Светодиодные лампы: история, виды, как выбрать, как рассчитать мощность

Продолжая цикл статей, посвященных энергосбережению, стоит упомянуть и о домашнем освещении. Ведь все предыдущие материалы — были об отоплении и утеплении жилья, а экономии электроэнергии было уделено немного внимания. Между тем, вопрос стоит очень остро, а прогресс в этой сфере движется очень быстро. Многие попросту не успевают следить за развитием новых видов осветительных приборов, продолжая пользоваться «лампочками Ильича», древними, как и сам исторический персонаж, давший им народное название. Пора уступить дорогу новым технологиям, в виде светодиодного освещения, а заодно и развеять мифы о нем.

Что такое светодиодная лампа

Светодиод (англ. LED —  light-emitting diode — «светоизлучающий диод») — полупроводниковый прибор, излучающий видимый свет при пропускании тока, за счет электронно-дырочного перехода при прямом протекании напряжения. Если выражаться менее заумно — это прибор, который светится от того, что пропущенное через его сердцевину напряжение приводит к рождению фотонов (частиц, переносящих свет).

Лампочка накаливания светится от того, что ее спираль раскаляется добела, до сверхвысоких температур (более 3000 градусов). Из-за этого до 97-99 % энергии уходит в тепло, и только 1-3 % — превращается в свет. У диода свечение возникает при протекании тока через полупроводниковый кристалл, который излучает фотоны, и каждый электрон генерирует свой фотон. Поэтому таких колоссальных потерь энергии у LED нет. КПД светодиодов составляет 10-30 % (в 10 раз выше, чем у лампы накаливания), и этот показатель растет из года в год.

Светодиодные лампы по сути и не являются лампами в том понимании, что вкладывают в этот термин физики. Это название досталось им «по наследству» от электровакуумных приборов, излучающих свет. Те, в свою очередь, более 100 лет назад, позаимствовали имя у осветительных приборов, работающих на жидком (керосин, масло) или твердом (карбид) топливе.

Современная светодиодная лампа — это электронный осветительный прибор, состоящий из массива светодиодов и миниатюрного блока управляющей электроники. Светодиоды могут быть точечными и нитевидными (филаментными). Иногда подложка для светодиодов может выполнять и функции материнской платы (с одной стороны — диоды, а с другой — преобразователь и стабилизатор), но такое решение — не самое удачное, из-за паразитного нагрева диодов, сокращающего их срок службы.

Читайте также: Как экономить на отоплении квартиры

Немного истории

В теории светодиоды были изобретены советским инженером Олегом Лосевым в 20-х годах прошлого века (он обнаружил, что карбид кремния светится при пропускании тока). Но до создания первых работоспособных образцов, излучающих видимый свет, оставалось еще 35 лет. Американскому профессору Нилу Холоньяку это удалось только в 1962 году. Первые образцы светодиодов были непригодны для практического использования, так как стоили дорого (200 долларов тех времен, или 1500 современных долларов, с учетом инфляции)  и излучали тусклый красный свет. Лишь 10 лет спустя ученик Холоньяка, Джордж Крафорд, изобрел желтые диоды и повысил в 10 раз яркость их свечения.

Только в начале 90-х японские ученые смогли создать дешевые синие диоды, а также существенно удешевить технологию производства LED. За это коллектив был удостоен Нобелевской премии в 2014 году. Комбинация красного, зеленого и синего излучения дала возможность получить чисто белый свет. И лишь в конце 90-х — начале 2000-х стало возможным массовое производство дешевых белых светодиодов, пригодных на роль осветительного прибора, а не индикатора.

Автор статьи помнит, как на рубеже тысячелетий начали массово появляться в продаже китайские фонарики, использующие диод вместо лампы, а также компактные устройства с LED-подсветкой. К примеру часы Montana, мечта мальчиков в 80-х — 90-х годах, еще не имели качественной подсветки: при нажатии кнопки их дисплей подсвечивался тусклым желтым светом.

Только в середине 2000-х компании стали массово производить дешевые диоды высокой яркости, светящиеся в том диапазоне, что и Солнце. Тем самым они ознаменовали начало эпохи LED-освещения, ударив по древним лампам накаливания и не очень экологичным люминесцентным лампам.

Читайте также: Как сэкономить на отоплении газом

Что такое филаментная лампа

По типу светодиодов лампы можно поделить на классические точечные (с точечными диодами) и новые нитевидные (филаментные). В первых используются специальные пластины подложки, по поверхности которых расположены LED-излучатели. Филаментная лампа — это осветительный прибор, в котором используются нитевидные светодиоды. Если в классических диодах полупроводниковые кристаллы заключены в отдельные корпуса (один диод — один корпус), то в нитевидных — массив кристаллов соединен последовательно и запаян в тонкую трубочку из стекла или прозрачного пластика. За счет этого достигается повышение яркости в разы и увеличение угла излучения.

Филаментные светодиодные лампы — технология пока еще новая, но перспективная. За счет равномерного рассеивания света — достигается более качественный уровень освещения помещения, равномерно подсвечиваются все участки комнаты, затененные зоны устраняются. Поклонникам классики филаментные лампы понравятся тем, что визуально они почти не отличаются от ламп накаливания. Такая их особенность вызвана двумя факторами. Первый — потребность в прозрачном со всех сторон корпусе, для равномерного рассеивания света. Вторая причина — вытеснение старых «лампочек Ильича» новыми технологиями.

Многие производители светодиодных ламп на филаментных диодах ранее занимались изготовлением классических ламп накаливания. На новый тип они переходят потому, что старые технологии уже не в почете. А использование филаментных диодов существенно упрощает переход. Те же машины, на которых ранее производились лампочки накаливания, подвергаются небольшой модификации. Вместо механизма, натягивающего вольфрамовую проволоку на электроды, внедряется узел, который устанавливает туда нитевидные диоды. Вместо смеси инертных газов внутрь колбы, перед запаиванием, закачивается гелий. Последний штрих — цоколь: в него устанавливают небольшую круглую (размером с 50-копеечную монету) плату, на которой размещен блок преобразователя-стабилизатора.

Как правило, диоды и платы производители филаментных ламп заказывают китайцам, но производство ламп может осуществляться в Украине, России, других странах, где есть мощности по выпуску ламп накаливания, теряющие актуальность. Уточнить, имеет ли свои мощности в Украине компания Maxus, не удалось, но точно известно, что российская компания Лисма имеет завод по выпуску филаментных ламп в Саранске. Компании приведены в пример потому, что их лампы — одни из лучших в бюджетной категории.

Читайте также: Какой котел экономичнее: настенный или напольный?

Виды светодиодных ламп

Современные светодиодные лампы принимают всевозможные формы, начиная от одиночных точечных диодов в фонариках — и заканчивая крупными массивами из тысяч диодов, предназначенных для студийного и сценического освещения. В быту наиболее распространены лампы, повторяющие форму классических ламп накаливания, и рассчитанные под те же разъемы (цоколи). Основные формы — «груша», «кукуруза» и «свеча», а типы цоколей — E14 и E27. Отдельно стоит выделить встраиваемые точечные светильники, монтируемые по всей площади подвесного потолка. В них часто используются штырьковые разъемы.

Груша

В форме груши (той самой, которая висит, но скушать ее нельзя) производятся как точечные, так и филаментные светодиодные лампочки. Первые отличаются тем, что имеют угол свечения около 180 градусов, так как диоды размещены только на одной стороне пластины. Они хороши для освещения комнат с помощью люстр, расположенных по центру, в которых патрон «смотрит» вниз. А вот для рожков с ориентацией вверх они не годятся — потолок будет подсвечен, а пол — затенен. Также груши хороши при организации локального освещения, например в настольной лампе или прикроватном светильнике. Но для основного освещения, в целом, это — не самый оптимальный вариант.

Филаментные лампы в форме груши — универсальны. Они рассеивают свет на 360 градусов, как обычная лампочка накаливания. За счет этого помещение равномерно заливается светом, затененные участки сводятся к минимуму. Недостаток таких ламп кроется в их же достоинстве: если нужно осветить только ограниченный участок, без затеняющего плафона сделать это не получится.

Кукуруза

Свое название светодиодные лампы этого типа получили за схожесть с кукурузным початком. Они имеют цилиндрическую форму колбы, по диаметру ненамного шире цоколя. Внутри колбы расположены несколько листов подложки для диодов, сформированных в многогранник. Желтоватые светодиоды, размешенные на подложке, придают лампочке схожесть с кочаном, на котором размещены зернышки. За счет такого расположения диоды светят почти во все стороны, угол рассеивания света может достигать более 300 градусов. Такие дампы хороши для светильников с горизонтальным расположением лампы и подходят как для общего, так и точечного освещения (в затеняющем плафоне).

Филаментные лампы в форме кукурузы — продукт редкий. Использование цилиндрической колбы для размещения нитей не дает особых преимуществ, а уменьшение ее объема приводит к уменьшению объема гелия внутри. За счет этого снижаются охлаждающие свойства лампы, ограничивается ее мощность. Поэтому лампочка-кукуруза на филаментных диодах — оптимальный вариант для умеренного точечного освещения, но не более того. Размер таких ламп позволяет вкручивать их в небольшие светильники, для которых они и предназначены.

Свеча

Светодиодная лампа-свеча имеет предназначение, схожее с филаментной кукурузой. Она обладает ограниченным (как и груша) углом рассеивания, а также небольшой мощностью. Основное освещение с помощью таких ламп можно организовать, если для этого используется люстра на много рожков, а патроны обращены вниз. Верхняя ориентация ламп оставляет тень в центре помещения, под люстрой. А вот для ночника или настольной лампы свечи вполне хороши.

Филаментные лампы-свечи сочетают преимущества груш (универсальность, максимальный угол рассеивания) и кукурузы (компактные размеры), а также обладают эстетичным видом. Такие лампы хороши для подвесных люстр, выполненных в стиле ретро, и обращенных патронами вверх. Существуют как «статичные» лампы-свечи, так и варианты «свеча на ветру», имитирующие движение пламени. Единственный минус свечей — малая мощность и слабый световой поток (обычно в пределах 500-600 лм), поэтому они используются или в многоламповой конфигурации (большие люстры), или в локальных источниках света (бра, торшер, настольная лампа).

Мифы о светодиодных лампах

Как любая новая технология, светодиодные лампы столкнулись с целой кучей мифов, подвергающих сомнению их достоинства. Первопричиной их стала «сырость» ранних экземпляров и имеющие место реальные минусы, которые были подхвачены противниками нового. Производители ламп накаливания тоже заинтересованы в «разоблачении» недостатков LED-освещения, так как желают подольше «оставаться на плаву».

Миф 1: Светодиодные лампы мерцают

Первые экземпляры светодиодных ламп китайского производства действительно были склонны к мерцанию. Они содержали дешевые электролитические конденсаторы в конструкции выпрямителя, и при пересыхании электролита под воздействием температур — появлялись пульсации. В настоящее время (2016 год) к мерцанию склонны только дешевые (до 50 грн) светодиодные лампы неизвестного происхождения. Качественные LED-лампы, в которых используются современные выпрямители и твердотельные конденсаторы, не мерцают даже после нескольких лет эксплуатации. Точный срок назвать сложно (технология довольно новая), но это минимум 1-3 года.

Миф 2: Излучение LED-ламп вредно для глаз

Этот миф зародился из-за того, что первые светодиоды белого свечения имели достаточно неоднородный спектр свечения. Наиболее интенсивным было излучение на границе перехода теплых и холодных тонов (в диапазоне желтого и зеленого, длина волны — 500-600 нм), в то время как в фиолетовом и синем (400-500 нм) наблюдался провал. Из-за того, что человеческий глаз регулирует размер зрачка, «оценивая» количество именно синего цвета (волна 450-500 нм), предполагалось, что длительное воздействие на глаза светодиодной лампы — вредно для зрения.

Однако, современные LED-светильники (особенно те, что имеют нейтральный или холодный белый цвет свечения) достаточно продвинулись в направлении выравнивания спектра. У современных диодных ламп интенсивность синего излучения близка к таковой у ламп накаливания и составляет около 20 % от максимума (самого интенсивного цвета, обычно красного). Таким образом, LED-лампы ничуть не вреднее для глаз, чем лампы накаливания, и, тем более, люминесцентные «экономки». У последних спектр излучения — вообще, выглядит на графике, как гребенка: отдельные тона «задраны» вверх почти на максимум, а между ними — провалы. Синий выражен слабо, зато ультрафиолет (реально небезопасный) — довольно интенсивный (до 15 %). Конечно, у Солнца его интенсивность достигает 40 %, но кто смотрит на солнце невооруженным глазом?

Можно сделать следующий вывод: спектр излучения LED-ламп не полностью совпадает с солнечным, но он не представляет вреда для глаз. По крайней мере, по части спектра современные диодные лампы не хуже люминесцентных, использующихся уже несколько десятилетий.

Миф 3: LED-лампы очень долго окупаются

Скептики часто утверждают, что срок службы диодов никогда не достигает заявленных 10 или 30 тысяч часов, а на окупаемость лампы выходят очень долго. Таким образом, ставится под сомнение сам факт экономии денег на электроэнергии, при использовании LED-освещения. Чтобы развеять миф, достаточно вооружится калькулятором и узнать тариф на электроэнергию. Он на данный момент составляет 1,29 грн/кВтч, для объема от 100 до 600 кВтч в месяц.

«Лампочка Ильича», мощностью 100 Вт, при горении 5 часов в сутки сжигает 500 Вт электроэнергии. 500 (Втч)*365 (дней)=182500 ВТч или 182,5 кВт. 182,5*1,29=235 грн. Именно во столько обходится лампа накаливания. А если учесть, что ее срок службы не превышает 1 года, сюда стоит приплюсовать и 10 грн стоимости самой лампы. Итого — около 250 грн в год стоит освещение одной комнаты лампой накаливания.

Световой поток 100-ваттной лампочки накаливания составляет 1200-1300 лм. Аналогичный световой поток обеспечивает качественная LED-лампа на 12 Вт. 12 (Втч)*5 (часов)*365 (дней)=21900 Втч или 21,9 кВтч, 21,9*1,29=28,25 грн в год. Экономия — почти в 10 раз! Стоимость светодиодной лампы MAXUS модели 1-LED-564, мощностью 12 Вт, в каталоге Price.ua составляет 139 грн. Даже если лампа прослужит 2 года (такую гарантию дают проверенные производители) — 139+28,25*2=195,5 грн, против 2*250=500 грн — с лампой накаливания. То есть, даже если лампочка будет перегорать как раз на следующий день после окончания гарантии — экономия составит более 2,5 раз. LED-лампа полностью окупается уже за первый год использования.

Читайте также: Как экономить на отоплении дома электричеством — маленькие хитрости для большой выгоды

Как выбрать светодиодные лампы

Перед тем, как выбрать светодиодные лампы, нужно определиться с их типом, формой и цветовой температурой. Имеет значение и мощность, но от том, как рассчитать освещение светодиодами, расскажет следующий подраздел.

Тип светодиодной лампы

Какую светодиодную лампу выбрать, с точечными или филаментными диодами, зависит от условий ее использования. Для центрального освещения комнаты с помощью люстры наиболее оптимальной является светодиоднрая лампа с нитевидными источниками света. Она равномерно рассеивает свет, не создает затененных зон и темных пятен посреди помещения.

Лампы на точечных диодах имеют ограниченный угол освещения, поэтому их использование ограничено. Использовать их в основном освещении стоит, если диоды в лампе будут направлены именно в ту часть комнаты, которую нужно подсветить сильнее всего.

Форма LED-лампы

Для основного освещения филаментными лампами подойдет практически любая форма. Стоит лишь помнить, что чем меньше колба — тем меньше внутри охлаждающего газа, а это накладывает ограничения на мощность. Если люстра рассчитана на один патрон — стоит купить филаментную лампу-грушу, альтернативы ей пока нет. Для светильников, рассчитанных на много лампочек, подойдут свечи. Также свеча и кукуруза — оптимальные форматы для локальных источников света (настольных ламп, ночников, бра, торшеров).

В случае с лампами на точечных диодов — ограничения на формат накладывает конструкция светильника. Какой формы выбрать светодиодную лампу — зависит от положения патрона в нем. Важно, чтобы диоды были направлены на участок, который нужно подсветить. Если вкрутить грушу в патрон, направленный вверх — потолок будет залит светом, а пол окажется в тени. При горизонтальном расположении патрона — основной поток света от груши будет падать на стену, а часть помещения сзади цоколя будет плохо освещена. Для горизонтального патрона оптимальна кукуруза. Она же хороша и для торшера.

Цветовая температура

Светодиодные лампы имеют широкий спектр свечения, регулируемый путем изменения свойств люминофора, которым покрывается полупроводниковый кристалл. Современные LED-лампы могут иметь цветовую температуру от 2000 до 7000 К. В диапазоне 2000-3000 К свет получается теплый, с оранжевым оттенком. 3000-4000 К дают теплый желтовато-белый свет, близкий к солнечному освещению вечером. 4000-6000 К — это нейтральные тона, подобные естественном дневному освещению в хорошую погоду. При цветовой температуре 6000-7000 К достигается практически идеальный нейтрально-белый свет, у верхней границы — с легкими голубыми оттенками.

Цветовая температура влияет на субъективное восприятие, подбирать ее следует на свой вкус. Для спальни, гостиной, других жилых помещений вполне подходят теплые тона, подчеркивающие уютную атмосферу. 6000-7000 К подходят для рабочего места, так как именно при естественном дневном освещении человеческий организм демонстрирует наилучшую трудоспособность. Также холодные тона хороши для кухни, ванной, уборной и коридора или прихожей.

Как рассчитать светодиодное освещение

Для правильного подбора мощности LED-ламп нужно провести несложные расчеты. Итоговая величина зависит от площади комнаты и требуемого уровня освещенности. Основной единицей измерения освещенности является люкс (лк) — производная от люмена. Она указывает, сколько люмен света приходится на 1 м2 площади. Если лампа, светимостью 1000 лм, установлена в комнате на 10 м2 — уровень освещения составляет 1000/10=100 лк. Уровень освещения, рекомендуемый специалистами, отличается для разных типов помещений. Нормативные документы, регулирующи нормы освещения — СНиП (действующие еще с советских времен) и ISO 8995 (международный стандарт).

Нормы освещения:

• Прихожая, коридор — 50-100 лк.
• Гостиная, столовая — 100-200 лк.
• Спальня — 100 лк.
• Ванная, туалет, гардеробная, лестница — 50-200 лк.
• Рабочий кабинет — 300 лк.
• Кабинет или зал для четехных работ — 300-500 лк.

Для расчета освещенности нужно сложить суммарную яркость ламп, используемых одновременно, и разделить ее на площадь помещения. Оценить, соответствует ли реальный уровень освещения теоретическому можно без сложных приборов. Достаточно современного смартфона, оборудованного датчиком освещенности. Нужно установить приложение, вроде SensorSense, которое и покажет уровень освещения. Для более точного замера нужно запустить программу в освещенном месте, но не направлять датчик смартфона (расположен над экраном) непосредственно на лампу.

 Пример расчета:

Имеется гостиная, площадью 15 м2, с люстрой на 3 патрона посредине комнаты. При верхней норме освещенности 200 лк необходима суммарная яркость ламп на уровне 15 (м2)*200 (лк)=3000 лм. При использовании трех одинаковых ламп — каждая из них должна выдавать около 1000 лм. Такой световой поток способна генерировать светодиодная лампа, мощностью около 10 Вт. То есть, для освещения комнаты нужно 3 LED-лампы по 10 Вт (вместо 3 лампочек накаливания по 75-100 Вт).