когда димер реализован в драйвере, управляемым либо отдельным проводом, либо с пульта дистанционного управления, прилагаемого к лампе.
      Третья особенность — необходимость организации правильного охлаждения лампы — если лампа работает в условиях плохого теплоотвода — велика вероятность перегрева светодиодов (которым много не надо) с последующим выходом их из строя. Также в большинстве ламп отсутствует хоть какая то влагозащищенность корпуса — что может привести к выходу лампы из строя при эксплуатации в среде с высокой влажностью или на улице — эта в основном беда китайских и российских ламп. Поэтому в условиях сауны — лампы живут несчастливо и недолго если хозяин не придумает как их защитить от влаги и охладить. Для организации уличного освещения в магазинах продаются специальные светодиодные светильники с повышенными требованиями к влагозащищенности и охлаждению.
     И наконец самый большой на текущий момент минус светодиодных ламп — цена. Она конечно с развитием технологий неуклонно падает, но не настолько чтобы скинуть с пьедестала компактную люминесцентную лампу. Крупнейшие производители ламп, в том числе российские, подконтрольные РосНано, непрерывно в процессе конкуренции меряются болтами выдавая раз за разом все более дешевые и надежные светодиодные лампы, так что можно сказать смело - на текущий момент это самый перспективный источник света, возможно в недалеком будущем мы все на него перейдем.

      

Галогенная лампа под цоколь E27 защищена колбой - а ля лампа накаливания

    Следующий популярный тип ламп, который хотелось бы рассмотреть — это галогенные. Что же представляет из себя представляет галогенная лампа? Это по сути дела модернизация обыкновенной лампы накаливания. В обыкновенной лампе при горении вольфрамовой нити происходит испарение атомов вольфрама в колбу, которые оседают на ее менее нагретых поверхностях и конденсируются. Постепенно лампа чернеет, а вольфрамовая нить перегорает и лампа подыхает. Если же колбу наполнить инертным газом содержащим незначительное количество галогенов (химических элементов 17-ой группы таблицы Менделеева), таких как Йод или Бром, вольфрам испаряясь вступает в химические соединения с ними и циркулирует в колбе не оседая на ее поверхностях. При воздействии высоких температур вблизи спирали это соединение вновь разбивается на исходные составляющие, и атомы вольфрама, освободившись от галогенов, благополучно оседают либо обратно на вольфрамовую нить либо рядом весьма продлевая ей жизнь. При увеличении давления в колбе и использования тяжелых инертных газов нити еще тяжелее испаряться ибо далеко частицы вольфрама не улетают, а так как стенки лампы не чернеют возможно уменьшение её габаритов.
     В результате получаем следующие плюсы: срок жизни галогенной лампы выше чем у лампы накаливания, возможно повышение рабочей температуры вольфрамовой нити (получаем более яркое свечение), есть возможность уменьшить габариты колбы. 
    В последнее время на внутреннюю поверхность колбы лампы может наноситься не пропускающее инфракрасное (тепловое) излучение покрытие, которое переотражает его обратно на спираль, что уменьшает тепловыделение лампы и энергию потребления.
      Учитывая вышеизложенное можно сказать, что галогенная лампа обладает всеми достоинствами лампы накаливания, такими как работа с димерами, выключателями со светодиодами и датчиками движения, имеет нечувствительность к частым включениям, живучесть при перепадах напряжения (ну и соответственно чувствительность к ним — моргают однако), широкий диапазон температур применения (нечувствительны к высоким и низким температурам), работают во влажной среде — хороший вариант для парилки, возможность работы с источниками питания 12В и 24В (что дает дополнительные бонусы при эксплуатации в помещениях с высокой влажностью, где присутствует вероятность поражения электрическим током) цена и габариты при меньшем потреблении энергии.
      Минусы следующие:
 Первый — рабочую колбу лампы нельзя трогать руками, да и вообще всячески загрязнять так как на поверхности колбы из за высоких температур загрязнения выгорают, заставляя поверхность колбы неравномерно нагреваться. В итоге это приведет к ее разрушению. Для ламп под цоколь Е27, рабочая колба спрятана внутрь стандартной колбы лампы накаливания, в итоге прикоснуться до нее нельзя в процессе завинчивания оной в цоколь.
Второй — высокие температуры нагрева рабочей поверхности — лампочку лучше не использовать рядом с легковоспламеняющимися материалами.
Третий — при работе с димером надо помнить, что при недостаточном прогреве лампы (во время убавления яркости на минимум) соединение галоген-вольфрам не так активно распадается на составляющие рядом с недостаточно нагретой нитью, что в итоге ведет к наполнению колбы этими соединениями и выпадению их в осадок. Поэтому периодически надо лампу «прочищать» запуская на полную мощность на некоторое время.
Четвертый - энергоэффективность данной лампы все равно в несколько раз меньше чем у люминесцентной.

Модельный ряд

     На этом обзор ламп применяемых в быту завершим, подытожим все вышесказанное в таблице.

 

Применение/тип лампы

Накаливания

Люминесцентная

Светодиодная

галогенная

Экономичность

низкая

Высокая при правильной эксплуатации

высокая

Средняя-низкая

Светоотдача

низкая

высокая

высокая

средняя

Цена

низкая

Средняя - высокая

Высокая - Очень высокая (хотя у китайцев возможно приемлемая)

Средняя - низкая

Долговечность

низкая

Высокая при правильной эксплуатации

высокая

Средняя - низкая

Эксплуатация при низких температурах

ок

Зависит от модели

ок

ок

Эксплуатация при высоких температурах

ок

Возможна

Нежелательно — плохо светодиодам

ок

Эксплуатация при высокой влажности

ок

Не желательно, зависит от модели

Не желательно, зависит от модели

ок

Эксплуатация с выключателем с подсветкой

ок

Возможна

Возможна

ок

Эксплуатация с датчиком движения

ок

Возможна, зависит от модели

Возможна, зависит от модели

ок

Живучесть при перепадах напряжения

Не любит

ок

ок

ок

Диммирование

ок

Возможно, зависит от модели

Возможно, зависит от модели

ок

пожаробезопасность

низкая

Средняя-высокая

высокая

низкая

Экологичность

ок

плохо

ок

ок

Отношение властей

Плачевное - скоро пропадет с прилавков

В тренде

За ней будущее

пока еще не под запретом

 

    Надеемся данный обзор поможет вам сориентироваться при выборе ламп для организации освещения своего дома или дворовой территории.

 

 




Комментарии к теме (0)
Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи



Комментарии отсутствуют