В ином свете

Возможно, уже в недалеком будущем для освещения вместо традиционных источников света будут использоваться светодиоды.

Вот уже около 120 лет для нужд освещения человечество использует лампы накаливания, конструкция которых в общих чертах была описана ещё самим Томасом Эдисоном.

Принцип работы этих ламп заключается в том, что при пропускании электрического тока сквозь тонкую вольфрамовую спираль, находящуюся в вакууме или в заполненной инертным газом колбе, последняя накаляется до высокой температуры (2500-3000 К) и излучает электромагнитные волны довольно широкого диапазона, в том числе видимые и значительное количество инфракрасных.

Последним обусловлен ряд серьёзных недостатков ламп накаливания. На долю упомянутого инфракрасного излучения выпадает более 90 % потребляемой электроэнергии, иначе говоря, эти лампы не столько светят, сколько греют. Та же причина лежит в основе относительной недолговечности их работы – продолжительность эксплуатации до "перегорания" ограничена несколькими сотнями часов. Чем выше температура спирали, тем интенсивнее свечение, однако, тем быстрее происходит испарение атомов вольфрама, вызывающее потемнение колбы и, в конечном счете, перегорание самой спирали. Среди минусов следует также отметить значительную хрупкость ламп накаливания и относительно большие размеры.

Возникает вопрос, не может ли современная наука предложить альтернативный, более эффективный, удобный и экономный вариант устройств на замену используемым лампам накаливания? Некоторые полагают, что такой вариант уже есть – это светодиоды.

У большинства читателей термин "светодиод", наверное, ассоциируется с чем-то вроде того, что изображено на первом снимке. В принципе, это действительно так. Однако, за добрых 30 лет, прошедших со времени появления первых полупроводниковых светоиспускающих диодов (light-emitting diode или LED), их конструкция и возможности претерпели ощутимые изменения, так что значительно изменился даже сам внешний вид светодиодов. Сегодня устройства, некогда преимущественно выполнявшие скромную роль индикаторов, претендуют на место обычных ламп накаливания в самом широком диапазоне устройств.

Светодиоды старого образца страдали двумя основными недостатками: во-первых, излучаемый свет был слишком слаб, чтобы использовать их для освещения, а, во-вторых, при работе образовалось значительное количество тепла, причём неметаллические материалы, из которых изготовлялась линза, обладали термоизоляционными свойствами. Кроме того, устройство первых светодиодов позволяли получить лишь один цветной свет – красный.

Многие из указанных недостатков были частично или полностью решены, преимущественно на протяжении последнего десятилетия.

Так, в частности, сейчас с помощью светодиодов можно получить свет практически любого цвета, а также т.н. дневной свет, близкий по спектральному составу к естественному. Это достигается благодаря специальному фосфорному покрытию, которое придаёт желтоватый оттенок центральной части неработающего диода. Когда сквозь полупроводник устройства проходит электрический ток, диод испускает интенсивное коротковолновое излучение голубого цвета, которое вызывает переход атомов фосфора в возбуждённое состояние. Возвращение атомов на исходный уровень сопровождается желтым свечением, которое с голубым создает неплохое подобие дневного света.

При сравнении с традиционными лампами накаливания, светодиоды характеризуются рядом преимуществ, а именно:
- большей яркостью; поверхность, освещаемая светодиодом, получает равномерное освещение. Светодиод диаметром около двух сантиметров способен обеспечить количество света, равное таковому от 10-ваттной лампочки, при этом не выделяя столько тепла;
- долговечностью – они выносливы к тряске, ударам и иным механическим воздействиям, в случае правильного использования способны работать на протяжении десятков тысяч (до 50 000) часов;
- экономностью потребления электроэнергии. В частности, новые светодиоды способны работать на практически севших батареях;
- малыми размерами.

Одним из крупных производителей современных светодиодов является компания LumiLEDs. Эта компания, офис которой расположен в Сан-Хосе, Калифорния -  результат слияния Philips Lighting и дочернего предприятия компании Hewlett-Packard Agilent. Примером продукции LumiLEDs является серия светодиодов Luxeon.

Собственно, рассматриваемые устройства содержат светодиод лишь как центральный элемент устройства, также включающего ряд вспомогательных структур.

Четыре крупных объекта слева и в центре фото входят в серию Luxeon Star; светоизлучающая часть укреплена на прямоугольной или гексагональной металлической основе, которая необходима для отведения тепла. Согласно спецификации, максимальная мощность, на которую рассчитаны светодиоды серии Luxeon, составляет около 1,4 ватта - 350 миллиампер при напряжении 3.99 вольт. Устройства могут функционировать также с мощностью до 3-4 ватт, однако это вызывает пропорциональный разогрев диода и значительно сокращает срок его жизни.

Два диода слева, оснащенные линзами, являются т.н. Star/O-версией серии. Линза состоит из полиметилметакрилата, используемого также для изготовления контактных линз. Светодиоды Star/O предназначаются для использования в фонариках. Маленькие диоды справа не имеют своей охлаждающей батареи и могут быть прикреплены по усмотрению пользователя.

Не смотря на указанные положительные особенности, пока рано надеяться на полное замещение светодиодами традиционных ламп накаливания. Одним из факторов, препятствующих их распространению, является то, что, не смотря на высокую эффективность, светодиоды всё же уступают в таковой флуоресцентным источникам света: если обычная лампа накаливания даёт 17 люмен на 1 ватт потреблённой энергии, лучшие светодиоды – 25 люмен, то эффективность флуоресцентных ламп достигает 80 люмен. Дуг Силквуд (Doug Silkwood), глава отдела  маркетинга LumiLEDs, однако, сообщает, что 60 и даже 80 люмен на ватт не являются чем-то недостижимым для светодиодов, и инженеры их компании работают над этим.

Другим важным фактором является высокая стоимость светодиодов – они практически в 10 раз дороже ламп накаливания. Однако, уже несколько автомобилестроительных компаний начали применять светодиоды в фарах дорогих моделей (Ford Model U, Audi Nuvolari и др.), а также концепт-карах, например, Dodge Tomahawk компании Chrysler). Ведущим преимуществом диодов в данном случае является их высокая механическая выносливость.

Предполагается, что фары на основе светодиодов могут войти в широкое использование уже к средине текущего десятилетия.

LumiLEDs и представители других компаний уверены, что расширение использования светодиодов в самых различных отраслях – лишь дело времени. Практически каждая крупная компания, работающая на рынке осветительной аппаратуры, имеет проект внедрения светодиодов, несколько компаний заняты исследованиями в данной отрасли. По мнению Силквуда, светодиоды одержат победу над флуоресцентными лампами примерно через 5 лет, и скорость их распространения будет возрастать по мере снижения стоимости.