История создания светодиодных лампочек
Светодиодные лампы завоевывают признание в организации: бытового, рекламного, уличного и промышленного освещения, делают восприятие мира красочнее, светлее, современнее и улучшают качество жизни. Являются экологически чистыми источниками света, без использования ртути.
Человечество заговорило о мерцании твердого кристалла под действием тока в начале XX века. Как это было:
· 1907 г. – британский инженер Генри Джозеф Раунд случайно увидел возникшее свечение точечного контакта вокруг детектора: оранжевого, желтого и зеленого цвета. Ученый описал явление электролюминесценции при прохождении тока через полупроводник;
· 1923 г. – советский радиолюбитель Олег Лосев обратил внимание на слабое свечение в месте контакта карборунда со сплавом, пропустив ток путем соединения карбида кремния со сталью. Общество не спешило признавать открытие, несмотря на научные публикации;
· 1962 г. – группа американского профессора Ника Холоньяка разработала первый промышленный светодиод, работающий в видимом диапазоне, но маломощный и вырабатывающий свет лишь на низких красных частотах спектра;
· 1971 г. – американец родом из Украины Жак Панков, получил в лаборатории голубое излучение от кристаллов и открыл эпоху светодиодов. Корпорация Monsanto запустила серийный выпуск индикаторов, также их стали использовать в электронных вычислительных устройствах;
· 1972 г. – Джордж Крафорд (последователь Холоньяка) делает в 10 раз сильнее мощность света красных светодиодов и получает желтый аналог;
· 1991 г. — за дело принялись японцы Хироси Амано, Сюдзи Накамура и Исама Акасаки, сделав прорыв явлением миру бюджетного светоизлучающего диода, обладающего свечением синего цвета и в дальнейшем поспособствовавшего разработке «белого светодиода». В 1994 г. компания Nichia начала массовый выпуск синих LED. Ученые получили Нобелевскую премию в 2014 году;
· 2007 г. – выпуск первых лампочек для обычных патронов (E27 и E14), имеющих слабый поток в 300 лм и угол рассеивания 120°;
· 2010 г. — доступными стали лампы с белым светом;
· 2015 г. — компания Panasonic добилась угла рассеивания до 350 градусов.
В настоящее время LED лампы вытесняют другие осветительные приборы, так как безопаснее и служат значительно дольше традиционных источников освещения. Массовое производство снижает стоимость продукции, а главные технические характеристики – экономичность и низкое энергопотребление обеспечивают популярность.
История появления светодиодной лампочки
Мало, кто знает, но история появления светодиодов уходит своими корнями аж в начало XX века, когда один учёный случайно обнаружил свечение вокруг контакта при работе детектора. Этим учёным был Х.Д.Раунд, а произошло всё в далёком 1907 году. И хотя, настоящий светодиод в то время создать не удалось, наблюдение учёного заинтересовало многих последователей.
В 1923 году советский учёный О.В.Лосев смог доказать свечение полупроводниковых кристаллов при подаче на них тока. Первым подопытным кристаллом стал карбид кремния. На основании этого опыта стали проводиться множественные эксперименты с другими сплавами. А в 50-х, в США была создана лаборатория по разработке полупроводниковых ламп. Первые опыты давались тяжело, на разработку ушло несколько десятков лет. Но упорство учёных позволило совершить величайшее открытие.
Как появились первые светодиоды
В 1962 году в Иллинойском университете США появился на свет первый настоящий светодиод. Его появлению человечество обязано инженеру Нику Холоньяку. Первый кристалл светил тускло и только красным цветом. Но эта особенность никак не повлияла на веру учёных в перспективность сделанного открытия.
Уже в 1968 году увидел свет первый в мире рекламное светодиодное табло. Это был настоящий прорыв в истории светотехники. Но, мало, кто мог позволить себе в те годы такую роскошь, как светодиодные приборы. Производство первых кристаллов было довольно сложным, стоимость одного такого кристалла могла доходить до 200$! Первые лампочки использовались в качестве индикаторов в электроприборах, также, их применяли при производстве электронных часов. На большее мощности крошечных диодов не хватало.
За что получил нобелевскую премию Жорес Алфёров
Учёные всего мира были озадачены проблемой развития светодиодной техники. Одно из величайших открытий 60-х не могло остановиться на полпути. И вот, когда многие уже отчаялись произвести что-либо, более яркое, чем имеющийся вариант, величайший советский физик Жорес Алфёров разработал первый элемент, на основе которого производятся все ныне существующие светодиоды.
В то время важность открытия оценили лишь разработчики светодиодной продукции. Несмотря на это, изобретение Ж. Алфёрова стало настоящим прорывом в развитии осветительных приборов, и в 2000 году Жорес Алфёров получил Нобелевскую премию за разработку полупроводниковых гетероструктур и создание микроэлектронных и оптоэлектронных компонентов.
Современная светодиодная лампочка
Постепенно учёным удавалось увеличивать мощность светового потока. Но, пика своего развития светодиоды достигли вы 90-е годы прошлого столетия, когда японцы смогли создать элемент, способный произвести синее свечение. Надо сказать, до этого удавалось добиться лишь красного, жёлтого и зелёного цветов, а с этим открытием стало возможным достижение любого цвета.
Сегодня спектр светодиодного освещения не ограничивается только цветовой гаммой. Теперь мы можем выбирать даже оттенки. Так, к примеру, обычная белая лампочка может иметь тёплое, холодное и нейтральное свечение – кому как нравится.
В наши дни светодиодное освещение можно встретить где угодно и теперь уже сложно представить себе, что современная светодиодная лампочка преодолела такой огромный путь, длиной в 100 лет, прежде, чем появилась в домашнем светильнике.
Одно можно сказать однозначно: многолетние труды учёных открыли поистине безграничные возможности и показали немыслимые грани светотехники.
Кто изобрел светодиод: советский исследователь-одиночка
Уже в детстве Олег Лосев твердо знал, чему посвятит свою жизнь. В 1917 году он побывал на лекции начальника военной радиоприемной станции, и с этого момента для него перестало существовать все, кроме «беспроволочного телеграфа». После школы Олег Лосев, не сумев поступить в Московский институт связи, благодаря случайному знакомству с профессором Рижского политехнического института Владимиром Лебединским, первым председателем Российского общества радиоинженеров (РОРИ), оказался в Нижегородской радиолаборатории (НРЛ). НРЛ в то время была инновационным центром, где велись и фундаментальные, и прикладные научные исследования в области зарождавшейся тогда электроники и электротехники.
В НРЛ Лосев, работавший лаборантом, решил заняться исследованием кристаллических детекторов для радиоприема. Эти элементы были капризными, но казались ему более перспективными, чем громоздкие и прожорливые электронные лампы. К тому же экспериментировать с детекторами Лосев, исследователь-одиночка по своему характеру, мог полностью самостоятельно — передвигая контактную иголочку на мельчайшие доли миллиметра по поверхности кристалла.
Он исходил из предпосылок, что «некоторые контакты. между металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, вполне вероятно, что в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могут возникнуть незатухающие колебания». Он заблуждался: уже было известно, что для генерации нужна не просто нелинейность вольтамперной характеристики, а падающий участок (именно такой участок обеспечивают современные лавинные диоды).
Но Лосев оказался очень везучим — на контакте цинкита с угольной иголкой он обнаружил этот эффект, добившись первого в мире гетеродинного радиоприема на основе полупроводниковых элементов. В 1922 году статья Лосева о новых радиоэлементах, названных «кристадинами», вышла в журнале «Телеграфия и телефония без проводов» («ТиТбп»). Позднее статьи Лосева о кристадинах публиковались ив советских («ЖЭТФ», «Доклады АНСССР»), и в зарубежных (The Wireless World and Radio Review, Radio News, Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift) журналах.
Совершенствуя кристадин, Лосев экспериментировал с различными материалами полупроводников и контактных иголок и в 1923 году обнаружил на стыке карборунда и стальной проволоки слабое свечение. Явление было названо «свечением Лосева», а первооткрыватель получил патент на «световое реле» (фактически первый полупроводниковый светодиод!) и (в 1938 году) — научную степень кандидата физико-математических наук без защиты диссертации. После реорганизации НРЛ Лосев переехал в Ленинград, где продолжал исследования до самого начала войны. А в 1942 году изобретатель погиб от голода в блокадном городе, а его работы так и остались незаконченными.
Сага о светодиодных лампах. Часть 1 — история и терминология
Этой статьей я хотел бы начать серию публикаций, посвященных приборам, которые человечество применяет для освещения. Как явствует из заголовка, основное внимание планируется уделить светодиодным лампам, их сравнению и рассказу о том, почему одни лампы получаются хорошими, а другие — плохими, сопровождаемому наглядными примерами того и другого. Да-да, все верно — планируются замеры, распиливания и раскручивания. Однако прежде чем начинать что-то мерять и сравнивать, всегда полезно немного погрузиться в историю вопроса и поговорить о том, что же и зачем надо мерять.
Прежде всего я, как и обещал, предлагаю погрузиться в историю. Тем не менее, поскольку копаться в пыли веков — занятие на любителя, я спрятал эту часть под спойлер.
В деле создания искусственных источников света человечество прошло долгий путь – от костров, факелов и плошек с маслом до лампы Арганда, от лампы Арганда к классической керосиновой лампе, и, в конце концов, к электрическому освещению, символом и основным представителем которого по праву является лампа накаливания. Фактически, лампа накаливания была абсолютно господствующим прибором бытового освещения более ста лет, с того момента, как в начале двадцатого века она стараниями Эдисона приобрела современный вид. К слову, вопреки расхожему мнению, Эдисон не изобретал ее — поместить нагреваемое током тело в стеклянную колбу с бескислородной атмосферой первым догадался Лодыгин, и именно ему принадлежат патенты как на собственно лампу накаливания, так и на использование в качестве тела накала тугоплавких металлов, в частности, вольфрама (US Patent No. 575002), который применяется в лампочках и по сей день. Гений же Эдисона состоял в том, что он смог довести идеи всех, работавших над проблемой электрического освещения ранее, до коммерческого применения, приносящего реальную прибыль; именно благодаря ему лампа накаливания из лабораторного прибора стала повсеместным, привычным и удобным источником света.
(Источник картинки)
Несмотря на появление люминесцентных газоразрядных ламп ближе к середине двадцатого века (знакомые всем белые трубки) можно с уверенностью сказать, что за последние сто лет в бытовом освещении не произошло существенных перемен. В домашних условиях классические газоразрядные лампы так и не прижились, поскольку требовали гораздо более сложной, громоздкой, дорогой и порой надоедливо гудящей схемы включения, а при запуске мигали. Конечно, они обеспечивали существенную по сравнению с лампами накаливания экономию энергии, но в быту комфорт важнее экономии… К слову, в некоторых случаях их применение было невозможно и на производстве – поскольку газоразрядной лампе практически не присуща инерция, в классической схеме включения она на самом деле не горит непрерывно, а включается и выключается сто раз в секунду. Казалось бы, что плохого? Ведь человеческий глаз достаточно инерционен, чтобы не замечать этого. Тем не менее, иногда это может быть просто опасно из-за так называемого стробоскопического эффекта: при определенном соотношении частот мерцания и вращения детали, например, на токарном станке, последняя может казаться неподвижной или вращающейся гораздо медленнее истинной скорости. В частности, если за один полупериод сети деталь будет делать полный оборот, при каждой вспышке лампы глаз будет видеть ее в одном и том же положении, а человеку будет казаться, что она неподвижна. Очевидно, чем может окончиться такая ошибка. Именно по этой причине светильники местного освещения рабочей зоны, которые можно наблюдать на станках, никогда не содержат газоразрядных ламп (ГОСТ 12.2.009-99).
(Wikipedia)
Конечно, современная схемотехника в состоянии решить все перечисленные проблемы (и достаточно успешно решает их в «сберегайках»). Однако к тому моменту, как это стало возможно, в мире освещения произошло событие, сравнимое с изобретением лампы накаливания – были изобретены и доведены до промышленного производства белые светодиоды.
Первое известное сообщение об излучении света твердотельным полупроводниковым прибором датируется 1907-м годом, когда Генри Раунд наблюдал свечение нетеплового характера при прохождении тока через контакт металла и карбида кремния; позже, в 1923-м году, Олег Лосев независимо пришел к тем же результатам и создал то, что уже можно было назвать светодиодом. Оба исследователя вполне оценили масштабы своих открытий, однако уровень науки того времени не позволил продвинуться дальше по пути применения обнаруженных эффектов для освещения. Первый светодиод, который смог покинуть лабораторию, был изобретен Ником Холоньяком в 1962-ом году. Тем не менее, до освещения было еще очень далеко – излучаемый свет был неярок и ограничивался красным и оттенками оранжевого.
Со временем ученые существенно улучшили характеристики светодиодов – расширили набор возможных цветов свечения вплоть до зеленого, повысили светоотдачу и яркость кристаллов. Но настоящий прорыв произошел в 1994-ом году, когда Сюдзи Накамура изобрел синий светодиод, подходящий для промышленного производства. Только тогда впервые стало возможно получить белое свечение, скомбинировав уже существующие красные и зеленые со свежеизобретенными синими кристаллами. Вскоре (в 1996-ом году) был изобретен и классический на сегодня белый светодиод – синий кристалл, покрытый люминофором, переизлучающим часть энергии синего света в желтой области. Именно так работают современные осветительные светодиоды – смешение синего света от синего кристалла и желтого от люминофора дает белый свет.
(Источник картинки)
Итак, будем считать, что исторический ликбез проведен. Теперь поговорим о том, какие же параметры есть у светодиодных ламп и зачем их надо мерять, ведь, казалось бы, светодиоды — чистый идеал освещения: долговечны, практически не нагреваются в отличие от ламп накаливания, почти не содержат вредных веществ в отличие от газоразрядных ламп; лучшие их экземпляры превосходят в эффективности газоразрядные лампы, худшие – как минимум гораздо эффективнее сравнимых ламп накаливания.
Однако понятно, что идеалов не бывает. У светодиодов тоже есть свои особенности, делающие технику их применения отдельным инженерным миром. Например, лампа накаливания совершенно спокойно работает при температурах в тысячи градусов – светодиоды очень требовательны к охлаждению: часто заявляемый срок службы в сотни тысяч часов (для сравнения – у лампочки накаливания около тысячи) достигается только при практически комнатной рабочей температуре, или, как минимум, чрезвычайно щадящем режиме. Эффективность светодиодов тоже зависит от качества их охлаждения. Как и газоразрядные трубки, светодиоды нельзя включить в сеть просто так – им нужна особая схема-драйвер, от качества которой напрямую зависит общее качество лампы. Отдельная проблема – обеспечение совместимости с традиционными светильниками. Геометрия лампы накаливания чужда светодиодам – охлаждение (в котором лампа накаливания не нуждалась) часто затруднено; ограниченность объема предъявляет серьезные требования и к габаритам драйвера, что тоже отражается на характеристиках.
Одним словом, природа светодиодов принуждает искать различные компромиссы при создании светильника на их основе. Поиск устойчивого идеала конструкции, для лампы накаливания завершившийся в первой половине двадцатого века, в случае светодиодов еще идет; потому сейчас на рынке одинаково часто встречаются как действительно хорошие продукты, так и явно неудачные модели. При этом, если с лампами накаливания все было просто, то светодиодные лампы обладают большим количеством характеристик, некоторые из которых незаметны «на глаз», а то и вовсе неочевидны для неискушенного человека, но при этом напрямую определяют качество лампы.
В целом, параметры светодиодных ламп можно разделить на две группы: световые и электрические. Внимание ко второй группе объясняется тем, что компактные люминесцентные и светодиодные лампы идеологически гораздо ближе к стиральным машинам, блендерам, бритвам и прочей более-менее сложной бытовой технике, чем к «просто лампочкам». С лампами накаливания все понятно – электрически это просто сопротивление, потому и долго мерять ничего не надо, все и так ясно. В интересующем нас случае мы, напротив, имеем дело с некоторой хитрой схемой, в конечном итоге вносящей ощутимый вклад в общую эффективность; потому игнорировать электрические параметры здесь никак нельзя.
К световым параметрам прежде всего относится полный световой поток лампы ([total] luminous flux). Если по-простому, характеризует, сколько же света она излучает в целом во все стороны. Параметр это интересный и полезный, однако надо сказать, что простому смертному он мало что поясняет. Измеряется поток в идеально сферическом фотометре (правда, не в вакууме), и потому к поведению лампы в обычном светильнике имеет несколько опосредованное отношение. Самое ценное для нас применение оного – сравнение разных ламп по светоотдаче (о которой далее). Единица измерения – люмен (lm).
С точки зрения пользователя гораздо более интересен такой параметр, как освещенность (illuminance) – показатель того, насколько ярко лампа что-то освещает. На самом деле это, конечно, не относится к характеристикам самой лампы, а зависит в том числе и от конструкции светильника, расстояния от него до освещаемой поверхности, расположения этой самой поверхности и прочего, вроде коэффициента отражения окружающих предметов. Поэтому как-либо обобщить его сложно. Измеряется освещенность в люксах (lux, lx). Уровни освещенности нормируются санитарными правилами и нормами.
Световая отдача (luminous efficacy) – важный параметр, световой КПД лампы. Показывает, сколько света лампа выдает на один Ватт потребляемой мощности. Измеряется в люменах на Ватт. Абсолютный теоретический предел световой отдачи равен 683 лм/Вт. Правда, эта цифра справедлива только для монохроматического источника зеленого цвета. Для источника белого света, который, разумеется, с позиций общего освещения интересен более всего, теоретический максимум составляет около 240 лм/Вт.
Цветовая температура (CT, CCT – [correlated] color temperature) – если по простому, показывает оттенок излучаемого света, от красноватого до синеватого. Измеряется в Кельвинах. Надписи на упаковках ламп «2700K», «4200K», «6500K» — это про нее. Почему цвет измеряется в единицах температуры? Смысл в следующем: если нагреть абсолютно черное (неотражающее) тело до указанной температуры, то оно будет светиться таким же цветом, как и тот световой прибор, на котором написаны эти цифры.
Цветовая температура 2700 — 3000 Кельвин соответствует классическому оттенку ламп накаливания. Лампы накаливания, к слову, и не дают в этом смысле особого выбора – свет в них получается в результате настоящего нагревания, а нагреть вольфрам до температуры более примерно трех тысяч Кельвин не получится — при 3700K он уже плавится, а нить накаливания в процессе работы все же должна сохранять достаточную механическую прочность. В светодиодных и люминесцентных лампах процесс получения света не связан с нагреванием непосредственным образом, потому возможно получение любого оттенка.
Для справки, цветовая температура около 4200K соответствует утреннему солнцу, а за 6500K принят стандартный дневной свет.
Коррелированная цветовая температура – термин, применяемый к источникам с линейчатым спектром (газоразрядные лампы), к которым классическое определение цветовой температуры, строго говоря, неприменимо. В смысле восприятия глазом означает то же самое.
Вообще, выбор цветовой температуры ламп для домашнего освещения – вопрос субъективный. Можно только порадоваться, что современные технологии дают нам возможность выбирать.
Индекс цветопередачи (CRI, color rendering index) – показывает, насколько цвета, наблюдаемые в свете искусственного источника освещения, будут близки к тем, которые мы наблюдаем при свете солнца. Измеряется в относительных единицах либо процентах; идеальное значение, соответствующее солнечному свету, – 100% или 1. Этот параметр – пожалуй самый субьективный из объективных параметров освещения. Тестируется он на специально определенных цветах, некоторые из которых имеют поэтичные описания вроде «цвет увядшей розы». Если говорить о его практической значимости, то дело вот в чем: наверняка многим знакомо ощущение, что лампа светит вроде как ярко, но при этом совершенно «не освещает». Именно за это отвечает индекс цветопередачи. В целом можно сказать, что все, у чего CRI выше 80%, будет именно освещать, а не просто светить.
Вообще же цветовая температура и индекс цветопередачи – субъективные по восприятию параметры. Так что тут просто надо пробовать и остановиться на том, что больше нравится.
Пульсации светового потока – из-за того, что напряжение в сети переменное, лампы могут мерцать. Низкочастотные пульсации плохи по многим причинам, одна из которых – упоминавшийся в «исторической» части стробоскопический эффект. Разумеется, производители всеми силами стараются сделать световой поток светильника как можно более равномерным. Измеряются пульсации светового потока в процентах; на пульсации также существуют санитарные нормы.
На этом со световыми параметрами ламп можно закончить и перейти к электрическим характеристикам. Из них наибольший интерес представляют КПД схемы управления и коэффициент мощности.
С КПД схемы управления все понятно – можно поставить в лампу самые лучшие светодиоды на свете, но свести все их преимущества в ноль схемой стабилизации тока, расходующей больше мощности, чем сами излучатели. Имеряется КПД, как известно, в процентах, вычисляется как отношение мощности на выходе к мощности на входе. Идеальное значение, разумеется, 100%.
Коэффициент мощности, «косинус фи» (PF, power factor) – более тонкая материя. Скажем так, он показывает, насколько разумно и аккуратно устройство распоряжается сетевой энергией. Дело в том, что, как уже говорилось, современная продвинутая лампа – это не резистор, потребление тока оной носит сложный характер; при этом потребляемый ток часто не совпадает по форме и фазе с сетевым напряжением. Не вдаваясь (пока что) в подробности скажу, что это приводит к хитрым эффектам, которые в глобальном масштабе могут доставить много головной боли энергетическим компаниям. По простому – чем больше коэффициент мощности, тем лучше. Измеряется он в процентах или относительных единицах, идеальное значение – 100% или 1. Единичный коэффициент мощности имеет простое сопротивление без емкостных и индуктивных составляющих. Для сети это самая дружелюбная нагрузка. Предельное значение коэффициента мощности, которое еще можно считать приличным, составляет 0,8 (ГОСТ 13109-97).
В целом, перечисленные параметры можно считать основными численными характеристиками, описывающими качество светильника. Конечно, сюда еще стоит добавить такие категории, как качество исполнения а также красота и «правильность» схемотехники, но это уже чисто субъективные соображения, которые, вообще говоря, находят некоторое отражение и в объективных параметрах. Кроме того, конкретно для светодиодных ламп необходимо оценивать и качество охлаждения, поскольку оно непосредственно сказывается на эффективности и сроке службы.
На этом пока что все. Если у читателей обнаружится интерес к предложенной мной тематике, то в следующих статьях мы оценим, как параметры, конструкция и схемотехника некоторых распространенных светодиодных ламп соотносятся с вечными идеалами.