Renkamės LED apšvietimą

Šviesos diodai

Pažintį su LED technologija ir populiariausiomis galimybėmis verta pradėti nuo pirmųjų produktų – paprasčiausių šviesos diodų. Atsivertus fizikos vadovėlį, jame nesunkiai surasime paaiškinimą, jog šviesos diodas – tai puslaidininkis, skleidžiantis šviesą, kai per jį teka elektros srovė.

Pirmą kartą šis efektas, dar vadinamas elektroliuminescencija, pastebėtas 1907 m. Efektą atrado britų eksperimentatorius H. J. Roundas atlikdamas laboratorinius eksperimentus su silicio karbido kristalu. Tačiau po šio atradimo dar praėjo ne vienas dešimtmetis, kol mokslininkams pagaliau pavyko surastą efektą pritaikyti praktinėms reikmėms. Tad pirmieji regimosios šviesos diodai rinkai buvo pristatyti kaip elektronikos komponentai tik 1962 metais.

Tai buvo raudoni šviesos diodai, skleidžiantys mažo intensyvumo šviesą. Laikui bėgant, atsirado ir kitų spalvų šviesos diodų (tokių diodų pavyzdžiai pavaizduoti 1 paveiksle). Pirmieji šviesos diodai nepajėgė apšviesti didesnes erdves, tad šioje srityje nekėlė jokios grėsmės tuo metu labai paplitusioms kaitrinėms lemputėms. Tačiau šviesos diodai nesunkiai įsitvirtino kitose srityse, pavyzdžiui, elektroniniuose laikrodžiuose, įvairių prietaisų ekranų apšvietimui, elektronikos prietaisų būsenos indikacijai ir t. t.

Šviesos diodų skleidžiamas šviesos srautas iš pradžių tesiekė 0,1 lm (liumeno) ir tik 1985 metais pavyko pagaminti tokių diodų, kurių šviesos srautas padidėjo iki 1-100 lm. Tokius diodus jau buvo galima pritaikyti ne tik indikacijai, bet ir kai kurioms apšvietimo reikmėms, pavyzdžiui automobiliniuose žibintuose. Tačiau jų kaina, šviesos srautas ir spektras, o ir patikimumas dar negalėjo varžytis su įprastinėms kaitrinėms lempomis.

Situacija dar labiau pasikeitė 1990 metais, kuomet rinkoje atsirado šviesos diodai, kurių efektyvumas pasiekė 10 lm/W (liumenai vatui). Šie šviesos diodai jau galėjo būti plačiau pritaikomi apšvietimo reikmėms. Neilgai trukus sukurti ir 20 lm/W efektyvumu pasižymintys šviesos diodai. Šiuo metu rinkoje yra įvairių charakteristikų šviesos diodų - jų efektyvumas gali siekti apie 100 lm/W ar net 300 lm/W.

Didėjant efektyvumui, kartu augo ir šviesos diodų galingumai, keitėsi jų forma. Didesnio galingumo šviesos diodai tapo stambesni, teko permąstyti jų aušinimo būdus. Pvz., 1 W galios šviesos diodai (2 pav.) pagal savo išvaizdą gerokai skiriasi nuo pirmųjų mažos galios analogų (1 pav.)

LED lemputės

Padidėjus šviesos diodų efektyvumui bei skleidžiamos šviesos srautui, pradėtos gaminti LED lempos, kuriose į vieną erdvę inžinieriai sutalpindavo kelioliką ar keliasdešimt įprastinių šviesos diodų. Taip būdavo sukoncentruojamas pavienių diodų šviesos srautas, kurio visiškai pakakdavo patalpų apšvietimui.

Iš pradžių LED lemputės buvo gaminamos su daug mažos galios diodų, vėliau pradėta gaminti su vienu ar keletu didelės galios šviesos diodų.

Dar ir šiandien rinkoje galima rasti LED lempučių su mažos galios šviesos diodais, tačiau tokios lemputės efektyvumu bei patikimumu gerokai nusileidžia didelės galios šviesos diodų lemputėms. Taip yra todėl, kad mažos galios šviesos diodai apšvietimui netinka dėl kelių priežasčių:

1. Per mažas naudojamų šviesos diodų galingumas. Norint išgauti reikiamą šviesos srautą su mažos galios šviesos diodais, lemputėje tenka labai stipriai didinti naudojamų šviesos diodų skaičių. O kuo daugiau šviesos diodų, tuo didesnė ir pačios lemputės gedimo tikimybė. Mat kaip ir tradicinėse papuošimo girliandose naudojamas nuoseklus šviesos diodų jungimas. Tokioje grandinėje perdegus bent vienam šviesos diodui, iš karto nutrūksta elektros grandinė ir LED lemputė užgęsta.
2. Nėra aušinimo galimybės. Nors šviesos diodai išskiria žymiai mažiau šilumos, nei kaitrinės lemputės, tačiau naudojant juos apšvietimui jie vis tiek kaista ir neišvengiamai tenka juos aušinti. Didelės galios šviesos diodai turi specialius šilumos nuvedimo padus (2 pav.), kuriais šiluma nuo kristalo yra nuvedama į aušinimo radiatorių. Mažos galios diodai šio pado neturi, taigi iš kristalo šiluma sunkiai pasišalina ir dėl to ilgai veikdamas žymiai greičiau perkaista ir sugenda.
3. Netinkamas šviesos spalvos spektras. Mažos galios šviesos diodai buvo sukurti indikacijos tikslams, o ne apšvietimui, taigi jais išgaunamas baltos spalvos šviesos diodų spektras yra nemalonus akiai – dažnai melsvas arba žalsvas. Prie tokio šviesos spektro apšvietimo žmogus jaučiasi nejaukiai.
4. Mirganti šviesa. Lemputės, kurios naudoja mažos galios šviesos diodus skleidžia mirgančią šviesą. Visa bėda lemputės maitinimo grandinėje – tokiose lempose yra nenaudojami stabilizuoti maitinimo šaltiniai. Tuo tarpu didelės galios šviesos diodų lemputės šių trūkumų neturi.

Iš kokių šviesos diodų pagaminta LED lemputė turėtų paaiškinti jų pardavėjas, tačiau daug ką galima suprasti ir patiems iš lemputės išvaizdos. Kaip atrodo tipinės abiejų tipų lemputės galima išvysti 3 ir 4 paveiksluose.

Pereinant prie LED apšvietimo reiktų nepamiršti, jog LED lempučių efektyvumas daug didesnis nei kaitrinių, todėl pasiekti tam pačiam šviesos srautui pakanka žymiai mažesnės galios. Tad pavyzdžiui, 100W galios kaitrinę lemputę kuo puikiausiai pakeičia 10W galios LED lemputė. Nors griežtos tiesinės priklausomybės nėra, tačiau bendrai orientacijai galima pateikiamą LED lempučių galią dauginti iš 10 ir taip sužinoti, kokį kaitrinės lemputės galingumą ji atitinka.

Šiuolaikinės LED lemputės skirtos tiek pagrindiniam, tiek ir foniniam patalpų apšvietimui. Lempučių kompaktiškumas leidžia jas naudoti beveik visur, kur naudojamos įprastos kaitrinės, halogeninės ar kitos lemputės. Jas galima pritaikyti ir dekoratyviniam apšvietimui, nes siūlomos ir spalvotos LED lemputės. LED lemputės pasižymi ir formų įvairove. Pavyzdžiui, halogeninės lemputės formą atitinkanti 3W LED lemputė pateikta 5 pav., o kaitrinės lemputės formos 7W LED lemputė – 6 pav.

LED lempučių galia priklauso nuo jos konstrukcijoje esančių šviesos diodų galingumo ir skaičiaus. Plačiausiai naudojami 1W šviesos diodai. Kiekvienoje lemputėje yra maitinimo šaltinis, kuris tiekia reikiamą įtampą ir srovę šviesos diodams. Maitinimo šaltiniai yra dviejų tipų: vartojantys 12V AC/DC srovę ir vartojantys 110/220V AC srovę. Nuo vidinio maitinimo šaltinio tipo priklauso pačios lemputės maitinimo įtampa. Kokybiškose LED lemputėse maitinimo šaltiniai automatiškai koreguoja į maitinimo įtampą priklausomai nuo šviesos diodų temperatūros bei kitų parametrų. Tai ilgina lempučių tarnavimo laiką ir didina patikimumą.

LED, kaip ir kitos lemputės, turi tam tikrą šviesos spektrą, kuris lemia šviesos spalvos temperatūrą. Ji nusakoma kelvinais (K). Paprastai LED lemputės turi keturias pagrindines spalvos temperatūras:

• 2600K – 2800K – gelsvai balta šviesa;
• 3200K – 3400K – šiltai balta šviesa;
• 4000K – 4200K – natūraliai balta šviesa;
• 5700K – 6300K – šaltai balta šviesa.

Populiariausias spalvos spektras vidaus patalpų apšvietimui yra 3200-3400K, lauko apšvietimui daugiausia naudojama natūraliai balta šviesa 4000-4200K.

Siekiant prisitaikyti prie rinkos poreikių, LED lemputės gaminamos su įvairiais cokoliais (7 pav.), tad norint pereiti prie LED lempučių, nereikia nieko keisti apšvietimo instaliacijoje.

Renkantis LED lemputes, reiktų atkreipti dėmesį ir į lemputės švietimo kampą, kuris parodo kokiu kampu yra išsklaidoma šviesos diodų sukurta šviesa. Šis kampas priklauso nuo LED lemputėje naudojamų lęšių. Kokybiškos LED lemputės šviesą išsklaido 35°, 45° ar net 120° kampais.

Naudojant LED lemputes, taip pat reikėtų žinoti keletą svarbių aspektų:

1. Lempučių jungimo grandinėse negalima naudoti jungiklių su šviesos indikacija, nes išjungus lemputes, jos ims mirgėti. Taip nutinka dėl to, kad išjungus jungiklį, LED lemputė yra prijungiama prie tinklo per indikacinį šviesos diodą su apsauginiu rezistoriumi, kuris apriboją tinklo srovę iki labai mažo dydžio, reikalingo indikaciniam šviesos diodui (8 pav). Nors tokio dydžio srovė yra per maža kaitrinėms lemputėms įžiebti, tačiau žymiai jautresnės LED lemputės jau ir nuo tokios srovės ima mirgėti.
2. LED lemputėms užžiebti reikia labai nedidelės įtampos, todėl bet koks tinkle susidaręs srovės nutekėjimas priverčia lemputę mirksėti. Tokie srovės nutekėjimai gali atsirasti senose elektros tinklo instaliacijose ar naudojant susidėvėjusius jungiklius.

LED lubiniai šviestuvai

Tobulinant LED lemputes inžinieriai žengė dar vieną žingsnį į priekį ir suprojektavo taip vadinamus LED lubinius šviestuvus (9 pav.), pritaikytus vidaus patalpų apšvietimui. Nuo LED lempučių jie skiriasi tuo, kad nebereikia papildomų šviestuvų ar rėmelių. Tai visiškai užbaigti šviestuvai su įmontuotais šviesos diodais ir maitinimo šaltiniu. Šviestuvų korpusas pasislepia lubose, ir išorėje lieka matomas tik rėmelis su šviesos diodais. Kokybiški ir modernūs LED šviestuvai turi galimybę reguliuoti švietimo kryptį viena ašimi, tai leidžia paskirstyti šviesą pageidaujamomis kryptimis. LED lubiniai šviestuvai gali būti didesnių galių nei LED lemputės. Taip yra todėl, kad didėjant šviestuvų galiai didėja ir reikalingo aušinimo radiatoriaus matmenys, kurie lubiniams šviestuvams nėra taip ribojami, kaip lemputėms.

LED juostelės

Dar vienas apšvietimo reikmėms pritaikomas techninis sprendimas – LED juostelės. Jos gali būti panaudotos kaip interjero ar eksterjero elementas arba tiesiog galima naudoti kaip dekoracijas patalpose, pastatuose ar reklaminėse iškabose. LED juostos puikiai tinka paslėptam perimetriniam apšvietimui, darbastalio apšvietimui virtuvėje, laiptų pakopų apšvietimui. Standartiškai LED juostelės yra tiekiamos susuktos po 5 metrus (10 pav.).

Juosteles sudaro lankstus pagrindas su laidžiais takeliais, šviesos diodais bei rezistoriais. Visos LED juostelės yra maitinamos 12V nuolatine įtampa. Dažniausiai juostelių maitinimui yra naudojami impulsiniai maitinimo šaltiniai, nes jie yra lengvi ir kompaktiški lyginant su transformatoriniais.