Informacijai perduoti jau seniai naudojamos įvairiaspalvės šviesos. Lauko sąlygomis ir erdviuose interjeruose reikalingi skaistieji šviesos signalai, kurie gerai matomi iš didelio atstumo tiek esant natūraliam, tiek dirbtiniam apšvietimui. Skaisčiųjų šviesos signalų technologijoje ilgus metus vyravo kaitinamosios lempos, kurių spinduliuotė praleidžiama pro reikiamos spalvos filtrus.

Turint omenyje, kad kaitinamosiose lempose tik 5-7% suvartotos energijos virsta regimąja šviesa, o šviesos filtravimas iš esmės yra energiją švaistantis procesas (t.y. susiaurinamas platus spektras, paverčiant nepageidaujamų bangos ilgių šviesą į šilumą), tokių signalų našumas labai menkas. Antai filtruotų kaitinamųjų lempų šviesinis našumas tesiekia 3 lm/W ir 10 lm/W atitinkamai raudonojoje ir geltonojoje srityse, ir dar mažesnis yra žaliojoje ir mėlynojoje. Kitas kaitinamųjų lempų trūkumas – tai jų nepatikimumas. Paprastai jų siūlelis perdega po 1000-2000 val. eksploatacijos (tiesa, eksploatacijos trukmę galima kelis kartus prailginti šviesinio našumo sąskaita), be to, įprastos lempos mechaniškai yra neatsparios.

Pastaruoju dešimtmečiu atsirado naujų puslaidininkinių šviesos šaltinių, kurie ėmė sparčiai keisti kaitinamąsias lempas įvairiose sferose, pirmiausia ten, kur reikalingi skaistieji šviesos signalai. Šie šaltiniai – tai gerai žinomi injekcinės elektroliuminescencijos principu veikiantys šviesos diodai, kurie iki tol buvo taikomi tik kaip indikatorinės lemputės ir miniatiūrinės skaitmeninės matricos. Pirmųjų didelio skaisčio šviesos diodų (puslaidininkinių lempų – PL) pagrindas buvo AlGaAs puslaidininkinis lydinys, jie spinduliavo vien ilgabangę raudoną šviesą. Tačiau sukūrus naujas puslaidininkinių medžiagų sistemas AlGaInP ir AlInGaN, panaudojus nanometrinių matmenų puslaidininkinius darinius ir patobulinus lustų optinę konstrukciją, atsirado nauja karta šviesos diodų, spinduliuojančių visuose regimo spektro ruožuose. PL – tai spalvoti šviesos šaltiniai (spinduliuoja siauru 15-40 nm spektro ruožu), pasižymintys ilga eksploatacijos trukme (100 000 val. ir ilgiau) ir mechaniniu atsparumu. Šiuo metu raudonų ir oranžinių AlGaInP PL spindulinis našumas laboratorijos sąlygomis jau siekia 55%, o žalių ir mėlynų AlInGaN PL – 20-30%. Tokių lempų raudonosios ir oranžinės srities šviesinis našumas didesnis negu 100 lm/W, žaliosios – 60 lm/W ir mėlynosios – 15 lm/W. Komercinių prietaisų raudonosios srities vieno lusto spindulinė galia jau siekia 350 mW, 120 mW – mėlynosios. Šie šviesos šaltiniai masiškai taikomi spalvotuose vaizduokliuose, pranašaujama, kad jie revoliucingai skverbsis į apšvietimo sritį. Daugiausia PL taikomos signalizacijai – eismo šviesoms, automobilių šviesoms bei kitokiems saugos, perspėjamiesiems ir avariniams signalams. Vienintelis PL trūkumas – didesnė prietaiso kaina. Tačiau plečiantis PL gamybai, šio neigiamo veiksnio reikšmė mažėja – iki šiol PL kainos dalis, tenkanti šviesinio srauto vienetui, kas dešimtmetį krito 10 kartų, ir ši tendencija išlieka.

Eismo šviesos

PL pirmiausia masiškai pritaikyta eismo šviesoms. Maždaug apie 1990 m. raudonosios šviesoforų galvutės pradėtos gaminti iš AlGaAs šviesos diodų (spinduliuotės spektro smailė ties 650 nm), kurių šviesinis našumas (~10 lm/W) jau tada tris kartus buvo didesnis už filtruotos kaitinamosios lempos šviesinį našumą. Nors šviesoforo galvutė, kurią sudarė kelių šimtų šviesos diodų matrica, daugiau kainavo, ši technologija jau tuomet ekonomiškai pasiteisino, nes taupo elektros energiją (raudona „stop“ šviesa dega vidutiniškai 65% laiko). Šiuo metu JAV ir Europoje raudonos ir geltonos spalvos signalams naudojamos AlGaInP PL, spinduliuojančios atitinkamai ties 626 nm ir 590 nm bangos ilgiais. Žaliose galvutėse įmontuojamos 530 nm bangos ilgio AlInGaN PL (Japonijoje įmontuojamos 490-505 nm žaliai mėlynos galvutės). Dabar raudonose galvutėse yra 10-12 AlGaInP PL, šios galvutės pigiausios ir ekonomiškiausios. Geltonos ir žalios galvutės ne tokios ekonomiškos dėl didesnio PL kiekio (žalios AlInGaN PL yra ir kiek brangesnės) ir trumpesnio veikimo eismo reguliavimo cikle (geltono signalo degimo trukmė gali tesiekti 3% laiko). Tačiau jau įprasta gaminti ir keisti ištisas trijų spalvų šviesoforų sekcijas.

Didžiausias PL šviesoforų privalumas – energijos taupymas. Pas mus labiausiai paplitusios šviesoforų galvutės su 60 W kaitinamosiomis lempomis gali būti pakeistos vidutiniškai 10 W galios puslaidininkinėmis galvutėmis. Rodyklinių PL galvučių galia yra dar mažesnė ir gali būti vos keli vatai, kadangi rodyklės atvaizdą suformuoja mažesnė šviesos diodų matrica (jei naudojamos kaitinamosios lempos, reikia ekrano su rodyklės pavidalo anga). Pramoninių šalių vienam milijonui gyventojų tenka apie 1000 reguliuojamų sankryžų, vidutiniškai viena turi 50 šviesoforų galvučių; vienu metu sankryžoje dega vidutiniškai 20 galvučių. Įvertinta, kad pakeitus kaitinamąsias lempas puslaidininkinėmis, JAV suvartojama elektros energijos galia sumažėtų 0,4 GW (vidutinis atominės elektrinės reaktorius!). Kita vertus, kad eismas nesutriktų dėl kaitinamųjų lempų perdegimo, jas reikia reguliariai keisti kelis kartus per metus. Tokio aptarnavimo išlaidos suryja ženklią dalį municipalinio biudžeto. Tuo tarpu PL galima eksploatuoti 15 metų praktiškai be aptarnavimo. Apskaičiuota, kad netgi esant palyginti žemoms elektros energijos kainoms ir nedideliems aptarnavimo kaštams, modernizuoti šviesoforai Vilniaus mieste (~140 reguliuojamų sankryžų) per 15 eksploatacijos metų sutaupytų savivaldybei apie 1 milijoną litų, o atsižvelgiant į kainų augimą ekonominis efektas gali siekti 3 ir daugiau milijonų litų.

Nė kiek ne menkesnis pranašumas yra eismo saugumo padidėjimas. Skirtingai nuo kaitinamųjų lempų, kad PL staiga perdegtų labai mažai tikėtina (eksploatacijos trukmė tėra laiko tarpsnis, per kurį šviesos srautas sumažėja perpus). Net jei dėl gamybos defekto pavienis šviesos diodas ir perdega ar šviesoforas sugadinamas eismo įvykio ar vandalų, maitinimo grandinė užtikrina likusios matricos dalies gyvybingumą, ir eismas nesutrikdomas. Taip pat eismas mažiau trikdomas retesnio aptarnavimo. Vairuotojai iškelia dar vieną privalumą – tai, kad eliminuojamas klaidinantis saulės atspindys, dėl kurio įvyksta daug avarijų reguliuojamose sankryžose ir pėsčiųjų perėjose. Puslaidininkinė galvutė neturi didelio reflektoriaus, kuris nukreiptų atspindėtą saulės šviesą atgal pro spalvotą filtrą, o nedideli šviesos diodų vidiniai reflektoriai nesukuria spalvoto atspindžio, kadangi konstrukcijoje nėra spalvotų elementų.

PL maitinimo grandinės yra mažos galios ir jose naudojama žema įtampa. Tai leidžia lengvai realizuoti papildomas funkcijas. Pavyzdžiui, nesunku reguliuoti maitinimo įtampą ir taip išvengti skaisčio kitimo dėl tinklo įtampos ir temperatūros svyravimų; maitinimo srovę galima sumažinti tamsiuoju paros metu ir šitaip papildomai taupyti energiją; šviesoforai gali turėti akumuliatorinių baterijų, kurios įsijungtų, jei įvyktų elektros tinklo avarija, ir netgi gali būti maitinami saulės baterijų. Taigi paprasčiau automatizuoti eismo reguliavimą, naudojant įprastas žemavoltes kompiuterines sąsajas, ir valdyti per atstumą (pavyzdžiui, mobiliaisiais telefonais).

PL eismo šviesos taip pat diegiamos į geležinkelių transportą dėl daug didesnio patikimumo ir kitų eismo saugumą didinančių veiksnių. Geležinkeliuose naudojami kelių rūšių skaistieji raudonos, geltonos, žalios, mėlynos ir balzganos šviesos signalai traukinių eismui ir pervažoms reguliuoti. Naujieji puslaidininkiniai šviesos šaltiniai teikia daug galimybių visus šiuos signalus patobulinti.

Automobilių signalai

Automobilių signalai – kita svarbi masinio puslaidininkinių lempų panaudojimo sritis. Dabartinis jų techninis lygis jau leidžia pakeisti visų automobilio signalinių šviesų (stabdžių, posūkių, avarinių bei priekinių, galinių ir šoninių gabaritų) kaitinamąsias lempas. Antai, šiuo metu į visus JAV gaminamus sunkvežimius ir autobusus montuojami vien puslaidininkiniai šviesos signalai. Lengvųjų automobilių pramonė pereiti prie PL technologijos dar tik pradeda, nes čia svarbesnė signalų kaina ir kyla daugiau dizaino problemų.

PL pranašumai automobilių šviesos signaluose yra ilgaamžiškumas, mažesnis elektros energijos vartojimas, mechaninis tvirtumas ir trumpa įsidegimo trukmė. Iš esmės automobilių signalai su PL yra, galima sąlygiškai sakyti, amžini, kadangi jų eksploatavimo trukmė kur kas ilgesnė už automobilio ridos trukmę, kuri paprastai nesiekia 10 000 val. Tokiu būdu sumažinamos aptarnavimo išlaidos, be to, automobilio konstrukcijoje nebereikia nišų lempučių keitimui (sumažėja automobilio matmenys ir svoris). Mažesnė maitinimo srovė leidžia sumažinti generatoriaus galią ir laidų skerspjūvį. Didesnis energinis našumas ypač svarbus ateities bateriniuose elektromobiliuose ir transporto priemonėse su hibridine pavara. Eismo saugumo požiūriu išvengiama staigaus perdegimo, PL įsidega be delsos. Antai kaitinamųjų lempų įsidegimo delsa yra apie 0,1 s, taigi važiuodamas 60 km/h greičiu vairuotojas ima reaguoti į priekyje stabdomo automobilio signalus papildomai nuriedėjęs 1,7 m. Šio nuotolio pašalinimas yra pakankamai reikšmingas susidūrimams išvengti arba jų padariniams sušvelninti.

PL technologija automobilių signaluose ne tik padidina ekonomiškumą ir eismo saugumą, bet ir atveria naujas dizaino galimybes. Pavyzdžiui, būdamos labai atsparios smūgiams, signalinės šviesos su PL gali būti montuojamos durelėse bei bagažinės ir variklio dangčiuose (įžiebtos kaitinamosios lempos dažnai perdega nuo trankymo). Puslaidininkinės lempos neįkaista, ta jų ypatybė leidžia naudoti pigius ir mažesnių matmenų plastikinius optinius elementus su juose integruotais šviesos diodais, plastikinius šviesolaidžius ir pan.

Pirmasis automobilių signalas su PL buvo centrinė pakeltoji stabdžių šviesa (CHMSL – Central High Mounted Stop Light), kuri privaloma daugelyje šalių (JAV – nuo 1982 m.). Vienas pirmųjų automobilių su puslaidininkiniu šviesos signalu yra 1994-1996 m. modelio „Ford Thunderbird“, kurio CHMSL pagamintas iš raudonų AlGaAs šviesos diodų. Šiuo metu raudonuose, oranžiniuose ir geltonuose automobilių signaluose naudojamos našesnės AlGaInP PL. Įvairiems signalams gali prireikti nuo 1 iki 75 šviesos diodų. General Motors 2000 m. „Cadillac DeVille“ – pirmasis lengvasis automobilis su gryna puslaidininkine užpakaline signaline sistema. Sistemą sudaro 72 raudonos AlGaInP PL. 4 šviesos diodai skirti gabaritinėms šviesoms, o kiti 68 – stabdžių signalui. Iš pastarųjų 16 lustų tuo pat metu atlieka posūkio signalo funkciją. Automobilio priešakyje PL panaudotos naujuose „VW Golf“ modeliuose (oranžinių šviesos diodų matrica įmontuota į žibintą). „BMW 5″ serijos automobiliams sukurtos užpakalinės gabaritų šviesos su PL, integruotomis į plastikinius sklaidomuosius šviesolaidžius.

Saugos, perspėjamieji ir avariniai signalai

Be eismo ir automobilių šviesų, PL plačiai taikomos ir kitokiuose šviesos signaluose, pvz., evakuacijos. Jie būtinai turi būti įrengti daugelio šalių (pavyzdžiui, JAV ir Europos Sąjungos) viešuosiuose pastatuose. Šie signalai (užrašas EXIT) turi degti nuolat, net ir ištikus elektros tinklo avarijai. Įprastų evakuacijos signalų lempos dažniausiai kaitinamosios, kompaktinės fluorescencinės arba tričio (pastarosios švyti dėl radioaktyvumo). Palyginti su kitomis elektrinėmis lempomis, PL daug ekonomiškesnės ir ilgaamžiškesnės. Tuo tarpu tričio lempos ne tik daug brangesnės, bet ir visuomenė jų nenori, nes jos radioaktyvios. JAV, kur evakuacijos šviesos yra raudonos, puslaidininkinė technologija imta taikyti nuo pat didelio skaisčio raudonų AlGaAs šviesos diodų pasirodymo. Šiuo metu signaluose vyrauja tobulesnės AlGaInP PL, kurios sutaupo iki 90% elektros energijos (vartoja 1-5 W vietoj 12-50 W kaitinamųjų ir fluorescencinių analogų) ir leidžia išsiversti su mažesne atsargine akumuliatorių baterija. Europoje, kur evakuacijos šviesos žalios, reikia brangesnių AlInGaN šviesos diodų, ir perėjimas prie puslaidininkinės technologijos yra tik prasidėjęs.

PL technologija leidžia įtaisyti signalines šviesas į grindinius ir kelio dangas. Taigi tokios šviesos ypač praverčia ten, kur eismą aptarnauti ypač sudėtinga (oro uostų pakilimo ir manevravimo takai, greitkelių elementai bei nereguliuojamos pėsčiųjų perėjos).

Kadangi PL ekonomiškos, ilgaamžės, tvirtos, jos labai tinka įvairiausiems saugumo, perspėjamiesiems ir avariniams švyturėliams transporto priemonėse (specialios paskirties antžeminėse, taip pat laivuose ir lėktuvuose), bokštuose, pramoniniuose įrenginiuose, plūduruose, remontuojamuose kelių ruožuose bei kitose pavojingose vietose. Be jau minėtų PL privalumų, šviesos diodai ypač parankūs darbui blykčiojimo režimu, nes, skirtingai nuo kaitinamųjų lempų, blykčiojimas nesukelia puslaidininkinio spinduolio degradavimo. Tokių puslaidininkinių švyturėlių pavyzdys – šviečiantys plūdurai, naudojami navigacijoje ir žuvininkystėje. Maitinami saulės baterijų, jie gali neaptarnaujami funkcionuoti kelis dešimtmečius ir generuoti įvairių spalvų šviesos signalus, matomus kelias jūrmyles. Minėtinos saugos liemenės su įsiūtomis blykčiojančiomis PL ir nedidele baterija. Jos būtinos dirbant pavojingose vietose, pvz., remontuojamuose kelio ruožuose.

Ilgaamžės, ekonomiškos ir ekologiškos PL imtos taikyti kaip saugos žibintai apšviesti parkų takelius, namų valdas, pastatus ir kitas konstrukcijas.

Prof. Artūras ŽUKAUSKAS

Views All Time
Views All Time
4084
Views Today
Views Today
2
0 0