Наружная реклама

Всего десять-двенадцать лет назад о светодиодах мало кто слышал. Еще реже можно было встретить тех, кто мог бы поделиться опытом в использовании твердотельных источников света для подсветки вывесок. Сегодня же светодиоды занимают уверенные позиции на рынке производства электрифицированной рекламы, все активнее конкурируя с люминесцентными лампами и приходя на смену все реже встречающимся неоновым трубкам. Наибольшей популярностью по вполне очевидным причинам среди сайнмейкеров пользуются LED-модули, которые излучают белый свет. Чтобы максимально реализовывать потенциал LED-технологий в производстве световой рекламы, прежде всего необходимо лучше понимать природу белых светодиодов и знать об их сильных и слабых сторонах.

Принципы работы

Светоизлучающий диод представляет собой электронное устройство, которое излучает свет, когда через него пропускают электрический ток. Диод состоит из кристалла (нередко называемого чипом), который изготовлен из полупроводникового материала с вкраплениями примесей, необходимых для создания p-n-перехода (или электронно-дырочного перехода). В диоде ток проходит от стороны p (анода) к стороне n (катоду), но не в обратную сторону. Носители заряда (электроны и дырки) поступают в p-n-переход от электродов с разным напряжением. При столкновении электронов с дырками происходит высвобождение энергии в виде фотонов. 

Цвет свечения (или длина волны излучаемого света) светодиода определяется материалами, из которых изготовлен светодиод. Монохроматические диоды выпускаются в различных цветах, включая красный, синий, янтарно-желтый, зеленый и ультрафиолетовый, со светоотдачей от 10 до 200 люменов. Чтобы получить LED-устройства, излучающие белый свет, прибегают к одной из трех распространенных в настоящее время технологий, о чем  далее рассказывается более подробно.

 

Cветодиодная линейка Philips с белым цветом свечения

 

Методы изготовления белых светодиодов и особенности их цветопередачи

Если лампы накаливания и люминесцентные лампы по сути своей - источники белого света, то белые светодиоды таковыми не являются. В отличие от более традиционных ламп, светодиоды генерируют свет очень узкого диапазона длин волн в видимом спектре, результатом чего является их почти монохромное свечение. Именно поэтому светодиоды особенно эффективно использовать в световых установках, излучающих какой-либо определенный основной цвет, к примеру, в светофорах и указателях. Между тем в вывесках чаще всего необходима внутренняя подсветка, излучающая белый свет, по цветовой температуре и индексу цветопередачи сопоставимый со свечением привычных люминесцентных ламп. В этом случае выбор в пользу светодиодов не создаст никаких дополнительных сложностей в работе дизайнеров, поскольку воспроизведение цветов на лицевой стороне вывески будет именно таким, какое требуется заказчику. 

Основными способами для получения белого свечения в светодиодах являются а) нанесение слоя желтого фосфора на синие кристаллы; b) нанесение нескольких слоев разноцветных фосфоров на кристаллы, излучающие свет, близкий по цвету к ультрафиолетовому; и c) RGB-системы, в которых за счет смешения света множества монохромных красных, зеленых и синих диодов достигается свечение белого цвета.

В первом случае чаще всего используют кристаллы синих светодиодов, которые покрывают желтым фосфором. Фосфор поглощает некоторое количество синего света и излучает желтый свет. При смешении непоглощенного синего света с желтым человеческий глаз воспринимает свечение диода как белое.

Второй метод представляет собой не так давно разработанную технологию получения твердотельных источников белого света на основе комбинации диода, излучающего свечение, близкое по цвету к ультрафиолетовому, и нескольких слоев разноцветных фосфоров. В последнем случае белый свет получают путем смешивания трех базовых цветов (красного, зеленого и синего). Качество белого света улучшают за счет дополнения конфигурации RGB диодами с янтарно-желтым свечением, что позволяет охватывать желтую часть спектра.

У каждого из этих подходов есть свои плюсы и минусы. Так, для белых светодиодов, изготавливаемых по принципу комбинации синих кристаллов с фосфором, характерны достаточно низкий индекс цветопередачи (около 70), склонность к генерации белого света холодных тонов, неоднородность оттенка свечения при достаточно высокой светоэффективности и относительно небольшой стоимости.

Белые светодиоды, полученные на основе комбинации диодов, с близким к ультрафиолетовому цвету свечения и разноцветных фосфоров, обладают более высоким индексом цветопередачи, могут генерировать белый свет более теплых оттенков и отличаются большей однородностью оттенков свечения от диода к диоду. При этом они не столь энергоэффективны и не столь ярки, как первые.

В свою очередь, принцип RGB позволяет создавать светодинамические эффекты в световых установках со сменой цвета свечения и различными тонами белого свечения и потенциально может обеспечивать очень высокий индекс цветопередачи. В то же время светодиоды отдельных цветов по-разному реагируют на величины рабочего тока, окружающую их температуру и регулирование яркости, и нуждаются в достаточно сложных и дорогостоящих системах управления для достижения стабильного цвета свечения.

Для всех светодиодных модулей, излучающих белый свет, характерен ряд достоинств и недостатков, распространяющийся на твердотельные источники света в целом. Этим особенностям следует уделить отдельное внимание.

Преимущества LED-технологий

Бесспорным достоинством светодиодов является их световая эффективность. Так, поставляемые в настоящее время на рынке LED-модули генерируют световой поток в диапазоне от 25 до 80 люменов на каждый ватт потребляемой мощности. К примеру, у ламп накаливания светоэффективность не превышает 5-10 лм/Вт.

Второй плюс в использовании светодиодов — их долговечность, которая в среднем составляет 25-50 тыс. часов. Для сравнения: лампа накаливания мощностью 75 Вт работает примерно 1 тыс. часов, компактная люминесцентная лампа сопоставимой яркости — от 8 тыс. до 10 тыс. часов. Долговечность LED-модулей позволяет существенно сокращать затраты на обслуживание световых установок и покупку новых источников света для замены вышедших из строя ламп. К примеру, светодиодный светильник при работе восемь часов в день, способен прослужить 18 лет до того, как выйдет из строя, будет потреблять меньше электроэнергии, чем другие источники света и почти не потребует обслуживания.

Рассмотрим более детальное сравнение долговечности светодиодов и ламп дневного света. Обычно срок службы люминесцентных ламп оценивается в 30 тыс. часов. Что же касается светодиодов, считается, что заменять LED-модули на новые необходимо только тогда, когда уровень яркости их свечения составляет не более 30% от первоначальной величины. Согласно данным Министерства энергетики США, самый долговечный из уже протестированных светодиодов беспрерывно проработал 35 тыс. часов, прежде чем достиг этого показателя. В силу постоянного развития светодиодных технологий среднестатистический ресурс LED-модулей продолжает увеличиваться. По оценкам экспертов, срок службы современных белых светодиодов оценивается в 17-20 лет при ежедневной эксплуатации в течение восьми часов.

Стоит заметить, что светодиоды не перегорают, как люминесцентные или газоразрядные лампы, а в большинстве случаев со временем просто утрачивают свою первоначальную яркость.

Все эти плюсы в эксплуатации твердотельных источников света обеспечивают экономию электроэнергии, сокращение затрат на обслуживание световых конструкций и снижение цены владения  вывеской со светодиодной подсветкой на протяжении ее срока служба в целом. В конструкции светодиодов не используется опасных для человеческого здоровья веществ, в отличие от компактных люминесцентных ламп, внутри которых содержатся ртутные пары. Немаловажным плюсом светодиодной технологии является и тот факт, что при диммировании (снижении яркости свечения) оттенок цвета их свечения не меняется в отличие, к примеру, от ламп накаливания, свет которых в этом случае желтеет.

Светодиоды — оптимальный выбор для использования в вывесках, которые работают в постоянном или достаточно частом режиме включения/выключения. К примеру, люминесцентные лампы при частом выключении выходят из строя гораздо быстрее, а газоразрядным лампам требуется достаточно ощутимый промежуток времени, чтобы заработать в полную силу после включения питания. Светодиоды во включенном состоянии начинают излучать свет почти мгновенно: к примеру, красный  LED-модуль достигает полной яркости свечения за микросекунды.

Светодиоды, по сути своей являющиеся твердотельными устройствами, сложно повредить при внешних ударах, в отличие от люминесцентных ламп, неоновых трубок и ламп накаливания, которые при падении или сильном внешнем воздействии разрушаются без возможности починки.

...и их недостатки

Оценивая различные потребительские свойства и качества светодиодов, чаще всего их основным минусом называют более высокую стоимость в сравнении с традиционными источниками света. Эта величина еще более увеличивается за счет необходимости в использовании большего число LED-модулей при достижении требуемой яркости свечения вывески, а также за счет затрат на требуемые для их работы электронику и блоки питания. И все же стоит заметить, что в целом стоимость владения (включая затраты на электроэнергию и обслуживание) светодиодной световой конструкцией ощутимо ниже, чем вывеской аналогичного размера и яркости, оснащенной какими-либо другими источниками света.

В режиме эксплуатации выявляется и еще одна особенность светодиодов, которую, пожалуй, следует отнести к их недостаткам: сильная зависимость от температуры, окружающей световую конструкцию. Если LED-модули подвергаются сильному нагреву, происходит перегрев их корпусов, и в результате это может привести к преждевременному выходу светодиодов из строя. В частности, известно, что повышение эксплуатационной температуры на 10 градусов Цельсия может сократить срок службы светодиода вдвое. Таким образом,
для обеспечения максимально возможного срока службы светодиодов необходима соответствующая система отвода тепла. Поэтому при оценке предполагаемой долговечности светодиодов следует учитывать рекомендованную производителем рабочую температуру и решения, внедренные им в конструкцию LED-модуля для нивелирования нагрева.

Итак, на какие же вопросы следует получить ответы производителя или поставщика белых светодиодов, если мы стремимся получить качественную и долговечную подсветку нашей вывески? Это:

1) Какую технологию изготовления светодиодных модулей с белым цветом свечения практикует фирма-производитель?

2) Каковы светоэффективность (в люменах на ватт), угол рассеивания светового потока (в градусах), цветовая температура (ССT) в Кельвинах и индекс цветопередачи (в единицах от 1 до 100) этих источников света?

3) Каков предполагаемый срок службы светодиодов?

4) Какие дополнительные устройства необходимы для работы LED-модулей?

5) В каком диапазоне температур рекомендуется использовать эти светодиоды, и как в них реализована система отвода тепла?

Возможность регулирования яркости свечения светодиодов в вывеске является еще одним немаловажным аспектом, который целесообразно учитывать при проектировании той или иной световой конструкции. Диммирование LED-подсветки позволяет оптимизировать эксплуатацию установки, реализовать в рекламном изделии дополнительные светодинамические эффекты, а также увеличить срок службы диодов.

При подготовке публикации использованы материалы компаний Cree, Inc., Lutron Electonics Co., Inc., OSRAM Opto Semiconductors и Philips Lumec.