Використання світлодіодних ламп для енергозбереження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Протягом останніх десятиліть стало очевидно, що людська діяльність має суттєвий негативний вплив на природу. Це створило не лише місцеві та регіональні екологічні проблеми, а й почало відбиватися на глобальному рівні, прискорило процеси зміна клімату на планеті. Все зростаюче занепокоєння про збереження навколишнього середовища привело людство до усвідомлення необхідності глобального угоди про перехід до сталого розвитку цивілізації.

Енергозбереження - це найбільш дешеве зараз «джерело» енергії. Слідувати принципу «зробити більше з меншими витратами» буде вигідним для всіх.

В данному дипломному проекті розглядалося використання світлодіодних ламп для економії енергії. Необхідно було розглянути освітлювальни прилади різних типів і конструкцій зясувати їх переваги і недоліки. Світлодіодна лампа наразі є найперспективнішим освітлювальним приладим, чрез її високі значення ККД в порівнянні зі старими лампами розжарення та екологічну безпечність в порівнянні з компактними люмінесцентними лампами. Дати коротку характеристики екологічній ситуації та можливому впливу від запровадження світлодіодних ламп.

В процесі виконання дипломної роботи ми розрахуємо витрати на освітлення в залежності від вибраного типу освітлювального приладу, кількість вуглекислого газу який виділяється в атмосферу при виготовленні електроенергії та ін.

Зясуємо якими методами досягається отримання білого світла від світло діодів - основи світлодіодних ламп. Дізнаємося основи конструкції будь-якої сучасної світлодіодної лампи та розпишемо, який елемент за що відповідає.

1. Актуальність поставленої задачі

1.1 Проблема енергозбереження

забруднення навколишній світлодіод освітлювальний

Неефективне використання енергетичних ресурсів, споживання та експорт легкодоступної нафти, неекономне використання електроенергії підприємствами чи домогосподарствами змушують серйозно замислитись над проблемою енергозбереження у країні.

Енергетичний сектор економіки України потребує особливої уваги як з боку держави, так й індивідів. Важливим є використання альтернативних джерел енергії, пошук нових шляхів, способів постачання її державі.

Енергосистема України навіть за наявності палива не може достатньо забезпечити споживачів тими обсягами енергії, який вони потребують.

Закони України «Про енергозбереження», «Про енергетику» та «Про енергопостачання», законодавчі акти Верховної ради України, хоча і порушують проблему енергетики, проте на практиці особливих позитивних зрушень не виявляють.

Пошуки нових шляхів видобутку енергетичних ресурсів та збереження енергії розглядаються у працях таких дослідників, кандидатів економічних наук, вчених як О.П. Романюка, О.Є. Перфілоса, С.М. Срібнюка та інших.

Хоча і праці вище названих дослідників є важливим внеском у розв'язання енергетичної проблеми, проте значна частина з них має лише теоретичне значення. На практиці через брак коштів, кризу платежів, необґрунтовану амортизаційну політику, вони, на жаль, не були втілені в життя, а спроби їх реалізації не мали позитивного завершення.

Рівень розвитку енергетики має визначальний вплив на стан економіки в країні в цілому.

Для того, щоб вирішити питання енергозбереження, необхідно:

- прийняти такий законодавчий акт як закон України «Про енергоефективність», тобто дещо коректувати закон «Про енергозбереження»;

- необхідно внести зміни до закону «Про оподаткування прибутку підприємств»;

- насамперед вдосконалення потребує закон «Про комерційний облік ресурсів, передача яких здійснюється мережами».

- запроваджувати сучасні прилади та пристрої, які економлять енергію

У сучасних умовах держава має унікальне географічне та геополітичне значення та виступає транспортером паливно-енергетичних ресурсів.

Однак для забезпечення максимально ефективного розвитку економіки та підвищення якості життя населення до світових стандартів слід вирішити такі проблеми як:

- Недостатній рівень забезпечення власними паливно-енергетичними ресурсами і значна кількість імпортованих ресурсів;

- Необхідність створення стратегічних запасів для забезпечення енергетичної незалежності України;

- Високий рівень зношеності енергетичної інфраструктури та необхідність модернізації та реконструкції основних фондів;

- Недостатній рівень використання альтернативних видів палива та нетрадиційних джерел енергії;

- Високий рівень витрат енергоресурсів при їх виробництві, транспортуванні та споживанні, впровадження новітніх технологій, раціоналізація структури суспільного виробництва.

Для вирішення вищеподані проблем слід сформувати якісну стратегію щодо їх подолання, реформувати ПЕК відповідно до ринкових умов господарювання.

Перші кроки до зміни та модернізації були зроблені з прийняттям «Енергетичної стратегії України на період до 2030 року». Ця подія мала позитивне значення у регулювання енергетики України, адже до її прийняття не було чіткого плану щодо розвитку та функціонування енергетичної галузі. У ній розкрито багато цілей та завдань, напрямків проведення «перебудови».

Окремим розділом виділяють «Пріоритетні напрями та обсяги енергозбереження, потенціал розвитку нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії». Згідно з ним фактор енергозбереження є одним із визначальних для енергетичної стратегії України. Від його рівня залежить ефективне функціонування національної економіки.

Відповідно до прийнятої стратегії на даний час основним фактором зниження енергоємності продукції (послуг) в усіх галузях економіки є формування ефективно діючої системи державного управління сферою енергозбереження. Це дозволить, в першу чергу, удосконалити структуру кінцевого споживання енергоресурсів, зокрема, за рахунок подальшого розширення та поглиблення електрифікації в усіх сферах економіки шляхом заміщення дефіцитних видів палива з одночасним підвищенням ефективності виробництва.

Ми ж пропонуємо вирішити питання енергозалежності зниженням рівня її необхідності шляхом впровадження світлодіодних ламп.

1.2 Проблема забруднення навколишнього середовища

Забруднення природного середовища промисловими викидами надає шкідливийдію на людей, тварин, рослини, грунт, будівлі і споруди, знижуєпрозорість атмосфери, підвищує вологість повітря, збільшує кількість днівз туманами, зменшує видимість, викликає корозію металевих виробів.

Під забрудненням навколишнього середовища слід розуміти зміну властивостейсередовища (хімічних, механічних, фізичних, біологічних і пов'язаних зними інформаційних), що відбуваються в результаті природних абоштучних процесів і призводять до погіршення функцій середовища по відношеннюдо будь-якого біологічного або технологічного об'єкту. Використовуючи різніелементи навколишнього середовища у своїй діяльності, людина змінює їїякість. Часто ці зміни виражаються в несприятливому формізабруднення. За масштабами антропогенні зміни стають порівняннимиз природними, а в ряді випадків навіть перевищують їх, про що можна судити зтаблиці 1.

Таблиця 1.1 Надходження в атмосферу (тонн/рік) деяких компонентів, природного і промислового походження:

Компонент	Природній	Промисловий
Озон	2*109	Незначні
Двоокис вуглецю	7*1010	1,5*1010
Оксид вуглецю	-	2*108
Сірчистий газ	1,42*108	7,3*107
Сполуки азоту	1,4*109	1,5*107
Зважені в-ва	(770…2200)*106	(960…2615)*106

Природні процеси забруднення мають в природі антиподи, здатні нейтралізувати дію природного забруднювача, а багато речовин, створені людиною, є сторонніми по відношенню до природи.

Природні джерела забруднення зазвичай віддалені від місця існування людини, а антропогенні розташовані в районах концентрації населення.

Основні шляхи вирішення

Збільшення масштабів забруднення атмосфери вимагають швидких іефективних способів захисту її від забруднення, а також способівпопередження шкідливого впливу забруднювачів повітря. Атмосфера можемістити певну кількість забруднювача без прояви шкідливоївпливу, тому що відбувається природний процес її очищення.

Першим кроком у встановленні шкідливого впливу, пов'язаного із забрудненнямповітря, є розробка критерію якості повітря, а також стандартівякості.

Стандарти якості визначають рівні якості повітря і граничнодопустимі викиди (ПДВ), які необхідно витримувати для забезпеченнябезпеки життя.

Контролюючі органи зобов'язані здійснювати кількісний та якіснийконтроль.

Іншим підходом до поліпшення стану атмосфери є вимогазастосування передових технологічних процесів, заміна шкідливих матеріалівнешкідливими, застосування мокрих способів обробки сировини замість сухих.

Як правило, на промислових підприємствах використовуються процеси абопристрої для газоочистки і пиловловлення, щоб зменшити абозапобігти величину викиду. Процеси газоочистки можуть також зруйнуватиабо змінювати його хімічні та фізичні властивості так, що він стаєменш небезпечним

У деяких випадках використовують метод розсіювання в атмосфері. Димовітруби повинні бути досить високими (300-350 метрів), для забезпеченнягарного розведення домішок шляхом обтікання повітря навколо будинків у зоніаеродинамічних тіней. Крім того, необхідно враховувати температурувикидів і місце розташування труб. Підприємства будують з подветреннойсторони по відношенню до житлових районів. На ряді підприємств факельні газивикористовують для опалення будинків, а їх надлишок направляється натеплоцентраль.

Якщо впроваджувати енергозберігаючі технологоіїї (світлодіодні лампи) то можна зменшити кількість вуглекислого газу, що викидається у атмосферу.

За масштабами забруднення навколишнього середовища можна розділити на локальний, регіональне та глобальне. Ці три види забруднення тісно пов'язані міжсобою. Як правило, первинним є локальне забруднення, яке, якщошвидкість процесу забруднення більше швидкості природного очищення, переходить до регіонального і потім при накопиченні кількісних змін - в глобальну зміну якості навколишнього середовища. Для глобальногозабруднення найбільш важливим є тимчасовий чинник.

Існування таких процесів свідчить про обмеженість ресурсіватмосфери і про межах її природного самовідновлення. Наприклад, використання повітря у виробничих процесах здавна передбачалоприродні здібності атмосфери до відновлення первинних якостей.

Зокрема, димові викиди в атмосферу, що містять мікрочастинки ітоксичні речовини, являють собою не що інше, як метод розведення.

І навіть у наші дні при будівництві висотних і сверхвисотних трубпродовжують користуватися цим стародавнім методом. Однак різке зростанняобсягів викидів призвело до того, що масштаби забруднення впритулнаблизилися і навіть часто переступають межі самовідновленняатмосфери.

При сучасних рівнях забруднення шкідливі речовини від джерелазабруднення поширюється на десятки й сотні кілометрів. І навіть самепоняття джерело забруднення кілька змінює зміст. Якщо в якому-небудьпромисловому районі можна виділити точкові джерела забруднення, то вмасштабі регіону цілий промисловий район, наприклад велике місто, можерозглядатися як єдине джерело з системою точкових, лінійних

(автомагістралі) і групових джерел. Більше того, навіть весь регіон інавіть ціла країна може виступати в ролі єдиного джерела забруднення.

Сучасне індустріальне виробництво робить значнийвплив на природу в глобальних масштабах. Хоча більша частиназабруднюючих речовин і теплової енергії виробляється на обмеженійплощі, головним чином у промислових районах Північної Америки, Європи та

Азії, внаслідок особливостей циркуляції атмосфери і переміщень у водномуоболонці Землі значна частина деяких, відносно довго живутьзабруднюючих речовин розсіюється на величезних просторах і навіть по всій

Землі, приводячи до регіонального та глобального забруднення.

До теперішнього часу визначилися деякі важливі проблеми в областіантропогенного глобального забруднення навколишнього природного середовища, до числаяких відносяться:

1. Можливі зміни клімату у зв'язку з надходженням в атмосферу техногенного тепла, вуглекислого газу і аерозольних домішок.

2. Можливе порушення озонового шару Землі, пов'язане з надходженням в атмосферу фреонів, окислів азоту та деяких інших домішок.

3. Екологічні наслідки глобального забруднення природного середовища та біосфери радіоактивними речовинами, важкими металами і пестицидами.

4. Загальна проблема морського середовища атмосферними опадами, річковим стоком, наземним і морським транспортом.

5. Далекий атмосферне перенесення забруднюючих речовин і проблема кислотних опадів.

Таким чином, масштаби антропогенного впливу на навколишнє середовище ірівень випливає з цього небезпеки змушують шукати нові підходи дорозвитку технологічних процесів, які, будучи не менш ефективнимив економічному сенсі, у багато разів перевершували б існуючі поступеня екологічної чистоти. Фактично суперечність між економікою іекологією означає протиріччя між необхідністю гармонійного розвиткусистеми природа-людина-виробництво і недостатньою об'єктивноїможливістю, а часом і просто суб'єктивним небажанням такої гармонії насучасному етапі розвитку виробничих сил і виробничихвідносин.

2. Основні види освітлювальних пристроїв

Штучні джерела світла - технічні пристрої різної конструкції з різними методами перетворення енергії, основним призначенням яких є отримання світлового випромінювання (як видимого діапазону, так і з різною довжиною хвилі, наприклад інфрачервоного). В джерелах світла в основному використовується електроенергія, але також іноді використовується хімічна енергія та інші способи генерації світла (наприклад, триболюмінесценція, радіолюмінісценція та ін.). На відміну від штучних джерел світла, природні джерела являють собою природні матеріальні об'єкти: Сонце, Місяць, Полярні сяйва та _н..

Для отримання світла можливе використання різноманітних форм енергії, і в зв'язку з цим можна вказати на основні види (за використання енергії) джерела світла:

– Електричні: Електричний нагрів тіл розжарення або плазми. Джоулеве тепло, вихреві потоки, потік електронів та іонів;

– Хімічні: горіння (окислення) палива і нагрівання продуктів згоряння або тіл розжарення.;

– Електролюмінісцентні: безпосереднє перетворення електричної енергії в світлову (минаючи перетворення енергії в теплову) в напівпровідниках (світлодіоди, лазерні світлодіоди) або люмінофора, що перетворюють у світло енергію змінного електричного поля (з частотою звичайно від декількох сотень до декількох Герц кілогерц), або перетворюють у світ енергію потоку електронів (катодно-люмінесцентні);

– Тріболюмінесцентні: перетворення механічних впливів у світло;

– Біолюмінесцентні: бактеріальні джерела світла в живій природі.

До небезпечних факторів джерел світла можна віднести:

· Відкрите полум'я;

· Яскраве світлове випромінювання, небезпечне для органів зору і відкритих ділянок шкіри;

· Теплове випромінювання та наявність розпечених робочих поверхонь, здатних призвести до опіку;

· Високоінтенсивне світлове випромінювання, яке може привести до виникнення пожежі, опіку і поранення - випромінювання лазерів, дугових ламп та ін.;

· Горючі гази або рідини;

· Висока напруга живлення;

· Радіоактивність;

2.1 Лампа розжарювання

Лампа розжарювання - електричний джерело світла, в якому тіло розжарення (тугоплавкий провідник), поміщене в прозорий вакуумований або заповнений інертним газом сосуд, нагрівається до високої температури за рахунок протікання через нього електричного струму, в результаті чого випромінює в широкому спектральному діапазоні, в тому числі видиме світло. як тіла розжарення в даний час використовується в основному спіраль із сплавів на основі вольфраму.

В лампі використовується ефект нагрівання провідника (тіла розжарювання) при протіканні через нього електричного струму (теплова дія струму). Температура тіла рожарення різко зростає після включення струму. Тіло розжарення випромінює електромагнітне теплове випромінювання відповідно до закону Планка. Функція Планка має максимум, положення якого за шкалою довжин хвиль залежить від температури. Цей максимум зсувається з підвищенням температури в бік менших довжин хвиль (закон зміщення Віна). Для отримання видимого випромінювання необхідно, щоб температура була порядку декількох тисяч градусів. При температурі 5770 K (температура поверхні Сонця) світло відповідає спектру Сонця. Чим менше температура, тим менше частка видимого світла, і тим більше «червоним» здається випромінювання.

Частину споживаної електричної енергії лампа розжарювання перетворює в випромінювання, частина йде в результаті процесів теплопровідності і конвекції. Тільки мала частка випромінювання лежить в області видимого світла, основна частка припадає на інфрачервоне випромінювання. Для підвищення ККД лампи та отримання максимально «білого» світла необхідно підвищувати температуру нитки напруження, яка в свою чергу обмежена властивостями матеріалу нитки - температурою плавлення. Температура в 5771 К недосяжна, оскільки при такій температурі будь-який відомий матеріал плавиться, руйнується і перестає проводити електричний струм. В сучасних лампах розжарювання застосовують матеріали з максимальними температурами плавлення - вольфрам (3410° C) і, дуже рідко, осмій (3045° C).

Для оцінки даної якості світла використовується т.зв. колірна температура. При досяжних практично температурах 2300-2900 K випромінюється далеко не біле і не денне світло. З цієї причини лампи розжарювання випромінюють світло, яке здається більш «жовто-червоним», ніж денне світло. Однак лампа - точкове джерело, тому людині властиво зіставляти її світло зі горінням, приміром, багаття або свічки, ніж з масштабним сонячним. Тому світло такої температури не викликає роздратування при тривалому використанні.

Рисунок 2.1 - Конструкція сучасної лампи

На схемі: 1 - колба; 2 - порожнина колби (вакумована або заповнена газом); 3 - тіло розжарення; 4, 5 - електроди (струмові вводи); 6 - крючки-тримачі тіла розжарення; 7 - ніжка лампи; 8 - зовнішнє ланка струмовідводу, запобіжник; 9 - корпус цоколя; 10 - ізолятор цоколя (скло); 11 - контакт днища цоколя.

Конструкції ламп розжарювання дуже різні і залежать від призначення. Однак загальними є тіло розжарення, колба і Токоввод. Залежно від особливостей конкретного типу лампи можуть застосовуватися власники тіла напруження різної конструкції; лампи можуть виготовлятися бесцокольние або з цоколями різних типів, мати додаткову зовнішню колбу і інші додаткові конструктивні елементи.

У конструкції ламп загального призначення передбачається запобіжник - ланка з феронікелевого сплаву, вварена в розрив одного з струмовводів і розташоване поза колби лампи - як правило, в ніжці. Призначення запобіжника - запобігти руйнуванню колби при обриві нитки напруження в процесі роботи. Справа в тому, що при цьому в зоні розриву виникає електрична дуга, яка розплавляє залишки нитки, краплі розплавленого металу можуть зруйнувати скло колби і послужити причиною пожежі. Запобіжник розрахований таким чином, щоб при запалюванні дуги він руйнувався під впливом струму дуги, істотно перевищує номінальний струм лампи. Феронікелевий ланка знаходиться в порожнині, де тиск дорівнює атмосферному, а тому дуга легко гасне. Через малу ефективності в даний час відмовилися від їх застосування.



Рисунок 2.2 - Залежність довговічності і яскравості лампи розжарювання ві робочої напруги

Коефіцієнт корисної дії ламп розжарювання досягає, при температурі близько 3400 K, свого максимального значення 15%. При практично досяжних температурах в 2700 K (звичайна лампа на 60 Вт) ККД становить 5%.

Із зростанням температури ККД лампи розжарювання зростає, але при цьому істотно знижується її довговічність. При температурі нитки 2700 K час життя лампи становить приблизно 1000 годин, при 3400 K всього лише кілька годин. Як показано на рисунку 2.2, при збільшенні напруги на 20%, яскравість зростає в два рази. Одночасно з цим тривалість життя зменшується на 95%.

2.2 Люмінесцентна лампа

Визначення

Люмінесцентна лампа - газорозрядне джерело світла, світловий потік якого визначається в основному світінням люмінофорів під впливом ультрафіолетового випромінювання розряду: широко застосовується для загального освітлення, оскільки світлова віддача і термін служби в кілька разів більший, ніж у ламп з ниткою розжарювання того ж призначення.



Рисунок 2.3 - Види люмінесцентних ламп

При роботі люмінесцентної лампи між двома електродами, що знаходяться на протилежних кінцях лампи виникає електричний розряд. У лампі, яка заповнена парами ртуті, змінний струм приводить до появи УФ-випромінювання. Це випромінювання невидиме для людського ока, тому його перетворять у видиме світло за допомогою явища люмінесценції Внутрішні стінки лампи покриті спеціальною речовиною - люмінофором, що поглинає УФ-випромінювання і виділяє видиме світло. Змінюючи склад люмінофора, можна змінювати відтінок одержаного світла.

Особливості підключення

З погляду електротехніки люмінесцентна лампа - пристрій зі слабким опором (чим більший струм через неї проходить - тим більше падає її опір). Тому при безпосередньому підключенні до електричної мережі лампа дуже швидко вийде з ладу через величезний струм, що проходить через неї. Щоб запобігти цьому, лампи до мережі підключають через спеціальний пристрій (баласт).

Рисунок 2.4 - Позначення люмінісцентної лампи в схемотехніці

У найпростішому випадку це може бути звичайний резистор, однак у такому баласті втрачається значна кількість енергії. Щоб уникнути цих утрат при ввімкненні ламп від мережі змінного струму як баласт може застосовуватися реактивний опір (конденсатор або котушка індуктивності).

В даний час найбільше поширення одержали два типи баластів - електромагнітний і електронний.

Електронний баласт - це електронна схема, що перетворює напругу мережі у високочастотний (20-60 кГц) змінний струм, який живить лампу. Перевагами такого баласту є відсутність мерехтіння і гулу, компактніші розміри й менша маса в порівнянні з електромагнітним баластом.

При використанні електронного баласту можливо домогтися миттєвого запуску лампи (холодний старт), однак такий режим несприятливо позначається на терміні служби лампи.

При використанні схем з попереднім прогрівом електродів (плавний старт) лампа запалюється із затримкою, однак цей режим дозволяє збільшити термін служби лампи. В таких схемах використовуються позистори або терморезистори.

* ЕПРА для 1-10В системи. Їх можна управляти в групі або окремо. Можна з'єднати датчик денного світла і тоді світлий час дня датчик зменшує освітленість лампи. Особливо популярний у шкільних класах, інститутах і переговорних кімнатах.

Останнім часом замість нього стали нові цифрові ЕПРА по протоколу DALI

* ЕПРА по DALI-протоколу дозволяють використовувати індивідуальне управління кожного світильника, і тому він дуже енергоефективний. Управління освітленням можна робити за допомогою датчиків присутності і денного світла. Вимикачів більше не потрібно, коли автоматика включає в потрібні місця світло та вимикає, коли нікого більше немає в приміщенні.

* Останні роки в Європі в багатьох школах, лікарнях та офісах старе освітлення замінюють новими системами керування, завдяки чому досягається енергозбереження від 60% до 82%.

Електромагнітний баласт - це індуктивний опір (дросель), який підключається послідовно з лампою. Для запуску лампи з таким типом баласту потрібний також стартер або кнопка.

Перевагами такого типу баласту є його простота, відносна дешевина, великий термін експлуатації та висока надійність.

Вади - мерехтіння ламп із частотою вдвічі більшою від частоти мережевої напруги (частота мережевої напруги в Україні (СНД) = 50 Гц), що підвищує стомлюваність і може негативно позначатися на зорі людини, відносно довгий запуск (звичайно 1-3 сек, час збільшується в міру зносу лампи), більше споживання енергії (приблизно на 20%) в порівнянні з електронним баластом, більші габарити, маса, металоємність. Дросель також може видавати низькочастотний гул та нагріватись.

Механізм запуску

У класичній схемі включення з електромагнітним баластом для автоматичного регулювання процесу запалювання лампи застосовується пускач (стартер), що являє собою мініатюрну газорозрядну лампочку з неоновим наповненням і двома металевими електродами. Один електрод пускача нерухомий жорсткий, інший - біметалевий, що згинається при нагріванні. У початковому стані електроди пускача розімкнуті. Пускач включається паралельно лампі. У момент включення до електродів лампи і пускача прикладається повна напруга мережі, тому що струм через лампу відсутній і падіння напруги на дроселі дорівнює нулеві. Електроди лампи холодні і напруги мережі недостатньо для її запалювання. Але в пускачі від прикладеної напруги виникає розряд, у результаті якого струм проходить через електроди лампи і пускача. Струм розряду малий для розігріву електродів лампи, але достатній для електродів пускача, від чого біметалева пластинка, нагріваючись, згинається і замикається з жорстким електродом. Струм у спільному колі зростає і розігріває електроди лампи. У наступний момент електроди пускача остигають і розмикаються. Миттєвий розрив кола струму викликає миттєвий пік напруги на дроселі, що ініціює запалювання лампи. До цього моменту електроди лампи вже досить розігріті. Розряд у лампі виникає спочатку в середовищі аргону, а потім, після випаровування ртуті, стає ртутним. У процесі горіння напруга на лампі й пускачі складає біля половини напруги мережі за рахунок падіння напруги на дроселі, що запобігає повторному спрацьовуванню пускача. У процесі запалювання лампи пускач іноді спрацьовує кілька разів поспіль унаслідок відхилень у взаємозалежних між собою характеристик пускача і лампи.

Рисунок 2.5 - пускач (стартер)

Люмінофоори і спектр випромінювання світла

Багато людей вважають світлове випромінювання люмінесцентних ламп грубим і неприємним. Колір предметів освітлених такими лампами може бути трохи незвичним. Частково це відбувається через сині і зелені лінії в спектрі випромінювання газового розряду в парах ртуті, частково через тип застосовуваного люмінофора.



Рисунок 2.6 - Спектр люмінесцентних ламп в залежності від матеріалу люмінофорум отриманий на спектрографі Ocean Optics HR2000 без калібрування по інтенсивності

У багатьох дешевих лампах застосовується галофосфатний люмінофор, що випромінює в здебільщого жовте і синє світло, у той час як червоного і зеленого випромінюється набагато менше. Така суміш кольорів оку здається білим, однак при відображенні від предметів світло може містити неповний спектр, що сприймається як перекручування кольору. Однак такі лампи як правило мають дуже високу світлову віддачу.

У дорожчих лампах використовується «трилінійний» і «пятилінійний» люмінофор. Це дозволяє домогтися рівномірнішого розподілу випромінювання у видимому спектру, що приводить до більш натурального відтворення світла. Однак такі лампи, як правило, мають нижчу світлову віддачу.

Також існують люмінесцентні лампи, призначені для освітлення приміщень, у яких утримують птахів. Спектр цих ламп містить ближній ультрафіолет, що дозволяє створити для них комфортніше освітлення, наблизивши його до природного, тому що птахи, на відміну від людей, мають чотирикомпонентний зір.

2.3 Дугова лампа

Рисунок 2.7 - Ксенонова дугова лампа

Дугова лампа - загальний термін для позначення класу ламп, в яких джерелом світла є електрична дуга. Дуга горить між двома електродами з тугоплавкого металу, як правило з вольфраму. Простір навколо проміжку зазвичай заповнюється інертним газом (ксеноном, аргоном), парами металів або їх солей (ртуті, натрію та ін.) В залежності від складу, температури та тиску газу, в якому відбувається розряд лампа може випромінювати світло різного спектру. Якщо в спектрі випромінювання багато ультрафіолетового світла, а необхідно отримати видимий, використовується люмінофор.

У дугового лампі газ між електродами іонізується під впливом високої температури та електричного поля, в результаті чого переходить в стан плазми. Плазма добре проводить струм. За рахунок рекомбінації електронів випромінюється світло.

Опір розрядного каналу залежить від температури: чим вона вища, тим більше провідність. В результаті чого диференціальний опір лампи в робочому режимі нерідко негативний, тому дугові лампи вимагають для живлення джерела, що мають великий внутрішній опір, а значить не підходять для підключення в звичайні електричні мережі. Для узгодження опору лампи і мережі живлення використовується баласт. Найчастіше, при живленні лампи змінним струмом, він представляє собою дросель, що володіє погодженим з параметрами лампи реактивним опором.

Для того, щоб дуга запалилася, повинен відбутися електричний пробій газу. Для цього потрібно попередній підігрів і велика напруженість електричного поля. Для цієї мети застосовуються різні схеми: може короткочасно замикатися ланцюг в обхід лампи (в результаті чого імпульс утворюється за рахунок самоіндукції дроселя при розмиканні), або подаватися висока напруга від окремого імпульсного зажигающего пристрої, можуть використовуватися додаткові запалювальні електроди або робочі електроди можуть механічно зближуватися.

Колір випромінюваного світла, як і електричні характеристики лампи змінюються з часом і зміною температури. Температура дуги в лампі може досягати декількох тисяч градусів Цельсія, кварцовою колби - до 500 градусів, а керамічної колби - до 1000 градусів.

2.4 Газорозрядна лампа

Газорозрядна лампа - джерело світла, що випромінює енергію у видимому діапазоні. Фізична основа - електричний розряд в газах. Останнім часом прийнято називати газорозрядні лампи розрядними лампами.

За джерелом світла, що виходить назовні і використовуваного людиною, газоразрядие лампи поділяються на:

· люмінесцентні лампи (ЛЛ), в яких в основному назовні виходить світло від покриває лампу шару люмінофора, порушуваного випромінюванням газового розряду;

· газосвітловіе лампи, в яких назовні виходить саме світло від газового розряду;

· «електродосветние» лампи, в яких використовується свічення електродів, порушених газвим розрядом.

За величиною тиску розрядні лампи поділяються на:

· газорозрядні лампи високого тиску - ГРЛВТ

· газорозрядні лампи низького тиску - ГРЛНТ, докладніше див - люмінесцентна лампа.

Розрядні лампи володіють високою ефективністю перетворення електричної енергії в світлову. Ефективність вимірюється відношенням люмен / Ватт.

У розрядних лампах можуть використовуватися різні гази: пари металів (ртуті або натрію), інертні гази (неон, ксенон та інші), а також їх суміші. Найбільшою ефективністю, на сьогоднішній день, мають натрієві лампи, вони працюють в парах натрію і мають ефективність 150 лм / Вт. Переважна більшість розрядних ламп - це ртутні лампи, вони працюють в парах ртуті. Серед ртутних ламп можна згадати дугові ртутні люмінесцентні лампи (ДРЛ). Крім цього, широко поширені металогалогенні лампи (МГЛ або ДРІ) - в них використовується суміш парів ртуті, інертних газів і галогенідів металів. Менше поширені безртутние розрядні лампи, що містять інертні гази: ксенонові лампи (ДКсТ), неонові лампи та інші.

Розрядні джерела світла (газорозрядні лампи) поступово витісняють звичні раніше лампи розжарювання, однак недоліками залишаються лінійчатий спектр випромінювання, стомлюваність від мерехтіння світла, шум пускорегулювальної апаратури (ПРА), шкідливість парів ртуті в разі потрапляння в приміщення при руйнуванні колби, неможливість миттєвого перезажіганія для ламп високого тиску.

В умовах триваючого росту цін на енергоносії та подорожчання освітлювальної арматури, ламп та комплектуючих все більш нагальною стає потреба у впровадженні технологій, що дозволяють скоротити невиробничі витрати. В умовах же подорожчання робочої сили виникає потреба в зниженні витрат на заміну вийшли з ладу ламп, особливо якщо вони встановлені у важкодоступних місцях.

Ртутні дугові лампи типу застосовуваних в промисловості складаються з наступних частин: кварцовою трубки дугового розряду, наповненою аргоном і парами ртуті; зовнішньої скляної колби (з внутрішнім люмінофорним покриттям), навколишнього трубку дугового розряду, що закриває її від впливу потоків навколишнього повітря і запобігає окисленню; цоколя, на якому тримається вся лампа і є електричні контакти для

Ртутнf газорозряднf лампf - типова конструкція 40-Вт лампи з люмінофорним покриттям. 1 - зовнішня колба; 2 - робочий електрод, 3 - струмопровідні стійки, 4 - кварцова трубка дугового розряду, 5 - робочий електрод; 6 - пусковий електрод; 7 - опорні траверси трубки дугового розряду; 8 - пускові резистори; 9 - опорні елементи; 10 - внутрішня люмінофорне покриття підведення напруги живлення. Розміри і форма цих конструктивних елементів можуть бути різними в залежності від типу лампи - загального призначення (з прозорою колбою, з люмінесцентним покриттям, з виправленою кольоровістю, рефлекторна, полурефлекторная лампи), ультрафіолетові, сонячного світла і фотохімічні лампи. Середній термін служби ртутних ламп загального призначення становить 6000-12 000 ч. Після того як ртутна лампа включена і в ній встановився дугового розряд, струм розряду через пари ртуті сам по собі безперервно наростає. Тому його доводиться обмежувати зовнішнім баластовим пристроєм.

Рисунок 2.8 - Конструкція дугової ртутної лампи

Світловий коефіцієнт корисної дії (ККД) ламп розжарювання знаходиться в межах 1,6-3%, а їх світлова віддача не перевищує 20 лм / Вт споживаної потужності для потужних ламп і знижується до 7 лм / Вт для ламп потужністю до 60 Вт Світловий ККД люмінесцентних ламп і ламп ДРЛ досягає 7%, а світлова віддача перевищує 40 лм / Вт Однак такі лампи включаються в електричну мережу тільки через пускорегулювальну апаратуру (ПРА).

2.5 Світлодіодна лампа

Рисунок 2.9 - Види світлодіодних ламп

Світлодіодні лампи або світлодіодні світильники в якості джерела світла використовують світлодіоди, застосовуються для світлодіодного освітлення.

Світлодіодна лампа - освітлювальний прилад, який встановлюється в існуючий світильник, спочатку призначений для установки існуючих ламп - (люмінесцентних, розжарювання, галогенних), можливо, з деякою доробкою. В даний час випускаються світлодіодні лампи практично під всі існуючі типи цоколів.

У порівнянні зі звичайними лампами розжарювання, а також люмінсцентнимі лампами світлодіоди володіють багатьма перевагами:

· Економічно використовують енергію в порівнянні з попередніми поколіннями електричних джерел світла - дугових, накальних і газорозрядних. Так, світлова віддача світлодіодних систем вуличного освітлення з резонансним джерелом живлення досягає 120 люменів на ват, що можна порівняти з віддачею натрієвих газорозрядних ламп - 150-220 люмен на ват. Люмінесцентні лампи мають світлову віддачу 60-100 люмен на ват, а лампи розжарювання - 10-24 люмен на ват (включаючи галогенні).

· При оптимальної схемотехніці джерел живлення та застосування якісних компонентів середній термін служби світлодіодних систем освітлення може бути доведений до 100 000 годин, що в 50-200 разів більше в порівнянні з масовими лампами розжарювання і в 4-16 разів більше, ніж у більшості люмінесцентних ламп.

· Можливість отримувати різні спектральні характеристики без застосування світлофільтрів (як у випадку ламп розжарювання).

· Безпека використання.

· Малі розміри.

· Висока міцність.

· Відсутність ртутних парів (на відміну від газорозрядних люмінесцентних ламп та інших приладів), що виключає отруєння ртуттю при переробці і при експлуатації.

· Мале ультрафіолетове і інфрачервоне випромінювання.

· Незначне тепловиділення (для малопотужних пристроїв).

· Стійкість до вандалізму.

Серед виробників саме світлодіодні джерела світла вважаються найбільш функціонально-перспективним напрямком як з точки зору енергоефективності, так і затратності та практичного застосування. В основному застосовуються прилади на білих світлодіодах.



Рисунок 2.10 - Світильник адаптований до технології LED

До недоліків використання свытлодіодних ламп можна віднести:

– Основний недолік - висока ціна. Відношення ціна / люмен у над'яскравих світлодіодів в 50 - 100 разів більше, ніж у звичайної лампи розжарювання. Втім, на початок 2011 року в продажу вже з'явилися світлодіодні лампи за цінами (за люмен), конкурентоспроможними з компактними люмінесцентними лампами. На кінець 2011 року деякі фірми (такі як К2 Leuchten) вже почали адаптацію світильників по технології LED за адекватними цінами (див. рис 2.10 Світильник, адаптований до технології LED).

– Напруга живлення світлодіода значно менше напруги живлення звичайних ламп розжарювання. Тому світлодіоди з'єднують послідовно або використовують перетворювачі напруги.

– Низька гранична температура: потужні освітлювальні світлодіоди вимагають зовнішнього радіатора для охолодження, бо мають несприятливе співвідношення своїх розмірів до виділеної теплової потужності (фізичні розміри світлодіодів малі при високій потужності розсіюється випромінювання) і не можуть розсіяти стільки тепла, скільки виділяють (незважаючи навіть на більш високий ККД, ніж у ламп розжарювання). Освітлювальний світлодіод потужністю 10 Ватт вимагає пасивний радіатор розміром як у мікропроцесора Pentium 4 без вентилятора. Такий великий радіатор не тільки здорожує конструкцію, але і проблемно може бути вписана в формат побутових освітлювальних приладів.

– Для живлення одиночного світлодіода від мережі живлення необхідний низьковольтний джерело живлення постійного струму, теж з радіатором, що додатково збільшує обсяг світильника, а його наявність додатково знижує загальну надійність і вимагає додаткового захисту. Тому багато розробників обмежуються випрямлячем, а світлодіоди включають послідовно.

– Високий коефіцієнт пульсацій світлового потоку при живленні безпосередньо від мережі промислової частоти без згладжуючого конденсатора, при його наявності пульсації - малі.

– Дешеві масові LED мають світлову віддачу 60-100 лм / Вт, що по економічності рівні звичайним люмінесцентним лампам денного світла.

– Спектр відрізняється від сонячного. Разом з тим, цей недолік у порівнянні з люмінісцентними лампами менш значний, тому що завдяки особливостям людського сприйняття і при правильно підібраних люмінофорах це непомітно.

– Німецькі фахівці в процесі тестування в кінці 2009 року виявили, що реальний середній термін служби світлодіодних ламп для напруги 220-240В опинився близько 50 000 годин проти заявлених виробниками 100000 годин.

– Незважаючи на легкість регулювання яскравості світлодіода зміною живильної постійної напруги, більшість ламп, призначених для мережі 220-240 В, не пристосовані для живлення їх через диммер. Причина в конструкції вбудованого в лампу вторинного джерела живлення. Проте, існують спеціальні регульовані діммером світлодіодні лампи.

Світлодіодні технології освітлення завдяки ефективному витраті електроенергії і простоті конструкції знайшли широке застосування в світильниках, прожекторах, світлодіодних стрічках, декоративної світлотехніки і особливо в компактних освітлювальних приладах - ручних ліхтариках. Світлодіодні освітлювальні прилади підрозділяються на вуличні та інтер'єрні. Сьогодні їх застосовують для підсвічування будівель, автомобілів, вулиць і рекламних конструкцій, фонтанів, тунелів і мостів. Дане освітлення використовують для підсвічування виробничих та офісних приміщень, домашнього інтер'єру і меблів.

Світлодіодне освітлення застосовується в світлотехніці для створення дизайнерського висвітлення в спеціальних сучасних дизайн-проектах. Надійність світлодіодних джерел світла дозволяє використовувати їх у важкодоступних для частої заміни місцях (вбудоване стельове освітлення, всередині натяжних стель і т.д.).

Декоративна світлодіодне підсвічування в основному застосовується для святкової ілюмінації. Для чого використовується новорічна прикраса - світлодіодна гірлянда. У період свят (більшою мірою новорічних) їх можна побачити на вулицях міст, вони прикрашають дерева, фасади будівель та інші вуличні об'єкти.

3. Порівняння характеристик освітлювальних приладів

Таблиця 3.1 - ККД та світлова віддача освітлювальних приладів

Вид	Тип	Світлова віддача, (люмен / Вт)	ККД, %
На основі горіння	Свіча	0,3	0,04
	Газовий пальник	2	0,3
Лампа розжарювання	5Вт лампа розжарювання	5	0,7
	40Вт лампа розжарювання	12,6	1,9
	100Вт лампа розжарювання (120В)	16,8	2,5
	100Вт лампа розжарювання (220В)	13,8	2
	100Вт галогенна лампа	16,7	2,4
	2.6Вт галогенна лампа (5.2 В)	19,2	2,8
	Кварцева галогенна лампа (12-24 В)	24	3,5
	Високотемпературна лампа	35	5,1
Люмінісцентна лампа	5-24Вт компактна флюоресцента	45-60	6,6-8,8
	Т12 ліінйна, з магнітним балластом	60	9
	Т8 лінійна, з електронним баластом	80-100	12-15
	Т5 лінійна	70-100	10-15
Світлодіод	Білий світлодіод	10-97	1,5-13
	Білий OLED	102	15
	Прототип світлодіода	до 208	до 30
Дугова лампа	Ксенонова газорозрядна лампа	30-50	4,4-7,3
	Дугові ртутні металлогалогенні лампи	50-55	7,3-8
Газорозрядна лампа	натрієва лампа високого тиску	150	22
	натрієва лампа низького тиску	183-200	27-29
	Лампа на галогенидах металів	65-115	9,5-17
	1400Вт сірна лампа	100	15

У розділі №2 Основні види освітлювальних пристроїв ми оглянули актуальні освітлювальні прилади: від традиційної лампи розжарювання до найновітніших світлодіодних ламп. З'ясували їх переваги та недоліки. Визначили, що найперспективнішими освітлювальними приладами є світлодіодна лампа та компактна люмінесцентна лампа. Вони мають високий ККД, рівень освітлення, але в той самий час мають і деякі недоліки такі, як висока ціна і складність конструкції та проблеми з утилізацією та пожежною безпекою. Як результат виконання даного розділу було створено табл. 3.1 в яку були занесені основні характеристики освітлювальних приладів їх ККД та світлової віддачі.

Світлова віддача джерела світла - відношення випромінюваного джерелом світлового потоку до споживаної ним потужності. Вимірюється в люменах на ват (лм / вт). Служить характеристикою джерел як таких і їх економічності, показуючи, яка кількість витраченої енергії переходить в тепло або інші види енергії, крім електромагнітної.

Термін світлова віддача (світловіддача) має на увазі також ефективність за одиницю часу, тобто показує сукупну віддачу у видимому діапазоні електромагнітного випромінювання від джерела випромінювання в реальному часі.

Світловий потік - кількість випромінюваної енергії, що протікає через одиницю площі за одиницю часу, характеризує потужність джерела світла і вимірюється в люменах (лм).

ККД будемо називати відношення потужності світлового потоку до споживаної потужності джерела світла, лм / Вт.

Для визначення величини світлового потоку, спочатку необхідно спектральну щільність потужності випромінювання помножити на криву спектральної чутливості ока Vл, потім проінтегрувати в межах видимого діапазону довжин хвилі (тобто від 380 до 780 нм). Потім отриманий результат (Цe; вимірюється в Вт) потрібно помножити на фотометричний еквівалент випромінювання (Km константа = 683 лм / Вт)).

(3.1)

де Km - константа = 683 лм / Вт;

Vл - крива спектральної чутливості ока;

Цe - фотометричний й еквівалент випромінювання;

Л - довжина хвилію.

Вимірювання світлового потоку від джерела світла проводиться за допомогою спеціальних приладів - сферичних фотометрів, або фотометричних гоніометрів. Труднощі вимірювання полягає в тому, що необхідно виміряти потік, який випускається у всіх напрямках - в тілесний кут 4р.

Для цього можна використовувати сферичний фотометр - прилад, що представляє собою сферу з внутрішнім покриттям, що має коефіцієнт відбиття близький до 1. Досліджуваний джерело світла поміщається в центр сфери і за допомогою фотоелемента, вмонтованого в стінку сфери і покритого фільтром з кривою пропускання, рівної кривої спектральної чутливості ока, вимірюється сигнал, пропорційний освітленості фотоелемента, яка, в свою чергу, в цьому пристрої пропорційна світловому потоку від джерела світла (фотоелемент вимірює тільки розсіяний світло, так як закритий від прямого випромінювання джерела спеціальним екраном). Шляхом порівняння отриманого сигналу з сигналом від еталонного джерела світла можна виміряти абсолютний світловий потік джерела світла.

Інша можливість полягає в застосуванні фотометричних гоніометрів. В цьому випадку проводиться вимірювання освітленості, створюваної досліджуваним джерелом, на уявній сферичної поверхні. Для цього люксметр проходить послідовно за допомогою гоніометра всі позиції на сфері. Інтегруючи виміряні освітленості (вимірюються в люксах: 1 люкс = 1 люмен / м ?) по площі сфери (м ?), отримаємо абсолютний світловий потік джерела світла (в люменах). Умовою отримання абсолютних значень є калібрований в абсолютних величинах люксметр. Можна також використовувати простий фотоелемент, якщо порівнювати виміряний потік з потоком від еталонного джерела.

4. Світлодіод

Світлодіоди випромінюють не тільки унікальний за своїми характеристиками світло, а й завидний оптимізм з приводу свого місця на ринку світлотехніки. По-англійськи світлодіод називається light emitting diode, або LED

Особливо активно експансія LED розгортається в області інтер'єрного оформлення і світлодизайну.

Інтерес до світлодіодів зростає швидше, ніж територія їх застосування в світлотехніці. Виробники та споживачі, продавці і покупці - все ніби завмерли на старті, боячись відстати від інших. І тільки дизайнери вже щосили користуються унікальними можливостями світлодіодів. Давно минув той час, коли світлодіоди були цікаві одним лише вченим. Тепер світлодіодна тема у всіх на слуху. Кажуть, за ними майбутнє!

Хоча люмінесценцію в карбіді кремнію вперше спостерігав Раунд в 1907 р., Олег Володимирович Лосєв в Нижегородської радіолабораторії в 1923 р. показав, що вона виникає поблизу p-n-переходу. О.В. Лосєв цілком оцінив практичну значимість свого відкриття, що дозволяв створювати малогабаритні твердотільні (безвакуумні) джерела світла з дуже низькою напругою живлення (менше 10 В) і дуже високою швидкодією. Отримані ним два авторських свідоцтва на «Світлове реле» (перше заявлено в лютому 1927 р.) формально закріпили за Росією пріоритет в області світлодіодів, втрачений в 1960-рр. на користь США після винаходу сучасних світлодіодів, придатних до практичного застосування.

Багатошарові тонкоплівкові структури, виготовлені з органічних сполук, які ефективно випромінюють світло при пропусканні через них електричного струму. Основне застосування органічних світлодіодів - OLED знаходить при створенні пристроїв відображення інформації (дисплеїв). Передбачається, що виробництво таких дисплеїв буде набагато дешевше, ніж виробництво рідкокристалічних дисплеїв.

Головна проблема для OLED - час безперервної роботи, яка повинна бути не менше 15 тис. годин. Одна проблема, яка нині перешкоджає широкому розповсюдженню цієї технології, полягає в тому, що «червоний» OLED і «зелений» OLED можуть безперервно працювати на десятки тисяч годин довше ніж «синій» OLED. Це візуально спотворює зображення, причому час якісного показу неприйнятно для комерційно життєздатного пристрою. Хоча сьогодні «синій» OLED-таки добрався до позначки в 17,5 тис. годин безперервної роботи.

Дисплеї з органічних світлодіодів широко застосовуються в стільникових телефонах, GPS-навігаторах, для створення приладів нічного бачення.

4.1 Означення

Світлодіомд - напівпровідниковий пристрій, що випромінює некогерентне світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектру до близької до ультрафіолету. Існують методи розширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру, рівномірно у всіх напрямках, звичайні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі.



Рисунок 4.1 - Світлодіоди різного кольору і форми

Як і в нормальному напівпровідниковому діоді, в світлодіоді є p-n перехід. При пропусканні електричного струму в прямому напрямку, носії заряду - електрони і дірки, рекомбінують, з випромінюванням фотонів.

Не всі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло, при рекомбінації. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозоні напівпровідники типу AIIIBV (наприклад, GaAs або InP) і AIIBVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль, - від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнієвий Si або германієвий Ge діоди, а також сплави SiGe, SiC), світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвиненістю кремнієвої технології, роботи зі створення світлодіодів на основі кремнію активно ведуться. Останнім часом, великі надії пов'язують з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

4.2 Структура та види світлодіодів

Так як світлодіод є напівпровідниковим приладом, то при включенні в ланцюг необхідно дотримуватись полярності. Світлодіод має два контакти, один з яких катод («мінус»), а інший - анод («плюс»).



Рисунок 4.2 - Схематичне та електричне зображення світлодіодів на схемі

Світлодіод складається з напівпровідникового кристала на підкладці, корпусу з контактними вивідами і оптичної системи. Сучасні світлодіоди мало схожі на перші корпусні світлодіоди, що застосовувалися для індикації. Конструкція потужного світлодіода серії Luxeon, що випускається компанією Lumileds, схематично зображено на малюнку 4.3.

Рисунок 4.3

Принцип роботи світлодіода полягає в наступному: світіння виникає при рекомбінації електронів і дірок в області pn-переходу. Значить, перш за все потрібен pn-перехід, тобто контакт двох напівпровідників з різними типами провідності. Для цього приконтактні шари напівпровідникового кристала легують різними домішками: по одну сторону акцепторними, по іншу - донорськими.

Але не всякий pn-перехід випромінює світло. Чому? По-перше, ширина забороненої зони в активній області світлодіода повинна бути близька до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, ймовірність випромінювання при рекомбінації електронно-діркових пар повинна бути високою, для чого напівпровідниковий кристал повинен містити мало дефектів, через які рекомбінація відбувається без випромінювання. Ці умови в тій чи іншій мірі суперечать один одному.

Реально, щоб дотримати обидві умови, одного р-п-переходу в кристалі виявляється недостатньо, і доводиться виготовляти багатошарові напівпровідникові структури, так звані гетеро структури.