Šviesos diodų (angl.k. Light Emitting Diode, LED) panaudojimas apšvietimui šiuo metu laikomas perspektyvia apšvietimo technologijų vystymosi kryptimi. Daugeliu aspektu ši kryptis neabejotinai pranašesnė už kitų tipų šviestuvų (kaitrinių lempučių, liuminescencinių lempų, lankinių lempų ir kt.) panaudojimą. Įvertinus tai, kad šviesos diodų panaudojimo technologija nuolat tobulėja, galima drąsiai teigti, kad ateityje apšvietimas šviesos diodais (šviesos diodų šviestuvais) taps dominuojantis. Kokios šios unikalios technologijos pagrindinės ypatybės ir pranašumai?
LED apšvietimas. Technologijos pranašumai
Pirmiausia – ekonomiškumas. Šiame šviesos šaltinyje panaudojamas ne įkaitintos medžiagos švytėjimas, o elektros energija, kuri betarpiškai virsta šviesos energija. Šilumos nuostoliai sudaro nedidelę dalį visos suvartojamos energijos. Tačiau viena iš kaitrinių ir liuminescencinių lempų sudedamųjų dalių yra volframinė spiralė. Kad ir kaip ją tobulintume, vis tiek ji perdega. Dėl šios priežasties lempos yra neilgalaikės, o šviesos diodų šviestuve tokių, greitai perdegančių, dalių nėra.
Pasaulinis šviesos diodų šviestuvų gamybos mastas ir JAV analitinės kompanijos „Strategies Unlimited“ prognozė iki 2022 metų
Ekologiškumas. Šviesos diodai nespinduliuoja žmogui kenksmingų infraraudonųjų ir ultravioletinių spindulių. Pažeidus šviesos diodų šviestuvą, į aplinką neišsiskirs nuodingų medžiagų (liuminescencinių lempų viduje yra gyvsidabrio garų).
Patikimumas ir ilgalaikiškumas. Apšvietimas šviesos diodais labai patikimas ir ilgalaikis, tačiau tai priklauso nuo eksploatavimo sąlygų. Kai šviesos diodas eksploatuojamas tinkamai, juo teka leistino dydžio srovė. Pagrindinė šviesos diodo gedimo priežastis – nenormalus jo darbo režimas. Jei šviesos diodo įtampa mažesnė nei nominali, sumažėja spinduliuojamos šviesos srautas. Tačiau net ir nedidelis nominaliosios įtampos perviršis gali būti žymaus srovės padidėjimo priežastis, dėl to perkaista ir sensta puslaidininkiniai elementai. Tai viena iš priežasčių, dėl kurių trumpėja šviesos diodų darbo laikas; kitų priežasčių, apribojančių šviesos diodų darbo trukmę, nenustatyta. Šviesos diodų spinduliuojamas šviesos srautas priklauso nuo per juos tekančios srovės dydžio, todėl paprasta reguliuoti šviesos stiprumą
Trumpai apie istoriją
Henry Joseph Round
Henry Josephas Roundas 1907 m. pirmą kartą pastebėjo, kad kai kurios neorganinės medžiagos, veikiant potencialų skirtumui, spinduliuoja šviesą. Jo bandyme sieros sulido ir plieninės adatos kontakto vieta, veikiant potencialų skirtumui, švytėjo žalia šviesa. Iš esmės tai buvo pirmasis šviesos diodas. Juk sieros sulido ir plieninės vielelės smaigalio kontaktas atliko diodo vaidmenį pirmuosiuose detektoriniuose radijo imtuvuose tais laikais, kai puslaidininkiniai diodai dar nebuvo gaminami. Atsiradus tranzistoriams 1951 m. labai suintensyvėjo puslaidininkių tyrimai.
Pirmųjų šviesos diodų atsiradimo data laikoma 1962 metai. Tobulėjant puslaidininkinėms medžiagoms šviesos diodų spinduliuojamos šviesos intensyvumas padidėjo nuo mažiau nei 0,1 lm/W iki 100 lm/W ir didėja. Pirmieji šviesos diodai spinduliavo raudoną ir geltoną šviesą, vėliau atsirado daugiau spalvų.
Didelį indėlį įnešė japonų mokslininkų tyrimai. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano ir Shuji Nakamura 2014 m. gavo Nobelio premiją už mėlynos šviesos diodus, kuriuos naudojant buvo sukurti šviesūs ir ekonomiški balti šviesos šaltiniai.
Nors 2006 m. baltų šviesos diodų efektyvumas siekė 150 lm/W (energinio efektyvumo faktorius – 22 %). 2010 m. baltų šviesos diodų efektyvumas išaugo iki 250 lm/W, 2014 m. kovo mėnesį buvo pasiektas 303 lm/W lygis. Tai jau visai netoli teorinio maksimumo. Jei visa naudojama elektros energija virstų šviesa, 6 600 K šviesą spinduliuojančio šaltinio šviesos srautas atitiktų 350 lm/W.
LED spinduliuojamos šviesos spalvos temperatūros atitikimas
Naudojamos medžiagos ir spalva
SMD korpuso baltos šviesos (RGB) diodas
Parenkant puslaidininkines medžiagas ir priedus (skirtingų spalvų derinimas) išgaunamos įvairios šviesos diodų spalvos. Naudojant aliuminio galio arsenidą (AlGaAs) pirmiausia buvo sukurti raudonas (bangos ilgis 665 nm) ir infraraudonas (bangos ilgis iki 1 000 nm) šviesos diodai. Vėliau naudojant skirtingas medžiagas buvo sukurti kitų spalvų šviesos diodai.
Kitaip nei įvairūs spalvoti diodai, kurie yra tik vienas šviesos diodas, baltos šviesos diodą sudaro kelių spalvų šviesos diodai. Balta spalva – tai pagrindinių spalvų – raudonos, žalios ir mėlynos (RGB) – mišinys.
Paprasčiausias sprendimas – į vieną korpusą sudėti tris atitinkamos spalvos šviesos diodus. Tokio sprendimo pranašumas – galimybė reguliuoti spinduliuojamos šviesos atspalvį, keičiant atskirų šviesos diodų sroves. Trūkumas (jei atspalvio reguliavimas nereikalingas) – negalima sujungti šviesos diodų lygiagrečiai dėl jų skirtingų įtampų. Sujungus nuosekliai bendroji įtampa – gana didelė, o tai nepriimtina naudojant juos, pavyzdžiui, kaip žibintuvėlio šviesos šaltinį ar pan.
Inovacinės šviesos diodų apšvietimo taikymo galimybės
Vietovėse, kuriose nėra elektros, įmonė „Schneider Electric“ sukūrė apšvietimo ir mobiliųjų įrenginių įkrovimo sistemas. Sudarytos trys skirtingos sistemos, kurių įtampa – 12 V. Atitinkamai jas sudaro 20 W, 30 W ir 40 W saulės fotoelementai, 10 Ah, 30 Ah ir 50 Ah akumuliatorius, įkrovimo valdiklis su keitikliu ir vienas arba du šviesos diodų šviestuvai. Įkrauto akumuliatoriaus užtenka ne mažiau kaip 8 darbo valandoms, esant numatytai apkrovai.
Šviesos diodų apšvietimo technologija
LED konstrukcija
Iš šviesos diodų apšvietimo įrangos tiekėjų galima įsigyti lanksčių juostų su dideliu skaičiumi nedidelės galios paviršinio montavimo technologijos SMD (angl. k. Surface Mount Device) formato šviesos diodų, kartu su kitais grandinės elementais prilituotų prie spausdintinių laidžių takelių arba palyginti didelės galios šviesos diodų modulių.
Šviesos diodų šviestuvą sudaro:
- šviesos diodų modulis,
- korpusas,
- optinis reflektorius,
- laidų instaliacija,
- jungtys,
- aušinimo sistema (radiatorius ir ventiliatorius) bei kiti elementai.
Šviesos diodų juostoms taip pat reikia specialaus keitiklio ir aušinimo. Kaip radiatorius jose veikia specialūs aliumininiai tvirtinimo loveliai, prie kurių, nuėmus apsauginę plėvelę, klijuojamos šviesos diodų juostos.
Įjungiant šviestuvais pirmiausia teka padidinta pereinamojo proceso srovė, kuri vėliau, pasiekus nusistovėjusį darbo režimą, stabilizuojasi. Skiriamos trys pereinamos šviestuvų įjungimo fazės.
Srovės priklausymas nuo laiko – šviestuvo įjungimo fazės
Įjungus šviestuvą trumpam atsiranda žymi pereinamoji srovė (iki 250 kartų didesnė nei vardinė srovė). Dėl keitiklyje esančių kondensatorių talpos šios srovės trukmė yra mažesnė nei 1ms vienam šviestuvui.
Įjungiant šviesos diodų apšvietimą gali suveikti skirtuminės srovės apsauga ir bus nutrauktas elektros energijos tiekimas. Taip gali atsitikti, jei kintamosios įtampos momentinis dydis įjungiant yra artimas amplitudiniam, o srovė trumpam tampa labai didelė dėl pereinamojo proceso viršsrovių. Šiuo atveju gali padėti nauji „Schneider Electric“ sprendimai – „iTL+“ (A) impulsinės relės arba „iCT+“ (B) tipo kontaktoriai, kurių įjungimą valdo nulinės sekos įtampa.
Schneider Electric sprendimas LED apšvietimo sistemoms: iTL+ impulsinės rėlės ir iCT+ kontaktoriai
Energijos suvartojimas šiandien
Nuo 1980 m. iki šiandien pasaulinis energijos suvartojimas išaugo 45 %. Prognozuojama, kad 2030 m. padidės dar 70 %. Norėdami stabilizuoti šiltnamio efektą iki 2050 m. privalome 50 % sumažinti jį sukeliančių dujų emisiją. Šiandien naudodami „Schneider Electric“ sukurtas pažangiausias technologijas galėtume sumažinti 30 % emisijos ir padėti neelektrifikuotoms pasaulio šalims. Besivystančių rinkų (įskaitant Kiniją ir Indiją) poreikis padidinti elektros energijos gamybą sudaro daugiau kaip 75 % esamų pajėgumų.
Brandžiose rinkose – Šiaurės Amerikoje, Europoje ir Japonijoje – taip pat išaugusi paklausa ir turi ribotą kiekį išteklių. Šios šalys kuria teisės aktus, siekdamos sumažinti sąnaudas, pereiti prie alternatyvių energijos šaltinių ir gerinti energinį saugumą.
Labiau nei bet kada visuotinis atšilimas yra svarbiausia šalių parlamentų ir vyriausybių darbotvarkės tema. Konkurencija dėl išteklių ir politinis nestabilumas gali pakelti naftos ir gamtinių dujų kainas. Anglys ir toliau pigs. Anglių gausu, ypač besivystančiose rinkose. Taigi besivystančioms šalims bus sunku išlaikyti spaudimą mažinti emisijas ir palaikyti pasaulio klimato kaitos veiksmų vienybę. Dėl klimato kaitos teks koordinuoti įstatymų leidėjų veiksmus. Čia ypatingą reikšmę turi lyderių nuomonės ir interesų grupės, verčiančios pramonę keistis.
„Schneider Electric“ įsipareigoja padėti Jums pasirinkti optimalius sprendimus taupant instaliacines medžiagas, automatikos ir kitus įrenginius, padedančius mažinti energijos suvartojimą 10–40 %, išlaidas ir aplinkos taršą. Taip pat suprasti, kokį poveikį ir galimybes Jūsų verslui atveria greitesni, pigesni, efektingesni ir švaresni energijos vartojimo metodai.
