Мощные светодиодные матрицы в освещении: устройство и особенности применения
С момента разработки первого практически применимого светодиода профессором Иллинойского университета Ником Холоньяком в 1962 году прошло ужу более полувека, однако революционное изобретение и по сей день претерпевает прогрессивные изменения, становясь все более совершенным и все более технологичным и полезным.
Электролюминесценция полупроводникового перехода, при рекомбинации электронов и дырок, положена теперь в основу сверхэконормичных источников света. Светодиодные, часто называемые LED (сокращение от английского light-emitting diode), лампы постепенно завоевывают устойчивую позицию на рынке современных энергосберегающих технологий освещения, как для бытовых нужд, так и для предприятий и даже для систем уличного освещения.
Светодиодные лампы превосходят по безопасности компактные люминесцентные лампы, в которых содержится ртуть, а лампы накаливания и вовсе становятся теперь пережитком далекого прошлого.
Главная причина, по которой происходит замещение ламп накаливания на светодиодные источники света, состоит в том, что лампа накаливания излучает в очень широком спектре, значительная часть которого просто не работает для освещения. Только 5 процентов всей потребляемой лампой накаливания мощности идут на освещение, а остальные – на нагрев.
Именно поэтому так широко представлены в последнее время на рынке очень мощные светодиоды и светодиодные матрицы (монолитные сборки), для замены индустриальных светильников. Светодиод излучает в довольно узком диапазоне спектра, например, оранжевый светодиод имеет длину волны в диапазоне от 590 нм до 610 нм.
К достоинствам светодиодных источников света относятся:
высокая световая отдача, сравнимая с натриевыми лампами (достигнуто значение в 160 люмен на ватт),
прочность и вибростойкость, длительный срок службы (до 100000 часов),
широкий диапазон для выбора световой температуры (от тёплого 2700 К до холодного 6500 К),
чистота спектра, обеспечиваемая самим устройством прибора.
Благодаря малой инерционности, свет включаются сразу на полную яркость, независимо от температуры окружающей среды, а включение-выключение не оказывает существенного влияния на срок службы светодиодов. Угол излучения может быть от 15 до 180 градусов.
Использование таких средств совершенно безопасно для человека в силу низкого напряжения питания, невысокой рабочей температуры, и конечно, экологичности, обеспечиваемой отсутствием ртути и фосфора, а также ультрафиолетовой части излучения в спектре. Следует, однако, помнить, что высокие температуры вредны для любого полупроводника, поэтому не следует допускать нагрева выше 60-70 градусов Цельсия.
Мощные светодиодные матрицы представляют собой сборки из нескольких кристаллов в одном блоке. Покрытые люминофором излучающие кристаллы соединены последовательно-параллельно для оптимизации потребляемых токов.
Плоская поверхность блока, представляет собой прозрачное пластиковое покрытие, которое позволяет установить дополнительную оптику для создания необходимой диаграммы рассеивания света. Матрицы снабжаются довольно толстой медной или алюминиевой подложкой с крепежными отверстиями для монтажа блока на теплоотвод.
Гладкая поверхность подложки обеспечивает надежный контакт блока с теплоотводом. Монтаж следует производить осторожно, чтобы не деформировать и не повредить корпус. На всю поверхность подложки следует нанести теплопроводящую пасту.
Сечение соединительных проводов не должно быть менее 0,5 квадратных миллиметров, а площадь теплоотвода на ватт должна составлять около 20-30 квадратных сантиметров при температуре окружающих предметов в 25-35 градусов Цельсия. Такие матрицы выпускаются на разную номинальную мощность, вплоть до 300 Ватт и более. Принципиально нет ограничений на размер матриц.
Усредненное значение рабочего напряжения для одного кристалла составляет около 3,4 вольт, а сила тока около 350 миллиампер. Эти значения могут немного варьироваться, однако превышать допустимое для конкретной сборки напряжение не следует, поскольку светодиоды имеют круто возрастающую вольт-амперную характеристику, и быстро сгорят, если ток превысит критическое для кристалла значение.
Применение радиатора с запасом по площади – лучшая страховка для долгой, надежной и безотказной работы светодиодной матрицы. Если ограничить ток через кристалл до 320 миллиампер, световой поток уменьшится на 3-5%, но при этом продолжительность жизни светодиодного кристалла увеличивается на порядок, практически условия его электроснабжения будут идеальными.
Источником питания для светодиодов может служить любой источник со стабилизацией тока нагрузки, а если стабилизации по току нет, то должен быть обеспечен значительный запас по превышению максимально допустимого тока. Изменение напряжения питания на 1 вольт может привести к возрастанию силы тока в два-три раза и следствием станет деградация кристалла (кристалл повредится – световой поток уменьшится) либо потемнение люминофора.
При проектировании комбинаций групп светодиодов в последовательно-параллельные соединения, предпочтительно последовательное соединение, позволяющие избежать высоких рабочих токов.
Если рабочая температура кристалла станет в течение продолжительного времени превышать оптимальное значение – люминофор под воздействием температуры потемнеет и потеряет свои функции. Потемнение и разрушение люминофора способны вызвать и прямые солнечные лучи, если будут продолжительно воздействовать на поверхность светодиода.
В конструкцию источника питания желательно включить и термореле, расположив его датчик на радиаторе светильника.
Если планируется применять светодиодную матрицу в зимнее время на улице, нужно учесть, что электролитические конденсаторы, в источнике питания, имеют ограничение по использованию при низких температурах, поэтому, лучшим решением будет размещение источника питания в помещении.
При использовании светодиодных матриц на улице в условиях низких температур, следует помнить, что КПД существенно возрастет, а световой выход увеличится на 10-20 процентов от номинала. А через 500-1000 часов работы световой выход в любом случае станет больше на 5-10 процентов, это особенность кристаллов называется «эффектом тренировки».
Особого внимания требует и выбор радиатора для уличного освещения, он не должен содержать лишних выступов, углублений и изгибов, чтобы естественная конвекция была максимальной, а мусор и грязь не могли бы скапливаться на его поверхности.
Блок питания светильника желательно расположить так, чтобы вся влага, скапливающаяся внутри светильника, ни в малейшей степени не воздействовала на элементы схемы.
С каждым годом технология производства мощных светодиодных матриц совершенствуется, производители ищут лучшие варианты люминофора. На данный же момент большинством производителей применяются желтые люминофоры, они являются модифицированными вариантами иттрий-алюминиевого граната, легированного трехвалентным церием.
Светодиодные технологии освещения эффективны, а конструкции из них довольно просты. Они нашли широкое применение в прожекторах, светильниках, светодиодных лентах, декоративной светотехнике и в простых фонариках. Их световая мощность достигает 5000 лм.
Сегодня светодиодные модули применяются для подсветки зданий, улиц, рекламных конструкций, тоннелей и мостов, фонтанов, они используются для подсветки офисных и производственных помещений, домашнего интерьера и элементов мебели, а также в различных современных дизайн-проектах.
В период праздников мощные светодиодные осветительные системы украшают фасады зданий, деревья, и другие объекты. Надёжность светодиодных источников света делает возможным их использование в труднодоступных для частой замены местах.
В настоящее время во многих странах мира светодиодное освещение стремительно вытеснило прочие. Многие города планируют в скором времени перейти на светодиодное освещение улиц.
