Використання світлодіодних ламп для енергозбереження

Мабуть, найцікавіше - це процес вторгнення світлодіодних технологій в «традиційне» освітлення. Розпочався він з установок, де не потрібен високий рівень освітленості: чергове та аварійне освітлення, нічний інтер'єрне освітлення, знаки і таблички, «маркувальне» висвітлення. Насичений колір світлодіодних модулів дозволяє використовувати світлодіоди для колірного зонування простору, створення колірних акцентів. Поєднання світлопрозорих конструкцій (вікна, стінові панелі, скляні меблі) з гнучкими лінійними світлодіодними модулями дозволяє створювати світяться і міняють колір форми. Застосування надмініатюрних джерел світла дозволяє створити «альтернативні» яскраві світлові образи для звичних предметів інтер'єру. З ростом світлової віддачі і здешевленням приладів, світлодіодний «експансія» поширюється не лише на локальне, а й на загальне освітлення, в якому лідируюче становище поки займають традиційні і галогенні лампи розжарювання (житлові приміщення) та люмінесцентні лампи (офісні приміщення).

Найбільш гострі питання обслуговування в зовнішньому освітленні, тому впровадження світлодіодів в архітектурне освітлення відбувається дуже швидко. Привабливою ідеєю для архітекторів є застосування світлодіодних «ліній» для створення світлових карнизів. Характеристики світлодіодних модулів за експлуатаційними параметрами багаторазово перевищують існуючі альтернативи, а за вартістю виявляються цілком порівнянними з ними. Потрібно тільки не забувати, що холодне світло світлодіодів не в змозі розтопити скупчується на карнизах сніг, тому використовувати їх (в наших краях) в архітектурній підсвічуванні потрібно в положенні «світимо вниз». Той же аргумент справедливий для ландшафтного освітлення, тому що вбудовуються в доріжку або газон світлодіодні «аплайти» взимку видно не будуть. Однак тут є і плюси: світлодіоди, як і оптоволоконні, можна використовувати для підсвічування крижаних скульптур, замерзлих ставочків-під льоду і т.д.).

Насичені кольори світлодіодів створюють фантастичні ефекти при підсвічуванні води. Світлодіодне освітлення фонтанів створює ні з чим не порівнянні «флюорисцюючі» світлові картини.

5. Будова світлодіодних ламп

Рисунок 5.1 - Конструкція світлодіоднох лампи спот з цоколем GU10

Світлодіодна лампа (LED - лампа) - твердотільна лампа, яка використовую світлодіоди як джерело світла.

Будова світлодіодної лампи

- Світлодіодний чіп. Світлодіод складається з чіпа, зробленого з напівпровідникового матеріалу. Ток легко проходить від анода до катода, але не в зворотному напрямку. Коли електрони надсилаються через напівпровідниковий матеріал, вони можуть потрапити в «діру» з низьким статичним напругою. Коли це трапляється, електрон вивільняє надлишок енергії у формі фотонів, які виробляють світло. Кольоровість світлового потоку створюється хвилями різної довжини і залежить від матеріалу, використовуваного в світлодіодному чіпі. Існує багато різних типів світлодіодних чіпів. Baleno Led використовує тільки високоякісні світлодіодні чіпи добре відомих брендів, таких як CREE, Acriche і Osram. Ці чіпи дають високий світловий потік в люменах (більше 100 Люмен / Вт) і довгий термін служби.

- PCB. Друкована плата (PCB) використовується для зберігання всіх електронних компонентів драйвера та світлодіодних чіпів. Є 2 типу PCB: неметалічний сердечник і металевий сердечник. Металевий сердечник друкованої плати використовується для оптимального переміщення тепла від світлодіодних чіпів до теплоотводу. Неметалічний сердечник друкованої плати підходить для електронного драйвера, коли він не стикається з тепловідводів.

- Драйвер. Світлодіодний чіп проходить через низьковольтний постійний струм. Тому вихід 230V повинен бути перероблений через понижуючий трансформатор і світлодіодний драйвер змінно-постійного струму. Цей драйвер уже вмонтований у всі модифіковані лампи, за винятком світлодіодних спотів з цоколем GU5.3. Через обмеженого розміру цоколя GU5.3, тільки світлодіодний драйвер змінно-постійного струму вбудовується всередину. Для нього як і раніше потрібен зовнішній понижуючий трансформатор. Теоретично світлодіодний чіп буде служити вічно, але термін служби світлодіодної лампи залежить значною мірою від якості драйвера. Однак, драйвер складається з електронних компонентів, які піддаються зношуванню. Щоб гарантувати більш довгий термін служби світлодіодної лампи, необхідний драйвер високої якості. Baleno використовує строго високо якісні драйвери.

- Лінзи. Зроблені з матеріалу ПММА, лінзи чи «додаткова оптика» використовуються, щоб сфокусувати світло, що виділяється світлодіодними чіпами. Це робить можливим створити вузький промінь для сильно спрямованого світла, для підсвічування картин, наприклад, або широкий кут для загального освітлення.

- Тепловідвід. Як і в інших світлотехнічних приладів, продуктивність світлодіодів залежить від температури. При роботі з малим споживанням струму і низькою температурою, світлодіоди піддаються дуже невеликому зношування. Навіть хоча світлодіоди виділяють значно менше тепла, ніж лампи розжарювання, супутнє тепло повинно бути розсіяно. Ось чому теплоотвод світлодіодної лампи є першорядно важливим для продуктивності ламп.

В якості першого прикладу можна розглянути пристрій світлодіодної лампи розробленої фірмою «СЕА Електронікс» із застосуванням спеціалізованих мікросхем. Електрична схема такої лампи показана на рисунку 5.2

Схема світлодіодної лампи фірми «СЕА Електронікс»

Рисунок 5.2 - Схема світлодіодної лампи фірми «СЕА Електронікс»

При використанні потужних світлодіодів спільно з напівпровідниковими перетворювачами з'явилася можливість створення джерел світла, що витримують конкуренцію з лампами розжарювання. Подібний перетворювач і показаний на малюнку 5.2. Схема досить проста і містить невелику кількість деталей. Це досягнуто за рахунок застосування спеціалізованих мікросхем.

Перша мікросхема IC1 BP5041 - AC / DC перетворювач. Її структурна схема представлена на рисунку 5.3.

Рисунок 5.3 - Структурна схема BP5041

Мікросхема виконана в корпусі типу SIP показаний на малюнку 5.4

Рисунок 5.4

Перетворювач, підключений до освітлювальної мережі 220В, забезпечує на виході напругу 5В при струмі близько 100 міліампер. Підключення до мережі здійснюється через випрямляч, виконаний на діоді D1 (в принципі можливе використання мостової схеми випрямляча) і конденсаторі C3. Резистор R1 і конденсатор C2 усувають імпульсні перешкоди.

Всі пристрій захищено запобіжником F1, номінал якого не повинен перевищувати зазначений на схемі. Конденсатор C3 призначений для згладжування пульсацій вихідної напруги перетворювача. Слід зауважити, що вихідна напруга не має гальванічної розв'язки від мережі, що в даній схемі зовсім не потрібно, але вимагає особливої ??уважності та дотримання правил техніки безпеки при виготовленні і наладці.

Конденсатори C3 і C2 повинні бути на робочу напругу не менше 450 В. Конденсатор C2 повинен бути плівковим або керамічним. Резистор R1 може мати опір в межах 10… 20 Ом, що достатньо для нормальної роботи перетворювача.

Використання даного перетворювача дозволяє відмовитися від застосування понижуючого трансформатора, що значно зменшує габарити всього пристрою в цілому. Відмінною особливістю мікросхеми BP5041 є наявність вбудованої котушки індуктивності як показано на малюнку 2, що дозволяє зменшити кількість навісних деталей і в цілому розміри монтажної плати.

Як діода D1 підійде будь діод із зворотним напругою не менше 800 В і випрямленою струмом не менше 500 мА. Таким умовам цілком задовольняє широко поширений імпортний діод 1N4007. на вході випрямляча встановлений варистор VAR1 типу FNR-10K391. Його призначення захист усього пристрою від імпульсних перешкод і статичної електрики.

Друга мікросхема IC2 типу HV9910 являє собою ШІМ стабілізатор струму для суперяскравих світлодіодів. За допомогою зовнішнього MOSFET транзистора струм може встановлюватися в межах від декількох міліампер до 1А. Цей струм задається резистором R3 в ланцюзі зворотного зв'язку.

Мікросхема випускається в корпусах SO-8 (LG) і SO-16 (NG). Її зовнішній вигляд показаний на малюнку 5.5, а на малюнку 5.6 структурна схема.

Рисунок 5.5 Мікросхема HV9910

Рисунок 5.6 Структурна схема мікросхеми HV9910

За допомогою резистора R2 частота внутрішнього генератора може змінюватися в діапазоні 20… 120 КГц. При зазначеному на схемі опорі резистора R2 вона буде близько 50 КГц.

Дросель L1 призначений для накопичення енергії в той час, коли транзистор VT1 відкритий. Коли транзистор закриється, то енергія, накопичена в дроселі, через високошвидкісний діод Шоттки D2 віддається светодиодам D3… D6.

Тут саме час згадати про самоіндукції і правилі Ленца. Згідно з цим правилом індукційний струм має завжди такий напрямок, що його магнітний потік компенсує зміни зовнішнього магнітного потоку, яке (зміна) викликало цей струм. Тому напрям ЕРС самоіндукції має напрямок протилежне напрямку ЕРС джерела живлення. Саме тому світлодіоди включені у зворотний бік по відношенню до живлячої напруги (висновок 1 мікросхеми IC2, позначений на схемі як VIN). Таким чином світлодіоди випромінюють світло за рахунок ЕРС самоіндукції котушки L1.

У даній конструкції застосовані 4 надяскравих світлодіода типу TWW9600, хоча цілком можливе застосування інших типів світлодіодів виробництва інших фірм.

Для управління яскравістю світлодіодів в мікросхемі є вхід PWM_D, ШІМ - модуляція від зовнішнього генератора. У цій схемі така функція не використовується.

6. Розрахунок економічного та екологічного впливу від запровадження світлодіодних ламп

Для того щоб наочно продемонструвати отриманий ефект, переведемо зекономлену енергію в такі величини, як маса умовного палива і об'єм вуглекислого газу, також врахуємо вартість за 1 кВт * год від

0,2802 до 0,3648 грн.

Багато теплових електро станцій працюють на природному газі. Знаючи зекономлену енергію та питому теплоту згоряння природного газу, можна точно розрахувати обсяг зекономленого палива за 1 кВт * год:

V=, (6.1)

де V-об'єм палива;

Е - енергія;

q - питома теплота згоряння палива (для природного газу q = 11,4 кВт * г / м3).

V= = 0,088 м³.

Знаючи обсяг зекономленого палива, можна розрахувати обсяг вуглекислого газу, що виділяється при згорянні даного палива:

V (вуглекислого газу) = V (палива) ? с (питома кількість вуглекислого газу), де c = 1,2.

V (вуглекислого газу) = 0,088 м³ * 1,2 = 0,1056 м³.

Крім того вироблення 1 кВт * год енергії на сучасних установках вимагає 240 г. умовного палива (кам'яного вугілля).

Співвідношення 1 кВт * год енергії до палива і до вуглекислого газу

1 кВт * год енергії = 240 г. умовного палива = 0,1056 м³ вуглекислого газу. Для розрахунку економічного і екологічного впливу будемо вважати, що кодень день лампа працює по 6 годин. За рік така лампа напрацьовує 5*7*365= 12775 годин. Для розрахунків візьмемо лампи з параметрами зображеними у таблиці 6.1

Таблиця 6.1 - Потужність, світлова віддача та термін служби ламп

Таким чином використання світлодіодних ламп дає найбільший економічний ефект, завдяки своїй безпечності для довкілля і відсутності необхідності утилізації на спеціальних заводах.

Висновки

В даному дипломному проекті мною було розглянуте дуже важливе питання сучасності - економія енергії. Проблема, яка виходить на перше місце на рівні з продовольчою проблемою. Метою дипломного проекту було порівняти наявні освітлювальні пристроями з найновітнішими та найекономічнішими - свтілодіодними лампами. В процесі дослідження мною були описані конструкції, переваги та недоліки основних типів освітлювальних пристроїв. Було проведено економічний розрахунок, який показав, що застосування світлодіодних ламп дає найбільший як економічний так і екологічний ефект - зменшення витрат на електроенергію сягає п'яти разів так само як і викидів небезпечних речовин у атмосферу, внаслідок видобутку електроенергії для їх роботи.

Сьогодні електролампи, що відносяться до сімейства світлодіодів Luxeon виробництва компанії Philips, служать в 100 разів довше, а світять в 4 рази сильніше, ніж звичайні лампи розжарювання. Головне - отримано білий світ від енергії світлодіода.

До недавнього часу світлодіодні лампи були всього лише електроприладами, повідомляючими про те, що принтер включений або що на автовідповідачі є повідомлення. Однак за останні роки компанія Philips через свою участь у діяльності компанії LumiLeds (спільне підприємство з компанією Agilent Technologies) шукала шляхи збільшення розмірів і яскравості світлодіодних ламп. Стояла задача замінити ними більшу частину звичайних ламп розжарювання і люмінесцентних ламп. У той час, як всі кольорові світлодіоди включаючи червоні, жовті, зелені та сині годилися для застосування в автомобілях, світлофорах і комп'ютерних моніторах, починаючи з середини 90-х років основна цінність світлодіодного освітлення - білий світ - залишалася більш складною проблемою. Навіть при технологічних проривах Philips останнього періоду, ймовірно, знадобиться близько п'яти років для того, щоб заміна звичайних ламп розжарювання і люмінесцентних ламп стала в достатній мірі доступною і рентабельною. За існуючої технології кращі світлодіодні лампи, що дають біле світло, вже набагато більш ефективні, ніж лампи розжарювання.

Здатність давати біле світло дуже важлива для будь-освітлювальної техноіки, якщо вона повинна зробити серйозний прорив на світовому ринку. Проте технологія виробництва світлодіодів, що дають біле світло, дуже складна. Існують два шляхи створення білого світла світлодіодами. Перший полягає в змішуванні червоного, зеленого і синього світла, другий - у використанні фосфору для перетворення синього або ультрафіолетового випромінювання світлодіода в білий світ. Робота в команді і глибокі знання складної технології дозволили компаніям Lumileds і Philips Research створити світлодіод, що дає білий світ. Технологія ще перебуває на ранній стадії розвитку, але всі ознаки говорять про хороші перспективи.

Світлодіодні лампи мають неймовірно довгий у порівнянні зі звичайними лампами строко служби - від 50.000 до 100.000 годин (близько 1000 годин для ламп розжарювання і 7500 годин для люмінесцентних ламп).

При продовженні збільшення ефективності світлодіодних ламп виникнуть ще більші можливості для економії енергії! Створення білого світла за допомогою цієї технології буде означати можливість зміни кольору і інтенсивності світла в приміщенні одним клацанням перемикача. Іншими словами, це можливість зменшення яскравості білого освітлення у вітальні до заспокійливого синього і романтичного червоного світла без заміни ламп.

Ще одна додаткова вигода полягає в тому, що завдяки невеликим розмірам світлодіодних ламп світлодизайнери можуть створювати компактні блоки ламп, з тим щоб можна було легко направляти світло туди, де він дійсно потрібний. (Традиційні лампи розжарюванн нефокусовані і випромінюють світло на всі боки.)

І, нарешті, про використання світлодіодів поза інтер'єру. Сьогодні до 8% всіх світлофорів Києва працюють на світлодіодних лампах. А так як місцева влада більше переконуються в тому, що скорочення витрат на електроенергію і техобслуговування світлофорів зі світлодіодними лампами в порівнянні з такими, що оснащуються звичайними лампами розжарювання, можна очікувати, що дуже скоро ця частка сильно зросте.

Важливий вплив на екологію планети дасть повселюдне запровадження світлодіодних ламп, адже навіть 1 000 000 світлодіодних ламп зможуть зменшити викиди небезпечного вуглекислого газу у атмосферу майже у 7.5 (12 526 800м³ вуглекислого газу) разів у порівнянні зі звичайними лампами розжарення.

Економічні розрахунки лише підтверджують перспективність використання світлодіодних ламп замість звичайних ламп розжарювання і, навіть, сучасних економічних компактних люмінесцентних ламп. А враховуючи те, що світло діодам ще є куди «рости» - то стає очевидним, що світлодіодна лампа - лампа завтрашнього дня.

Перелік посилань

забруднення навколишній світлодіод освітлювальний

1. Пихтін А.Н. Фізичні основи квантової електроніки та отоелектроніки/ А.Н. Пихтін - М.: Высш. шк, 1983. - 304 с.

2. Лавриненко В.Ю. Довідник по напівпровідниковим пристроям. 9 вид./ В.Ю. Лавриненко В.Ю Л.: Леніздат. 1980. - 459 с.

3. Коган Л.М. Техніко-економінчні питання використання світло діодів в якості індикації та підсвічування в системі відображення/ Л.М. Коган. М.: Светотехника, 1990 - 289 с.

4. Медведєв Ю. LEDніковий період / Медведев Ю, Борисов К. // «Іллюмінатор», 1 (3) - 2003. - С. 54 - 58.

5. Ападишкін Б. Как устроены светодиодные лампы/ Б. Ападишкін [електронний ресурс] electrik.info - режим доступу: http://goo.gl/Bnm0M

6. On the Inside: Philips EnduraLED A19 L-Prize Award Winning Bulb - режим доступу до ресурсу: http://goo.gl/aYWGU

7. Светодиодная технология - режим доступу до ресурсу: http://goo.gl/hVB5Z

8. Светодиодное освещение: мифы, реалии и перспективы - режим доступу до ресурсу: http://goo.gl/G7Pft

9. Штучні джерела світла - [Електронний ресурс] wikipedia.org - режим доступу: http://goo.gl/eqQ4V

10. WHAT ARE LED LAMPS?/ SIA LED - [Еелктронний ресурс] режим доступу: http://www.ledexhibition.com/why-led-lamps.html

11. Землюк Г.Я. Проблеми енергозбереження в Україні/, Г.Я Землюк., А.В. Круць. Б. - Буковинська державна фінансова академія, Україна режим доступу: http://www.rusnauka.com/16_ADEN_2010/Economics/68195.doc.htm

12. Gil. B. Group III Nitride Semiconductor Compounds: Physics and Applications / Ed. B. Gil. Oxford, -1998.

Размещено на Allbest.ru