Globaalit valaistusmarkkinat ovat kokeneet radikaalin muutoksen LED-tekniikan (light emitting diode) massiivisesti kasvavan käyttöönoton myötä. Tämä puolijohdevalaistuksen (SSL) vallankumous muutti perusteellisesti markkinoiden taustalla olevan talouden ja alan dynamiikan. SSL-teknologia ei mahdollistanut vain erilaisia tuottavuuden muotoja, vaan siirtyminen perinteisistä teknologioista LED-valaistukseen muuttaa perusteellisesti myös ihmisten käsitystä valaistuksesta. Perinteiset valaistustekniikat on suunniteltu ensisijaisesti visuaalisiin tarpeisiin. LED-valaistuksella valon biologisten vaikutusten positiivinen stimulointi ihmisten terveyteen ja hyvinvointiin kiinnittää yhä enemmän huomiota. LED-tekniikan tulo myös tasoitti tietä valaistuksen ja esineiden internetin (IoT) lähentymiselle, mikä avaa kokonaan uuden mahdollisuuksien maailman. Varhain LED-valaistuksen suhteen on ollut paljon sekaannusta. Markkinoiden voimakas kasvu ja kuluttajien valtava kiinnostus luovat pakottavan tarpeen poistaa teknologiaan liittyvät epäilykset ja tiedottaa yleisölle sen eduista ja haitoista.
Kuinka LEDit toimivat?
LED on puolijohdepaketti, joka sisältää LED-suulakkeen (sirun) ja muita komponentteja, jotka tarjoavat mekaanista tukea, sähköliitännät, lämmönjohtavuuden, optisen säädön ja aallonpituuden muuntamisen. LED-siru on pohjimmiltaan pn-liitoslaite, joka muodostuu vastakkaisesti seostetuista yhdistepuolijohdekerroksista. Yleisesti käytetty yhdistepuolijohde on galliumnitridi (GaN), jolla on suora kaistaväli, joka mahdollistaa suuremman säteilyn rekombinaation todennäköisyyden kuin puolijohteet, joissa on epäsuora kaistaväli. Kun pn-liitos on biasoitu eteenpäin, n-tyypin puolijohdekerroksen johtavuuskaistalta tulevat elektronit siirtyvät rajakerroksen yli p-liitokseen ja yhdistyvät uudelleen p-tyypin puolijohdekerroksen valenssikaistan reikiin. diodin aktiivinen alue. Elektronireikä-rekombinaatio saa elektronit putoamaan alhaisemman energian tilaan ja vapauttamaan ylimääräisen energian fotonien (valopakettien) muodossa. Tätä vaikutusta kutsutaan elektroluminesenssiksi. Fotoni voi kuljettaa sähkömagneettista säteilyä kaikilla aallonpituuksilla. Diodin lähettämän valon tarkat aallonpituudet määräytyvät puolijohteen energiakaistavälin mukaan.
LED-sirun elektroluminesenssin kautta syntyvällä valolla on kapea aallonpituusjakauma ja tyypillinen muutaman kymmenen nanometrin kaistanleveys. Kapeakaistaiset päästöt johtavat valoon, jolla on yksivärinen, kuten punainen, sininen tai vihreä. Laajaspektrisen valkoisen valonlähteen aikaansaamiseksi LED-sirun spektritehojakauman (SPD) leveyttä on laajennettava. LED-sirun elektroluminesenssi muunnetaan osittain tai kokonaan fosforien fotoluminesenssin kautta. Useimmat valkoiset LEDit yhdistävät lyhyen aallonpituuden säteilyn InGaN-sinisistä siruista ja uudelleen säteilevän pidemmän aallonpituisen valon fosforeista. Loisteainejauhe dispergoidaan pii-, epoksimatriisiin tai muihin hartsimatriisiin. Loisteainepitoinen matriisi päällystetään LED-sirun päälle. Valkoista valoa voidaan tuottaa myös pumppaamalla punaista, vihreää ja sinistä fosforia ultravioletti (UV) tai violetti LED-sirun avulla. Tässä tapauksessa tuloksena oleva valkoinen voi saavuttaa erinomaisen värintoiston. Mutta tämä lähestymistapa kärsii alhaisesta hyötysuhteesta, koska suuri aallonpituuden muutos, joka liittyy UV- tai violetin valon muuntamiseen alaspäin, liittyy suureen Stokes-energiahäviöön.
LED-valaistuksen edut
Hehkulamppujen keksintö reilusti yli sata vuotta sitten mullisti keinovalon. Tällä hetkellä olemme todistamassa SSL:n mahdollistamaa digitaalisen valaistuksen vallankumousta. Puolijohdepohjainen valaistus ei ainoastaan tarjoa ennennäkemätöntä suunnittelua, suorituskykyä ja taloudellisia etuja, vaan mahdollistaa myös joukon uusia sovelluksia ja arvoehdotuksia, joita aiemmin pidettiin epäkäytännöllisinä. Näiden etujen keräämisestä saatava tuotto on huomattavasti suurempi kuin LED-järjestelmän suhteellisen korkeat asennuksen alkukustannukset, joiden suhteen markkinoilla on edelleen epäröintiä.
1. Energiatehokkuus
Yksi tärkeimmistä perusteista siirtymiselle LED-valaistukseen on energiatehokkuus. Viimeisen vuosikymmenen aikana loisteainemuunnettujen valkoisten LED-pakettien valotehokkuus on noussut 85 lm/W:sta yli 200 lm/W:iin, mikä edustaa yli 60 prosentin sähköisen optisen tehon muunnostehokkuutta (PCE) normaalilla käyttövirralla. tiheys 35 A/cm2. Huolimatta InGaN-sinisten LEDien, loisteaineiden (tehokkuus ja aallonpituus vastaavat ihmisen silmän vastetta) ja paketin (optinen sironta/absorptio) tehokkuuden parannuksista, Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) sanoo, että PC-LED:lle jää enemmän tilaa. Tehokkuusparannukset ja noin 255 lm/W:n valotehot pitäisi olla käytännössä mahdollisia sinisillä pumpun LEDeillä. Suuri valotehokkuus on kiistatta LEDien ylivoimainen etu perinteisiin valonlähteisiin verrattuna – hehkulamppu (jopa 20 lm/W), halogeeni (jopa 22 lm/W), lineaarinen loisteputki (65-104 lm/W), kompaktiloistelamppu (46-87 lm/W), induktiofluoresoiva (70-90 lm/W), elohopeahöyry (60-60 lm/W), korkeapaineinen natrium (70-140 lm/W) , kvartsimetallihalogenidi (64-110 lm/W) ja keraaminen metallihalogenidi (80-120 lm/W).
2. Optinen toimitustehokkuus
Valonlähteiden tehokkuuden merkittävien parannusten lisäksi kyky saavuttaa korkea valaisimen optinen tehokkuus LED-valaistuksella on vähemmän tunnettu kuluttajien keskuudessa, mutta valaistussuunnittelijat sitä toivovat. Valonlähteiden lähettämän valon tehokas toimittaminen kohteeseen on ollut suuri suunnitteluhaaste alalla. Perinteiset polttimon muotoiset lamput säteilevät valoa kaikkiin suuntiin. Tämä aiheuttaa sen, että suuri osa lampun tuottamasta valovirrasta jää loukkuun valaisimen sisään (esim. heijastimiin, diffuusoriin) tai karkaa valaisimesta suuntaan, joka ei ole hyödyllinen aiotussa sovelluksessa tai yksinkertaisesti loukkaa silmää. HID-valaisimet, kuten metallihalogenidi ja korkeapainenatrium, ovat yleensä noin 60–85 prosenttia tehokkaita ohjaamaan lampun tuottamaa valoa ulos valaisimesta. Ei ole harvinaista, että upotetut alasvalot ja trofferit, jotka käyttävät loiste- tai halogeenivalolähteitä, kärsivät 40-50 prosenttia optisista häviöistä. LED-valaistuksen suuntaava luonne mahdollistaa tehokkaan valon toimituksen, ja LED-valojen kompakti muoto mahdollistaa valovirran tehokkaan säätelyn yhdistelinssien avulla. Hyvin suunnitellut LED-valaistusjärjestelmät voivat tuottaa yli 90 prosentin optisen hyötysuhteen.
3. Valaistuksen tasaisuus
Tasainen valaistus on yksi tärkeimmistä prioriteeteista sisätilojen ja ulkoalueiden/tien valaistuksen suunnittelussa. Tasaisuus on alueen valaistuksen suhteiden mitta. Hyvän valaistuksen tulisi varmistaa lumenien tasainen jakautuminen tehtävän pinnalle tai alueelle. Epätasaisesta valaistuksesta johtuvat äärimmäiset luminanssierot voivat johtaa visuaaliseen väsymiseen, vaikuttaa tehtävien suorittamiseen ja jopa aiheuttaa turvallisuusriskin, koska silmän on mukauduttava valotiheyseron pintojen välillä. Siirtyminen kirkkaasti valaistulta alueelta hyvin erilaiseen luminanssiin aiheuttaa väliaikaisen näöntarkkuuden menetyksen, millä on suuria turvallisuusvaikutuksia ulkosovelluksissa, joissa on mukana ajoneuvoliikennettä. Suurissa sisätiloissa tasainen valaistus lisää korkeaa visuaalista mukavuutta, mahdollistaa työpaikkojen joustavuuden ja eliminoi valaisimien siirron tarpeen. Tämä voi olla erityisen hyödyllistä korkean tason teollisuus- ja kaupallisissa tiloissa, joissa valaisimien siirtäminen aiheuttaa huomattavia kustannuksia ja vaivaa. HID-lamppuja käyttävillä valaisimilla on paljon suurempi valaistusvoimakkuus suoraan valaisimen alapuolella kuin valaisimesta kauempana olevilla alueilla. Tämä johtaa huonoon tasalaatuisuuteen (tyypillinen max/min-suhde 6:1). Valaistussuunnittelijoiden on lisättävä valaisimen tiheyttä varmistaakseen, että valaistuksen tasaisuus täyttää suunnittelun vähimmäisvaatimukset. Sitä vastoin pienikokoisista LED-materiaaleista luotu suuri valoa emittoiva pinta (LES) tuottaa valon jakautumisen tasaisesti alle 3:1 max/min -suhteella, mikä tarkoittaa parempia visuaalisia olosuhteita ja huomattavasti pienempiä lukuja. asennuksista tehtäväalueen yli.
4. Suuntavalaistus
Suunnatun emissiomallinsa ja suuren vuontiheytensä ansiosta LEDit soveltuvat luonnostaan suuntavalaistukseen. Suuntavalaisin keskittää valonlähteen lähettämän valon suunnatuksi säteeksi, joka kulkee keskeytyksettä valaisimesta kohdealueelle. Kapeasti tarkennettuja valonsäteitä käytetään tärkeyshierarkian luomiseen kontrastin avulla, valikoitujen ominaisuuksien saattamiseksi esiin taustalta ja lisäämään mielenkiintoa ja tunnepitoisuutta esineeseen. Suuntavalaisimia, mukaan lukien kohde- ja valonheittimet, käytetään laajalti korostusvalaistuksessa korostamaan näkyvyyttä tai korostamaan design-elementtiä. Suuntavalaistusta käytetään myös sovelluksissa, joissa tarvitaan voimakasta valokeilaa vaativien visuaalisten tehtävien suorittamiseen tai pitkän kantaman valaistuksen tuottamiseen. Tuotteita, jotka palvelevat tätä tarkoitusta, ovat taskulamput, valonheittimet, seurantapisteet, ajoneuvojen ajovalot, stadionin valonheittimet jne. LED-valaisin voi antaa tarpeeksi voimaa sen valotehoon, halutaanpa luoda hyvin määritelty "kova" valokeila korkeaan draamaan. COB-LEDit tai heittää pitkän säteen kauas kauas tehokkaiden LEDien avulla.
5. Spektrisuunnittelu
LED-tekniikka tarjoaa uuden mahdollisuuden ohjata valonlähteen spektritehojakaumaa (SPD), mikä tarkoittaa, että valon koostumusta voidaan räätälöidä erilaisiin sovelluksiin. Spektriohjattavuus mahdollistaa valaistustuotteiden spektrin muokkauksen siten, että se ottaa vastaan tiettyjä ihmisen visuaalisia, fysiologisia, psykologisia, kasvien valoreseptori- tai jopa puolijohdedetektorin (eli HD-kameran) vasteita tai tällaisten vasteiden yhdistelmää. Korkea spektrinen tehokkuus voidaan saavuttaa maksimoimalla halutut aallonpituudet ja poistamalla tai vähentämällä vaurioittavia tai tarpeettomia spektrin osia tietylle sovellukselle. Valkoisen valon sovelluksissa LEDien SPD voidaan optimoida määrätylle väritarkkuudelle ja korreloidulle värilämpötilalle (CCT). Monikanavaisen, moniemitterisuunnittelun ansiosta LED-valaisimen tuottamaa väriä voidaan ohjata aktiivisesti ja tarkasti. RGB-, RGBA- tai RGBW-värien sekoitusjärjestelmät, jotka pystyvät tuottamaan täyden kirjon valoa, luovat rajattomat esteettiset mahdollisuudet suunnittelijoille ja arkkitehdeille. Dynaamisissa valkoisissa järjestelmissä käytetään useita CCT-LEDejä, jotka tarjoavat lämpimän himmennyksen, joka jäljittelee hehkulamppujen väriominaisuuksia himmennettäessä, tai säädettävän valkoisen valaistuksen, joka mahdollistaa sekä värilämpötilan että valon voimakkuuden itsenäisen ohjauksen. Ihmiskeskeinen valaistus, joka perustuu säädettävään valkoiseen LED-tekniikkaan, on yksi monista viimeisimmän valaistusteknologian kehityksen tekijöistä.
6. Päälle/pois kytkentä
LEDit syttyvät täydellä kirkkaudella lähes välittömästi (yhdestä numerosta kymmeniin nanosekunteihin) ja niiden sammumisaika on kymmenissä nanosekunnissa. Sitä vastoin pienloistelamppujen lämpenemisaika tai aika, jonka polttimo saavuttaa täyden valotehon, voi kestää jopa 3 minuuttia. HID-lamput vaativat useiden minuuttien lämpenemisajan ennen kuin ne tarjoavat käyttökelpoista valoa. Hot Restrike on paljon suurempi huolenaihe kuin metallihalogenidilamppujen ensimmäinen käyttöönotto, sillä ne olivat aikoinaan pääasiallinen tekniikka, jota käytettiin korkean kentän valaistukseen ja suuritehoisiin valonheittimiin teollisuuslaitoksissa, stadioneilla ja areenoilla. Metallihalogenidivalaistuksella varustetun laitoksen sähkökatkos voi vaarantaa turvallisuuden, koska metallihalogenidilamppujen kuumasytytysprosessi kestää jopa 20 minuuttia. Välitön käynnistys ja kuuma uudelleenkytkentä antavat LEDeille ainutlaatuisen aseman monien tehtävien tehokkaaseen suorittamiseen. Ei vain yleiset valaistussovellukset hyötyvät suuresti LEDien lyhyestä vasteajasta, vaan myös monet erikoissovellukset hyödyntävät tätä kykyä. Esimerkiksi LED-valot voivat toimia synkronoituna liikennekameroiden kanssa ja tarjota ajoittaista valaistusta liikkuvan ajoneuvon kuvaamiseen. LEDit syttyvät 140-200 millisekuntia nopeammin kuin hehkulamput. Reaktioajan etu viittaa siihen, että LED-jarruvalot estävät takatörmäyksiä tehokkaammin kuin hehkulamput. Toinen LEDien etu kytkentätoiminnassa on kytkentäjakso. Toistuva vaihto ei vaikuta LEDien käyttöikään. Tyypilliset LED-ajurit yleisvalaistussovelluksiin on mitoitettu kestämään 50,000 kytkentäjaksoa, ja on harvinaista, että tehokkaat LED-ajurit kestävät 100,000, 200,000 tai jopa miljoona. vaihtosyklit. Nopea kierros (korkeataajuinen kytkentä) ei vaikuta LEDin käyttöikään. Tämän ominaisuuden ansiosta LED-valot sopivat hyvin dynaamiseen valaistukseen ja käytettäväksi valaistuksen säätimien, kuten läsnäolo- tai päivänvaloanturien, kanssa. Toisaalta toistuva päälle/pois kytkeminen voi lyhentää hehku-, HID- ja loistelamppujen käyttöikää. Näillä valonlähteillä on yleensä vain muutamia tuhansia kytkentäjaksoja niiden nimelliskäyttöiän aikana.
7. Himmennysominaisuus
Kyky tuottaa valotehoa erittäin dynaamisella tavalla mahdollistaa LEDien täydellisen himmentämisen, kun taas loistelamput ja HID-lamput eivät reagoi hyvin himmennykseen. Loistelamppujen himmentäminen edellyttää kalliiden, suurien ja monimutkaisten piirien käyttöä kaasun viritys- ja jänniteolosuhteiden ylläpitämiseksi. HID-lamppujen himmentäminen lyhentää käyttöikää ja lyhentää lampun ennenaikaista vikaa. Metallihalogenidi- ja korkeapainenatriumlamppuja ei voida himmentää alle 50 prosentin nimellistehosta. Ne reagoivat myös himmennyssignaaleihin huomattavasti hitaammin kuin LEDit. LED-himmennys voidaan tehdä joko vakiovirran vähennyksellä (CCR), joka tunnetaan paremmin nimellä analoginen himmennys, tai soveltamalla LEDiin pulssinleveysmodulaatiota (PWM), AKA digitaalista himmennystä. Analoginen himmennys ohjaa LEDien kautta kulkevaa käyttövirtaa. Tämä on yleisimmin käytetty himmennysratkaisu yleisvalaistussovelluksiin, vaikka LEDit eivät välttämättä toimi hyvin hyvin alhaisilla virroilla (alle 10 prosenttia). PWM - himmennys muuttaa pulssinleveysmodulaation toimintajaksoa keskiarvon luomiseksi sen lähdössä koko alueella 100 prosentista 0 prosenttiin . LEDien himmennyssäätö mahdollistaa valaistuksen mukauttamisen ihmisten tarpeisiin, maksimoi energiansäästön, mahdollistaa värien sekoittamisen ja CCT-virityksen sekä pidentää LEDien käyttöikää.
8. Hallittavuus
LEDien digitaalinen luonne mahdollistaa antureiden, prosessorien, ohjainten ja verkkoliitäntöjen saumattoman integroinnin valaistusjärjestelmiin erilaisten älykkäiden valaistusstrategioiden toteuttamiseksi dynaamisesta valaistuksesta ja adaptiivisesta valaistuksesta IoT:n tuomaan mukanaan. LED-valaistuksen dynaaminen ulottuvuus vaihtelee yksinkertaisesta värinvaihdosta monimutkaisiin valoesityksiin sadoissa tai tuhansissa yksilöllisesti ohjattavissa valaistussolmuissa ja monimutkaiseen videosisällön muuntamiseen LED-matriisijärjestelmissä näytettäväksi. SSL-tekniikka on suuren yhdistettyjen valaistusratkaisujen ekosysteemin ytimessä, joka voi hyödyntää päivänvalon keräämistä, läsnäolon tunnistusta, ajanhallintaa, sulautettua ohjelmoitavuutta ja verkkoon kytkettyjä laitteita valaistuksen eri osien ohjaamiseen, automatisointiin ja optimointiin. Valaistuksen ohjauksen siirtäminen IP-pohjaisiin verkkoihin mahdollistaa älykkäiden, anturien kuormitettujen valaistusjärjestelmien yhteistoiminnan muiden IoT-verkkojen laitteiden kanssa. Tämä avaa mahdollisuuksia luoda laaja valikoima uusia palveluita, etuja, toimintoja ja tulovirtoja, jotka lisäävät LED-valaistusjärjestelmien arvoa. LED-valaistusjärjestelmien ohjaus voidaan toteuttaa käyttämällä erilaisia langallisia ja langattomia viestintäprotokollia, mukaan lukien valaistuksen ohjausprotokollat, kuten 0-10V, DALI, DMX512 ja DMX-RDM, rakennusautomaatioprotokollat, kuten BACnet, LON, KNX ja EnOcean, ja protokollat, jotka on otettu käyttöön yhä suositummalla mesh-arkkitehtuurilla (esim. ZigBee, Z-Wave, Bluetooth Mesh, Thread).
9. Suunnittelun joustavuus
LEDien pienen koon ansiosta valaisinsuunnittelijat voivat tehdä valonlähteistä moniin sovelluksiin sopivia muotoja ja kokoja. Tämä fyysinen ominaisuus antaa suunnittelijoille enemmän vapautta ilmaista suunnittelufilosofiaansa tai luoda brändi-identiteettiä. Valonlähteiden suorasta integroinnista johtuva joustavuus tarjoaa mahdollisuuksia luoda valaistustuotteita, joissa muoto ja toiminta yhdistyvät täydellisesti. LED-valaisimia voidaan suunnitella hämärtämään suunnittelun ja taiteen välisiä rajoja sovelluksissa, joissa vaaditaan koristeellista polttopistettä. Ne voidaan myös suunnitella tukemaan korkeatasoista arkkitehtonista integraatiota ja sulautumaan mihin tahansa suunnittelukoostumukseen. Puolijohdevalaistus ajaa uusia muotoilutrendejä myös muilla aloilla. Ainutlaatuisten muotoilumahdollisuuksien ansiosta ajoneuvojen valmistajat voivat suunnitella erottuvia ajo- ja takavaloja, jotka antavat autoille houkuttelevan ilmeen.
10. Kestävyys
LED säteilee valoa puolijohdekappaleesta – eikä lasikumpusta tai putkesta, kuten vanhoissa hehku-, halogeeni-, loisteputki- ja HID-lampuissa, jotka käyttävät filamentteja tai kaasuja valon tuottamiseen. Solid-state-laitteet on yleensä asennettu metalliytimisellä painetulle piirilevylle (MCPCB), jonka liitännät ovat tyypillisesti juotettuja johtimia. Ei särkyvää lasia, ei liikkuvia osia eikä hehkulangan rikkoutumista, joten LED-valaistusjärjestelmät kestävät erittäin hyvin iskuja, tärinää ja kulumista. LED-valaistusjärjestelmien solid-state-kestävyydellä on ilmeisiä arvoja monissa sovelluksissa. Teollisuuslaitoksessa on paikkoja, joissa valot kärsivät suurten koneiden aiheuttamasta liiallisesta tärinästä. Tien ja tunnelien viereen asennettujen valaisimien tulee kestää ohikulkevien raskaiden ajoneuvojen aiheuttamaa toistuvaa tärinää. Tärinä muodostaa tyypillisen työpäivän rakennus-, kaivos- ja maatalousajoneuvoihin, koneisiin ja laitteisiin asennettuina työvaloilla. Kannettavat valaisimet, kuten taskulamput ja retkeilylyhdyt, ovat usein alttiina putoaville iskuille. On myös monia sovelluksia, joissa rikkinäiset lamput aiheuttavat vaaran matkustajille. Kaikki nämä haasteet vaativat kestävän valaistusratkaisun, jota puolijohdevalaistus voi tarjota.
11. Tuotteen käyttöikä
Pitkä käyttöikä erottuu yhdeksi LED-valaistuksen tärkeimmistä eduista, mutta puhtaasti LED-paketin (valonlähteen) käyttöiän mittaukseen perustuvat väitteet pitkästä käyttöiästä voivat olla harhaanjohtavia. LED-paketin, LED-lampun tai LED-valaisimen (valaisimien) käyttöikä mainitaan usein ajankohdaksi, jolloin valovirran teho on laskenut 70 prosenttiin alkuperäisestä tehostaan eli L70:stä. Tyypillisesti LEDien (LED-pakkausten) L70 käyttöikä on 30,000 - 100,000 tuntia (Ta=85 asteessa). Kuitenkin LM-80-mittaukset, joita käytetään LED-pakettien L70-käyttöiän ennustamiseen TM-21-menetelmällä, on otettu LED-pakettien toimiessa jatkuvasti hyvin kontrolloiduissa käyttöolosuhteissa (esim. lämpötilasäädellyssä ympäristössä). ja toimitetaan vakiolla tasavirtakäyttövirralla). Sitä vastoin LED-järjestelmät todellisissa sovelluksissa kohtaavat usein korkeamman sähköisen ylikuormituksen, korkeammat liitoslämpötilat ja ankarammat ympäristöolosuhteet. LED-järjestelmät voivat kokea nopeutettua valon ylläpitoa tai suoran ennenaikaisen vian. Yleensä LED-lamppujen (polttimot, putket) L70-käyttöikä on 10,000 - 25,000 tuntia, integroitujen LED-valaisimien (esim. korkean kentän valot, katuvalot, alasvalot) käyttöikä on 30, 000 tuntia ja 60,000 tuntia. Perinteisiin valaistustuotteisiin verrattuna – hehkulamppu (750-2,000 tuntia), halogeeni (3,000-4, 000 tuntia), pienloistelamppu (8,000-10 ,000 tuntia) ja metallihalogenidit (7,500-25,000 tuntia), LED-järjestelmät, erityisesti integroidut valaisimet, tarjoavat huomattavasti pidemmän käyttöiän. Koska LED-valot eivät vaadi käytännössä lainkaan huoltoa, pienemmät ylläpitokustannukset ja LED-valojen käytön suuret energiansäästöt niiden pitkän käyttöiän aikana luovat perustan korkealle sijoitetun pääoman tuottolle (ROI).
12. Fotobiologinen turvallisuus
LEDit ovat fotobiologisesti turvallisia valonlähteitä. Ne eivät tuota infrapunasäteilyä (IR) ja lähettävät merkityksettömän määrän ultraviolettivaloa (UV) (alle 5 uW/lm). Hehkulamput, loistelamput ja metallihalogenidilamput muuttavat 73 prosenttia, 37 prosenttia ja 17 prosenttia kulutetusta tehosta infrapunaenergiaksi. Ne säteilevät myös sähkömagneettisen spektrin UV-alueella – hehkulamppuja (70-80 uW/lm), kompaktifluoresoivia (30-100 uW/lm) ja metallihalogenideja (160-700 uW/lm). . Riittävän korkealla intensiteetillä UV- tai IR-valoa lähettävät valonlähteet voivat aiheuttaa fotobiologisia vaaroja iholle ja silmille. UV-säteilylle altistuminen voi aiheuttaa kaihia (normaalisti kirkkaan linssin samentumista) tai valokeratiittia (sarveiskalvon tulehdus). Lyhytaikainen altistuminen korkealle IR-säteilylle voi aiheuttaa lämpövaurioita silmän verkkokalvolle. Pitkäaikainen altistuminen suurille annoksille infrapunasäteilyä voi aiheuttaa lasinpuhaltimen kaihia. Hehkulamppujen aiheuttama epämukavuus on jo pitkään ollut kiusaa terveydenhuoltoalalla, sillä perinteiset kirurgiset työvalot ja hammaslääkärin työvalot käyttävät hehkulamppuja tuottamaan valoa korkealla väritarkkuudella. Näiden valaisimien tuottama voimakas säde tuottaa suuren määrän lämpöenergiaa, mikä voi tehdä potilaista erittäin epämukavaksi.
Keskustelu fotobiologisesta turvallisuudesta keskittyy väistämättä usein sinisen valon vaaraan, joka viittaa verkkokalvon valokemialliseen vaurioon, joka johtuu säteilyaltistuksesta aallonpituuksilla ensisijaisesti 400-500 nm. Yleinen väärinkäsitys on, että LEDit voivat todennäköisemmin aiheuttaa sinisen valon vaaran, koska useimmat loisteainemuunnetut valkoiset LEDit käyttävät sinistä LED-pumppua. DOE ja IES ovat tehneet selväksi, että LED-tuotteet eivät eroa muista valonlähteistä, joilla on sama värilämpötila sinisen valon vaaran suhteen. Loisteainemuunnetut LEDit eivät aiheuta tällaista riskiä edes tiukoilla arviointikriteereillä.
13. Säteilyvaikutus
LEDit tuottavat säteilyenergiaa vain sähkömagneettisen spektrin näkyvässä osassa noin 400 nm - 700 nm. Tämä spektraalinen ominaisuus antaa LED-valaisimille arvokkaan sovellusedun verrattuna valonlähteisiin, jotka tuottavat säteilyenergiaa näkyvän valon spektrin ulkopuolella. Perinteisten valonlähteiden UV- ja IR-säteily ei aiheuta vain fotobiologisia vaaroja, vaan johtaa myös materiaalin hajoamiseen. UV-säteily on erittäin haitallista orgaanisille materiaaleille, koska säteilyn fotonienergia UV-spektrikaistalla on riittävän korkea tuottamaan suoria sidosten katkeamis- ja valohapetusreittejä. Tästä johtuva kromoforin hajoaminen tai tuhoutuminen voi johtaa materiaalin huononemiseen ja värin muuttumiseen. Museosovellukset edellyttävät, että kaikki valonlähteet, jotka tuottavat yli 75 uW/lm UV-säteilyä, on suodatettava, jotta taideteosten peruuttamattomat vauriot voidaan minimoida. IR ei aiheuta samantyyppisiä UV-säteilyn aiheuttamia fotokemiallisia vaurioita, mutta voi silti edistää vaurioita. Kohteen pintalämpötilan nostaminen voi johtaa kemiallisen toiminnan kiihtymiseen ja fysikaalisiin muutoksiin. Korkean intensiteetin IR-säteily voi laukaista pinnan kovettumista, maalausten värimuutoksia ja halkeilua, kosmeettisten tuotteiden pilaantumista, vihannesten ja hedelmien kuivumista, suklaan ja makeisten sulamista jne.
14. Palo- ja räjähdysturvallisuus
Tulipalo- ja altistumisvaarat eivät ole ominaisia LED-valaistusjärjestelmille, koska LED muuntaa sähkötehon sähkömagneettiseksi säteilyksi elektroluminesenssin kautta puolijohdepaketin sisällä. Tämä on toisin kuin vanhat tekniikat, jotka tuottavat valoa kuumentamalla volframifilamentteja tai virittämällä kaasumaista väliainetta. Vika tai väärä käyttö voi aiheuttaa tulipalon tai räjähdyksen. Metallihalogenidilamput ovat erityisen alttiita räjähdysvaaralle, koska kvartsikaariputki toimii korkeassa paineessa (520 - 3 100 kPa) ja erittäin korkeassa lämpötilassa (900 - 1 100 astetta). Ei-passiiviset kaariputken viat, jotka johtuvat lampun käyttöiän päättymisestä, liitäntälaitteen vioista tai väärän lampun ja liitäntälaitteen yhdistelmän käytöstä, voivat aiheuttaa metallihalogenidilampun ulkokuoren rikkoutumisen. Kuumat kvartsipalat voivat sytyttää palavat materiaalit, palavat pölyt tai räjähtävät kaasut/höyryt.
15. Näkyvän valon tiedonsiirto (VLC)
LEDit voidaan sytyttää ja sammuttaa nopeammin kuin ihmissilmä pystyy havaitsemaan. Tämä näkymätön päälle/pois-kytkentäominaisuus avaa uuden sovelluksen valaistustuotteille. LiFi (Light Fidelity) -tekniikka on saanut huomattavaa huomiota langattoman viestinnän alalla. Se hyödyntää "ON" ja "OFF" LED-sarjoja tiedon lähettämiseen. Verrattuna nykyisiin radioaaltoja käyttäviin langattomiin viestintätekniikoihin (esim. Wi-Fi, IrDA ja Bluetooth), LiFi lupaa tuhat kertaa leveämmän kaistanleveyden ja huomattavasti suuremman siirtonopeuden. LiFiä pidetään houkuttelevana IoT-sovelluksena valaistuksen kaikkialla esiintymisen vuoksi. Jokaista LED-valoa voidaan käyttää langattoman tiedonsiirron optisena tukiasemana, kunhan sen ajuri pystyy muuttamaan suoratoistosisällön digitaalisiksi signaaleiksi.
16. DC-valaistus
LEDit ovat matalajännitteisiä, virtaohjattuja laitteita. Tämän luonteen ansiosta LED-valaistus voi hyödyntää pienjännitetasavirran (DC) jakeluverkkoja. Kiinnostus DC-mikroverkkojärjestelmiin, jotka voivat toimia joko itsenäisesti tai yhdessä tavallisen sähköverkon kanssa, on lisääntymässä. Nämä pienimuotoiset sähköverkot tarjoavat paremmat rajapinnat uusiutuvan energian generaattoreihin (aurinko, tuuli, polttokenno jne.). Paikallisesti saatavilla oleva tasavirta eliminoi laitetason AC-DC-tehon muuntamisen tarpeen, mikä aiheuttaa huomattavan energiahäviön ja on yleinen vikakohta vaihtovirtakäyttöisissä LED-järjestelmissä. Tehokas LED-valaistus puolestaan parantaa ladattavien akkujen tai energian varastointijärjestelmien autonomiaa. IP-pohjaisen verkkoviestinnän lisääntyessä Power over Ethernet (PoE) nousi matalatehoiseksi mikrogrid-vaihtoehdoksi matalajännitteisen tasavirran toimittamiseen saman kaapelin kautta, joka toimittaa Ethernet-tiedot. LED-valaistuksella on selkeitä etuja PoE-asennuksen vahvuuksien hyödyntämisessä.
17. Kylmälämpötilakäyttö
LED-valaistus on erinomainen kylmissä lämpötiloissa. LED muuntaa sähkötehon optiseksi tehoksi injektioelektroluminesenssin avulla, joka aktivoituu, kun puolijohdediodi on sähköisesti esijännitetty. Tämä käynnistysprosessi ei ole lämpötilasta riippuvainen. Matala ympäristön lämpötila helpottaa LEDien tuottaman hukkalämmön poistumista ja vapauttaa ne siten lämpöhäviöstä (optisen tehon väheneminen korotetuissa lämpötiloissa). Sitä vastoin kylmän lämpötilan käyttö on suuri haaste loistelampuille. Loistelampun käynnistämiseksi kylmässä ympäristössä tarvitaan korkea jännite valokaaren käynnistämiseksi. Loistelamput menettävät myös huomattavan osan nimellisvalotehostaan pakkasen alapuolella, kun taas LED-valot toimivat parhaimmillaan kylmissä olosuhteissa – jopa -50 asteeseen asti. LED-valot sopivat siksi ihanteellisesti pakastimiin, jääkaappiin, kylmävarastoihin ja ulkokäyttöön.
18. Ympäristövaikutukset
LED-valot aiheuttavat huomattavasti vähemmän ympäristövaikutuksia kuin perinteiset valonlähteet. Alhainen energiankulutus tarkoittaa alhaisia hiilidioksidipäästöjä. LEDit eivät sisällä elohopeaa ja aiheuttavat siten vähemmän ympäristöongelmia käyttöiän lopussa. Vertailun vuoksi elohopeaa sisältävien loistelamppujen ja HID-lamppujen hävittämiseen liittyy tiukkojen jätehuoltokäytäntöjen käyttöä.
LED-valaistuksen haitat ja haasteet
Älä innostu LED-valaistuksen tarjoamista eduista. Vaikka tämä tekniikka on ehdottomasti maamerkkisaavutus sähkövalaistuksen historiassa, se aiheuttaa omat ongelmansa. Valaistusalalla on edessään suuri haaste, jota se ei ole koskaan ennen joutunut kohtaamaan. Puolijohdevalaistus muutti suunnittelun ja suunnittelun filosofiaa. Valaistusjärjestelmät eivät ole enää tyhmiä valaisimia, vaan niistä on kehittynyt tehoelektroniikka. Toisin sanoen valaistusjärjestelmien suunnittelu on ennennäkemättömän monimutkaista. LEDit ovat itsekuumenevia, virtaherkkiä ja valovoimakkaita puolijohdevalolähteitä. Tästä syntyy LED-valaistuksen suurin huolenaihe – LED-järjestelmän suorituskyky ja luotettavuus riippuvat suuresti moniulotteisesta työstä. LED-pakettien mittarit ovat vain yksi osa LED-valaistusjärjestelmän kokonaisvaltaista suunnittelua ja järjestelmäsuunnittelua. Monet muut toisistaan riippuvaiset tekijät tulevat peliin, mukaan lukien lämmönhallinta, käyttövirran säätö ja optinen ohjaus.
Nojatuoliasiantuntijat laativat usein pitkän luettelon LED-valaistuksen haitoista. Ja tehdäkseen tarinasta sensaatiomainen, he eivät koskaan unohtaisi mainita, että LED-valaistus voi aiheuttaa sinisen valon vaaroja. Valkoinen valo on pohjimmiltaan sekoitus eri värikaistojen aallonpituuksia. Kaikissa valkoisissa, joilla on samanvärinen ulkonäkö, riippumatta valonlähteistä, joista valo lähtee, on suunnilleen sama määrä sinisiä aallonpituuksia näkyvässä spektrissä. Valkoisen valon värin ulkonäkö voidaan luonnehtia korreloivaksi värilämpötilaksi (CCT). Valonlähteen sininen sisältö vastaa yleensä sen CCT:tä. Mitä suurempi CCT, sitä suurempi on sinisten aallonpituuksien osuus. Samoissa luminanssi- ja valaistusolosuhteissa 3 000 K LED -tuotteen sininen säteily on yhtä alhainen kuin 3 000 K hehkulampun ja 6 000 K LED -tuotteen sininen säteily on yhtä korkea kuin 6 000 K loistelampun. Kuten muutkin valonlähteet, valkoisten LEDien sinisen valon vaara on harvoin huolissaan. Kyky suunnitella valkoisen valon spektrikoostumusta on LED-tekniikan valtava etu. LED-valaistuksella voidaan tuottaa mikä tahansa valon spektrinen koostumus, joka vaikuttaa myönteisesti ihmisten terveyteen ja hyvinvointiin. Ihmiskeskeinen valaistus, suuri teknologiatrendi, joka ajaa valaistusteollisuuden kasvua, kerää LED-järjestelmien CCT-virityskyvyn säätämään sinisen säteilyn määrää terveen valkoisen valon spektrin saamiseksi.
Itse asiassa LED-valaistuksella on vain muutamia luontaisia haittoja.
LED-valaistuksen tunnetuin heikkous on se, että LEDit tuottavat sivutuotteen – lämpöä. LEDejä kutsutaan myyntilämmityslaitteiksi, koska ne tuottavat lämpöä laitepaketin sisällä sen sijaan, että ne säteilevät lämpöä infrapunaenergian muodossa. Noin puolet LEDiin syötetystä sähköenergiasta muunnetaan lämmöksi, joka on johdettava ja konvekoitava fyysistä lämpöpolkua pitkin. Jos laitteen liitoslämpötilaa ei ylläpidetä asetetun rajan alapuolella, se voi kiihdyttää vikamekanismien kinetiikkaa, kuten atomivikojen muodostumista ja kasvua diodin aktiivisella alueella, kapselointiaineen hiiltymistä ja kellastumista sekä muovipakkauksen kotelon värjäytymistä. Suurimman nimellisen liitoslämpötilan ylittäessä LEDin käyttöikä lyhenee 30 prosentista 50 prosenttiin jokaista 10 asteen risteyksen lämpötilan nousua kohti.
LED-valaistuksen tuntemattomin ja myös suurin heikkous on se, että LEDit ovat herkkää tehoelektroniikkaa. He ovat äärimmäisen nirsoja ruoan suhteen – ajovirran suhteen. LEDien suuri herkkyys eteenpäin suuntautuvalle virralle on kaksiteräinen miekka. Se antaa valaistusjärjestelmille erinomaisen ohjattavuuden, mutta tekee myös käyttövirran säätämisestä valtavan haastavaa. Hyvin pieni muutos käyttövirrassa aiheuttaa valon tehon vaihtelun. LEDit ovat tasavirtakäyttöisiä laitteita, mutta ne on usein syötettävä vaihtovirtalähteellä. Vaihtelevan aaltomuodon epätäydellinen vaimennus tasasuuntauksen jälkeen voi aiheuttaa jäännösaaltoilua (jaksollinen jäännösvaihtelu) ohjaimen ja LEDien välisessä ulostulossa. Tämä aaltoilu saa LEDit välkkymään kaksinkertaisella taajuudella kuin tulevan verkkojännitteen taajuudella, eli 100 Hz tai 120 Hz. LEDien sähköinen ja terminen keskinäinen riippuvuus lisää myös kuormituksen säätelyn monimutkaisuutta. Liitoksen lämpötilan noustessa eteenpäin jännite laskee, ja myös LEDille toimitettu sähköteho vähenee. Toisaalta mitä suurempi käyttövirta on, sitä suurempi hukkalämpö syntyy puolijohteen suulakkeessa. LED-valon yliajo voi johtaa LEDin varhaiseen vikaantumiseen lämmön karkaamisen vuoksi. Siitä huolimatta vahingollisin uhka LEDeille tulee sähköisistä ylikuormituksista (EOS). EOS tapahtuu, kun taajuusmuuttajan virta tai jännite ylittää komponentin maksiminimellisarvot. On monia mahdollisia sähköisen ylikuormituksen lähteitä, kuten sähköstaattinen purkaus (ESD), käynnistysvirta tai muun tyyppiset ohimenevät tehopiikit. LEDien herkkyys erilaisille sähkörasituksille edellyttää siksi käyttövirran tiukkaa säätöä.
Kolmas haittapuoli on se, että LEDeillä on korkea vuontiheys. Suuntavalon keskittyneet valonlähteet voivat mahdollisesti aiheuttaa häikäisyä. Näkökentän korkeat luminanssit häiritsevät näkemistä (vammaisten häikäisy) tai aiheuttavat ärsytystä tai kipua (epämiellyttävä häikäisy). Valaisimien suunnitteluun voidaan sisällyttää lisäoptiikkaa häikäisyn vähentämiseksi, mutta ne johtavat usein suuriin optisiin häviöihin.
Viimeisenä, mutta ei vähäisimpänä, järjestelmäsuunnittelun monimutkaisempi johtaa LED-tuotteiden korkeampiin ensimmäisiin kustannuksiin verrattuna vanhoihin valaistustuotteisiin. Tämä tekee kustannusten optimoinnista tärkeän osan valaisimen suunnitteluprosessia. Kun kustannuspaine ylittää tuotteiden suorituskyvyn ja luotettavuuden, syntyy ongelmia.
