Kaip LED taikyti dabar ir ateityje?
Jeigu mes domimės Šviesą Spinduliuojančių Diodų (toliau tekste LED, pagal priimtą sutrumpinimą iš anglų kalbos (Light Emitting Diodes) gamintojų informacija, naujai atrastos šių mažučių šviesos šaltinių savybės suteiks visiškai naujų galimybių taikant juos apšvietimo projektuose. Jeigu mes pasiduosime euforinei prognozei, tai galime manyti, kad jau esame apšvietimo inžinerijos ir technologijos revoliucijos išvakarėse. Tačiau būtų pats laikas atidžiau pažiūrėti į šiuos naujuosius šviesos šaltinius ir nuspręsti, kokios iš tikrųjų jų galimybės.
Kai technologijos vystosi tokiu dideliu greičiu, daug naudotojų, siekdami žinių ir supratimo apie pateikiamą produkciją, susiduria su sunkumais ir mėgina įvertinti šviesos šaltinius, taikydami juos ne pagal pagrindinę paskirtį. Tokiais atvejais naujovišką šviesos šaltinį visuomet būna sunkiau pritaikyti. Teisingas pasirinkimas yra galimas, kai sistemos yra optimizuojamos, kad būtų geriausiai panaudotos naujo šviesos šaltinio savybės.
Bandysime apžvelgti, kokios naujos LED dizaino galimybės siūlomos sprendžiant dažniausiai pasitaikančias apšvietimo užduotis, kokie jų privalumai ir trūkumai, lyginant su atitinkamais šviesos šaltiniais, ir kokias naujas technologijas naudotojai turėtų įsisavinti, kad galėtų pritaikyti šiuos šviesos šaltinius optimaliai.
LED savybės ir jų raidos situacija
Savybės ir privalumai, kurie yra būdingi LED ir turi bei turės reikšmingos įtakos apšvietimo sistemoms ir jų dizainui:
1. Maži matmenys
2. Nedidelis šviesos srautas iš vieno. LED.
3. Aukštas šviesos efektyvumas lyginant su šviesos šaltiniais, kurių galia vatais yra panaši.
4. Sukuriama bet kokios spalvos šviesa su labai aukštu šviesos efektyvumu.
5. Ilgas naudojimo laikas iki 100 000 val.
6. Labai greitas šviesos pokytis (aukšto dažnio srityje)
7. Tiesioginis elektros srovės tiekimas.
8. Pastovaus jėgos šaltinio valdymas ir
9. Nuoseklus ir lygiagretus bet kokio LED skaičiaus jungimas prie vieno jėgos šaltinio.
Efektyvumo laipsnis, kuriuo šviesos šaltinis transformuoja elektros jėgą į šviesą, yra pagrindinis šviesos šaltinio požymis. Šiandien geriausieji LED turi šviesos efektyvumą 100-125 lm/W, o tai reiškia, kad jie pasiekia žymiai aukštesnį lygį, nei volframinės kaitinamojo siūlo lemputės ūlelio ir halogeninės lempos, lyginant su kitais galimais šviesos šaltiniais(žr. lent. 1). Reikia atkreipti dėmesį, kad LED spinduliuoja šviesą tik hemisferoje, tuo tarpu kiti šviesos šaltiniai spinduliuoja praktiškai tą patį šviesos kiekį sferiškai. Tai reiškia, kad LED šviesos efektyvumas yra 10-30 procentų geresnis nei kai kurių kitų šviesos šaltinių.
1 lentelė.Galimų šviesos šaltinių ir LED palyginimas
| Šviesos šaltinis | Lempos galingumas vatais | Šviesos srautas lumenais | Matmenys mm (skersmuo) | Lempos ilgaamžiškumas* val. |
| LED | 1—30 | 50-3000 | 7×5 | Daugiau nei 20 000 |
| Halogen QT9 | 5,0 | 60 | 33×10 | 4 000* |
| CFL dviguba lempa | 5,0 | 250 | 34x21x85 | 15 000* |
- Ilgqaamžiškumas prklauso nuo gaminimo kokybės
2 lentelė. Modernių dienos šviesos šaltinių efektyvumas.
| LED | 80-120 lm/W |
| Kaitinimo siūlelio ir halogeninės lempos | 10-20 lm/W |
| Fluorescencinės lempos | 50-100 lm/W |
| Aukšto slėgio lempos | 80-150 lm/W |
| Dienos šviesos lempos | 95-108 lm/W |
| Idealius šviesos šaltinis | 680 lm/W |
LED spalvą perduodančios savybės su dienos šviesos balta arba neutralia balta šviesa gali būti priskiriamos prie vidutiniškai gerų, tuo tarpu, kai šiltos baltos spalvos LED gali būti laikomos “katastrofiškomis”.
Maži LED matmenys, pridėjus labai gerą šviesos efektyvumo įvertinimą ir tą faktą, kad LED šviesa gali labai greitai keisti spalvą bei intensyvumą, o diodai turi labai ilgą aptarnavimo laiką, reiškia, kad šie mažučiai šviesos šaltiniai suteikia galimybę naudoti juos daugybėje visiškai naujų apšvietimo pritaikymo variantų. Priežastys, kodėl dizaineriai ir išpildytojai susilaiko taikyti LED, yra įvairios.
Individualūs LED sukuria santykinai mažą šviesą, o architektūroje reikia didelio jų skaičiaus. Nors LED yra maži ir didelis jų skaičius gali būti sugrupuotas vienoje plokštėje, jų taikymas kartu yra ribojamas. Taip yra todėl, kad reikia labai daug elektros laidų ir išsiskiria daug šilumos. Dar daugiau LED panaudojimas yra ribojamas, kai reikia sukurti vienodai apšviečiamą paviršių iš bet kuriuo kampu pasukto šviestuvo.
Realus palyginimas LED su įprastais šviesos šaltiniais gali būti atliktas tik tuo atveju, jei jūs nustatysite matmenis, reikalingus šviestuvui, kai matuojamos realios techninės savybės, tokios kaip elektros pavertimas šviesa kvadratiniame metre [W/m2], šviesos srautas kvadratiniame metre [lm/m2], šviesos intensyvumas kvadratiniame metre [cd/m2]. Aišku, kad LED šviestuvai gali būti įrengti, jei juos techniškai galima palyginti su šviestuvais, naudojančiais įprastus modernius šviesos šaltinius, išskyrus tuos atvejus, kai tam tikram aukštyje matmenys atrodo žymiai mažesni. Tuomet atsiveria nauji horizontai, sietini ir su dizainu.
Kokios plėtros galimybės?
Šiuo metu gamintojai siūlo labai įvairių spalvų ir intensyvumo LED. Išskirtiniu LED pritaikymo atveju būtina padaryti detalų ir brangų LED rinkinį su tomis pačiomis savybėmis. Platesniam LED pritaikymui spalvų, intensyvumo pokyčiai turi būti suderinti taip, kad jie nebūtų pastebimi rinkiniuose. Kaina taip pat visuomet turi būti nustatyta remiantis atitinkančiu laikmetį pasirinkimu, dizaino idėja.
Mažučiai puslaidininkiniai kristalai generuoja didelį šilumos kiekį. Tokį didelį, kad iš tikrųjų gali pakenkti aptarnaujančiam personalui ir operatoriams. Papildomi šilumos šaltiniai iš aplinkos (pvz. saulės radiacija arba radiatoriai žiemos metu) galėtų sukelti nepageidaujamų pasekmių. Panašiomis sąlygomis įprasti šviesos šaltiniai generuoja ne mažesnį šilumos kiekį. LED kristalai generuojantys šviesą, yra puslaidininkiniai. Dėl žemos leistinos valdymo temperatūros, LED reikia gero šiluminio kontakto su įrenginio metaliniu paviršiumi. Šiluminio efekto optimalus mažinimas ir lemia galimybę pasiekti aukštą apšvietimo tankį, bet itin plonos vielutės prie kristalų nepadeda tinkamai išsklaidyti šilumai. Daugybė šiandien naudojamų LED gali būti pritaikomi tik nuo 0,1 iki 0,2 vato. Aukštesnis galingumas neišvengiamai veda prie pirmalaikio gaminio susidėvėjimo dėl perkaitimo, jei nenaudojami papildomi radijatoriai.
Jautrūs LED rinkiniai yra pateikiami su didelio aušinimo elementais ir stipriais ventiliatoriais, kad būtų palaikoma reikiama temperatūra. Temperatūrų matavimai turi būti atlikti, kai konstruojamas LED šviestuvas. Įmontuodami diodą, LED gamintojai turi būti užtikrinti, kad šiluma galės išsiskirti per metalines šviestuvo dalis. Tai reiškia, kad ypatingas dėmesys turi būti skiriamas vidiniam puslaidininkinio kristalo kontaktui.
Esant būtinybei yra kontroliuojamas šilumos išsiskyrimas ir galbūt net ribojamas galios maksimumas, kurį individualus LED gali turėti. Daugelyje LED šviestuvų, atrodytų, jis turėtų būti tarp dviejų ir penkių vatų. 1 lentelė rodo, kad prekyboje jau yra LED, peržengusių šią ribą. Kita priežastis, dėl kurios nereikėtų gaminti daug galingesnių LED bus aptarta žemiau.
Šiltos baltos spalvos LED spalvą suteikiančios savybės dar nėra pakankamai geros pritaikymams viduje, nors kai kurie gamintojai paskelbė, kad jie pateiks pagerintus šiltos baltos spalvos LED prekybai LED, kurie keičia spalvą plačiu diapazonu, būtų sveikintini daugelyje sprendimų. Iki šiol naudotojai yra priversti daryti lygiagrečiai šviečiančias skirtingas spalvas. Be abejo, šviesos šaltinių matmenys varijuoja tokiu mastu, kad atskiri spalvoti šviesos taškai nepastebimai susilieja į vieną šviesos šaltinį stebėtojo akyse. LED dabar yra tinkami ten, kur trys spalvoti LED yra integruoti į vieną korpusą.
Kadangi yra domimasi šviesos efektyvumu, apšvietimo sprendimai su LED yra apie 10 kartų brangesni nei tie, kurie naudoja kitus šviesos šaltinius. Vieno vato LED kaina yra apie 10 eurocentų / liumenui ir tai iš tikrųjų mažesnė kaina negu šviesos šaltinių su palyginamais apšvietimo srauto lygiais, bet didesnė negu šaltinių su aukštais apšvietimo srauto lygiais. Šiuo metu patogu kaip šviesos šaltinį naudoti LED, jeigu negalima naudoti įprasto šviesos šaltinio. Ir net nereikia lyginti kainų. Tačiau specialus dizainas turėtų išlyginti aukštą kainą. Štai kodėl kūrybiškumas ir neįprastas dizainas ir yra tai, kas atsiperka.
Kadangi dauguma apšvietimo atvejų reikalauja didelio LED skaičiaus, kad būtų gauti reikiami apšvietimo lygiai, LED turėtų būti prijungti pigiai, bet saugiai. Visais pritaikymo atvejais galimas tik nedidelis gedimų skaičius, taigi tikėjimas, kad jie turi padidinto ilgaamžiškumo pirmenybę, yra patvirtintas. Ji mažėja proporcingai su kiekviena papildomai prilituota jungtimi ir labai greitai tampa nepriimtina. Saugi, bet pigi jungimo technika turėtų taip pat garantuoti gerą šilumos išsisklaidymą.
Kaip jau minėta, dauguma apšvietimo pritaikymo atvejų reikalauja didelio skaičiaus LED, kad būtų pasiekas reikiamas apšvietimo srautas. LED yra surenkami į rinkinius. Iš anksto gali būti numatoma supakuoto rinkinio dydis ir forma: kvadratas, stačiakampis, apvalus ar linijinis. Reikiami sujungimai turi būti atliekami laidais. Tai yra svarbu, todėl reikia pasidomėti, lempos ar LED šviestuvai yra rinkinyje. Ši problema nejaudina dizainerių, bet tai yra priežastis, kodėl apšvietimo pramonė, atrodo, taip mažai rūpinasi LED išvystymu. Reikia pažymėti, kad apšvietimo gamintojai nuperka rinkinius iš LED gamintojų ar kompanijų, gaminančių LED, už nemažą sumą. Artėjama prie santykio 1:4 tarp šviestuvų ir lempų kainų, kuris iki šiol, lyginant šviestuvų ir lempų kainas buvo priešingas. Dėl to ir nekelia nuostabos, kad šviestuvų gamintojai nelabai trokšta reklamuoti LED šviestuvus.
Beveik visiems apšvietimo atvejams reikia optinės sistemos, kuri užtikrintų atitinkamą šviesos pasiskirstymą tam tikroje situacijoje. Tai reiškia, kad optinių sistemų rinkinys (mikrolinzės) turi būti pagamintos kiekvienam LED rinkiniui. Šiai aukšto tikslumo optikai gaminti reikalingi brangūs įrankiai, o juos tiekti apsimoka tik tada, kai jie perkami dideliais kiekiais. Dideles investicijas sau leisti gali tik finansiškai stiprios kompanijos.
Yra ir kita priežastis, kodėl kompanijos nesiryžta pasirinkti LED šviestuvų. LED gamintojai išvysto ir tiekia tokias optines sistemas, kurios padeda išbalansuoti kainą. Kad būtų išvystyta mikrooptika, reikalingas specifinis patyrimas ir, kaip minėta, brangūs įrankiai. Apšvietimo gamintojai gali tik keisti aukščiau paminėtą kainos disbalansą kaip paslaugą, jeigu jie patys turi pakankamą kiekį savo gaminių. Tai galima daryti tik remiantis LED gamintojų kaina. Apšvietimo pramonė turėtų rimčiau žiūrėti į mikrooptikos vystymą, bei litavimo ir laidų panaudojimo techniką. Tik tada jie galės užsidirbti šiek tiek pinigų iš LED gaminių pardavimo.
Bet tai reikalauja pasikeitimų apšvietimo pramonės struktūroje ir mąstyme. Apšvietimo filosofija turi būti orientuota ne į šviesos kiekį, o į kokybę.
