Светодиодное освещение — нюансы

Разберемся со светодиодным освещением, ведь вскоре эти лампы будут установлены в большинстве светильников внутри и возле наших домов.

По сравнению с привычными бытовыми лампами — с нитью накаливания и люминесцентными — о светодиодном электрооборудовании большинству из нас известно очень мало. Нет, обычные светодиоды присутствуют в быту давно, сообщая нам о включении бытовой техники или сверкая разноцветными огнями на новогодней ёлке, однако разве можно ими освещать помещение или улицу — светодиоды ведь так малы?

Затраты электроэнергии меньше — света больше
Как долго прослужит светодиодная лампа
Виды светодиодных светильников
Выбор светодиодной лампы

Любые электрические светильники преобразуют поступившую к ним электроэнергию в световое излучение, видимое человеческим глазом и измеряемое в люменах. Чем выше световая отдача, тем более эффективны данные светильники.

Сравним светодиодные лампы и «лампы Ильича». Двумя десятилетиями ранее для улучшения освещённости домочадцы заменяли, к примеру, 100 Вт лампу с нитью накаливания на более мощную 150–200 ваттную или же устанавливали светильники с несколькими патронами, в любом случае увеличивая потребление электроэнергии.

Соотношение между потреблённой электроэнергией и световой отдачей у ламп накаливания составляет — 1 ватт порядка 12 люмен. Повысить светоотдачу таких ламп можно лишь путём повышения температуры нагрева вольфрамовой нити, однако это серьёзно понизит их и без того короткий срок службы — обычная 100 Вт лампа не может светить больше 1000 часов, т. к. нагрев разрушает нить накаливания.

Единственный способ увеличить срок службы — понизить и без того низкий КПД, не превышающий 15%. К примеру, понизив значение КПД до 4% путём уменьшения потребляемого лампой напряжения, можно увеличить срок её службы тысячекратно — но светить такая лампа будет совсем тускло.

Современные светодиодные светильники на каждый потреблённый ватт электроэнергии выдают не менее 100 люмен, интенсивность генерируемого ими светового потока превышает аналогичные показатели ламп накаливания примерно в 10 раз.

К примеру, светодиодные прожекторы более эффективны и менее энергозатратны, чем их аналоги с лампой накаливания. Световая отдача светодиодной лампы зависит от типа и температуры нагрева светодиодов, характеристик блока питания, а также от её конструкции — оптические и светорассеивающие элементы, расположенные на цоколе лампы.

Для достижения максимальной светоотдачи оснащения лампы только лишь высококачественными светодиодами недостаточно. Производитель должен выстроить наиболее эффективный тепловой режим внутри неё — если температура светодиодов в активной области (зона рекомбинации электронов на поверхности кристалла) возрастает на 10 °С, то световой поток такой лампы понизится на 2,5%.

Другими словами, генерирующая световой поток в 100 люмен светодиодная лампа, с нагревом в зоне рекомбинации электронов около 25 °С, после установки в закрытый светильник может разогреться в активной зоне до 100 °С — интенсивность её светового излучения в этом случае снизится до 80 люмен.

Направленность светового излучения. Лампы накаливания и люминесцентные, будучи установленными в светильники, генерируют равномерный световой поток по всем направлениям — сфокусировать такое освещение в одном направлении можно лишь при помощи абажура или рефлектора.

Световое излучение светодиодов всегда направлено лишь в одну сторону, поэтому светодиодные лампы оснащают оптическим элементом (вторичной оптикой), изменяющим линейное направление светового потока от каждого светодиода на требуемый угол, что позволяет получить некоторое рассеивание света.

Линейность светового потока, производимого светодиодной лампой, является одновременно достоинством и недостатком ламп такого типа — с одной стороны, люмены не растрачиваются попусту и освещают лишь необходимые зоны, что позволяет установить в светильники лампы меньшей мощности.

С другой стороны, к построению освещения светодиодными лампами нужно отнестись особенно ответственно, ведь неверное размещение осветительных приборов приведёт к образованию излишне засвеченных и слишком тёмных участков в помещении.

Различные производители говорят о сроке службы в 30 000–100 000 часов, т. е. в первом случае лампа прослужит более 8 лет, во втором — свыше 27 лет, при условии ежедневной эксплуатации лампы в течение 10 часов. Как уже упоминалось выше, срок службы светодиодных светильников зависит от аналогичных характеристик светодиода — рассмотрим их подробнее.

Первым критерием, влияющим на срок работы светодиода, является качество светодиодного кристалла, однородность его структуры. В процессе эксплуатации кристалл деградирует по двум причинам — в результате множественных нарушений кристаллической решётки и из-за миграции атомов металлов, образующих электроды.

а) конструкция обычного светодиода: 1 — анод; 2 — катод; 3 — проводник; 4 — кристалл; 5 — пластиковая линза б) конструкция мощного светодиода: 1 — корпус; 2 — проводник; 3 — теплоотвод; 4 — кристалл; 5 — линза; 6 — катод

В тех участках кристалла, где кристаллическая решётка понесла наибольшие повреждения, электроэнергия потребляется только с выделением тепла, т. е. без светового излучения. Точные причины возникновения данного дефекта не установлены, предполагается, что их вызывает статическое электричество.

Атомы металлов, проникающие в структуру кристалла из электродов, вызывают токи утечки — движение тока в кристалле по металлическим включениям на атомном уровне, свет при этом не производится. При повышении силы тока и температуры процесс проникновения атомов металлов в кристалл светодиода резко возрастает, в то время как световое излучение и напряжение падают — такой светодиод быстро выйдет из строя.

Этот недостаток свойственен недорогим «разогнанным» светодиодным лампам, имеющим большую яркость при недостаточно эффективном отводе тепла — недобросовестные производители предпочитают таким, наиболее дешёвым способом повысить световые характеристики своей продукции за счёт относительно короткого срока службы изделия.

Однако в повышении температуры внутри светодиодной лампы и, как следствие, в быстром износе, часто виноват не только производитель, но и пользователь. Радиатор, отводящий тепло от светодиодов, должен отдать его окружающему воздуху либо стене, к которой крепится светильник.

Если же установить несколько светодиодных ламп в подвесной потолок или закрыть их колбу близко прилегающим материалом, то даже самая качественная лампа быстро перегреется ввиду недостатка пространства для отвода тепла. Кстати, в подвесной потолок правильным будет устанавливать светодиодные потолочные светильники Армстронг, выполненные в виде панелей.

Некачественный отвод тепла в процессе работы светодиодной лампы также влияет на покрывающий светодиодный кристалл люминофор и на оптическую систему, встроенную в светодиод. Признаком износа люминофора становится синеватый оттенок светового излучения, вызванный преобладанием непосредственного излучения кристалла. Оптическая система, выполняемая в основном из силикона либо пластмассы, утрачивает прозрачность, что понижает светоотдачу светодиодов.

Следует отметить, что светодиоды четырёх крупнейших мировых производителей в этой области, а именно японской компании Nichia, голландской Philips, американской Gree и немецкой Osram, обладают наиболее высокими эксплуатационными характеристиками и долгим сроком службы.

В отношении срока службы светодиодных светильников необходимо отметить, что генерировать световое излучение они могут в течение нескольких десятилетий, однако интенсивность этого излучения по описанным выше причинам будет постепенно понижаться. По прошествии 25 000 часов (при работе 10 часов в сутки — 6,5 лет) эксплуатации, интенсивность светового потока понизится на 25–30%, что, впрочем, соответствует требованиям современных нормативов.

В зависимости от своего назначения, светодиодные светильники подразделяются на уличные, производственные и бытовые.

Уличные светодиодные светильники, излучающие белый свет, предназначены для освещения дорог, парков и различных архитектурных сооружений, они не имеют заменяемой лампы. Их корпус служит двум целям — обеспечению максимальной защиты от пыли и влаги, а также выполнению функции радиатора, отводящего тепло в атмосферу.

Светильники для офисов (белый свет), объектов жилищно-коммунального назначения и производственных цехов также не имеют каких-либо сменных элементов и практически не нуждаются в обслуживании. Они отличаются от уличных светильников тем, что соответствуют более жёстким требованиям, предъявляемым к качеству освещения, стабильной цветопередаче и эксплуатационным условиям.

Бытовые светодиодные светильники (жёлтый свет) имеют невысокую мощность (до 20 Вт), их конструкция и характеристики отвечают ряду требований по качеству освещения, пожаро- и электробезопасности, они отличаются декоративным видом. Как правило, бытовые светильники оснащены сменными светодиодными лампами. Эта группа светильников наиболее разнообразна по своей конструкции и месту установки — их можно встраивать в потолок, пол, стены, предметы мебели, подвешивать, использовать для настольного освещения, в качестве ночника, точечной подсветки и т. д.

Срок жизни светодиодной лампы зависит от ряда характеристик, заложенных в неё при производстве, поэтому наименование производителя имеет важное значение при выборе — т. е. только ценовой критерий не определяет её качество. Перейдём к выбору — как не совершить ошибки, приобретая вовсе не дешёвую светодиодную лампу?

Привычный критерий выбора — мощность лампы в ваттах — в отношении светодиодных ламп не совсем показателен, т. к. сообщает лишь её энергопотребление за единицу, а нам необходимо знать величину светового излучение.

Световое излучение, измеряемое в люменах (лм), характеризует способность данной лампы освещать комнату. В ряде случаев производитель «забывает» указать величину светового потока на упаковке лампы, приводя лишь сравнение с лампой накаливания определенной мощности — мол, эта светодиодная лампа полностью ей соответствует по качеству освещения. Предлагаю воспользоваться нижеприведенной таблицей, позволяющей определить связь светового излучения с мощностью лампы.

Казалось бы, этих данных достаточно, чтобы осуществить выбор светодиодной лампы, однако это не так — следует учесть, что светодиодные лампы излучают узконаправленный свет, в отличие от люминесцентных и ламп с нитью накаливания. Производители расширяют угол освещения лампы при помощи оптического элемента, указывая угол расходимости светового пучка на упаковке.

Если угол составляет 120°, то это означает следующее — излучаемый лампой световой поток уменьшается вдвое по мере отклонения потока света от центральной оси на 60°. Диаграмма направленности светового излучения при расходимости 120° достаточно широка — пространство под таким светильником будет освещаться на большой площади практически с одинаковой яркостью. Светодиодные лампы с углом расходимости от 20° до 30° подходят лишь для зонального (акцентного) освещения, для обычного освещения комнат они не годятся.

Отлично, подумаете вы, следует выбирать именно светодиодные лампы со 120° расходимостью — как бы ни так! Широкоугольное освещение создаёт другую проблему — высокую яркость под широким углом, что может вызвать дискомфорт для глаз домочадцев. По этой причине лампы с широким углом расходимости можно устанавливать лишь в потолочные и настенные светильники, в которых соблюдено требование в отношении защитного угла.

Поясню: защитный угол светильника представляет собой наибольший угол, под которым сам источник света (лампа) не попадает в прямую видимость человеческого глаза, т. е. не засвечивает глаза. Защитный угол в светильниках создаётся при помощи решётчатых экранов, выставляемых на некоторой дистанции от колбы лампы.

Следующий показатель — цветовая температура или, говоря иначе, цветовой оттенок светового излучения, генерируемого данной лампой. Если с лампами накаливания всё было просто — их свет был только жёлтым, то в случае люминесцентных и светодиодных ламп это не так. При выборе лампы обязательно обратите внимание на температуру цвета, указанную на упаковке в градусах по Кельвину:

От 2700 до 3500 °К — так называемый «тёплый» свет с жёлтым оттенком, подобный световому излучению от ламп накаливания. При этом лампы с цветовой температурой 2700 °К излучают выраженный жёлтый свет, но их световой поток не такой сильный, а имеющие цветовую температуру 3500 °К отличаются более мощным световым излучением с меньшими оттенками жёлтого (они производят скорее белый свет, чем жёлтый).
От 4000 до 5000 °К — нейтрально-белое световое излучение, обеспечивающее яркое освещение. Такие лампы обычно используются в офисах, предприятиях и общественных учреждениях;
Более 6500 °К — холодный белый свет с высокой световой отдачей. Эта группа ламп применяется только для уличного освещения.

Наконец, обязательно обратите внимание на индекс цветопередачи (коэффициент цветопередачи), указанный на упаковке лампы — его числовое значение характеризует, насколько цвет объектов, освещаемых данной лампой, будет соответствовать своему естественному цвету. Оптимальным значение этого показателя будет индекс цветопередачи от 70 и выше (или степень цветопередачи не ниже 2А). Лампы для уличного освещения могут иметь более низкое значение индекса — 60 (или 2B), но не ниже.