Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Про электричество | Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Обучение электриков | Контакты



Свет предоставляет бесконечное количество способов создать определенную атмосферу в помещении и на улице, повлиять на настроение людей, выделить определенные объекты или обеспечить безопасность. В профессиональной сфере он вносит важный вклад в создание здоровой, продуктивной и эффективной рабочей среды. Дизайн освещения, его гибкость, энергоэффективность, практическая применимость и долговечность играют важную роль в коммерческих и общедоступных помещениях.

 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Технические и научные статьи / Электрическое освещение / Светодиоды будущего: правда и мифы о сверхэкономичных источниках освещения


 Школа для электрика в Telegram

Светодиоды будущего: правда и мифы о сверхэкономичных источниках освещения



Современные светодиодные технологии вплотную приблизились к фундаментальным физическим пределам эффективности преобразования электрической энергии в световую.

Для белого света этот теоретический максимум составляет 300-320 люмен на ватт, что обусловлено базовыми законами фотоники и квантовой механики, а не временными технологическими ограничениями. Часто встречающиеся в популярных источниках утверждения о скором появлении светодиодов с эффективностью (световой отдачей) 500 люмен на ватт и более вступают в прямое противоречие с принципом сохранения энергии и фундаментальными особенностями спектрального состава белого света.

Дальнейший прогресс в этой области возможен преимущественно за счет улучшения качественных характеристик света — цветопередачи, равномерности спектра, стабильности параметров — а не за счет дальнейшего количественного увеличения светоотдачи.

Светодиоды для освещения

Перспективные научные разработки в области нитридных полупроводниковых материалов и квантовых точек действительно позволяют приближаться к физическому пределу эффективности с минимально возможными энергетическими потерями.

Новые гетероструктуры на основе сложных соединений алюминия, индия, галлия и фосфора демонстрируют рекордные значения внутреннего квантового выхода, достигающие 99% для монохроматического излучения определенных длин волн.

Однако ключевая проблема заключается в неизбежных энергетических потерях при преобразовании этого узкополосного излучения в качественный белый свет, что связано с фундаментальными ограничениями, описываемыми законами Стокса-Ломмеля о преобразовании длины волны излучения.

Суть проблемы заключается в том, что при переходе от излучения с одной длиной волны (обычно коротковолнового, например, синего или ультрафиолетового) к более длинноволновому излучению (например, жёлтому, зелёному или красному), часть энергии неизбежно теряется.

Это связано с тем, что фотон с более короткой длиной волны обладает большей энергией, чем фотон с более длинной длиной волны. При преобразовании энергии фотонов в процессе люминесценции или флуоресценции часть этой энергии рассеивается в виде тепла или других неиспользуемых форм энергии.

В контексте светодиодов, особенно белых LED, часто используется принцип возбуждения узкополосного синего или ультрафиолетового излучения с последующей конверсией этого излучения в широкий спектр, который воспринимается человеческим глазом как белый свет. Однако при этом часть энергии теряется из-за описанных выше процессов, что снижает общую эффективность преобразования и приводит к дополнительному нагреву устройства.

Мифы и реальность "вечных" светодиодов

Широко распространенное в массовом сознании убеждение о практически неограниченном сроке службы светодиодных источников света требует серьезной научной корректировки.

Хотя сам полупроводниковый кристалл действительно способен сохранять работоспособность в течение десятков тысяч часов, реальный эксплуатационный ресурс светодиодного изделия в сборе определяется совокупностью различных факторов, каждый из которых вносит существенный вклад в общее снижение надежности.

Основными факторами, ограничивающими срок службы светодиодных устройств, являются несколько взаимосвязанных процессов, которые постепенно снижают их эффективность и надёжность.

Во-первых, постепенная деградация люминофорных покрытий под воздействием высокоэнергетического синего излучения является одной из ключевых проблем. Люминофоры, отвечающие за преобразование синего света в широкий спектр белого, со временем теряют свою яркость и способность эффективно преобразовывать свет, что приводит к снижению светового потока и ухудшению цветопередачи.

Во-вторых, неизбежное старение оптических материалов, таких как полимерные линзы и рассеиватели света, также существенно влияет на долговечность светодиодных систем. Под воздействием температуры, ультрафиолетового излучения и окружающей среды эти материалы могут желтеть, трескаться или терять прозрачность, что снижает качество и интенсивность выходящего света.

Третьим важным ограничивающим фактором являются коррозионные процессы в контактных системах. Влажность, загрязнения и химические реакции могут вызывать окисление и разрушение контактов, что приводит к ухудшению электрического соединения, повышенному сопротивлению и, в конечном итоге, к отказу устройства.

Кроме того, постепенная деградация электронных компонентов драйверов — управляющих схем, обеспечивающих стабильное питание светодиодов — также сокращает срок службы всей системы. Электронные компоненты подвержены тепловым и электрическим нагрузкам, которые со временем вызывают ухудшение их характеристик и выход из строя.

Дополнительным значимым фактором, влияющим на реальный срок службы светодиодных устройств, являются термоциклические нагрузки на полупроводниковый кристалл.

При повторяющихся циклах включения и выключения происходит постоянное изменение температуры, что вызывает механические напряжения внутри структуры полупроводника. Эти напряжения могут приводить к появлению микротрещин, расслаиванию слоёв и другим дефектам, ухудшающим электрические и оптические свойства кристалла. В результате такие термоциклические воздействия ускоряют деградацию и сокращают срок службы светодиодов.

Эволюция вместо революции

Будущее развитие светодиодного освещения лежит не в области прорывного увеличения энергетической эффективности, которое уже близко к теоретическому пределу, а в последовательном совершенствовании целого ряда ключевых характеристик.

Основными направлениями прогресса станут улучшение спектрального качества излучения и показателей цветопередачи, что особенно важно для медицинских и специализированных применений.

Значительный потенциал кроется в развитии систем интеллектуального управления и регулирования параметров освещения, позволяющих оптимально адаптировать световой поток под конкретные задачи и условия.

Отдельное внимание будет уделено вопросам экологической безопасности производственных процессов и разработке эффективных систем утилизации отработанных светодиодных изделий.

Важным трендом станет глубокая интеграция светодиодных источников с системами "умного" освещения и интернета вещей.

Настоящая революция в области искусственного освещения произойдет не тогда, когда будут достигнуты новые рекорды светоотдачи, а когда светодиодные технологии научатся точно воспроизводить полный динамический спектр естественного солнечного света во всем его богатстве и изменчивости, а не просто демонстрировать высокие значения светового потока на ватт потребляемой мощности. Для этого потребуются совершенно новые методы проектирования светодиодных структур и разработки систем управления их параметрами в режиме реального времени.

Смотрите также: Будущее освещения: прогноз развития технологий 

Андрей Повный

Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram "Современное освещение" и погружайтесь в мир инновационных технологий и стильного дизайна света! Подписывайтесь, чтобы быть в курсе последних трендов: Современное освещение в Telegram