Почему светодиодные лампы ярче, но экономичнее остальных, и какой будет лампочка будущего
Cветодиодные лампы в 10 раз эффективнее и долговечнее, чем лампы накаливания, и в 2–3 раза превосходят по тем же показателям ртутные. Как светодиодам удалось опередить другие искусственные источники света? Каковы сильные и слабые стороны ламп разного вида? Чтобы разобраться, заглянем внутрь колбы и в цоколь лампочки.
Как работает лампа накаливания, и почему ее КПД ничтожен
Источник света в лампочке накаливания — тонкая нить, обычно вольфрамовая. Ее зажимают между двумя электродами и помещают в колбу, из которой откачивают почти весь воздух. Электрический ток проходит через нить и нагревает ее — передает кучу «лишней» тепловой энергии. Атомы металла получают энергию, но тут же отдают часть в виде света — это явление называется тепловым излучением.
Чтобы продлить срок службы нити в лампе накаливания и сделать свет более холодным, колбу наполняют парами галогенов (брома или йода). Такие лампы часто ставят в автомобильные фары.
Из всей подводимой к лампе накаливания энергии лишь малая часть превращается в свет, который мы видим. Остальное тепло расходуется на генерацию инфракрасного излучения: КПД лампочек накаливания редко превышает 3%. Увеличить долю тепла, превращающегося в видимый свет, можно, если раскалить нить сильнее, но в этом случае она проживет лишь несколько часов.
Зачем в люминесцентной лампе ртуть
Люминесцентная лампа — трубка, заполненная парами ртути. Когда электрический ток оказывается в такой лампе, он снабжает атомы ртути энергией, переводя их в возбужденное состояние. Электроны возвращаются в привычное состояние, испуская частички ультрафиолетового излучения. Чем длиннее трубка, тем больше излучения создает лампа, поэтому трубки сворачивают в разные геометрические фигуры. Компактные варианты известны как энергосберегающие лампы.
Чтобы ультрафиолет — более высокоэнергетическое излучение, чем видимый и инфракрасный свет, — стал доступен для человеческого зрения, «излишек» энергии нужно забрать. Для этого внутреннюю поверхность ламп покрывают люминофором. Его главная задача — поглощать ультрафиолет, взаимодействовать с ним, отбирая немного энергии, и превращать его в видимый свет.
Главное преимущество люминесцентных ламп — высокая эффективность: КПД приближается к 9%.
Секреты светодиодной лампы
В таких лампах ток протекает через светодиод — полупроводниковый прибор, превращающий электрический ток в свет. Когда электрическая цепь замкнута, элементы полупроводника начинают нагреваться, электроны в них покидают свои атомы и утекают во внешнюю цепь. Попутно идет обратный процесс: носители отрицательного заряда и оставшиеся без своих электронов положительные частицы соединяются. При этом выделяется излишек энергии, которую «уносят» фотоны — «частички» света.
Чтобы получить белый свет с помощью светодиодов, красный, зеленый и синий светодиоды объединяют в один.
КПД экспериментальных светодиодных источников достигает 90%, в бытовых лампочках он колеблется в районе 20–30%. Полупроводники — это кристаллические вещества, поэтому они устойчивее к скачкам напряжения, механическим и температурным нагрузкам. Если светодиодную лампочку уронить на пол, она не разобьется и даже продолжит гореть. Если срок службы обычной лампы накаливания около 1000 часов, люминесцентной — 6–10 тысяч, то светодиодные живут 20–50 тысяч часов.
Сгладить пульсацию
Лампочка питается от стандартной электрической сети. В наши розетки поступает переменный ток, он меняет направление движения 50 раз в секунду. Так проще передавать энергию от электростанции до квартиры, но в короткие моменты, когда ток исчезает, яркость лампочки снижается. Это называется эффектом пульсации.
Пульсация света может нарушать внимание людей, повышать утомляемость. Вот почему в санитарных правилах и нормах, постановлениях правительства и других нормативно-правовых актах России ограничивают допустимые коэффициенты пульсации при разных работах, в большинстве случаев он не должен превышать 20%.
У ламп накаливания пульсация находится в диапазоне 12–20% — она сглаживается сама по себе благодаря тепловой инерции: за краткий миг, пока тока нет, нить не успевает сильно остыть и продолжает излучать свет.
В люминесцентных лампах без дополнительных регулирующих элементов пульсация достигает 40%. В светодиодных лампах тепловая инерция совсем отсутствует, с эффектом пульсации в них борются с помощью сложной схемы, включающей сглаживающие конденсаторы и драйверы. В результате коэффициент пульсации качественных светодиодных ламп не превышает 5%. При этом недобросовестные производители экономят на наполнении лампы, в итоге пульсация дешевой светодиодной лампочки может превысить разрешенный уровень вдвое.
Какие лампы освещают деятельность энергетических компаний, и что ждет лампу в будущем
Светодиодные лампочки превосходят конкурентов по всем показателям, кроме цены: они немного дороже люминесцентных и в несколько раз дороже ламп накаливания. Однако за время жизни светодиодной лампочки (в среднем 30 тысяч часов) перегорят 3–5 люминесцентных или до 30 лампочек накаливания. При этом каждая 60-ваттная лампа накаливания сожжет 1800 киловатт-часов, а ее светодиодный аналог — всего 200.
Разница особенно ощутима, когда лампочек много. Для двухкомнатной квартиры нужно в среднем десять 60-ваттных лампочек. При расчете три рубля за один киловатт-час (это средний тариф по стране по последним данным Росстата) одна светодиодная лампочка может сэкономить почти 50 тысяч рублей в течение срока службы.
Геннадий Федоров
электромонтер службы релейной защиты, автоматики и телемеханики «Газпром нефти»
Светодиодные лампы потребляют на 90% меньше электроэнергии, чем лампы накаливания, излучая привычный теплый свет.
По словам Федорова, в недалеком будущем традиционные лампы накаливания станут раритетами, увидеть их можно будет разве что в музеях. На второй план отходят и люминесцентные лампы. Сегодня крупные предприятия, на объектах которых находятся сотни тысяч источников света, предпочитают использовать светодиодные лампы. Устаревшие люминесцентные светильники собирают и отправляют на утилизацию и переработку в лицензированные организации.
В перспективе лампочки могут стать беспроводными и питаться электричеством дистанционно. Домашние и производственные источники света могут превратиться в источники просвещения — передавать оптический сигнал и раздавать Интернет. Скорость такого «лампового» Wi-Fi превысила бы нынешнюю в десятки раз — вплоть до одного гигабайта в секунду: остановился под лампочкой на минуту — скачал сериал.
