Сага про світлодіодні лампи. Частина 1 - історія та термінологія

Цією статтею я хотів би розпочати серію публікацій, присвячених приладам, які людство застосовує для висвітлення. Як випливає із заголовка, основну увагу планується приділити світлодіодним лампам, їх порівнянню та розповіді про те, чому одні лампи виходять хорошими, а інші - поганими, що супроводжується наочними прикладами того й іншого. Так-так, все правильно - плануються виміри, розпилювання та розкручування. Однак перш ніж починати щось міряти і порівнювати, завжди корисно трохи поринути в історію питання та поговорити про те, що ж і навіщо треба міряти.

Насамперед я, як і обіцяв, пропоную поринути в історію. Тим не менш, оскільки копатися в пилюці віків — заняття на любителя, я сховав цю частину під спойлер.

У справі створення штучних джерел світла людство пройшло довгий шлях – від вогнищ, смолоскипів та плошок з олією до лампи Арганда, від лампи Арганда до класичної гасової лампи, і, зрештою, до електричного освітлення, символом та основним представником якого по праву є лампа розжарювання. Фактично, лампа розжарювання була абсолютно пануючим приладом побутового освітлення більше ста років, з того моменту, як на початку ХХ століття вона стараннями Едісона набула сучасного вигляду. До речі, всупереч поширеній думці, Едісон не винаходив її — помістити тіло, що нагрівається струмом, у скляну колбу з безкисневою атмосферою першим здогадався Лодигін, і саме йому належать патенти як на власне лампу розжарювання, так і на використання в якості тіла розжарювання тугоплавких металів, зокрема вольфраму (US Patent No.575002), який застосовується в лампочках і досі. Геній ж Едісона полягав у тому, що він зміг довести ідеї всіх, які працювали над проблемою електричного освітлення раніше, до комерційного застосування, що приносить реальний прибуток; саме завдяки йому лампа розжарювання з лабораторного приладу стала повсюдним, звичним та зручним джерелом світла.

Незважаючи на появу люмінесцентних газорозрядних ламп ближче до середини ХХ століття (знайомі всім білі трубки) можна з упевненістю сказати, що за останні сто років у побутовому освітленні не відбулося істотних змін. У домашніх умовах класичні газорозрядні лампи так і не прижилися, оскільки вимагали набагато складнішої, громіздкішої, дорогої й деколи набридливої ​​схеми включення, а при запуску блимали. Звичайно, вони забезпечували суттєву в порівнянні з лампами розжарювання економію енергії, але в побуті комфорт важливіший за економію… До речі, в деяких випадках їх застосування було неможливим і на виробництві – оскільки газорозрядній лампі практично не властива інерція, у класичній схемі включення вона насправді не горить безперервно, а вмикається і вимикається сто разів на секунду. Здавалося б, що поганого? Адже людське око досить інерційне, щоб не помічати цього. Тим не менш, іноді це може бути просто небезпечно через так званий стробоскопічний ефект: при певному співвідношенні частот мерехтіння і обертання деталі, наприклад, на токарному верстаті, остання може здаватися нерухомою або обертається набагато повільніше істинної швидкості.Зокрема, якщо за один півперіод мережі деталь буде робити повний оборот, при кожному спалаху лампи очей бачитиме її в тому самому положенні, а людині здаватиметься, що вона нерухома. Очевидно, чим може скінчитися така помилка. Саме тому світильники місцевого освітлення робочої зони, які можна спостерігати на верстатах, ніколи не містять газорозрядних ламп (ГОСТ 12.2.009-99).

Звичайно, сучасна схемотехніка може вирішити всі перелічені проблеми (і досить успішно вирішує їх в «ощадках»). Однак на той час, як це стало можливо, у світі освітлення сталася подія, порівнянна з винаходом лампи розжарювання – були винайдені та доведені до промислового виробництва білі світлодіоди.

Перше відоме повідомлення про випромінювання світла твердотільний напівпровідниковий прилад датується 1907-м роком, коли Генрі Раунд спостерігав свічення нетеплового характеру при проходженні струму через контакт металу і карбіду кремнію; пізніше, у 1923-му році, Олег Лосєв незалежно прийшов до тих самих результатів і створив те, що вже можна було назвати світлодіодом. Обидва дослідники цілком оцінили масштаби своїх відкриттів, проте рівень науки на той час не дозволив просунутися далі шляхом застосування виявлених ефектів для висвітлення. Перший світлодіод, який зміг залишити лабораторію, був винайдений Ніком Холоньяком у 1962-му році. Тим не менш, до освітлення було ще дуже далеко - випромінюване світло було неярок і обмежувалося червоним і відтінками помаранчевого.

Згодом вчені суттєво покращили характеристики світлодіодів – розширили набір можливих кольорів свічення аж до зеленого, підвищили світловіддачу та яскравість кристалів.Але справжній прорив стався 1994-го року, коли Сюдзі Накамура винайшов синій світлодіод, який підходить для промислового виробництва. Тільки тоді вперше стало можливо отримати біле світіння, скомбінувавши вже існуючі червоні та зелені зі свіжознайденими синіми кристалами. Незабаром (1996-го року) був винайдений і класичний на сьогодні білий світлодіод – синій кристал, покритий люмінофором, що перевипромінює частину енергії синього світла в жовтій області. Саме так працюють сучасні освітлювальні світлодіоди – змішання синього світла від синього кристала та жовтого від люмінофора дає біле світло.

Отже, вважатимемо, що історичний лікнеп проведено. Тепер поговоримо про те, які ж параметри мають світлодіодні лампи і навіщо їх треба міряти, адже, здавалося б, світлодіоди — чистий ідеал освітлення: довговічні, практично не нагріваються на відміну від ламп розжарювання, майже не містять шкідливих речовин на відміну від газорозрядних ламп. ; найкращі їх екземпляри перевершують в ефективності газорозрядні лампи, гірші - як мінімум набагато ефективніше порівнянних ламп розжарювання.

Проте зрозуміло, що ідеалів немає. У світлодіодів теж є свої особливості, які роблять техніку їхнього застосування окремим інженерним світом. Наприклад, лампа розжарювання цілком спокійно працює при температурах у тисячі градусів – світлодіоди дуже вимогливі до охолодження: термін служби, що заявляється, в сотні тисяч годин (для порівняння – у лампочки розжарювання близько тисячі) досягається тільки при практично кімнатній робочій температурі, або, як мінімум, надзвичайно щадному режимі. Ефективність світлодіодів також залежить від якості їхнього охолодження.Як і газорозрядні трубки, світлодіоди не можна включити в мережу просто так - їм потрібна спеціальна схема-драйвер, від якості якої залежить загальна якість лампи. Окрема проблема – забезпечення сумісності із традиційними світильниками. Геометрія лампи розжарювання чужа світлодіодам - ​​охолодження (якого лампа розжарювання не потребувала) часто утруднено; обмеженість обсягу пред'являє серйозні вимоги і до габаритів драйвера, що також відбивається на характеристиках.

Одним словом, природа світлодіодів змушує шукати різні компроміси під час створення світильника на їх основі. Пошук стійкого ідеалу конструкції, що для лампи розжарювання завершився в першій половині двадцятого століття, у разі світлодіодів ще йде; Тому зараз на ринку однаково часто зустрічаються як дійсно хороші продукти, так і явно невдалі моделі. При цьому, якщо з лампами розжарювання все було просто, то світлодіодні лампи мають велику кількість характеристик, деякі з яких непомітні «на око», а то й зовсім неочевидні для недосвідченої людини, але при цьому безпосередньо визначають якість лампи.

Загалом параметри світлодіодних ламп можна розділити на дві групи: світлові та електричні. Увага до другої групи пояснюється тим, що компактні люмінесцентні та світлодіодні лампи ідеологічно набагато ближчі до пральних машин, блендерів, бритв та іншої більш-менш складної побутової техніки, ніж до «просто лампочок». З лампами розжарювання все зрозуміло - електрично це просто опір, тому довго міряти нічого не треба, все і так ясно.У випадку, що нас цікавить, ми, навпаки, маємо справу з деякою хитрою схемою, в кінцевому підсумку вносить відчутний внесок у загальну ефективність; тому ігнорувати електричні параметри тут не можна.

До світлових параметрів насамперед відноситься повний світловий потік лампи ([Total] luminous flux). Якщо по-простому, характеризує, скільки ж світла вона випромінює в цілому на всі боки. Параметр це цікавий і корисний, проте треба сказати, що простому смертному мало що пояснює. Вимірюється потік в ідеально сферичному фотометрі (щоправда, не у вакуумі), і тому до поведінки лампи у звичайному світильнику має дещо опосередковане відношення. Найцінніше для нас застосування цього – порівняння різних ламп по світловіддачі (про яку далі). Одиниця виміру – люмен (lm).

З погляду користувача набагато цікавіший такий параметр, як освітленість (Illuminance) – показник того, наскільки яскраво лампа щось висвітлює. Насправді це, звичайно, не відноситься до характеристик самої лампи, а залежить у тому числі і від конструкції світильника, відстані від нього до поверхні, що освітлюється, розташування цієї самої поверхні та іншого, на кшталт коефіцієнта відображення навколишніх предметів. Тому якось узагальнити його складно. Вимірюється освітленість у люксах (lux, lx). Рівні освітленості нормуються санітарними правилами та нормами.

Світлова віддача (Lluminous efficacy) – важливий параметр, світловий ККД лампи. Показує, скільки світла лампа видає на один Ват споживаної потужності. Вимірюється у люменах на Ватт. Абсолютна теоретична межа світлової віддачі дорівнює 683 лм/Вт. Правда, ця цифра справедлива лише для монохроматичного джерела зеленого кольору.Для джерела білого світла, який, зрозуміло, з позицій загального освітлення найцікавіший, теоретичний максимум становить близько 240 лм/Вт.

Колірна температура (CT, CCT – [correlated] color temperature) – якщо по простому, показує відтінок випромінюваного світла, від червоного до синюватого. Вимірюється у Кельвінах. Написи на упаковках ламп "2700K", "4200K", "6500K" - це про неї. Чому колір вимірюється у одиницях температури? Сенс у наступному: якщо нагріти абсолютно чорне (невідбивне) тіло до зазначеної температури, воно світитиметься таким самим кольором, як і той світловий прилад, на якому написані ці цифри.

Колірна температура 2700 - 3000 Кельвін відповідає класичному відтінку ламп розжарювання. Лампи розжарювання, до речі, і не дають у цьому сенсі особливого вибору - світло в них виходить в результаті справжнього нагрівання, а нагріти вольфрам до температури більше трьох тисяч Кельвін не вийде - при 3700K він вже плавиться, а нитка розжарювання в процесі роботи все ж має зберігати достатню механічну міцність. У світлодіодних і люмінесцентних лампах процес отримання світла не пов'язаний з нагріванням безпосередньо, тому можливе отримання будь-якого відтінку.

Для довідки колірна температура близько 4200K відповідає ранковому сонцю, а за 6500K прийнято стандартне денне світло.

Корельована колірна температура - Термін, що застосовується до джерел з лінійним спектром (газорозрядні лампи), до яких класичне визначення колірної температури, строго кажучи, не застосовується. У сенсі сприйняття оком означає те саме.

Взагалі, вибір колірної температури ламп для домашнього освітлення – суб'єктивне питання.Можна тільки порадіти, що сучасні технології дають можливість вибирати.

Індекс кольору (CRI, color rendering index) – показує, наскільки кольори, що спостерігаються у світлі штучного джерела освітлення, будуть близькими до тих, які ми спостерігаємо при світлі сонця. Вимірюється у відносних одиницях чи відсотках; ідеальне значення, що відповідає сонячному світлу, – 100% або 1. Цей параметр – мабуть найсуб'єктивніший з об'єктивних параметрів освітлення. Тестується він на спеціально визначених кольорах, деякі з яких мають поетичні описи на кшталт «колір зів'ялої троянди». Якщо говорити про його практичну значущість, то справа ось у чому: напевно, багатьом знайоме відчуття, що лампа світить наче яскраво, але при цьому зовсім «не висвітлює». Саме за це відповідає індекс кольору. Загалом можна сказати, що все, що має CRI вище 80%, буде саме висвітлювати, а не просто світити.

Взагалі ж колірна температура та індекс кольору – суб'єктивні по сприйняттю параметри. Отже, тут просто треба пробувати і зупинитися на тому, що більше подобається.

Пульсації світлового потоку – через те, що напруга в мережі змінна, лампи можуть мерехтіти. Низькочастотні пульсації погані з багатьох причин, одна з яких – згаданий в історичній частині стробоскопічний ефект. Зрозуміло, виробники всіма силами намагаються зробити світловий потік світильника якомога рівномірнішим. Вимірюються пульсації світлового потоку у відсотках; на пульсації також є санітарні норми.

На цьому зі світловими параметрами ламп можна закінчити та перейти до електричних характеристик. З них найбільший інтерес становлять ККД схеми управління та коефіцієнт потужності.

З ККД схеми управління все зрозуміло - можна поставити в лампу найкращі світлодіоди на світі, але звести всі їхні переваги в нуль схемою стабілізації струму, що витрачає більше потужності, ніж випромінювачі. Вимірюється ККД, як відомо, у відсотках, обчислюється як відношення потужності на виході до потужності на вході. Ідеальне значення, очевидно, 100%.

Коефіцієнт потужності, "Косінус фі" (PF, power factor) - більш тонка матерія. Скажімо так, він показує, наскільки розумно та акуратно пристрій розпоряджається мережевою енергією. Справа в тому, що, як уже говорилося, сучасна просунута лампа - це не резистор, споживання струму носить складний характер; при цьому споживаний струм часто не збігається за формою та фазою з мережевою напругою. Не вдаючись (поки що) у подробиці скажу, що це призводить до хитрих ефектів, які в глобальному масштабі можуть завдати багато головного болю енергетичним компаніям. За простим – чим більше коефіцієнт потужності, тим краще. Вимірюється він у відсотках чи відносних одиницях, ідеальне значення – 100% або 1. Одиничний коефіцієнт потужності має простий опір без ємнісних та індуктивних складових. Для мережі це найдружелюбніше навантаження. Граничне значення коефіцієнта потужності, яке ще вважатимуться пристойним, становить 0,8 (ГОСТ 13109-97).

У цілому нині, перелічені параметри вважатимуться основними чисельними характеристиками, описують якість світильника. Звичайно, сюди ще варто додати такі категорії, як якість виконання і краса і «правильність» схемотехніки, але це вже суто суб'єктивні міркування, які, взагалі кажучи, знаходять деяке відображення і в об'єктивних параметрах.Крім того, саме для світлодіодних ламп необхідно оцінювати і якість охолодження, оскільки воно безпосередньо позначається на ефективності та термін служби.

На цьому поки що все. Якщо у читачів виявиться інтерес до запропонованої мною тематики, то в наступних статтях ми оцінимо, як параметри, конструкція та схемотехніка деяких поширених світлодіодних ламп співвідносяться з вічними ідеалами.

Примітка

У зв'язку з великою кількістю у статті цифр і фактів, окремо зазначу, що всі твердження, джерело яких не зазначено явно, взяті з Вікіпедії (англомовної чи російськомовної).