Современная светотехника N3/2010

СОВРЕМЕННАЯ СВЕТОТЕ НИКА №3 (04)

Август 2010 года

Инновационные источники света стр. 4 Конференции «Современная светотехника» и «Современная светотехника - Украина» стр. 23 Перспективы органических светодиодов в системах освещения стр. 43 Лампы T8: светодиодные против люминесцентных

слово редактора

К

Коллеги, здравствуйте!

Редакция

В первых строках своего обращения

хочу, конечно же, поздравить всех нас с окончанием изнуряющей жары, с закры-

Руководитель проекта

тием мертвого сезона отпусков и входом в

«Современная светотехника»

привычное русло плодотворных трудовых

и главный редактор

будней. Ну а теперь о главном. Развитие источ-

Валерий Манушкин

ников света всегда указывало и указывает вектор направления для бизнесов, а их успешное внедрение – то, как будет развиваться вся отрасль в целом. Однако, несмотря на большое количество дискуссий, до сих пор никто не может дать

ответственный секретарь Марина Грачёва

четкого ответа: какой источник света сейчас является наиболее энергоэффективным, наиболее выгодным для внедрения. С одной стороны

редакторы:

есть газовый разряд. Те, кто вплотную им занимается, в один голос утверждают, что это плазма, аналог Солнца, что этот источник света наиболее перспективный, еще до конца не изучен, а списывать его со счетов рано и глупо.

Елизавета Воронина Виктор Ежов Екатерина Самкова

С другой стороны наступают светодиоды. Я не зря ассоциирую их в большей степени с инновационными источниками света (иллюстра-

Владимир Фомичёв

ция и тема номера на обложке), поскольку смотрю на рынок трезво и сточки зрения технического прогресса, и с точки зрения бизнеса. Сегодня они превосходят всех своих конкурентов по скорости улучшения параметров, темпам снижения стоимости за люмен и количеству ежегодно внедряемых проектов, пусть даже и пилотных. Ну и конечно же, органические светодиоды. О них стоит сказать

редакционная коллегия: Леонид Чанов Борис Рудяк Владимир Фомичёв

отдельно. Пять лет назад эта технология описывалась как новомодная «фишка», все говорили «да, интересно, но дорого». Никто в OLEDах не видел перспективы и не верил в их коммерческий успех. Что мы видим сейчас? Скорость роста такого параметра как соотношение количества люмен на ватт потребляемой мощности растет быстрее, чем у классических светодиодов. И это притом, что развитие

реклама: Антон Денисов Ольга Дорофеева

органических светодиодов началось на несколько лет позже активного

Елена Живова

развития неорганических. Также, весьма интересно наблюдать за появ-

Екатерина Платцева

лением на свет исследований о влиянии их спектра на человека, полноценные доклады о субъективном восприятии людьми помещений, освещенных принципиально новым источником света. Более того,

распространение и подписка:

медленно, но верно растет количество конечных изделий на их основе.

Марина Панова

Ведущие светотехнические компании мира на крупнейших выставках

Василий Рябишников

четко показывают свое твердое намерение двигаться параллельно и в OLED направлении. Одним словом, несмотря на пока еще высокую стоимость и скромные характеристики, я считаю, что органические светодиоды начнут конкурировать на равных с неорганическим не позднее 2012-2013 года. А это время уже не за горами.

вёрстка, дизайн: Александр Житник Михаил Павлюк

Желаю всего наилучшего, приятного чтения, и дай Бог, чтобы осень избавила нас от каких-либо потрясений и катаклизмов!

директор издательства: Валерий Манушкин, главный редактор

Михаил Симаков

Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35; Санкт-Петербург, Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru

С ОД Е Р Ж А Н И Е #3, 2010 РЫНОК 4 Первая конференция «Современная светотехника» 10 Роман Лыско Светлое будущее светодиодных технологий в России

13 Франсуа Миран ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА:

Неизведанные воды: определение долговечности LED-светильников

16 Том Гриффитс Мир электроники 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника 620107, г. Екатеринбург, ул. Машинистов, д. 4, кв. 43, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (383) 351-56-99, 359-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 204-40-00; е-mail: electronica@nsys.by, www.electronica.by.

IMRAD 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@imrad.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua

Будет ли светодиодная лампа стоить 5 долларов?

ДИСКУССИЯ 19 Рафаил Тукшаитов, Юрий Петрушенко Некоторые методологические аспекты современной светотехники. Предложения в порядке дискуссии

ПРИМЕНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА 23 Сергей Стахарный Перспективы органических светодиодов в системах освещения

31 Екатерина Самкова Трехсторонний анализ эстетического восприятия OLED-освещения

36 Михаил Мальков, Валерий Каланов, Алексей Малахов Самосогласованная модель люминесцентной лампы. Часть 1. Моделирование электрических характеристик ламп и комплекта «лампа – ПРА»

43 Маури Райт Лампы T8: светодиодные против люминесцентных

47 Игорь Евдасев, Александ Горбач, Сергей Козловский Светодиодный модуль для взрывозащищенного светильника ВЗГ 200. Технико-экономическое обоснование

54 Марк Ри Анализ влияния наружного освещения на систему суточного ритма человека

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 59 Антон Подгорбунских Разработка светодиодных светильников в условиях быстрого снижения стоимости и роста КПД светодиодов

93 Геннадий Терехов, Антон Булдыгин Проблемы явных и скрытых энергетических потерь в светодиодных осветительных приборах

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ СВЕТОТЕХНИКИ 68 Сергей Кривандин Источники питания серии PLP для монтажа в светильник

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ 72 Эрмин Машурян Эффективное управление мощными светодиодами

76 Сергей Гужов Подписано в печать 20.08.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 2000 экз. Изготовлено Изготовлено ООО «Стратим».

152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13.

Система управления освещением на основе беспроводных технологий

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И МЕТРОЛОГИЯ 80 Стенограмма доклада Евгения Долина Актуальные вопросы стандартизации и нормирования в светодиодном освещении

ГОТОВЫЕ РЕШЕНИЯ 84 Данил Ситников Техническое обоснование проекта по внедрению светодиодного уличного освещения. На примере Лос-Анджелеса, США

#3 (04)

www.lightingmedia.ru

3

рынок

Первая конференция «Современная светотехника» Аномальная летняя жара, пожары на торфяниках и отпуска отодвинули на второй план важные отраслевые события, происходящие не только на зарубежных рынках светодиодов, но и в нашей стране. В середине августа, например, вышел финансовый отчет крупнейшего производителя светодиодов — компании Cree. За IV кв. 2010 г. ее

ками встречи конференции «Современная светотехника», число которых превысило 320, были руководители компаний, разработчики, производители полупроводниковых источников света и светотехнического оборудования, производители силовой электроники.

доходы достигли рекордной отметки в 264,6 млн долл. Российский рынок, пусть и демонстрирующий намного более скромные результаты, тоже продолжает расти. Оглядываясь на прошедшее полугодие, нельзя не отметить такие значимые мероприятия на быстро развивающихся российском и украинском рынках светотехники как первые отраслевые конференции в Москве и Киеве, собравшие беспрецедентно большое число участников.

КОНФЕРЕНЦИЯ СОВРЕМЕННАЯ СВЕТОТЕХНИКА 18-го марта 2010 г., в Москве состоялась 1-я конференция «Современная светотехника», организованная медиагруппой «Электроника». Генеральным спонсором этого мероприятия выступила компания «Контракт Электроника». На конференции был представлен российский и зарубежный рынок светотехнических технологий, а важнейшими темами докладов стали энергосбережение, управление освещением, современные разработки и решения в светотехнике, а также проблема выбора компонентной начинки. В этот день зал был наполнен до отказа. Основными участни-

18

Рис. 1. Пленарная часть конференции «Современная светотехника»

4

www.lightingmedia.ru

Гигантский рост сектора светодиодов Пленарную часть открыл доклад «Зарубежный рынок светотехнических изделий» Валерия Манушкина, главного редактора журнала «Современная светотехника». Он назвал такие определяющие показатели мирового рынка светотехники как его объем и факторы развития. Основная тенденция рынка на текущий момент заключается в колоссальном росте светодиодного сектора и светильников на его основе.

Состояние и перспективы развития российского рынка светотехники Обзор российского рынка полупроводниковой светотехники, его текущего состояния и перспективы на ближайшие два-три года представил Александр Полищук, технический директор компании «Полупроводниковая светотехника» (см. рис. 2). Появление в 2007 г. светодиодов осветитель-

Рис. 2. Российский рынок светотехники в цифрах

ного класса дало мощный толчок разработкам СД-освещения. В настоящее время происходит формирование российского рынка светодиодов. По прогнозам ведущих аналитиков, его темпы роста составят около 28% в год. Наиболее крупных российских производителей светодиодных светильников можно пересчитать по пальцам одной руки. Эти компании достигли примерно одинакового уровня, и потому дальнейшее их развитие пойдет по пути снижения себестоимости технологий производства. У потребителей появилась возможность не привязываться к конкретному бренду, а делать свой выбор, исходя из условий поставок, цены, дополнительных сервисов. В то же время на рынке появилось множество производителей светодиодов, не обладающих фотометрической и метрологической базой, специалистами по проектированию светотехнических установок, а также не понимающих физиологические аспекты воздействия светотехнического оборудования на человека. Как следствие — низкие потребительские качества продукции и светотехнические параметры, использование низкокачественных китайских компонентов, корпусов. Еще одна тенденция — выход на рынок крупных инвесто-

рынок ров, частных и государственных. Без серьезных инвесторов российский рынок едва ли сможет существенно вырасти.

Вопросы сертификации светодиодных изделий О принципах стандартизации и сертификации светотехнических изделий рассказала Ольга Пасынкова, руководитель органа по сертификации, «СветоС». Все светодиодные источники света подлежат обязательной сертификации. С 1-го июля этого года вступил закон о техническом регулировании. Федеральный закон РФ от 27-го декабря 2009 г. «Технический регламент о безопасности низковольтного оборудования», разработка которого началась еще в 2004 г., ждали шесть (!) лет. Все виды светильников регулируются этим законом. Докладчица подробно остановилась на вопросах, которые часто задают клиенты «СветоС», а также обратила внимание аудитории на необходимость следить за появлением новых документов, регламентирующих проверки продукции предприятий-изготовителей на сайте «Ростехрегулирования».

Настоящее и будущее — за контрактными производителями Андрей Смагин, директор, «Контракт-Электроника», выступил с докладом «Кто и как зарабатывает на быстрорастущем мировом рынке полупроводникового света». По мнению докладчика, этот рынок будет наиболее динамично развиваться в ближайшие три года. Тем, кто желает стать его участником, следует делать это незамедлительно. В докладе была дана классификация производителей светотехнической продукции, их распределение на мировом рынке. Так, по данным iSupply, около 20% производителей имеют собственный бренд, сбыт, центры по разработке и производство. Объем этого рынка составляет 2 млрд долл. Второй тип производителей — OEM-компании, у которых нет собственных мощностей, но имеется свой бренд, дизайн-центр и сбытовая структура. Третий пласт заказчиков — ODM-компании, которые имеют только сбытовую структуру и бренд. На второй и третий тип заказчиков приходится 80%

рынка. ODM-модель, например, позволяет осуществить быстрый выход на рынок с новыми изделиями за счет того, что заказ выполняют лучшие предприятия, специализирующиеся на разработке и производстве. Кроме того, происходит сокращение собственных издержек по сравнению с ситуацией, когда компания самостоятельно занимается производством (см. рис. 3). Еще

Рис. 3. Структура сокращения издержек предприятия при обращении к контрактному производителю

одно преимущество такой модели заключается в возможности получить большое количество сервисов. Компания работает уже 7 лет на рынке промышленного аутсорсинга. «Контракт Электроника» специализируется в двух направлениях: полупроводниковый свет и беспроводные технологии. Компания оказывает производственные услуги по fabless-модели. У «Контракт Электроники» имеется определенный опыт разработок светотехнической продукции для жилищно-коммунальных хозяйств, например, подъездных светильников с датчиками освещения и присутствия. Компания также занималась разработкой промышленного освещения, освещения теплиц, а также точечных источников света для бытового применения.

Продукция ведущих поставщиков мира Игорь Елисеев, руководитель направления «Полупроводниковая светотехника», «Компэл», подробно рассказал об основных группах продукции таких ведущих поставщиков как Cree (мощные светодиоды), LEDIL (вторичная оптика), TI, ST, ONS, IR (интегральные драйверы), модульные источники питания (MeanWell), радиаторы (Khatod, Fischer).

Важные технические аспекты применения светодиодов Геннадий Терехов, технический директор, «Светотроника», рассказал об основной деятельности компании, занимающейся полным циклом разработки и производства светодиодных решений. В качестве примера того, как создаются энергосберегающие системы на основе полупроводниковых источников, докладчик привел проект Halla Lighting (торговое освещение). На пути светодиода к применению в составе светильника имеется несколько факторов, влияющих на светоотдачу, которые ни в коем случае нельзя списывать со счета. Это потери, которые могут составлять ее значительную долю. Докладчик перечислил основные аспекты потерь и привел их количественную оценку при создании светодиодных светотехнических изделий. Так, например, более 10% светоотдачи теряется даже на преобразователях с самым высоким КПД. Кроме того, за реактивную мощность в промышленных приложениях приходится платить, поэтому в энергосберегающих системах для питания светодиодов следует использовать источники питания только с активными корректорами коэффициента мощности (см. рис. 4). Антон Булдыгин, инженер, «Светотроника», подробно остановился на технических аспектах практического применения светодиодов. Светоотдача, заявленная производителем, указывается для температуры 25°С, тогда как на самом деле эти условия не реализуются. При разработке следует также учесть то, что увеличение тока приводит к падению светоотдачи, достигающему 27—30%. Имеются также потери в оптическом канале при отражении и поглощении света.

Дискуссия Далее состоялась дискуссия, в которой приняли участие производители светотехнических изделий. На ней обсуждались заявляемые в спецификациях параметры светодиодов, их соответствие реальным условиям эксплуатации, целесообразность увеличения срока службы этих изделий, перспективы и факторы снижения стоимости.

Современная светотехника, #3 2010

5

рынок Секция «Силовая электроника для светотехники. Системы управления освещением» Источники питания для светодиодных модулей Эту часть конференции открыл Сергей Кривандин, технический руководитель направления «Источники питания», «Компэл». Он познакомил участников секции с широкой номенклатурой источников питания для светодиодного освещения, поставляемых «Компэлом». Компания предлагает AC/ DC- и DC/DC-драйверы светодиодов как на интегральной основе, так и в модульном исполнении ряда ведущих компаний мира, в т.ч. MeanWell, TDK-Lambda, PEAK, RECOM, Eaglerise, Inventronics, GlacialPower и Philips Advance.

Рис. 4. Влияние ККМ источника питания на энергетическую эффективность системы освещения

Ключевые вопросы построения системы на базе светодиодов Руководитель отдела энергосбережения компании «Связь инжиниринг» Иван Федоров отметил, что одним из наиболее перспективных направлений деятельности компании является создание систем освещения на светодиодах. Докладчик обратил внимание аудитории на ключевые моменты, которые следует учитывать при построении системы на базе светодиодов: возможность управления яркостью светодиодных светильников; создание централизованных систем управления освещением; использование широко распространенных типов регулирующего и управляющего оборудования, позволяющего снизить стоимость проектов.

Энергосберегающие сети управления СД-светильниками Организации энергосберегающих сетей управления светодиодными светильниками с применением инфракрасных датчиков движения был посвящен доклад руководителя направления силовой электроники компании «Риэлта» Сергея Боргакова. По словам докладчика, возможная экономия от применения датчиков движения составляет 15—90%, что зависит от типа помещения, в котором размещена эта система.

Рис. 5. Сравнительные характеристики современных источников света

комил участников секции с особенностями и преимуществами применения электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), разработанных и изготовленных компанией для газоразрядных ламп высокого давления. С экономической точки зрения, применение светильников на основе светодиодов мощностью более 150 Вт в наружном освещении, за некоторым исключением, на сегодняшний день не вполне оправдано, и в большинстве случаев носит имиджевый характер (см. рис. 5). Разработанная компанией ЭПРА с функцией управления яркостью позволяет существенно улучшить как энергетические характеристики сетей наружного освещения, так и улучшить качество искусственного освещения.

Преимущества ЭПРА

Модель расчета цепей с нелинейной нагрузкой

Главный инженер компании «Дэкси» Евгений Ермаков позна-

Сергей Гужов, начальник отдела электроснабжения, ООО «Бе-

6

www.lightingmedia.ru

регун», в своем докладе оценил влияние источников питания светодиодных изделий на питающую сеть. В докладе были приведены данные по гармоникам тока в питающей сети и эффективности электропотребления оборудованием с нелинейными характеристиками, а также методика расчета электромагнитной обстановки в осветительных сетях ограниченной мощности с учетом нелинейных характеристик нагрузки. Предложенная модель расчета (см. рис. 6) позволяет значительно ускорить и повысить точность расчета любых сетей с нелинейной нагрузкой и разработать рекомендации по использованию в осветительных сетях светодиодных источников света. Созданный программный продукт используется для техникоэкономических расчетов электрических сетей с целью оценки эффективности капиталовложений при использовании нового

рынок оборудования и при выборе мер по компенсации гармонических составляющих тока сети.

Принципы построения АСУ освещением здания Руководитель клуба «Автоматизированная система управления зданиями» Владимир Пасеков представил ключевые принципы построения автоматизированной системы управления освещением здания на базе стандартных сетевых технологий и особенности разработки требований к такой системе.

Секция «Светодиоды. Производство светотехнических приборов» Компоненты SAMSUNG LED и REFON Андрей Скрипниченко и Иван Сыроваткин, «НЕОН-ЭК», откры-

ли работу секции с обзорным докладом по компонентной базе SAMSUNG LED и REFON для производства светодиодных светильников.

Продукция «НКБ общепромышленных приборов и компонентов» Игорь Сергеев, директор «НКБ общепромышленных приборов и компонентов», ознакомил собравшихся с особенностями светодиодной продукции этого предприятия.

Светодиодные светильники в жилом доме Живой интерес вызвал доклад профессора Льва Патрикеева, МИФИ. Изюминкой выступления стала видеопрезентация проекта по внедрению светодиодных светильников в жилом доме, рассказ

об особенностях их проектирования, расчета и монтажа. Благодаря целому ряду преимуществ светильников на базе светодиодных технологий на практике удалось достичь многократной экономии электроэнергии в ЖКХ (см. рис. 7), по сравнению со стандартными люминесцентными лампами.

Взрывозащищенные светильники Направление, стоящее в настоящее время особняком в светотехнике, — взрывозащищенные светильники. Высокие требования безопасности — ключевой фактор, мгновенно отсеивающий в этом сегменте всех непрофессионалов на рынке. Несмотря на то, что Антон Бородин, зам. главного конструктора «Электроточприбор», выступал без слайдов, доклад был не только интересным, но и вызвал множество вопросов. Одно из ключевых направлений деятельности этого предприятия — головные светильники для шахтеров, где от качества исполнения продукции зачастую зависит жизнь рабочего.

Круглый стол «Развитие российского рынка светотехники»

Рис. 6. Результаты моделирования режимов электроснабжения однофазной питающей сети городской уличной осветительной установки для светодиодных ИС мощностью 70 Вт

Рис. 7. Результаты пилотного проекта

8

www.lightingmedia.ru

В своем выступлении Сергей Астрецов, РОСНАНО, рассказал об основной цели госкорпорации — стимулировании проектов участников рынка, а также о критериях отбора для финансирования деятельности компаний. Вслед за ним выступил ряд представителей различных компаний. В ходе дискуссии выяснились следующие болевые точки индустрии отечественной светотехники. Производство светодиодов прекратило свое существование 15 лет назад. В настоящее время оно создается с нуля. Но насколько конкурентоспособным станет это производство? Целесообразно ли оно? Проработан ли этот вопрос в деталях на самом высоком уровне? Не секрет, что в соответствующих государственных органах нет достаточно квалифицированных работников с техническим образованием, а решения принимаются кулуарно. Российский рынок светотехники не регулируется стандартами. Количество производителей светотехнической

рынок продукции выросло в десятки раз за период 2008—2009 гг., но ее качество оставляет желать лучшего. Сертификат на светотехнику можно купить, даже не предоставив своего изделия в соответствующий орган. В этих условиях очень часто навязывается продукция, которая не соответствует представлениям об эффективности, а также гигиеническим нормам. Участники круглого стола сошлись во мнении, что необходимо создание программы федерального уровня, пропагандирующей использование светодиодных источников света. Прошедшая конференция не только продемонстрировала огромный интерес участников светотехнического рынка к происходящим на нем событиям, но и подтвердила мысль о том, что он испытывает бурный рост. Эта встреча определила основные направления развития рынка и предоставила его представителям возможность познакомиться друг с другом, установить деловые контакты, обменяться опытом, а также лучше оценить возможности своего участия на рынке.

КОНФЕРЕНЦИЯ СОВРЕМЕННАЯ СВЕТОТЕХНИКА  УКРАИНА 1-я Международная конференция «Современная светотехника — Украина» состоялась 17-го июня в Киеве. Организатор мероприятия — медиагруппа «Электроника». О высоком уровне организации говорило многое: 180 участников, 30 докладов в пленарной части и трех секциях, 2 круглых стола, выставка компанийпроизводителей светотехнической продукции в фойе. По мнению экспертов, подобные мероприятия крайне необходимы на молодом, динамично развивающемся рынке светодиодного освещения. Пленарная часть состояла из 13-ти докладов. По традиции, с приветственным словом участникам конференции выступил представитель государственных структур Олег Леонидович Манушевич, Министерство экологии и охраны окружающей среды. Большой интерес вызвал доклад Андрея Швеца, директора КП «КиевГорСвет». Многих участни-

ков интересовали вопросы освещения города, проблемы, стоящие перед городским хозяйством столицы Украины, видение властей ситуации с переоснащением парка светотехнических установок на современные. Не менее важным обсуждавшимся на конференции вопросом была сертификация светотехнической продукции. Собравшихся интересовали методы решения этой проблемы в России. Поэтому доклад Евгения Долина, председателя оргкомитета Московского международного форума «Светодиоды в светотехнике», об актуальных вопросах стандартизации и сертификации светодиодных изделий, вызвал множество вопросов со стороны украинских коллег и активно продолжился на кофебрейках. Читатели могут познакомиться с материалом его выступления на странице … этого номера журнала). Вторая половина пленарной части была в большей степени ориентирована на бизнес. Первым с докладом «Состояние и перспективы развития твердотельных источников света» выступил Владимир Осинский (ЦОТ «НИИ микроприборов» НАН Украины). Затем — Андрей Смагин (Москва, «Контракт Электроника») с докладом о новых возможностях российско-украинского партнерства. С подробным докладом и неожиданным завершением — подарком за лучший вопрос — выступил Игорь Елисеев, руководитель направления «Полупроводниковая светотехника» («Компэл», Москва). Кроме того, в пленарной части выступили: Алексей Валентик (VD MAIS, Киев), «Контрактное производство и разработка на заказ», Сергей Кривандин («Компэл», Москва), а также Геннадий Терехов и Антон Булдыгин («Светотроника», Москва) (их доклад см. на странице … этого номера журнала). Статьи участников конференции, подготовленные на основе их докладов, — Антона Подгорбунских («Рэйнбоу электроникс») и Даниила Ситникова («Тагарт»), — читатели могут найти на странице … этого выпуска журнала. В этом году медиагруппа «Электроника» намеревается организовать еще два мероприя-

Рис. 8. Выставка светотехнической продукции в фойе конференции «Современная светотехника – Украина»

Рис. 9. Участники конференции «Современная светотехника – Украина»

тия — «Современная светотехника — Россия» и «Современная светотехника — Украина». Даты их проведения уточняются и ориентировочно запланированы на осень.

ОТ РЕДАКЦИИ Все материалы прошедших конференций (фото, аудиозаписи и презентации докладчиков) вы можете получить, обратившись непосредственно в медиа-группу «Электроника», в редакцию журнала «Современная светотехника» по e-mail: vm@elcp.ru Подробную информацию о проведении осенью этого года конференций «Современная светотехника» и «Современная светотехника - Украина» можно также получить в редакции. Контактное лицо в Москве: Платцева Екатерина Тел.: +7 (495) 741-77-01, доб. 2518; plattseva@elcp.ru

Современная светотехника, #3 2010

9

рынок

Светлое будущее светодиодных технологий в России Роман Лыско, marketing@ostec-group.ru «…к 2030 году — это уже совсем близко — 50% процентов существующего в мире электроосвещения будет переведено на сверхъяркие полупроводниковые светодиоды, что даст планетарную экономию электроэнергии на одном только освещении в 50% и общую ее экономию — в 10%». «…через 20—30 лет лампы накаливания станут историей — их заменят светодиоды». Во время церемонии вручения премии «Глобальная энергия» 2003 г. Ж.И. Алферов,

водниковых компонентов данный показатель роста является достижением. Аналитики называют различные цифры роста производства светодиодов, но в том, что рынок ожидает подъем, никто не сомневается. В следующие пять лет прогнозируется дальнейшее ускорение развития рынка благодаря развитию индустрии мобильных телефонов, использованию светодиодов в жидкокристаллических панелях и, конечно же, дальнейшему росту популярности полупроводникового освещения. По предварительным прогнозам, общий рост составит 20% ежегодно.

США. По оценкам аналитиков, в структуре рынка наибольшую долю (44%) займет такая сфера применения светодиодов как рекламные и демонстрационные устройства (панели, мониторы, дисплеи). Увеличится доля светодиодной продукции в сегменте освещения и осветительной техники (с 9 до 12%). По всем сегментам применения светодиодной продукции будет наблюдаться рост в абсолютных величинах. Давайте оценим, какие возможности имеются у российских компаний на рынке светодиодной продукции с учетом мировых макроэкономических тенденций.

лауреат Нобелевской премии

З

За последние годы светодиодные (СД) технологии сделали большой качественный скачок в развитии. Основным достижением стало значительное снижение стоимости светодиодов и увеличение их световой отдачи (световой поток, лм/потребляемая мощность, Вт). В области органических светодиодов получены более долговечные светоизлучающие материалы. Улучшение характеристик СД-компонентов предоставило новые возможности для расширения области применения светодиодных технологий. Повышение эффективности использования СД-элементов дает колоссальные резервы для роста производства светодиодных элементов. В 2008 г. мировой рынок светодиодов составил 5,1 млрд долл. США. Рост производства светодиодов в 2008 г. составил более 11% 1. По предварительным оценкам 2, рост в 2009 г. прибыли от производства светодиодов составил около 2,9% (окончательных данных нет). В условиях серьезного падения производства полупро1 2

Данные консалтинговой компании Strategies Unlimited. Данные аналитического агентства iSuppli.

10

www.lightingmedia.ru

Рис. 1. Структура рынка светодиодной продукции по сферам применения в 2008 и 2012 гг.

На рисунке 1 представлено сравнение структуры рынка светодиодов по различным областям применения в 2008 г. и прогнозируемая структура рынка в 2012 г. В 2008 г. основной сферой применения светодиодных элементов стала область мобильных устройств (43%), далее существенный сегмент рынка светодиодов занимают дисплеи и вывески (17%) и решения для автомобильной промышленности. В то же время область осветительных приборов составила всего 9%. В 2012 г. мировой рынок светодиодов достигнет 12,4 млрд долл.

В сегменте мобильных устройств представляется маловероятным усиление позиций российских предприятий на рынке мобильных телефонов или MP3плееров. Конкуренция более вероятна на рынке мобильных навигационных устройств, где применяется решения навигационной системы ГЛОНАСС. Перспективы повсеместного применения навигационной аппаратуры пользователя (НАП) в технике специального назначения, в отраслях народного хозяйства и персональной навигации и внимание к данной программе

рынок правительственных структур открывают широкие возможности для развития отечественных производителей электроники и для производителей светодиодных компонентов. На рынке дисплеев продолжится замена люминесцентных ламп в системе подсветки ЖК-экранов, применение светодиодных технологий позволяет улучшить качество изображения и снизить энергопотребление (актуально для ноутбуков). В настоящее время российские предприятия чаще всего осуществляют отверточную сборку аппаратуры известных марок, где применяются светодиодные дисплеи. Но развитие отрасли требует, чтобы сборка светодиодных дисплеев стала технологической операцией, которую возможно проводить на отечественных предприятиях. Появление промышленных предприятий, у которых имеется потребность в светодиодных компонентах, создаст для российских производителей огромный рынок сбыта. Что касается рынка рекламноинформационных устройств, то в долгосрочной перспективе будут повышаться требования к оформлению рекламных площадок, информационных табло и торговых точек (см. рис. 2). Светодиодные технологии имеют большие возможности в плане экономии энергопотребления и расширения сфер использования светодиодных табло. В данном сегменте имеется достаточно большое количество заказчиков, которым необходима реализация индивидуальных разработок. В этом сегменте наши производители электроники могут конкурировать с иностранными компаниями. Рассматривая другие сегменты рынка, следует особо отметить область производства автомобильных компонентов. Государство продолжит субсидирование и поддержку отечественных автопроизводителей. В долгосрочной перспективе сохранится тенденция организации сборочных автомобильных производств на территории Российской Федерации. И ключевым направлением данной политики является постоянное увеличение доли российских комплектующих в автомобильной технике. Светодиодные

Рис. 2. Светодиодное табло компании «Ната-Инфо»

решения для автомобилестроения могут быть той продукцией, производство которой возможно в достаточно короткие сроки организовать в России. Несмотря на то, что, по прогнозам, доля светодиодных решений для автомобильной техники уменьшится в относительном выражении с 15 до 12%, в абсолютных величинах рынок вырастет более чем в 1,9 раза. Светодиодные решения будут все активнее применяться не только для освещения приборных панелей и салона автомобиля, но и для фар ближнего (дальнего) света и габаритных огней. Особый интерес представляет и такой сегмент рынка как светодиодные технологии для освещения (см. рис. 3). Именно он может стать локомотивом развития светодиодных технологий в России. Самая очевидная причина роста рынка осветительных решений на основе светодиодов — стремление снизить энергопотребление и расходы на электроэнергию. Несмотря на снижение цен на углеводородное сырье (нефть, газ, уголь), не было отмечено снижения цен на электрическую энергию, а повышение цен на теплоносители всегда приводит к росту тарифов на электроэнергию. Построение энергоэффективной экономики — вопрос конкурентоспособности России на мировом рынке. Президент РФ Д.А. Медведев в одном из интервью подчеркнул: «Надо создать условия, чтобы бизнес занялся энергоэффективностью: а государство даст ему и материальный пряник, и кнут санкций». На законодательном уровне уже ведется работа в данном направлении: в частности, 23-го ноября 2009 г.

президент России подписал принятый ранее Госдумой закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Данный документ с 1-го января 2011 г. не допускает к продаже на территории страны электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более; с 1-го января 2013 г. — электроламп мощностью 75 Вт и более, а с 1-го января 2014 года — ламп мощностью 25 Вт и более. Данный законодательный акт дает большие возможности производителям энергосберегающих систем. До сих пор лампы

Рис. 3. Ригельный светодиодный светильник компании «СветланаОптоэлектроника»

Современная светотехника, #3 2010

11

рынок накаливания имеют большую популярность по сравнению с энергосберегающими. Производство в России ламп накаливания составляет порядка 700—800 млн шт. в год 3, а продажи энергосберегающих ламп — порядка 40 млн шт. в год. Существенно экономить электроэнергию позволяют люминесцентные лампы: они имеют более низкое энергопотребление, более длительный срок службы, чем лампы накаливания. Но у них имеется ряд недостатков — это повышенная чувствительность к окружающей температуре и обязательная специальная утилизация ртутьсодержащих отходов после использования. Большинство потребителей жилого сектора не тратит средства на специальную утилизацию, и в настоящий момент нет четких механизмов контроля за утилизацией люминесцентных ламп. А такое положение создает дополнительную угрозу окружающей среде и экологии. В 2008 г. объем рынка светодиодов России составил около 3,5% (56 млн. долл. США) от общего объема рынка осветительной продукции страны (который оценивается примерно в 1,6 млрд долл. США) 4. Пока доля светодиодной продукции на рынке освещения отстает от развитых зарубежных

стран, но это обстоятельство предоставляет большие возможности для развития (а также законодательные акты об ограничении оборота ламп накаливания). Помимо жилого сектора, крупными потребителями светодиодных осветительных решений могут стать промышленные предприятия, сфера ЖКХ, транспорт. К примеру, ОАО Российские железные дороги (РЖД) разработало комплексную программу «Внедрение светодиодной техники в ОАО «РЖД» в 2009—2011 гг.». В рамках данной программы планируется снизить энергозатраты на освещение более чем на 50%. Опыт реализации программы РЖД можно впоследствии интегрировать в другие транспортные отрасли (автомобильный, водный, авиационный транспорт) и на предприятиях промышленности. Помимо экономии за счет энергопотребления, светодиоды позволят обеспечивать регулировку освещенности и возможность дистанционного контроля освещенности, что снижает эксплуатационные затраты на системы освещения. Разработчикам очень важно обеспечить возможность адаптации светодиодных решений к

конструктивно неподготовленным для этого местам (существующие кабельные и инженерные сети). Также серьезное внимание следует уделить отработке нормативов, регламентов и санитарных норм светодиодного освещения. Светодиодные технологии дают большое поле деятельности как для разработчиков, так и для производителей, поскольку позволяют создавать индивидуальное комплексное решение в тех областях, где наши производители электроники имеют традиционно более сильные позиции, чем иностранные компании. Это, прежде всего, техника специального назначения, промышленная электроника и охранные системы. Многие разработки российской электроники могут быть удачно интегрированы со светодиодными решениями. Подводя итоги, можно сказать, что рынок светодиодных технологий имеет большой потенциал для развития и роста в нашей стране в самых различных сегментах электроники, и эта тенденция носит долгосрочный характер. Для производителей важно быть на острие мировых трендов и найти свое место под солнцем светодиодных технологий.

В Европе появился первый завод, полностью освещенный светодиодами Голландская компания LedNed разработала и установила 100 тыс. светильников на основе светодиодов Cree XLamp (R) на заводе, предоставляющем услуги по упаковке потребительских товаров. Завод находится в городе Эттен-Лейре, Нидерланды, и принадлежит компании Kompak. Андре тен Блоэмендаль (Andre ten Bloemendal), коммерческий директор LedNed отметил, что, учитывая потолки складов Kompak в 14 метров, была использована светодиодная система Lightline, которая обеспечивает равномерное освещение по всем плоскостям. Функций этой системы, такие как обнаружение движения, коррекция дневного света и другие пользовательские опции хорошо подходят для мест, где требуется больше света.

Lightline охватывает 3,5 тыс. метров и полностью интегрирована с системой пожаро-

3 4

тушения завода и имеет дублирующие цепи для аварийного освещения на случай сбоя электропитания. В офисных помещениях компания LedNed использовала световые трубки LedTube (R), а по всем производственным помещениям – светодиодные панели FlexiLightPanel (R) и потребительские лампы LedNed. По словам Стивена Ниджвейде (Steven Nijweide), руководителя проектов Kompak, использование светодиодной подсветки по всему заводу позволило сократить потребление электроэнергии на 20000 кВтч по сравнению с обычным освещением, что соответствует сокращению ежегодного выброса углерода почти на 135 тыс. кг. В дополнение к экономии энергии освещение было настроено так, чтобы обеспечить автоматическую компенсацию дневного света,

По оценке компании НДК. По данным Агентства промышленной информации (www.gossnab.ru)

12

www.lightingmedia.ru

а также оптимально освещать все офисы и производства. Светодиодные светильники позволили создать гибкое и функциональное освещение для работников завода, где бы и когда бы они ни были. Голландская компания LedNed является пионером в области исследований, разработки и производства высококачественных светодиодов. LedNed – единственный производитель светодиодов в мире, который удовлетворяет строгим энергетическим и экологическим нормам RoHS, и единственный производитель светодиодов в Нидерландах с сертификатом KEMA CE на весь ассортимент предлагаемой продукции. Светодиоды LedNed подходят ко всем стандартным светильникам.

http://www.ledinside.com/

рынок

Неизведанные воды: определение долговечности LED светильников Франсуа Миран, технический директор Future Lighting Solutions по европейскому региону Для компаний, продающих светотехнику, решающим фактором при формировании системы гарантийных обязательств, а также оценке стоимости возможных неисправностей в течение гарантийного срока, является понимание и определение поведения отдельно взятого светодиода, и оценка его влияния на систему из множества ему подобных.

К

Как заявляют производители, одним из конкурентных преимуществ светодиодов перед обычными источниками света, является их предполагаемая долговечность. В тех областях, где неисправности недопустимы или техническое обслуживание с ремонтом затруднены и затратны, это преимущество весьма привлекательно, несмотря на относительно высокие закупочные цены. Производители светодиодов заверили изготовителей и дизайнеров светотехнической продукции, что ресурс светодиодов составляет, как правило, 50000 часов. Но, фактически, он возможен только при эксплуатации в определенных условиях. Кроме того, в редких случаях, светодиоды могут выйти и выходят из строя. Так что же, долговечность светодиодов всего лишь миф? Эта статья намерена помочь читателю понять наиболее важные факторы, влияющие на долговечность эксплуатации твердотельной осветительной системы (SSL). Помимо светодиодов, она включает в себя контрольные схемы, систему энергообеспечения, оптические и механические компоненты. На заре светодиодов, наиболее часто встречаемая долговечность работы составляла 100000 часов. При этом никто так и не смог объяснить, откуда взялось это магическое число. Скорее всего, оно было продиктовано рынком, а не наукой. Первым производителем светодиодов, указавшим продолжительность эксплуатации исходя из реальных технических параметров стала Филипс Люмиледс, со своим детищем- светодиодом Luxeon. Долговечность первых устройств

Luxeon, с заданным управляющим током 350 мА и температурой перехода 90 градусов цельсия, оценивалась в 50000 часов. Это значит, что после 50000 часов эксплуатации светодиода в заданных условиях его световой поток снизится до 70% от первоначальной. В 2003 году Люмиледс выпустила первый документ (данные спецификации надежности RD 25) в котором всесторонне исследовала данный предмет, осветив ключевые факторы, такие, как управляющий ток и температура перехода, влияющие на долговечность светодиодов, и обозначила реальный срок эксплуатации своей продукции — 50000 часов. Остальные производители светодиодов тоже поспешили обозначить эту цифру, хотя многие при этом не указали условий эксплуатации. Позже, в 2007 году, чтобы помочь разработчикам светотехнической продукции прогнозировать работоспособность светодиодов в различных условиях компания Lumileds предложила новые графические данные, известные как график Bxx Lyy. Суть концепции в том, что буквы xx обозначают количество светодиодов, которое выйдет из строя, причем как тех, чья производительность снизится ниже допустимого процента, так и тех, что полностью откажут. В качестве примера, значение «50,000 часов B50 L70» подразумевает, что по статистике, после 50000 часов работы производительность 50% светодиодов будет ниже 70% от первоначальной. В настоящее время, компания Future Lighting Solutions представила онлайн-проект «LED Reliability Tool» (www. futurelightingsolutions.com/lrt), создающий графики для всех типов светодиодов Lumileds во всех эксплуатационных условиях. На сегодняшний день, только компания «OSRAM Opto Semiconductors» опубликовала аналогичные данные для своего семейства Dragon. Ресурс светодиода в настоящее время признан одним из важней-

ших его качеств. И в 2008 году Illuminating Engineering Society (IES) установило стандарт LM 8008, называющийся «Утвержденный метод: измерение ресурса светодиодных источников света». Стандарт LM 80-08 — попытка создать унифицированные методы контроля ресурса светодиодных источников света, чтобы сравнить производительность изготовителей. Государственная программа «Energy star» правительства Соединенных штатов использует стандарт LM 80-08 в качестве эталона для сертификации своей продукции. Стандарт LM 80-08 не является руководством для экстраполяции ресурса светодиодов из-за продолжительности измерений. Метод экстраполяции TM 21 сейчас разрабатывается комитетом по промышленности. Кроме всего прочего, Energy star установила минимальный ресурс работы светодиода, равный 6000 часов. По состоянию на апрель 2010 года, Philips Lumileds первая и единственная компания, сделавшая достоянием общественности доклад по результатам теста стандарта LM 80-08. Остальные производители делали его совместно с Министерством энергетики, а результаты возможно просмотреть только по запросу. Сегодня, концепция ресурса светодиодов придерживается точ-

Рис. 1. Этот прототип светодиодного светильника имеет много лишних оптических элементов. Ухудшение характеристик любого из них приведет к уменьшению световой отдачи всей системы

Современная светотехника, #3 2010

13

рынок

Рис. 2. Если в последовательно соединенном светодиодном массиве в одном элементе происходит короткое замыкание, управляющий ток остается стабильным. Если в одном из них цепь разъединяется, то выключаются все светодиоды. Для того, чтобы этого не произошло, параллельно с каждым светодиодом включается стабилитрон. Это усложняет конструкцию и делает ее дороже

ки зрения об идентичности таких понятий как надежность светодиода и его долговечность. В лучшем случае это дезориентирует производителя в худшем — наносит ему непоправимый вред. Во-первых, помимо выработки ресурса, светодиоды подстерегают множество различных поломок от полного выхода из строя и заканчивая цветовым отклонением, появляющимся с течением определенного времени. Во-вторых, кроме светодиода в SSL системе куча других составляющих, которые могут вызвать неисправность осветительного прибора. Несмотря на все отличия от других полупроводников, светодиод все равно выходит из строя. Пусть и не так часто. Разработчику системы SSL необходимо знать, как рассчитать процент выхода из строя светодиодов при определенных условиях эксплуатации, а также владеть методом определения потенциальных видов отказов системы (FMEA), чтобы оценить влияние такой поломки на производительность всей системы. Если в осветительном приборе используется один светодиод, то его поломка означает выход из строя всей системы. С другой стороны, если в системе используется много светодиодов, выход из строя одного из них особо ни на что не повлияет. Однако, разработчикам осветительных приборов необхо-

14

www.lightingmedia.ru

димо разработать методику, позволяющую как можно оперативнее маскировать или компенсировать вышедшие из строя компоненты. Это можно продемонстрировать на примере светильника в котором используются 40 светодиодов. Прежде всего, разработчик должен создать такую оптическую систему, в которой поломка одного светодиода не будет влиять на светоотдачу, а изменения будут заметны лишь при 2,5% потере выходной мощности. Во-вторых, поломка одного светодиода не должна сопровождаться выходом из строя всей системы. Альтернативное решение показано на рис. 2. Решающим фактором является причина поломки (например, разомкнутая или короткая цепь), которую можно будет предотвратить. В конце концов, знание ресурса светодиода вкупе с процентом выхода из строя позволит разработчику предсказать срок службы осветительного прибора с высокой долей вероятности. Как уже показано выше, информация о ресурсе светодиода необходима, но недостаточна для объективной оценки долговечности SSL системы. Десятилетиями предприятия, занимающиеся обычными полупроводниками, публикуют результаты тестов надежности своих изделий, определяя процент возможных поломок. Но такого уров-

ня светодиодная промышленность еще пока не достигла. Однако и Филипс Люмиледс имеет возможность предоставить полноценные и точные данные о долгосрочной эффективности своей продукции. В отличии от других, график надежности, разработанный Philips Lumileds подходит для описания всех видов поломок, однако еще не в силах помочь потребителю отличить процент поломок от процента выработки ресурса светодиода. В настоящее время, Philips Lumileds разработала новую модель для определения долгосрочного поведения светодиодов Luxeon (см. http://www. ledsmagazine.com/news/7/5/4). В ней прописаны отдельные формулировки для поломок и ресурса, и позволяет разработчикам осветительных приборов провести всесторонний анализ срока эксплуатации светодиода. Другим типом потенциальной поломки светодиода является изменение цвета, хотя это актуально только для узкой области их применения. Для белых светодиодов абсолютное отклонение вследствие излучения в течение определенного времени можно отлично характеризовать управляющим током и температурой перехода. Однако, со временем, тест LM80-08 показывает относительное цветовое отклонение — насколько меняется цвет каждого светодиода от первоначального через определенный срок эксплуатации. Рабочая температура и управляющий ток ускоряют износ светодиода. Таким образом, одной из главных проблем для определенной части производителей осветительных приборов стал выбор такого объема управляющего тока и такой системы охлаждения, которые бы оптимально соответствовали, по крайней мере, трем параметрам: цене, размеру и производительности. Не нужно забывать и о внешних факторах — перегреве, электрическом или механическом перенапряжении, химическом воздействии, которые так же могут вызвать преждевременный выход светодиодов из строя. Разработчик осветительных приборов в силах избежать, уменьшить и смягчить подобного рода эффекты. Перегрев случается, когда корпус светодиода или температура перехода не соответствуют эксплуатационным требованиям

рынок разработчика. Причиной этому могут стать как непродуманный дизайн и некачественная сборка изделия, так и несоответствующие условия эксплуатации. Электрическое перенапряжение вызывается превышением силы управляющего тока и/или напряжения над максимально допустимыми для этого светодиода значениями. В этом случае, наиболее распространенными ошибками являются недостаточная изоляция проводки, нетипичная схема драйвера или неправильный монтаж всего прибора. Механические повреждения вызывают все большую тревогу из-за того, что в корпусе светодиода присутствуют бессвинцовые керамические элементы. Эта проблема хорошо известна производителям электроники и актуальна для всех больших бессвинцовых корпусов. Разница температурного расширения между печатной платой и компонентами корпуса в результате повторяющихся температурных циклов может привести к трещинам в местах спайки. Это, например, общая проблема всех уличных источников освещения. Вдобавок, трещины могут появиться вследствие деформации и изгибов в процессе сборки PCB. Несоблюдение технологии процесса изготовления также может вызвать механические повреждения. Оба процесса — что сборка печатной платы, что монтаж самого осветительного прибора требуют тщательной разработки и воплощения. Химическая совместимость всех элементов светодиода пока остается неизученной. Большинство светодиодов имеют кремниевые газопроницаемые вкрапления. Летучие органические соединения, содержащиеся в склеивающих веществах, припой, конформные покрытия, частички красок могут проникать в кремниевую структуру, окисляться там, уменьшая прозрачность оптики. Окислительные реакции могут запускаться благодаря теплу или свету. Однако при своевременном вмешательстве все изменения обратимы. Единственное, что позволит это предотвратить — тщательно подобранный материал и квалифицированная сборка. Создание надежного SSL прибора — это не только тщательный отбор светодиодов и подходящий дизайн. Равнозначного внимания требуют и все осталь-

ные компоненты системы. Иллюстрация вопросов, повышающих надежность системы, которые необходимо учесть при ее проектировании, приведена на рис. 3. Длительное функционирование вспомогательной оптики существенно влияет на срок службы осветительного прибора. Сегодня во вторичной оптике светодиодных светильников, как правило, используются пластиковые линзы. Обычно, они изготовляются из полиметилметакрилата или поликарбонатного термопластика. Достоинства обоих в отношении прозрачности, теплоустойчивости, прочности и цены сейчас широко обсуждаются. Однако со временем, светоотражательную способность тяжело описать в деталях. В лучшем случае, производители оптики скажут, что она пожелтела вследствие воздействия ультрафиолетовых лучей, однако за десять лет они так и не продемонстрировали ни одной неисправной детали, эксплуатировавшейся в жесточайших условиях, в уличных рекламных стендах при прямом попадании солнечных лучей. Но также верно и то, что уличные осветительные приборы оборудуют защитными окнами из стекла или пластика, которые будут служить барьером ультрафиолету. Тем не менее, при оценке долговечности SSL системы вспомогательную оптику не стоит упускать из виду, так как она оказывает влияние на цвет светодиода. И у производителей пока нет другого выхода, как искать альтернативные материалы и продолжать исследования и тесты. Еще одной составной частью SSL системы является драйвер. Он идентичен драйверам, используемых в бытовых приборах — телесетях, системах теплоснабжения, микроволновках, галогеновых приборах освещения, и даже в газоразрядных лампах. Это хорошо известная технология, в которой одними из наиболее слабейших компонентов являются электролитические конденсаторы. Лучшие драйвера от надежных поставщиков могут обеспечить сотни тысяч часов надежной эксплуатации. Рынок предлагает потребителю широкий выбор светодиодных драйверов, по различным ценам. Разница между лучшим и худшим весьма заметна, что естественно отражается на долговечности предлагаемого товара. К несчастью, даже самые проверенные произво-

Рис. 3. Простой светодиодный модуль от Future Lighting Solutions, с некоторыми ключевыми аспектами дизайна, влияющими на повышение его надежности, а именно: Электрическая схема – Светодиоды с преобладающим режимом отказа «короткое замыкание» – Светодиоды, соединенные последовательно для отказоустойчивой работы Вторичная оптика – Проверенный на практике материал линз – Аттестованная технология нанесения клея во избежание химического взаимодействия Печатные платы – Специальный отбор для ограничения температурной нагрузки на места пайки – Оптимизированная жесткость для безопасной обработки и сборки Термоуправление – Термоэффективные технологии изготовления печатных плат и монтаж – Несколько точек монтажа для укрепления контактов теплоотвода

дители светодиодов не удосуживаются разместить в руководстве по эксплуатации информацию о надежности товара и его наработки на отказ. Это создает для изготовителей светильников определенные трудности. Кроме того, диапазон выходного напряжения многих модулей драйвера недостаточен для поддержки устойчивых к сбоям светодиодных массивов. Таким образом, долговечность светодиодных осветительных приборов зависит от большого количества факторов: ресурса и возможности полного выхода из строя, изменения производительности вспомогательной оптики с течением времени и условий эксплуатации, надежности управляющей программы. Фактически, надежность всей SSL системы равна надежности наиболее слабого ее элемента, и поэтому производителям следует шире рассматривать данную проблему, и как можно строже подходить к выбору комплектующих и дизайну. Материал перевёл и подготовил Тимур Набиев.

Современная светотехника, #3 2010

15

рынок

Будет ли светодиодная лампа стоить 5 долларов? Том Гриффитс (Tom Griffiths), редактор Solid State Lighting Design Один из часто задаваемых вопросов представителями промышленности — «почему светодиоды (и солнечные батареи) не делаются дешевле? Ведь они не так сложны в изготовлении». Отчасти это действительно так, однако львиную долю стоимости определяет экономика, включающая в себя всем известную экономию за счет масштабов производства. Исключив путь проб и ошибок, мы смогли бы это осуществить, однако инновационный процесс идет путем эволюции, поддерживаемый некоторыми случайными открытиями. В самом начале мы рассмотрим, что получится, если снизить расходы до минимально возможной величины.

МАТЕРИАЛЫ И РЕАКТОРЫ

В

Все начинается, как это ни удивительно, с основания. По аналогии с пищевой промышленностью, производство полупроводников сравнимо с изготовлением пиццы. Берется твердая основа, называемая подложкой, на которую будут наноситься все последующие слои. Затем готовится соус из основных ингредиентов, добавляются специи, придающие пицце неповторимый вкус. Этот соус называется эпитаксиальные слои. В нашем случае приготовление означает добавку секретных ингредиентов, из которых и состоит соус, и в конце получается нечто вроде слоеной вафли. В состав смеси, вместе с другими ингредиентами входят так называемые исходные металлы — галлий, индий и мышьяк, которые разогревают до испарения, а затем аккуратно напыляют на подложку из сапфира или карбида кремния в больших устройствах, называемых эпитаксиальные реакторы. Наиболее распространенная технология производства называется MOCVD или осаждение металлорганических соединений из газовой фазы. Название составляют первые буквы каждого слова.

16

www.lightingmedia.ru

Эти реакторы довольно сложны и недешевы — их стоимость варьируется от 1,5 до 2 млн. долларов за установку. Для качественного изготовления всех слоев им требуется изрядное количество времени и много электроэнергии. Чрезвычайная сложность здесь кроется в высокой точности распыления смеси на каждую из множества подложек с допустимым отклонением в сотые доли миллиметра. Дело в том, что равномерное покрытие сводит к минимуму появление различных дефектов, таких как трещины, дыры, излишек или недостаток того или иного элемента. От того, насколько хорошо будет сделано это покрытие, зависит будущее качество конечного продукта. Более того, решив все трудные задачи этого этапа, хочется использовать каждый миллиметр с наибольшей эффективностью. Работа реакторов требует временных затрат, нужно время чтобы закончить одно действие и запустить другое, кроме того, реакторы необходимо обслуживать (сами понимаете, расплавленный металл и высокое давление не лучшим образом сказываются на их самочувствии). Помимо этого реактор необходимо очистить от материалов, оставшихся после предыдущих операций. Например, чтобы изготовить светодиод другого цвета или солнечную батарею. Реакторы постоянно совершенствуются. Как только улучшение достигает определенной величины, оно становится заметным. Два года назад на одной из конференций в Тайване второй по величине производитель реакторов фирма Акстрон наметила путь к увеличению размеров пластин подложек. Говоря простыми словами, края пластин бесполезны, а с увеличением размеров самой пластины, коэффициент полезного действия увеличивается за счет ее внутренней площади. Изменение размера пластины с 2-дюймовой до 4-х и 6 дюймов

может обеспечить существенное увеличение производительности с каждого миллиметра рабочего пространства при каждом запуске реактора, при условии сохранения единообразия. Компания Виеко пообещала снизить затраты на весь производственный цикл в 4 раза к 2015 году. По словам Джима Дженсона, начальника отдела маркетинга компании Виеко, затраты на реакторы и их комплектующие составляют 50% стоимости производимых ими светодиодов. Представленная в январе текущего года модель K465i, оснащенная новым осадочным соплом, внесла улучшение в весь производственный процесс. Дженсен утверждает, что благодаря этому усовершенствованию, их клиенты заметили увеличение производительности реакторов на 70%. Улучшения коснулись всего процесса изготовления светодиодов, поскольку высокий процент качественной продукции означает большее количество произведенных светодиодов на каждом этапе производства. Они так же уменьшили время ввода в строй новых реакторов, и на данный момент для их запуска и налаживания качественной работы заказчику требуется всего 2, 5 месяца.

СВЕТОДИОДЫ И ДРУГАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА Не так давно, обычные светодиоды яркостью 100 люменов стоили 10 долларов, то есть, 10 центов за каждый люмен (а как вы помните, светодиоды других цветов, например бело-голубые не были доступны для продажи примерно до 2002/2003 годов). В последние несколько месяцев можно увидеть объявления, в которых стоимость каждого люмена снизилась до 2 центов (компания «Cree), потом до 1,5 (компания Bridgelux), и в настоящий момент — менее одного цента. Уже достоверно известно, что такие производители как Osram, Philips,

рынок Nichia и другие не стали искусственно поддерживать стоимость люмена в районе 10 центов, и специально не повышали цены. Возможно, этот фактор и позволит снизить стоимость люмена в 10 раз за какие-то 5 лет. Как это возможно мы рассмотрим в следующей части комментария.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ Достаточно сказать, что можно внести улучшения в оба прибора, которые питают и управляют светодиодом, а также улучшить энергоснабжение питающее сами эти приборы. Надежные и с большим потенциалом они стоят немало, особенно если дело касается энергоснабжения.

ЛАМПЫ И СВЕТИЛЬНИКИ ДЛЯ ПРЯМОЙ ЗАМЕНЫ Как получить светодиодные лампочки стоимостью в 5 долларов? Скорее всего, никак, и не потому, что их невозможно сделать, а потому что это нерентабельно. В какой-то момент продукция выходит на массовый рынок, и ее удешевление является наилучшим выходом. Одним из моих любимых и постоянно приводимых примеров, объясняющих происходящее в промышленности, является прогресс на рынке компьютерных технологий.

если в результате повышения эффективности, улучшений и нововведений цена на продукт остается востребованной, зачем тогда ее снижать? Когда-то в 80-х годах первые электронно-вычислительные машины стоили 2000 долларов, игровые приставки — 1000 долларов. Немногие компании могли позволить себе такую дорогую технику. 2000 за компьютер, плюс еще несколько тысяч за программное обеспечение — гораздо проще было произвести необходимые расчеты на бумаге. Со временем технологии развивались, а цены на компьютерные комплектующие снижались, и вскоре компьютеры стали доступны массам. Однако, дойдя до определенной суммы в 500 долларов, цены на компьютеры и комплектующие, за

редчайшим исключением, остановились. В чем же дело? В рыночной составляющей. Продавать за меньшие деньги невыгодно, повышать цены — неразумно, тем более, что по существующим расценкам они раскупаются охотно. Примерно такого же развития ситуации можно ожидать и для светодиодов.

СНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ СВЕТОДИОДОВ Чтобы говорить на одном языке с производителями светодиодов, специалистам, задействованным в области освещения и светотехники, было бы неплохо ознакомиться с базовым техническим материалом по этим технологиям. Не копаясь слишком глубоко (я, поверьте, тоже не специалист в данной области) можно выделить всего два основных элемента, от которых зависит коэффициент полезного действия светодиода. Один производит фотоны, другой их излучает. Когда-то, такого рода взаимодействия описывались устаревшими фразами вроде «внутренней квантовой эффективности».

доказано, что в 1 ватте энергии кроется чуть более 300 люменов Максимальный предел светового излучения, достигнутый современной наукой, составляет по результатам лабораторных исследований 200 люменов на каждый ватт энергии. Однако, уже известно, что в 1 ватте энергии кроется чуть более 300 люменов (с тех времен, когда люмен стал единицей измерения чувствительности глаза к цветовому спектру и балансу белого, за единицу измерения был принят белый свет, хотя, это и не совсем точно, так как человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность в зеленом спектре). Так как вещество способно излучать более 200 люменов, а мы достигли всего лишь 200 из 300

возможных, то дело заключается в неэффективном «извлечении» световой энергии. Для решения этой проблемы существует ряд выходов — размещение материалов с более высокой отражательной способностью вокруг или под излучающей поверхностью, придание этой поверхности определенной формы, эффективно направляя и встраивая оптику под сам чип светодиода (подобным образом дебютировал производитель светодиодов компания Illumitex). Не стоит на месте и прогресс в области изготовления новых фосфорецидных соединений, преобразующих стандартный цвет светодиода в другие цвета спектра. Новые нанофосфорные соединения (квантовые точки) открывают интересные перспективы в использовании наноматериалов, так как они довольно устойчивы к бомбардировке фотонами и увеличивают коэффициент полезного действия светодиода на 15 процентов. Кроме того совершенствуется система охлаждения излучающих поверхностей. До тех пор, пока коэффициент полезного действия светодиода не будет равен 100%, всегда будет оставаться тепловая энергия, которая не лучшим образом влияет на самочувствие полупроводников. Чем больше тепловой энергии удастся рассеять с излучающей поверхности, тем светодиод будет более компактным. Все эти проблемы пока находятся в области научных изысканий. Светодиодное освещение это не только сами светодиоды и провода. Для их работы необходимо маленькое напряжение. В настоящее время большинству требуется постоянный ток, хотя встречаются и светодиоды работающие на

Современная светотехника, #4 2010

17

рынок переменном. В качестве улучшения, блоки управления и питания светодиодов можно разместить в одном очень компактном корпусе, а то и в самом светодиоде. Такие требования диктуются потребностью в высоком качестве и минимальных размерах. Надежные электронные чипы, управляющие энергоснабжением, широко применяются и в других областях — военной, медицине и других, где требуются качество, надежность и точность. Видимо, это и меняет необходимые размеры от «больших и дешевых» до «маленьких и жизненно необходимых». Прогресс неизбежен, и мы уже готовы к дееспособным решениям для светодиодных ламп, стоимостью ниже 1 доллара, какие предлагает компания NXP. Светодиоды — это не только электричество. С точки зрения соотношения цены и возможностей не стоит на месте и прогресс оптики, теплообмена и экологичности. Такие компании как Carclo и Fraen

проделали колоссальную работу, объединив вместе стандартные и заказные оптические решения для SSL производителей. Нужна 60градусная оптика, разработанная для работы с компанией Luxeon Rebel? Получите. Нужен набор согласованной оптики, соответствующей последним разработкам фирмы Cree? Нет проблем.

объем производства и естественные тенденции повлияют на снижение стоимости светодиодов Объем производства и естественные тенденции вкупе с некоторыми общими факторами и повлияют на снижение стоимости. Весьма интересный момент представляет собой управление теплообменом, которое может помочь решить два аспекта — проблему компактности светодиодных ламп и экологичность

материалов для LED технологий. Обычно, для рассеивания тепла в светодиодах используют различные металлы, частицы которых вместе с этим самым теплом засоряют воздух. Проблема в использовании металлических покрытий для теплоотвода заключается в засорении вентиляционных отверстий, что ведет к снижению рассеивания тепла, а это в свою очередь снижает эффективность излучения и сокращает срок службы. Два интересных подхода предложили компании Nuventix и GrafTech International. Первый заключается в том, что ультразвуковые колебания создают определенную направленность воздушного потока, в результате чего тепло «выдувается» из светодиодов. Второй представляет собой использование графитных поверхностей, впитывающих тепло. Материал перевёл и подготовил Тимур Набиев.

Светодиодная дружба Philips и Cree набирает обороты Компании Philips и Cree подписали всестороннее взаимное лицензионное соглашение, охватывающее широкий спектр интеллектуальной собственности обоих компаний. Согласно совместному пресс-релизу, Cree и Philips подписали всеобъемлющее международное патентное соглашение, которое «предназначено для дальнейшего ускорения роста рынка светодиодов освещения».

Cree и Philips имеют «обширные и значительные» оптикоэлектронные патентные портфели. Заключенное соглашение касается патентов обеих сторон в сфере синих светодиодов, технологии изготовления микросхем,

белых светодиодов и люминофора, системы управления, LED светильников и ламп. Оно также включает светодиодную подсветку жидкокристаллических дисплеев (LCD). Ряд других компаний, в том числе Osram, Zumtobel и Acuity Brands, уже вступили в программу лицензирования Philips. «Это соглашение демонстрирует широту и глубину интеллектуальной собственности обеих компаний, а также фундаментальный характер и значение, внесенных этими патентами на рынок» — сказал Чак Суобода (Chuck Swoboda), президент компании Cree. «Кроме того это свидетельствует о приверженности обеих компаний растущему рынку светодиодов и об

уважении ценности и важности международного законодательства в области интеллектуальной собственности» — добавил он. Руди Провуст (Rudy Provoost), президент Philips Lighting, сказал, что «всесторонние независимые патентные портфели» Philips и Cree отражают «значительные инвестиции в инновации», которые компании сделали в LED освещении. «Мы желаем скорейшего внедрения светодиодного освещения и поэтому рады, что Cree присоединится к нашей Программе Лицензирования LED Светильника» — добавил Провуст. www.ledsmagazine.com/

Падение стоимости светодиодов в крупносерийном производстве Совместные усилия участников рынка и финансируемые правительством США научноисследовательские работы серьезно повлияли на оптимизацию затрат на производство светодиодов. Если производители реализуют хотя бы часть своих разработок по увеличению экономической эффективности производства, стоимость твердотельных источников света существенно снизится в следующие несколько лет.

18

www.lightingmedia.ru

Под влиянием растущих возможностей рынка, а также $23 млн финансирования Министерства энергетики США (DOE) начали появляться проекты, направленные на усовершенствование производства светодиодов. Производители полупроводникового оборудования и их партнеры, производители устройств, планируют достичь 30—50% улучшений в основном цикле производства, производительности и затратах, в частности, путем применения подходов, извлеченных

из крупносерийного полупроводникового производства. Большая цепочка поставок полупроводников заставляет обратить особое внимание на потребности рынка HB-LED (LED повышенной яркости), так как в этом году по данным SEMI’s Opto/LED Fab Watch будет вложено почти 1 млрд долларов в строительство и оснащение производств устройств. www.ledsmagazine.com/

дискуссия

Некоторые методологические аспекты современной светотехники Рекомендации в порядке дискуссии Уважаемый читатель! Если вся статья или отдельные доводы авторов показались вам спорными, вы можете вступить в открытую дискуссию на страницах нашего журнала, написав нам по адресу vm@elcp.ru. В работе обсуждаются методологические вопросы светотехники на базе ряда широко применяемых терминов. Предложено новое определение понятия «светильник», предназначенное, главным образом, для повышения информативности каталогов светотехнической продукции.

М

Методология — область знаний, изучающая предпосылки и принципы организации познавательной и практической деятельности. Ее основная задача заключается в пересмотре или усовершенствовании подходов к интерпретации изучаемого предмета и уточнении понятийного аппарата. Методологические работы в области точных наук существенно отстают от практических разработок, особенно в последние десятилетия по ряду известных причин. Это, без сомнения, тормозит их развитие, что ранее было показано на примере разработки основ динамической метрологии и ее неотложных задач [1]. Немало вопросов, прежде всего понятийного и терминологического плана, требует их решения и определенного уточнения. Необходимо проводить работы по усовершенствованию определений терминов, уточнению их наименований, устранению имеющихся разночтений, применению унифицированных форм представления в публикациях графического и табличного материалов. Следует иметь в виду, что не только некоторые понятия, но даже отдельные физические константы по истечении лишь 20 лет претерпели такие изменения, которые выходят за пределы одной из границ доверительного интер-

вала [2]. Это касается и проблемы светотехники. Актуальность разработки методологических вопросов светотехники обусловлена, прежде всего, возрастающим потоком информации в условиях вовлечения все большего числа людей, не имеющих светотехнического образования. Немалая научно-производственнаяинформация,характеризующая последние достижения промышленности, содержится в каталогах производителей. Вместе с тем, она приводится в несистематизированном виде, с разночтениями, противоречиями и, по существу, не отвечает на возникающие вопросы эксплуатационников осветительных устройств. Необходимо использовать широкие возможности дополнительного извлечения новой информации из публикаций и каталогов изделий путем представления в них данных в соответствии с рекомендациями [3]. Однако даже имея большой опыт экспериментальной и аналитической работы, осу-

ществить это оперативно с целью систематизации и обобщения данных при существующих формах их представления в каталогах достаточно сложно, а иногда и невозможно. Нам представляется, что в методологическом отношении очень важно уточнить сущность понятия «светильник», поскольку оно, главным образом, должно определять требования к его светотехническим и электрическим параметрам, которые должны быть представлены в каталогах светотехнической продукции. К сожалению, во многих из них приводится только ограниченное число параметров, касающееся лишь конструкции светильников и их оптической системы, отдельные из которых к тому же дублируют друг друга или не содержат необходимой информации непосредственно для потребителя. Например, в литературе, приводя КПД оптической системы, его ошибочно именуют «КПД светильника», а мощность светильника указывают равной

методологические работы в области точных наук существенно отстают от практических разработок

Рафаил Тукшаитов Профессор, заслуженный деятель науки Республики Татарстан, заведующий кафедрой «Светотехника и медикобиологическая электроника», КГЭУ

Юрий Петрушенко Профессор, академик РАЕН, заслуженный деятель науки Республики Татарстан, заведующий кафедрой «Механика»

Современная светотехника, #3 2010

19

дискуссия суммарной мощности используемых ламп [4, 5]. Поскольку светильник принято относить к световому прибору, то представляется необходимым не только напомнить определение последнего, но и предварительно рассмотреть его смысловое содержание.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИНА СВЕТОВОЙ ПРИБОР Рассматриваемое выражение начали вводить в светотехническую практику с начала второй половины XX в. [6, 7]. Ниже для наглядности последующего обсуждения приведены несколько его определений.

1. «Световой прибор — устройство, содержащее одну или несколько ламп и светотехническую арматуру, перераспределяющее свет лампы (ламп) и (или) преобразующее его структуру и предназначенное для освещения или сигнализации» [8].

2. «Световой прибор — прибор, состоящий из источника (источников) света и устройства, преобразующего поток излучения для освещения (облучения), сигнализации и проекции» [7].

3. «Световым прибором называется устройство, содержащее источник света (лампу) и светотехническую арматуру и предназначенное для освещения или световой сигнализации» [9].

4. «Осветительные приборы — это устройства, содержащие источник света (лампу) и арматуру, которая перераспределяет световой поток источников света в пространстве требуемым образом» [10]. Если рассматриваемый термин, согласно ГОСТ 16703-79 [8], является обязательным для применения в предложенном виде, то в его определении «можно, при необходимости, изменять форму изложения, не допуская нарушения границ понятий». В соответствии с этим и собственным восприятием каждый автор в последующем стремился усовершенствовать определение, одновременно привнося и некоторые недостатки. В последние десятилетия многие световые приборы, особенно используемые для внутреннего освещения, стали содержать не одну, а несколько ламп. Кроме того, в настоящее время в разрабатываемых светильниках уже используют не только газораз-

20

www.lightingmedia.ru

рядные лампы, но и полупроводниковые светодиоды. Поэтому будет вполне оправдано в соответствующих трех определениях исключить термин «лампа» и воспользоваться выражением с более широким смысловым содержанием — «источники света». Второе определение изложено точнее и лаконичнее, т.к. в нем не только отсутствует слово «лампа», но и исключено его повторение. Очевидно, поэтому аналогичного определения также придерживаются в работе [11]. Вероятно, первое определение, как и второе, принадлежит одному автору [7], но является первоначальным его вариантом. Несовершенство первых двух определений заключено в том, что в них дается излишняя детализация, которая, как будет показано ниже, по существу в большей степени присуще термину «светильник». Два последующих определения также не свободны от издержек, т.к. в них, в отличие от ГОСТа 16703-79, источник света приводится в единственном числе, что больше ассоциируется с одной лампой. Автор последнего определения допускает дополнительную некорректность, приводя один и тот же термин в начале предложения в единственном числе, а в его конце — во множественном. Во втором определении допущена некоторая тавтология в выражении «…прибор — (есть) прибор, …». Следует коснуться и самого термина «световой прибор». Просмотр библиографических указателей литературы показывает, что он до 1950-х гг. в литературе не применялся. Один из основоположников отечественной светотехники, заведующий кафедрой «Светотехника» МЭИ В.В. Мешков, в этот период и в последующем руководствовался термином «осветительные установки» [12, 13]. Каждый вновь предлагаемый термин должен нести достаточно четкую общетехническую информацию о предмете, а не только в пределах своей отрасли. Такие понятия как «оптические приборы»,

термин «световой прибор» является не совсем удачным, т.к. ведет к смысловой неопределенности «спектральные приборы», «ИКприборы», «оптико-электронные

приборы», «электронные приборы» и даже «световые приборы наведения летательных аппаратов» достаточно однозначно воспринимаются специалистами разных научных направлений (физиками, химиками, инженерами, медиками и др.). Что касается сочетания двух используемых слов в термине «световые приборы», то оно является, по-видимому, не совсем удачным, т.к. ведет к смысловой неопределенности и, соответственно, к произвольной его интерпретации. Вероятно, немалая неудовлетворенность первым словом в стандартизованном термине побудило автора замечательной монографии [10] «покуситься» на ГОСТ и применить термин «осветительные приборы», приводя ему определение аналогичное термину «световой прибор». Рассмотрим также второе слово — «прибор» в выражении «световой прибор». Оно на современном этапе развития техники ассоциируется с измерительным, регистрирующим или диагностическим средством, устройством, техническим комплексом и системой. При таком его восприятии он с трудом увязывается со словом «световой». На вопрос, что такое «световой прибор», многие опрошенные специалисты, даже имеющие непосредственное отношение к оптическим и электронным устройствам, не смогли дать сразу определенный ответ. Очевидно, в силу подсо-

ГОСТ 16703-79 требует неотложной доработки с учетом последних технических достижений знательного осмысления несовершенства данного термина в ряде технических справочниках его определение также не приводится. Это позволяет его отнести лишь к отраслевому термину. Следует отметить, что если первый ГОСТ по терминам просуществовал 10 лет, то второму [8] уже более 30 лет. Очевидно, этот ГОСТ, как следует из приведенного выше анализа, требует неотложной доработки с учетом последних технических достижений. Если придерживаться определения «осветительная установка», представленного в справочнике по светотехнике [9], но отсутству-

дискуссия ющего в ГОСТе, то она состоит из источника света, осветительного прибора и пускорегулирующего устройства. Из этого следует, что источник света и пускорегулирующее устройство рассматриваются вне светового прибора, что уже противоречит определениям «световой прибор», представленных в ГОСТе и других публикациях. Вероятно, во избежание этого противоречия составители последнего ГОСТа этот важный термин намеренно не включили в перечень. Казалось, на основе [9] с учетом [8] иерархическую последовательность светотехнических средств можно представить в виде «осветительная установка» — «световой прибор» — «осветительные устройства». Хотя четкого разграничения между терминами «установка» и «устройство» нет, в большинстве случаев «установка» интерпретируется лишь как часть устройства [14]. Придерживаясь этого принципа, приведенную выше последовательность необходимо представить в обратном порядке, исключив промежуточное звено, поскольку оно в иерархической цепи является аналогом термина «световое устройство» и несет меньшую определенность. Во избежание противоречия проекторные устройства, указываемые в некоторых определениях [6, 7, 11], правомерно отнести к оптическим приборам. При этом принципиальная необходимость в термине «световой прибор» во многом отпадает. В итоге на сегодня осветительные устройства по назначению можно подразделить на пять классов и представить их в соответствии с частотой применения в такой последовательности: – светильники; – устройства световой рекламы; – прожекторные устройства; – сигнализирующие устройства – индикаторные устройства.

«световые приборы» следует заменить на термин «осветительные устройства», который имеет большую смысловую определенность Таким образом, в дальнейшем представляется целесообразным

заменить в ГОСТе [8] понятие «световые приборы» на термин «осветительные устройства».

АНАЛИЗ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИНА СВЕТИЛЬНИК Практически до 1975 г. в целом ряде известных нам учебных пособий по светотехнике определение термина «светильник» не встречается. В современных каталогах также не дается пояснение этого термина, несмотря на то, что в них имеется специальный раздел «Светотехнические термины и их определения». Для более детального рассмотрения и уточнения понятия «светильник» приведем несколько его определений в такой последовательности.

1. «Светильник — световой прибор, перераспределяющий свет лампы (ламп) внутри больших телесных углов и обеспечивающий угловую концентрацию светового потока с коэффициентом усиления не более 30 для круглосимметричных и не более 15 для симметричных приборов» [8].

2. «Светильник — световой прибор, который с помощью оптического устройства захватывает световой поток в большом телесном угле и перераспределяет его также в большом телесном угле, доходящем до 4π» [7].

3. «Светильник — световой прибор, который с помощью оптического устройства захватывает световой поток в большом телесном угле, доходящем до 4π» [11].

4. «Светильники — это осветительные приборы, в которых световой поток источника света распределяется внутри больших телесных углов» [10]. Первое определение светильника практически совпадает с его формулировкой, приведенной в работе [9]. Во втором определении авторы устраняют некоторую избыточную и специальную информацию, но вводят элемент неопределенности, поскольку получается, что светильник предназначен для преобразования большого телесного угла в еще больший. В третьем определении, в отличие от другого, автор, очевидно, попытался избежать нежелательного повторения выражения «в большом телесном угле», однако этим допущена потеря второго свойства светильника.

Второе определение также не отражает способность светильника преобразовывать световые потоки со средним телесным углом в более широкие. Фактически передача точного смыслового содержания в определении не осуществлена. Вопрос качественного отражения информации в определениях является действительно достаточно сложной задачей. Об этом в 1981 г. хорошо высказался проф. МГУ В.В. Налимов, сподвижник крупнейшего математика XX в. акад. А.Н. Колмогорова. Рассмотрев семь определений понятия «эксперимент», изложенных в отечественных и американских энциклопедиях, справочниках, ученый пришел к выводу, что ни одно из них не раскрывает существа процесса [15]. Вероятно, по этой причине Н.А. Корякин [6], один из авторов первых учебников по «световым приборам», избегал определения терминов «световые приборы» и «светильник». В большинстве приведенных выше определений основным признаком светильника воспринимается его способность к перераспределению светового потока в пределах большого телесного угла.

формулировки понятий «световой прибор» и «осветительный прибор» в немалой степени близки к понятию «светильник» Следует иметь в виду, что со временем все большее предпочтение будет отдаваться светодиодным светильникам, в которых отсутствует необходимость осуществления перераспределения световых потоков в больших телесных углах до 4π, т.к. угол излучения светодиода равен 120° и менее. По существу, все определения, за исключением второго, в целом несут одну и ту же информацию. Нам представляется, что формулировки понятий «световой прибор» и «осветительный прибор» в немалой степени близки к понятию «светильник». Анализ определения, предложенного для термина «световой прибор», показывает, что оно даже в большей степени соответствует термину «светильник», т.к. раскрывает его устройство, одновременно указы-

Современная светотехника, #3 2010

21

дискуссия вая на имеющийся в нем источник света. Для устранения этих моментов формулировку определения «световой прибор» достаточно привести в обобщенном виде: например, «осветительное устройство — это техническое средство, предназначенное для освещения, сигнализации и световой рекламы». Необходимо отметить, что многие специалисты смежных профессий в термине «светильник» также четко не просматривают технический аспект. Это приходится учитывать при написании статей в соответствующие технические издания и побуждает разобраться в причине данного явления. Так, морфемный анализ показывает, что из 200 слов, выявленных в орфографическом словаре с суффиксом «-ник», более 80—85% предназначены для обозначения профессии и характеристики человека (печник, чиновник, двурушник и т.д.) и видов растительного мира (подснежник, репейник, трилистник и т.д.) и лишь 15—20% — для обозначения неодушевленных предметов (маятник, памятник, золотник, и т.д.). Большинство специалистов русского языка придерживается мнения, что слово «светильник» состоит из корня «свет» и двух суффиксов. Установлено, что это практически единственное слово, образованное с использованием данных двух суффиксов, что свидетельствует о его неком особом словообразовании. Это наводит на мысль, что оно все-таки образовано от старославянского слова «светило». Нельзя не отметить наличие в рассматриваемом термине отдаленного художественного и бытового оттенка, т.к. он встречается в поэтических произведениях XVIII—XIX вв., т.е. тогда, когда еще не было даже представления об электрических источниках света. Изложенное позволяет слово «светильник», как и «световой прибор», отнести только к отраслевым терминам. Таким образом, в новой формулировке определения понятия «светильник» целесообразно исключить применение таких терминов и выражений как «лампа», «прибор», «перераспределение света лампы внутри значительных телесных углов излучения». Для выработки нового определения «светильник» следует, пре-

22

www.lightingmedia.ru

жде всего, выделить из ряда его признаков наиболее информативные.

НОВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИНА СВЕТИЛЬНИК К одним из важных признаков «светильника» можно отнести наличие в нем источников света. В частном случае это может быть наличие одной лампы или одного светодиода. Другим существенным признаком является использование в большинстве источников пускорегулирующе-

для выработки нового определения «светильник» следует, прежде всего, выделить из ряда его признаков наиболее информативные го устройства, к которому ранее было предложено относить все разновидности электронных устройств, обеспечивающих работу как газоразрядных ламп, так и светодиодных [16]. Эти основные узлы светильника и оптической системы размещаются в арматуре. В итоге он характеризуется массой, габаритами, сроком службы и определенным уровнем защиты от окружающей среды. Не менее важными показателями светильника являются его световой поток, светоотдача, освещенность рабочей зоны, суммарный КПД, телесный угол излучения, содержание ртути, класс защиты и другие. Однако все эти показатели отразить в определении «светильник» невозможно и нецелесообразно. В формулировке «светильник» должно отражаться несколько основных на сегодня признаков, которые в то же время могли достаточно полно его характеризовать. Кроме того, светильник следует рассматривать как разновидность осветительных устройств. Руководствуясь этими принципами и результатами проведенного анализа, можно в первом приближении предложить новое определение понятия «светильник» в следующем виде: «Светильник — это осветительное устройство, содержащее источники света, пускорегулирующие электронные узлы и арматуру с оптической системой, обеспечи-

вающей требуемый телесный угол излучения светового потока». Таким образом, руководствуясь предложенной формулировкой, «светильник» следует рассматривать как комплексное устройство, в связи с чем в каталогах он должен быть представлен основными светотехническими, электрическими и конструктивными параметрами. Результаты специальной проработки вопросов выбора, количества и формы представления информативных показателей в каталогах «Светильники» будут изложены в следующей публикации. ЛИТЕРАТУРА 1. Р.Х. Тукшаитов. Основы динамической метрологии и анализа результатов статистической обработки/Казань: Мастер Лайн, 2001. С. 278.

2. А.Н. Зайдель. Ошибки измерений физических величин/Перераб. и доп. Ленинград: Наука, 1974. С. 108.

3. Р.Х. Тукшаитов. Основы оптимального представления статистических показателей на графиках, диаграммах и в таблицах/Казань: КГЭУ, 2006. С. 227.

4. Каталог продукции 2008. ОАО «Ардатовский светотехнический завод». С. 118.

5. Светильники. Издание 2008 компании GE Lighing. С. 230.

6. Н.А. Корякин. Световые приборы/Учебн. для вузов. М.: Высш. шк., 1975. С. 335.

7. В.В. Трембач Световые приборы/Учебник для вузов по спец. «Светотехника и источники света».

2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк. 1990. С. 443.

8. ГОСТ 16703-79. Приборы и комплексы световые. Термины и определения. М.: Изд. стандартов. 1982. С. 23.

9. Справочная книга по светотехнике/Под ред. Ю.Б. Айзенберга. 3-е изд. перераб. и доп.. М.: Знак, 2006. С. 952.

10. Л.П. Варфоломеев. Элементарная светотехника/ Под ред. проф. Ю.Б. Айзенберга. М.: Знак, 2008. С. 220.

11. О.Е. Железникова. Введение в светотехнику: учебное пособие/ О.Е. Железникова, А.В. Харитонов/Саранск: МГУ им. Огарева, 2004. С. 88.

12. В.В. Мешков. Осветительные установки/М.: Госэнергоиздат, 1946. С. 270.

13. В.В. Мешков. Осветительные установки/ В.В. Мешков, М.М. Епанешников. М.: Энергия, 1972. С. 360.

14. А.Б. Буре. Особенности проектирования энергоснабжения промышленных предприятий: учебное пособие/М.: МЭИ, 2007. С. 32.

15. В.В. Налимов. Логические основания планирования эксперимента/В.В.Налимов, Т.И. Голикова, 2-е перераб. и доп./М.:Металлургия, 1981.С. 151.

16. Р.Х. Тукшаитов. Разработка новой методики определения КПД осветительных приборов/Р.Х. Тукшаитов, В.Р. Сайфутдинова, Р.Р. Шириев, Н.В. Писклова//Изв. вузов. Проблемы энергетики, 2009. № 11–12. С. 104–109.

применение источников света

Перспективы органических светодиодов в системах освещения В настоящий момент на мировом рынке светотехники и средств отображения информации активно развивается направление твердотельных источников света (Solid State Light, SSL), которые благодаря ряду преимуществ уверенно вытесняют традиционные источники света, достигшие своих предельных параметров уже за столетнюю историю развития.

К

К SSL-устройствам относятся два вида светоизлучающих диодов: неорганические (Light Emitting Diodes, LED) и органические (Organic Light Emitting Diodes, OLED), соответственно. Промышленный выпуск первых коммерческих неорганических светодиодов был освоен в 1960-х гг., и в настоящее время эта технология имеет существенные преимущества на рынке благодаря многолетнему развитию. Интерес к органическим светодиодам как к коммерчески перспективным устройствам возник в конце XXго столетия после публикации работ группы Танга и Ван Слайка (лаборатория Eastman Kodak, США) и открытия фосфоресцентных (триплетных) материалов группой Фореста (США), что позволило существенно повысить эффективность OLED-структур. Несмотря на более поздний старт, лабораторные образцы OLEDструктур в настоящее время демонстрируют характеристики, сравнимые с лучшими образцами светодиодов мировых лидеров. Тем не менее в мировой тенденции развития SSL-устройств органические и неорганические светодиоды рассматриваются не как конкурирующие, а взаимно дополняющие технологии.

кратко рассмотрены физические основы их работы. Прежде всего, стоит отметить, что OLEDструктура представляет собой распределенную по площади полупроводниковую структуру на основе тонких слоев органических материалов, нанесенную между слоями катода и анода (см. рис. 1). Следует заметить, что тонкопленочная OLED-структура крайне чувствительна к парам воды и кислороду, под действием которых происходит деградация органических материалов и материала катода, а кислород, даже в очень небольших концентрациях, является активным «тушителем» фосфоресценции — основе создания высокоэффективных OLED-структур. По этой причине

OLED-структура нуждается в надежной герметизации с помощью защитной стеклянной или металлической крышки с поглощающим пары воды и кислород материалом (гетером). Для устройств на гибкой подложке необходима многослойная тонкопленочная герметизация в сочетании с приемлемыми барьерными свойствами самой подложки. Электролюминесценция в O L E D - с т р у к т у р е с х е м ат и ч е ски показана на энергетической диаграмме (см. рис. 2) и включает инжекцию отрицательных и положительных носителей заряда (электронов и дырок) из катода и анода, соответственно (1), их транспорт в электрическом поле (2), захват и рекомбинацию с образованием

HIL – слой инжекции дырок; HTL – слой с дырочной проводимостью; EBL – слой, блокирующий электроны; EML – эмиссионный слой; HBL – слой, блокирующий дырки; ETL – слой с электронной проводимостью; EIL – слой инжекции электронов

Рис. 1. Схематическое изображение OLED-устройства: слои (а) тонкопленочной OLED-структуры (б) Сергей Стахарный, StakharnyS@ya.ru Начальник отдела разработки и метрологии устройств на основе органических светодиодов, ОАО «ЦНИИ «Циклон» После окончания физического факультета МГУ в 2002 г. поступил на должность инженера в ОАО «НПП «Сапфир». В 20052006 г. работал в фотометрической лаборатории московского R&D центра компании ACOL Technologies S.A. С 2007 г. возглавил отдел разработки и метрологии устройств на основе органических материалов в ОАО «ЦНИИ «Циклон».

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ OLED

Проекты: разработка устройств на основе OLED, солнечных батарей, полевых транзисторов. При поддержке ГК РОСНАНОТЕХ в рамках проекта «Наносертифика» провел разработку и аттестацию методик выполнения измерений, связанных с исследованием OLED-устройств.

Для лучшего понимания преимуществ и особенностей OLEDструктур в этом разделе будут

Автор ряда статей по органической электронике, в т.ч. в ведущих иностранных изданиях. Участник научных российских и зарубежных конференций, в т.ч. как приглашенный лектор.

Современная светотехника, #3 2010

23

применение источников света

Рис. 2. Электролюминесценция в OLED-структуре: инжекция носителей заряда (1); транспорт (2); захват и рекомбинация (3); излучательный распад (4)

а)

ном слое образуются с существенным разбросом по энергии, что приводит к достаточно широкому спектру люминесценции OLED-структур с полушириной порядка 50…100 нм, в отличие от LED-структур, имеющих более узкий спектр люминесценции (см. рис. 3а). Применительно к дисплейным технологиям широкий спектр люминесценции OLEDструктур является недостатком, и для большего цветового охвата и насыщенности цветов экрана применяются интерференционные фильтры, вырезающие более узкие спектры RGB-пикселов. При получении OLED-структур белого цвета свечения используется люминесценция нескольких органических материалов, что при смешивании дает белый цвет различных оттенков (см. рис. 3б). Как видно из рисунка, спектр OLED-структуры покрывает практически всю видимую область без сильных локальных пиков и провалов, обеспечивая высокий индекс цветопередачи (CRI) (см. рис. 4) и комфортное психофизическое восприятие применительно к системам освещения.

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА OLED б) Рис. 3. Спектр электролюминесценции OLED-структуры на основе оксихинолята алюминия (Alq3) – а; спектр электролюминесценции OLED-структуры белого цвета свечения – б

нейтрального возбужденного состояния (электронно-дырочной пары) — (3) и ее излучательного распада — (4). Для получения высокоэффективного OLED-устройства не-

Рис. 4. OLED-структуры обеспечивают высокий индекс цветопередачи

24

www.lightingmedia.ru

обходим тщательный подбор материалов каждого из слоев структуры, его толщины и состава, проведение многократных итераций технологического процесса, исследования электрофизических свойств и математического моделирования, разработки внешних световыводящих покрытий, обзор которых не входит в цели данной статьи, и будет проделан в дальнейшем. Спектральный состав электролюминесценции, определяющий цвет свечения OLED, зависит от материала или нескольких составляющих активного слоя структуры. Тонкие органические пленки по своей природе являются аморфными веществами, и электронно-дырочные пары в активном электролюминесцент-

Существуют два основных направления в производстве OLEDструктур — это напыление из газовой фазы и нанесение из раствора. Первым способом, как правило, наносят т.н. низкомолекулярные соединения, которые слаборастворимы, а из-за малого молекулярного веса прекрасно испаряются при термическом напылении в вакууме (Vacuum Thermal Deposition) или переносятся в газе-носителе (Organic Vapor Phase Deposition) (см. рис. 5). У нанесения OLED-материалов из газовой фазы имеется следующий ряд преимуществ: – при напылении в высоком вакууме или сверхчистом газеносителе отсутствуют внешние источники загрязнений органических материалов, а высокая чистота исходных материалов играет ключевую роль в эффективности OLED-структуры; – напыление из газовой фазы позволяет последовательно наносить большое количество однокомпонентных или легирован-

применение источников света

б) а)

Совместное использование технологий OVPD и CCS

Рис. 5. Термическое напыление в вакууме (а); перенос паров органических материалов в газе-носителе (разрабатывается компанией Aixtron) (б)

Рис. 6. Центрифугирование

ных слоев, что необходимо для создания эффективной OLEDструктуры; – легко формируется топология устройства при напылении через отверстия в теневой маске, помещенной перед подложкой; – метод термического напыления в вакууме уже хорошо отработан и широко применяется в производстве OLED-дисплеев. Полимерные органические материалы, как правило, наносятся с помощью жидкостных методов благодаря хорошей растворимости и нелетучести из-за высокого молекулярного веса полимерной цепочки. Наиболее простым методом нанесения материалов из раствора является центрифугирование (Spin Coating) (см. рис. 6), — хорошо отработанный процесс нанесения фоторезиста в электронной промышленности. Однако этот способ хорош для быстрого получения простых лабораторных образцов, т.к. не подразумевает нанесения структуры с топологическим рисунком устройства. С помощью метода струйной печати (Ink Jet Printing) возмож-

но нанесение органических материалов из раствора на твердые и гибкие подложки с формированием топологии устройства (см. рис. 7). Совместимость этого метода с другими возможностями печатной электроники делает его весьма перспективным для создания дисплеев на гибкой подложке и других оптоэлектронных устройств. Применительно к системам освещения этот метод достаточно медленный и не перспективен для получения больших площадей OLED-структур. Наиболее перспективным способом изготовления OLEDструктур большой площади с высокими объемами производства является метод roll-to-roll, который заключается в переносе раствора органического материала посредством печатающего барабана (см. рис. 8). Такой способ позволяет наносить органические материалы из раствора на движущуюся ленту исходной подложки с высокой скоростью при низкой себестоимости, аналогично процессу офсетной печати.

Рис. 7. Нанесение органических материалов с помощью метода струйной печати

Однако у жидкостного процесса имеется существенный недостаток: определенный материал растворим либо в воде и не растворим в органических растворителях, либо наоборот. По этой причине OLED-структура, изготовленная жидкостным способом, может содержать не более двух функциональных слоев: один — нанесенный из водного раствора и один — из органического растворителя, т.к. последующий слой, нанесенный из того же типа растворителя, повредит предыдущий. Для того чтобы структура имела высокую эффективность, зачастую двух слоев недостаточно, и по этой причине дополнительные слои наносятся методом вакуумного напыления, что существенно увеличивает ее себестоимость. Кроме того, возможно загрязнение материалов примесями, находящимися в самом растворителе, наряду с неве-

Современная светотехника, #3 2010

25

применение источников света

Рис. 8. Изготовления OLED-структур большой площади

Рис. 9. Roll-to-Roll процесс производства солнечных батарей на гибком носителе от компании Flisom AG

Рис. 10. Производство OLED-устройств с помощью двух основных процессов группового исполнения

26

www.lightingmedia.ru

роятной сложностью очистки исходных полимерных материалов от примесей и прекурсоров — исходных материалов, которые подвергаются полимеризации. Стоит отметить, что создание сложных систем roll-to-roll может состоять из последовательного процесса нанесения материалов на движущуюся подложку различными способами при прохождении ленты через модули системы (см. рис. 9). В настоящий момент производство OLED-устройств развивается с использованием двух основных процессов группового исполнения: ленточного (Web processing) и листового (Sheet processing). К первому типу относятся системы Roll-to-Roll, которые подразумевают производство устройств на длинной ленте-носителе с разделением устройств по ее длине (см. рис. 10а). В системах с использованием второго метода групповое исполнение устройств осуществляется на подложках больших размеров с разделением устройств по длине и ширине подложки (см. рис. 10б). Несмотря на то, что для ленточного метода предсказывается более дешевая себестоимость производства, установки данного типа находятся на этапе проектирования, и в них остается ряд нерешенных технологических проблем, например тонкопленочной герметизации устройств на гибкой подложке, которая на сегодняшний день не обеспечивает необходимых барьерных свойств к парам воды и кислороду. Листовой метод, как отмечалось, на сегодняшний день уже достаточно хорошо отработан и применяется в коммерческом производстве OLED-дисплеев рядом мировых лидеров, например Samsung, Sony, LG, CMEL, RiTDisplay и т.д. Указанные производители успешно используют опыт, полученный в процессе развития технологии ЖК-дисплеев, работая уже со стеклами размером 370×470 мм (CMEL), что соответствует второму поколению технологии ЖКД. При этом развитие технологического направления Sheet processing для OLEDпанелей можно предсказать аналогично развитию технологии TFT LCD (см. рис. 11), для чего требуется последовательное мас-

применение источников света штабирование технологического процесса на подложки больших размеров, что приводит к снижению себестоимости устройств. Технология производства OLED-дисплеев включает надежный способ герметизации стеклянной крышкой с полостью, в которой помещен материал, адсорбирующий пары воды и кислород, что обеспечивает время жизни дисплея до 50 тыс. ч (для коммерческого применения). Ряд производителей OLEDдисплеев уже заявляет о планах перевода имеющихся производственных мощностей на OLEDпанели для освещения при стратегии перехода производства от пассивно-матричных дисплеев (PM OLED) к дисплеям с активноматричным управлением (AM OLED).

Рис. 11. Развитие технологического направления по методу листового процесса

OLEDОСВЕЩЕНИЕ Как отмечалось выше, отличительной особенностью OLED является их распределенный характер. В программе развития светодиодной промышленности, разработанной американским департаментом по энергетике (US DOE Solid State Lighting Roadmap), однозначно прописана стратегия, в которой OLED- и LED-светодиоды рассматриваются не как конкурирующие, а как взаимно дополняющие направления.

LED-кристалл является сверхъярким точечным источником света, излучение которого легко и без существенных потерь можно сфокусировать с помощью внешней оптики для получения необходимой диаграммы направленности. Для создания LEDсветильника с распределенным диффузным светом необходимо применять различного рода рассеивающие конструкции (см. рис. 12а), в которых потери достигают 30—40%. В свою очередь, OLED-панель уже является распределенным распределенным источником света (см. рис. 12б). Таким образом, LED-светильники выигрывают в секторе направленных источников света, а OLED — в секторе распределенных. Распределенный характер OLED-структур играет важную роль в процессе отвода тепла от активной области, которое неизбежно выделяется из-за потерь

а)

б) Рис. 12. а) рассеивающая конструкция диффузного LED-светильника; б) OLED-панель как распределенный диффузный источник света

в структуре. В неорганических светодиодах рабочие плотности тока достигают значений в десятки A/cм2, что при высоком тепловом сопротивлении кристалл/корпус и отсутствии внешнего теплоотвода от корпуса светодиода приведет к его перегреву, выходу из строя или существенному снижению времени жизни и эффективности. В OLED-структурах токи распределены по большой поверхности, и рабочая плотность тока составляет величину в десятки

мA/cм2, что не приводит к существенному разогреву структуры и необходимости установки радиатора. В настоящее время появляется большое количество прототипов светотехнических устройств на базе OLED-структур (см. рис. 13), таких как светильники различных конструкций, светящиеся потолки и стены, в т.ч. полупрозрачные. Неограниченные возможности в светотехнике и светодизайне представляют OLED-панели на

Современная светотехника, #3 2010

27

применение источников света

а)

б)

в)

г)

Рис. 13. Светильник от Lumiotec (а); светящийся потолок из OLED-панелей от OSRAM (б); проект динамически светящейся OLED-стены (в); проект помещения с прозрачными светящимися окнами от OSRAM (г)

гибкой подложке. Существуют проекты внешнего габаритного и внутреннего освещения автомобилей, освещения салонов самолетов, светящиеся обои и различные подсветки.

Рис. 14. Концептуальный OLED-светильник на основе панелей Philips

28

www.lightingmedia.ru

ДОСТИЖЕНИЯ OLEDТЕХНОЛОГИИ На коммерческий успех технологии, в первую очередь, влияют параметры, определяющие экономических эффект от использования OLED-устройств, такие как световая эффективность (лм/Вт), светимость (лм/м2), индекс цветопередачи CRI и себестоимость устройств (долл./лм и долл./м2). В настоящий момент о себестоимости коммерческих OLED-устройств говорить не приходится ввиду их отсутствия на рынке. Единственным доступным в продаже продуктом является линейка OLED-панелей различных цветов и оттенков от Philips с эффективностью в 20 лм/Вт, яркостью 1000 кд/м2 и временем жизни около 10 тыс. ч. Однако при стоимости прямоугольной панели размером 55×130 мм (максимальный размер) около 2000 евро данная продукция может служить коммерческим продуктом только при создании концептуальных светильников (см. рис. 14).

Тем не менее лабораторные образцы OLED-структур показывают весьма приличные характеристики, уже сравнимые с уровнем LED-технологии 2005— 2006 гг. Компания Eastman Kodak продемонстрировала образцы белых OLED-светодиодов с эффективностью 62 лм/Вт при напряжении питания 3 В и плотности тока 5 мА/см2. Корпорация Universal Display (UDC) представила панель размером 5×5 см с эффективностью 68 лм/Вт с заявленным временем жизни около 10 тыс. ч. General Electric (GE) и Konica Minolta (KM) заявили о светильнике на основе гибкого OLED-светодиода с эффективностью 56 лм/Вт, а также о планах запуска линии roll-to-roll для производства первых устройств в 2011 г. Компания UDC заявила о достижении рекордной эффективности в 102 лм/Вт при яркости 1000 кд/ м2 для фосфоресцентной OLED-структуры белого цвета свечения, а также о создании панели размером 15×15 см с эффективностью 50 лм/Вт при яркости 1000 кд/м2 и снижении яркости на 30% за 10 тыс. ч. По завершению европейского проекта OLLA (октябрь 2004 г. — июнь 2008 г.), представляющего консорциум из ведущих университетов исследовательских центров и промышленных компаний, также была достигнута эффективность в 50 лм/Вт при яркости 1000 кд/м2 панели размером 15×15 см, а лучший результат представила компания Novaled, продемонстрировавшая образец с эффективностью 85 лм/Вт при площади 0,2 см2. В России одним из ведущих центров по разработке OLEDустройств является ОАО «ЦНИИ «Циклон», которое работает в сотрудничестве с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Институтом проблем химической физики РАН и Центром фотохимии РАН. Объединением были достигнуты уровни эффективности в 15 и 35 лм/Вт для OLED-структур белого и зеленого цвета свечения площадью 1 см2, получены образцы размером 30×50 мм белого цвета свечения, отработана технология нанесения топологического рисунка.

применение источников света ПРОГРАММЫ РАЗВИТИЯ OLEDТЕХНОЛОГИИ Основными целями программ развития OLED-технологии США, Евросоюза и России является повышение эффективности устройств при снижении себестоимости. В Европе по завершению проекта OLLA стартовал проект OLED100.EU, который также объединяет ведущие европейские университеты, исследовательские центры и объединения при поддержке крупных промышленных компаний. Проект стартовал в сентябре 2008 г. и рассчитан на 3 года. В его задачи входит разработка OLED-панелей размером 100×100 см с эффективностью 100 лм/Вт, себестоимостью 100 евро/м2 и временем жизни 100 тыс. ч. В США разработана и ежегодно дорабатывается программа US DOE SSL Roadmap, включающая комплексные многолетние планы развития промышленного производства и научноисследовательские работы в области твердотельных источников освещения. Документ предусматривает прогноз для LED- и OLEDтехнологий, относительно других источников света с выходом на уровень световой эффективности в 200 лм/Вт (см. рис. 15). На сновании данных, полученных от различных исследовательских центров, приведена диаграмма развития OLED по годам с экстраполяцией на оптимистический прогноз в 200 лм/Вт и более пессимистичный в 150 лм/Вт (см. рис. 16). На графике рассматриваются данные по образцам с CRI > 85, с классификацией по цветовым температурам согласно требованиям ANSI. Данные для панелей приводятся для образцов с площадью не менее 4 см2 до 2005 г. и не менее 200 см2 после 2005 г., а также светимостью не менее 3000 лм/Вт. В программе DOE SSL Manufacturing Roadmap предусмотрены планы по снижению себестоимости OLED-устройств, произведенных по методам Sheet Processing и Web Processing (см. рис. 17 и табл. 1). Для снижения себестоимости единицы площади OLED-панели потребуется снижение стоимости исходных материалов и затрат на производство, что может

Рис. 15. Прогноз развития LED и OLED, относительно других источников света

Рис. 16. Диаграмма развития OLED

Рис. 17. Планы по снижению себестоимости OLED-панелей Таблица 1. Планы по снижению себестоимости OLED-панелей Показатель Долл./м2 Долл./клм

Листовой процесс 2011 г.

2014/15 гг.

900 90 300 9

Ленточный процесс 2011 г.

2014/15 гг.

995 84 320 8,4

Таблица 2. Оптимистический прогноз до 2020 г. относительно технико-экономических показателей OLED-панелей Показатель Светоотдача панели, лм/Вт Стоимость ОЕМ-панели, долл./клм Стоимость ОЕМ-панели, долл./м2 Срок службы панели, 1000 ч Светимость

2009 45

2010 50 450 1200 5

Нет данных 3000

2012 70 45 270 25 6000

2015 105 9 90

2020 157 6 80 50 10000

Современная светотехника, #3 2010

29

применение источников света обеспечить только серийное производство. Снижение стоимости килолюмена света OLEDпанели должно быть обеспечено как снижением стоимости единицы площади панели, так и увеличением ее светимости (лм/м2). Конечно, для коммерческого применения OLEDпанелей необходима высокая эффективность панели не менее 100 лм/Вт и ресурс не менее 50 тыс. ч при спаде светимости на 30%. Общий оптимистический прогноз до 2020 г. относительно технико-экономических показателей OLED-панелей площадью не менее 200 см2 и с показателем CRI > 85 приведен в таблице 2. При успешном завершении европейского проекта OLED100.EU и выполнении планов US DOE можно уже в 2015 г. ожидать появления на рынке конкурентоспособных светотехнических устройств на основе OLED-панелей. Госкорпорация «Роснанотех» на основе российского и западного опыта разработала программу развития светодиодной отрасли в России, включающую также развитие OLED-индустрии. В документе предусмотрены ключевые достижения технологии

по годам аналогично западным программам, но с учетом отставания российской технологии на 3—5 лет. Конечно, для достижения этих целей необходимо проведение комплексных НИОКР, закупка современного лабораторного и производственного оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящий момент мировой уровень развития OLEDтехнологии давно перешел на стадию коммерциализации. Эти технологии все более уверенно занимают позиции на рынке, о чем свидетельствует пример дисплейных применений. На сегодняшний день практически все выпускаемые mp3-плееры оснащаются малоформатными пассивно-матричными OLEDдисплеями. На рынке появляется все больше мобильных устройств (телефонов, КПК, фотоаппаратов и др.), оснащенных активно-матричными OLEDдисплеями. Очевидно, что OLEDдисплеи постепенно вытесняют ЖК-дисплеи из сектора мобильных устройств за счет лучшего качества при низком энергопотреблении. Это происходит, несмотря на то, что ряд экспертов высказал сомнения относитель-

но широкого распространения OLED-технологии, а некоторые открыто называли ее успех фикцией. Учитывая научные и технологические достижения, колоссальные объемы мирового финансирования, разработку программ развития, принятых на уровне ведущих государств и крупнейших корпораций, не возникает сомнений в успехе OLED-технологии в области освещения. Стоит отметить, что в производстве LED-устройств определенная компания может взять на себя только часть операций в технологическом процессе, например корпусирование кристаллов, купленных в виде пластин, или производство LED-модулей из уже корпусированных светодиодов. При организации OLED-производства необходимо создание завода под ключ с покупкой всей технологической линии производства OLED-панелей, что потребует значительных вложений. Успех российских проектов может быть обеспечен только за счет привлечения финансов бизнесструктур, заинтересованных в организации массового производства, при всесторонней поддержке государства.

Столица переходит на систему интеллектуального освещения

В ближайшие годы Москва перейдет на интеллектуальное освещение

Все наружное освещение столицы «поумнеет» в течение ближайших нескольких лет. На систему «Умный свет» переведут не только обыкновенные уличные фонари, но и системы художественной подсветки московских зданий.

30

www.lightingmedia.ru

Предполагается использование системы, которая корректирует уровень освещения в зависимости от внешних факторов. Эта система будет не только включать освещение при наступлении темноты, но и делать поправку

на свет от рекламы, витрин и подсветки зданий. Александр Киреев, главный инженер ГУП «Моссвет», отметил, что установки «умного света» будут в автоматическом режиме изменять световой поток, учитывая помимо освещенности объектов еще и ситуацию по дорожному движению, и интенсивность движения пешеходов. «Чтобы полностью перевести Москву на эту систему, потребуется несколько лет. Уже сейчас при проведении капитального ремонта в местах общего пользования устанавливают не просто энергосберегающие, а «умные» осветительные приборы. При этом жадничать городские власти не намерены» — добавил Александр.

beta.tvc.ru/

применение источников света

Эстетическое восприятие OLED-освещения Освещение на основе органических светодиодов (OLED) — это освещение будущего, предоставляющее огромное разнообразие возможностей. Форма, размер, цвет освещения, дизайн светильника — все эти параметры можно варьировать и подбирать по вкусу. Статья является авторизованным переводом[1].

Н

На сегодняшний день OLEDосвещение еще не достигло коммерческого масштаба, находится в стадии разработки и относится к технологиям будущего. Однако этот сегмент все больше интересует потребителей и имеет большой потенциал. Это принципиально новый тип источника света, который, в первую очередь, отличается от существующих распределенной геометрией. Именно поэтому сейчас все чаще запускаются различные проекты, такие как Oled100.eu, призванные продемонстрировать возможности OLED-технологии и дать толчок ее развитию.

ТЕХНОЛОГИЯ OLED Органические светодиоды приходят на смену классическим источникам света (ИС) с большой рабочей площадью. Для развития технологии важно убедиться, что она будет востребована на рынке. Новые светильники должны совпадать по форме и размеру с существующими, чтобы заменить их с минимальными затратами. Кроме того, необходимо учитывать пожелания потребителей — светильники на основе органических светодиодов должны быть эстетически привлекательны и обеспечивать оптимальные характеристики света. Органические светодиоды испускают рассеянный неслепящий свет с высоким индексом цветопередачи. В отличие от всех других ламп, за исключением люминесцентных, они светят равномерно, то есть имеют низкую габаритную яркость. ИС на основе

OLED — тонкие и плоские — могут быть на подложках практически любой формы. К тому же, они включаются мгновенно и потребляют мало энергии, что выгодно отличает их от остальных источников света. Технически довольно сложно изготовить OLED-светильник с очень большой площадью, поэтому на практике светящиеся поверхности выкладываются из светодиодных ячеек, подобно мозаике. За счет различной формы ячеек можно создавать оригинальные рисунки, декорируя интерьер помещения (см. рис. 1). Принцип действия и механизм излучения органического светодиода аналогичны принципу действия и механизму излучения других типов светодиодов. Как показано на рисунке 2, органический светодиод состоит из следующих элементов: – подложки (пластиковой, стеклянной, фольги); – катода; – многослойной органической электролюминесцентной структуры; – прозрачного анода. В качестве материала анода обычно используется оксид индия-олова (ITO), в качестве катода — металлы, такие как алюминий и кальций, а в качестве светоизлучающих материалов — низкомолекулярные органические вещества или полимеры. Благодаря плоской поверхности, органические светодиоды как никакой другой источник све-

та определяют интерьер помещения в целом. Это одновременно и осветительный и дизайнерский элемент.

ПРОЕКТ OLED100.EU Европейское сообщество продолжает инвестировать в развитие органических светодиодов. Проект OLED100.eu — это комплексное исследование, в котором участвуют эксперты из ведущих производственных и учебных организаций, работающих над технологией OLED в Европе. Целью проекта является разработка светильников на основе органических светодиодов со следующими характеристиками: – высокая эффективность (100 лм/Вт); – длительный срок службы (100 000 часов); – большая рабочая поверхность (100x100 см2); – низкая стоимость производства (100 евро/м2). В рамках проекта проводится анализ архитектурного и эстетического восприятия освещения, цель которого — выявить наиболее комфортные параметры освещения в жилых и рабочих помещениях. Оценивались четыре критерия: форма и размер ячеек, цветовая температура и тип поверхности светильника. По каждому параметру участникам было предложено выбрать один вариант, который им наиболее предпочтителен. Более подробно о проекте можно узнать в интернете на странице www.oled100.eu.

Екатерина Самкова, samkova@ecomp.ru Технический консультант «ИД Электроника». Получила квалификацию «инженер-физик» по специальности «Электроника и автоматика физических установок» в МИФИ. С 2007 г. занимается переводом и подготовкой научных статей по электронике. Является постоянным автором-переводчиком для журналов «Современная светотехника», «Электронные компоненты» и «Встраиваемые системы».

Современная светотехника, #3 2010

31

применение источников света

Рис. 1. Один из вариантов нестандартного рисунка, выложенного OLED-ячейками

Рис. 2. Структура органического светодиода

ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В опросе участвовал 61 человек, возраст респондентов — от 19 до 55 лет. Для большей объективности среди участников было практически одинаковое количество мужчин и женщин, про-

фессионалов в сфере освещения и людей, работающих в других областях, в возрасте до 27 лет и старше. Каждая серия испытаний состояла из двух частей (офисное и жилое помещение). Респондентам показывали 4 модели освеще-

Рис. 3. Выбор оптимального размера светящейся ячейки для жилого помещения (серия Е)

32

www.lightingmedia.ru

ния, отличающиеся по одному из параметров. Участники должны были выбрать тот вариант, который понравится им больше всего. Данные заносились в анкеты и затем обрабатывались. В первой серии (А и Е) были представлены светящиеся поверхности, выложенные из квадратных ячеек с разным размером стороны (15, 30 или 60 см). В первой и четвертой моделях размер ячеек совпадал, 15×15 см, однако в последнем случае использовались дополнительные светильники для выделения определенного предмета в интерьере или увеличения яркости в рабочей зоне (письменный стол и пр.). Во всех моделях цветовая температура составляла 4000 K. В серии А рассматривалась комната офисного типа, в серии Е — жилого (см. рис. 3). Ячейки из органических светодиодов изготавливаются в форме квадратов, прямоугольников, ромбов, треугольников, кругов и шестиугольников. Сочетая одинаковые или различные формы, можно получить довольно оригинальный рисунок (см. рис. 1). Во второй серии (C и G) производилась оценка рисунка светящейся поверхности (квадраты, соты и

применение источников света декоративная). В четвертой модели потолок был выложен квадратными ячейками, как и в первой, но с белыми рамками, между ячейками. Длина грани во всех моделях составляла 15 см. Цветовая температура 4000 К. В серии С представлена комната офисного типа (см. рис. 4), в серии G — жилого. Органические светодиоды могут иметь либо зеркальную поверхность, либо матовую белую. Рассеивающая белая поверхность получается за счет добавления внешних световых структур, которые увеличивают светоотдачу светильника. С точки зрения эстетики эти две поверхности во включенном состоянии не различаются, однако в светлое время суток, когда лампы выключены, они могут существенно повлиять на восприятие помещения. В сериях D (для офиса) и H (для жилого помещения) были представлены следующие четыре модели освещения: квадратные ячейки размером 60×60 см с рассеивающей поверхностью, квадратные ячейки со стороной 15 см с белой и зеркальной поверхностью, квадратные ячейки размером 15×15 см с белой рамкой. Следует заметить, что в данной серии испытаний создать реа-

листичную модель светильника с рассеивающей поверхностью оказалось затруднительно, поскольку внешняя поверхность оргстекла оставалась блестящей. С другой стороны, ячейки с зеркальной поверхностью, отражали края рамки дважды, поскольку между рамкой и поверхностью светильника был зазор. Оба этих эффекта усиливались, если смотреть под углом. В связи с этим респондентов просили оценивать вид потолка не в целом, а только в перпендикулярном направлении. Поскольку нельзя сказать, все ли опрошенные следовали инструкции, результаты данной серии нельзя считать надежными. Последний раздел опроса был посвящен цветовой температуре. В освещении используются различные цветовые температуры в зависимости от применения. От нее зависит не только удобство для человека, но и его самочувствие и трудоспособность. На сегодняшнем уровне развития органических светодиодов они имеют наилучшие характеристики на низких цветовых температурах в отличие от неорганических светодиодов. В соответствующей серии испытаний (B и F) целью было опре-

делить, какая цветовая температура наиболее предпочтительна для офисных и жилых помещений соответственно. Кроме того, организаторов интересовало, будет ли эта оптимальная температура согласовываться с возможностями органических светодиодов. Для анализа были выбраны три температуры: 3000 К, 4000 К и 6500 К. Разные цветовые температуры были получены за счет использования дополнительных люминесцентных ламп с более высокой (модель 3) или низкой (модель 1) цветовой температурой. В моделях 2 и 4 цветовая температура равна 4000 К, как и в других тестах. В модели 4 применялись дополнительные элементы подсветки, чтобы выделить рабочую зону. Во всех четырех моделях светильники имели форму квадратов со стороной 15 см и черной рамкой (см. рис. 5).

РЕЗУЛЬТАТЫ В серии А оценивалось освещение офисного помещения квадратными светильниками со стороной 15, 30 или 60 см. Наиболее подходящими для рабочей обстановки были признаны средние и большие лампы (30×30 см и 60×60 см). Мелкие ячейки

Рис. 4. Выбор оптимальной для рабочей обстановки формы ячеек (серия С)

Современная светотехника, #3 2010

33

применение источников света

Рис. 5. Модели с разной цветовой температурой (серия F)

(15×15 см) получили наименьшее количество голосов, даже при сбалансированном распределении яркости (модель 4). В серии Е с такими же параметрами, что и А, но для жилого помещения, для света яркостью 100 кд/м2 не было выявлено предпочтительного размера светильника. Для более яркого света 300 и 1000 кд/м2 наиболее хорошо вписывались в интерьер светильники размером 30×30 см. В серии С, где размер светильников был одинаков, 15 см, и оценивалась их форма, при низкой яркости (100 кд/м2) большинство респондентов выбрали квадратную форму светильников. Однако при более ярком освещении эта разница стирается. Возможно, оценка ставилась больше за яркость, нежели чем за форму. К удивлению организаторов, в серии G для жилого помещения при любой яркости не было выявлено самой удачной с эстетической точки зрения формы светильника, все смотрятся одинаково. Возможно, в данном случае все поверхности комнаты рассматриваются как декоративный элемент, который может привлекать внимание. С помо-

34

www.lightingmedia.ru

щью светильников не только потолок, но и стены можно заставить «играть». В выключенном состоянии вариант 3 (ячейки 15×15 см с зеркальной поверхностью) оказался самым неудачным — маленькие ячейки в черной рамке явно уступили ячейкам с белой рамкой. С другой стороны, респондентам больше понравились светодиоды с белой поверхностью и черной рамкой, независимо от типа помещения, в котором они установлены. По результатам серии В было выявлено, что для маленьких квадратных светильников цветовая температура воспринималась по-разному. При яркости 300 кд/ м2 наиболее комфортными оказались температуры 3000 и 4000 К, при яркости 1000 кд/м2 4000 К воспринималась гораздо лучше, чем 3000 К или та же температура, 4000 К, но при использовании дополнительных осветительных систем. Во всех случаях температура 6500 К была признана наихудшим вариантом. В серии F самым неудачным был признан вариант 6500 К, а 3000 и 4000 К принимались одинаково хорошо. Таким образом,

для жилых помещений диапазон комфортных температур расширен по сравнению с офисными от нейтрального до нейтрального и теплого белого.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В анализе проводилась оценка эстетического восприятия моделей освещения OLEDсветильниками в рабочем и жилом помещении. Были представлены светодиодные ячейки различной формы и размера. Кроме того, в исследование были включены светильники с органическим стеклом и задней подсветкой из люминесцентных ламп. Результаты исследования сведены в таблице 1. Проанализировав приведенные данные, можно сделать следующие выводы: – Декоративные элементы и ячейки нестандартной формы более уместны в жилых помещениях, в то время как для офисных помещений более значимы размер и форма ячейки.

– Квадратные ячейки со стороной 15 см оказались наименее привлекательны с эстетической точки зрения, хотя с технической точки зрения они имеют преимущества.

применение источников света Табл. 1. Результаты исследования Параметр Размер ячейки Форма ячейки Поверхность светильника Цветовая температура

Офисное помещение Предпочтительны квадратные ячейки со стороной 30 или 60 см, независимо от яркости освещения Квадратная форма ячеек при яркости 100 кд/м2. При более ярком освещении форма светильника значения не имеет Отвергнуты квадратные ячейки со стороной 15 см и зеркальной отражающей поверхностью 6500 К — отвергнута независимо от яркости освещения; 3000 К и 4000 К — предпочтительны при яркости 100 и 300 кд/м2; 4000 К — предпочтительна при яркости 1000 кд/м2

– Предпочтения потребителей касательно формы ячейки и цветовой температуры частично зависят от яркости излучения. В целом, чем выше яркость, тем больше она влияет на восприятие.

– В выключенном состоянии светильники должны быть едва заметны. Рекомендуется использовать нейтральный белый, хотя промоделировать этот вариант оказалось затруднительно.

– Более низкие цветовые температуры благоприятно

Жилое помещение Предпочтительны квадратные ячейки со стороной 30 см, независимо от яркости освещения Нет разницы Отвергнуты квадратные ячейки со стороной 15 см и зеркальной отражающей поверхностью 6500 К — отвергнута независимо от яркости освещения; 3000 К и 4000 К – предпочтительны независимо от яркости освещения

влияют на восприятие интерьера. Большие ячейки оказались эстетически более привлекательными, чем маленькие. При высокой яркости форма ячеек не имеет большого значения, а при средних уровнях декоративные мозаичные рисунки не подошли для офисных помещений, а в жилых — наоборот, получили наибольшее количество голосов. Для офисных помещений наиболее подходит температура

4000 К. Для жилых помещений хорошо были оценены две температуры: теплый белый (3000 К) и нейтральный белый (4000 К). Заметим, что именно на этом диапазоне органические светодиоды имеют самую высокую эффективность.

ЛИТЕРАТУРА Отчет по проекту OLED100.eu «Three aesthetical perception case studies»// www.oled100.eu/receive_report_D52.asp.

Найден способ продления жизни OLED-ов

Сферический нанокристалл с оболочкой (схематическое изображение)

Российские физики из ФИАНа нашли способ продления срока жизни органических светодиодов. С этой целью ученые предлагают примешивать к органической основе OLED-a долгоживущие нанокристаллы на основе халькогенидов кадмия. Эти неорганические люминесцентные точки не только избавят от работы быстро устающие органические хромофоры, но и значительно упростят технологию производства светодиода с нужным спектром излучения. Органические светодиоды имеют несколько преимуществ по сравнению с иными светоизлучающими конструкциями. Во-первых, органическая химия весьма разнообразна, и подбор нужной длины волны излучения обусловливается лишь выбором вещества, во-вторых, для синтеза новых органических веществ не нужны сложные ростовые установки, как для лучевой эпитаксии или прецизионного осаждения. Однако не все так безоблачно. Создание долговечных органических светодиодов из-за малого срока жизни

непосредственно излучающих точек — хромофоров — на сегодняшний день является проблемой. Физики из ФИАНа с помощью химиков из МГУ нашли способ устранения этого существенного недостатка. «Мы предлагаем вместо органических хромофоров вводить неорганические люминесцентные центры — это центры на основе полупроводниковых нанокристаллов. В частности, нанокристаллы на основе халькогенидов кадмия (халькогениды — химические соединения элементов 6-ой группы — кислород, сера, селен, теллур, полоний — таблицы Менделеева с металлами, в данном случае речь идет о соединениях с кадмием) обладают довольно прочными связями, и потому не разрушаются во время эксплуатации. Более того, эти нанокристаллы обладают очень интересной сущностью — с изменением размеров объекта меняется и длина волны люминесценции, и для того, чтобы получить другую длину волны, достаточно лишь поменять размеры одного и того же вещества», — рассказывает один из основных исследователей свойств кадмиевых нанокристаллов, кандидат физ.-мат.наук Сергей Амброзевич. Технология изготовления органических светодиодов с внедренными неорганическими нанокристаллами практически ничем не отличается от технологии в случае чистой органики. С разницей в одно действие — к органическому полупроводнику предварительно примешиваются полупроводниковые нанокристаллы, синтезированные в виде коллоидного раствора (в данном случае командой химиков из МГУ под руководством кандидата хим. наук Романа Васильева). Тогда получается, что проводящей частью получившегося состава является хорошо справляющаяся с этим органика, а

люминесцирующей — долгоживущая неорганическая примесь. Однако для того, чтобы эта примесь люминесцировала, она должна уметь «завлекать» на свою территорию электроны и «дырки», и только после их рекомбинации выделится фотон люминесцентного излучения. Одной из основных областей применения OLED-технологии является создание «органических» дисплеев. Такие дисплеи обладают более привлекательными характеристиками по сравнению с плазменными и жидкокристаллическими. Это и меньшее энергопотребление, и возможность создания гибких дисплеев, и меньшие габариты и т.п., поэтому освоение методик продления срока их жизни — весьма полезное занятие. Меж тем фиановские физики, будучи все-таки приверженцами фундаментальной науки, уверены — кадмиевые квантовые точки интересны не только в составе OLED-а, но и сами по себе. «Оказалось, — комментирует руководитель работы, профессор Алексей Витухновский, — что даже если оградить нашу квантовую точку потенциальным барьером, то есть создать условия для рекомбинации электрона и дырки в центре системы, поверхностные состояния все равно играют определеную роль. Это проявляется при непрерывном облучении системы лазерным излучением, — вместо непрерывной флуоресценции наблюдается мерцающая флуоресценция, так называемый “blinking” — быстрая смена состояний “on”-испускание света и “off ” — отсутствие свечения. Сейчас мы исследуем электронные процессы в квантовых точках с помощью недавно приобретенного уникального прибора — сканирующего конфокального микроскопа».

Современная светотехника, #3 2010

35

применение источников света

Самосогласованная модель люминесцентной лампы. Часть 1. Моделирование электрических характеристик ламп и комплекта «лампа — ПРА» Люминесцентные лампы (ЛЛ) в настоящее время весьма широко используются для промышленного и бытового освещения, поскольку они имеют высокую световую отдачу и самый большой срок службы среди источников освещения. Ртутно-газовый разряд является наиболее перспективным источником жесткого ультрафиолетового излучения, широко используемого в здравоохранении, биосинтезе, системах для водной дезинтоксикации и регенерации промышленных отходов, при катализе в ряде технологических процессов. Широкое использование ЛЛ, естественно, обусловливает весьма значительный интерес исследователей к моделированию ртутногазового разряда.

ВВЕДЕНИЕ

К

К настоящему времени для вычисления оптических и электрокинетических характеристик плазмы положительного столба разряда в смесях ртутных паров с инертными газами разработано много различных моделей. Прежде всего, отметим первые модели, предложенные Кенти [1], Вэймаусом и Биттером [2], Кейлессом [3]. Это т.н. «самосогласованные» модели, т.е. в них все требуемые характеристики (концентрации возбужденных атомов ртути и, соответственно, выход резонансного и видимого излучения; температура и концентрация электронов, их подвижность и т.д.) плазмы положительного столба определяются расчетным путем в зависимости от внешних параметров — давления ртутного пара и инертного газа (часто называемого буферным), величины разрядного тока и радиуса трубки, сорта буферного газа.

36

www.lightingmedia.ru

В дальнейшем разработка моделей шла в двух направлениях. Прежде всего, аналогично указанным выше моделям, в расчетах искомых характеристик плазмы использовался подход, при котором уравнения баланса заряженных частиц, плотностей возбужденных атомов ртути, уравнение баланса энергии электронов и т.д. решались для усредненных (по радиусу трубки) величин. Эти модели получили название 0D-моделей и развивались в работах [4—8]. Расчет оптических и электрокинетических характеристик ртутно-газового разряда с учетом радиального распределения искомых величин (т.н. 1D-

модели) проводился, например, в работах [9—11]. При этом для описания функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) использовались как приближенные аналитические решения кинетического уравнения Больцмана, так и найденные при численном решении данного уравнения в локальном приближении. Наконец, отметим единственную к настоящему моменту модель [12], основанную на численном решении кинетического уравнения Больцмана с учетом пространственных градиентов, когда при относительно небольших давлениях буферного газа функция распределения электронов уже не является «локальной».

Мальков Михаил Анатольевич Кандидат физико-математических наук. Окончил физический факультет и аспирантуру МГУ им. М.В. Ломоносова. Основная область интересов — зондовая диагностика и моделирование газового разряда. МГУ им. Н.П.Огарева, Ген.директор ООО «Иннотех» E-mail: michail.malkov@yandex.ru

Каланов Валерий Петрович Инженер-светотехник, кандидат физико-математических наук. Окончил аспирантуру физического факультета ЛГУ. Основная область интересов — оптическая и зондовая диагностика газового разряда. МГУ им. Н.П.Огарева, старший преподаватель. Эксперт-консультант ГУП РМ «НИИИС им. А.Н.Лодыгина» E-mail: kalan592@rambler.ru

Малахов Алексей Дмитриевич Инженер-светотехник, Окончил кафедру светотехники ГОУВПО МЭИ (ТУ) по направлению источники света и ПРА. Основная область интересов — разработка осветительных установок специального назначения. Руководитель проектной группы ООО «ПРОСОФТ ТРЕЙДИНГ»

применение источников света В то же время, несмотря на довольно большое количество известных различных моделей ртутно-газового разряда, к настоящему моменту фактически не существует модели собственно люминесцентной лампы, способной с хорошей (инженерной) точностью описать как электрокинетические (электрические), так и оптические характеристики (определяемые в основном мощностями резонансного излучения 254 и 185 нм) таких ламп. Между тем, необходимость разработки такой модели диктуется не только потребностью собственно светотехнической промышленности, но и потребностью энергокомпаний, осуществляющих электропитание крупных промышленных и социальных объектов, где велико количество люминесцентных ламп. Заметим, что к данному моменту известна попытка разработки такой модели фирмой Philips [13]. За основу модели ЛЛ взята модель ртутно-газового разряда, упомянутая выше [4], которая в целом неплохо согласуется с экспериментом. Тем не менее следует напомнить, что эта модель основана на предположении, что ФРЭЭ является максвелловской во всем диапазоне энергий. Однако в настоящее время можно считать практически установленным, что функция распределения электронов по энергиям в ртутногазовом разряде мало отличается от максвелловской лишь до энергии ε1 = 4,7 эВ (потенциал возбуждения низшего метастабильного уровня атома ртути 6 3Р0). При больших же энергиях ФРЭЭ значительно обеднена быстрыми электронами вследствие неупругих столкновений с атомами ртути. Это показывают многочисленные экспериментальные и теоретические работы. К тому же рассматривается лишь возбуждение триплета 63P 0,1,2 атомов ртути, что не позволяет рассчитывать ни мощности излучения видимых линий, ни мощности излучения линии 185 нм. В отсутствие самосогласованных моделей известные модели ламп аппроксимировали их как зависимый от мощности линейный резистор или просто рези-

стор с кубической вольтамперной характеристикой [14—16]. Такие модели требуют эмпирического набора данных, полученных при измерениях параметров лампы. В заключение отметим самосогласованную динамическую модель электропроводности люминесцентной лампы, представленную в [17] и основанную на решении лишь уравнения баланса заряженных частиц. Работа [17] фактически показала необходимость рассмотрения полной системы уравнений, описывающих микрохарактеристики разряда. При учете лишь одного уравнения баланса заряженных частиц данная модель, в противоположность эксперименту, показывает, что при питании лампы током высокой частоты сопротивление не зависит от времени. В данной работе для создания модели люминесцентной лампы будет взята модель Hg-Ar разряда, описанная в [8].

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ Напомним кратко основные детали модели [8]. Функция распределения электронов по энергиям является максвелловской вплоть до энергий ε1 = 4,7 эВ (потенциал возбуждения низшего метастабильного уровня атома ртути 63Р0). При больших энергиях она обеднена быстрыми электронами и описывается в указанных диапазонах энергий выражениями

(1)

В (1) величины a, b, jз зависят как от внутренних параметров плазмы, так и от внешних и описаны в [18]. Такой вид функции распределения электронов по энергиям был получен в [18] расчетным путем на основе решения кинетического уравнения Больцмана. Подчеркнем, что экспериментальная проверка [19] показала, что расчетная ФРЭЭ (1) вполне удовлетворительно (в пределах 20—30%) совпадает с измеренной экспе-

риментально в широком диапазоне условий ртутно-газового разряда. Хотя говорить о температуре электронов в случае немаксвелловской функции электронов нельзя, тем не менее мы будем использовать понятие температуры, подразумевая под этим наклон функции распределения в области малых (ε < 4,7 эВ) энергий электронов. Подвижность электронов определяется не только упругими столкновениями их с атомами буферного газа, но и столкновениями с атомами ртути. При вычислении подвижности электронов в смеси паров ртути с инертным газом для упрощения расчетов использовалось правило смеси [20]. Для расчета оптических характеристик плазмы столба использовалась упрощенная семиуровневая схема энергетических переходов атома ртути — учитывались уровни триплета 6 3P 0,1,2 , резонансный уровень 61P1, уровни 71S0, 7 3S1. Уровни триплета 63D1,2,3 расщеплены весьма незначительно, поэтому он рассматривался как один обобщенный уровень с заселенностями отдельных компонентов согласно их статвесам. Расчетная модель позволяет, таким образом, определять как выход резонансного излучения (254 нм, 185 нм), так и выход излучения наиболее значимых видимых линий. Для расчета заселенности какого-либо уровня в модели учитывались следующие процессы с участием электронов: а) прямого возбуждения данного уровня к из основного состояния атома ртути и обратный процесс девозбуждения уровня электронным ударом (удары второго рода); б) ступенчатого и каскадного заселения данного уровня со всех нижележащих и, соответственно, вышележащих рассматриваемых уровней и обратные им процессы; в) расселения данного уровня при ступенчатой ионизации. Отметим, что при таком подходе учитывается перемешивание близко лежащих уровней триплета 63 Р0,1,2. Основные уравнения баланса энергии электронов, заряженных частиц и концентрации возбуж-

Современная светотехника, #3 2010

37

применение источников света денных атомов ртути записывались в виде:

(2)

Эта система нелинейных дифференциальных уравнений дополнена уравнением связи I = enμeES тока I через лампу с микрохарактеристиками плазмы и внешними параметрами, где nе — усредненная по радиусу концентрация электронов; S — площадь сечения газоразрядной трубки, Е — электрическое поле. В уравнениях (2) РЕ — мощность, затрачиваемая на нагрев электронов электрическим полем; Руп — мощность потерь энергии на упругие столкновения; Рст — мощность потерь энергии при уходе электронов на стенку трубки; Рвоз, Рион — мощности потерь энергии при возбуждении и ионизации атомов ртути из основного, возбужденных состояний и атомов буферного газа из основного и метастабильного состояний;

— скорость ионизации атомов ртути из основного, возбужденных состояний и атомов буферного газа из основного и метастабильного состояний, и — соответственно, скорости возбуждения и девозбуждения уровня a, Zchem — скорость хемоионизации в процессе Hg(63P2) + Hg(63P2)→ →Hg+ + Hg + е , τα — эффективные времена жизни атомов в возбужденных состояниях (для метастабильных уровней τα определяется диффузионным временем жизни атомов в объеме трубки; для резонансно возбужденных атомов эффективное время жизни τα определяется по Холстейну с учетом допплеровского уширения линий и изотопного состава природной ртути [21]). Эти уравнения, как уже говорилось, достаточно подробно, за исключением члена ,

38

www.lightingmedia.ru

описаны в [8]. Данное слагаемое в уравнении баланса заряженных частиц отвечает за гибель электронов в объеме трубки в процессе рекомбинации при тройных столкновениях с участием электрона — е +е +Hg+ → e + Hg. Время жизни электрона относительно процесса рекомбинации дается соотношением [20]

(концентрация электронов измеряется в 1011 см–3, температура — в эВ). Как показывают оценки, в паузах тока, когда электронный газ остывает до температур 0,1 эВ, электроны гибнут в основном за счет рекомбинации в объеме трубки.

МОДЕЛЬ ПАКЕТА ЛЛИНДУКТИВНЫЙ БАЛЛАСТ Для создания замкнутой модели расчета характеристик люминесцентной лампы необходимо учесть также приэлектродные области. При этом наиболее важным является учет катодного падения потенциала. Действительно, если прианодное падение потенциала составляет по порядку величины несколько электронных температур [21], т.е. в рассматриваемых условиях 4. . .6 В, то катодное падение потенциала может составлять 10 В и более. В настоящей работе для приближенной оценки зависимости анодно-катодного падения потенциала от параметров плазмы использовалось следующее выражение [22]: (3)

где i = i(t) — мгновенное значение тока, которое измеряется в сотнях миллиампер; Те — температура электронов, эВ; ne — усредненная концентрация электронов, единицы 1011 см–3; R –радиус разрядной трубки, см; рб.г. — давление буферного газа, единицы Тор; А(f) — коэффициент, который учитывает уменьшение аноднокатодного падения напряжения по мере увеличения частоты f питающего тока. По данным различных измерений, при увеличении частоты от 50 Гц до 103 Гц уменьшение этого напряжения может составлять 5...7 В, поэтому дан-

ный коэффициент записывался в виде А(f) = 0,6 + 0,55/(1 + 0,006f). Если в модели [8] расчета характеристик положительного столба разряда в уравнении связи ток через трубку является, по сути, внешним параметром, то при описании всего разряда, стабилизируемого некоторым балластным сопротивлением, ток должен вычисляться по заданным параметрам сети питания и балластной нагрузки. В наиболее распространенном случае использования в качестве нагрузки индуктивного балласта уравнением связи будет являться соотношение (4)

где i(t) — зависимость тока от времени; Uc(t) — напряжение, приложенное к комплекту «лампа — балласт»; L — индуктивность балласта; R — его активное сопротивление; Uл(t) — падение напряжение на лампе. В свою очередь, падение напряжения на лампе есть (5) где E(t)— падение напряжения на положительном столбе длиной l; Rki(t) — омическое падение напряжения на электродах лампы (омическое сопротивление электродов Rk может достигать 10 Ом и более [21]). Анодно-катодные потери оцениваются для такой лампы в 5,6–6 Вт, потери на электродах, обусловленные омическим нагревом, в 1,5 Вт [21]. Таким образом, Rc составляет примерно 8 Ом. Температура холодной точки в рабочем режиме лампы оценивалась согласно формуле [21] (6) где Ps — удельная мощность положительного столба (мощность на 1 см столба); D — внешний диаметр разрядной трубки; t0 — температура окружающего воздуха. Вероятно, температуру холодной точки tх.т, найденной согласно (7), можно считать известной с точностью до 1—2°. Таким образом, для определения электрических и оптических характеристик ламп при питании разряда от сети переменного тока частотой f дифференциальные

применение источников света уравнения (3) совместно с дифференциальным уравнением (5) численно интегрировались по времени при задании напряжения сети Uc(t) в виде (UD — действующее значение напряжения). Прежде чем перейти к описанию результатов моделирования работы люминесцентных ламп, отметим, что проводились расчеты как электрокинетических и оптических характеристик собственно ламп (с аргоновым и аргоно-криптоновым наполнением), так и электрических характеристик комплекта «лампа — ПРА». Напомним, что сравнение [23] расчетных оптических и электрокинетических характеристик плазмы Hg-Ar разряда постоянного тока с имеющимися экспериментальными данными показывает их весьма удовлетворительное согласие. В реальных же режимах работы люминесцентных ламп ток, концентрация электронов и их температура значительно изменяются во времени. Например, при работе ламп на частоте 50 Гц концентрация электронов и их температура могут быть как много меньше, так и больше средних за период. В первой части этой работы мы проведем сравнение различных расчетных электрических характеристик комплекта «лампа — ПРА» и ламп с имеющимися экспериментальными данными. Результаты моделирования временных зависимостей температуры и концентрации электронов, а также выхода резонансного излучения линии λ= 254 нм в люминесцентной лампе в сети промышленного тока 50 Гц будут приведены во второй части работы.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП В СЕТИ ПРОМЫШЛЕННОГО ТОКА Измерение различных электрических характеристик комплекта «лампа — индуктивный балласт» при изменении напряжения питания проводилось в [24]. В частности, для энергоэкономичной (58 Вт) лампы были измерены ток нагрузки, полная мощность комплекта, а также такие важные параметры сети питания как коэффициент мощности комплекта «лампа–ПРА» и коэффициент искажений синусоидального тока в зависимости от напряжения сети.

Рис. 1. Активная мощность комплекта в зависимости от напряжения сети: – расчет, – эксперимент [24]

Рис. 2. Ток комплекта в зависимости от напряжения сети: – расчет, – эксперимент [23]

Рис. 3. Коэффициент мощности комплекта в зависимости от напряжения сети: – расчет, – эксперимент [24]

Рис. 4. Коэффициент искажений тока комплекта в зависимости от напряжения сети: – расчет, – эксперимент [24]

Современная светотехника, #3 2010

39

применение источников света Коэффициент искажений тока (ATHD) определен согласно (7)

а)

б)

Рис. 5. Экспериментальные и расчетные данные [13] для временных зависимостей тока и напряжения для 26-Вт лампы PLC26W

а)

б)

Рис. 6. Расчетные временные зависимости тока (а) и напряжения (б) для 26-Вт лампы PLC26W

Рис. 7. Вольтамперные характеристики лампы FLR40S-D/M/36, L = 1 Гн [17]

Рис. 8. Вольтамперные характеристики лампы FLR40S-D/M/36, рассчитанные для = 0 (а) и = 0,05 1/A (б)

40

www.lightingmedia.ru

где Ik представляют значение k-й гармонической составляющей тока. Влияние величины напряжения питания на эти электрические характеристики пакета (измеренные и расчетные) показано на рисунках 1—4. Как показывают рисунки 1—3, эксперимент и расчет совпадают довольно хорошо, в то время как для коэффициента гармоник тока (см. рис. 4) такое совпадение наблюдается только для малых напряжений питания. По мере роста напряжения питания вычисления дают меньшие по сравнению экспериментом значения. Например, для напряжения сети питания 236 В расчетное значение меньше приблизительно на 30%. Это обусловлено, наиболее вероятно, существенно возрастающей нелинейностью дросселя по мере увеличения тока нагрузки. Обратимся к рисунку 5, где представлены экспериментальные и расчетные временные зависимости тока и напряжения [13] для лампы PLC26W. Отметим, что расчет согласно модели [13] дает довольно хорошее согласие для величины тока разряда, в то время как величины напряжения лампы приблизительно на 15% меньше, чем экспериментальные. Отметим, что, как показывает эксперимент [21], в люминесцентных лампах в ряде режимов работы наблюдаются анодные колебания с частотой несколько кГц и амплитудой до 5...10 В. Для приблизительного учета этого явления в данной работе при моделировании работы этой лампы в (5) добавлялось слагаемое вида Vа sin(2πfа t). Расчетные временные зависимости тока и напряжения для данной лампы при выборе амплитуды колебаний Vа =5 В и частоте fа = 3 кГц представлены на рисунке 6. Сравнение расчетных данных с экспериментом показывает их хорошее согласие. Следует отметить, что введение дополнительного напряжения анодных колебаний фактически не изменяет тока разряда вследствие большой индуктивной нагрузки балласта (L = 1,98 Гн) для тока такой

применение источников света частоты. Отметим, что расчетные значения номинальной мощности лампы есть 25,3 Вт, а тока и напряжения — 0,29 А и 111 В. Перейдем к сопоставлению наших модельных расчетов с экспериментом [17]. Напомним, что для 40-Вт (Toshiba FLR40S-D/M/36) лампы в сети с индуктивным балластом (L = 1 Гн) были измерены вольтамперные характеристики, показанные на рисунке 7. Чтобы определить применимость модели [17] в низкочастотном режиме, такие зависимости измерялись для этой лампы при промышленной частоте 50 Гц с использованием индуктивного балласта. Сравнение расчетного (по модели [17]) тока и экспериментального результата (см. рис. 10) показывает значительную разность их пиковых величин. Действительно, экспериментально измеренная величина пикового значения тока составляет приблизительно 1,2 А, в то время как расчетное значение — около 0,9 A. Отметим, что для линейной индуктивности в такой сети (Uc = 240 В) столь большое значение тока не может быть достигнуто — даже в отсутствие лампы и иного активного сопротивления пиковое значение тока есть

Это различие между расчетными [17] и экспериментальными данными можно объяснить нелинейностью индуктивности. Простейшее описание нелинейности индуктивности, не принимающей во внимание гистерезисных потерь, может быть выполнено как L(I) = Lexp(–α I(t)). Действительно, простейший учет насыщения магнитного потока F(I) в сердечнике дросселя с ростом тока (т.е. отклонение магнитного потока от линейной зависимости) может быть записано как F(I) ~ (1 — exp(– α I)). В случае малых α I, как обычно, поток пропорционален току: F(I) ~ α I. Для произвольного α I для индуктивности можно получить L(I) = Lexp(α I(t)). На рисунке 8 представлены результаты моделирования работы данной лампы (FLR40SD/M/36) для случаев линейной и нелинейной индуктивности. Как видно из рисунка, при вы-

Рис. 9. Измеренные [17] и расчетные величины напряжения ( – расчет, – эксперимент) и мощности лампы ( – расчет, – эксперимент) в зависимости от частоты питания

а)

б) Рис. 10. Вольтамперные характеристики лампы FLR40S: a) при различных частотах (20, 30 и 40 кГц) и мощностях [17]; б) — моделирование для частоты 20 кГц, I = 0,39 A

боре величины α = 0,05 1/A наблюдается вполне удовлетворительное согласие расчета и эксперимента.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКО ЧАСТОТНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП Обратимся к моделированию высокочастотного разряда. На рисунке 9 представлены рассчитанные в данной работе и измеренные в [17] изменения действующего напряже-

ния и усредненной мощности для 40-Вт лампы при различных токах и частотах. Моделирование было проведено для синусоидального тока с амплитудой, которая бралась из [17] для каждого значения частоты. Как видно из рисунка, предсказываемые моделью величины напряжения и мощности лампы весьма близки к измеренным. Напомним, что, как уже говорилось выше, самосогласованная

Современная светотехника, #3 2010

41

применение источников света динамическая модель электропроводности люминесцентной лампы, представленная в [17], основана на решении уравнения баланса заряженных частиц. Важность работы [17] состоит в том, что она фактически показала необходимость рассмотрения полной системы уравнений, описывающих микрохарактеристики разряда. При учете лишь одного уравнения баланса заряженных частиц модель [17], в противоположность эксперименту, показывает, что при питании лампы током высокой частоты сопротивление не зависит от времени. Очевидно, что для не зависящей от времени электропроводности (сопротивления) напряжение на лампе должно быть прямо пропорциональным току, то есть ВАХ выглядит как прямая линия. В то же время эксперимент показывает, что для всех частот наблюдается существенная нелинейность ВАХ (см. рис. 10а). Рисунок 10б показывает смоделированные нами для частоты 20 кГц ВАХ 40-Вт лампы. Расчет проводился для величины действующего значения тока 0,39 А, измеренного для данных условий [17]. Как можно видеть, общий вид смоделированной ВАХ хорошо совпадает с измеренной экспериментально. Отметим лишь, что пиковое значение смоделированного напряжения (~163 В) немного меньше экспериментального (~173 В). Это частично может

быть обусловлено как погрешностью модели, так и выбором при моделировании синусоидальной формы тока (форма измеренного тока [17] несколько отличается от синусоидальной). Существенная нелинейность ВАХ наблюдается даже для более высоких частот. Так, наше моделирование и измерения [13] вольтамперной характеристики 36-Вт лампы (TLD 36 W) для частоты 97 кГц показывают, что ВАХ также значительно отличается от прямой линии. Таким образом, разработанная модель люминесцентной лампы позволяет достаточно точно описывать различные электрические характеристики как ламп, так и комплектов «лампа — ПРА». Такая модель позволит проводить комплексное компьютерное моделирование работы любой новой системы питания ЛЛ, в т.ч. с электронным балластом. Такое моделирование позволит вычислять как световые, так и электрические параметры комплекта «люминесцентная лампа — балласт». ЛИТЕРАТУРА 1. Kenty C. J. Appl. Phys. V.21. P. 1309. 1950.

2. Waymouth J.F., Bitter F. J. Appl. Phys. V. 27. P. 122. 1956.

3. Cayless M.A. Proc. of V ICPIG. Munich. 1962.

Br. J. Appl. Phys. 14. P. 863. 1963.

4. Polman J., Werf J.E., Drop P. J. J. Phys. D.: Appl.

Phys. V.15. N 2. p. 6. 1972.

5. Калязин Ю.Ф., Медина Н.И., Миленин В.М., Тимофеев Н.А. ЖТФ. Т. 51. С. 1607. 1981.

6. Lama W.L., Gallo C.F., Hammond C.F., Walsh P.C. Appl. Optics. V. 21. No.10. P. 1801. 1982.

7. Winkler R.B., Wilhelm J., Winkler R. Ann. Phys.

V. 40. P. 90. 1983.

8. Литвинов В.С., Мальков М.А. и т.д. Светотехника. № 11. C. 12. 1986.

9. Dakin J.T. J. Appl. Phys. V. 60. P. 563. 1986.

10. Zissis G. P. Benetruy P., Bernat I. Phys. Rev A. V. 45. P. 1135. 1992.

11. Lister G.G., Coe S.E. Comp. Phys.

Communications. V. 75. P. 160. 1993.

12. Petrov G.M., Giuliani J.L. J. Appl. Phys. P. 62 (2003).

13. Vos T., Ligthart F., etc. Proc. 8th Int. Sympos. on the Science and Technology of Light Sources. 1998. P. 288.

14. Sun M. and Hesterman B.L. IEEE Trans. Power Electron. V. 13. No. 2. P. 272. 1998.

15. Wu T.F., Hung J.C. and Yu T.H. IEEE Trans. Ind. Electron. V. 44. No. 3. P. 428. 1997.

16. Glozman S. and Ben-Yaakov S. IEEE Trans.

Ind. Applicat. V. 37. No. 5. P. 1531. 2001.

17. Loo K.H., Stone D. A., Tozer R.C. and Devonshire R. IEEE Trans. Power Electron. V. 20.

No. 5. P. 1182. 2005.

18. Панасюк Г.Ю. Вестник ЛГУ. Сер. Физика, химия. № 2. С.11. 1983.

19. Миленин В.М., Панасюк Г.Ю. Тимофеев Н.А. Вестник ЛГУ. Сер. Физика, химия. №16. С. 72.

1982.

20. Митчнер М., Кругер С.Г. Частично ионизованные газы. М.; Мир. 1976.

21. Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. M. Энергоатомиздат. 1991.

22. Мальков М.А., Каланов В.П., Николаев В.С. Отчет о научно-исследовательской работе., Морд. гос. унив. Саранск. 1990.

23. Калязин Ю.Ф., Кокинов А.М., Мальков М.А. Светотехника. №3. С. 4. 2005. Калязин Ю.Ф., Кокинов А.М., Мальков М.А. Светотехника. №5. С. 12. 2004.

24. Van den Keybus J., Woyte A., Belmans R. Proc. IEEE 8 th Inter. Conf. On Power Electronics and Variable Speed Drives.

Confer. publ. No.475. London. UK. P. 52.

2000.

Музей осветили OLED-панелями Компания Panasonic Electric Works установила в токийском музее Шиодом освещение нового поколения, которое включает в себя несколько OLED панелей. Новыми светильниками в музее Шиодом (Electric Works Shiodome Museum) осветили установленный на пьедестал бюст французского экспрессиониста Жоржа Роу и временную экспозицию «Hans Coper Retrospective» О технических характеристиках панелей и планах о коммерческих продажах пока не сообщается.

Panasonic осветил музей OLED панелями

42

www.lightingmedia.ru

Источник: http://www.oled-info.com/

применение источников света

Лампы Т8: светодиодные против люминесцентных Маури Райт (Maury Wright), главный технический редактор LEDs Magazine Первые светодиодные лампы, которыми замещали люминесцентные 120-сантиметровые трубки Т8, не были эффективными и не давали достаточно света. Однако технологии не стоят на месте, и качество светодиодов заметно улучшилось.

К

Казалось бы, что может быть проще? Заменить привычные прямые люминесцентные лампы на светодиодные (SSL), сэкономив не только деньги, но и электроэнергию. Светодиоды давно зарекомендовали себя как энергосберегающие источники света с длительным сроком службы. К сожалению, первые светодиодные лампы Т8, пришедшие на замену люминесцентным, не давали достаточно света. Кроме того, в большинстве случаев приходится удалять балласт, что представляет собой известные сложности. Действительно, установка светодиодных ламп T8 кропотлива, однако с развитием светодиодной техники эта проблема будет решена. Испускаемый светодиодами свет станет более ярким, а оптические системы и схемы запуска — оптимальными. Отрицательные отзывы касательно светодиодных трубок T8 появляются регулярно. Так, недавно департамент США по энергетике (DOE — department of energy) провел очередную серию испытаний CALiPER (commercially available LED product evaluation and reporting), которые показали, что светодиодные трубки обладают гораздо более худшими характеристиками, чем люминесцентные. В своем докладе на выставке Lightfair 2010 руководитель программы по освещению DOE Джим Бродрик (Jim Brodrick) отметил следующее: «Нам нужно испытать еще один образец, который будет работать очень хорошо. [По сравнению с люминесцентными лампами] — в два раза меньше света и вдвое худшая эффективность».

Бродрик еженедельно публикует элетронные письма Postings ( w w w. s s l . e n e r g y. g ov / p o s t i n g s . html). Выпуски 16 марта и 16 апреля как раз посвящены переходу на светодиодные лампы Т8. Кроме этого, DOE провел 18 марта веб-трансляцию на данную тему. С записью можно ознакомиться в интернете (www.ssl.energy.gov/ interior-office_webinar.html).

ОГРОМНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЛАМП T8 В своих публикациях Бродрик замечает, что вопрос относительно ламп Т8 интересует широкий круг людей, поскольку «только в одной нашей стране их установлено несколько десятков миллионов». Такая распространенность означает, что более эффективные светодиодные лампы позволят сохранить значительное количество энергии. Кроме того, установленные корпуса для светодиодных ламп на руку предпринимателям, которые всегда стремятся снизить затраты. Очевидно, именно перспективность перехода на светодиодные лампы Т8 заставила некоторых производителей указывать завышенные характеристики своих моделей. В мартовском выпуске

Postings Бродрик высказал следующее: «Характеристики большинства прямых светодиодных ламп Т8, которые проходили испытания в девятой серии CALiPER, не соответствовали указанным. В некоторых случаях производители завышали световой выход лампы вдвое». К сожалению, такое положение дел приведет только к потере доверия потребителей, даже если в ближайшем будущем появятся действительно качественные и эффективные лампы. Отчеты по испытаниям CALiPER находятся в свободном доступе. Недавно департамент США по энергетике выпустил сводный документ с результатами всех последних испытаний и комментариями к ним (www.ssl.energy.gov/ factsheets.html). Рассмотрим рисунок 1. На графике видно, что уровень светового выхода 12 протестированных светодиодных трубок сильно отстает от типичных значений для люминесцентных ламп. Это еще раз подтверждает сказанное Бродриком. В документе [2] сравнивается световой выход и эффективность как самих светодиодных и люминесцентных трубок, так и установленных в корпус. Келли

Рис. 1. Световой выход протестированных светодиодных ламп

Современная светотехника, #3 2010

43

применение источников света Гордон, руководитель программ департамента США по энергетике, описал метод, с помощью которого в национальной лаборатории на северо-западе США определялся световой выход трубок, не установленных в корпус: «Они помещаются в фотометрический шар с гониофотометром. Гониофотометр двигается вокруг трубки и измеряет интенсивность света под различными углами». Испытания проводились в соответствии со стандартом LM-79. При определении характеристик установленных в корпус трубок измерения производились для пары ламп в одном светильнике. Усредненный световой выход для светодиодных трубок составил 1563 лм, а для люминесцентных — 4064 лм. Единственный параметр, по которому светодиодные лампы превосходят люминесцентные — это КПД светильника. Он был вычислен на основании измерений светового выхода «голой» трубки и установленной в корпус. КПД светодиодной лампы составил 83%, а люминесцентной — 66%. Направленность светового потока — это несомненное преимущество светодиодных ламп. Тем не менее, Бродрик считает, что «этого не достаточно, чтобы компенсировать их слабый световой выход». Более яркие люминесцентные лампы создают серьезную конкуренцию светодиодным, особенно в экономическом плане. Светодиодные трубки, проходившие испытания, стоят от 50 до 150 долл., в то время как цена люминесцентных аналогов составляет около 3 долл. Светодиодные лампы потребляют вдвое меньше энергии, около 20 Вт. Однако если сравнивать по эффективности, то значительного выигрыша нет. Некоторые производители светодиодных ламп утверждают, что трубки способны прослужить 50 тыс. часов, а срок службы люминесцентных ламп составляет 24—36 тыс. часов.

МОДИФИКАЦИЯ КОРПУСА С переходом на светодиодную технологию связаны и другие проблемы. Дело в том, что светодиодные лампы не абсолютно совместимы с люминесцентными, как например, КФЛ и лампы накаливания — они вставляются в один и тот же патрон. Все про-

44

www.lightingmedia.ru

тестированные светодиодные трубки подключаются к сети напрямую, поэтому из корпуса для люминесцентных ламп необходимо удалить балласт. Процесс подключения сложен по двум причинам. Во-первых, он требует затрат, поскольку перемонтаж проводов должен производиться специалистом. Во-вторых, модифицированный корпус в общем случае не соответствует требованиям безопасности. На выставке Lightfair велись жаркие дебаты по вопросу безопасности модифицированных светильников. Некоторые производители предлагают наклеивать стикеры на модифицированные корпуса, указывающие на то, что корпус был модифицирован и непригоден для люминесцентных ламп. После выставки Джон Дрендженберг, директор отдела безопасности бытовой электроники в лаборатории по технике безопасности (UL — Underwriters Laboratories), дал следующую оценку: «Когда вы модифицируете какое-либо устройство, оно уже не отвечает требованиям по безопасности». Далее, однако, Дрендженберг уточняет, что «мы не запрещаем модифицировать устройства и есть ряд ламп, которые после некоторых переделок становятся совместимыми с существующими светильниками». Часть производителей светодиодных трубок Т8 получили сертификат безопасности на сами трубки, однако для полного соответствия стандарту этого недостаточно. Необходимо предоставить подробную инструкцию по процедуре модификации корпуса, в которой «будет сказано, что и как делать и чего делать не следует». Дрендженберг приветствует использование стикеров, в то время как организация UL не считает их обязательными. Вот что говорит Дрендженберг по этому поводу: «Здесь есть некоторое допущение: человек, меняющий светодиодную лампу, открыв плафон, обязательно должен заметить, что внутри не установлена стандартная люминесцентная колба». На самом деле подключение сетевой линии к контактам трубки не опаснее подключения к ним балласта. Выходное напряжение современных электриче-

ских балластов имеет диапазон 600 В. Аналогичные разногласия относительно модификации корпусов появятся и в других странах. Так, уже пошли слухи, что модифицированные светильники будут запрещены в Европе. Энди Девис, главный менеджер по продукции GE Lighting в Великобритании отметил: «Проблемы перехода на светодиодные лампы Т8, в т.ч. вопрос безопасности, много обсуждались в различных комитетах. Однако в настоящее время нельзя сказать, будут ли эти лампы запрещены. Думаю, что, скорее всего, будет установлен ряд критериев, определяющих минимальные требования по характеристикам и безопасности. Это позволит избавиться от неэффективных и потенциально небезопасных ламп». Девис также заметил, что сомнения в Европе возникли не только из-за безопасности. «Получается ироничная ситуация, когда от люминесцентных ламп на основе фосфата отказались изза низкого индекса цветопередачи и низкой эффективности (по сравнению с лампами на основе три-фосфора), в то время как светодиодные, имеющие не лучшие характеристики, остаются разрешенными».

СВЕТОДИОДНЫЕ ЛАМПЫ С БАЛЛАСТОМ Мы рассмотрели проблемы, возникающие при подключении светодиодных трубок напрямую к сети. Однако существуют лампы, для которых не требуется модификация корпуса. Джон Пепенир, менеджер по маркетингу в компании LEDtronics, замечает, что «светодиоды, подключающиеся через балластную схему, имеют заметно более низкий КПД по энергии, поскольку сам балласт потребляет достаточно много». Лампы производства Ilumisys — единственные среди протестированных подключаются через балласт. Компания предлагает модель MK1, работающую через балласт, и МК2,работающую без него. Вице-президент по технологиям Джек Айвей согласился, что при прочих равных условиях лампа, подключенная через балласт, характеризуется меньшей эффективностью, чем подключенная к сети напрямую. По оценке Айвея,

применение источников света с некоторыми балластными схемами разница будет едва ощутима, а в худшем случае КПД лампы снизится на 20% из-за балласта. Президент компании Ilumisys Дейв Саймон все еще видит потенциал у балластных устройств: «Мы наблюдаем, что люди используют лампы МК1, чтобы оценить качество светодиодных ламп». По мнению Саймона, организациям, рассматривающим возможность модификации корпуса, следует сначала попробовать лампы МК1, даже если впоследствии они всетаки решат удалить балласт. Саймон верит в переход на светодиодные лампы Т8. Компания Ilumisys поставляет продукцию для ряда опытных установок. В некоторых случаях, когда стоимость энергии высока, переход на светодиодные лампы окупается уже через три-четыре года. Саймон уверен, что светодиодная техника будет развиваться, «мы готовы поспорить, что светодиодные лампы слишком рано вошли в игру, со временем они станут более качественными». Он заметил, что когда эффективность светодиодов достигнет 140 лм/Вт, светодиодные лампы превзойдут люминесцентные. Есть еще один, вероятно, самый удачный с технической точки зрения, вариант подключения светодиодных ламп Т8. Источник питания размещается не внутри светодиодной лампы, а отдельно, в виде специального AC/DС преобразователя, который используется вместо балласта. Идея данного подхода заключается в том, что если модифицировать корпус требуется в любом случае, то проще всего сделать это с помощью преобразователя. Данный подход был продемонстрирован на выставке Lightfair. Компания MaxLite представила лампу F32 мощностью 23 Вт, эффективностью 71 лм/Вт и заявленным сроком службы 50 тыс. часов. Среди испытанных департаментом DOE моделей эта имеет лучшую эффективность, если, конечно, предположить, что заявленные производителем характеристики соответствуют действительности. В F32 имеется диффузор, распределяющий световой поток на 360°, благодаря чему лампа светит почти как люминесцентная. С другой стороны, это качество можно

Energy Star против светодиодных трубок В настоящее время светодиодные трубки не включены в стандарт Energy Star на лампы Т8. Стандарт DOE для «встроенных светодиодных ламп» также не распространяется на прямые светодиодные лампы. Американское управление по охране окружающей среды (ЕРА – Environmental Protection Agency) взяло инициативу Energy Star в свои руки. Отвечая на вопрос о стандартизации светодиодных ламп, Алекс Бейкер, руководитель программы ЕРА Energy Star Lighting, отмечает: «Как я понимаю, департамент США по энергетике проанализировал различные типы ламп, подпадающих под этот стандарт. В итоге было вынесено

решение, что прямые светодиодные трубки просто-напросто оказываются экономически неэффективными». Бейкер уточняет, что программа Energy Star фокусируется на тех случаях, когда дополнительные вложения покупателя энергосберегающего продукта компенсируются в течение пяти лет или еще быстрее. Бейкер также замечает, что Energy Star регулярно проверяет и исправляет стандарты и в будущем, возможно, это коснется и стандарта на лампы Т8. Однако по результатам последних испытаний DOE, светодиодные трубки вряд ли в ближайшем будущем будут одобрены.

Результаты тестирования светодиодных ламп Т8 Результаты испытаний, проведенных департаментом США по энергетике, приведены в таблице 1. Как видно, световой выход светодиодных ламп в среднем почти втрое ниже, чем у люминесцентных. По остальным параметрам, за исключением

КПД корпуса, они также заметно отстают. Чтобы переход на светодиодные лампы был оправдан как с технической, так и с экономической точки зрения, лампы должны обладать характеристиками, приведенными в таблице 2.

Табл. 1. Результаты испытаний Светодиодные лампы Т8 Люминесцентные лампы Т8 Параметр Диапазон (для 12 проДанные производите- CALiPER (протестироваСреднее тестированных ламп) ля (75 ламп) но 2 лампы в корпусах) Световой выход лампы, лм 345—1579 1111 2778 3091 Эффективность пары ламп, лм/ВТ 19—76 50 87 — Световой выход пары ламп в 597—2038 1563 3577 4064 корпусе, лм Индекс цветопередачи 63—76 71 75—80 82 КПД корпуса, % 74—86 83 74 66 Эффективность светильника, лм/Вт 17—57 41 64 57

Табл. 2. Требуемые характеристики светодиодных прямых трубок Параметр Мин. световой выход Мин. срок службы L70

Коррелированная цветовая температура

Мин. индекс цветопередачи

Значение 2700 лм 35000 часов Номинальное значение, К 2700

Допустимое отклонение, К 2725 ± 145

3000

3045 ± 175

3500 4000 4500 5000 5700 6500

3465 ± 245 3985 ± 275 4503 ± 243 5028 ± 283 5665 ± 355 6530 ± 510 80

Современная светотехника, #3 2010

45

применение источников света расценивать как недостаток, поскольку именно направленность излучения обычно считается преимуществом светодиодов. В одной из недавних публикаций было отмечено, что распределение света испытанных светодиодных ламп Т8 не совпадает с распределением света люминесцентных. Отчасти это обусловлено наличием параболического отражателя в корпусе. Многие производители не используют такие рефлекторы. Вторая светодиодная лампа с внешней схемой запуска — LEDRetro8 компании Global Marketing Lighting. Опубликованные характеристики этой лампы также являются одними из луч-

ших среди всех протестированных моделей. Кристофер Бойхен, президент и генеральный директор Global Marketing Lighting, поручил провести анализ работы ламп LEDRetro8 в одном из жилых домов в парке Asbury (Нью-Джерси). В коридоре люминесцентные лампы были заменены на LEDRetro8 со схемой запуска. зПо замерам, производимым компанией SDM Metro, заведующей электрической распределительной сетью, светодиодные лампы позволяют сэкономить 79% энергии. Лампы LEDRetro8 имеют алюминиевое основание, на котором расположены светодиоды

и алюминиевый полуцилиндр, образующий заднюю половину трубки. Оба служат для охлаждения лампы. Трубки работали все время проведения выставки и оставались холодными на ощупь. Бойхен уверен, что внешняя схема запуска — это лучшее решение, поскольку «со внутренним балластом лампа никогда не проработает 50 тыс. часов». ЛИТЕРАТУРА 1. Maury Wright. «LED-based T8 replacement tubes struggle as fluorescent retrofits» //LEDs Magazine, май-июнь 2010.

2. «LED Performance Specification Series: LED T8 Replacement Lamps» // US Department of energy.

Новые многокристальные светодиоды от Cree Компания Cree выпустила самые маленькие в индустрии многокристальные светодиоды XLamp MP-L и MC-E EasyWhite.

Многокристальные LED XLamp® MP-L и MC-E EasyWhite™

Теплые и нейтральные многокристальные светодиоды, основанные на двухступенчатом эллипсе МакАдама, теперь доступны в малых корпусах.

Cree представила элементы, основанные на двухступенчатом эллипсе МакАдама для своих многокристальных XLamp MP-L и MC-E EasyWhite светодиодов в теплых и нейтральных цветовых температурах 2700 K,

3000 K, 3500 K, и 4000 K. Многокристальные LED XLamp® MP-L и MC-E EasyWhite™ Когда светодиоды EasyWhite были представлены впервые, они были основаны на четырехступенчатом эллипсе МакАдама. Новые элементы на 94% меньше чем соответствующий четырехугольник ANSI C78.377 и на 75% меньше чем существующие элементы (четырехступенчатые) EasyWhite. ledsreview.com

Опубликован рейтинг китайских производителей светодиодов Светодиодная индустрия Китая получила огромные инвестиции в 2009-2010 годах. Хотя объем выпуска продукции еще не большой, нет сомнений, что он будет быстро увеличиваться. Согласно статистике LEDinside, валовой объём производства светодиодных чипов в Китае достигает более 2 млрд юаней (примерно $294 млн), а число игроков на китайском рынке — 62. Исходя из объемов продаж светодиодных чипов в 2009 году, десять ведущих китайских производителей светодиодных чипов располагаются в следующем порядке:

46

www.lightingmedia.ru

№ 1 2 3 4 5 6

Название компании Ximaen Sanan Optoelctronics Co. Hangzhou Silan Azure Co. Shandong Inspur Huaguang Optoelctronics Co. Dalian Lumei Optoelctronics Co. Ximaen Changelight Co. Epilight Technology Co.

7

Wuhan HC SemiTek Co.

8

Aqualite Co.

9

ART Electronic

10

Neo-Neon Holding Ltd

В рейтинге учитывалось: – Только зарегистрированные продажи LED пластин и чипов в 2009 году

– Исключены продажи не LED продукции – Исключены продажи готового оборудования на светодиодах – Производители LED чипов без системы MOCVD или неспособные произвести LED пластины не учитывались – Производители, которые предоставили только показатель общего объема продаж, без продаж светодиодных эпитаксиальных пластин не включены в рейтинг Полную версию исследования на английском языке можно прочесть, перейдя по ссылке: www.ledinside.com/led_china_epi_ rank_2010_en

применение источников света

Светодиодный модуль для взрывозащищенного светильника ВЗГ 200. Технико-экономическое обоснование Игорь Евдасев, к.т.н., зав. научно-исследовательской лабораторией «Системы электроснабжения транспорта» УО БелГУТ Александр Горбач, зав. сектором испытаний взрывозащищенного электрооборудования, Центр по испытанию и сертификации рудничного и взрывозащищенного оборудования, «Белгорхимпром» Сергей Козловский, техн. директор, «Бел Спец Лайт»

НЕОБХОДИМОСТЬ МОДЕРНИЗАЦИИ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ОСВЕТИ ТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

С

С ростом цен на энергоносители дальнейшая эксплуатация светильников с лампами накаливания становится экономически не выгодной для предприятий. При круглосуточной эксплуатации одного светильника с лампой накаливания 200 Вт только затраты на электроэнергию составляют более 5000 руб. в год. Эксплуатационные затраты на взрывозащищенные светильники ВЗГ в большинстве случаев значительно выше указанных, т.к. включают в себя статью обслуживания и замены ламп на объектах с тяжелыми условиями работ (взрывоопасные газы и смеси, вредные вещества, оборудование с непрерывным технологическим процессом и др.). Светильники серии ВЗГ 200 — одни из самых распространенных взрывобезопасных светильников на предприятиях стран СНГ, применяемые во взрывоопасных зонах классов 1 и 2, о чем свидетельствует маркировка 1ExdIIBT4 [1]. Взрывозащита светильника обеспечивается взрывонепроницаемой оболочкой, способной выдерживать из-

быточное внутреннее давление газа при взрыве и позволяющая снизить температуру газов, выходящих во внешнюю среду через резьбовой лабиринт, и алюминиевым корпусом, который отводит и рассеивает тепло, не позволяя температуре наружных поверхностей светильника подняться выше 135оС при мощности лампы накаливания 200 Вт. Снижение мощности лампы (источника света) светильника ВЗГ 200 обеспечивает уменьшение температуры поверхности корпуса, что позволяет аттестовать данный светильник на более низкий температурный класс, вплоть до T6, расширив тем самым область его применения на взрывоопасных производствах. Актуальность модернизации взрывозащищенного осветительного оборудования с лампами накаливания очевидна, но необходимо разработать техникоэкономическое обоснование этого мероприятия с учетом ограничений к элементам светильника, накладываемым требованиями взрывозащиты. Далее можно будет сделать вывод о целесообразности модернизации светильника ВЗГ 200.

КОМПАКТНАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА ИЛИ СВЕТОДИОДНЫЙ МОДУЛЬ? Естественно, речь идет о различных вариантах замены источника света в светильнике. На первом этапе технического обоснования мероприятия рассмотрим теоретически возможные варианты применения источников света в светильнике ВЗГ. К их числу относятся компактные люминесцентные лампы с цоколем

Е27 и встроенным электронным пускорегулирующим аппаратом и светодиодные модули с встроенным блоком питания. Для анализа светотехнических характеристик светильника в нем последовательно были установлены лампа накаливания Б215-225-200, компактная люминесцентная лампа и светодиодный модуль ИСП1х20-00. Визуальное светораспределение светильника с указанными источниками света представлено на рисунке 1. На рисунке 1 видно, что светодиодный модуль направляет наибольшую часть светового потока вниз, в отличие от лампы накаливания и компактной люминесцентной лампы (КЛЛ). Такое светораспределение позволяет светильнику со светодиодным модулем создать наибольшую освещенность на полу (основная рабочая поверхность в большинстве производственных и подсобных помещений) и нижней половине стен. При использовании ламп накаливания освещенность пола несколько снижается, а стен — увеличивается. Световой поток КЛЛ направлен в основном в стороны от светильника, что приводит к значительному снижению освещенности пола и повышению освещенности верхней части стен. Для сравнения энергоэффективности источников света обычно принимают световую отдачу, которая измеряется в лм/Вт. Чем выше этот показатель, тем больше светового потока излучит источник света на 1 Вт потребляемой мощности. Значения этих показателей для анализируемых источников света представлены в таблице 1. КЛЛ в 4,3 раза энергоэффективнее лампы накаливания, а светодиодный модуль —

Современная светотехника, #3 2010

47

применение источников света

Рис. 1. Визуальное светораспределение светильника ВЗГ с различными источниками излучения на поверхности и в пространстве (вверху — для лампы накаливания 200 Вт; посередине — для компактной люминесцентной лампы 33 Вт; внизу — для светодиодного модуля 30 Вт).

в 5,3 раза (при использовании светодиодов со световой отдачей 100 лм/Вт). Показатель энергоэффективности светильника для помещения должен учитывать не только световую отдачу источника света и оптический КПД светильника, но и значение полезно используемого светового потока. При нормировании минимальной освещенности в помещении полезно используемый световой поток светильника определяется с учетом неравномерности освещенности. В этом случае показатель энергоэффективности для светильника можно представить следующим выражением ,

(1)

где ηис – световая отдача источника света, лм/Вт; ηсв – КПД светильника, %; ηоу – коэффициент использования светового потока светиль-

ника (доля светового потока светильника, излучаемая на рабочую поверхность с учетом переотражений); kнер – коэффициент неравномерности освещенности (отношение минимальной освещенности к средней по расчетной поверхности). Результаты светотехнических расчетов в программе DIAlux позволили получить количественные оценки освещенностей поверхности пола, на основе которых можно рассчитать показатели энергоэффективности светильников ВЗГ с различными источниками света (см. табл. 1). Применение указанного показателя аналогично использованию светоотдачи источника света: чем больше его значение, тем более энергоэффективные свойства имеет светильник в сборе. В таблице 1 кроме показателя энергоэффективности светильника ВЗГ с различными источни-

ками света представлены более практические критерии: процент экономии электроэнергии при одинаковых уровнях минимальной освещенности рабочей поверхности и необходимая мощность источника света для замены лампы накаливания 200 Вт. Представленные в таблице результаты расчета показывают, что для замены лампы накаливания 200 Вт в светильнике ВЗГ необходима КЛЛ 47 Вт. При этом уровни освещения на полу (рабочей поверхности) не изменятся. Габариты КЛЛ такой мощности не позволяют использовать их в светильнике ВЗГ, поэтому необходимо применение двух ламп мощностью 23 Вт. Такой вариант приведет не только к увеличению используемых ламп, но и к увеличению необходимого числа светильников в 2 раза. Следовательно, дальнейшее обоснование варианта замены ламп накаливания на КЛЛ нецелесообразно, т.к. закупка дополнительных светильников и их монтаж обусловливают значительные первоначальные инвестиции в мероприятие. При использовании КЛЛ во взрывозащищенных светильниках типа ВЗГ необходимо учитывать еще один практический аспект, заключающийся в снижении заявленного производителем срока службы лампы. Это обусловлено, в первую очередь, двумя одновременно действующими факторами: – отсутствие конвекции (охлаждения воздухом) лампы из-за герметичности корпуса (степень защиты корпуса светильника ВЗГ IP 65 [1]); – расположение лампы в рабочем положении цоколем вверх. Наибольшая температура лампы в этом случае приходится на зону пластмассового корпуса, в котором находится электронный пускорегулирующий аппарат. Согласно данным источника [2], температура на поверхности пласт-

Таблица 1. Результаты расчета показателей энергоэффективности светильников ВЗГ с различными источниками света Показатель Световая отдача источника света, лм/Вт КПД светильника, % Коэффициент использования светового потока светильника Отношение минимальной освещенности к средней Показатель энергоэффективности Процент экономии электроэнергии при одинаковых уровнях минимальной освещенности, % Необходимая мощность источника света для замены 200-Вт лампы накаливания, Вт

48

www.lightingmedia.ru

Лампа накаливания (Б215-225-200) 15,7 75,0 0,21 0,86 2,1 — 200

Значение для источника света Компактная люминесцентная лампа 68,2 74,8 0,20 0,87 8,9 76,4 47,2

Светодиодный модуль (ИСП-1х20-00) 83,3 81,3 0,30 0,83 16,9 87,6 24,8

применение источников света массового корпуса КЛЛ в рабочем положении цоколем вверх достигает 65—70°С. При герметичном корпусе указанная температура может повышаться до критичного значения 85°С. Визуальный осмотр ламп на рисунке 2, отработавших в таком положении продолжительное время, показывает, что в месте крепления газоразрядной трубки имеются пластмасса желтее, и повышается ее хрупкость. В результате предварительного анализа вариантов модернизации светильника ВЗГ приходится исключить КЛЛ, т.к. при ее применении придется увеличивать число светильников для выполнения требований освещенности. Модернизация светильника в этом случае превратится в полную реконструкцию искусственного освещения помещения. С помощью светодиодного модуля можно заменить лампу накаливания в светильнике ВЗГ и получить значительную экономию электроэнергии (87,6%). Однако существует ряд практических ограничений на применение сменных светодиодных модулей/ ламп в герметичных корпусах. Первый пункт в этом ряду — это температура нагрева кристалла светодиода из-за плохой теплопередачи и высокой температуры окружающей среды. Например, для модернизации светильника ВЗГ можно было бы использовать светодиодные лампы стандартного типа с цоколем Е27 (см. рис. 3). На рисунке представлены лампы торговой марки Bioledex, единичная мощность которых составляет 3—8 Вт, т.е. значительно ниже необходимых 25 Вт для модернизации ВЗГ. Однако конструктивное исполнение этих образцов аналогично и для ламп больших мощностей. Как видно, между цоколем и колбой лампы размещается алюминиевый радиатор, который отводит тепло и не позволяет кристаллу светодиода перегреваться. При эксплуатации такой лампы в закрытом герметичном корпусе, в котором практически полностью отсутствует эффект конвекции тепловых потоков, этот радиатор совершенно не эффективен. Кроме того, для светодиодного модуля/лампы мощностью 25 Вт, согласно данным источника [3], понадобится радиатор весом

Рис. 2. Пожелтение пластмассы в месте крепления трубки при работе лампы цоколем вверх (слева – лампа, отработавшая 8 мес.; справа – 2 мес.).

1,6—2,0 кг, чтобы отвести и рассеять выделяемую на кристалле тепловую энергию. Исходя из этих предпосылок, можно сделать вывод, что светодиодные лампы стандартного типа необходимой мощности для светильника ВЗГ постоянно будут эксплуатироваться в режиме повышенной температуры кристаллов светодиодов и быстро деградируют (уменьшат излучаемый световой поток) или перегорят. Единственным вариантом эксплуатации светодиодов в герметичном корпусе светильника ВЗГ представляется применение модуля с теплопроводной системой, которая обеспечивает непосредственную передачу тепловой энергии от светодиода к алюминиевому корпусу собственно светильника. Разработчики ООО «Бел Спец Лайт» (г. Минск, Республика Беларусь) учли указанные выше положения и произвели светодиодный модуль ИСП-1х20-00. Во взрывозащищенном светильнике нельзя заменить ни одной детали без проведения лабораторных испытаний, т.к. неизвестно влияние такой замены на его взрывозащиту. Поэто-

му нескольким минутам замены источника света в светильнике предшествует несколько месяцев лабораторных испытаний и экспертных проверок. Испытания модуля ИСП-1х20-00 были проведены в НПРУП «Белорусский государственный институт стандартизации и сертификации» (БелГИСС) на подтверждение соответствию освещенности рабочей поверхности [4], потребляемой мощности [4] и требований пожарной безопасности. В результате измерений установлено [5], что максимальная фактическая температура элементов модуля (без светильника) в режимах короткого замыкания и перенапряжения не превышает 60°С, а вероятность возникновения пожара в модуле составляет 3,88·10–7 случаев в год, что примерно в 3 раза ниже нормативных требований. Испытания температуры нагрева корпуса светильника в сборе при работе со светодиодным модулем ИСП-1х20-00 проведены также БелГИСС [6]. В результате испытаний наибольшая температура на корпусе светильника составила 34°С, что почти в 4 раза ниже допустимой температуры

Рис. 3. Светодиодные лампы стандартного типа

Современная светотехника, #3 2010

49

применение источников света Срок службы оборудования определяется по времени спада светового потока светодиодов на 30%, которое, по данным отдельных производителей, составляет 50 тыс. ч, и времени включения освещения в год: ,

Рис. 4. Динамический срок окупаемости и чистый дисконтированный доход замены лампы накаливания в светильнике ВЗГ на светодиодный модуль

где τ– время включения освещения за год, ч. Доход от реализации мероприятия по модернизации светильников ВЗГ с помощью светодиодных модулей обусловлен уменьшением потребления электроэнергии (статьей расходов на замену ламп для усредненных расчетов пренебрегаем). При этом необходимо учитывать постоянный рост тарифов на электроэнергию, который по прогнозам для промышленных предприятий на ближайшие годы может составить 14,6—22,3% [9]. С учетом роста тарифов на электроэнергию доход от реализации мероприятия в i-том интервале времени определяется по формуле ,

Рис. 5. Индекс прибыльности замены лампы накаливания в светильнике ВЗГ на светодиодный модуль

для группы взрывоопасных газов и смесей T4 и в 2,5 раза ниже для группы Т6. На основе протоколов результатов испытаний и заключения Центра по испытанию и сертификации рудничного и взрывозащищенного оборудования (ЦИС) ОАО «Белгорхимпром» [7] можно сделать вывод о технической возможности применения светодиодного модуль ИСП-1х20-00 в светильниках ВЗГ 200 взамен лампы накаливания 200 Вт [8], что позволит уменьшить потребление электроэнергии при заданном уровне освещенности без ухудшения свойств взрывозащиты светильника.

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ Несмотря на ряд указанных выше положительных эффектов при модернизации светильника ВЗГ путем установки в него светодиодного модуля, главной целью модернизации все же является экономическая выгода от этого мероприятия. С этой целью необ-

50

www.lightingmedia.ru

ходимо провести экономическое обоснование по таким критериям как чистый дисконтированный доход за срок службы, динамический срок окупаемости и индекс прибыльности. Чистый дисконтированный доход ЧДД (NPV) в проект при единовременных инвестициях рассчитывается по формуле: ,

где Ft – денежные поступления (доход) от реализации мероприятия в i-том интервале времени, руб.; Е – ставка дисконтирования (ожидаемая прибыльность, или рентабельность инвестиционного проекта); она принимается равной 0,1, т.е. в 1,5–2 раза выше безрискового актива — депозита банка; I — инвестиции (капитальные вложения), руб.; Т — срок службы оборудования, лет.

где F0 – расчетный условный доход от реализации мероприятия на момент вложения инвестиций, руб.; TR – рост тарифов на электроэнергию, %; принимается по наиболее оптимистичному прогнозу 14,6% в год [9]. Динамический срок окупаемости Тd (DPB) определяется по моменту времени, когда чистый дисконтированный доход переходит из отрицательной области в положительную. На рисунке 4 представлены зависимости динамического срока окупаемости и чистого дисконтированного дохода от времени включения освещения в год. Расчет динамического срока окупаемости и чистого дисконтированного дохода проведен при начальном тарифе на электроэнергию 3 руб./(кВт·ч) и стоимости светодиодного модуля ИСП1х20-00 равной 4,34 тыс. руб. Срок окупаемости модернизации светильника ВЗГ при его круглосуточной работе составляет меньше одного года, что показывает высокую эффективность этого мероприятия. При меньшем числе часов эксплуатации светильника на предприятии срок окупаемости увеличится. Однако,

применение источников света согласно представленной зависимости (см. рис. 4), проведение мероприятия целесообразно при эксплуатации светильников свыше 1,5 тыс. ч, т.е. даже при односменной работе и совмещенном (одновременно естественном и искусственном) освещении помещения. Для более надежного подтверждения целесообразности инвестиций в модернизацию светильника ВЗГ необходимо рассчитать индекс прибыльности ИП (PI)

. Зависимость индекса прибыльности от времени включения освещения в год представлена на рисунке 5. Согласно полученным данным (см. рис. 5), после замены 200-Вт лампы накаливания в светильнике ВЗГ на светодиодный модуль ИСП-1х20-00 предприятие получит 6—12 руб. дохода на каждый вложенный рубль инвестиций, что подтверждает высокую экономическую эффективность этого мероприятия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время наблюдается бум предложений светотех-

нической продукции на основе светодиодов, однако значительная ее стоимость и не до конца решенные многими производителями вопросы надежности и долговечности работы часто приводят к неоправданным финансовым расходам предприятия на покупку такой продукции. Светодиоды не могут полностью заменить традиционные лампы, но в отдельных областях их применение очень эффективно. В статье приведен пример такого разумного использования светодиодного модуля для модернизации взрывозащищенного светильника ВЗГ. При такой модернизации заменяется 200-Вт лампа накаливания на светодиодный модуль ИСП1х20-00 мощностью 25 Вт, а также улучшаются свойства взрывозащиты светильника путем уменьшения температуры корпуса и вероятности возникновения пожара в самом источнике света. Модернизация светильника ВЗГ направлена, в первую очередь, на снижение эксплуатационных издержек предприятия, что подтверждено экономическим обоснованием. Результаты определения индекса прибыльности мероприятия показали, что

на каждый вложенный рубль при внедрении светодиодных модулей ИСП-1х20-00 будет получен доход 6—12 руб. ЛИТЕРАТУРА 1. ВЗГ-200. Торговый дом «Ватра». Электросветотехническая продукция//www.vatra.ru/ catalog/lights5/ln/ln_387.html.

2. Энергосбережение в освещении. Под ред. проф. Ю.Б. Айзенберга//М: Издательство «Знак», 1999.

3. Ю.В. Трофимов. Как занять место под светодиодным солнцем. Постулаты развития светодиодной техники/Ю. В. Трофимов//Современная светотехника — № 1(02). 2010. С.

14–17.

4. Протокол испытаний № 1953: утв. БелГИСС 12.02.2010. С. 7.

5. Протокол испытаний на пожаробезопасность № 732 ПБ: утв. БелГИСС 12.02.2010. С. 7.

6. Протокол испытаний № 1974: утв. БелГИСС 26.03.2010. С. 5.

7. Заключение № 252-2010 от 20.04.2010 г. Центра по испытанию и сертификации рудничного и взрывозащищенного оборудования (ЦИС) ОАО «Белгорхимпром».

8. Письмо «О разрешении» № 05-980 от 03.05.2010 г. «Департамент по надзору за безопасным ведением работ в промышленности» (ГОСПРОМНАДЗОР) Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь.

9. Рост тарифов на электроэнергию может составить 20%. Росбизнесконсалтинг//www. rbc.ru/digest/index.shtml?izvestia/2010/05/20 /32814906.

Компания Philips Lumileds поставил миллиардный светодиод Luxeon Philips Lumileds, отдел по светодиодному освещению Royal Philips Electronics, сообщает, что был поставлен миллиардный светодиод Luxeon во втором квартале 2010 года.

Компания Philips Lumileds поставил миллиардный светодиод Luxeon

Из общего числа отгруженных светодиодов около 750 млн светодиодов Luxeon были использованы за последние два года в автомобильном освещении и потребительской электронике. Компания отмечает, что ее потенциал и инвестиции в инфраструктуру в течение нескольких последних лет позволили ей удовлетворять потребности клиентов и поставлять большие объемы продукции.

«Это не только важная веха для компании, но и для всей отрасли, — сказал Майкл Холт (Michael Holt), генеральный директор — Когда мы начинали, идея, что Lumileds может изменить освещение мощными светодиодами, была встречена многими инсайдерами отрасли со скептицизмом. Сегодня, они и другие последовали за нами, как конкуренты, в отрасль, которая стала движущей силой энергоэффективных приложений освещения и новых способов освещения мест, где мы живем, работаем, играем». www.sslighting.net/

Современная светотехника, #3 2010

51

применение источников света

Анализ влияния наружного освещения на систему суточного ритма человека Марк Ри (Mark Rea), Эрон Смит (Aaron Smith), Эндрю Бирман (Andrew Bierman), Мариана Фигейро (Mariana Figueiro), Lighting Research Center В статье дан количественный анализ влияния света в ночное время, в частности уличного освещения, на систему суточного ритма человека. Оценка уровня воздействия света на суточные ритмы человека производилась на основе измерений степени подавления выработки мелатонина в организме человека при ночном освещении с использованием четырех типов источников наружного освещения при различных условиях. В результате исследований был сделан вывод о том, что лишь один из четырех типов источников света (светодиод с тaепловой температурой 6900 K) оказывает небольшой воздействующий эффект на систему суточного ритма человека. Данный подход позволил определить, достигает ли интенсивность света, падающего на сетчатку глаза, порогового значения, достаточного для влияния на систему суточного ритма человека. Статья представляет собой перевод [1].

ВВЕДЕНИЕ

К

Каждый биологический вид на земле характеризуется широким спектром биологических циклов, которые повторяются приблизительно каждые 24 часа. Они известны как суточные (или циркадные) ритмы и проявляются на каждом уровне биологических систем: от синхронизации репарации ДНК в клетке организма до изменений в поведении, например, во время цикла снабодрствования. Суточные ритмы отражают тесную связь между синхронизацией внутренних часов мозга в супрахиазматическом ядре гипоталамуса (SCN) и естественной синхронизацией цикла чередования солнечного света и темноты. Фактически, цикл чередования света и темно-

54

www.lightingmedia.ru

ты, регистрируемый сетчаткой глаза, является основным фактором, влияющим на синхронизацию различных суточных ритмов человека и большинства других млекопитающих. Световое излучение может быть охарактеризовано пятью показателями: интенсивностью, спектром, распределением, синхронизацией во времени и продолжительностью. Реакции визуальной системы и системы суточного ритма на изменения этих параметров показывают фундаментальные отличия между ними. В отличие от визуальной системы, система суточного ритма человека сравнительно малочувствительна к свету. По сравнению с визуальной системой, интенсивность и длительность светового излучения, достаточные для эффективного воздействия на систему суточного ритма человека, должно быть намного больше, чтобы реакции этой системы была заметной. Как визуальная система, так и система суточного ритма человека чувствительна к коротким длинам волн (400…500 нм); однако, система суточного ритма человека почти невосприимчива к длинноволновому излучению (более 600 нм), которое легко различает визуальная система. В отличие от визуальной системы, система суточного ритма человека не имеет отношение к формированию изображения, поэтому при воздействии на эту систему свет может быть затуманенным или диффузно распределенным по большей части поверхности сетчатки глаза. Таким образом, система суточного ритма человека должна достоверно знать, когда наступает день, а когда ночь. Поэтому она имеет высокое пороговое значение к воздействующему свету и узкую спектральную характеристику; ей нужно длительное воздействие света на возможно боль-

шую поверхность сетчатки глаза. Кроме того, система дифференциально чувствительна к свету в течение дня; как направление, так и амплитуда реакции меняются в зависимости от того, когда свет падает на сетчатку. Облучение светом утром ускоряет внутренние часы SCN, в то время как та же экспозиция вечером замедляет их — в полночь система намного менее чувствительна к свету. Развитие цивилизации изменило естественный цикл чередования света и темноты, что сказывается на человеке. Здания защищают нас от непогоды, а также от яркого дневного света. Источники электрического света не только обеспечивают общее освещение и подсветку интерьера зданий в ночное время, они также осуществляют подсветку дисплеев, например, телевизионных и компьютерных мониторов. Эпидемиологи и другие специалисты выражать озабоченность по поводу электрического освещения, которое может нарушить естественный цикл чередования света и темноты. В самом деле, статистические исследования показывают, что широкий спектр заболеваний от бессонницы до рака груди связан с нарушением естественного 24-часового цикла чередования света и темноты. Кроме того, исследования на животных показали, что рост опухолей ускоряется, когда выработка мелатонина (гормона, который управляет усталостью человека и потребностью его во сне) уменьшается при воздействии света в ночное время. Другие данные говорят о том, что животные с нарушением суточного ритма (т.е. подвергнутые воздействию нерегулярной смены света и темноты) приобретают больший риск возникновения рака, сердечнососудистых заболеваний, диабета и ожирения. Несмотря на отсутствие прямой связи между

применение источников света искажением суточного ритма и нарушением здоровья человека, исследования нарушений системы суточного ритма человека под действием света являются полностью оправданными. Учитывая важность цикла чередования света и темноты для регулирования биологических функций человека, удивительно, что для количественного анализа влияния света и темноты в индустриальном обществе сделано слишком мало. Без точных фотометрических данных практически невозможно сделать верный вывод о влиянии света, как естественного, так и искусственного, на здоровье и самочувствие людей. Недавно, была разработана модель фотопреобразования суточного ритма человека (т.е. преобразования оптического излучения, падающего на сетчатку глаза, в нервные сигналы, передаваемые в SCN). Эта модель рассматривает биофизические характеристики оптического излучения, падающего на сетчатку глаза, которые влияют на фотопреобразование, измеренные в степени подавления выработки мелатонина в ночное время при воздействии освещения. Точнее говоря, модель учитывает спектральный состав оптического излучения, абсолютную интенсивность излучения, пространственное распределение излучения по роговице глаза и время экспонирования, необходимое для появления определенной биологической реакции со стороны системы суточного ритма человека. Международная организация International Dark Sky Association (IDA) регулярно поднимает вопросы, связанные с чрезмерным ночным освещением, влияющим на здоровье человека посредством воздействия на суточные ритмы человека (IDA 2009). Целью настоящей статьи является количественный анализ воздействия света в ночное время, в частности уличного освещения с различным распределением спектральной интенсивности, на суточные ритмы человека. Для оценки уровней воздействия на суточные ритмы человека с использованием четырех типов источников наружного освещения при различных реалистичных сценариях была использована модель Ри (2005 г.). Несмо-

тря на то, что это может казаться очевидным, следует подчеркнуть, что воздействие на систему суточных ритмов человека ночью не обязательно является синонимом риска для здоровья. Для конструктивного обсуждения взаимосвязи между ночным освещением и здоровьем человека, тем не менее, важно определить в начале, влияют ли (и в какой степени) источники света, используемые для ночного освещения, на систему суточных ритмов человека. Если, в реальных условиях, системы наружного освещения могут в известной мере воздействовать на систему суточных ритмов человека, то вопросам здоровья, поднятым организацией IDA, следует уделять большое внимание. Если, с другой стороны, системы наружного освещения имеют минимальное воздействие на суточные ритмы человека, то эти вопросы, будучи потенциально важными, в настоящее время имеют лишь теоретическое значение и немедленная реакция на них со стороны общества необязательна.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ Ассоциация IDA обратила внимание на относительный спектральный состав различных источников внешнего освещения, как возможную причину, влияющую на здоровье человека. Эти вопросы возникли в результате эпидемиологического исследования скользящего графика работы, который может увеличивать риск возникновения онкологических заболеваний, а также исследований животных, которые показали, что подавление выработки мелатонина под воздействием освещения увеличивает рост опухолей, как уже было указано выше. Так как система суточных ритмов человека максимально чувствительна к коротковолновому излучению (440…460 нм), а источники белого света для наружного освещения, обычно излучают в таком диапазоне волн, организация IDA высказала предположение, что источники белого света, используемые для наружного освещения, могут негативно влиять на человеческое здоровье. Невозможно, однако, сделать определенный вывод о влиянии данного типа источника света на систему суточного ритма, не говоря уже о здоровье и самочувствии чело-

века, без полного описания воздействующего фактора. Другими словами, знание относительного спектрального состава источника света является лишь весьма незначительной частью общей картины и может легко вводить в заблуждение неспециалистов. Следовательно, обсуждение проблемы ночного освещения, влияющей на здоровье и самочувствие человека, должно включать описание временного, пространственного и спектрального распределения оптического излучения, падающего на сетчатку глаза, а также соответствующего описания временной, пространственной, спектральной и абсолютной чувствительности системы суточного ритма человека.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ПОДХОД Несмотря на то, что иногда оптическое излучение фильтруется закрытыми веками глаз, для того, чтобы свет эффективно воздействовал на систему суточного ритма человека ночью, веки должны быть открыты. Только оптическое излучение, падающее на сетчатку глаза, может воздействовать как на визуальную систему, так и систему суточного ритма человека. Метод, используемый в данном исследовании, заключается в определении того, достаточно ли света, падающего на сетчатку глаза, для достижения порогового значения, необходимого для воздействия на систему суточного ритма и, тем самым, установить, может ли (и в какой степени) наружное освещение влиять на систему суточного ритма, что измеряется уровнем снижения выработки мелатонина. На рисунке 1 показана спектральная плотность потока излучения от четырех источников света интенсивностью 95 лк, среди которых два светодиодных источника холодно-белого цвета свечения, металло-галогеновая лампа (MH) и натриевая лампа. Используя модель фотопреобразования суточного ритма человека, предложенную Ри, можно сравнить эффективность различных источников света при заданной интенсивности излучения при уменьшении выработки ночного мелатонина для известной площади зрачка. Площадь зрачка молодого населения (в возрасте от 17 до 25 лет) можно оце-

Современная светотехника, #3 2010

55

применение источников света

Рис. 1. Распределение спектральной плотности потока излучения для дневной освещенности интенсивностью 95 лк

Рис. 2. Для расчета эффективного воздействия света на суточные ритмы человека использовались исходные условия и два реалистичных сценария. Показана горизонтальная освещенность в лк (зеленая линия) и вертикальная освещенность в лк (оранжевая линия) на разных расстояниях от монтажной опоры светильника. Показан также диапазон рекомендуемых значений горизонтальной освещенности для дорожного освещения в лк (затененная область)

нить (в ограниченном диапазоне уровней излучения) на основе модели, разработанной Берманом, используя распределение спектральной плотности потока излучения на роговице глаза (т.е. оптический спектр и интенсивность). Спектральную плотность потока излучения на роговице глаза, освещаемой четырьмя типами источников, можно найти, следовательно, с помощью модели Бермана для определения распределения спектральной плотности потока излучения на 1

сетчатке глаза, которая затем может быть использована как входной параметр для модели фотопреобразования суточного ритма человека при расчете прогнозируемого уменьшения количества ночного мелатонина. Оценка уровня излучения на роговице глаза от светодиодов холодно-белого цвета свечения, металло-галогеновой и натриевой лампы была получена для трех разных условий, в том числе исходных условий и двух реалистичных сценариев ис-

пользования системы наружного освещения (см. рис. 2). При использовании таких источников света для экспонирования зрачка человека в течение одного часа, можно оценить степень воздействия оптического излучения на систему суточного ритма 20-летнего человека по уровню снижения (в %) выработки мелатонина в ночных условиях. По условиям эксперимента для каждого из трех условий, 20-летний наблюдатель смотрит на каждый из четырех источников. Глаза наблюдателя расположены на высоте 1,5 м от уровня земли, высота установки светильника равна 8,2 м, используется светильник мощностью 150 Вт с распределением освещенности типа III (см. рис. 2). Исходные условия: наблюдатель, который находится рядом с монтажной опорой, смотрит прямо на каждый светильник (высота глаз 1,5 м); при этом интенсивность излучения на роговице составляет 95 лк. Сценарий 1: тот же наблюдатель теперь смотрит вдоль улицы и находится в 3 м от вертикальной линии центра монтажной опоры в месте, где светильник обеспечивает максимальную интенсивность освещения 27 лк на роговице глаза. Сценарий 2: тот же наблюдатель находится в 10 м от вертикальной линии центра монтажной опоры и смотрит прямо на светильник; интенсивность освещения на роговице глаза составляет 18 лк. На рисунке 3 показаны результаты расчета 1. Для исходных условий снижение выработки мелатонина составило бы 6% для натриевой лампы, 14% для металлогалогеновой лампы, 19% для светодиодного источника с цветовой температурой 5200 K и 30% для светодиодного источника с цветовой температурой 6900 K. При двух более реалистичных сценариях 20-летний наблюдатель не испытывал бы подавление мелатонина после одного часа воздействия излучения более теплого 5200-K холоднобелого светодиода, натриевой или металло-галогеновой лампы. Расчеты показали, что произойдет некоторое снижение выработки мелатонина для более хо-

Детальное описание процедуры расчета воздействия освещения на суточный ритм человека на базе модели Ри размещено по адресу http://www.jcircadianrhythms. com/content/8/1/2/additional/

56

www.lightingmedia.ru

применение источников света лодного 6900-K холодно-белого светодиода: на 10% для сценария 1 и 3% для сценария 2. Следует отметить, что для людей старше 20 лет интенсивность излучения на сетчатке глаза будет меньше из-за сужения зрачка (миозиса) и уплотнения хрусталика глаза, поэтому для людей старшего возраста подавление мелатонина будет меньше для всех четырех источников при исходных условиях и при двух сценариях из практики. Кроме того, воздействие излучения того же уровня в течение времени, менее одного час, также вероятнее всего приведет к меньшему снижению выработки мелатонина. Важно отметить, что в литературе доступны только ограниченные данные о характеристиках системы суточного ритма человека в предпороговой области, поэтому точная оценка подавления выработки мелатонина в этой области невозможна. Некоторые исследователи полагают, например, что уровень снижения выработки мелатонина ночью под действием освещения должен быть выше на 15%.

ОГРАНИЧЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМОГО ПОДХОДА Несмотря на то, что представленная информация отражает современный уровень анализа снижения выработки мелатонина под действием света, в анализе имеется ряд ограничений из-за неточной причинной связи между облучением света сетчатки

Рис. 3. Снижение выработки мелатонина (в %) системой суточного ритма человека при воздействии излучения двух типов светодиодов холодно-белого цвета свечения, металлогалогеновой и натриевой лампы показано для разных уровней освещенности роговицы глаза

глаза и здоровьем человека. Вопервых, анализ основан на допущении, что ночное подавление мелатонина фактически напрямую связано со здоровьем человека. Эта причинно-следственная связь еще не подтверждена полностью на человеческом организме, хотя имеются косвенные данные о такой связи, полученные при исследованиях на животных. Освещение ночью может также замедлять синхронизацию системы суточного ритма человека и, тем самым, потенциально

нарушать регулярный 24-часовой биологический ритм, подобно синдрому смены часовых поясов или сменной работы. Свет может также воздействовать на другие гормоны, кроме мелатонина (например, на кортизон), и ферменты (например, на альфаамилазу), которые являются важными факторами регулирования суточного ритма различных биологических систем. Мелатонин не синтезируется с постоянной скоростью в ночное время, а скорее демонстрирует

Новые драйверы для светодиодов от «ММП-Ирбис» током до 1,2 А, мощностью до 40 Вт. Драйверы БПТ обеспечивают стабильность тока ±5% при всех дестабилизирующих факторах, имеют гальваническую развязку, комплекс защит, высокий КПД — 92%, малые габаритные размеры, низкую цену. Рабочий диапазон температур — от –40 до +70°С. ЗАО «ММП-Ирбис» (г. Москва) расширило линейку драйверов для светодиодов стабилизированным источником постоянного

тока в пластмассовом корпусе. Новая модель БПТ выпускается с выходным напряжением от 24 до 300 В, выходным

Условия поставки на сайте фирмы www.mmp-irbis.ru или у менеджеров по телефону +7 (495) 987 10 16.

Современная светотехника, #3 2010

57

применение источников света пульсирующий характер выработки. Свет может воздействовать на такое пульсирующее поведение с неизученными последствиями для связи синхронизации суточного ритма с другими биологическими системами, так как они могут влиять на здоровье человека. Расчеты, приведенные в данной статье, сделаны из предположения, что модель Бермана может быть использована для использования распределения спектральной плотности потока светового излучения на роговице глаза для снятия характеристик эффективного воздействия сетчатки на систему суточного ритма человека. Однако есть, конечно, индивидуальные различия в параметрах хрусталика глаза и реакции век на свет, что в действительности будет оказывать влияние на интенсивность света, который достигает сетчатки. Люди с высокой концентрацией мелатонина могут быть менее подвержены таким заболеваниям, как рак, чем те у которых концентрация мелатонина изначально мала, независимо от влияния света в ночное время на выработку мелатонина. Человек, работающий вне помещения в течение дня, будет иметь более высокий порог снижения мелатонина при ночном освещении, чем тот, кто проводит весь день в тускло освещенном помещении. Поэтому фиксированный уровень освещения может оказывать разное влияние на людей с различным жизненным укладом. Как уже было отмечено, имеется большая неопределенность в пороге чувствительности к свету в ночное время. Оказывает ли не-

большая, но постоянная сверхпороговая величина подавления мелатонина кумулятивный эффект на здоровье человека также неизвестно. В общем, мы подходим ближе к количественному пониманию воздействия света на систему суточного ритма человека, но все еще полностью не понимаем, воздействует ли (и как именно) свет в ночное время на здоровье человека через систему суточного ритма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе используемой модели и других исследований было получено, что приемлемым рабочим порогом для подавления выработки мелатонина в ночное время под воздействием освещения после 30-минутного воздействия излучения была бы освещенность глаза на уровне 30 лк для источника белого цвета свечения. Значение рабочего порога получено на основе определения надежного уровня подавления мелатонина под действием света на уровне 15% и выше. Как показано на рисунке 3, этот приблизительный уровень порогового значения будет также различным для белых источников света в зависимости от распределения их спектральной плотности потока излучения. По отношению к узкополосному коротковолновому свету, пороговое значение было бы либо выше для длинноволнового (красного) света, либо ниже для коротковолнового (синего) света. Важно подчеркнуть снова, что этот анализ не позволяет определить степень влияния наружного

освещения на здоровье и самочувствие человека. Он ограничен оценкой эффекта воздействия источников света, используемых в наружном освещении, на систему суточного ритма человека, который определяется по уровню подавления выработки мелатонина в ночное время. Тем не менее, корректное определение уровня воздействия света должно быть сделано до заключения любых выводов о потенциальном влиянии наружного освещения на здоровье человека. На самом деле, проведение полной количественной оценки того влияния, которое оказывает световое излучение в ночное время на систему суточного ритма человека, является необходимым первым шагом в исследовании потенциального влияния наружного освещения на здоровье и самочувствие человека. На основе этого анализа можно сделать вывод о том, что при реалистичных сценариях, используемых в данной статье, три из четырех источников не повлияли сколько-нибудь заметно на систему суточного ритма человека после одного часа воздействия излучения. Результат расчета показал, что более холодный из двух белых светодиодов оказывает небольшое воздействие на систему суточного ритма человека после одного часа экспонирования (что соответствует снижению выработки мелатонина на 3—10%). ЛИТЕРАТУРА 1. Mark S. Rea, Aaron Smith, Andrew Bierman, Mariana G. Figueiro. The potential of outdoor lighting for stimulating the human circadian system.

Новый чип увеличит эффективность светодиодов на 30% Разработчикам компании OSRAM Opto Semiconductors удалось повысить эффективность красных тонкопленочных светодиодов на 30%. Рекорд эффективности светодиода — 119 лм/ Вт при рабочем токе 350 мА (136 лм / Вт при 70 мА) был достигнут за счет последнего поколения красных тонкопленочных 1 мм2 кристалл (InGaAlP). Чип относится к линейке Golden Dragon Plus и излучает на длине волны

58

www.lightingmedia.ru

в 615 нм. Его эффективность была оценена в 44% (49% при 70 мА), а для длины волны 642 нм превысила 50%. Большая эффективность означает больший выход при тех же токах и меньшее энергопотребление при одинаковом применении. Появляются также новые возможности дизайна, так как требуется меньше кристаллов, соответственно экономится пространство. Кроме того, выделяется почти на 50% мень-

ше теплоты, что в свою очередь значительно уменьшает потребность в охлаждении. По словам Вольфганг Шмида (Dr. Wolfgang Schmid), который отвечает за новую технологию в OSRAM Opto Semiconductors, компания планирует начать оснащать LED продукты новыми тонкопленочными кристаллами в течение года. www.ledinside.com/

разработка и конструирование

Разработка светодиодных светильников в условиях быстрого снижения стоимости и роста КПД светодиодов Антон Подгорбунских, менеджер по развитию бизнеса, ЗАО «Рэйнбоу электроникс»

C

Светодиодный светильник — изделие дорогое, его окупаемость возможна только при дорожающей электроэнергии, высокой стоимости подключения мощности, низких затратах на обслуживание светильника и отсутствии необходимости в смене источника света в течение всего срока службы светильника. Каждый производитель светильника задаётся вопросами: как удешевить изделие, на какие светодиоды ориентироваться, чтобы светильник за год не устарел морально и остался рентабельным. Этим проблемам посвящена статья.

УСЛОВИЯ Необходимо понимать, что 1-Вт светодиод — это исторически сложившееся условное определение. Подавляющее большинство современных условно 1-Вт светодиодов может работать при повышенных токах, а потребляемая ими мощность при этом может составлять 3…6 Вт. Приведённые в статье светотехнические и электрические характеристики светодиодов являются номинальными (измеренными при подаче импульса тока 350 мА длительностью 20 мс) и приводятся в документации производителя. При светотехнических расчётах необходимо учитывать, что световой поток светодиода существенно зависит от температуры кристалла, а в документации приведён световой поток при нормальных условиях (температура кристалла 25°С), что в условиях

реальной эксплуатации практически не встречается. Также необходимо учитывать, что с ростом температуры кристалла снижается и прямое падение напряжения на нём, т.е. потребляемая светодиодом мощность растёт медленнее, чем обычно принято считать. Приведённые в статье экономические показатели рассчитаны из розничных цен продажи. Нас интересуют тенденции и величины относительных изменений, поэтому в данной статье для экономических оценок выбраны розничные цены.

СНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ За последние несколько лет произошёл технологический прорыв в области полупроводниковых источников света, предназначенных для общего освещения, что привело к резкому росту объёма производства таких светодиодов, снижению стоимости светодиодов предыдущих поколений. На примере мощных

светодиодов XLamp производства Cree рассмотрим изменение розничных цен за последние два года (см. рис. 1). Для светильников наружного освещения в 2008 г. наиболее популярным стал светодиод серии XR-E со световым потоком 100 лм, при этом наибольшую светоотдачу имел светодиод XR-E 107 лм, но его цена была непропорционально выше. В 2008 г. выходит светодиод серии XP-E, корпус которого и конструкция сделаны с таким расчётом, чтобы удешевить светодиод в целом при использовании светоизлучающего кристалла, аналогичного тем, что используются в XR-E. Стоимость 100-лм XP-E на момент начала массового выпуска на 5% меньше стоимости светодиода XR-E с аналогичным световым потоком. В 2009 г. с ростом объёмов производства 100-лм светодиод XP-E дешевеет на 26%, т.е. во второй половине года 100-лм светодиод XP-E уже на 30% дешевле 100-лм светодиода предыдущего поколения

Рис. 1. История изменения цен

Современная светотехника, #3 2010

59

разработка и конструирование

Рис. 2. График изменения стоимости 1 лм с увеличением тока питания светодиодов серий XP-C, XP-E и XP-G

лен график изменения стоимости 1лм с увеличением тока питания светодиодов серий XP-C, XP-E и XP-G. На представленном графике наглядно показано, что использование светодиодов на повышенном токе позволяет существенно снизить затраты на светодиоды и, возможно, применять один дорогой светодиод вместо нескольких самых дешёвых, но при этом уменьшить суммарные затраты на светильник. Очевидно, что использование светодиодов при токе питания, равном максимально допустимому, нежелательно, и задача выбора режима работы светодиода комплексная. Ее решение зависит от требуемой энергоэффективности, возможностей теплоотвода и других условий. Условия и пример решения такой задачи рассматривается ниже.

ДОЛЯ СТОИМОСТИ СВЕТОДИОДОВ В СВЕТИЛЬНИКЕ

Рис. 3. Диаграмма стоимости отдельных компонентов светильника

XR-E. В конце 2009 г. в массовое производство запускается 100-лм светодиод XP-C с меньшим по площади кристаллом, чем у XP-E, что существенно влияет на стоимость. Светодиоды XP-C не являются полной заменой XP-E, т.к. их максимально допустимый ток питания существенно меньше, но для тех, кто использовал светодиоды предыдущих поколений при питании током 350 мА, данный факт не играет какой-либо роли. Цены на светодиоды, установленные с III кв. 2010 г., таковы, что 100-лм светодиод уже можно приобрести на 59% дешевле, чем два года назад. При этом появились новые серии светодиодов, но они имеют такие технические характеристики, что прямое сравнение или невозможно или нецелесообразно, т.к. экономически и технически их применение оправдано в разных условиях.

СНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ ЕДИНИ ЦЫ СВЕТОВОГО ПОТОКА Далеко не во всех случаях является корректным сравнение цен

60

www.lightingmedia.ru

одного светодиода с другим. В общем случае для сравнения следует учитывать не только стоимость изделия, но и стоимость печатных плат, монтажа, источников питания и корпуса. Такая задача имеет много вариантов решений. Сначала рассмотрим только ее небольшую часть, а именно, как изменяется стоимость единицы светового потока (лм) светодиодов в зависимости от тока питания и как эта стоимость снижается со временем. Представленная на рисунке 1 история изменения цен отражает и изменение цены 1 лм излучаемого светодиодом потока. В 2008 г. стоимость светового потока составляла 5 долл./100 лм, а во втором полугодии 2010 г. этот показатель будет равен 2,06 долл./100 лм. Вторым способом снижения стоимости люмена является увеличение тока питания светодиода, т.е. за счёт увеличения светового потока от одного светодиода можно получить существенное уменьшении количества светодиодов. На рисунке 2 представ-

Стоимость светодиодов стремительно снижается. Этот факт не может не радовать производителей и потребителей светильников, но стоимость светильников не падает столь же быстро. О чём это говорит? Вовсе не о жадности производителей полупроводниковой светотехники, а о доли стоимости светодиодов в конечной цене светильника. На рисунке 3 показана диаграмма стоимости отдельных компонентов светильника для наружного применения с номинальным световым потоком 7000 лм. Для подготовки данной диаграммы использованы розничные цены продажи отдельных компонентов, поэтому она не может служить основанием для расчёта рентабельности производства полупроводниковых светильников, но даёт вполне адекватное понимание структуры затрат на такое производство. Однако самое главное — это возможность анализа затрат и поиска путей их сокращения. По нашим оценкам, на светодиоды приходится около четверти стоимости светильника. На первый взгляд, это достаточно большая цифра, но если предположить, что светодиод через 2 года будет дешевле в 2 раза, стоимость светильника снизится всего на 12,5%. Это не настолько

разработка и конструирование существенное снижение, которого ждут потребители светильников. На фоне быстрого изменения ситуации на рынке светодиодов уменьшается и доля стоимости светодиодов в цене светильников, при этом стоимость других компонентов остаётся неизменной, а иногда и повышается. В таких условиях подбор светодиодов для вновь разрабатываемых светильников необходимо производить комплексно, исходя из стоимости сопутствующих компонентов, корпуса и производственных затрат.

Рис. 4. Диаграмма с техническими и стоимостными показателями наборов светодиодов

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА СТОИМО СТИ КОМПОНЕНТОВ СВЕТИЛЬНИКА На примере выбора решения и оценки стоимости компонентов светильника рассмотрим три варианта реализации светильника наружного освещения с номинальным световым потоком 7000 лм и возможностью использования вторичной оптики. Для выбора решения и оценки стоимости зададимся следующими условиями: – светодиоды используются при токе не более 0,75 от максимально допустимого; – стоимость корпуса светильника пропорциональна его размеру, а размер пропорционален тепловой мощности, выделяемой светодиодами; – стоимость источника питания прямо пропорциональна его мощности; – стоимость печатной платы и монтажа светодиодов прямо пропорциональна количеству светодиодов. Для расчёта возьмём решения на трёх типах светодиодов Cree XLamp: 100-лм XP-E– наиболее популярный в 2008–2009 гг.; 100-лм XP-C — самый дешёвый мощный светодиод со световым потоком 100 лм; 139-лм XP-G — самый энергоэффективный и дорогой мощный однокристальный светодиод. С целью экономии затрат на светодиоды выберем повышенный ток питания, не превышающий 75% от максимально допустимого. Оценим затраты на светодиоды, потребляемую мощность, энергоэффективность каждого из трёх рассматриваемых вариантов. На рисунке 4 представлена диаграмма с техническими и

Рис. 5. Диаграмма распределения стоимости для трёх вариантов реализации светильника

стоимостными показателями наборов светодиодов, суммарный световой поток которых около 7000 лм. Какие предварительные выводы можно сделать из полученных показателей? 100-лм светодиоды XP-E обеспечивают самую низкую стоимость решения с наибольшим энергопотреблением. Самые дешёвые светодиоды на номинальном токе имеют наибольшую стоимость и среднее энергопотребление. Самые энергоэффективные, но и наиболее дорогие светодиоды при повышенном токе питания обеспечивают среднюю стоимость и наилучшие показатели по энергоэффективности. Какой вариант выбрать? Ответ на этот вопрос при рассмотрении только стоимости светодиодов не является очевидным. Самый энергоэффективный светильник при стоимости электроэнергии в Москве около 0,1 долл./(кВт·ч) не даст экономического эффекта за счёт снижения потребления электроэнергии.

Рассмотрим задачу выбора шире, а именно, вернёмся к вопросу о доли стоимости светодиодов и оценим затраты на остальные компоненты светильника: печатные платы, источник питания, корпус и опционную вторичную оптику. На рисунке 5 приведена диаграмма распределения стоимости для трёх вариантов реализации светильника. Полученные данные позволяют сделать заключение, что для решения задачи необходимо выбрать наиболее современный, самый дорогой и энергоэффективный 139-лм светодиод XP-G, что было неочевидно при учёте стоимости только светодиодов (без остальных компонентов светильника). Экономия ещё более существенна в случае применения вторичной оптики, т.к. ее стоимость почти не зависит от модели светодиода, а определяется только количеством светодиодов. Подобные расчёты можно произвести для других моделей светодиодов: например, очевидно,

Современная светотехника, #3 2010

61

разработка и конструирование что следует рассмотреть светодиоды XP-E со световым потоком 107 или 114 лм, — возможно, их применение будет оправдано.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Приведённые в статье экономические выкладки не претендуют на абсолютную универсальность и применимость для каждого случая. Они показывают, что проблема выбора светодиода не определяется лишь отношением стоимости светодиода к его световому потоку. Рассмотренный пример выбора решения применим здесь и сейчас. Через полгода картина может ощутимо измениться — произойдёт запуск в массовое производство более эффективных светодиодов, снизятся цены на существующие модели. Светодиоды стремительно дешевеют, и как минимум до середины следующего года не имеет

смысла разрабатывать светильники с использованием наиболее популярных на текущий момент моделей светодиодов, т.к. в следующем году популярными станут сегодняшние новинки. Для текущего же производства целесообразно использовать уже получившие широкое распространение светодиоды, т.к. их стоимость уже снизилась. Как выбирать светодиоды производителям светильников в таких условиях? Необходимо различать две задачи: текущее производство и новая разработка. Для каждой из них используются разные подходы. Для обеспечения потребностей текущего производства светильников экономически оправдано: – периодически заменять модель светодиода, чтобы снижать стоимость светильника; – рассматривать возможность выпуска новой модификации

светильника с большим световым потоком, заменив только модель светодиода; – обновлять экономические расчёты стоимости светильника, которые были произведены при его разработке для учета тенденций и поиска правильного пути снижения затрат. При разработке новых светильников целесообразно: – использовать самые современные светодиоды; – оценивать не только затраты на светодиоды, но и на остальные компоненты светильника; – разрабатывать и внедрять светильники в минимальные сроки для снижения риска морального устаревания и создания заведомого дорогого светильника; – производить экономические оценки на объёмы выпуска «сейчас», т.е. на ближайшие полгода-год.

Замедление темпов роста рынка светодиодов

На рынках сотовых телефонов, ПК и некоторых других сегментов наблюдается внезапный спад объемов продаж. Эта тенденция может оказать влияние на производителей полупроводников. В настоящее время наблюдается замедление темпов роста на самом активном рынке — рынке светодиодов. Аналитики сделали эти выводы на основе данных компании Cree Inc. за эту неделю и некоторых других тенденций. В докладе Ханса Мосесмана (Hans Mosesmann), аналитика компании Raymond James & Associates, отмечается, что в соответствии с данными Cree, спрос на устройства, предназначенные для нужд общего освещения, не ослабевает, а уровень складских запасов достаточно хороший. Однако при этом намечается тенденция ослабления спроса на ТВ со светодиодной подсветкой, а также сезонное снижение темпов его роста в Европе, что влияет на перспективы состояния рынка в III кв.

62

www.lightingmedia.ru

Неясно, как долго продлится внезапное замедление темпов роста на рынках дисплеев со светодиодной подсветки — один или несколько кварталов? Более важный вопрос: насколько независимы рынки общего освещения, на которых продаются светодиоды Cree, от слабеющих рынков дисплеев? По мнению Мосесмана, на рынках дисплеев в течение нескольких кварталов будет наблюдаться динамика избыточных поставок, связанная с субсидиями Китая в производство светодиодов, а также с почти полной независимостью компании Samsung от поставок светодиодов для ТВ с СД-подсветкой. Динамика рынков общего освещения в корне отличается от кривой потребления светодиодов на рынках дисплеев. Однако учитывая, что объемы продаж Cree, по расчетам Raymond James & Associates, на азиатском рынке (не включая Японию) составляет свыше 60%, избыточное предложение светодиодов не самым лучшим образом скажется на продажах Cree на рынках общего освещения. Представитель Cree сообщил о рекордном доходе компании в 264,6 млн долл. за IV кв. 2010 г., который закончился 27-го июня 2010 г. Этот показатель на 79% выше достигнутого в прошлом году, и на 13% выше по сравнению с III кв. 2010 г. В соответствии с принципами учета GAAP, чистый доход Cree за IV кв. вырос за год на 445%.

Cree сообщила о доходе в 867,3 млн долл. за 2010 ф.г., что на 53% превышает этот показатель за 2009 ф.г. По словам Сака Свободы

(Chuck Swoboda), председателя и исполнительного директора Cree, 2010 фискальный год «стал значимым годом для Cree. Это была настоящая светодиодная революция». В I кв. 2011 фискального года, который закончится 26-го сентября 2010 г., Cree намеревается получить прибыль размером 270—280 млн долл. В соответствии с GAAP, чистый доход компании может составить 52—56 млн долл. Темпы роста рынка светодиодов снижаются. Падают объемы продаж, возникают проблемы со складскими запасами у тайваньских ODM-производителей, что не может не отразиться на глобальном рынке микросхем.

10-го августа аналитики с Уолл-стрит понизили прогнозируемый показатель доходов и оценку заработной платы в 2010 г. для корпорации Intel Corp. на основе того факта, что задержки в цепочке поставок для тайваньских производителей ПК указывают на резкое снижение доли заказов в конце июля. Суммарный уровень складских запасов цепочки поставок вырос на 10% во II кв. по сравнению с I кв. этого года. Это обстоятельство внушает опасения того, что в недалеком будущем рентабельность продаж полупроводниковых компаний и их доходы снизятся. eetimes.com/ Автор: Mark LaPedus Перевод: Владимир Фомичёв

разработка и конструирование

Проблемы явных и скрытых энергетических потерь в светодиодных осветительных приборах Часть 2 Пять-шесть лет назад на только зарождающемся рынке полупроводникового света мало кто мог предположить, что через некоторое время наука о теплообмене станет доминирующей при создании светильников на основе мощных светодиодов. В настоящее время тепловое моделирование стало первым и важнейшим звеном в цепочке вопросов, решаемых при разработке светильников. Именно решение в области теплоотводящих систем может дать ответ на вопрос, каким световым потоком будет обладать разрабатываемое изделие, и насколько оно будет надёжным.

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОМ

С

Самый заметный параметр, связанный с тепловым анализом — т.н. фактор cold/hot (см. рис. 1). Этот параметр был введён в обиход компанией Philips Lumileds несколько лет назад и активно используется разработчиками как один из основных качественных показателей. По сути, он представляет собой зависимость светового потока от температуры p-n-перехода. Пользуясь этим графиком, можно оценить, какой световой поток будет у разрабатываемого изделия в рабочей точке температур. Однако не следует думать, что таким образом можно определить реальную световую отдачу светодиода. Этот параметр даёт ответ только в отношении светового потока, за световую отдачу отвечает и показатель потребляемой мощности. Он же, в свою очередь, зависит от падения напряжения на кристалле, которое тоже связано с температурой. Известно, что с ростом температуры сопротивление полупроводника уменьшается. Из этого

следует, что в режиме постоянного тока падение напряжения на светодиоде уменьшается. Казалось бы, светоотдача должна вырасти, т.к. потребляемая светодиодом мощность уменьшилась. Однако из графика cold/hotфактора видно, что светоотдача с ростом температуры перехода падает. К сожалению, здесь также даёт знать о себе физика полупроводника. Давайте рассмотрим процесс работы светодиода более подробно. На рисунке 2 схематично показано строение атома. Вокруг ядра вращается несколько электронов на различных орбитах. Величина орбит определена энергетическим уровнем соответствующего электрона, иными словами, его энергией. Каждому из этих уровней соответствует определённая энергетическая зона. Различают три основные энергетические зоны — валентную, запрещённую и зону проводимости. Как извест-

но, для генерации фотонов примесные электроны выталкиваются приложенным потенциалом в зону проводимости и при переходе назад, в запрещённую зону, сбрасывают избыточную энергию в виде фотона. Очевидно, что значение этой энергии прямо пропорционально внутреннему квантовому выходу светодиода. В генерации излучения участвуют преимущественно электроны n-типа, именно поэтому внутренний квантовый выход настолько чувствителен к температуре. Ведь с её повышением n-электроны получают дополнительную энергию, которая способна сравнительно длительное время удерживать их в зоне проводимости. Таким образом, некоторое время они обладают всеми свойствами свободного электрона и, следовательно, количество электронов, сбрасывающих энергию при обратном переходе в запрещённую зону, сокращается. Неминуемо

Геннадий Терехов Технический директор ООО «Светотроника». Окончил Тульский Политехнический Институт, кафедра Технической кибернетики. Награжден медалями ВДНХ в 1985 и 1987 гг. за разработки встроенных микропроцессорных устройств и внедрение их в серийное производство. Участвовал в проектировании систем управления архитектурно-декоративным освещением для компаний «ГАЗПРОМ» и «Миракс Групп». С 2009 года занимает пост технического директора ООО «Светотроника».

Антон Булдыгин Окончил Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики, кафедра оптоэлектронные приборы и системы. Участвовал в работах по созданию систем ориентации спутников ВПК. Позже занимался разработкой систем автоматизации зданий в интеграционной компании. С 2009 года руководитель группы разработок ООО «Светотроника».

Современная светотехника, #3 2010

63

разработка и конструирование

Рис. 1. График cold-hot factor, отображающий зависимость светового потока от температуры p-n перехода

Рис. 2. Схема строения атома полупроводника

Рис. 3. Метод тепловых сопротивлений

сокращается и внутренний квантовый выход кристалла, который, в свою очередь, уменьшает световую отдачу светодиода. Совершенно очевидно, что падение напряжения и уменьшение внутреннего квантового выхода светодиода происходят непропорционально. Это приводит к значительному уменьшению световой отдачи, независимо от падения потребляемой мощности. Поэтому необходимо, в первую очередь, оценить температурный режим светодиода, из чего затем

64

www.lightingmedia.ru

можно получить представление об эффективности всего светильника и его световом потоке. Полагаться же на значение светового потока, которое указывает производитель светодиодов в описании, недопустимо, поскольку производитель не может знать, в какой именно конструкции и, следовательно, в каком температурном режиме будет использоваться его изделие. Параметр светового потока светодиода всегда указывается для температуры кристалла 25°С в импульсном режиме. Впол-

не понятно, что такие условия на практике не используются. Практика проектирования показывает, что оптимальным температурным режимом кристалла можно считать режим, лежащий в пределах 75… 90°С. Отклонения в меньшую сторону чреваты перерасходом материалов или светодиодов, что экономически невыгодно. Отклонения же в большую сторону грозят значительным снижением надёжности изделия. Для этих температур за усреднённое значение падения светового потока можно взять величину 10—12%. Разумеется, такие величины не могут остаться неучтёнными в расчётах. Вот почему разработку светодиодного осветительного прибора следует начинать именно с теплового анализа. Для этого в настоящее время существуют два метода расчетов — конечных элементов и тепловых сопротивлений. Они различны по своему принципу, и задачи, которые решаются с помощью каждого из них, также различны. Метод тепловых сопротивлений (см. рис. 3) изначально использовался для определения температур мощных диодов и активных электронных компонентов. Для этого он обладал достаточной для оценки точностью, и необходимость в более сложных расчётах возникала нечасто, разве что для определения температур мощных MOSFET-массивов. Однако для расчётов светодиодных модулей в большинстве случаев этот метод малоэффективен. Причиной тому — его абсолютная неприспособленность для анализа работы больших массивов источников тепловой мощности. Этот метод не оперирует тепловыми величинами, а пользуется только эквивалентным тепловым импедансом. В массиве эти импедансы, как правило, уравнены в параллельном включении, и тепловые взаимосвязи в работе такой системы попросту теряются. Иными словами, этот расчет — то же самое, что измерение средней температуры по больнице. Его точность падает прямо пропорционально увеличению массива источников тепла. Впрочем, он вполне пригоден для вычисления режимов небольших модулей, содержащих 5—6 мощных светодиодов. Ко всему прочему, само тепловое сопротивление не явля-

разработка и конструирование

Рис. 4. Метод конечных элементов

ется константой. Оно зависит от температуры сред, в которых возникает, а потому можно с уверенностью считать его скользящей величиной, определить которую объективно неподготовленному специалисту крайне тяжело. Полагаться же на методики и данные, описанные производителями светодиодов, следует осторожно, т.к. вся эта информация приводится также исключительно для несложных оценочных расчётов. Авторам удалось обсудить эту тему со специалистами технической поддержки трёх крупнейших производителей мощных светодиодов и нас заверили в том, что во всех без исключения случаях для анализа они пользуются только расчётами методом конечных элементов. И это весьма обоснованно. Метод конечных элементов, кстати, имеющий русские корни, появился в 1940-х гг. Однако широкое распространение он приобрел только к концу 1960-х гг. Толчком стала незаменимость этого метода для прочностных расчётов в строительстве и только появившиеся тогда ЭВМ, способные решать комплексные задачи. Этот метод расчётов можно считать единственно объективным, т.к. он оперирует только абсолютными физическими величинами и законами тепломассообмена. Его суть заключается в дифференциации объёма детали на конечные элементы — тетраэдры и призмы (см. рис. 4) и придания их узлам физических свойств материала этой детали. Результаты расчётов можно интерпретировать в некоторую эпюру, которая с той или иной степенью объективности покажет распределённые по объ-

66

www.lightingmedia.ru

ёму детали нагрузки. В частности, анализ эпюр распределения тепла в объёме теплоотвода позволяет разрабатывать максимально эффективные конструкции во избежание перерасхода дорогостоящих алюминиевых сплавов. А возможность оценивать работу лучистого теплообмена, эффективность которого крайне велика, и вовсе исключает овердизайн изделия. Разумеется, произвести все эти расчёты специалистам, не имеющим специальной подготовки и опыта, практически невозможно. Ведь дело не только в умении правильно понимать физическую суть данного метода и в способности увязать её с математическим анализом, но и в понимании технологии экструзионного и литейного производства, свойств сплавов и других материалов конструкции, а также экономической составляющей производства. В настоящее время опытный разработчик может воспользоваться профессиональными программными продуктами, которые позволяют в кратчайшие сроки правильно рассчитать самые сложные конструкции теплоотводящих систем. Обратимся к особенностям расчётов. Первое, на что следует обратить внимание, — это тепловое сопротивление самих светодиодов. Определить его объективно можно только при помощи специального оборудования, т.к. далеко не каждый производитель светодиодов указывает диапазон тепловых сопротивлений конкретного продукта. Как правило, производители ограничиваются указанием лишь некоторого усреднённого значения. Пренебречь этим об-

стоятельством было бы неправильно, т.к. разброс значений составляет единицы градусов, что в определённом кейсе может стать решающим фактором. К тому же, как уже отмечалось выше, тепловое сопротивление корпуса светодиода, как и любого другого материала, — величина непостоянная. С ростом температуры оно может изменяться весьма существенно. К тенденции снижения номинального значения теплового сопротивления также следует присмотреться. Казалось бы, это полезная тенденция, т.к. благодаря ей становится легче отвести тепло от кристалла, а значит, получить лучшие параметры. Однако эта эйфория длится ровно до того момента, пока рассматривается собственно светодиод. Как только мы переходим к системе, уменьшение теплового сопротивления влечёт за собой ряд существенных последствий, на которые разработчик обязан обратить самое пристальное внимание. Как ни странно, но в ряде случаев (притом довольно распространенных) с уменьшением теплового сопротивления кристалл/точка пайки температура p-n перехода только возрастает. Это обусловлено тем, что на теплоотвод поступает большее количество тепла, и даже если считать значение конвективной теплоотдачи на границе теплоотвод/воздух постоянным, температура теплоотводящей системы возрастёт. В случае же когда теплоотвод уже достаточно теплонапряжён, уменьшение теплового сопротивления светодиода на 2—3 K может дать прирост температуры p-n перехода в 15—20°С. Увеличение сопротивления также грозит ростом температуры кристалла, поэтому при определении параметров теплоотводящей системы разработчику приходится балансировать между двумя крайностями. Опыт показывает, что оптимальным значением теплового сопротивления светодиода можно считать номинальное значение в 9—10 K/Вт. Очевидно также, что такая теплоотводящая система обладает меньшей инерционностью. Это обстоятельство делает её более чувствительной к изменениям температуры окружающей среды, что необходимо также учитывать в разработке. Существует элемент светодиодного светильника, который,

разработка и конструирование как ни прискорбно, вообще принято попросту исключать из тепловых расчётов, — это источник питания. Несмотря на то, что сам по себе драйвер является источником тепловой мощности, он слабо влияет на температуру теплоотводящей системы из-за большого внутреннего теплового сопротивления. В некоторых случаях принимать его в расчёт как источник тепловой мощности можно только в рекомендательном порядке. Иначе дело обстоит, когда речь идёт о его электрических, а значит, основных для ИП, параметрах. При этом стоит изменить вопрос с предложения «как влияет источник питания на теплоотвод» на «как влияет теплоотвод на источник питания». Если просмотреть предлагаемую производителями техническую документацию на ИП, в большинстве случаев можно отыскать график зависимости отдаваемой мощности от температуры окружающей среды. Авторам удалось изучить лишь некоторую часть документации на самые популярные ИП, но данные расходились слабо. Падение отдаваемой мощности начинается с внешней температуры в 50°С и полностью отсекается на значении 60°С. По сути, эти значения температур вполне реальны для некоторых кейсов, т.к. тепло передаётся на корпус источника питания не только при непосредственном контакте в точках монтажа и конвекцией, но и излучением. Выше уже говорилось о фатальной недооценке лучистого теплообмена, и в этом случае как раз данный фактор выступает в роли решающего. Например, установленный в тесном отсеке драйвер, как показано на рисунке 6, неминуемо находится под воздействием всех трёх видов теплообмена. Учитывая, что он сам генерирует некоторое количество тепла, а иногда это достаточно большие мощности, возможна ситуация, когда его температура будет больше температуры теплоотвода. В этом случае важно правильно оценить нагрузку на драйвер в зависимости от его рабочей температуры. Некоторые современные источники питания также оснащены системой защиты от перегрева, контролирующей температуру выпрямительного моста и токового ключа в пределах 90°С. Это со-

Рис. 5. График зависимости отдаваемой ИП мощности от температуры окружающей среды

Рис. 6. Проект светильника с открытой защитной крышкой

вершенно оправданный шаг, т.к. выход из строя данных элементов может привести к возгоранию. Отметим, что в конструкции, обладающей довольно большим тепловым сопротивлением, значение 90°С на источнике тепла вполне достижимо уже при температуре окружающей среды в 55—60°С. По этой причине следует самым внимательным образом оценивать работу системы теплоотвод/ИП, проектируя конструкцию светильника. За рамками данной статьи остались и более тонкие вопросы, связанные с многократным термоциклированием системы в сравнительно широком диапазоне температур. Эти технические тонкости, незначительные на первый взгляд, играют решающую роль при оценке наработки светодиодных светильников на отказ. Опыт зарубежных коллег позволяет с уверенностью прогнозировать, что с наступлением эры массового применения светодиодных светильников для уличного освещения эта проблема встанет очень остро. Подлежит

изучению процесс термоциклирования различных по исполнению плат MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board), долговечность и надёжность органических и силиконовых теплопроводящих паст и матов, поведение контактных площадок светодиодов в точках пайки и многое другое. Однако исследование поведения различных материалов при термоциклировании занимает достаточно большое количество времени, поэтому быстрых результатов ожидать не приходится. В качестве профилактики при оценке работоспособности конструкции проектировщику следует уделять более пристальное внимание тем элементам, которые на первый взгляд выглядят незначительно, но вполне могут сыграть роковую роль при эксплуатации изделия. Напомним, что поначалу так было и с наукой об управлении теплом. Со временем она изменила свою роль из незначительного приложения до решающего фактора, определяющего важнейшие качественные показатели изделий в целом.

Современная светотехника, #3 2010

67

силовая электроника для светотехнике

Источники питания серии PLP для монтажа в светильник Представлены открытые источники питания, специально предназначенные для монтажа внутрь корпуса светодиодного светильника мощностью 20...60 Вт с корректором коэффициента мощности и диапазоном температур –30…70°C.

В

В светодиодных светильниках применяются два разных варианта конструкции.

1. Светодиодная панель + источник питания в отдельном корпусе (см. рис. 1) 2. Источник питания находится внутри корпуса светильника (см. рис. 2). В конструкции варианта 2 использован источник питания в корпусе. В настоящее время возрастает спрос на недорогие и компактные светодиодные источники питания, отвечающие следующим требованиям: наличие встроенного корректора коэффициента мощности (ККМ); широкий температурный диапазон –30. . .70°C; соответствие требованиям стандартов по электробезопасности и электромагнитной совместимости. Отвечая на запросы рынка, компания Mean Well выпустила серию светодиодных источников питания PLP в бескорпусном исполнении (см. рис. 3), соответствующую всем указанным требованиям. Это компактные дешевые источники питания, которые интегрируются в конструкцию такого светодиодного оборудования как светодиодные вывески; светодиодные светильники; прожекторы светодиодной декоративной подсветки и заливки стен светом. В составе серии PLP-20, PLP-30, PLP-45, PLP-60 — модели мощностью 20, 30, 45, 60 Вт. Варианты моделей и их отличия приведены в таблице 1. Источники питания этой серии являются функциональными аналогами широко известных модулей се-

68

www.lightingmedia.ru

Рис. 1. Конструкция светильника «Светодиодная панель + источник питания»

Рис. 2. Конструкция светодиодного светильника со встроенным источником питания [1]

рий PLN и CLG соответствующих мощностей, а отсутствие корпуса и теплопроводящего компаунда уменьшает массу и стоимость модуля. Отсутствие корпуса у этих модулей повы-

шает удобство монтажа блока питания в корпус светильника и монтажа светильника конечным потребителем. Основные технические параметры источников питания PLP:

Сергей Кривандин, kriv@compel.ru Технический руководитель направления «Источники питания» ЗАО «Компэл», кандидат технических наук по специальности «Радиотехнические и телевизионные системы и устройства», доцент.

Андрей Конопельченко, avkon@compel.ru Инженер-консультант «Компэл». Окончил Волгоградский государственный университет по специальности «Радиофизика и электроника». Работал ведущим инженером-разработчиком импульсных источников питания.

силовая электроника для светотехнике Таблица 1. Варианты моделей светодиодных источников питания PLP Наименование

Pвых, Вт

PLP-20-12 PLP-20-18 PLP-20-24 PLP-20-36 PLP-20-48

19,2 19,8 19,2 18 19,2

PLP-30-12 PLP-30-24 PLP-30-48

30 31,2 30,24

PLP-45-12 PLP-45-24 PLP-45-48

45,6 45,6 45,6

PLP-60-12 PLP-60-24 PLP-60-48

60 60 62,5

Uвых, В Iвых, А Выходная мощность 20 Вт 12 0...1,6 18 0...1,1 24 0...0,8 36 0...0,5 48 0...0,4 Выходная мощность 30 Вт 12 0...2,50 24 0...1,3 48 0...0,63 Выходная мощность 45 Вт 12 0...3,8 24 0...1,9 48 0...0,95 Выходная мощность 60 Вт 12 0...5,00 24 0...2,50 48 0...1,30

а)

Уровень шумов и пульсаций, В 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,0 2,6 3,7 4,2 3,8 4,8 4,5 4,5 4,5

б)

Рис. 3. Открытые источники питания: а) cерия PLP-20; б) cерия PLP-60

Рис. 4. Зависимость выходной мощности источника питания от температуры окружающей среды (на примере PLP-45 при горизонтальном расположении модуля)

Рис. 5. Зависимость времени жизни источника питания от нагрузки и температуры окружающей среды

70

www.lightingmedia.ru

– универсальный вход 90…264 В переменного тока; – режим работы CC+CV (стабилизация выходного тока или выходного напряжения); – встроенный ККМ; – коэффициент мощности >0,9; – высокий КПД 80—90%; – электрическая прочность изоляции вход/выход 3,75 кВ переменного тока; – уровень пульсаций 2,5…5 В; – диапазон подстройки выходного тока 75…100% от номинала; – комплекс защит от короткого замыкания, перегрузки, перенапряжения, перегрева (только PLP-20); – диапазон рабочих температур: –30…70°C. В светодиодном светильнике важно обеспечить хороший отвод тепла от светодиодов. Источник питания находится внутри корпуса светильника (см. рис. 2), и он не должен дополнительно нагревать светодиоды. Кроме того, тепло светодиодов не должно ухудшать температурный режим работы источника питания. Как выбрать терморежим источника питания? Важно учитывать температурную зависимость (см. рис. 4) выходной мощности источника питания от температуры окружающей среды. Нагрев источника питания влияет на его время жизни. На рисунке 5 приведены графики времени жизни при температуре 20—70°C и нагрузке 50, 75 и 100% от номинальной. Они сняты для GLG-150 в металлическом корпусе и с заливкой компаундом. Однако качественный характер зависимостей сохранится и для открытых источников питания серии PLP: повышение температуры и увеличение нагрузки уменьшает время жизни. Анализ графиков рисунков 4 и 5 показывает, что следует стремиться обеспечить рабочую температуру источника питания PLP ниже 50—60°C. Кроме того, необходимо задать запас по мощности в 5—10%. Однако значительно недогружать источник питания не следует, т.к. при снижении нагрузки ниже 75—80% уменьшается КПД (см. рис. 6) и коэффициент мощности (см. рис. 7), что может быть недопустимо в конкретном приложении. Таким образом, для источника питания PLP-45-48 с выходным напряжением 48 В

силовая электроника для светотехнике работа в диапазоне нагрузок 75—95% от номинальной мощности 45 Вт сохранит высокие значения и коэффициента мощности 0,95—0,97, и КПД = 91—93%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Светодиодное освещение офисов и улиц, подсветка театральных и концертных залов, архитектурная подсветка все шире внедряются в практику. Разнообразие задач и технических требований диктует применение источников питания в разных конструктивных исполнениях. Представленные компанией «Компэл» источники питания для светодиодных светильников позволяют разработчику выбрать оптимальное решение для наружной или внутренней установки; источник питания, отдельный от светильника или встроенный в его корпус [2]. Более подробную информацию об этих и других источниках питания для светодиодного освещения см. на http://catalog.compel.ru в разделе «Источники питания/ИП для LED». Источники питания мощностью 20—65 Вт серии PLP в открытом исполнении, с ККМ, с

Рис. 6. Зависимость КПД от нагрузки (на примере PLP-45)

Рис. 7. Зависимость коэффициента мощности от нагрузки (на примере PLP-45)

широким диапазоном рабочих температур имеются на складе «Компэл» в Москве, их можно оперативно приобрести у менеджеров по продажам.

ЛИТЕРАТУРА 1. www.svetorezerv.com.

2. Модули питания светодиодов ускоряют выход светильника на рынок//Современная светотехника. 2010. №2.

Будущее — за эффективными планарными LED-светильниками

Планарные модули освещения Oree

Планарные светодиодные светильники — новая категория продукта, которая использует светодиодную технологию для создания крупных планарных поверхностей однородного света. За прошлое десятилетие мы стали свидетелями того, как светодиодная технология становилась лидером на светотехническом рынке. Это произошло из-за феноменального

усовершенствования производительности и надежности мощных светодиодов и сокращения стоимости. Это, безусловно, стало возможно благодаря увеличению объемов производства. Перечисленные усовершенствования означают, что светодиоды заменят традиционное освещение во многих приложениях. Раннее использование светодиодов ограничивалось световой индикацией и

светофорами, в то время как сегодня мы видим широкий диапазон приложений, таких как розничная продажа и витринное освещение, внутренние и наружные вывески, настенные светильники, подсветка для LCD и уже как замена ламп накаливания. Развитие светодиодной технологии также вызвало создание новых приложений, которые не Одна из общих мер для многих новых приложений светодиодной технологии – технология планарного освещения, которое позволяет создавать однородные светящиеся поверхности. Поскольку светодиоды – точечный источник, создание больших поверхностей однородного света всегда стоило чрезмерно дорого, что и привело к существенному падению эффективности. Однако выяснилось, что новая технология устанавливает светодиодное планарное освещение как универсальную категорию продукта, без ущерба оптической эффективности, форм-фактору продукта или возможностям. www.ledsmagazine.com

Современная светотехника, #3 2010

71

системы управления освещением

Эффективное управление мощными светодиодами

Р

Развитие технологии изготовления мощных светодиодов в последние десять лет привело к тому, что они по энергоэффективности сравнялись, а в отдельных случаях и превзошли рекордсменов прошлых лет — люминесцентные светильники. Однако при конструировании ламп на основе светодиодных излучателей перед разработчиками встают несколько проблем, требующих тщательной проработки для их разрешения. Во многом эти проблемы вытекают из достоинств самих светодиодов как источников света. Например, низкие рабочие напряжения (около 4 В для светодиодов с белым цветом свечения), являющиеся несомненным плюсом при создании портативных устройств, при переходе к питанию от сети требуют использования достаточно сложных преобразователей напряжения. Кроме того, крайне нелинейная зависимость светимости светодиодов от приложенного напряжения (практически экспоненциальная) заставляет для обеспечения нормального режима работы использовать в таких преобразователях режим постоянного выходного тока, а не напряжения. Ещё одной проблемой становится обеспечение отвода тепла как от самого светодиода, так и от схемы его питания, что связано с небольшими размерами излучателя и, как следствие, высокой удельной рассеиваемой мощностью — и это при том, что светодиоды, как и любые полупроводниковые приборы, крайне чувствительны к повышению температуры и нормально работают при температуре полупроводникового перехода не более 150°C. Для исключения возможности лавинообразного повреждения светодиодов, зачастую соединяемых в последовательно-параллельные цепи, необходимо предусмотреть защиту от перегрева и перенапряжения. Для того, чтобы светодиодные светильники могли конкурировать по эффективности с традиционными (в особенно-

72

www.lightingmedia.ru

сти с люминесцентными), схема управления должна обеспечивать максимально возможный КПД преобразования. И наконец, схема управления должна быть ещё и максимально дешёвой при высокой её надёжности, что особенно важно из-за того, что современные мощные светодиоды пока не могут конкурировать с другими экономичными источниками света по цене, будучи в разы более дорогими, так что дорогостоящая система питания сведёт к нулю вероятность массового распространения светодиодного освещения. Столь противоречивые требования к системе управления заставляют разработчиков подходить к выбору элементной базы с особой тщательностью. В настоящее время микросхемы для источников питания светодиодных светильников выпускаются многими фирмами, однако большинство из них строится по стандартным аналоговым схемам импульсных источников питания. Хотя аналоговая схемотехника таких ИС отработана многими десятилетиями, некоторые особенности, присущие светодиодам как нагрузке, усложняют и удорожают их использование при попытке задействовать все преимущества светодиодов. Мало того, вследствие введения жёстких ограничений на значение коэффициента мощности (что вызвано широчайшим распространением импульсных источников питания (ИИП), представляющих собой в большой мере реактивную нагрузку, увеличивающую энергопотери в подводящей сети), в схему ИИП

приходится вводить корректоры коэффициента мощности. А это, в свою очередь, усложняет и удорожает схему, приводя в то же время к увеличению её габаритов. Многие из этих проблем удаётся разрешить, используя цифровые методы построения ИИП на базе специализированных микроконтроллеров. Типичная блок-схема такого ИИП приведена на рисунке 1. Как видно из неё, применение соответствующего микроконтроллера обеспечивает раздельное управление яркостью свечения нескольких линеек последовательно соединённых светодиодов, работу преобразователя сетевого напряжения, коррекцию коэффициента мощности, обмен управляющими сигналами по силовой сети и возможность подстройки яркости светильника к реальным условиям освещённости. Таким образом, использование микроконтроллера позволяет существенно упростить конструкцию и настройку узла питания светодиодных светильников, расширив в то же время его возможности как в части внешнего управления, так и адаптации параметров света к требованиям пользователя, так как наращивание возможностей достигается без существенного удорожания аппаратной части — в противоположность аналоговым схемам. Однако добиться приемлемой стоимости подобной конструкции возможно только при правильном выборе её «сердца», т.е. самого микроконтроллера. В этом плане большой интерес представляет относительно новая серия микро-

Эрмин Машурян, erminmas@gmail.com С отличием закончил МИРЭА по специальности радиотехника, во время учёбы участвовал в НИР, в т.ч. базовой кафедры при НИИ Приборостроения. Затем работал в СКБ «Темп» Московского радиозавода; был директором филиала при НПО «Химавтоматика» в Центре НТТМ «Москворечье»; руководил компьютерной службой в ООО «Компания Новенка»; с 2000 по 2003 г.г. — сотрудник отдела закупок ООО «Формоза»; постоянный автор, менеджер по информационным технологиям и научный редактор медиа группы «Электроника»; занимается переводом книг по радиоэлектронике и физике.

системы управления освещением

Рис. 1. Упрощённая схема блока питания светодиодного светильника

Рис. 2. Структура МК семейства Piccolo

контроллеров Piccolo от Texas Instruments (TMS320F280xx). Блоксхема микроконтроллера этого семейства представлена на рисунке 2, а основные характеристики — в таблице 1. Стоит отметить, что время преобразования 12-разрядного встроенного АЦП составляет от 500 нс для ИС F2802xx до 217 нс у старших ИС F2803xx, что соответствует частотам от 2 до 4,6 МВыб/с. Помимо

74

www.lightingmedia.ru

стандартных портов ввода/вывода, микроконтроллеры оснащаются и распространёнными интерфейсами I2C, UART, одним или двумя каналами SPI, а некоторые модели — и интерфейсом CAN. Ещё одной интересной особенностью МК данного семейства является наличие в старших моделях F2803xx сопроцессорного блока CLA (Control Law Accelerator), который обеспечивает вплоть до пятикратного ускорение

отработки алгоритма регулирования при работе с нецелочисленными коэффициентами. Это особенно ценно в случае сложных адаптивных алгоритмов, так как само по себе вычислительное ядро Piccolo ориентировано на работу с 32-разрядными целыми числами (в том числе и на операции умножения, выполняемые за 1 такт). Питание микроконтроллеров осуществляется от одного источника

системы управления освещением напряжением 3,3 В (формирование напряжения 1,8 В для питания ядра осуществляется встроенным стабилизатором), а встроенные схемы контроля напряжения питания обеспечивают корректную работу как при включении, так и при выходе напряжения питания за заданные границы. Встроенная схема тактирования обеспечивает как работу с внешними частотозадающими цепями, так и высокостабильное тактирование без использования внешних элементов, а разрешающая способность ШИМ в 150 пс — широкий диапазон регулирования. Упаковываются МК в корпуса TSSOP38, LQFP 48,64 или 80. Всё это в сочетании с низкой стоимостью (от 2,5 до 5,5 доллара США в крупных партиях — цены ориентировочные) и доступностью средств разработки и отладки делает МК этого семейства крайне привлекательными для использования, в том числе и в источниках питания светодиодных светильников. Однако очевидно, что сколь бы подходящ по параметрам и дёшев не был бы микропроцессор, если в распоряжении инженера не будет не просто средств разработки, но именно доступных по цене средств, а также достаточно богатой библиотеки типовых функций, успеха такой микропроцессор на рынке иметь не будет — так как рынок этот в высшей степени насыщен и выбор огромен. Но в отношении Piccolo проблем, скорее всего, не предвидится — Texas Instruments предлагает широкий спектр и специализированных, и универсальных наборов разработчика, и огромное число программных продуктов для микроконтроллеров этого семейства — от сред разработки до законченных специализированных программных пакетов, предназначенных для работы в контроллерах двигателей, систем энергоснабжения и освещения и т.д. Причём имеются бесплатные версии продуктов с ограничениями либо по сроку полнофункционального использования, либо по размеру генерируемого кода (32 К байт для Piccolo) при неограниченном сроке, а все библиотеки и конечные программы предоставляются бесплатно. Интересно, что большая часть специализированных наборов разработчика поставляется в виде своеобразных «материнских плат», на которых размещается специфи-

Табл. 1 Основные характеристики МК семейства Piccolo (TMS320F2803xx и TMS320F2802xx)

TMS320F2802xx TMS320F2803xx

Тактовая частота, МГц

Разрядность, бит

Память, кБ, ОЗУ/ПЗУ/ Флэш

Каналы ШИМ

40…60 60

32 32

6…12/2/16…64 16…20/2/64…128

8…14 14

ческая аппаратная часть, а процессор добавляется в виде отдельного 100-выводного DIMM-модуля. В виде таких же модулей поставляются и микроконтроллеры других семейств, что обеспечивает определённую переносимость программно-аппаратных решений. Кроме того, для некоторых видов задач бесплатно предоставляются и аппаратные решения — в виде схем и файлов для производителей печатных плат и автоматизированных сборочных линий, что позволяет во многих случаях практически исключить стадию проектирования устройства. Рассмотрим набор разработчика, ориентированный на нашу задачу — управление светодиодным источником света. В номенклатуре TI он называется DC/DC LED Developer's Kit и рассчитан на отработку источников света с питанием от сети постоянного тока напряжением от 12 до 36 В. Особенностью этого набора является использование в нём понижающееповышающих преобразователей с топологией SEPIC с выходным напряжением 20 В и мощностью до 30 ватт на канал регулирования (таких независимых каналов в устройстве 4 плюс 2 дополнительных канала, не задействованных в работе со светодиодами), что позволяет варьировать как число светодиодов в отдельной линейке, так и их тип: например, при использовании в линейках монохроматических светодиодов с различными цветами свечения можно управлять не только яркостью, но и спектральным составом освещения. Это может оказаться в высшей степени полезным при разработке светильников для подсветки архитектурных сооружений или отдельных деталей внутреннего интерьера помещений. Программирование устройства осуществляется с персонального компьютера через USB-интерфейс, а отладка — через стандартный JTAG. В процессе работы управление может осуществляться по стандартному последовательному интерфейсу RS232. Помимо управления яркостью, встроенный микроконтроллер выполняет

Линии Каналы АЦП ввода/вывода 7/13 20/22 14/16 33/45

Рис. 3. Внешний вид отладочного модуля DC/DC LED Developer's Kit

функции защиты светодиодов от перегрузки по току и напряжению, а также контроль исправности светодиодных линеек. Внешний вид набора показан на рисунке 3. Конечно, этот набор не позволит отработать все тонкости системы с питанием непосредственно от сети переменного тока, однако всё, связанное с управлением светодиодами, может быть спроектировано и отлажено. Стоит отметить, что в комплекте с отладочным набором поставляется и соответствующее программное обеспечение (среда разработки для ПК и библиотеки), и все необходимые схемотехнические и конструкторские данные — от схемы устройства до GERBER-файлов печатной платы и перечня используемых компонентов. Для отработки остальных узлов (корректора коэффициента мощности и схемы приёма/передачи управляющих сигналов по силовой сети) можно воспользоваться другими наборами разработчика, предоставляемыми Texas Instruments. Список поставляемых наборов и программного обеспечения можно найти в Интернете на сайте компании по адресу www.ti.com/piccolo, а заказать у её российских дистрибьюторов, например, www.compel.ru. Итак, при рассмотрении возможностей современных микроконтроллеров, можно с уверенностью сказать, что создание многофункциональных, надёжных и дешёвых систем управления светодиодными осветительными приборами возможно уже сейчас — если подойти к выбору элементной базы с правильными критериями.

Современная светотехника, #3 2010

75

системы управления освещением

Беспроводные технологии в системах управления уличным и тоннельным освещением

Сергей Гужов, к.т.н., руководитель отд. электротехнического направления, ООО «Берегун»

ВВЕДЕНИЕ

Н

На протяжении всего ХХ-го в. наблюдалась чёткая тенденция развития и расширения систем, заменяющих рутинные действия человека на труд машин. Разумная автоматизация позволяет управлять техническими комплексами, затрачивая при этом минимум усилий. При управлении достаточно большими или распределёнными по территории техническими комплексами и системами на помощь человеку приходят различные систе-

мы дистанционного контроля и управления. Примечательно, что одно из первых устройств для дистанционного управления было запатентовано Николой Теслой в 1893 г. В настоящее время дистанционно можно управлять самыми различными приборами: от телевизора и DVD-проигрывателя до космических станций. Тема эта слишком широка и многогранна. В данной статье будет освещена только одна часть этой темы — беспроводные системы управления установками уличного и тоннельного освещения. Беспроводное решение определяется как возможность инициировать действия или осуществлять связь с источником света при помощи радиочастотных (РЧ) или инфракрасных волн. Для выполнения какого-либо действия необходимы, по меньшей мере, два устройства: передатчик и приемник сигнала. При этом одно из них или они оба могут работать как приемопередатчики. Началом появления РЧ-технологии можно считать изобретение радио, но

Рис. 1. Схема простейшего подключения «один к одному»

76

www.lightingmedia.ru

вплоть до недавнего времени эта технология не применялась при автоматизации установок освещения улиц. Как отмечают некоторые специалисты, несмотря на значительные изменения, происходящие во многих отраслях промышленности, в индустрии средств управления уличным и тоннельным освещением беспроводные устройства пока еще не находят заметного применения. Однако даже пробные внедрения производят впечатляющий эффект как по экономическому критерию, так и по функциональным возможностям.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ БЕСПРОВОДНЫХ РЕШЕНИЙ Одно из заметных пробных решений было осуществлено в Осло (Норвегия), когда заменили 55 тыс. уличных светильников (см. рис. 1). Старые электромагнитные дроссели были заменены электронными ПРА с применением технологии передачи данных по линям электросети (Power Line Communications — PLC). Технология PLC позволила использовать уже имеющуюся в наличии электропроводку, снизив расходы на модернизацию. Управление всеми сегментами системы и регулирование уличных светильников осуществлялось через ретрансляторы с единого контрольного поста. В процессе работы фиксировалось энергопотребление каждого источника света, информация о плотности дорожного движения и о погодных условиях. Благодаря новой технологии город снизил энергопотребление уличных осветительных установок (УОУ) на 62%, из которых две трети экономии энергии было получено за счет применения передовых на тот

системы управления освещением момент источников света и одна треть — за счет сокращения времени использования ламп. Ожидается, что варьирование уровня освещения в зависимости от погодных условий позволит городу экономить дополнительно 10—15% энергии. Система уличного освещения на базе такой технологии освещает также улицы исторического квартала Квебека (Канада). Особенностью данного проекта является возможность обеспечивать сокращение энергопотребления в часы пиковой нагрузки по запросу энергетических компаний. Выключая декоративное освещение, диммируя уличные светильники или отключая на время неответственное освещение, управление электрических сетей эффективно снижает уровень энергопотребления в целом по городу (см. рис. 2). Сэкономленная таким образом энергия предоставляется в распоряжение энергетических компаний. Метод особенно эффективен в зимнее время при низких температурах и коротком световом дне, когда энергопотребление достигает своего максимума. Новая система позволила сэкономить 30% энергии. В июне 2007 г. в г. Милтон Кейнес (Англия) осуществили первый пробный запуск системы на 400 источников света. Каждый уличный светильник снабжен современным электрическим дросселем, в который интегрирован PLC-трансивер (см. рис. 3). Трансивер сообщается с ретрансляторами, которые, в свою очередь, управляют отдельными секторами системы и связаны с центром контроля, собирающим данные о каждом отдельном светильнике относительно энергопотребления, состояния и сообщения об ошибках. Новая система уже сейчас позволила сократить энергопотребление на 40%. Заметно повысился уровень общественной безопасности и снизились расходы на техобслуживание. В Китае планируется установить управляющие системы не в городах, а для освещения нескольких основных транспортных линий в дельте Янцзы. Это будет первое в мире применение открытой системы на базе IP для автомагистралей и мостов. Для контроля сегментов трансиве-

Рис. 2. Схема подключения «один ко многим»

Рис. 3. Схема соединения светильников «многие к одному»

рами оснащены более 1500 контрольных точек системы. Перечисленные примеры далеко не единственные в мире. Многие города во Франции, Германии, Ирландии, Италии, Нидерландах, Норвегии, Испании уже используют подобные технологии в системах уличного освещения. В среднем, сокращение энергопотребления городов составляет около 40%.

ПРЕИМУЩЕСТВА БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ Исходя из приведенных примеров, очевиден экономический эффект от применения даже систем управления на основе проводных систем. Каковы же принципиальные отличия беспроводных систем управления уличным освещением, и какие выгоды сулит использование новых технологий? Название говорит само за себя: сигнал от передающего устройства к принимающему идет по радиоканалу. Отсутствие необходимости прокладки дополнительных проводов чрезвычайно важно для больших открытых территорий: сотни метров проложенного кабеля — это значительные капиталовложения, некра-

сивый дизайн при прокладке по воздуху. Прокладка электропроводки требует больших усилий и средств, поскольку провод должен быть заключен в специальную стальную трубу, под которую в земле сооружается траншея. Это длительный и дорогостоящий процесс. Радиоканал, в отличие от провода, подвержен только точечным помехам. Первоначально это препятствовало значительному распространению радиоканала. Однако в настоящее время современные цифровые технологии позволяют успешно противостоять подобным воздействиям и обеспечивать надежную и бесперебойную связь между устройствами системы. При использовании РЧтехнологий отпадает необходимость в достаточно дорогом приёмо-передающем устройстве на 220 В. Кроме того, количество источников света, управляемых по системе PLC, ограничено длиной самой 220-В линии, которая в среднем составляет около 1 км (35 светильников). Для управления следующим каскадом светильников необходимо ещё одно приёмо-передающее устройство. При управлении посредством РЧ-

Современная светотехника, #3 2010

77

системы управления освещением технологий такие проблемы полностью исключаются.

ТОПОЛОГИЯ И СТАНДАРТЫ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ До недавнего времени иерархия большинства беспроводных систем делилась на три типа в зависимости от характера подключения: «один к одному», «один ко многим» и «многие к одному» (см. рис. 1—3, соответственно). При подключении «один к одному» беспроводной датчик сигнализирует одному контроллеру; при подключении «один ко многим» один датчик передает информацию многим контроллерам; при подключении «многие к одному» несколько беспроводных датчиков пересылают информацию одному контроллеру. Тип и значение передаваемой информации различны: освещённость, наличие и интенсивность движения на дороге, влажность, температура и другие параметры. При этом в обычной системе УОУ появляются дополнительные возможности. В некоторых случаях такие устройства могут обеспечивать беспроводное подключение устройств системы автоматизированного контроля и управления, сопряжённой с системой видеонаблюдения. Беспроводная РЧ-связь и методы организации беспроводных сетей опираются на такие технологии как цифровая коммутация пакетов, рассеянная передача по полосе частот (шумоподобная передача), сотовая телефония и т.д. Широко известны два основных стандарта локальных беспроводных сетей. Первый, существующий уже 12 лет стандарт беспроводной связи 802.11b, определенный Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), предусматривает работу на часто-

те 2,4 ГГц со скоростью передачи 11 Мбит/с на расстояния до 100 м. Второму стандарту (IEEE 802.11a) всего два года. Он определяет функционирование устройств на частоте 5 ГГц при скорости передачи 54 Мбит/с и дальности подключения опять-таки до 100 м. Стандарт Bluetooth, получивший обозначение IEEE 802.15, был разработан группой Bluetooth Special Interest Group. Он также определяет передачу данных на скорости 721 Кбит/с на частоте 2,4 ГГц и расстоянии до 10 м. Помимо этих двух основных стандартов, в разработке находятся несколько других спецификаций семейства 802.

ОГРАНИЧЕНИЯ НА ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ Многие предприятия, имеющие уличное освещение, были бы не прочь использовать радиосвязь для его автоматизации. Однако большая часть используемых в таких системах светильников заключена в металлические корпуса, разнесена на большие расстояния, частично находится в тоннелях или за металлическими и железобетонными сооружениями, что создает сильные радиопомехи или затрудняет эксплуатацию. С ростом числа устройств, объемов передаваемых данных и с появлением дополнительных источников помех происходит снижение уровня сигнала и пропускной способности как в проводных, так и в беспроводных сетях. Однако нередко беспроводное оборудование позволяет преодолеть эти и другие физические препятствия. Препятствия и находящиеся вблизи некоторые материалы, например металлические или железобетонные стены, воздушные ЛЭП, работающие электродвигатели, движущиеся металлические и другие объекты инфраструктуры

Рис. 4. Схема взаимодействия датчиков светильников при работе в ячеистой сети

78

www.lightingmedia.ru

города создают помехи, ослабляют, отражают, а иногда и блокируют передаваемые сигналы. Например, при установке беспроводного датчика на стене, содержащей крупную балку из конструкционной стали, расстояние уверенной связи устройства может сократиться на 50% . Беспроводные устройства могут быть также чувствительными к радиопомехам от других беспроводных сетей, работающих в той же полосе частот: от беспроводных телефонов, широкополосных передатчиков, радиопереговорных устройств и др. Нередко для решения этих и других нетривиальных проблем приглашаются специалисты по беспроводной связи, которые выполняют обследование условий эксплуатации, определяют точки доступа, места установки вспомогательных антенн и прочих компонентов, необходимых для работы данной системы.

ЯЧЕИСТЫЕ И ДРУГИЕ ТИПЫ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ В СФЕРЕ УПРАВЛЕНИЯ Несмотря на то, что беспроводная технология, организованная по схеме «датчик-ретрансляторприёмник», является очень перспективной, она не может решить всех проблем управления системами УОУ в силу достаточно сложной иерархической структуры. Одним из последних решений в области упрощения структуры систем беспроводной связи являются т.н. «ячеистые сети». Ячеистые сети обеспечивают большую надежность, чем сети другого типа, т.к. при выходе из строя одного из узлов другие узлы остаются работоспособными. Суть функционирования беспроводных ячеистых сетей заключается в отсутствии центрального управляющего устройства (см. рис. 4). Вместо него каждый узел наделен возможностями радиосвязи и действует как передающая точка или маршрутизатор для других узлов, а также может работать как маршрутизатор и передавать сообщения своим «соседям». При ретрансляции пакет беспроводных данных находит свой путь к месту назначения, проходя через несколько промежуточных узлов по надежным каналам связи. В основе большинства методов беспроводной связи, рассматриваемых как вероятные кан-

системы управления освещением дидаты на применение в сфере управления, лежат насчитывающие уже не один десяток лет технологии рассеянной передачи и цифровой коммутации пакетов. Рассеянная (шумоподобная) передача — это передача сигнала сразу по множеству каналов в пределах выделенной полосы пропускания, что способствует устранению перекрестных помех и помех при приеме, а также предотвращает перегрузку каналов. На приемном конце происходит восстановление исходного сигнала из одинаковых шумоподобных порций. Коммутация пакетов тоже позволяет организовать более эффективную связь, обеспечивая увеличение скорости передачи и объемов передаваемых данных. Использование широкополосных технологий, обеспечивающих повышенную степень защиты, может значительно повысить надежность связи. Например, рассеянная (шумоподобная) передача с перескоком частоты надежнее, чем традиционная мо-

дулированная передача: в образовании каждого пакета участвует несколько частот, и потому любой перехваченный сигнал звучит как шум. В настоящее время рассеянная передача осуществляется на частотах 2,4 ГГц, и ей не страшны ни микроволновые устройства, ни двигатели с переменной частотой вращения, ни сварочное оборудование, ни двигатели переменного тока, поскольку генерируемые таким оборудованием помехи лежат в килогерцовом и мегагерцовом диапазонах. Концепция беспроводной связи и управления определенно привлекательна, но сама по себе не может служить стимулом для принятия и широкого распространения этой технологии — по крайней мере, среди специалистов, устанавливающих требования для инженерных решений. Стимулом распространения беспроводных устройств могут быть экономические преимущества и возможность тонкой настройки освещённости улиц и дорог не

только в соответствии с техническими нормами, но и с учётом общегородских нужд. Высокий уровень эффективности и функциональности беспроводных систем управления УОУ с применением центрального сервера обеспечивает снижение энергопотребления на 40% и сокращение эксплуатационных издержек на 30%. При этом неисправности распознаются мгновенно, что сокращает время простоя светильников на 75%. По оценкам специалистов, при внедрении и грамотной эксплуатации беспроводных систем управления УОУ можно экономить до 40% от общего энергопотребления при освещении города. При длине дорог Москвы равной около 4800 км суммарная мощность уличных осветительных установок составляет 40 МВт. При переводе всей Москвы на интеллектуальные системы беспроводного освещения высвободится не менее 64,5 тыс. МВт·ч/год, или 190 млн руб./год. Для начала — вполне серьёзный стимул.

Новости от ОАО «ИНТЕГРАЛ», г. Минск IZ9921, IZ9922, IZ9923 — микросхемы высоковольтного LED-драйвера со встроенным MOSFET-ключом, предназначены для управления декоративными светодиодными подсветками и малопотребляющими светодиодными светильниками. Обеспечивают эффективное управление светодиодами от источника постоянного напряжения до 400 В.

Схемы включения IL9910, IZ9921/22/23 Освоены в серийном производстве LED драйверы IL9910, IZ9921/22/23, не требующие трансформаторной развязки при использовании в устройствах, работающих от сети 230 В переменного тока.

IL9910 — универсальный высоковольтный LED-драйвер сверхъярких светодиодов. Микросхема предназначена для управления цепочками светодиодов с помощью внешнего MOSFET транзистора. Имеет два режима работы: режим управления пиковым током катушки индуктивности (током светодиодной цепочки) с постоянной частотой (на рис. — ключ 1) и режим управления с постоянным временем отключения (на рис. — ключ 2).

Основные характеристики: • входное напряжение на входе VIN от 8 до 450 В; • задаваемый ток в светодиодной цепочке: от нескольких мА до 1 А и более; • управление от одного до сотни светодиодов; • подстройка яркости свечения светодиодов: низкочастотный ШИМ–сигнал по входу PWM_D; линейная под-стройка по входу LD; • диапазон рабочих температур –40… …+85°C; • корпусные исполнения: DIP-8, SO-8, SO-16 (рекомендуется при работе от сети 230 В переменного тока), бескорпусное.

Основные характеристики: • стабилизированный ток: 20/50/30 мА (IZ9921/22/23); • диапазон рабочих температур -40 … …+85°C; • пробивное напряжение закрытого ключа не менее 500 В • корпусные исполнения: бескорпусное, возможны поставки в корпусе ТО-92, SO-8. Более подробную информацию о микросхемах и их применении можно получить в филиале «Завод полупроводниковых приборов» ОАО «ИНТЕГРАЛ»: 220108, Республика Беларусь, г. Минск, ул. Корженевского, 12. Тел.:+375 (17) 278-98-53, факс:+375 (17) 212-20-31.

E-mail: dzumc@integral.by, www.integral.by

Современная светотехника, #3 2010

79

стандартизация и метрология

Актуальные вопросы стандартизации и нормирования в светодиодном освещении Полномасштабное внедрение светодиодов в светотехнике в жилых общественных помещениях, которым автор занимается на протяжении последних 12-ти лет, осуществляется в отсутствие нормативной базы, как для сертификации светодиодных источников света, так и световых приборов на их основе. Настоящая статья является литературно-обработанной стенограммой одного из докладов на конференции «Современная светотехникаУкраина», состоявшейся 17 июня 2010 года в городе Киев, Президентотель. Докладчик — Евгений Долин (Россия, Москва), инженер, независимый эксперт по светодиодным системам. С 1998 по 2008 гг. руководил различны-

рис. 1). Технические регламенты призваны обеспечить безопасность владения и пользования, а также создание технических устройств, в т.ч. световых. Доказательную базу регламентов составляют национальные стандарты и своды правил, а также санитарные нормы и правила. Ниже находятся национальные стандарты, которые не входят в группу поддержки технических регламентов, и стандарты предприятий, ассоциаций и т.д. Все они носят добровольный характер. До сих пор ни один из этих документов не рассматривает светодиоды как источники света, а

светодиодные светильники — как потребительские товары, которые можно было бы сертифицировать по их основным потребительским качествам. Первой попыткой стал национальный стандарт ГОСТ Р МЭК 62031 «Модули СИД для общего освещения. Требования безопасности», являющийся прямым применением международного стандарта. Санитарные нормы и правила устанавливают требования к помещениям, в которых находятся люди. Нормирование уровней освещенности и качества освещения осуществляется гигиенистами и контролируется Роспотребнадзором. Раннее система

ми предприятиями по производству светодиодов и светодиодных систем. Конечно, в силу ограниченного времени выступления, было проблематично раскрыть все тонкости вопросов стандартизации и нормирования в светодиодном освещении. Если у вас возникли какие-либо вопросы в ходе прочтения этой статьи, вы сможете задать их лично автору доклада по e-mail: dolin@ ledforum-moscow.ru

ОТСУТСТВИЕ НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ

О

Отставание от мирового уровня нормативной базы ведет к широкомасштабным поставкам в страну технологически отсталой, зачастую просто вредной, бракованной продукции. Существующая система национальных стандартов и сертификации, которая призвана стать барьером на пути некачественной продукции и стимулом для развития качественного производства, не работает. Современная нормативная российская база устроена таким образом, что на законодательном уровне находятся технические регламенты, а основу составляет доказательная база регламентов (см.

80

www.lightingmedia.ru

Рис. 1. Структура российской нормативной базы

Рис. 2. Евгений Долин, инженер, независимый эксперт по светодиодным системам

стандартизация и метрология наковой, измерения проводились «Лабораторией исследования световых технологий» (ЛИСТ). На подвесном потолке были смонтированы светильники: в одном помещении — светодиодные, в другом — с люминесцентными лампами (см. рис. 3). При этом показатели дискомфорта, уровень освещенности на столе соответствовали требованиям, указанным в таблице 1. Таблица 1. Требования к эксперименту

Рис. 3. Описание установки (слева — контрольная комната, справа — комната со светодиодным освещением)

нормирования была совершенно иной — все вопросы освещенности и требования к системам освещения были изложены в строительных нормах и правилах (СНиП). На сегодняшний день российские СНиПы доживают последние дни, поскольку они не развиваются. Предпринимающиеся с 2003 г. попытки найти механизм усовершенствования правил пока безуспешны.

ПЕРВЫЙ ШАГ  ВНЕСЕНИЕ ИЗ МЕНЕНИЙ В САНИТАРНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА Для того чтобы разрешить применение светодиодных источников света в жилых зданиях и помещениях, был сделан первый шаг по разработке соответствующих санитарных норм в российской системе нормативных

документов. По заказу «Роснано НИИ гигиены и охраны здоровья детей и подростков НЦЗД РАМН проведены исследования психофизического воздействия светодиодных источников света на организм. Гигиеническая оценка давалась путем сравнения люминесцентных и светодиодных светильников. Были выбраны два одинаковых помещения, с точки зрения интерьеров и светоотражения. Кроме того, были смоделированы условия световой среды, соответствующей действующим санитарным правилам. В этом эксперименте использовались высококачественные трехполосные люминесцентные лампы Osram с CRI > 85 и светодиоды компании Cree. Цветовая температура источников света этих двух фирм была подобрана оди-

Рис. 4. Спектральные характеристики двух источников света

Показатель Освещенность, лм Плоскость нормирования, м Показатель дискомфорта Коэффициент пульсаций светового потока Коррелированная цветовая температура, К

Значение 400 ±10% 0,8 < 15 < 10 3500…4500

Суть задания для добровольцевволонтеров состояла в выполнении т.наз. корректорской пробы, т.е. испытуемые должны были находить и вычеркнуть буквенные сочетания в тексте, набранном мелким шрифтом. Оценивались психо-физиологические реакции до испытаний, во время и после. Сравнительные данные о спектре излучения двух источников света приведены на рисунке 4. На нем синяя кривая описывает спектральную характеристику люминесцентных ламп, а розовая — светодиодов. Проведенные на добровольцах медицинские исследования частоты сердечных сокращений, времени переключения внимания и т.д. выявили весьма интересную закономерность — в условиях люминесцентного освещения испытуемые устали значительно быстрее. Их состояние по окончании выполнения полуторачасового задания оказалось существенно лучше при светодиодном освещении. При люминесцентном освещении было отмечено ухудшение нервно-психического состояния испытуемых, выразившееся в снижении функциональной лабильности зрительного анализатора, что свидетельствовало об утомлении нервной системы. При светодиодном освещении наблюдалось улучшение нервно-психического состояния добровольцев, выраженное в возрастании скорости принятия решений, улучшения показателей переключения и распределения внимания. В чем причина того, что светодиодное освещение оказалось

Современная светотехника, #3 2010

81

стандартизация и метрология более комфортным? Возможно, ее можно объяснить с помощью графика рисунка 3. Если рассматривать мозг человека как компьютер, то его энергия в значительно большей мере расходуется на интерпретацию линейчатого спектра люминесцентных ламп, чем в случае более заполненного (и, соответственно, более близкого к естественному) спектра светодиодного источника. Таким образом, эксперимент показал, что светодиодные источники света не наносят человеку большего вреда, чем люминесцентные светильники. Возможно сравнительные методы исследования могут вызвать нарекания, но это первый шаг, доказывающий то, что светодиодные светильники не хуже люминесцентных. В дальнейшем необходимо провести абсолютные исследования. На основании данных эксперимента Роспотребнадзор принял решение об утверждении изменений санитарных норм и правил. В настоящее время первый нор-

мативный документ, устанавливающий законность применения светодиодов в жилых зданиях и общественных помещениях, принят и утвержден.

ИДЕОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗНОБОЙ Вернемся к вопросу стандартов. В настоящий момент складывается идеология светодиодных светильников, которая существенно отличается от идеологии традиционных светильников (см. табл. 2). Традиционный осветительный прибор, предназначенный для решения светотехнической задачи, имеет корпус, который также участвует в решении этой задачи. ГОСТы, описывающие требования к светильникам, описывали и требования к корпусу. Одни ГОСТы разработаны на источники света, другие — на патроны или пускорегулирующую аппаратуру (ПРА). В полупроводниковых светильниках источником света является светодиодный модуль, частично или полностью формирующий световой поток, т.е. элементар-

Таблица 2. Сравнение идеологий построения традиционных и светодиодных светильников Традиционные светильники Значение для свойств изделия Определяющее, решает светотехническую задачу Определяющее, зависит от свойств лампы, решает светотехническую задачу Самостоятельное Зависит от свойств лампы Полупроводниковые (светодиодные) светильники Элемент Значение для свойств изделия Источник света (светодиодный модуль) Определяющее большинство свойств, решает светотехническую задачу Арматура (корпус) Шасси для светодиодных модулей, оболочка Источник вторичного питания Ресурс изделия и ЭМС Элемент Источник света (лампа) Арматура (корпус) Патрон Пускорегулирующая аппаратура

Таблица 3. Существующие ГОСТы на светильники Приборы и комплексы световые. Термины и определения Светильники. Общие технические условия Светильники для освещения жилых и общественных помещений. Общие технические условия Светильники для производственных зданий. Общие технические условия. Светильники для наружного освещения. Общие технические условия. Прожекторы общего назначения. Общие технические условия Светильники для плавательных бассейнов и аналогичного назначения. Технические требования Светильники. Часть 1. Общие требования и методы испытаний Светильники. Часть 2. Частные требования. Раздел 1. Светильники стационарные общего назначения. Светильники. Часть 2. Частные требования. Раздел 2. Светильники встраиваемые. Светильники. Часть 2. Частные требования. Раздел 3. Светильники для освещения улиц и дорог. Светильники. Часть 2. Частные требования. Раздел 5. Прожекторы заливающего света Светильники. Часть 2. Частные требования. Раздел 18. Светильники для плавательных бассейнов и аналогичного назначения

ГОСТ 16703-79 ГОСТ 17677-82, ред. 2002 г. ГОСТ 8607-82 ГОСТ 15597-82 ГОСТ 8045-82 ГОСТ 6047-90 ГОСТ 27453-87 ГОСТ Р МЭК 60598-1-2003 ГОСТ Р МЭК 598-2-1-97 ГОСТ Р МЭК 60598-2-2-99 ГОСТ Р МЭК 60598-2-3-99 ГОСТ Р МЭК 60598-2-5-99 ГОСТ Р МЭК 60598-2-18-98

Таблица 4. Основные стандарты на светодиоды Излучатели полупроводниковые. Основные параметры Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров Полупроводниковые приборы. Дискретные приборы и интегральные схемы. Часть 5. Оптоэлектронные приборы

82

www.lightingmedia.ru

ГОСТ 24352-80 ГОСТ 27299-87 ГОСТ 29283-92

ный светильник и источник света одновременно. У этого источника отсутствует какая-либо ПРА (пускорегулирующая аппаратура). У него имеется источник вторичного питания, а собственно корпус выполняет, по сути, функцию исключительно конструктивную, не решая какой-либо светотехнической задачи. Это теплоотвод и шасси для размещения источников вторичного питания, поэтому та система стандартов, которая описывала традиционные осветительные приборы, непригодна для полупроводниковых источников, а попытка ее воссоздать по модели для традиционных светильников обречена на провал.

СИТУАЦИЯ С ГОСТами В РОССИИ Ситуация с ГОСТами на сегодняшний день в России представлена в таблице 3. Желтым цветом отмечены стандарты, которые были разработаны еще в СССР. Во всех стандартах этой таблицы, к сожалению, присутствует одна и та же ошибка, когда вместо физических величин, описывающих источник света, применяются такие понятия как «лампы накаливания», «ртутные лампы» и т.д. В результате в области применения этих ГОСТов отсутствуют новые источники света — светодиоды и органические светодиоды. Выходит, что каждый раз с появлением нового источника света придется разрабатывать новые ГОСТы или указывать новые источники света. Европейская практика ушла от этого: все нормативы определяются в соответствии с конкретными физическими величинами — длиной волны, цветовой температурой и т.д. Действующие в России стандарты на светодиоды старые, они давно не обновлялись (см. табл. 4). Соответственно, попытка каким-либо образом сертифицировать светодиоды на соответствие этим ГОСТам обречена на провал, поскольку фактически и светодиоды, и светодиодные светильники выпадают из правового поля стандартизации, необходимой для подтверждения их основных потребительских качеств. Данную задачу невозможно решить без наведения порядка, прежде всего, в терминологии, а затем в классификации. Это две первые задачи, которые необходимо решить.

стандартизация и метрология РЕКОМЕНДАЦИИ ЗАКАЗЧИКУ Что в таких условиях делать заказчику? Поскольку уровень коррумпированности сертификационных органов фантастический, рекомендуется использовать следующий набор документов, позволяющий судить о качестве заказываемой продукции.

– Технические условия (ТУ) на продукцию с основными параметрами, методами их контроля и составом периодических испытаний.

– Обязательные сертификаты на продукцию, соответствующую по названию и номеру ТУ.

– Протоколы испытаний, на основании которых выдан сертификат.

– Протоколы добровольных испытаний на соответствие основным параметрам, заявленным в ТУ. Протоколы должны быть выданы известными центрами (ВНИИОФИ, ВНИСИ, лабораторией ЛИСТ и др.).

– Протоколы установленных в ТУ периодических и приемочных испытаний.

НОРМАТИВНАЯ БАЗА СВЕТОДИОД НОГО ОСВЕЩЕНИЯ Для дальнейшего развития светодиодной отрасли необходимо

сделать три шага в области нормативной базы: – создать классификацию светодиодных источников света; – создать общие и специальные технические требования к светодиодным световым приборам (светильникам); – определить методы контроля основных параметров светодиодных источников света и световых приборов со светодиодами. В отношении классификации светодиодов положение дел в мире чуть лучше, чем в России. Ученые американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) в сотрудничестве с государственными организациями по стандартизации сформулировали два стандарта для светодиодов. Стандарты предназначены для того, чтобы производители могли оценить качество изготавливаемых светодиодов, а также адекватно разделить их по товарным характеристикам. Новые стандарты описывают световые, спектральные параметры и методику их определения. Эти два стандарта целесообразно было бы перевести на российскую почву и немедленно их внедрить. Стандарты Между-

народной электротехнической комиссии (МЭК), которые продвигаются нашим национальным регулятором, представляют собой разветвленную систему, и попытка прямого применения, а по сути прямого перевода, предпринятая в прошлом году одним из отечественных светотехнических институтов, на мой взгляд, не вполне удачна. Принятый ГОСТ на светодиодные источники света в области применения ограничивается питанием от 50 В и выше, а, поскольку, светодиоды, как правило, имеют низковольтное питание, 90% рынка этот ГОСТ не покрывает. В Европейских комитетах в настоящее время обсуждается идея по разработке единых стандартов светодиодного освещения. Страны, которые пожелают присоединиться к этому соглашению, должны будут признать единство установленных подходов и сертификаты, которые будут действительны на территории стран-участниц соглашения. Это позволит снизить издержки производителей при выходе на рынки стран, входящих в это соглашение. Рабочая группа начала работу в конце июня этого года, а до конца 2010 г. можно будет присоединиться к ее работе.

Представлены новые планарные светодиоды Компания Edison Opto расширила свой ассортимент новыми светодиодами, выполненными по планарной технологии — EdiPower® II. Недавно разработанные светодиоды EdiPower ® II обладают световым потоком от 410 до 4100 лм и подходят для использования во внутреннем и наружном освещении, уличных фонарях и промышленном освещении. Кроме того, новая серия спроектирована для замены ламп накаливания, галогенных ламп, ламп высокого давления, люминесцентных ламп и других. В EdiPower ® II используется медная подложка в целях экономии времени на монтаж. Такие светодиоды обеспечивают световую эф-

Серия EdiPower ® II обеспечивает несколько вариантов светового потока: 410…540 лм идеально подходят для замены обычных источников света, например, галогенных ламп и ртутных; 850…1400 лм могут быть использованы в светильниках MR16, во встроенных и точечных светильниках; 1450…4100 лм подходят для светодиодных проекторах, применимы для освещения больших пространств. Серия EdiPower ® II соответствует международному стандарту RoHS. Массовое производство начнется в третьем квартале 2010 года.

Новые планарные светодиоды от Edison Opto

фективность до 100 лм/Вт, что удовлетворяет большинству потребностей в освещении.

www.ledinside.com

Современная светотехника, #3 2010

83

готовые решения

Техническое обоснование проекта по внедрению светодиодного уличного освещения (на примере Лос-Анджелеса, США) В статье рассматриваются технические аспекты применения светодиодного освещения на улицах городов. Описаны технические ограничения, которые существуют при выборе систем уличного светодиодного освещения на примере конкурсного проекта в ЛосАнджелесе (США). Статья может быть полезна тем, кто принимает решения по внедрению систем освещения на улицах городов, а также инженерам, разрабатывающим такие системы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ

В

В 2009 г. в Лос-Анджелесе состоялся первый конкурс по внедрению систем светодиодного освещения на улицах города. На рисунке 1 представлена продукция участников этого конкурса, которая наглядно демонстрирует диапазон идей и решений. Для унификации правил отбора муниципалитет Лос-Анджелеса сформулировал следующие группы критериев для оценки уличных светильников: A. Механические.

B. Электрические.

C. Световые.

D. Соответствие стандартам.

E. Качества и удобство эксплуатации.

F. Интегральные.

G. Социальные.

A. МЕХАНИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ Оценка проводилась на основе The Blue Book, аналога отечественных СНИП. Светильники оценивались, исходя из следующих требований.

1. Маркировка.

2. Отсутствие острых углов в конструкциях, подлежащих обслуживанию.

84

www.lightingmedia.ru

3. Доступность балласта для обслуживания.

4. Наличие разъемных соединений стартера и балласта для удобства обслуживания.

5. Граничный температурный режим проводов светильника (до 105°С), удаленность проводов от нагревающихся частей балласта, отсутствие помех от проводов для светового потока.

6. Надежность крепления крышек и плафонов наряду с простым механизмом открытия.

B. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ 1. Входное напряжение 120 В AC, 50–60 Гц.

2. Коэффициент мощности не менее 0,9 (см. рис. 2).

3. Суммарный коэффициент гармоник не более 15% (см. рис. 3).

4. Заявленный срок службы светильника не менее 50 тыс. ч (см. рис. 4).

5. Потребление электроэнергии на данном этапе конкурса не нормировалось, но оценивалось и сравнивалось относительно светильника ДНАТ (с общим потреблением 138 Вт) (см. рис. 5).

6. Оценка энергоэффективности (см. рис. 6).

C. СВЕТОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

щенности на сетке между двумя столбами (половина расстояния для 200, 180, 160 и 120 футов между столбами) и сравнивались с ДНАТ (138 Вт). Отдельно измерялась освещенность для пешеходной дорожки со стороны столба, пешеходной дорожки на противоположной стороне и дороги (см. рис. 7). Высота подвеса светильника составила 26,75 футов (8 м).

2. Яркость Измерения проводились методом усреднения значений освещенности на сетке между двумя столбами (полное расстояние для 200, 180, 160 и 120 футов между столбами), и сравнивались с ДНАТ (138 Вт) (см. рис. 8).

3. Дискомфорт от слепящего света Оценка проводилась на основе измерения уровня яркости в семи точках (см. рис. 9), в которых водители и пешеходы могли ощутить возможный дискомфорт (см. рис. 10, табл. 4).

4. Световой поток относительно светильника ДНАТ (138 Вт) Использовалось усредненное значение для всех измерений (см. табл. 1).

1. Освещенность

5. Однородность светового распределения

Измерения проводились методом усреднения значений осве-

Эта оценка определяет, соответствует ли световой поток светиль-

Данил Ситников, danil@tagartworks.com Инженер компаний Тагарт Ресерч (Украина)/Inteltech LLC(США). Более 10 лет занимается разработкой и производством электроники, в том числе участвовал в проектах по разработке систем контроля доступа на основе RFID, акусто-магнитных систем защиты товаров, контроллеров для торговых автоматов и POS терминалов, светодиодных ламп в форматах MR16 и PAR16, систем управления полупроводниковыми системами освещения. Образование: Национальный Технический Университет Украины (КПИ); Киевский Национальный Экономический Университет; Институт Кибернетики (Киев).

готовые решения ника требованиям IES-стандартов к минимальному соотношению между средним значением освещенности и ее минимальным значением на различных расстояниях от столба. В качестве критерия использовалось соотношение 6:1 (средняя освещенность/минимальное значение) на различных расстояниях от столба: 50 футов от столба — оценка 1; 100 футов от столба — оценка 10 (см. табл. 2).

6. Оценка яркости Светильники сравнивались с лампой ДНАТ на 100 Вт (см. табл. 3).

D. СООТВЕТСТВИЕ СТАНДАРТАМ 1. Соответствие требованиям стандарта IESNA LM-79 Этот стандарт определяет правила измерения светового потока, электрической мощности, светового распределения и цветопередачи для светодиодных источников света. Продукция только двух производителей соответствовала данному стандарту.

2. Соответствие требованиям стандарта IESNA LM-80 Этот стандарт определяет правила расчета устаревания и эффективного времени жизни светодиодов и светодиодных модулей. Стандарт не относится к светильникам в целом. Ни один из производителей не предоставил подтверждение о соответствии данному стандарту.

3. Участие в тестовой программе DOE CALiPER Данная программа предоставляет возможность независимого тестирования коммерчески доступных светодиодных продуктов. Ни один из производителей не представил результаты тестирования.

4. Соответствие требованиям Energy Star для светодиодных продуктов Программа Energy Star для светодиодных продуктов устанавливает единые критерии, по которым производители могут доказать качество своей продук-

Рис. 1.1. Продукция участников конкурса Таблица 1. Световой поток

1 30%

2 40% AH

3 50%

4 60% K

5 70% J

6 80% DFG

7 90% EI

8 ДНАТ BCL

9 110%

Современная светотехника, #3 2010

10 120%

85

готовые решения ции. Ни один из производителей не представил результаты сертификации.

E. КАЧЕСТВО И ПРОСТОТА ЭКСПЛУАТАЦИИ 1. Оценка качества производства Оценка качества материалов, сборки, пыле- и влагозащищенности и т.д.

2. Предполагаемое время жизни светильника. Окончанием срока службы светильника считается момент 30-% потери светового потока (см. табл. 5).

3. Простота установки Оценивалась трудоемкость и время на установку светильника (см. табл. 6).

4. Оценка гарантийного срока (см. табл. 7).

F. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПО ВСЕМ КРИТЕРИЯМ СМ. РИС. 11 G. СОЦИАЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ Кроме технических характеристик, при оценке светильников учитывалось также мнение местных жителей, проживающих

Рис. 1.2. Продукция участников конкурса Таблица 2. Однородность светового распределения 1 <50 CGHL

2

3

4

5

DK

6

7

8

9

10 100

I

B*

7 110% D

8 120% BF

9 130% E

10 140%

8 60%

9 40% F

10 20% KC

7 70 тыс. ч

8 80 тыс. ч

9 90 тыс. ч

10 100 тыс. ч

7 80% BCI

8 60%

9 40%

10 Очень хорошо

7 7 L

8 8

9 9

10 10 A

AEFJ

* Тип II реализуется при значении 9 Таблица 3. Однородность светового распределения 1 50%

2 60%

3 70% L

4 80% CK

1 200% DEI

2 180%

3 160%

4 140% H

1 10 тыс. ч

2 20 тыс. ч

3 30 тыс. ч

4 40 тыс. ч А

1 Плохо J

2 180% EF

3 160% ADGL

4 140% HK

5 90% A

6 ДНАТ GIJ

Таблица 4. Оценка дискомфорта от слепящего света 5 120% A

6 ДНАТ BJ

7 80% GL

Таблица 5. Предполагаемый срок службы светильника 5 50 тыс. ч B–L

6 60 тыс. ч

Таблица 6. Простота установки 5 120%

6 ДНАТ

Таблица 7. Оценка гарантийного срока 1 1

86

2 2 E

www.lightingmedia.ru

3 3

4 4

Срок гарантии, лет 5 6 5 6 CDFGIJK B

готовые решения на улицах, которые освещены светодиодными светильниками. Было опрошено около 700 человек, из которых 94 предоставили свои оценки о качестве освещения. Итоги опроса местных жителей см. ниже.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ КОН КУРСНОГО ПРОЕКТА В результате проведенного конкурса муниципалитет ЛосАнджелеса сформулировал следующие выводы: «Из-за отсутствия принятых стандартов не было возможности отобрать часть светильников, поэтому на тестирование принимались все светильники, каждый из которых подвергся ряду тестов. Проведенное тестирование позволило сделать несколько выводов.

1. Из-за быстрого развития светодиодной продукции не всегда было очевидно, является ли продукт производственным образцом или все еще находится на стадии опытного образца. Даже ведущие производители не имели установленных наименований для своих продуктов и постоянно их меняли при появлении новых светодиодных решений и драйверов. Эта проблема, скорее всего, решится со временем, когда установятся правила игры на этом рынке.

2. Каждый продукт проверялся на соответствие требуемым механическим параметрам. Наибольшая разница наблюдалась в конструкциях светильников, при этом имелись проблемы с потерей света в плафоне и с ненадежным креплением. Многие компании потратили значительное время на разработку сложных конструкций, не задумываясь о процессе серийного производства. Особенно серьезной проблемой оказалось то, что некоторые производители не предусмотрели возможного ремонта светильников, установленных на столбе. В таких светильниках не был предусмотрен доступ к драйверам и источнику питания, или он требовал значительных усилий. Мы пришли к выводу, что поскольку системы управления светодиодным освещением все еще находятся на этапе развития, необходимо, чтобы светодиодный драйвер был доступен для замены.

Рис. 1.3. Продукция участников конкурса

Вопрос

Улучшилось ли качество света для водителей?

Стало меньше темных мест?

Света достаточно, мало или слишком ярко?

Что больше нравится – старое или новое освещение?

Ответы 59%: «однозначно улучшилось» 16%: «улучшилось незначительно» 10%: «незначительно ухудшилось» 13%: «однозначно не улучшилось» 2%: не ответили 39%: «гораздо меньше» 29%: «незначительно меньше» 12%: «незначительно больше» 12%: «гораздо больше» 8%: не ответили 64%: «достаточно» 8%: «слишком ярко» 23%: «слишком мало» 4%: не ответили 59%: «однозначно новое» 10%: «скорее, новое» 6%: «скорее, старое» 21%: «однозначно старое» 3%: не ответили

Современная светотехника, #3 2010

87

готовые решения

Рис. 2. Сравнение коэффициентов мощности

Рис. 3. Суммарный коэффициент гармоник

Рис. 4. Заявленный срок службы светодиодного светильника

Рис. 5. Заявленное и действительное потребление электроэнергии

Рис. 6. Процент экономии электроэнергии относительно светильника ДНАТ (с общим потреблением 138 Вт)

88

www.lightingmedia.ru

3. Значительная разница наблюдалась в использовании вторичной оптики — часть светильников имела отдельные линзы, другие использовали встроенную оптику из стекла или поликарбоната. Мы не пришли к единому мнению о более перспективной технологии оптической системы и предполагаем, что решение должно приниматься в каждом конкретном случае, основываясь на (1) отсутствии слепящего эффекта и (2) сроке службы такой системы.

4. С точки зрения надежности источников питания и потребляемой мощности, наши ожидания были более чем оправданы. Мы планировали уменьшить потребляемую мощность уличных светильников на 40% относительно 100-Вт светильника ДНАТ, однако результаты тестирования показали уменьшение потребления в диапазоне 35—65%. Мы предполагаем, что потребление станет еще ниже с развитием светодиодных технологий. Показатель коэффициента мощности у всех светильников был выше ожидаемого, иногда даже выше 0,98. Однако у некоторых светильников суммарный коэффициент гармоник был выше ожидаемого.

5. С точки зрения световых характеристик, у нас не осталось сомнений, что светодиодная технология при использовании с соответствующим корпусом подходит для освещения жилых районов. Несколько из представленных светильников значительно улучшили однородность света даже при расстоянии между столбами более 180 футов (55 м). Однако несколько светильников имело слабую оптическую систему и не обеспечило необходимого уровня распределения по типу III — это было заметно по темным участкам со стороны дороги и пешеходной дорожки.

6. Несмотря на то, что в целом жители улиц с установленными светодиодными светильниками одобрили новый вариант освещения, мы обнаружили, что большинство недовольных жильцов жаловалось на свет, цветовая температура которого была выше 5500 К. По этой причине мы приняли решение об ограничении светового диапазона температур на уровне 4300 К.

готовые решения Хотя показатели энергосбережения при такой цветовой температуре ниже, чем в более холодном диапазоне, мы предполагаем, что эту потерю вполне можно оправдать выигрышем в световом восприятии. Кроме того, можно предположить, что точечная яркость светодиодных светильников может представлять для местных жителей больше неудобств, чем свет от ламп ДНАТ, поэтому важно, чтобы светильники были экранированы, по крайней мере, со стороны жилых домов». На основе первого этапа конкурса в Департаменте освещения Лос-Анджелеса был составлен перечень технических требований, который был опубликован в январе 2010 г. Этот перечень стал важным шагом на пути стандартизации светодиодных систем освещения и, понашему мнению, может стать основой для формулировки технического задания и в других городах. Ниже приведены требования, выписанные из этого перечня.

ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Рис. 7. Средняя освещенность на расстоянии 67 м между столбами Примечание. Результаты, относящиеся к ночному зрению, в анализе не принимались во внимание; 1 фут-кандела ≈ 10,764 лк

Рис. 8. Сравнительные показатели средней яркости

ВЫВОДЫ Опыт Лос-Анджелеса по тестовой эксплуатации светодиодных продуктов на улице города показал впечатляющие результаты по энергетической эффективности светодиодного освещения. Однако в техническом задании муниципалитет города намеренно уменьшил энергоэффективность через ограничение тока на светодиодах, установил минимальный уровень потери в световом потоке (что пока возможно только для самых передовых и дорогих производителей — Cree, Lumileds, OSRAM, Niche), а также ввел дополнительные требования по сервисному обслуживанию и увеличил срок гарантии на светильники. По нашему мнению, это самый главный вывод, который следует учесть в дальнейших проектах: эффект от внедрения светодиодных источников света заключается не столько в снижении затрат на

Рис. 9. Точки измерения уровня яркости

Рис. 10. Дискомфорт от слепящего света

Современная светотехника, #3 2010

89

готовые решения

Рис. 11. Интегральная характеристика по всем критериям

Требования к светодиодному уличному светильнику Цветовая температура 4300 ±300 К Индекс цветопередачи (CRI) Не менее 70 Потребление в отключенном режиме Не более 0,5 Вт, включая РЧ- или дистанционное управляющее устройство

Потребление в активном режиме

Не более: – 58 Вт для замены 70-Вт лампы ДНАТ; – 85 Вт для замены 100-Вт лампы ДНАТ, не включая опциональное управляющее устройство

Гарантия

Гарантия на полную замену светильника в случае выхода из строя 5 лет. Гарантия на замену или ремонт вышедших из строя электрических компонентов (включая источник света и источник питания/драйвер) не менее 8 лет с момента покупки

Вес Температура окружающей среды Охлаждение Размеры (приблизительно)

Вес светильника не должен превышать 10 кг Светильник должен работать в активном режиме при температуре –20…50°С Светильник должен имеет теплоотвод без вентиляторов, насосных устройств, жидкостей и должен быть устойчив к возможному засорению строительной пылью без потери теплоотводящих свойств.

30 дюймов в длину, 16 дюймов в ширину, 7 дюймов по высоте (760×400×170 мм) Конструктивный материал – металл Серебристый цвет, порошковая покраска, защита от ржавчины Драйвер должен быть установлен внутри, но с возможностью замены Драйвер должен быть доступен без использования инструментов Все винты должны быть изготовлены из нержавеющей стали Невыпадающие шестигранные винты должны быть установлены на всех частях, подлежащих ремонту Запрещено изготавливать любую из частей светильника из поликарбоната без ультрафиолетовой стабилизации, при этом помутнение линз рассматривается как гарантийный случай

Корпус

Световая диаграмма Cutoff или Semi-Cutoff

Классификация IESNA

Конструкция подвеса

Светильник устанавливается на штангу с внешним диаметром 2,375 дюйма (6,032 см) с использованием не более четырех шестигранных винтов (9/16 дюйма) и двух хомутов с возможностью вертикальной настройки ±5%

Датчик освещенности

Светильник должен быть оснащен датчиком освещенности типа 3-prong twist-lock с возможностью поворотной регулировки.

Экранирование

Светильник должен иметь возможность установки экрана, защищающего окружающие дома от светового загрязнения

90

www.lightingmedia.ru

готовые решения Требования к светодиодному модулю Ухудшение световых характеристик светодиодов

Светодиодный модуль должен излучать не менее 70% начального светового потока при минимальном времени наработки 50 тыс. ч

Световое распределение*

Световое распределение должно соответствовать типу II по классификации IESNA, при этом тип III должен быть коммерчески доступен

* Пояснение по типам светового распределения

Требование к драйверу/источнику питания Коэффициент мощности

Тип I Предназначен для узких пешеходных и велосипедных дорожек. Обычно устанавливается ближе к центру дороги. Ширина светового пятна = 2 высоты подвеса

Тип II Предназначен для более широких дорог. Предполагает установку у края дороги. Ширина светового пятна = 1,75 высоты подвеса

не менее 0,9 Разрешено использование двух следующих методов. Дискретное увеличение тока на драйвере: – 350 мА (с вариантами 525 и 700 мА) для замены 70-Вт ламп ДНАТ; – 525 мА (с вариантами 350 и 700 мА) для замены 100-Вт ламп ДНАТ. Непрерывный диапазон изменения тока: – начальная настройка при отгрузке светильников должна быть 21 мА. Регулировка не должна превышать значение 700 мА.

Максимальный ток на светодиоде

Защита от сетевых помех Рабочая температура

Источник питания должен работать в диапазоне –20–50°С

Частота

Выходная частота должна быть ≥ 120 Гц (для предотвращения видимого мерцания), входная частота – 60 Гц

Помехи

Источник питания должен соответствовать FCC 47 CFR Part 15/18 (Consumer Emission Limits)

Шум

Источник питания должен соответствовать классу А по шумовым излучениям для ANSI Standard C63.4

Тип III Предназначен для автомобильных дорог, парковок. Предполагает установку у края освещаемой площади. Ширина светового пятна = 2,75 высоты подвеса.

Тип IV Используется при монтаже светильников на стенах и для освещения периметра парковок. Предполагает установку у края освещаемой площади. Ширина светового пятна = 2,75 высоты подвеса

Тип V Применяется для парковок и общих задач освещения. Предполагает установку ближе к центру освещаемой области

Требования для освещения улиц

Минимальный световой поток

– Для замены 70-Вт лампы ДНАТ – не менее 3100 лм (начальный световой поток); – для замены 100-Вт лампы ДНАТ – не менее 3700 лм (начальный световой поток)

Световая эффективность светильника

Световой поток (включая потери на корпусе и температурные потери)/входная мощность

Минимальная световая эф50 лм/Вт фективность светильника

Соответствие стандартам ANSI C78.377.2008

Спецификация по определению цветопередачи систем освещения на основе твердотельных источников света

IESNA LM-79-08

Одобренный IESNA способ измерения электрических и фотометрических параметров систем освещения на основе твердотельных источников света

IESNA LM-80-08 Одобренный IESNA способ измерения световых характеристик (в качестве рекомендации) систем освещения на основе твердотельных источников света – 8750 Light-Emitting Diode (LED) Light Sources for Use in Lighting Products – 1598 Luminaires – 1012 Power Units Other Than Class 2 – 1310 Class 2 Power Units – 2108 Low Voltage Lighting Systems

UL Standards

электроэнергию, сколько в увеличении срока эксплуатации систем освещения. Поэтому срок службы, ремонтопригодность и простота замены компонентов светильника являются ключевыми моментами, которые обязательно должны быть прописаны в техническом задании.

Соответствует IEEE C.62.41-1991, Class A.

Важным шагом на пути внедрения светодиодного освещения на улицах городов должна стать стандартизация светодиодных систем освещения, например, на основе американских стандартов LM-79 и LM-80. Еще одним важным выводом является требование по управлению светодиодным светом, которое по-

явилось в перечне требований ЛосАнджелеса. Например, использование беспроводных технологий в уличных светильниках открывает не только новые возможности в сервисном обслуживании светильников, но и новые возможности для передачи данных, например, интеграцию систем уличного освещения в АСКУЭ.

Современная светотехника, #3 2010

91

Ðåêâèçèòû ïîëó÷àòåëÿ: ÎÎÎ «ÈÄ Ýëåêòðîíèêà» Ð/Ñ 40702810004000000194 «Áàðêëàéñ Áàíê» ÎÎÎ, ã. Ìîñêâà Ê/Ñ 30101810900000000460 ÁÈÊ 044585460 ÈÍÍ 7728298032 ÊÏÏ 772801001

Ñ×ÅÒ ÑÑ/2010 îò ________

¹¹

ÍÀÈÌÅÍÎÂÀÍÈÅ

Ñòîèìîñòü çà ýêç., ðóá.

1.

Ïîäïèñêà íà æóðíàë «ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÀß ÑÂÅÒÎÒÅÕÍÈÊÀ» (ãîäîâàÿ íà 2010 ã., ñ ¹1 ïî ¹6)

375,00

Êîë-âî ýêç.

Ñóììà, ðóá.

6

2250,00

Èòîãî ê îïëàòå:

2250,00

 òîì ÷èñëå ÍÄÑ 10%:

204,54

Óâàæàåìûå ÷èòàòåëè! Óáåäèòåëüíàÿ ïðîñüáà â ïëàòåæíîì ïîðó÷åíèè â ãðàôå «Íàçíà÷åíèå ïëàòåæà» óêàæèòå, ïîæàëóéñòà, íàçâàíèå æóðíàëà, àäðåñ äîñòàâêè, ôàìèëèþ, èìÿ, îò÷åñòâî ïîëó÷àòåëÿ è êîíòàêòíûé òåëåôîí.

Ðóêîâîäèòåëü_____________________/Ì.Â. Ñèìàêîâ/

Ãëàâíûé áóõãàëòåð_________________/Ì.Â. Ñèìàêîâ/