Современная светотехника N5/2010 by Oleg Polikarpov

слово редактора Редакция Руководитель проекта «Современная светотехника» и главный редактор: Валерий Манушкин

ответственный секретарь: Марина Грачёва редакторы: Елизавета Воронина Виктор Ежов Екатерина Самкова Владимир Фомичёв

Коллеги!

Вот и прошел год со дня выхода пилотного номера журнала «Современная светотехника» . Казалось бы, 52 недели… А пролетели как один день. Как будто вчера утверждали дизайн, сдавали документы на регистрацию, поднимали на уши типографию — успеть бы получить тираж к Интерсвету. За год редакция выпустила 6 журналов «Современная светотехника», организовала 2 конференции: в Москве и Киеве. Сейчас полным ходом идет подготовка к третьей — в Санкт-Петербурге, которая состоит-

редакционная коллегия: Леонид Чанов Борис Рудяк Владимир Фомичёв

ся 9 декабря этого года. Помимо этого, мы запустили online-журнал lightingmedia.ru, который почти на 100% отличается по содержанию от печатной версии. Одним словом, нам все-таки удалось создать полноценный проект, объединяющий под одним брендом «Современная светотехника» три мощных медиаресурса. На сколько у нас все получалось — судить Вам, уважаемый читатель.

реклама: Антон Денисов Ольга Дорофеева Елена Живова

Да, были кое-какие недочеты, однако со временем их становилось все меньше. Я хочу сказать огромное спасибо всем тем, кто присылал в редакцию критические замечания по журналу, конференциям и сайту. Спасибо всем, кто верил в нас и поддерживал на весьма нелегком пути становления!

Екатерина Платцева распространение и подписка: Марина Панова Василий Рябишников вёрстка, дизайн: Александр Житник Михаил Павлюк

директор издательства: Михаил Симаков

Валерий Манушкин, главный редактор

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 #5, 2010 РЫНОК 3 Андрей Просвирин

Светотехника. Как получить и сохранить лояльных клиентов

8 Виктория Гуляева

Готовность целевой аудитории к потреблению нового продукта — светодиодных светильников и ламп ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: «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

ПРИМЕНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА 12 Кристофер Шиллер, Томас Кун, Марвин Бол, Питер Бодроги, Тран Куок Кан Светодиодное уличное освещение — экономия, качество и одобрение пользователей

16 Дэнис Кёлер

Освещение города как часть комплексного планирования

19 Люминесцентная лампа Т5 — новые тенденции в освещении 22 Сравнительное исследование мебельных светильников разных типов 29 ENDURA — безэлектродный люминесцентный источник света большой интенсивности

34 Михаил Мальков

Моделирование ртутно-аргонного разряда в люминесцентных лампах пониженного давления

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 40 Александр Васильев

Особенности технологии производства светодиодных светильников

44 Антон Булдыгин

Проблемы явных и скрытых энергетических потерь в светодиодных осветительных приборах. Часть 3

47 Холгер Просс

Отказы светодиодов и методы их анализа

50 Константин Голобоков

Анализ и тестирование светодиодной продукции как залог ее качества

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ СВЕТОТЕХНИКИ 52 Александр Самарин

Микросхемы драйверов Texas Instruments для систем светодиодного освещения

58 Эри Шрейбер, Джон Дэйли

Корректно спроектированные драйверы светодиодов повышают надежность всей системы освещения

61 Пьеро Бьянко

Драйвер с активной коррекцией коэффициента мощности обеспечивает регулировку яркости светодиодных ламп

65 Сергей Миронов, Андрей Конопельченко

Димминг светодиодных светильников с помощью источников питания Подписано в печать 03.11.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 2000 экз. Изготовлено Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

ГОТОВЫЕ РЕШЕНИЯ 70 Вадим Полетаев

Освещение торговых площадей. Магазин одежды

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И МЕТРОЛОГИЯ 75 Алексей Горбунов, Альберт Ашрятов, Анатолий Федоренко

Создание метода и средств контроля количества ртути в люминесцентных лампах

78 Срок службы светодиодных светильников: рекомендации по тестированию

рынок

Светотехника. Как получить и сохранить лояльных клиентов «Плохое обслуживание заставляет организацию делать шаг назад. Хорошее обслуживание позволяет ей удержаться на месте. И только превосходное обслуживание позволяет ей продвигаться вперед» Д. Шоул

Лояльность клиентов — залог процветания компании В сложные времена борьба за клиента обостряется. Клиент — это и есть самое ценное у компании. Если постоянный клиент уходит от вас, компания разоряется. Клиент лоялен — и компания «на плаву». Лояльные клиенты — вот кто помог удержать свои позиции лидерам рынка в тяжелые времена. Часто сотрудники механически выполняют работу, не задумываясь о том, что они, их преуспевание и благополучие напрямую зависят от удовлетворенности клиентов. А ведь именно клиенты приносят деньги в компанию, именно клиенты «платят» зарплату менеджерам! Безусловно, одна из самых надежных стратегий в настоящее время — это удержание лояльных клиентов компании и их дальнейшее увеличение. Именно те организации, которые понимают важность приобретения лояльных клиентов, те, чья маркетинговая стратегия направлена на максимальное удовлетворение запроса потребителей, могут пережить экономические спады и завоевать достойное место на меняющемся рынке. Исследования доказывают, что для многих компаний клиентоориентированность и повышение качества сервиса становится даже более эффективным инструментом увеличения объема продаж и прибыли, чем рекламное

продвижение. Светотехническое направление — не исключение из этого правила. О лояльности в отношении компаний, работающих на рынке светотехники, мы сегодня и поговорим. Причем обсудим не только лояльность конечных потребителей, но даже больше — лояльность компаний-оптовиков, закупающих продукцию в больших объемах. Да, кстати, если у вашей компании имеется настолько эксклюзивные источники питания, светильники или системы управления освещением, которых нет у других компаний, или вы устанавливаете настолько низкие цены, которые только снятся конкурентам в страшных снах, — никакие программы лояльности вам не нужны, вы и без них сможете продавать продукцию, развиваться и повышать свою долю на рынке светотехники. Поэтому если среди читателей есть руководители таких компаний, они могут смело не читать дальше эту статью.

А ЛОЯЛЕН ЛИ К ВАМ КЛИЕНТ? Как можно оценить, лоялен ли клиент к вашей компании? Хороший индикатор тому — принятие или непринятие клиентом ваших стратегии, методов и средств ведения бизнеса. Ваш клиент — не просто источник получения денег, но это вполне полноценный партнер, бизнес которого развивается благодаря и параллельно

с вашим собственным. И настоящая лояльность наряду с использованием услуг именно вашей компании подразумевает также приверженность к вашей организации, одобрение ее целей, средств и способов их достижения. Например, ваша компания делает электронную рассылку по базе клиентов с новостями о поступлении новых светильников, светодиодных панелей и т.д. И делает эту рассылку с периодичностью один раз в неделю. Так вот, если от компании-клиента приходит отказ от рассылки по причине ее излишней частоты, то это, на мой взгляд, не лояльный клиент, а клиент, не успевающий по темпу за развитием вашей компании и не принимающий ее методов развития. Лояльный же клиент примет такую частоту рассылки как данность и будет рад получать новости от партнеров максимально часто и оперативно.

ПРОГРАММЫ ЛОЯЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ СКИДОК Как правило, когда мы поднимаем тему лояльности клиента, то разговор заходит о картах постоянного покупателя, скидках на закупаемый объем светотехники, бонусах… Что же делать компаниям, желающим создать собственные программы лояльности, связанные со снижением цен на определенные группы товаров? Прежде всего, найти креп-

Андрей Просвирин, prosvirin@etci.ru, www.etci.ru Консультант по маркетингу, генеральный директор компании «Европейский тренинговый центр «Инновация». Обладатель диплома «Управление маркетингом» АНХ при Правительстве РФ.

Современная светотехника, #5 2010

рынок Таким образом, мы можем выявить: – наиболее выгодные для компании группы товаров (AX, BX, AY); – группы товаров, нуждающихся в особых мероприятиях по повышению продаж (AZ, CX, BY); – группы неприбыльных, а также плохо оборачиваемых товаров — BZ, CY и CZ, которые требуют от нас активных действий — проведения исследования причин непопулярности данной категории светотехники и выработки дальнейшей стратегии (например, изменение ценовой политики на данные группы товаров, расширение или сокращение ассортимента, изменение методов работы с поставщиками). Также с помощью такого анализа можно получить ответы на следующие актуальные вопросы: – какие виды светотехнической продукции принесли компании наибольший объем денег в прошедшем году? – какие из товаров принесли наибольшую прибыль (что не одно и то же с предыдущим вопросом)? – какие клиенты (или группы клиентов) внесли наибольший вклад в доходы компании в этом году? – от кого из клиентов вы ожидаете основной доход в следующем году? – кто из ключевых клиентов наиболее подвержен переходу к конкурентам (кстати, именно на данных клиентов и должны быть направлены ваши программы лояльности).

ких специалистов, которые могут проанализировать клиентскую базу и данные продаж различных категорий светотехники. В этом отношении хорошо поможет проведение АВС- и XYZ-анализов. Можно как угодно относиться к «Правилу Парето», но его использование — хороший инструмент для анализа ассортиментной политики, который можно с большой пользой применять к управлению запасами. Анализ ассортимента позволяет разделить все светотехнические товары на три широких категории: – товары группы A (как правило, не более 10% от всех товаров), на которые идет основная часть затрат (70%); – товары группы B — средняя группа (20%), затраты которой составляют 20% от полной суммы; – товары группы C — основная часть списка (70%), но с малыми суммарными затратами (около 10% от суммы). Данный способ анализа показывает, что необходимо вести пристальный контроль над дорогостоящими запасами товара класса A, слабее отслеживать состояние товаров в классе B и меньше всего заботиться о классе C. В свою очередь, XYZ-анализ определяет валовой доход от каждой товарной категории. В группу Х попадает светотехника, приносящая наибольшую прибыль компании. В следующую группу (Y) по доходности попадают менее прибыльные товары. Третью группу (Z) составляют приносящие наименьший валовой доход изделия. Важно, что ABC- и XYZ-анализы должны проводиться с выработанной периодичностью — например, раз в месяц или раз в квартал. При этом необходимо следить, чтобы используемые данные отражали все изменения в товарообороте за данный период. Результатом проведения ABC- и XYZ-анализов и их сопоставления может явиться следующая таблица 1 (пример).

ЛОЯЛЬНОСТЬ МОЖНО ПОВЫШАТЬ И БЕЗ СКИДОК Среди программ лояльности наиболее популярны, безусловно, мероприятия по снижению цен. Конечно, программы скидок и снижения цен на товары хороши и дают определенный эффект. Но ведь скидка — это, по сути, взятка клиенту. А ведь есть и другие, менее затратные, но не менее эффективные альтернативы.

Таблица 1. Результат проведения ABC- и XYZ-анализов AX Светодиодная продукция BX Декоративная светотехника CX Аварийное освещение

www.lightingmedia.ru

AY Уличное освещение BY Лампы дневного света

AZ Индикация и дисплеи

Например, для повышения лояльности клиентов могу порекомендовать перевести общение с клиентом из разговора о цене в другую плоскость — в доверительное, дружеское общение. Как это — «дружеское» — удивятся многие, ведь это бизнес? Да, безусловно, но любой опытный менеджер по продажам подтвердит, что самое главное в отношении с клиентом — ДОВЕРИЕ. Если ваш клиент доверяет менеджеру компании-партнера и самой компании, он будет покупать продукцию именно у вас. Если не доверяет, то при любой возможности (низкая цена на светотехнику, более широкий ассортимент, лучшие условия доставки и т.д.) он с легкостью перейдет к конкурентам. Именно поэтому, прежде всего, важно доверие. Как же перевести просто общение с клиентом в ДОВЕРИТЕЛЬНОЕ общение? Это можно сделать, не просто продавая светотехнику, а делая клиенту действительно лучшие предложения, ОПРАВДЫВАЯ его ожидания и ПРЕВОСХОДЯ их. Каким образом? Это, например, хорошо знают автопроизводители. Сразу после того, как вы купите новый автомобиль, вам, скорее всего, позвонит дилер и поинтересуется работой машины, или производитель станет присылать вам письма, поздравляя с правильным выбором. Все это делается, чтобы создать у клиента удовлетворение после покупки. Этот психологический фактор (удовлетворение покупкой) настолько важен (многие судят о людях по их машинам), что автопроизводители задействуют его и в рекламных кампаниях. Продуманные акции поддерживают убеждения и мнения, которые помогают клиенту быть уверенным в правильности своего выбора и радоваться покупке. Итак, чтобы создавать положительные чувства после покупки, нужен хороший товар, который оправдывает или превосходит ожидания клиента, а также положительное психологическое подкрепление за верно сделанный при покупке выбор. Хороша и такая стратегия, когда клиент чувствует и знает, что ваша компания (в лице менеджера, а еще лучше — ПЕРСОНАЛЬНОГО менеджера) помнит и заботится о нем. Приятно ли вам слышать в телефонной трубке «Я

рынок обработаю заказ компании N, а потом займусь вашим заказом»? Конечно, нет. Скажем честно: конечно, у каждой компании есть наиболее важные, приоритетные партнеры, и на работу с ними должно быть направлено большинство усилий. Но и небольшой клиент через время может перейти в категорию средних, а средний — стать крупным. Поэтому менеджерам совсем не сложно найти такую фразу, чтобы каждый клиент почувствовал себя нужным и важным, и употреблять именно ее при общении. Доказали свою высокую эффективность такие маркетинговые ходы как постоянное ведение электронной рассылки по клиентам с новыми выгодными предложениями и информированием о новых поступлениях продукции; организация совместных корпоративных мероприятий для клиентов; создание корпоративного блога или личного блога руководителя компании. Кстати, зачем нужен блог для компании, работающей на рынке светотехники? Между прочим, я и сам не сторонник различных блогов и людей, которые при знакомстве представляют себя не иначе как «блоггер». Но вот в чем дело. Допустим, архитектору, дизайнеру, субподрядчику или даже конечному клиенту необходимо установить систему управления освещением в элитном доме или выполнить подсветку здания. И он, дизайнер, выступает в этом случае в другой роли, чем специалист по светотехнике. Он не знает, да и не хочет знать всех сложных подробных технических характеристик. Ему важен РЕЗУЛЬТАТ — чтобы здание было грамотно подсвечено, со стороны электрики не было «подводных камней», все было технически устроено грамотно и эффективно, работало четко и бесперебойно. Ему нужен СОВЕТ КВАЛИФИЦИРОВАННОГО СПЕЦИАЛИСТА в области светотехники. Консультант по телефону? Возможно. Менеджер компании? Вполне может быть. А если это будет сам генеральный директор компании, занимающейся светотехникой? Это как, скажете вы: руководитель будет только тем и заниматься, что консультировать своих клиентов? Конечно, нет. Но кто сказал, что это необходимо делать «в реальности»? В ин-

www.lightingmedia.ru

тернете создается блог, например, генерального директора компании, в котором он, руководитель (ведет ли блог он сам лично или кто-то из подчиненных делает это от его имени — другой вопрос), делится своими размышлениями о состоянии и тенденциях рынка, мнением о продукции, советами по установке, рассказывает о тех нюансах, которые он знает и которые не знает большинство клиентов, но которые так им важны. На практике доказано — это приносит достойную отдачу! Конечно, при этом ресурс должен быть интересен, полезен, не банален, искренен, регулярно обновляться, не быть откровенно рекламным. Тогда, уверяю вас, через этот блог в компанию будет приходить достаточное количество заказов! А все потому, что порой светотехническая продукция — специфическая, сложная и неспециалисту, которым порой является заказчик, сложно разобраться в нюансах — какую светотехнику установить и продукцию какого бренда купить. То есть, повторяюсь, потенциальный заказчик нуждается в СОВЕТЕ СПЕЦИАЛИСТА. Поэтому, зайдя на блог Самого Директора (это важно!), он читает изложенные простым, доступным языком, советы, рекомендации. Удивляется. Проверяет. Убеждается в верности. И в итоге испытывает ДОВЕРИЕ к данному человеку и компании, которой тот руководит. Далее? Далее он обращается уже именно в эту компанию — не просто как к заказчику, а уже как к своему ДОВЕРЕННОМУ ЛИЦУ. Итак, таковы мои аргументы по поводу того, нужен ли блог вашей компании, а принимать окончательное решение уже вам. Что еще может помочь вам повысить лояльность клиентов? Есть масса ходов, которые просты и в то же время эффективны. Например, производителю легко поддерживать своих дилеров и привязать их к себе, обеспечивая их рекламной поддержкой по продукции (промо-материалами, стендами, буклетами, каталогами и др.). Для конечного пользователя будет большим преимуществом удобная и качественная упаковка предлагаемых вами светотехнических изделий и, если это необходимо, вложенная в эту упаковку подробная и грамотно

написанная инструкция по монтажу. Создание и регулярное ведение промо-сайта по продукции позволит информировать заказчиков о вашей товарной марке (бренде), ее преимуществах, ассортименте и характеристиках товара. Для многих компаний большим плюсом является создание службы клиентской поддержки, «горячей линии» или, возможно, даже отдела претензий для решения проблем клиентов. Это очень важный момент, склоняющий клиента к выбору вашей компании, — ваша способность решить его проблему. Клиент приходит к вам, когда у него есть проблема. Если вы сумели решить ее с первого раза, качественно, полностью, то велика вероятность того, что он остался довольным! Еще лучше, если клиент получил больше, чем он рассчитывал. Такой клиент может прийти снова, может дать рекомендацию, ссылаясь не на низкую цену, а на то, что вы ему действительно помогли. Создание данной службы также позволит не только разрешить сложные вопросы с клиентами, но, что гораздо важнее — поддерживать с ними обратную связь. Уверен, что обратная связь с клиентами и партнерами — один из важнейших факторов успешного развития компании. Почему? Обратная связь позволяет компании не только видеть свои сильные/ слабые стороны, но также понимать, какая светотехническая продукция более востребована, какая — менее; какая — имеет репутацию более надежной, какая — некачественной; позволяет вовремя улавливать негативные тенденции в работе своих подразделений и своевременно реагировать на них. Ну, а если ваш финансовый директор никак не решится создать службу клиентской поддержки, аргументируя это большими расходами, начните с малого: выделите для этого одному ответственному сотруднику доступный номер телефона, вмените в его обязанности принимать претензионные звонки, фиксировать их и решать поступившие жалобы, и через 2–3 месяца, когда вы получите первые благодарные отзывы от клиентов, решивших наболевшие вопросы благодаря данному нововведению, вы сами убедитесь в его необходимости и выгодности.

рынок Итак, по-настоящему лояльный клиент — это ваш рекомендатель, ваша реклама и PR на рынке светотехники. Такой клиент не отказывается от сотрудничества и взаимодействия с вашей компанией, даже если на данном этапе у него имеются и более интересные предложения. Безусловно, случается так, что клиент уходит по различным причинам: изменилась финансовая политика компании, сменилось руководство и т.д. Но уходит лишь на время. Потерять действительно лояльного клиента, с которым вам удалось построить глубокие и позитивные отношения, полностью невозможно, поскольку даже если он и уходит, он уходит довольным, будет рекомендовать вас и вашу продукцию другим и через некоторое время все равно вернется к вам.

ЛОЯЛЬНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ, А НЕ ТОЛЬКО ДЛЯ РУКОВОДСТВА Развею опасное заблуждение о том, что только руководители компании и сотрудники, контактирующие с заказчиками, должны демонстрировать верность заявленным приоритетам качества, остальные могут не считать это заслуживающим большого внимания. Действительно, на практике, с точки зрения многих рядовых сотрудников, повышение качества светотехнических изделий, качества обслуживания, соблюдение сроков поставки и установки, строгое соответствие заявленным стандартам работы — это лишь дополнительная головная боль и

логично, что они либо не поддерживают проведение программ лояльности и повышения качества работы, либо игнорируют или даже саботируют их. Поэтому необходимо организовать всю работу в компании с упором на лояльность клиента, «повернуть» мышление всех сотрудников на то, что лояльность важна и является одним из основных инструментов успешности компании. Иначе получается, что компания согласна на полумеры? То есть сама компания не верит в заявленные ценности, и какие-то другие ценности для нее важнее. Что в итоге? Сотрудники будут руководствоваться не теми принципами, которые заявлены, а теми, которые важнее, удобнее и проще лично им самим. Выбирая методы, с помощью которых вы планируете завоевывать клиентов, убедитесь, что ваша компания готова следовать принципам клиентоориентированности постоянно, целиком и полностью. Эти принципы должны стать вашим маяком в работе. Необходимо поставить цель и следовать ей! Это позволит избежать такого развитого явления как «внутреннее увольнение», которое выражается в том, что сотрудник внешне выполняет свои обязанности, но в действительности делает это формально, не проявляя инициативы и не прилагая дополнительных усилий. Сотрудника, который сам себя «внутренне уволил», интересует только материальная сторо-

на работы и любая деятельность его интересует исключительно с точки зрения получения материальной выгоды. Такие работники подолгу «висят» в аське или на служебном телефоне, вместо того чтобы работать; другие занимаются побочными делами и при этом чувствуют себя замечательно — ведь, по их мнению, таким образом они получают хоть какую-то компенсацию от враждебно настроенной к ним компании! А компания теряет в это время с таким трудом завоеванные лидерские позиции, потенциальных и реальных клиентов, деньги… Именно поэтому у сотрудников вашей компании должна быть уверенность, что они сами могут руководить продуктивными процессами! Организуйте обратную связь не только с клиентами, но и с сотрудниками. Пусть каждый из них получит реальную возможность сообщить свои предложения по улучшению работы. Даже если не напрямую руководителю, то через сотрудника, которой будет добросовестно принимать предложения и доводить их до руководства. Людям необходимо чувствовать — все, что они делают на работе, имеет смысл, и они в определенной степени могут оказывать влияние на принятие решений. Тогда, кстати, лояльны к вашей компании будут не только компании-партнеры и конечные клиенты — покупатели светотехники, но и ваши собственные сотрудники, а отдача от их работы значительно повысится!

Компания «Оптоган» заказала систему CRIUS II для производства светодиодов на основе нитрида галлия Компания «Оптоган» ожидает поставки двух систем газофазного осаждения CRIUS II от компании Aixtron AG в 4 квартале 2010 г. Эти системы будут использованы для производства сверхъярких светодиодов на основе нитрида галлия. Введение в эксплуатацию новых реакторов будет выполнено группой технической поддержки Aixtron Europe на производственном предприятии «Оптоган». «Для нас главным критерием при выборе реактора была масштабируемость технологического процесса Close Coupled Showerhead. Данные о семействе MOCVD-систем CRIUS компании

Aixtron произвели на нас большое впечатление. На основании этих данных мы пришли к заключению, что переход на систему CRIUS не представит для нас каких-либо затруднений. Эта система станет чрезвычайно важной частью нашего плана по расширению объемов производства новой высокоэффективной и конкурентоспособной по цене продукции, необходимой нашим заказчикам», — отметил генеральный директор группы компаний «Оптоган», Максим Одноблюдов. Вице-президент подразделения Aixtron Europe Франк Шульте добавил: «Для компании Aixtron

данное событие является особенно примечательным, так как это первый заказ на систему CRIUS II, поступивший от европейского заказчика. Кроме того, мы чрезвычайно довольны тем, что этим заказчиком стала группа «Оптоган», один из ведущих игроков на развивающемся и быстро растущем российском рынке. Наши MOCVD-реакторы используются в компании «Оптоган» уже несколько лет, и мы будем очень рады возможности ввести в строй эти дополнительные мощности». www.lightrussia.ru

Современная светотехника, #5 2010

рынок

Готовность целевой аудитории к потреблению нового продукта – светодиодных светильников и ламп Российский рынок светотехники, несмотря на свою крайнюю отсталость во многих отношениях, развивается в направлении, задаваемом глобальным рынком. В статье проводится анализ состояния российского рынка массового потребления с точки зрения его готовности к появлению новой светодиодной продукции.

ЕМКОСТЬ РЫНКА

По данным американской исследовательской организации Sandia National Laboratories, потребление света на планете будет расти. Мировое сообщество не достигло границ насыщения и способно на гораздо большее энергопотребление. В связи с этим в мире наблюдается постепенный переход на энергосберегающие технологии. В странах ЕС уже принята программа поэтапного перехода на энергосберегающие лампы: с прошлого года действует запрет на производство ламп накаливания мощностью 100 Вт; с 1 сентября 2010 г. вступил в силу запрет на производство ламп накаливания мощностью 75 Вт. В следующем году запрет распространится на 60-Вт лампы, а с 1 сентября 2012 г. — на 40-Вт и 25Вт лампы. Россия также переходит на механизм энергосбережения — с 1 января 2011 г. не допускается оборот ламп накаливания мощностью 100 Вт, с 2013 г. — ламп мощностью 75 Вт, а с 2014 г. — ламп мощностью 25 Вт. В 2008 г. в стране было продано около 1 млрд ламп. Из них лишь 40 млн — энергосберегающие. Таким образом, доля «зеленых» ламп на российском рынке — 4%.

www.lightingmedia.ru

При этом всего 2 млн ламп — отечественного производства (5%). Остальные завезены к нам из Китая. Российская целевая аудитория определяется покупательной способностью (см. рис. 1).

ЦЕЛЕВАЯ АУДИТОРИЯ РОССИЙ СКОГО РЫНКА СВЕТОДИОДНОЙ ПРОДУКЦИИ Структура российского рынка освещения в 2008 г. схематично представлена на рисунке 2. Большинство россиян признает важность проблемы энергоэффективности экономики (80%). Значение проблеме повышения энергоэффективности придают, как правило, обеспеченные россияне (86%). Лишь каждый десятый респондент полагает, что эта тема не имеет ничего общего с реальными задачами. В основном, так думают малообеспеченные сограждане (14%). В том, что проблему энергоэффективности следует решать незамедлительно, уверены, как пра-

вило, жители Северо-Западного округа и сибиряки (43 и 45%, соответственно). Уральцы в наибольшей мере склоняются к тому, что в условиях кризиса есть не менее важные задачи (52%). В Центральном округе больше всего тех, кто вообще не считает это реальной проблемой (18%). О грядущем переходе на энергосберегающие лампы известно 76% опрошенных (см. рис. 3): 51,5% хорошо информированы об этом, 47% что-то слышали. В основном, это 35–59-летние (88–89%) и высокообразованные россияне (92%). Только 25,3% впервые узнали об этом от интервьюера. В неведении находятся, как правило, 18–24-летние (23%) и малообразованные сограждане (29%). Переход на энергосберегающие лампы поддерживают более половины россиян (55%). Одобрение высказывают в первую очередь уральцы (69%), жители средних городов (59%) и высокообразованные респонденты (64%).

Виктория Гуляева, заместитель директора по маркетингу ЗАО «СветланаОптоэлектроника» В 2001г. с отличием окончила Санкт-Петербургский государственный политехнический университет по направлению «Технические машины и оборудование», а в 2005 году получила второе высшее образование по специальности «Маркетинг». Опыт работы в разработке, подготовке производства и продажах светодиодных изделий — 10 лет, в т.ч. на руководящих позициях — 7 лет. В ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» работает с 2001 года, где прошла путь от инженера-технолога до заместителя технического директора по подготовке производства, а с 2010 года — заместителя директора по маркетингу. В ее задачи входит увеличение доли продаж светодиодных светильников на внутреннем рынке за счет расширения сотрудничества с существующими клиентами и поиска новых, а также реализации проектов по светодиодному освещению.

рынок

Рис. 1. Целевая аудитория

Рис. 3. Результаты опроса населения России о грядущем прекращении производства ламп накаливания

Рис. 2. Структура российского рынка освещения в 2008 г. в натуральном выражении

Рис. 4. Результаты опроса населения в отношении использования энергосберегающих ламп

Современная светотехника, #5 2010

рынок Четверть опрошенных негативно относится к этому нововведению (25%). Это, как правило, дальневосточники (38%), москвичи и петербуржцы (37%). Стоит отметить, что отказ от ламп накаливания поддерживают 72% обеспеченных и 47% малообеспеченных. Каждый второй россиянин имеет опыт использования энергосберегающих ламп (73%) (см. рис. 4). Больше всего таких респондентов в Москве и С.-Петербурге (74%). Относительное число пользователей с этим опытом среди 25–59-летних составляет 57–59%, при этом доля высокообразованных и обеспеченных сограждан равна 64 и 59%, соответственно. 27% опрошенных никогда не пользовались такими лампами. В основном, это селяне (55%), пожилые (64%), малообразованные и малообеспеченные россияне (70 и 54%, соответственно). Россияне, не одобряющие отказ от ламп накаливания, объясняют свое отношение, главным образом, высокой ценой энергосберегающих ламп (35%). Значительная часть респондентов в этой группе считает, что новые лампы вредны для здоровья (20%). Среди прочих аргументов — плохое качество, тусклый свет (по 14%), лишение права выбора (10%), отсутствие значимых раз-

Рис. 5. Результаты опроса в отношении наиболее значимых характеристик светодиодных ламп

Рис. 6. Механизм создания основной аудитории потребителей светодиодной продукции

Рис. 7. Некоторые типичные характеристики пользователей, составляющих целевую аудиторию

www.lightingmedia.ru

рынок – технически «продвинутые», всегда стремятся к лучшему. На рисунке 8 представлена краткая характеристика основных потребителей светодиодной продукции на массовом рынке.

ВЫВОДЫ

Рис. 8. Характеристики основных потребителей рынка светодиодной продукции

личий энергосберегающих ламп от традиционных (9%), проблемы с утилизацией (5%). Результаты опроса населения в отношении наиболее значимых характеристик светодиодных ламп приведены на рисунке 5. После введения запрета на производство и продажу ламп накаливания каждый пятый россиянин планирует все же продолжать использовать именно такие лампы, закупив их про запас (21%). Для светодиодных светильников и ламп целевой аудиторией являются мужчины и женщины в возрасте 25—55 лет со средним и выше уровнем дохода. Концепция продвижения на рынок: высокая эффективность, низкая потребляемая мощность, длительный срок службы, экологичность. На рисунке 6 показан основной механизм создания

основной аудитории потребителей светодиодной продукции. Социально-демографические характеристики целевой аудитории: – мужчины и женщины 25—55 лет; – среднего и выше уровня достатка; – социально активны и социально ответственны; – новаторы; – не равнодушны к экологическим проблемам. Социально-психологические характеристики целевой аудитории (см. рис. 7): – раскованные, любят выделяться на фоне других потребителей; – полностью уверены в себе, исходят из собственного мнения; – любят быть ориентирами для окружающих;

1. Большая часть населения России слабо представляют себе характеристики светодиодных источников света, многие путают их с люминесцентными лампами. 2. Светодиодными светильниками пользуются, в первую очередь, специалисты: инженеры, энергетики. 3. Ядром целевой аудитории при продвижении продукта на рынок являются мужчины 25— 45 лет. 4. Концепция продвижения на массовый рынок светодиодных светильников и ламп: высокая эффективность, низкая потребляемая мощность, длительный срок службы, экологичность. 5. При продвижении необходимо вести работу по направлениям: – отличие светодиодов от других источников света – цена, в конечном итоге, ниже (за счет низкого расхода финансовых средств в течение периода эксплуатации, длительного жизненного цикла).

Рынок светодиодов в России растет благодаря инвестициям и господдержке Индустрия осветительных систем в России растет по мере развития вертикально интегрированной структуры производства. Несмотря на то, что совсем недавно светодиодный рынок характеризовался отсутствием стандартизации, недостатком прозрачной ценовой политики и низким качеством изделий, это положение быстро изменяется. Государственное финансирование и инвестиции от частных компаний позволяют создать отечественную инфраструктуру производства светодиодов. Кроме того, по всей России увеличивается число компаний, занимающихся внедрением светодиодных технологий. У российского государства имеется сильная политическая воля, способствующая формированию рынка светодиодных технологий, о

чем свидетельствуют инвестиции, которые поступают в отечественное производство светодиодов. В настоящее время Россия импортирует 98% светодиодной продукции, но это положение изменится, как только отечественные поставщики окрепнут. Такие крупнейшие российские компании как РЖД и «Газпром» относятся к основному числу потребителей светодиодных изделий. Некоммерческая Ассоциация российских производителей светодиодов, недавно учрежденная такими конкурирующими поставщиками как «Оптоган» и «Светланаоптоэлектроника», похоже, играет главную роль в консолидации российского рынка светодиодного освещения. Свидетельством роста светодиодного рынка в России является компания «Оптоган»,

которая недавно заказала у Aixtron две установки MOCVD (химическое осаждение из паров металлоорганических соединений) для создания светодиодных кристаллов на основе GaN. «Оптоган» приобрела производство в С-Петербурге у финской компании Elcoteq в мае 2010 г. Помимо того, «Оптоган» недавно назначила Маркуса Зайлера (Markus Zeiler), бывшего сотрудника OSRAM, директором по развитию компании. «Оптоган» производит светодиодные компоненты, лампы и светильники. Компания была основана в Финляндии в 2004 г., а затем приобретена в 2008 г. финансовой группой «Онэксим». www.ledsmagazine.com

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света

Светодиодное уличное освещение экономия, качество и одобрение пользователей

Кристоф Шиллер (Christoph Schiller), Томас Кун (Thomas Kuhn), Марвин Бёлль (Marvin Böll), Петер Бодроги (Peter Bodrogi), Тран Куок Хан (Tran Quoc Khanh), лаборатория технологий освещения, Технический университет в Дармштадте (Германия)

В Германии запущен первый масштабный проект по замене ртутных уличных ламп светодиодными. О ходе выполнения проекта, а также проблемах, которые приходилось решать, рассказывают сами организаторы. Статья является авторизованным переводом.

Из-за глобального изменения климата и политики уменьшения выбросов углекислого газа в Евросоюзе принято решение разработать новые, более эффективные осветительные приборы на основе светодиодных ламп. За последние несколько лет в вопросах разработки светодиодной техники наметился существенный прогресс. Особенно быстрое развитие началось после появления мощных белых светодиодов. Этот источник света уже успел хорошо зарекомендовать себя, как альтернативу классическому уличному освещению. В Германии около 45% улиц освещаются ртутными лампами высокого давления. Светоотдача этих ламп составляет примерно 50 лм/Вт, поэтому они будут запрещены к использованию в Евросоюзе с 2015 г. В качестве замены чаще всего используются натриевые лампы высокого давления (HPS). Однако они имеют низкий индекс цветопередачи (CRI) и неравномерное спектральное распределение. Соответственно, по сравнению с другими источниками белого света они ухудшают восприятие мелких деталей объекта и

www.lightingmedia.ru

уменьшают его яркость [1, 2]. Оценка яркости автомобильных фар показало такой же результат [3]. Альтернативная технология, светодиодное уличное освещение, только начала применяться. Имея высокий индекс цветопередачи и хорошую светоотдачу, уличные светодиодные лампы являются более подходящей заменой ртутным. Первые исследования в этой области показали преимущества светодиодов для уличного освещения на экспериментальном участке пути [4]. Широкому распространению светодиодной технологии мешает главным образом высокая цена и отсутствие длительного опыта применения светодиодов в уличном освещении. До сих пор в Германии было проведено только несколько небольших тестовых инсталляций (с небольшим количеством светильников). В данной статье приведены первые результаты масштабного эксперимента, который был запущен в Германии в сентябре 2009 г.

ЭТАПЫ ПРОЕКТА Проект состоит из пяти этапов: 1. Исходная точка. Уличные светильники были оценены «как есть», то есть до установки новых ламп и проведения сервисных ра-

Рис. 1. Форма светильников, применяемых в настоящее время

МЕТОДИКА Форма исходных светильников напоминает гриб (см .рис. 1). Внутри установлена одна ртутная или три люминесцентные лампы. Все такие светильники в одном из провинциальных немецких городов планируется постепенно заменить на светодиодные. Поскольку проводить измерения вне лаборатории довольно затруднительно, а количество ламп велико, было решено на первом этапе оснастить только три улицы. Новые светильники были установлены с одной стороны полотна (см. рис. 2 и 3). На каждой улице были выбраны пробные участки M1 — M3 для проведения измерений «на месте».

Рис. 2. Место проведения эксперимента (street – улица; street light – уличный фонарь)

Рис. 3. Обозначение границ области измерения

применение источников света бот. Была измерена яркость ламп и освещенность полотна на трех выбранных участках М1—М3 в соответствии с требованиями DIN EN 13201, а также была измерена мощность потребления светильников для расчета эффективности расхода энергии. 2. Плановое техническое обслуживание («до»). Те же параметры, что и на первом этапе, были измерены после проведения сервисных работ (очищение светильников и замена старых ртутных или люминесцентных ламп новыми, дающих более высокое качество освещения). Посредством анкетирования было получено мнение населения о качестве уличного освещения. 3. Светодиодные лампы («после»). Проводились те же процедуры, что и на этапе 2, но для светодиодных ламп. 4. Лабораторные измерения. В лабораторных условиях были измерены следующие параметры исходных и светодиодных ламп: распределение света, общий световой поток, индекс цветопередачи, потребление. Освещенность улиц была оценена посредством моделирования в среде DIALux. 5. Анализ. Проведение расчетов и сравнение результатов для случаев «до» и «после».

ИЗМЕРЕНИЯ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ На первом этапе были измерены освещенность улиц и яркость ламп. На каждой улице был выбран участок М (см. рис. 3) между двумя фонарями. Требуемые параметры оценивались только в пределах данных участков в соответствии с требованиями к уличному освещению DIN EN 13201. Границами участков служили соседние фонарные столбы, расположенные с одной стороны полотна. Границы области измерения яркости и освещенности были обозначены дорожными маячками. Все три улицы второстепенны и соответствуют классу освещенности S4. Согласно EN 13201, средняя освещенность должна быть не менее 5 лк, а минимальная — не менее 1 лк.

ИЗМЕРЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ Для измерения уровня освещенности участков М1—М3 применялся люксметр HCT-99 фир-

мы Gigahertz-Optik. Измерения проводились с помощью измерительной сетки в соответствии EN 13201-3. Данный тип измерений проводился на этапах 1, 2 и 3.

ИЗМЕРЕНИЕ ЯРКОСТИ Для освещения класса S4 требуется только измерение освещенности. Измерение яркости участков М1—М3 проводилось с помощью цифровой яркостной камеры «LMK 98-3 Color» компании TechnoTeam. Все процедуры соответствуют требованиям EN 13201-3. Измерения яркости проводились на этапах 1, 2 и 3.

4. Способность распознавать прохожих и их лица. 5. Субъективное ощущение безопасности. 6. Субъективная оценка передачи цветов. 7. Общая оценка освещения улицы. Для удобства заполнения в каждом пункте требовалось дать оценку по пятиуровневой шкале (от «очень плохо» до «очень хорошо»). На рисунке 4 изображена одна из страниц опросника (на немецком).

ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ ПОТРЕБЛЕНИЯ Измерение потребления двух уличных ламп на границах выбранных участков М1—М3 осуществлялось с помощью цифрового ваттметра. Полученные результаты учитывают потери в схемах формирования сигнала. Измерения потребления проводились на этапах 1, 2 и 3.

АНКЕТИРОВАНИЕ Проведение измерений освещенности, яркости, потребления, распределения света, общего светового потока, индекса цветопередачи и относительной цветовой температуры на улице и в лаборатории занимают много времени. Однако все процедуры просты, а полученные значения абсолютны, их легко сравнивать. Получение информации субъективного характера, например качества освещенности или аспектов человеческого восприятия, более сложно. Лучше всего провести анкетирование. Для данного проекта был составлен список вопросов касательно яркости, безопасности, способности распознать объекты, субъективного светового восприятия улицы прохожими и оценки общей видимости при данных условиях освещения. Опросники были вручены жителям данной местности до (этап 2) и после (этап 3) установки светодиодных ламп. Цель опроса — получить подробную оценку следующих аспектов: 1. Общая яркость улицы. 2. Видимость бордюра. 3. Способность различать машины и объекты.

Рис. 4. Страница анкеты

На этапе 2 было выдано 1200 анкет. Обратно было получено 174 (14,5%) полностью заполненных анкет, 140 из которых были пригодны для обработки (11,7%). К каждой анкете прилагается сопроводительное письмо от главы города и описание проекта, а также инструкции по заполнению и контактамы организаторов. На этапе 3 будет разослано такое же количество анкет.

ТЕКУЩАЯ СТАДИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ Проект был запущен в сентябре 2009 г. Этап 1 закончился 24 сентября того же года. Все измерения этапа 2 были проведены 19 ноября, после чего были разосланы письма. В течение трех последующих недель осуществлялся сбор заполненных анкет. Из-за дождливой погоды в декабре и необычайно сильных и затянувшихся снегопадов в стране третий этап вовремя закончить не удалось. Установка светодиодных ламп началась в начале февраля 2010 г. Однако из-за продолжающихся снегопадов не удалось разослать и обработать анкеты, поскольку для объективной оценки новых ламп требуются примерно те же погодные условия, что и в первом опросе.

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света Табл. 1. Параметры выбранных участков дорог Участок Расстояние между столбами, м Ширина полотна, м Монтажная высота, м Выступ, м Класс освещенности 1 Количество полос Тип светильника Тип лампы 1

М1 46,6 6 5,22 –1,4 S4

люминесцентные 3×36 Вт

М2 43,4 5,48 4 –1,56 S4 Одна «гриб» Ртутная 1×80 Вт

М3 39,7 6 4,5 –1,85 S4

люминесцентные 3×24 Вт/36 Вт

Согласно DIN EN 13201. Табл. 2. Освещенность на этапах 1 и 2 лк EAV Emin Emax

М1 1,05 0,19 5,17

Этап 1 М2 1,37 0,21 7,30

М1 1,05 0,19 5,17

Этап 1 М2 1,37 0,21 7,30

М3 0,80 0,10 4,15

М1 2,09 0,38 8,56

Этап 2 М2 1,59 0,18 8,26

М3 2,39 0,33 12,6

Этап 2 М2 1,59 0,18 8,26

М3 2,39 0,33 12,6

Табл. 3. Отношение Р/Е для этапов 1 и 2 лк РAV, Вт EAV, лк PAV/EAV

М3 0,80 0,10 4,15

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Поскольку проект не был реализован в полном объеме, ниже приведены только некоторые результаты оценки расхода энергии и качества ламп в соответствии с требованиями DIN EN 13201 для этапов 1 и 2.

ГЕОМЕТРИЯ ДОРОГИ Перед тем, как оценивать освещенность, на выбранных участках были измерены конструктивные параметры дороги. Полученные значения сведены в таблице 1. Расстояние между столбами и перепад высот, приведенные в таблице, являются типичными для большинства второстепенных дорог в Германии, освещаемых светильниками в форме гриба.

ИЗМЕРЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ На рисунке 5 приведены результаты измерения освещенно-

М1 2,09 0,38 8,56

сти на этапах 1 и 2. Измерения проводились в соответствии с требованиями DIN EN 13201. Голубыми скобками отмечены значения, соответствующие более высоким классам освещенности S6 (2…3 лк) и S5 (3…5 лк). На этапе 1 было выявлено, что ни на одном участке уровень освещенности не соответствует классу S6. Максимальная средняя освещенность (M2) составляет всего 1,37 лк, в то время как требуется не менее 2 лк. На этапе 2 на участках М1 (2,09 лк) и М3 (2,39 лк) средний уровень освещенности соответствует классу S6. Тем не менее, ни в одном случае из шести уровни S4—S6 не достигаются, поскольку не обеспечивается минимальный уровень освещенности 0,6 лк (см. табл. 2). Итак, на этапах 1 и 2 был достигнут только класс S7 («неопределенные требования»). Другими словами, старые светильники скорее подходят для ориентации, а не для хорошего освещения дороги.

РАСХОД ЭНЕРГИИ

Рис. 5. Результаты измерений на этапах 1 и 2

www.lightingmedia.ru

Вычисление светоотдачи светильника в лабораторных условиях можно провести с помощью гониофотометра — полученный световой поток разделить на мощность потребления светильника. Измерить эмпирически данную величину не представляется воз-

можным, поскольку неизвестен световой поток. Другой способ классифицировать эффективность использования энергии на месте — это вычислить отношение P/E. Для этого необходимо измерить мощность потребления и разделить ее на среднее значение освещенности. Отношение Р/Е описывает электрическую мощность, необходимую для обеспечения средней освещенности 1 лк на данном участке. Освещенность прилегающих территорий не принимается во внимание. Вычисления были произведены на этапах 1 и 2 для обоих источников света, расположенных по краям выбранных участков. Из таблицы 3 видно, что на этапе 1 значения освещенности лежат между 0,8 лк и 1,37 лк. Замена ламп и очистка светильников позволили улучшить результат до 1,59…2,39 лк. Мощность потребления меняется в диапазоне 82…123 Вт (этап 1) и 118…140 Вт (этап 2). Хотя значения для М2 изменились слабо, для М1 и М3 разница существенна. Это может быть обусловлено типом лампы: на участке М2 используется одна ртутная лампа (см. табл. 1), а на М2 и М3 — люминесцентные. Если одна люминесцентная повреждена, то световой выход и потребление заметно падают. Поскольку до настоящего времени аналогичные измерения для светодиодных ламп не были произведены, при сравнении приходится опираться на первичное представление, полученное моделированием в среде DIALux. Моделирование проводилось по данным из таблицы 1 с фактором поддержания 0,8. Результаты для этапа 3 (светодиодные лампы) приведены в таблице 4. Видно, что при меньшей мощности потребления обеспечивается более яркая освещенность, отношение Р/Е равно 8…9 Вт/лк. Следует помнить, что отношение Р/Е не учитывает освещенность вне исследуемого участка, хотя этот параметр так же важен. Несмотря на это полученный результат подтверждает высокий

Табл. 4. Отношение Р/Е для этапа 3 лк РAV, Вт EAV, лк PAV/EAV

М1 40,9 5 8,1

Этап 3 М2 40,9 5,1 8,0

М3 40,9 4,4 9,3

применение источников света потенциал светодиодных ламп для яркого и экономичного уличного освещения. Авторы выражают сочувствие по поводу того, что не удалось вовремя представить результаты в полном объеме. Как только позволят погодные условия, эксперимент будет продолжен, а итоговые выводы будут представлены на конференции CIE 2010.

ЛИТЕРАТУРА 1. Fotios SA, Cheal C (2007). «Lighting for subsidiary streets: investigation of lamps of diﬀerent SPD. Part 2 — Brightness» // Lighting Res. Technol. 39(3),233-252. 2. Yao Q, Lin Y, Ju J, Shao H., Chen D (2007). «Evaluation on a new type of MHDs Application in Road Lighting Based on Human Factors and its Comparison with HPS» // Proceedings of International Symposium on Automotive Lighting (ISAL), 273-280.

3. Bodrogi P, Böll M, Schiller C, Khanh TQ (2009). «Brightness appearance of automotive front lighting light sources — a series of visual experiments» // Proceedings of International Symposium on Automotive Lighting (ISAL), 6571. 4. Schiller C, Kuhn T, Böll M, Khanh, TQ (2009). «Street lighting using LED and conventional light sources — A study on lighting and perceptions aspects of a test track in Darmstadt» // Licht, 10.

Компания Philips провела LED-тур в Сколково Компания Philips Electronics провела LEDтур — первую в России интерактивную сессию по светодиодному освещению. Мероприятие прошло 30 сентября в кампусе Московской школы управления СКОЛКОВО и собрало представителей партнерских и проектных организаций, дистрибьюторов, компаний сферы дизайна и розничной торговли, городских муниципалитетов и других структур, профессионально занимающихся светотехникой. Во время LED-тура эксперты Philips рассказали об опыте применения светодиодов и обозначили перспективы развития рынка. Также были продемонстрированы инновационные продукты для внутреннего и для наружного освещения. При этом более 20 светодиодных ламп, светильников, прожекторов и комплексных систем для внутреннего освещения были представлены в России впервые. «С учетом перехода России на энергоэффективные технологии светодиодное освещение становится одной из самых перспективных

и многообещающих тем, — рассказывает Владимир Габриелян, Вице-президент и Генеральный менеджер Philips «Световые решения» в России, Украине, Беларуси, Турции, Закавказье и Центральной Азии. — LED-тур призван привлечь внимание профессионального сообщества к возможностям светодиодов. Сегодня очевидно, что в будущем большая часть освещения будет основана именно на них. При этом светодиоды уже сейчас успешно и широко применяются в профессиональном освещении: архитектуре, гостиничном бизнесе, розничной торговле и других отраслях». В программу мероприятий вошли лекция о тенденциях развития рынка светодиодов и 16 мастер-классов, посвященных мировому опыту использования светодиодных ламп, особенностям внутреннего и наружного освещения, а также экологическим, экономическим и эстетическим аспектам современных световых технологий и инновационных систем управления светом. Докладчиками выступили российские и зарубежные эксперты Philips.

Во второй части мероприятия участникам были наглядно представлены новые светодиодные продукты разного предназначения, дизайна и характеристик света, но с неизменно высокими показателями энергоэффективности. Среди таких продуктов — DayZone, DaySign, StyliD, Magneos, Graze Powercore, CitySoul LEDGINE, DayWave, а также линейка ламп MASTER LED, служащих до 30 лет и являющихся альтернативой лампам накаливания, галогенным лампам и компактным люминесцентным энергосберегающим лампам. В рамках демонстрационной части прошли презентации лучших светодиодных проектов, реализованных Philips в России и СНГ. Среди заказчиков представленных проектов последних двух лет — Московская школа управления СКОЛКОВО, Государственный Эрмитаж, ОАО «НК «Роснефть», ОАО «ЛУКОЙЛ», ОАО «РЖД», ОАО «Сбербанк России», г. Львов, Аэропорт Шереметьево, торговый центры Lotte Plaza и Vegas, JTI, Philipp Plein и др. www.lightrussia.ru

В США запущен первый пилотный проект OLED-производства Департамент энергетики заявил о том, что в г. Канандайгуа (шт. Нью-Йорк) открылось первое пилотное производство OLED-панелей в США. Это производство занимает площадь в 140 тыс. кв. футов. Корпорация UDC (Universal Display Corporation), получившая 4 млн долл. от Департамента энергетики, стала членом пилотного проекта OLED.

У органических светодиодов (OLED) рассеянный, мягкий и не слепящий свет, благодаря чему они предпочтительнее светодиодов (LED) в приложениях для общего освещения. Первое в своем роде пилотное производство в США позволит выявить возможности применения технологии фосфоресцентных OLED и материалов для получения OLED-панелей белого свечения. Предполагается выпускать более 1000 таких панелей в день.

Руководитель Департамента энергетики заметил, что новая инициатива его организации направлена на поддержание лидерства США в производстве твердотельных осветительных систем. Этот проект позволит создать более 50 высокотехнологичных рабочих мест в Канандайгуа к 2012 г. www.ledinside.com

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света

Освещение города как часть комплексного планирования Денис Кёлер (Dennis Köhler), университет прикладных наук в Дортмунде, Германия В статье рассмотрено влияние освещения на городскую жизнь и развитие общества. Особое внимание уделено вопросу ночного освещения и соответствию социальной и функциональной жизни города. Статья является авторизованным переводом работы [1].

В большинстве случаев искусственное освещение городских территорий является объектноориентированным, независимо от того, идет ли речь об улице, площади или, например, строительной площадке. В результате возникает зрительный беспорядок, город напоминает скопление звезд. Главная проблема в том, что при этом нарушается пространственная ориентация в городе как едином в целом. Есть попытки полностью осветить отдельные участки города, но они предпринимаются несогласованно и без системы. Как правило, главная цель этих усилий — собственная прибыль, а не привлекательность ночного города в культурном или социальном плане. Не учитываются ни экономический, ни экологический факторы. В связи с этим было предложено ввести комплексный генеральный план освещения, чтобы регулировать использование различных источников света и обеспечить приятное и функциональное освещение. Однако данная инициатива была принята без внимательного рассмотрения и без дальнейшей обсуждения и доработки. Реализация на деле выявила слабые места, обусловленные в первую очередь отсутствием систематических данных об использовании и восприятии городских территорий,

www.lightingmedia.ru

а также о принципах ориентирования в ночное время. Существует мало подходящих способов описания характера ночного города с точки зрения функционирования (социальная составляющая) и общего восприятия. В то же время городские власти, занимающиеся разработкой генерального плана освещения, в попытках скоординировать усилия отдельных групп руководствуются только неформальным подходом.

КОМПЛЕКСНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ В настоящее время есть только разрозненные начальные данные для систематического анализа восприятия, ориентации, проживания и передвижения по территории города в ночное время. Для составления комплексной системы освещения города нужна более полная база. За все время развития теории освещения город в дневное и ночное время всегда рассматривался одинаково. Иными словами, чаще всего ночной вид города — это калька с его дневного представления. Многие концепции освещения ссылаются на формальные аспекты, базирующиеся на физической структуре города. То есть физические элементы (объекты) трактуются как единственная опорная точка, и свет направлен только на них, в то время как окружающее пространство остается в темноте. В результате в темное время суток город не воспринимается как единое целое, и это недопустимо. Мы не говорим о том, что неправильно освещать конкретные улицы или объекты. Но выделение одних лишь объектов, имеющих значение днем, не учитывает взаимодействие между человеком и городом в ночное время, которое существенно отличается от дневного.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Многие города находятся в плачевном эстетическом состоянии лишь из-за отсутствия единой концепции освещения. Для ее создания город как систему необходимо рассматривать отдельно в темное и светлое время суток. Муниципальные власти предлагают новые принципы и сферы городской жизни. Однако достижимы ли эти цели с помощью искусственного освещения? Насколько сильно окружающая среда влияет на качество жизни в городе? Безусловно, благополучие граждан зависит от других факторов. Тем не менее, то, как выглядит среда проживания и какой она создает эмоциональный фон — эти факторы оказывают существенное влияние. Определим три категории, отвечающие за благополучие жителей: эстетика, ориентирование и идентификация. Эстетика, или зрительное восприятие города, является частью социальной и моральной концепции и, следовательно, ее не следует путать с классическим понятием красоты или моды. Давно известно, что красота города определяется в гораздо большей степени социальными свободами и взаимодействием, нежели чем формальными эстетическими критериями. Способность ориентироваться формирует основу приемлемой жизни в городе и обеспечивает жителям безопасное, свободное и экономичное передвижение. Последняя категория, идентификация, подразумевает приближение реальной городской среды к тому идеалу, который хотят видеть жители. Масштаб может варьироваться от двора до города или региона в целом. Все категории следует рассматривать в контексте социальной обусловленности.

применение источников света Это общие критерии, которые нужно классифицировать более детально. Однако сразу обратим внимание на другой вопрос: как данные факторы представляются в ночное время. Территориальное планирование и план города в целом можно рассматривать как структурное устройство и руководство для местных сообществ. Ниже эта пара терминов будет применяться как для города с искусственным освещением, так и для составления плана освещения. Нужен систематический подход относительно проектирования освещения и структуры освещения. Это значит, что перед началом составления проекта проводится структурное разграничение, которое с одной стороны обозначает темными и яркими пятнами свободные пространства и области с инфраструктурой, а в то же время позволяет предусмотреть места для расположения осветительных элементов. Структурное устройство города помогает облегчить ориентирование и сэкономить ресурсы. Остальные два критерия, эстетика и идентификация, также учитываются при проектировании освещения. Речь идет не об абсолютно абстрактном визуальном переделывании ночного города. Искусственное освещение в общественных местах — это сознательно применяемый ресурс, имеющий функциональное назначение. Структурное упорядочение хорошо согласуется с начинающим обретать реальную форму шаблоном использования функциональности города с учетом строгих нормативных, технических и экономических обязательств. Таким образом, некоторые функции освещения предопределены в первую очередь. Структурное упорядочение системы освещения позволяет выяснить, как эти функции трактуются в ночное время, насколько они применимы и какой имеют потенциал, а также на основе каких принципов они работают в тех или иных ситуациях и как они предопределяют пространственную структуру в материальном отношении. Следует отметить, что проектирование освещения города — это не отдельная (декоративная)

категория планирования, а часть общего плана. Два свойства систематической оценки как выглядит город: качество и контекст, адекватная оценка местности и оценка взаимозависимости территориального и структурного представления города на уровне района, региона и субъекта. И последний аспект: структурный подход к освещению помогает разобраться, как лучше расположить светильники, чтобы показать дизайнерские решения с лучшей стороны на разных пространственных уровнях.

ГОРОД И ОСВЕЩЕНИЕ И конструкция города, и искусственное освещение требуют ресурсов, а также дальнейшего эксплуатационного обслуживания. Тем не менее, разница в том, что конструкционные показатели являются материальными, и они должны поддерживаться, даже если их использование или функционирование временно приостановлено или производится периодически. Освещение в этом контексте — временное удобство. Оно запускается по нажатию кнопки и регулируется в соответствии с текущими условиями. В результате может возникнуть дисбаланс между осветительной системой и окружающей средой. Требования к искусственному освещению должны быть составлены непосредственно в соответствии с деятельностью человека, его ожиданиями и пожеланиями. Каждый город имеет определенный характер и назначение, которые определяет его жизнь 24 часа в сутки. Роль тех или иных объектов не может быть определена только для дневного времени, поскольку ночью превалирующее значение имеет темнота. Следовательно, система освещения должна быть двоякой — для темного и светлого времени. Совокупность ночных видов деятельности разнообразна как по характеру, так и по продолжительности (одни действия производятся в свободное время, другие — в рабочее время, третьи требуют временного пребывания и т.п.). Род деятельности имеет первостепенное значение, а выделить его непосредственно из физической окружающей среды нельзя. Соответственно, его необходимо обозначить в самом

начале. То же самое относится и к отдельным объектам, имеющим значение для ориентирования в городе или определения местоположения, и которые различаются для дневной и ночной обстановки. Физическая система города определяется топографией, именно она задает пространственную структуру. Свободные пространства подходят для расположения осветительных систем, по крайней мере при желании любое незанятое пространство можно зрительно изменить с помощью освещения. Можно сделать так, чтобы не местность, а правильно подобранное освещение диктовало развитие города. Тезисы, о которых мы кратко поговорили, следует понимать как модель для разработки метода планирования, учитывающего требования и условия ночного города. Несмотря на предложенные способы решения, остается открытым вопрос о том, какими исходными точками надо пользоваться при разработке системы освещения. В частности следует принимать во внимание свойства места, тип освещения, и как меняются все параметры структуры города (зрительные, функциональные и прикладные). Модель, предложенная выше, должна быть абстрагирована и отделена от реальных условий, чтобы уловить виды деятельности, внешние взаимозависимости и потенциал освещения. К сожалению, в одной статье невозможно обо всем этом рассказать.

РЕАЛИЗАЦИЯ КОНЦЕПЦИИ, ПЕРВЫЕ ИТОГИ Мы включили составление генерального плана освещения в наше исследование для того, чтобы была практическая основа теоретического рассмотрения (мы называем наш подход «Integrierte Lichtleitplanung». Один из результатов — генеральный план освещения). С помощью междисциплинарного подхода мы хотим создать более прочную основу и базу знаний для составления генерального плана освещения на уровне города. В настоящее время этот проект находится в разработке, но уже понятно, что имеется в виду, когда речь идет о моделях деятельности, которые должны лечь в основу системы освещения.

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света Социальная концепция рассматриваемого города раскрывается в несколько этапов. Вопервых, совместно с психологами и социологами был составлен опросник, который выявит аспекты жизни города в дневное и ночное время. Кроме того, включены вопросы касательно видения города в сумерках. Прямые вопросы были намеренно разделены, поскольку на них трудно дать один полноценный ответ. Например, если поставлена цель узнать причину тревоги людей в ночное время, то названо будет, скорее всего, плохое освещение. Однако из опыта известно, что свет — это часть причины, еще есть открытость улиц, возможность скрыться и т.п. В опросе участвовало около 5000 жителей. Их просили назвать занятые и пустующие места в городе, чтобы понять, насколько загружен Люденшейд. В настоящее время производится анализ ответов, результаты которого позволят перейти к более детальному исследованию использования городских территорий жителями. Цель этого подхода заключается в том, чтобы определить социальный характер города и выделить типы деятельности, а также посмотреть, насколько они различа-

ются днем и ночью. Все это будет в дальнейшем учтено в генплане. Из топологических особенностей местности данную информацию извлечь нельзя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Хочется отметить, что стратегический подход к использованию освещения в ночное время стимулирует развитие гражданского общества. Комплексное планирование освещения позволяет сделать всю территорию города пригодной для жизни и деятельности, а также привести ее в соответствие с внутренней социальной структурой города. Но существующие на сегодняшний день методики разработки генплана искусственного освещения как инструмент координирования потребностей жителей и задач объектов нуждаются в пересмотре. Не хватает сведений о характере городских пространств ночью во всех аспектах. Должна быть разработана концепция, которая описывает характер ночного города и социальные отношения в этих условиях. Затем можно говорить о методике комплексного планирования освещения и о конкретных инструментах и нормативных документах.

При разработке и применении инструментов планирования следует помнить, что освещение — это комплексная дисциплина. Так, без исследования звука не могут быть достигнуты определенные цели и эффекты. Мы еще не говорили о том, как реализовать концепцию городского пространства при освещении электрическими источниками света, чтобы они обеспечивали требуемые характеристики. Сама теория комплексного освещения находится на ранней стадии развития. Однако уже понятно, что восприятие и использование городских территорий, а также ориентирование и передвижение по городу в темное и светлое время суток различаются. Если академические исследования будут проигнорированы, то в результате не будет достигнута целостность восприятия города. Этого нельзя допустить, общество должно быть устойчивым и свободно развивающимся.

ЛИТЕРАТУРА 1. Dennis Köhler, Integration of Artiﬁcial Light in Urban Spaces as a Matter of Urban Planning//Proceedings of CIE 2010 "Lighting Quality and Energy Eﬃciency".

В Узбекистане появится первое в СНГ производство светодиодных осветительных приборов ГАК «Узбекэнерго» и один из мировых лидеров в области производства светодиодных осветительных приборов — корейская Semi Lighting Co. LTD, создадут в Узбекистане в начале 2011 года совместное производство. Как отметило руководство «Узбекэнерго», между компаниями заключен протокол о намерениях по созданию совместного предприятия. В свою очередь, представители корейской стороны подчеркнули, что первоначальная мощность производства составит около 1,6 млн. светодиодных осветительных приборов. Завод будет создан на базе узбекского предприятия «Узбекэнерго-

www.lightingmedia.ru

таъмир». Общая сумма инвестиций в данный проект превысит $20 млн., из которых $16 млн. вложит корейская компания и около $4 млн. — узбекская. По словам руководства Semi Lighting Co. LTD, завод намерен выпускать два типа осветительных приборов — промышленные и бытовые. Оборудование будет поставлено из Кореи, а первичный уровень локализации производства планируется довести до 30%. Кроме того, представитель корейской компании сказал, что сегодня потребность внутреннего рынка Узбекистана такова, что предприятие в течение двух первых лет планирует осуществлять поставки только на местный рынок. «Создаваемое производство

будет единственным подобным в рамках СНГ. Сегодня ряд государств в регионе, например, Россия, пытаются наладить выпуск подобной продукции, но данное СП станет первым подобным производством», — подчеркнул собеседник. Ранее в Узбекистане было запущено узбекско-британское предприятие по выпуску энергосберегающих люминисцентных ламп с мощность производства до 4 млн. штук в год. Планируется, что до конца года СП выпустит 2 млн. энергосберегающих ламп спирального типа.

www.regnum.ru

применение источников света

Люминесцентная лампа T5 — новые тенденции в освещении 1 «Эффективность» является наиболее упоминаемым словом в светотехнической индустрии. Чтобы поддержать рост эффективности, вновь разрабатываемые лампы становятся все меньше. Эта тенденция — чем меньше, тем лучше — особенно очевидна на рынке люминесцентных ламп, где производители последовательно предлагают лампы все меньшего размера.

Люминесцентные лампы T5 3 в сравнении с базовой люминесцентной лампой T8 рекламируются как очередной шаг в энергосбережении. И применение для освещения люминесцентных T5 ламп — это новое направление, которое привлекает активное внимание общества с точки зрения энергосбережения.

НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ЛАМП

На протяжении многих лет в освещении превалировали люминесцентные лампы T12 2, работающие с электромагнитными балластами. Однако эта технология быстро устаревает в результате усовершенствования технологий производства ламп и балластов, и в значительной мере благодаря новым законодательным решениям правительств развитых стран. Например, по предложению министерства энергетики США с 1 января 2011 г. в этой стране электромагнитные дроссели, поддерживающие работу T12 ламп, больше производиться не будут. И продажи их также будут незаконными. Естественно, производство ламп T12 начнет сокращаться. Новым стандартом для экономичного освещения являются высокоэффективные Т8 лампы с электронными балластами, с более низкой стоимостью обслуживания и более высоким качеством освещения. В основе замены Т12 ламп на лампы Т8: – 40%-е энергосбережение; – прекрасная цветопередача Т8 ламп; – лампы T8 содержат меньше ртути, и поэтому менее вредны для окружающей среды; – срок их окупаемости замены составляет два–три года.

1 2 3

Новейшее семейство линейных люминесцентных ламп — это базовая T5 лампа и мощная лампа T5HO. Стандартная лампа T5 была разработана в Европе и представлена на американском рынке в 1996 г. Хотя некоторые дизайнеры по свету сразу же начали использовать T5 светильники, их проникновение на рынок было незаметным. Одной из причин такой ситуации было то, что эти лампы и балласт более дорогие, чем аналогичные системы T8. Затем в 1998 г. на американском рынке была представлена T5HO лампа (HO — high output), имеющая существенно больший световой поток при той же длине. Вообще говоря, у стандартной T5 лампы с электронным балластом и у стандартной T8 лампы с электронным балластом светоотдача и эффективность практически одинаковы (см. табл. 1). Подобно лампам Т8, лампы T5 изготавливаются с различными цветовыми температурами (3000, 3500, 4100 и 6500°K). В то же время, если лампы T8 имеют индекс цветопередачи Ra 75 или 85, все Т5 лампы, в зависимости от изготовителя, имеют Ra 85 или 82. Стандартная лампа T5 и лампа T5HO имеют одинаковые диаметры и длины. Т5 лампа имеет све-

товой поток 2900 лм, как и лампа Т8. Однако T5HO лампа имеет поток уже 5000 лм, и это означает, что в ряде случаев проектировщики могут использовать меньше люминесцентных светильников или ламп, снижая таким образом расходы на установку и долгосрочное обслуживание осветительных систем. Малые размеры Т5 ламп и другие их особенности во множестве новых проектов светильников позволяют достичь однородного распределения светового потока и хорошего яркостного контраста. С обычными лампами T8 или T12 такая хорошая однородность может быть достигнута только при установке светильников на расстоянии не менее 60 см от потолка. В типичном офисе с низкими потолками светильники висели бы на высоте ниже 215 см, что не допускается строительными нормами. Но с лампой T5 светильник может быть меньшего размера, оптика отражателя при этом оптимальна, что в результате позволяет уменьшить расстояние от потолка до 38 см.

Таблица 1. Показатели энергоэффективности разных люминесцентных ламп Исходный световой поток, лм Номинальная мощность лампы, Вт Исходная светоотдача 1, лм/Вт Исходная светоотдача системы 2, лм/Вт Стабильность светового потока 1, % Обеспечиваемая светоотдача системы 2, лм/Вт Номинальный срок службы 3, тыс. ч Оптимальная рабочая температура, °F 1 2

T5 2900 28 104 89 97 86 16 95

T5HO 5000 54 93 85 95 81 16 95

T8 2950 32 92 90 93 84 20 77

Для 4-футовых ламп с CRI = 85. Для 4-футовых ламп с CRI = 85 и 2-ламп. эл. балластом быстрого зажигания. Это значение варьирует в зависимости от производителя и технологии люминофорного покрытия.

Краткое обозрение страниц интернет-изданий. Это лампы диаметром 12/8 дюйма или примерно 3,8 см. Это лампы диаметром 5/8 дюйма (примерно 1,6 см).

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света

Рис. 1. Спад светового потока в зависимости от времени работы для различных типов ламп

ОСОБЕННОСТИ ЛАМП И БАЛЛАСТА Электронные балласты для T5 ламп уникальны по ряду причин. Это первые лампы, которые работают только с электронными балластами. Один такой балласт может осуществлять питание одной или двух Т5 ламп любой потребляемой мощности (14, 21, 28 или 35 Вт), т.к. рабочий ток этих ламп одинаков (170 мА). Все эти лампы имеют одинаковую поверхностную яркость. Для работы T5HO лампы также требуется специализированный балласт. Обеспечивая световую отдачу 83…94 лм/Вт, эти лампы имеют примерно на 10—15% меньшую эффективность, чем стандартные T5 лампы, и примерно на 8% меньшую эффективность, чем системы с T8 лампами. У многих балластов T5HO ламп есть свои особенности. Например, одна из моделей может работать с одной, двумя, тремя или четырьмя лампами FP54. Балласт может устанавливаться вдали от светильника, при этом он имеет переключатель уровня освещения (высокий/низкий). Максимальный световой поток лампы T5 достигается при температуре воздуха 35°C, тогда как у T8 и T12 ламп — при 25°C. Таким образом, в закрытом светильнике у лампы T5 может быть более высокая эффективность, чем у T8 лампы той же самой мощности. К концу срока службы, по мере расхода оксидного слоя катода, наблюдается повышение рабочего напряжения лампы. При этом растет температура в прикатодной области, что может вызвать раз-

рушение стенки лампы. Поэтому все балласты T5 ламп имеют так называемую схему конца жизни, которая отключает питание лампы, когда ее напряжение превышает определенный предел. Другая важная характеристика Т5 лампы — низкое содержание ртути. Т5 лампы имеют специальный слой, который предотвращает поглощение ртути люминофором и стенкой трубки. Этот слой существенно уменьшает количество ртути, необходимой для работы лампы — приблизительно с 15 до 3 мг. Благодаря этому слою поглощение ртути практически предотвращается, и, как показано на рисунке 1, спад светового потока лампы T5 не превышает 5% в первой половине срока службы. Очевидно, что и T5 и T5HO лампы найдут свое место и в офисном, и промышленном освещении. По оценке Джо Нисли 4, использование светильников с T5HO лампами — прекрасный вариант для освещения помещений с высотой потолков более 4,5 м, включая склады, промышленные здания и учебные помещения. Например, по сравнению со светильниками с 400-Вт МГЛ, светильники с T5 лампами позволяют экономить до 50% электроэнергии. Складывается впечатление 5, что Т5 лампы способны заменить не только Т12 лампы, но и Т8 лампы. Так, мощность базовой Т5 лампы составляет 28 Вт, в то время как мощность базовой лампы T8 — 32 Вт при примерно равных световых потоках. Таким образом, Т5 лампа экономичней на 12,5 %. Уже по одной только этой причине это

выглядит привлекательной альтернативой. Однако нужно иметь в виду, что в применении T5 ламп есть много неудобств. Во-первых, лампы T5 примерно на 5 см короче ламп T8, следовательно, возникают сложности с модификацией существующих люминесцентных светильников с T8 ламп на T5 лампы. Конечно, есть доступные разъемы (адаптеры), которые позволяют закреплять T5 лампы в старых светильниках, но получается, что это еще один элемент, который увеличивает накладные расходы на модификацию. Кроме того, существуют различные версии адаптеров, использование которых вызывает беспокойство с точки зрения безопасности их работы. Так, международный комитет IEC SC34D MT, LUMEX в своем меморандуме 6 подтверждает, что в настоящее время нет стандартов, по которым эти компоненты могут быть проверены с целью гарантированной безопасности их использования. Обеспечить безопасность при использовании этих адаптеров можно только тогда, когда они проверяются в работе вместе со светильниками, для которых предназначены. При этом модифицированные светильники должны полностью отвечать требованиям IEC 60598-1 и любым другим соответствующим стандартам (например, 34D/891/ INF IEC). Не стоит забывать и о затратах. Если лампа T8 стоит примерно 2 долл., то лампа T5 обойдется потребителю уже приблизительно в 8—10 долл. Это довольно большое увеличение стоимости, учитывая, что на каждой лампе экономится только 4 Вт. Еще один важный момент — использование T5 ламп с параболическим отражателем вместо стандартных T8 ламп. В одной из фирм попытались протестировать декларируемое рекламой энергосбережение. Была построена энергетическая модель, позволяющая сравнить ежегодное энергосбережение при использовании T5 ламп вместо стандартных ламп T8. Результаты показали, что пользователь окупает

Старший редакционный консультант Penton Media, Inc. Вообще говоря, создаваемое в большей степени рекламными проспектами различных фирм. 6 CELMA position paper. T5 and T8 Fluorescent Lamp and LED Lamp/Module Adaptors Retrofit Conversion Units for T8, T10 & T12 Luminaries. Status 22/02/2010, BASED ON LIF Technical Statement No.41:Issue3A. 5

www.lightingmedia.ru

применение источников света расходы на такую замену приблизительно за 13 (!) лет. Таким образом, следует иметь в виду, что в настоящее время столь незначительное энергосбережение не оправдывает высоких начальных затрат. Кроме того, уже есть более новые технологии, которые перечеркивают преимущества Т5 ламп. Это, например, лампы

T8 на 28 Вт и светодиодные осветительные трубки. Большинство этих альтернативных подходов к освещению выглядит весьма привлекательно. Использование их, вероятно, привело бы к более короткому сроку окупаемости (в сравнении с лампами T5). Тем не менее, выше уже были названы определенные направления, где

целесообразность использования Т5 ламп не подвергается сомнению. При проектировании светильников с учетом особенностей их применения всегда нужно иметь в виду, что у каждого решения — свой выбор. Материал подготовил Михаил Мальков.

На улицах Перми в 2010 году установлено 600 новых фонарей Как сообщили в управлении внешнего благоустройства администрации Перми, в этом году уже полностью отремонтированы сети наружного освещения на улицах Яблочкова, Емельяна Ярославского и Бородинской. Помимо этих улиц, обновлены сети наружного освещения в Свердловском районе. Жителям стало уютнее ходить по вечерам на пешеходном переходе через лог от дома №8 по улице Ординской до дома №3 по улице Коломенской (в микрорайоне Владимирский) и на пешеходной дорожке от жилого массива до школы №38 (в микрорайоне Липовая гора). Кроме того, полностью завершены работы на улицах в микрорайонах Авиагородок, Леваневского, на улицах Гусарова, Таборской, Вижайской и на ряде улиц в микрорайоне Южный.

В завершающей стадии находится еще ряд объектов Свердловского района. Например, сквер Советской Армии на улице Сибирской. Эта аллея - излюбленное место прогулок горожан, и оно давно нуждалось в восстановлении сетей наружного освещения и установке новых светильников. После того, как здесь были обустроены фонари, гулять на алее стало безопаснее. Кроме того, новые сети появились и возле социально значимых объектов. Например, в Дзержинском районе на территории школы №40 по улице Костычева установлены новые фонари, в Индустриальном районе освещение появилось у «Центра развития ребенка» - детский сад № 371, в Кировском районе - у поликлиники №1. В целом в рамках программы «Светлый город» уже установлено более 600 новых све-

тильников и устроено порядка 23,5 км сетей. Всего в этом году на улицах города появится около 1300 светильников. «В течение последних лет ситуация с освещением городских микрорайонов значительно улучшается. Улицы, скверы и территории возле социальных учреждений становятся более безопасными, светлыми», - подчеркивают в городском управлении внешнего благоустройства. Напомним, с 2006 года в Перми по инициативе Главы города Игоря Шубина реализуется программа «Светлый город». За это время отремонтированы сети наружного освещения в Кировском, Дзержинском, Орджоникидзевском и Мотовилихинском районах.

www.svetozone.ru

Правительство утвердило перечень энергоэффективных технологий для налоговых льгот Правительство РФ утвердило перечень объектов и технологий с высокой энергоэффективностью, инвестиции в создание которых позволят инвесторам получить инвестиционные налоговые кредиты, говорится в постановлении, опубликованном на правительственном сайте. В перечень из четырех пунктов вошли тепловые насосы, конденсационные котлы, когенерационные установки мощностью до 25 МВт и светодиодные лампы. Постановление принято в соответствии с подпунктом 5 пункта 1 статьи 67 Налогового кодекса РФ, говорится в тексте документа.

Между тем, на прошлой неделе власти РФ одобрили программу энергосбережения и повышения энергетической эффективности до 2020 года, предполагающую обеспечение снижения энергоемкости ВВП к 2020 году не менее чем на 13,5%. Объем инвестиций за весь срок реализации программы должен составить 9,532 триллиона рублей, в том числе 760 миллиардов рублей — из средств бюджета России и субъектов РФ и 8,772 триллиона рублей из внебюджетных источников финансирования. В ноябре 2009 года президент России Дмитрий Медведев подписал федеральный закон

об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности. Этот закон, в частности, вводит ограничения на оборот ламп накаливания, устанавливает требования по маркировке товаров с учетом их энергоэффективности, по обязательному коммерческому учету энергоресурсов, энергетической эффективности новых зданий, сокращению бюджетных расходов на приобретение энергетических ресурсов, а также по содержанию общего имущества многоквартирных домов в отношении показателей энергетической эффективности. www. energo-news.ru

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света

Сравнительное исследование мебельных светильников разных типов В статье анализируются результаты тестирования четырех линейных светодиодных светильников для шкафов. Эти светильники продавались в розничных магазинах Олбани, шт. Нью-Йорк, весной 2009 г. В процессе исследования определялись количество света на кухонных столах и стенных панелях, его однородность, цвет и светоотдача. Для сравнения были также протестированы две люминесцентные и две ксеноновые лампы накаливания. В отчете обсуждаются результаты тестирования рабочих параметров этих светильников, вопросы энергопотребления и стоимости, а также некоторые другие аспекты применения исследованных источников света. Статья представляет собой авторизованный перевод [1].

ВВЕДЕНИЕ

Весной 2009 г. сотрудники организации NLPIP (National Lighting Product Information Program — Национальная программа предоставления информации по осветительной продукции) посетили магазины в Олбани, шт. Нью-Йорк, где обычно продаются лампы и светильники для дома, чтобы увидеть, какая светодиодная продукция предлагается на рынке. В процессе инспектирования магазинов был обнаружен один тип светодиодной продукции — светильники, которые устанавливаются на нижнюю часть выдвижных ящиков шкафов для освещения кухонного стола или под верхние полки и в витрины. Эти светильники имеют линейную форму или вид шайбы. Некоторые из них объединяются в одну конструкцию или соединяются в одну электрическую цепь, что упрощает монтаж. Из таблицы 1 видно, что на момент исследования в магазинах Олбани продавались девять светильников в виде шайбы и шесть линейных светильников для монтажа на шкафы.

www.svetotechnika.ru

В рамках программы NLPIP были приобретены и протестированы четыре из предлагавшихся светодиодных линейных ламп для установки на шкафах. Модели GE 10432 и GE 10434, как указано на упаковке и следует из описания, в первую очередь, предназначены для направленного освещения книжных полок, а не поверхностей кухонных столов. По той причине, что эти две модели (а, следовательно, их дизайн и рабочие характеристики) явно отличаются от тех, которые используются на кухнях, они не были включены в тестирование. Помимо четырех светодиодных моделей были исследованы параметры двух люминесцентных и двух ксеноновых ламп нака-

ливания с целью их дальнейшего сравнения. Сотрудники NLPIP протестировали приобретенные шкафные установки в соответствии с методиками испытаний, рекомендуемыми альянсом ASSIST (Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies) [2]. Для тестирования шкафных осветительных установок использовались также документы ASSIST [3, 4]. Сотрудники NLPIP протестировали перечисленные в таблице 2 светильники, чтобы оценить важные параметры, указанные в этих двух документах.

КОЛИЧЕСТВО СВЕТА ОТ ШКАФНЫХ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ Шкафные светильники выполняют две важные функции на

Таблица 1. Светодиодные светильники, предлагавшиеся в магазинах Олбани в период с 23-го мая по 4-е июня 2009 г. Тип

Марка

Модель

Цена, долл.

Шайба

Ace

3224037

34,99

Указанные производителем данные Световой поток, лм Н/д

Мощность, Вт Срок службы 2,5/шайбу

Примечания

Н/д

3 шайбы 3 шайбы, димминг

Шайба

Hampton Bay

403-144

39,96

Н/д

2/ шайбу

Н/д

Шайба

Hampton Bay

830-758

33,97

Н/д

0,68/шайбу

Н/д

3 шайбы

0,23/шайбу

Н/д

10 минишайбы

Шайба

Hampton Bay

834-355

49,96

Н/д

Шайба

Hampton Bay

957-254

14,96

Н/д

2,6

1 шайба

Шайба

Hampton Bay

980-984

29,92

Н/д

2,6/шайбу

3 шайбы

Шайба

Lights of America

7200 LED BN

12,99

Н/д

2,5

Н/д

1 шайба

Шайба

Utilitech

283277

49,00

Н/д

50 тыс. ч

3 объедин. шайбы

Шайба

Utilitech

288741

21,98

Н/д

2,25

50 тыс. ч

4-дюйм. прямоуг.

Линейная

10408

54,96

Н/д

12-дюйм. компонуемая лента

Линейная

10409

64,98

Н/д

18-дюйм. компонуемая лента

Линейная

10432

19,97

Н/д

1,5

Н/д

Дополн. 12-дюйм. лента для GE 10434

Линейная

10434

39,97

Н/д

1,5

Н/д

12-дюйм. лента для акцентирован. освещения

Линейная

Utilitech

283278

59,00

Н/д

5,5

50 тыс. ч

18-дюйм. лента

Линейная

283520

24,98

Н/д

18-дюйм. лента

применение источников света Таблица 2. Шкафные светильники, протестированные сотрудниками NLPIP Источник света

Марка

Модель

Цена, долл.

Длина, указанная на упаковке, см

Светодиоды

10408

54,96

30,5

Светодиоды

10409

64,98

45,7

Светодиоды

Utilitech

283278

59,00

45,7

Светодиоды

Utilitech

283520

24,98

45,7

Люминесцентные лампы

10113

25,78

45,7

069486

16,98

46,4

Люминесцентные Utilitech лампы

Ксенон. лампы накаливания

10136

46,97

45,7

Ксенон. лампы накаливания

Utilitech

283542

34,98

44,8

Фотография

Таблица 3. Световой поток и освещенность горизонтальной поверхности, достигаемые при использовании шкафных светильников Источник света Светодиоды Светодиоды Светодиоды Светодиоды Люминесцентная лампы Люминесцентная лампы Ксенон. лампы накаливания Ксенон. лампы накаливания

Освещенность горизонтальной поверхности, лк

Световой поток, лм Марка

Модель

GE GE Utilitech Utilitech

10408 10409 283278 283520

Горизонт. область 82,5ч 127 115 30,7

10113

141

159

301

207

415

Utilitech

069486

110

151

261

162

354

10136

222

45,8

267

325

747

Utilitech

283542

157

65,8

223

230

449

кухне. Во-первых, они создают ощущения яркого света, не повышая при этом уровня общего освещения. Во-вторых, они освещают поверхность стола при готовке пищи или чтении рецепта приготовления блюда. Какой уровень освещенности считается приемлемым? Общество IESNA (Illuminating Engineering Society of North America) рекомендует минимальный уровень освещенности в 300 лк при выполнении обычной работы и 500 лк — при

Вертикальн. область 34,4 51,0 77,7 15,3

Общий

Средняя

Макс.

117 178 175 46,0

148 186 169 45

265 360 331 92

нели мойки и попадает на горизонтальную поверхность стола, создавая дополнительное освещение. В этом исследовании намеренно не учитывалась эта составляющая, поскольку на кухнях используются разные панели. После того как вертикальная задняя панель мойки была закрыта матовой белой бумагой, средняя освещенность увеличилась в горизонтальном направлении на 5%. Яркость лампы Utilitech 283542 можно устанавливать на максимальное и минимальное значения. Кроме того, ее можно вращать в разных направлениях. В этих тестах был установлен самый высокий уровень яркости, и она была повернута вниз таким образом, что задняя часть светильника была горизонтальна. Как видно из таблицы 3, все светильники за исключением Utilitech 283520 обеспечивали, по крайнем мере, тот уровень светового потока, который рекомендуется в [6] и требуется для освещения кухни. Таким образом, специалисты NLPIP рекомендуют использовать светильник Utilitech 283520 только в тех случаях, когда суммарный световой поток за счет других источников света на кухне позволяет достичь требуемого уровня освещения.

ОДНОРОДНОСТЬ СВЕТА СВЕТО ДИОДНЫХ ШКАФНЫХ СВЕТИЛЬ НИКОВ

выполнении небезопасной работы, например, резании мяса [5]. Однако в [6] указывается величина в 100 лк для всех видов кухонной работы. Оборудование для теста, в котором моделировались кухонный стол и задняя панель мойки, имело черные неотражающие поверхности, для того чтобы измерить только величину прямого освещения. На настоящей кухне небольшое количество света отражается от задней па-

В соответствии с рекомендациями общества IESNA, освещенность зоны, непосредственно примыкающей к рабочему пространству, не должна быть в пять раз больше или меньше 1/5 освещенности этого пространства. Для оценки показателя однородности альянс ASSIST рекомендует сравнивать среднюю освещенность всей рабочей зоны с минимальным значением ее освещенности. Хорошей освещенностью, обеспечивающей комфортное визуальное восприятие и ослабление тени, считаются значения менее 5:1. В таблице 4 представлены коэффициенты однородности для шкафных светильников, измеренные сотрудниками NLPIP. Чем меньше этот коэффициент, тем лучше. В этой таблице также

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света представлены диаграммы распределения освещенности на горизонтальной поверхности стола. Чем круче участки этой поверхности, тем меньше однородность. У всех светильников коэффициент однородности был меньше 5:1 за исключением модели GE 10136 (ксеноновая лампа накали-

вания), у которой он был немного больше. Было установлено, что все светильники обеспечивали приемлемую однородность, показатель которой можно было увеличить, объединив несколько источников света таким образом, чтобы их зоны освещения пересекались.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЕТО ДИОДНЫХ ШКАФНЫХ СВЕТИЛЬ НИКОВ Многих интересуют светодиоды как технология, которая позволяет снизить потребление энергии. В качестве параметра, который определяет количество расходуемой энергии, выступает

Таблица 4. (начало) Однородность освещения горизонтальной рабочей поверхности Источник света

Марка

Модель

Однородность на горизонт. рабочей поверхности

Светодиод

10408

2,4:1

Светодиод

10409

3,0:1

Светодиод

Utilitech

283278

3,3:1

Светодиод

Utilitech

283520

3,1:1

www.svetotechnika.ru

Распределение показателей однородности

применение источников света светоотдача. Она указывает, какое количество света достигает рабочей поверхности на единицу потребляемой электрической мощности. Этот параметр учитывает только световой поток, падающий на рабочую поверхность, и исключает свет, распространяющийся в других направлениях.

Таким образом, характеризуется количество «полезного света» на единицу потребляемой мощности. В последнем столбце таблицы 5 указаны значения светоотдачи шкафных светильников, протестированных специалистами NLPIP. Чем выше этот показатель,

тем лучше. В данном анализе учитывается световой поток, падающий как на горизонтальную, так и на вертикальную поверхности (кухонный стол и панель мойки). Средняя эффективность четырех светодиодных светильников составила 28,8 лм/Вт, тогда как для двух люминесцентных ламп

Таблица 4. (окончание) Однородность освещения горизонтальной рабочей поверхности Источник света

Марка

Модель

Однородность на горизонт. рабочей поверхности

Люминесцентные лампы

10113

3,5:1

Люминесцентные лампы

Utilitech

069486

4,4:1

Ксенон. лампы накаливания

10136

5,9:1

Ксенон. лампы накаливания

Utilitech

283542

3,3:1

Распределение показателей однородности

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света этот показатель оказался равным 21,0 лм/Вт. Светоотдача светодиодных светильников заключена в широком диапазоне значений. Это указывает на то, что применение данных источников света само по себе не гарантирует высоких показателей. Средний показатель светоотдачи для двух ксеноновых ламп составил 4,7 лм/Вт, что намного меньше, чем у светодиодных светильников и у люминесцентных ламп. На рисунке 1 показана зависимость светоотдачи от освещенности для разных типов источников света. Специалисты NLPIP установили, что светильник с самой высокой эффективностью — Utilitech 283520 — обеспечивает меньшую освещенность, чем рекомендуется в [6].

Рис. 1. Зависимость эффективности разных типов источников света от горизонтальной освещенности

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВ НОСТЬ ШКАФНЫХ СВЕТОДИОД НЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ В таблице 6 приведен расчет суммарной стоимости владения шкафными светильниками на основе следующих предположений: – срок службы установки — 10 лет; – тариф на электроэнергию — 0,1136 долл./кВт·ч; – время работы — 3 ч/день; – срок службы светодиодного светильника > 11 тыс. ч; – срок службы люминесцентной лампы — 7500 ч; – срок службы ксеноновой лампы — 8000 ч; – стоимость замены люминесцентной лампы — 4,80 долл.; – стоимость замены ксеноновой лампы — 3,60 долл.; – время установки ламп с вилкой (светодиодные и ксеноновые лампы) — 0,5 ч; – время установки ламп с проволочным выводом (люминесцентные лампы) — 1,0 ч; – стоимость установки — 56 долл./ч. Срок службы и стоимость замены люминесцентной и ксеноновой ламп, а также показатель почасовой стоимости установки взяты из [3]. Оценка времени установки ламп рассчитана на основе опыта монтажа этих ламп для тестирования специалистами NLPIP. Зависимость стоимости владения от светового потока для каждого из рассматриваемых шкафных светильников представлена на рисунке 2. Чем меньше значе-

www.svetotechnika.ru

Рис. 2. Стоимость владения в течение 10 лет в зависимости от величины светового потока шкафных светильников

Таблица 5. Светоотдача шкафных светильников Источник света

Марка

Модель

Измеренная мощность, Вт

Светоотдача, лм/Вт

Светодиоды

10408

5,24

22,3

Светодиоды

10409

6,20

29,0

Светодиоды

Utilitech

283278

7,03

24,9

Светодиоды

Utilitech

283520

1,19

38,8

Люминесцентные лампы

10113

12,2

24,6

Люминесцентные лампы

Utilitech

069486

15,0

17,4

Ксенон. лампы накаливания

10136

46,3

5,8

Ксенон. лампы накаливания

Utilitech

283542

61,6

3,6

Таблица 6. Стоимость владения шкафными светильниками в течение 10 лет Источник света

Марка

Модель

Исходная цена, долл.

Исходные затраты на установку, долл.

Светодиоды

10408

Светодиоды

10409

101

Светодиоды

Utilitech

283278

Светодиоды

Utilitech

283520

Люминесцентные лампы

10113

102

Люминесцентные лампы

Utilitech

069486

Ксенон. лампы накаливания

10136

136

283542

143

Ксенон. лампы Utilitech накаливания

Стоимость Стоимость Совокупная электричества, замены ламп, стоимость владолл. долл. дения, долл.

применение источников света ние стоимости владения, тем выгоднее использовать светильник. Светильник Utilitech 283520 с минимальной стоимостью владения обеспечивает меньшую освещенность, чем та, которая рекомендуется в [6]. Люминесцентные лампы имеют приблизительно ту же стоимость владения, что и другие светодиодные светильники. Однако люминесцентные модели дают больше света. Если окажется, что светодиодные светильники выйдут из строя раньше, чем через 11 тыс. ч, потребуется замена. Это означает, что стоимость владения такими установками окажется значительно больше, чем у люминесцентных ламп, и приблизится к показателю ксеноновых моделей, у которых он больше за счет большего энергопотребления.

ДРУГИЕ ФАКТОРЫ, КОТОРЫЕ СЛЕ ДУЕТ УЧИТЫВАТЬ ПРИ ВЫБОРЕ ШКАФНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ При покупке шкафных светильников следует учитывать такие факторы как цветовая температура, гарантия, способность устанавливать электрическое соединение с другими светильниками, а также создаваемые тени.

Цвет света Коррелированная цветовая температура (CCT) указывает на то, каков свет — «теплый» или «холодный».

В рекомендациях ASSIST [3] предлагается использовать лампы с цветовой температурой 2700–3500 К для освещения поверхностей с теплыми тонами. Для подсветки декоративной стеклянной черепицы, стеклянных полок, черепицы с холодными тонами или с серыми металлическими оттенками применяются холодные лампы с температурой 3500–5000 K. В таблице 7 представлены значения CCT, измеренные специалистами NLPIP. Это средневзвешенные значения для каждого светильника, полученные путем измерения CCT света, падавшего на сетку с точками измерения на горизонтальной поверхности. Коэффициент цветопередачи CRI является мерой качества света лампы. Чем выше этот показатель, тем естественнее выглядит свет, и легче различаются цвета разных предметов. В таблице 7 также указаны значения CRI, полученные специалистами NLPIP. Этот показатель измерялся с помощью светомерного шара в соответствии со стандартом испытаний IESNA LM-79. CRI люминесцентных ламп определялся с помощью данных, указанных производителями на лампах. CRI ксеноновых ламп равен 100 в соответствии с распределением спектральной интенсивности излучения нити лампы накаливания. Результаты тестирования NLPIP в таблице 7 свидетельствуют о

Таблица 7. Измеренные показатели светильников CCT и CRI Источник света Светодиоды Светодиоды Светодиоды Светодиоды Люминесцентные лампы Люминесцентные лампы Ксенон. лампы накаливания Ксенон. лампы накаливания

Марка GE GE Utilitech Utilitech GE Utilitech GE Utilitech

Модель 10408 10409 283278 283520 10113 069486 10136 283542

CCT, К 2852 2872 3111 3864 3090 3735 2617 2525

CRI 68 68 70 73 80—90 60—70 100 100

Таблица 8. Гарантии на шкафные светильники Источник света Светодиоды Светодиоды Светодиоды Светодиоды Люминесцентные лампы Люминесцентные лампы Ксенон. лампы накаливания Ксенон. лампы накаливания

Марка GE GE Utilitech Utilitech GE Utilitech GE Utilitech

Модель 10408 10409 283278 283520 10113 069486 10136 283542

Продолжительность гарантии 3 года 3 года Нет данных 1 год 3 года 1 год 3 года 1 год

том, что предлагаемые на рынке светодиодные и люминесцентные светильники имеют холодный и теплый свет, а у ксеноновых ламп он теплый.

Гарантии Шкафные светодиодные светильники, которые были протестированы в данном исследовании, не имеют элементов для замены пользователем. В случае выхода таких светильников из строя их следует заменить новым источником света. Несмотря на то, что производители иногда заявляют о достаточно продолжительном сроке службы светодиодной продукции (например, на упаковке Utilitech 283278 указано, что срок службы этой лампы равен 50 тыс. ч), а стоимость владения в значительной мере зависит от этого показателя, гарантия производителей схожа с той, которая дается для шкафных светильников с использованием люминесцентных и ксеноновых ламп (см. табл. 8).

Возможность соединения Некоторые светильники имеют возможность устанавливать электрическое соединение с другими источниками света, что необходимо при монтаже ряда светильников вдоль одного длинного стола. Люминесцентные модели поставляются с проволочными выводами, благодаря которым светильник можно подключить к распределительной коробке или соседнему светильнику. Из протестированных источников света только две светодиодные модели — Utilitech 283278 и 283520 — такой возможностью не обладают.

Регулировка яркости Ни один из рассмотренных источников света не имеет встроенной функции управления яркостью. Яркость света ксеноновой лампы Utilitech 283542 можно устанавливать лишь на максимальное или минимальное значение. Организация NLPIP рекомендует шкафные светильники со встроенным регулятором яркости или с двухуровневым переключателем, чтобы пользователь имел возможность подобрать наиболее комфортный уровень освещенности. Кроме того, такая

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света возможность позволяет снизить расход электроэнергии.

Возможность направлять свет Ксеноновую лампу Utilitech 283542 можно наклонять, направляя свет на требуемые предметы, тогда как другие светильники такой возможности не имеют — их излучение вертикально падает на горизонтальную поверхность стола.

Рис. 3. Резкие и мягкие тени

Тени На объектах, освещенных несколькими шкафными светильниками, возникают тени (см. рис. 3). Резкие тени (слева на рис. 5) создаются всеми светодиодными моделями и ксеноновой лампой GE 10136. Свет двух люминесцентных ламп с меньшей освещенностью и рассеивателем создает мягкие тени (справа на рис. 5). Модель ксеноновой лампы Utilitech 283542 в данном случае занимает промежуточное положение.

ВЫВОДЫ У светодиодных светильников имеются свои сильные и слабые стороны по сравнению с другими источниками света. На рисунке 4 представлена диаграмма, с помощью которой можно наглядно увидеть преимущества каждого из протестированных шкафных светильников. На верхней правой оси указаны измеренные или расчетные значения коэффициента CRI. На верхней левой оси указаны значения светового потока, падающего на рабочую зону. На правой оси отложены значения показателя однородности, который был рассчитан путем деления минимальной освещенности горизонтальной поверхности на среднее значение освещенности этой же области (в табл. 4 приведены обратные данному показателю значения однородности). Внизу справа проходит ось светоотдачи. В нижнем левом углу представлены показатели экономии расходов по сравнению с затратами на самую дорогую модель светильника. Чем больше показатели на всех осях, тем выгоднее применять тот или иной тип светильника. Светодиодные модели генерируют меньшее количество света, чем другие, однако имеют мень-

www.svetotechnika.ru

Рис. 4. Сравнение показателей разных типов шкафных светильников

шую стоимость владения и лучший показатель однородности, чем люминесцентные лампы. У ксеноновых моделей самый высокий коэффициент CRI. При этом они производят примерно такое же количество света, что и люминесцентные лампы, но имеют низкую светоотдачу и относительно высокую стоимость владения. Две протестированные люминесцентные лампы производят примерно то же количество света, что и ксеноновые лампы, и имеют сбалансированные показатели однородности, экономии и светоотдачи. Коэффициенты CRI двух люминесцентных ламп значительно различаются из-за того, что лампы были произведены по разным люминофорным технологиям. ЛИТЕРАТУРА 1. LED Residential Under-cabinet Luminaires. Vol. 11. Issue 1. May 2010. 2. ASSIST. 2007. Recommendations for Testing and Evaluating Under-cabinet Luminaires. Vol. 2(3). Troy, NY: Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute//www.lrc. rpi.edu/programs/solidstate/assist/pdf/ undercabinet3.pdf.

3. Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST). 2007. A homeowner's guide to residential undercabinet lighting: Getting good lighting for your kitchen counters. Vol. 2(1). Troy, NY: Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute//www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/ assist/pdf/undercabinet1.pdf. 4. ASSIST. 2007. How to select residential LED under-cabinet lighting. Vol. 2(2). Troy, NY:Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute//www.lrc.rpi. edu/programs/solidstate/assist/pdf/ undercabinet2.pdf. 5. Rea, M. S. (ed.). 2000. IESNA Lighting Handbook: Reference and Application (9th ed.). New York, NY: Illuminating Engineering Society of North America. United States Department of Energy. U.S. average retail cost of electricity in residential market for 2008//www.eia.doe.gov/ cneaf/electricity/epm/table5_3.html. 6. McGuiness, P. J. and P. R. Boyce. 1984. The eﬀect of illuminance on the performance of domestic kitchen work by two age groups. Lighting Research & Technology, 16(3): 131-136. 7. National Lighting Product Information Program. 2010. Lighting Answers: Availability of LED Lighting Products for Consumers. Vol. 10(1). Troy, NY: Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute//www.lrc. rpi.edu/programs/nlpip/lightingAnswers/ consumerLED/abstract.asp.

применение источников света

ENDURA – безэлектродный люминесцентный источник света большой интенсивности В статье описывается мощная высокоэффективная безэлектродная лампа ENDURA (или ICETRON в США), разработанная фирмой OSRAM SYLVANIA. Лампа работает на частоте 250 кГц и обеспечивает световой поток 12000 лм при мощности системы 150 Вт. Использование низкой частоты позволяет значительно уменьшить уровень электромагнитных шумов и упростить электронный балласт. За основу при этом взята статья разработчиков этой лампы [1]. Заметим, что на момент ее публикации ENDURA являлась наиболее мощной и эффективной лампой на рынке1.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ

Идея высокочастотного освещения [2] и первый патент на высокочастотную лампу, питаемую от механического высокочастотного генератора [3], появились задолго до того, как первые люминесцентные и дуговые ртутные лампы стали реальностью. Потребовалось столетие, чтобы первые высокочастотные (ВЧ) лампы (Matsushita, 1991; Philips, 1991) стали коммерчески привлекательными и вышли на рынок 2. Разумеется, наиболее притягательной особенностью ВЧпитания является отсутствие электродов, которые являются главным сдерживающим фактором увеличения эффективности и срока эксплуатации люминесцентных ламп. Достаточно сказать, что электроды люминесцентных ламп ограничивают срок эксплуатации

1 2 3

в пределах 5—20 тыс. ч., не позволяют использовать большие токи (обычно они меньше 1,5 А) и требуют (для приемлемого срока службы) давления буферного газа, которое на порядок больше того, что соответствует максимальной эффективности лампы. Для уменьшения аноднокатодных потерь, характерных для всех электродных разрядов, разрядные трубки должны быть достаточно длинными и тонкими. При этом напряжение лампы не должно быть существенно больше падения потенциала на положительном столбе разряда. В ВЧ-лампах для разрядного тока электроды уже не требуются — здесь ток в плазме течет по замкнутому пути. Это открывает неограниченные возможности для разработки ламп различных форм и размеров, мощностей и газового наполнения. Но основным фактором, долго сдерживающим коммерциализацию ВЧ-безэлектродных ламп, было отсутствие электронных компонентов, необходимых для создания надежного и доступного по цене (электронного) источника ВЧ-питания. И только в последнее десятилетие прогресс в полупроводниковой индустрии и в технологиях производства переключающих устройств сделал возможной коммерческую реализацию ВЧламп с компактными, высокоэффективными источниками ВЧ-питания по приемлемым ценам.

ТИПЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ РАЗРЯДОВ Есть три основных способа питания ВЧ-источников света (здесь рассматриваются только ВЧ-люминесцентные лампы), соответствующие трем различным типам взаимодействия электромагнитного поля с ограниченной плазмой, и, соответственно, трем различным типам ВЧ-разряда [6], а именно: – емкостной ВЧ-разряд, где текущий в плазме ток замещается током смещения в приэлектродных слоях (независимо от того, находится электрод внутри или снаружи разрядного объема). Емкостной ВЧ-разряд возбуждается электростатическим ВЧ-Е-полем, длина волны λ которого много больше размера разрядного сосуда (λ>>d); – индуктивный ВЧ-разряд, где текущий в плазме ток возбуждается высокочастотным магнитным 3 Н-полем и линии тока представляют собой замкнутые линии. Частота возбуждающего разряд поля также отвечает условию λ>>d; – ВЧ-волновой разряд, который поддерживается электромагнитной волной, падающей на поверхность плазмы или распространяющейся внутри нее, при этом длина волны соответствует плазменному объему (λ ~ d). ВЧ-волновой разряд обычно поддерживается источником микроволнового питания с частотой ≥ 1000 МГц. Столб плазмы в поверхностном волновом разряде работает как

Статья была опубликована в 1998 г. Отметим несколько обзоров, касающихся истории, основных принципов, и развития коммерческого высо-кочастотного освещения [4, 5]. Разряд и в этом случае поддерживается, естественно, электрическим полем. Оно же, в свою очередь, возбуждается (индуцируется) в данном случае вследствие изменений магнитного поля.

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света замедляющая волновая структура, при этом длина волны становится много меньше, чем при распространении ее в вакууме, и используемая частота может быть много меньше (10…100 МГц).

ВЫБОР ЧАСТОТЫ И ТИПА РАЗ РЯДА Обычно поддерживать ВЧразряд проще при высоких частотах, однако чем выше частота, тем более дорогими и менее эффективными становятся источники ВЧ-питания. При этом больше проблем с электромагнитным излучением разрядов с открытыми поверхностями, в нашем случае — источниками света. Одна из первых ВЧлюминесцентных ламп, основанная на емкостном разряде с частотой 915 МГц, многие годы непрерывно работала в исследовательском центре OSRAM SYLVANIA. Однако низкая эффективность и сложность микроволнового источника питания не оставили шанса коммерциализации такой ВЧлампы. Попытки осуществлять питание компактных емкостных люминесцентных ламп на частоте 13,56 МГц (используемой в промышленных целях) показали, что существенная часть ВЧ-мощности затрачивается на ускорение ионов в приэлектродных ВЧ-слоях [7]. Это делает такие лампы весьма неэффективными уже при мощностях свыше нескольких ватт. При частоте питания 2,65 МГц (такие частоты применяются в некоторых специфических осветительных приборах) доля теряемой на ускорение ионов энергии становится еще больше. При таком ограниченном выборе применяемых частот индуктивное возбуждение плазмы кажется наиболее практичным при создании коммерчески приемлемых ламп (одна из них имеет световой поток свыше 1000 лм). Насколько нам известно, все попытки сконструировать ВЧ-ЛЛ основаны на индук-

4 5

тивном возбуждении плазмы. Все они (за исключением лампы Everlight фирмы Matsushita) следуют концепции, запатентованной более 60 лет назад [8], когда в полости 4 внутри разрядной колбы располагается индуктивная катушка с ферритовым или воздушным сердечником. Это позволяет сделать ВЧ-лампу колбообразной и достаточно компактной и делает их идеальной заменой сферообразных ламп накаливания. Использование относительно высоких частот в таких лампах требует значительных усилий по подавлению электромагнитных шумов. Они возбуждаются как самим разрядом в лампе, так и при работе электронного ПРА. При этом возбуждается и широкий спектр ВЧ-гармоник [4]. Проблемой является и то, что наибольшая часть энергии ВЧ-разряда выделяется вблизи стенок полости, что может приводить к их перегреву.

НИЗКОЧАСТОТНАЯ ИНДУК ТИВНАЯ ЛАМПА  НОВОЕ В ЗАБЫТОМ СТАРОМ Первая успешная попытка питания безэлектродной люминесцентной лампы на низкой частоте (100…500 кГц) была предпринята Андерсоном [9] в 1970 г. За основу он взял идею кругового индуктивного разряда и применил ее в стандартной (Т12) лампе с трубкой 5, замкнутой на саму себя. Кольцо трубки пронизывает ферритовый сердечник, выполняющий функцию первичной обмотки, и, таким образом, образуется трансформатор, в котором функцию вторичной обмотки выполняет замкнутый разряд. Для работы такой лампы требуется значительное количество феррита, к тому же в сердечнике рассеивается значительная доля вкладываемой в разряд энергии, что делает такую лампу весьма непрактичной. До сих пор среди специалистовсветотехников применение низкочастотного питания считалось направлением тупиковым и недостойным серьезного внимания.

Полость представляет собой углубление цилиндрической формы. Диаметра 38 мм.

www.lightingmedia.ru

ПЕРЕОТКРЫТИЕ ЛАМПЫ АНДЕРСОНА Значительный прогресс в понимании свойств ВЧ-разрядов, достигнутый в последнее десятилетие, и обусловленный, главным образом, нуждами плазменных технологий для изготовления полупроводниковых элементов, позволил пересмотреть концепцию Андерсона и найти путь для ее реализации. Ключевым моментом в создании эффективного источника света, основанного на ВЧ-разряде, является минимизация потерь мощности в ВЧиндукторе. В лампе Андерсона — это минимизация потерь в ферритовом индукторе. Величина потерь зависит от материала сердечника, его размера, геометрии, рабочей частоты и различных характеристик возбуждаемого разряда. Анализ эффективности передачи мощности от индуктора в разряд в таком типе индуктивных ламп показывает, что правильный выбор величины разрядного тока является важнейшим в минимизации потерь в ферритовом сердечнике. Лучше всего понять это позволяют следующие соображения. Газовый разряд низкого давления имеет отрицательную вольтамперную характеристику, при этом падение напряжение Vd и разрядный ток I d связаны соотношением Vd ~ (I d) -к, где к < 1 . Потери в ферритовом сердечнике Р с зависят от величины магнитной индукции В согласно Р с ~ В n, где n > 2. Величина индукции, в свою очередь, пропорциональна Vd, откуда для потерь имеем Р с ~ (I d)-кn. Учитывая, что мощность разряда Р d = I dVd, для отношения потерь мощности к мощности разряда получаем Р с/Р d ~ (I d)-[к(n-1)+1]. Для разряда, типичного для люминесцентных ламп, к = 0,3; для применяемых ферритов при низких частотах n =2 ,8, т.е. имеем Р с/Р d ~ (I d)-1,5. Таким образом, при прочих равных условиях (т.е. при одном и том же сердечнике, разрядной геометрии,

применение источников света давлении газа), но с увеличением разрядного тока от 0,5 А (как в лампе Андерсона) до 7,1 А (в лампе ENDURA), отношение Р с/Р d уменьшается в 54 раза! Чем большую мощность ферритовый сердечник передает разряду, тем меньше в нем потери. Такое необычное поведение отношения Р с/Рd является следствием того, что вольтамперная характеристика разряда является отрицательной. Отметим, что нагрев сердечника и (или) газа в разрядном контуре при очень больших токах приводит к увеличению потерь в сердечнике. Увеличение эффективности передачи энергии в разряд является, однако, недостаточным для создания экономичной лампы. Чтобы сделать ее эффективной, необходимо оптимизировать и сам разряд — добиться максимального преобразования вводимой в разряд энергии в УФ-излучение при высоких мощностях. Это достигается уменьшением давления буферного газа 6 до нескольких сотен мТорр. При давлениях 2—3 Торр, характерных для обычных (электродных) люминесцентных ламп, эффективность такого преобразования при больших разрядных токах весьма низкая.

световых потерь на сердечники нанесено белое покрытие, провода катушек возбуждения покрыты белой изоляцией.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМП В таблице 1 сравниваются характеристики лампы Андерсона и 150-Вт лампы ENDURA при различных разрядных токах. Как видно из таблицы, при больших токах относительные

Рис. 1. Внешний вид лампы ENDURA

Рис. 2. Изменения светового потока в зависимости от температуры амальгамы

КОНСТРУКЦИЯ ЛАМПЫ Принцип работы и обустройство лампы ENDURA те же, что у лампы, описанной в патенте Андерсона [9]. Внешний вид лампы показан на рисунке 1. Разряд создается двумя ферритовыми сердечниками, надетыми на колбу лампы (это замкнутая трубка радиуса ~ 2,5 см, изогнутая в виде скругленного по углам прямоугольника). Средняя длина разрядного промежутка составляет примерно 72 см, изнутри трубка покрыта трехполосным люминофором. Для контроля давления паров ртути в рабочем цикле в стеклянном отростке помещается амальгама (Wi-In-Hg). Тороидальные ферритовые сердечники сделаны из феррита марки Siemens N87 и имеют внутренний и внешний диаметры 42 и 65 мм. Для уменьшения

Рис. 3. Общий вид ламп и ЭПРА

Таблица 1. Сравнение характеристик ламп Андерсона и ENDURA Параметры лампы

ENDURA в нормальном режиме

ENDURA при малых токах

Лампа Андерсона

Диаметр трубки

54 мм

38 мм

Длина разряда

72 см

89 см

Разрядный ток

7,1 А

0,5 А

Буферный газ

криптон

Давление газа

0,25 Торр

2,5 Торр

Мощность разряда, Рd

138 Вт

18,6 Вт

32 Вт

Потери сердечника, Рс

2,8 Вт

11 Вт

10 Вт

Отношение потерь Рс/Рd

59%

31%

Масса сердечника

320 г

1240 г

Световой поток

12280

1860

неизвестно

Как видно из таблицы 1, давление буферного газа (криптон) составляет 0, 25 Торр.

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света Таблица 2.1. Характеристики различных ламп ENDURA Тип лампы ENDURA

Ном. мощность (Вт)

Цветность

Индекс цветопередачи

Свет.поток (лм)

Длина (l), мм

Ширина (b), мм

Высота (h), мм

70 W/830 70 W/840

Теплый белый

6500

315

139

Холодный белый

6500

315

139

100W/830

100

Теплый белый

8000

315

139

100W/840

100

Холодный белый

8000

315

139

150W/830

150

Теплый белый

12000

415

139

150W/840

150

Холодный белый

12000

415

139

Таблица 2.2. Характеристики ЭПРА для ламп ENDURA Тип ЭПРА QT ENDURA

Лампа (Вт)

Потр. ток при напр. сети 230...240 В

Коэфф. Мощности

Мощ. системы (ЛЛ+ЭПРА)

Длина (l), мм

Ширина (b), мм

Высота (h), мм

Вес, гр

Раб. темпер. диапазон

70—100/ 120—240 S

70 100

0,34 А 0,46 А

>0,9 >0,9

81 Вт 104 Вт

181 —

100 —

43 —

950 —

От -20 до +50°С От –40 до +50°С

100—150/ 120—240 S

100 150

0,62 А 0,69 А

>0,9 >0,9

146 Вт 153 Вт

181 —

100 —

43 —

1140 —

От –40 до +50°С

потери Р с/Р d уменьшаются примерно в тридцать раз. На сегодня существует три типа ламп ENDURA с мощностью 70, 100 и 150 Вт. Характеристики ламп и ЭПРА приводятся в таблице 2. Основными достоинствами осветительной системы OSRAM ENDURA являются: – большой срок службы — до 60 тыс. ч.; – высокий световой поток — 6500, 8000 и 12000 лм соответственно для мощностей 70, 100 и 150 Вт; – мгновенный запуск — световой поток достигает 90% максимального в течение 10 с после включения лампы; последующие изменения светового потока незначительны и почти незаметны для глаза; – высокая световая отдача: ≥ 80 лм/Вт; – высокий индекс цветопередачи Ra; – гарантированный запуск при низких температурах до — 40°С; нижняя граница зависит от свойств ЭПРА; – высокая светоотдача в широком диапазоне температур. Использование амальгамы эффективно стабилизирует давление паров ртути в широком диапазоне температур. Как показывает рисунок 2, при изменении температуры от 52 до 125°С световой поток составляет не менее 90% от максимальных значений. Добавим к тому же, что лампа и ЭПРА могут быть удалены

www.lightingmedia.ru

друг от друга на расстояние до 20 м, что зависит от типа ЭПРА, при этом возможна работа в цепях постоянного тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Лампа ENDURA, обладая большим сроком службы, является идеальной для применения в труднодоступных местах, где замена их обходится недешево. Они могут применяться для освещения мостов и туннелей, декоративного освещения улиц, парковок, цехов и промышленных площадей. Что касается уровня электромагнитных шумов, возбуждаемых как собственно разрядом, так и балластом, то он существенно меньше допускаемого европейским стандартом EN 55015. В Европе светильники с лампами ENDURA весьма активно внедряет фирма Adolph Schuch GmbH (Германия). Способность лампы к мгновенному зажиганию даже при значительных отрицательных температурах позволила специалистам фирмы разработать светильники для камер глубокой заморозки. В 1998 г ими была смонтирована светотехническая система (состоящая из ста светильников с лампами Endura по 150 Вт) в цехе хлорного газа химического объединения Buna-LeunaOlefinverbund. Отметим также фирму Vyrtych (Чехия), производящую, в частности, взрывозащищенные светильники PITBUL–N–ENDURA.

В последние годы в разработке и производстве осветительных систем типа ENDURA активно участвуют китайские производители. В частности, одна из крупных китайских компаний (LVD) выпускает безэлектродные индукционные лампы не только подобные лампам OSRAM, но и более мощные (200 и 300 Вт). Фирма LVD разработала и выпускает широкий спектр уличных, тоннельных и промышленных светильников. В заключение заметим, что достигнутые мощности являются далеко не предельными. Например, еще в 1997 г. в Берлине была продемонстрирована люминесцентная лампа мощностью 1 кВт. Подготовил Михаил Мальков ЛИТЕРАТ УРА 1. Godyak V., Shaffer J. Proc. 8th inter. simpos. on the science technology of light sources, Greifswald, 1998. 2. Tesla N. Electrical Engineer, 7,549, 1891. 3. Hewitt P.C. US Patent № 843533, 1907. 4. Warmby D.O. Lamps and lighting, p.216, 1997. 5. Shaffer J.W, Godyak V.A. IESNA annual meeting, San Antonio, TX, 1998. 6. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials. Processing J. Wiley&Sons, Inc., N.Y., 1994. 7. Godyak V.A. J. Appl. Phys., v.69, p.533, 1991. 8. Bethenod J. Et al, US Patent № 2030957, 1936. 9. Anderson J.M., US Patent № 3500118, 1970.

применение источников света

Моделирование ртутноаргонового разряда в люминесцентных лампах пониженного давления ICETRON и ENDURA — весьма перспективные мощные безэлектродные люминесцентные лампы фирмы OSRAM. Электрическое поле разряда в таких лампах создается двумя ферритовыми сердечниками, надетыми на колбу лампы (это замкнутая трубка радиуса ~ 2,5 см, изогнутая в виде закругленного по углам прямоугольника). При этом

Измерения выполнялись в кварцевой камере (полностью подобной ICETRON 150-Вт лампе) со встроенным на оси трубки зондом Ленгмюра, при этом диапазон изменений температуры холодной точки tх.т. составлял 20…50°C, величина разрядного тока менялась в пределах 0,5…12 А.

лампы питаются током частоты 0,25 МГц (т.н. индуктивно связанный разряд). Средняя длина разрядного промежутка оценивается разработчиками в 72 см.

Данные люминесцентные источники света отличаются только наполнением — в лампе ICETRON в качестве буферного газа используется аргон при давлении 0,3 Тор, а в ENDURA — криптон под давлением 0,25 Тор. Имеются различные модификации этих ламп. Так, например, 150-Вт лампа ICETRON работает при разрядном токе приблизительно 6 A, в то время как лампа ENDURA той же мощности — при токе 7,1 А. По своим базовым характеристикам эти лампы весьма отличаются от «стандартных» люминесцентных ламп, обычно работающих при существенно большем давлении буферного газа (2—3 Тор и выше) и меньших разрядных токах (0,1…0,5 А). Ясно, что электрокинетические и оптические характеристики плазмы разряда этих источников света могут сильно отличаться от указанных параметров «стандартных» ламп. Результаты исследования электрокинетических характеристик плазмы индуктивного разряда в лампе ICETRON были представлены в работе [1], где ленгмюровским зондом проводились измерения функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) и их концентрации.

тенциал возбуждения низшего метастабильного уровня атома ртути 63Р0) и «хвоста» (область неупругих столкновений ε > ε1) функции распределения 1. По мере роста величины разрядного тока ФРЭЭ все больше приближается к максвелловской за счет значительного роста частоты электрон-электронных столкновений. Основные плазменные параметры — действующее значение ВЧ электрического поля E, плотность заряженных частиц ne и «эффективная» температура электронов Te, измеренные в [1], приведены на рисунке 2.

Рис. 1. ФРЭЭ для различных разрядных токов, измеренных при tх.т. = 40°C

На рисунке 1 представлены функции распределения электронов по энергиям, измеренные в абсолютной мере, для различных значений действующего разрядного тока при температуре холодной точки 40°С. Как отмечено в [1], при «малых» токах разряда ФРЭЭ выглядит очень похожей на измеренные в «стандартных» люминесцентных лампах. Именно — определяющим для ФРЭЭ являются существенно различающиеся температуры «тела» (в диапазоне энергий ε < ε1 = 4,7 эВ — по-

Рис. 2. Электрическое поле, электронная температура и плотность электронов на оси трубки в зависимости от разрядного тока для tх.т. = 40°C

Следует отметить, что электрическое поле определялось не зондовым методом, а как величина действующего разрядного напряжения Uр вдоль некоторого замкнутого контура усредненной длины lср (около 75 см), вызывае-

Михаил Мальков 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

1 Часто такую ФРЭЭ называют «бимаксвелловской»; при этом температура «тела» может быть как больше, так и меньше температуры «хвоста» функции распределения.

www.lightingmedia.ru

применение источников света

Рис. 3. Зависимости концентрации и температуры электронов, электрического поля от давления паров ртути

мого ВЧ-магнитным полем ферритовых сердечников, которая отнесена к указанной lср – Е = Uр/ lср. Электрокинетические параметры ne и Te = Тэф были найдены путем обычной процедуры обработки второй производной зондового электронного тока. Напомним, что эффективная температура определяется как Tэф = 2/3 , где — средняя энергия электронов, которая находится соответствующим интегрированием измеренной ФРЭЭ. Показанные на рисунке 2 изменения разрядных характеристик с ростом тока типичны для разряда низкого давления — концентрация электронов с током разряда растет чуть быстрее пропорциональной зависимости. При этом наблюдается относительно незначительное падение электрического поля и электронной температуры. Основная причина падения E и Te с током разряда — рост вклада ступенчатой ионизации с нижних возбужденных уровней атомов ртути и, как отмечается в [1], в обогащении относительно «тела» «хвоста» ФРЭЭ высокоэнергетическими электронами за счет роста частоты электрон-электронных столкновений вследствие одновременного роста ne и падения Te. Изменения электронной концентрации и эффективной тем-

пературы, а также электрического поля в зависимости от температуры холодной точки в диапазоне 20…50°C для различных величин разрядного тока показаны на рисунке 3. Приведенные на рисунке 3 зависимости также качественно типичны для плазмы разряда постоянного тока в «стандартных» люминесцентных лампах. Температура электронов с ростом температуры холодной точки (давления паров ртути) монотонно уменьшается, в то время как концентрация электронов вначале немного падает, а затем увеличивается. Электрическое поле разряда до определенного значения растет и затем монотонно падает. В настоящей работе будет проведено сопоставление расчетных согласно модели [2] и экспериментальных электрокинетических [1] и оптических [3] характеристик плазмы разряда в лампе ICETRON. Мы приведем также расчетные данные по выходам резонансного излучения линий 254 и 185 нм.

СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ДАННЫХ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ Замкнутая модель плазмы положительного столба ртутногазового разряда низкого давления, которая в широком диапазоне внешних параметров с хорошей точностью и качественно верно описывает изменения характеристик разряда (температуры и концентрации электронов, электрического поля и т.д.) представлена в [2]. Напомним, что в основе данной модели расчета характеристик положительного столба ртутно-газового разряда лежит следующее предположение: функция распределения электронов по энергиям мало отличается от максвелловской вплоть до энергий ε 1 = 4,7 эВ, при больших же энергиях она обеднена быстрыми электронами и описывается в указанных диапазонах энергий выражениями

(1)

В данных формулах величины a, b, jз зависят как от внутренних параметров плазмы, так и от внешних и равны ; b = 1 + 2j1;

;

. (2)

В выражениях (1), (2) Те, nе, Е, РAr, РHg — соответственно, температура, эВ; концентрация электронов, см–3; электрическое поле, В/см; давление буферного газа и паров ртути, Тор. Такой вид функции распределения электронов по энергиям был получен в [4] расчетным путем на основе решения кинетического уравнения Больцмана. Экспериментальная проверка [5] показала, что расчетная ФРЭЭ (1) вполне удовлетворительно (в пределах 20—30%) совпадает с измеренной экспериментально в широком диапазоне условий ртутно-газового разряда. Напомним, что хотя говорить о температуре электронов в случае немаксвелловской функции электронов нельзя, мы будем использовать понятие температуры, подразумевая под этим наклон функции распределения в области малых (ε1 < 4,7 эВ) энергий электронов.

Рис. 4. Изменение температуры ( — тела ФРЭЭ; — эффективной) электронов; — изменение электрического поля; — изменение концентрации электронов (вспомогательная ось) в зависимости от величины разрядного тока при tх.т. = 40°C

Обратимся вначале к расчету характеристик при неизменном давлении паров ртути. На рисунке 4 приведены расчетные температура и концентрация электронов, электрическое поле для различных разрядных токов в диапазоне 0,5…12 А при температуре холодной точки 40°С. Поскольку, как уже говорилось, ФРЭЭ может

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света значительно отличаться от максвелловской, на данном рисунке вместе с температурой тела ФРЭЭ приведены также эффективные значения температур для возможности сравнения их с экспериментальными данными [1]. Как видно из рисунка 4, при больших температурах тела ФРЭЭ (малые разрядные токи) величины Те и Тэф могут отличаться весьма значительно — примерно на 15 и более процентов. По мере увеличения разрядного тока разница между ними уменьшается, и при токе 12 А эти величины практически совпадают. Причина такого поведения вполне ясна. Сопоставление расчетных и измеренных (см. рис. 2) величин эффективной температуры и концентрации заряженных частиц показывает их довольно хорошее совпадение. Так, для тока 0,5 А расчетное значение Тэф = 1,41 эВ, в то время как эксперимент дает 1,35 эВ. Соответственно для тока 12 А эти величины составляют 0,99 и 0,95 эВ. Сравнение экспериментальных и вычисленных значений электрического поля также показывает их вполне удовлетворительное согласие.

меренными (см. рис. 3) показывает вполне удовлетворительное согласие. Отметим, что, скажем, при разрядном токе 6 А и температуре холодной точки tх.т. = 40°С экспериментальные значения электрического поля на 5% выше расчетных. Расчетное значение вкладываемой в разряд мощности при таких условиях и усредненной длине разрядного промежутка lср = 72 см составляет 139 Вт. Это практически совпадает с данными для лампы ICETRON — 138 Вт [6].

Рис. 6. Расчетные значения концентрации электронов ( — разрядный ток 1 А; — разрядный ток 6 А) для различных температур холодной точки tх.т.

Сопоставление расчетных значений концентраций электронов, приведенных на рисунке 6 для токов 1 и 6 А, с экспериментальными данными [1] (см. рис. 3) также показывает их хорошее как качественное, так и количественное совпадение. Возможность качественного сравнения измеренных и расчетных ФРЭЭ дает рисунок 7. На

нем для различных разрядных токов приведены нормированные функции NF( )=NA–1f( ), где А= , N — концентрация электронов. Расчетный наклон тела ФРЭЭ, определяя в основном среднюю энергию (эффективную температуру электронов) достаточно удовлетворительно, как было показано выше, совпадает с экспериментальными данными. Тем не менее поведение расчетных и экспериментально наблюдаемых «хвостов» функции распределения несколько отличается. Так, согласно рисунку 7, «температуры» высокоэнергетических частей ФРЭЭ при различных разрядных токах практически совпадают («температура» хвоста ФРЭЭ при токе 0,5 А лишь на 5% меньше, чем при токе 12 А). Экспериментально наблюдаемые наклоны при токах > 2А также практически равны, однако при токах 0,5 и 1 А уже на 10–12% меньше, чем при больших токах. При этом, скажем, при токе 12 А температуры «тела» и «хвоста» измеренной функции распределения также практически совпадают, отличаясь не более чем на 5%, в то время как расчетные величины отличаются несколько больше. Для данных условий расчетные значения температуры «тела» и «хвоста» тела составляют, соответственно, 0,99 и 0,85 эВ. О возможных причинах расхождения будет сказано ниже.

Рис. 5. Электрическое поле ( – разрядный ток 1 А; — разрядный ток 6 А) и эффективная температура электронов (× — разрядный ток 1 А; — разрядный ток 6 А) для различных темпе-ратур холодной точки tх.т.

На рисунке 5 для различных величин разрядных токов представлены расчетные значения эффективной температуры электронов и электрического поля в зависимости от давления паров ртути. В соответствии с экспериментом электрическое поле вначале растет с ростом концентрации атомов ртути и по достижении максимума при некотором значении tх.т. монотонно падает. Эффективная температура монотонно падает во всем рассматриваемом диапазоне tх.т. . Сравнение данных с экспериментально из-

www.lightingmedia.ru

Рис. 7. ФРЭЭ (в ед. 1011 эВ–3/2см–3) для различных разрядных токов при tх.т. = 40°С. Как и на рисунке 1, кривые сверху вниз для токов 12, 8, 4, 2, 1 и 0,5 А

применение источников света

Рис. 8. Мощности излучения резонансных линий ( — 254 нм; — 185 нм, вспомогательная ось) и КПД линий (∆ — 254 нм; — 185 нм) в зависимости от величины разрядного тока при tх.т. = 40°С

Рис. 9. Изменения КПД излучения резонансных ( — 254 нм; — 185 нм) и суммарного излу-чения нерезонансных линий ( ) для разрядного тока 6 А в зависимости от температуры tх.т.

На рисунке 8 приведены мощности резонансного излучения и их КПД в зависимости от величины разрядного тока при температуре холодной точки 40°С. Уменьшение давления буферного газа позволяет получить весьма эффективный источник резонансного излучения — например, даже при рабочем токе 6 А в это излучение преобразуется около 75% мощности разряда. Отметим к тому же, что весьма велик КПД нерезонансного излучения. Так, из представленных на рисунке 9 данных видно, что для тока 6 А его мощность составляет около 10%. Как видно из этого рисунка, зависимость наиболее важного с точки зрения светотехники параметра — КПД резонансного излучения 254 нм — имеет типичный для «стандартных» люминесцентных ламп вид (ток разряда ~0,5 А). КПД линии вначале растет с

ростом температуры холодной точки (давления паров ртути), достигая максимума в области t х.т. ≈ 40°С, затем монотонно падает. Поведение КПД излучения 185 нм для «стандартных» ламп в области малых tх.т. аналогично поведению КПД линии 254 нм с той лишь разницей, что максимум (относительно небольшой) приходится на tх.т. ≈ 30°С. Для анализируемого случая разряда в широкой трубке в данном диапазоне температур КПД линии 185 нм слабо падает от 19 до 14,5%. Обращает на себя внимание довольно резкий спад КПД основной резонансной линии с ростом давления паров ртути: если при tх.т. = 40°С КПД составляет примерно 60%, то при tх.т. = 60°C он равен лишь примерно 40%. Обусловлено это как спадом электронной температуры и ростом оптической толщины линии, так и довольно заметным ростом концентрации электронов с ростом tх.т. . Это падение в значительной степени компенсируется ростом выхода нерезонансного излучения примерно с 9 до 16%, при этом 60—70% данного излучения выносится видимым триплетом (линии 4047, 4358, 5461 ). (Напомним, что для расчета оптических характеристик плазмы столба используется упрощенная семиуровневая схема энергетических переходов атома ртути — учитывались уровни триплета 63P0,1,2, резонансный уровень 6 1P 1, уровни 7 1S 0, 7 3S 1, 63D1,2,3. Расчетная модель [2] позволяет, таким образом, определять как выход резонансного излучения 254, 185 нм, так и выход излучения наиболее значимых видимых линий). Вернемся теперь к сопоставлению расчетных и измеренных ФРЭЭ. Как уже говорилось, при больших токах температуры «тела» и «хвоста» экспериментально найденной функции распределения весьма близки, отличаясь, например, для тока 12 А не более чем на 5%. Расчетные величины отличаются заметно больше. Одной из причин расхождения расчета и эксперимента

служит, безусловно, погрешность зондовых измерений. Прежде всего, отметим, что измеряется, вообще говоря, некоторым образом усредненная по времени ФРЭЭ. Как показывают расчеты, на которых мы здесь подробно останавливаться не будем, при не столь высокой частоте температуры как низко-, так и высокоэнергетичной частей функции распределения заметно (в пределах менее 10% от среднего значения) меняются по периоду тока. Отметим, что усредненные характеристики рассматриваемого ВЧразряда, несмотря на довольно заметное изменение ФРЭЭ по периоду, практически совпадают с их расчетными данными для постоянного тока. Поэтому в настоящей работе все расчеты проводились для постоянного тока. Насколько такое колебание температур «тела» (и, естественно, «хвоста») ФРЭЭ может исказить данные зондовых измерений, оценить сложно 2. С другой стороны, для данных условий должен быть также уточнен расчет функции распределения электронов по энергиям. Напомним, что при расчетах высокоэнергетичной части функции распределения в [4] полагается, что заселенность уровней триплета 63Р0,1,2 и 61Р1 далека от равновесной, так что в кинетическом уравнении Больцмана можно пренебречь заселением «хвоста» ФРЭЭ за счет сверхупругих ударов второго рода. Иными словами, заселенности данных уровней должны быть много меньше равновесной, определяемой распределением Больцмана: .

(3)

Как обычно, nk, no, gk, go — концентрации и кратности вырождения к-го и основного уровней атома ртути. Расчеты показывают, что при больших концентрациях электронов и атомов ртути, когда столкновительные процессы начинают превалировать над излучательными, концентрации возбужденных уровней атомов

2 Временные измерения ФРЭЭ на таких частотах представляют собой чрезвычайно сложную, скорее, даже невыполнимую задачу.

Современная светотехника, #5 2010

применение источников света

Рис. 10. Отношения nkp /nkБ расчетных концентраций уровней триплета 63Р0,1,2 и 61Р1 к равновесным значениям при различных температурах холодной точки tх.т. и разрядном токе 12 А ( — 63Р0; — 6 3Р 2; — 6 3Р 1; — 6 1Р 1)

ртути могут быть достаточно близки к равновесным. Так, на рисунке 10 для разрядного тока 12 А при различных температурах холодной точки приведены отношения расчетных концентраций npk на указанных уровнях к их равновесным значениям nБk, определяемым соотношением Больцмана. Как видно из рисунка, уже при температуре 40°С концентрация метастабильных уровней 63Р0,2 достигает значений 0,3—0,4 от равновесной. Концентрация резонансного 6 1Р 1 уровня достаточно далека от равновесной, в то время как концентрация излучающего 63Р1 уровня составляет 0,27 от равновесной. Ясно, что столь значительная «степень равновесности» данного триплета может существенно изменить температуру «хвоста» ФРЭЭ, приблизив ее к температуре «тела» за счет сверхупругих ударов второго рода. Рост числа быстрых электронов в «хвосте» ФРЭЭ приведет в итоге к некоторому снижению расчетной температуры «тела» — для сохранения скорости ионизации температура «тела» должна несколько уменьшиться. Таким образом, небольшое превышение расчетной эффективной температуры над измеренной в нашем случае может быть обусловлено также неучетом сверхупругих столкновений при моделировании ФРЭЭ. Очевидно, что по мере роста давления паров ртути (т.е. с ро3

К сожалению, измерения мощностей резонансного излучения линий 254 и 185 нм для ламп ICETRON-ENDURA нам не известны. Однако в весьма близких условиях такие измерения были проведены для тока промышленной частоты 50 Гц. Так, в работе [7] 3 для различных буферных газов (неон, аргон, криптон) и широкого спектра разрядных условий 4 измерялись как мощности данных линий, так и величины действующих значений электрического поля. Сравнение расчетных и измеренных (для температуры холодной точки tх.т. = 42°C, внутреннего радиуса разрядной трубки 2,6 см и давления буферного газа аргона 0,5 Тор) величин представлено на рисунке 11.

стом пленения резонансного излучения) «степень равновесности» должна увеличиваться, как и показывает данный рисунок. В заключение отметим, что «степень равновесности» близлежащих уровней триплета 63Р0,1,2 для рассматриваемого случая больших токов мало отличается уже с tх.т. = 50°C. Наконец, обратимся к сопоставлению расчетных и измеренных ФРЭЭ при малых разрядных токах. Как показывают расчеты, заселенности резонансных уровней весьма далеки от равновесных, и наиболее вероятной причиной расхождений служат как несовершенство модельной ФРЭЭ, так и погрешности зондовых

а)

б)

в)

Рис. 11. Изменения: а) действующего электрического поля; б) мощности излучения 254 нм; в) мощности излучения 185 нм в зависимости от величины разрядного тока. R = 2,6 см; tх.т. = 42°C. Сплошная линия — расчет; — эксперимент [7]

измерений. Как сообщается в [3], при токах ниже 1 А разряд, вообще говоря, неустойчив. Более того, даже при токе 1 А разряд не всегда горит устойчиво, а для температуры холодной точки 20°С разряд стратифицирован. Ясно, что для данных условий сравнение расчетных и измеренных ФРЭЭ может носить в большей степени лишь качественный характер; оценить возможные искажения измеренных зондовым способом ФРЭЭ в таких «шумящих» разрядах не представляется возможным. Отметим, тем не менее, что даже при наличии отмеченных неустойчивостей измеренные усредненные электрокинетические характеристики плазмы и электрическое поле разряда весьма близки к рассчитанным для «спокойного» разряда.

Так, на рисунке 11а представлены расчетные и экспериментально измеренные изменения электрического поля в диапазоне токов 0,1…5 А, при этом экспериментальные результаты даны с коридором погрешности в 5%. На рисунках 11б, в приведены мощности резонансного излучения линий, соответственно, 254 и 185 нм. В данном случае экспериментальные результаты даны с коридором погрешности в 15%. Как показывают данные рисунки, расчетные и измеренные мощности излучения линии 254 нм и электрического поля удовлетворительно совпадают в пределах коридора погрешностей во всем диапазоне разрядных токов. В то же время для мощности излучения линии 185 нм такое совпадение наблюдается только в диапазоне токов 0,3…2 А 5. При токе свыше 2 А

Экспериментальные результаты брались из табличных данных [8]. Изменения действующего тока в диапазоне 0,1…5 А; диапазон давлений газа: 0,05—4 Тор, внешних диаметров разрядных трубок: 1,9…5,4 см. 5 При токе 0,1 А расчет дает завышенное на 40% значение. 4

www.lightingmedia.ru

применение источников света расхождение расчета и эксперимента растет и, скажем, при токе 5 А измеренная мощность излучения примерно на 40% ниже предсказываемой моделью. Детальное обсуждение причин такого расхождения выходит за рамки данной работы. Отметим лишь, что расхождение при малых токах может быть обусловлено погрешностью в модельном описании ФРЭЭ при малых концентрациях электронов. Относительно расхождения при больших токах напомним [9], что одной из причин погрешностей эксперимента [7] может служить, например, изменение в зависимости от разрядных условий пространственного распределения излучения резонансных линий, особенно значимое для линии 185 нм. В работе [3] проводились измерения усредненных по диаметру трубки заселенностей уровней 63Р0,1,2 и 61Р1 для лампы ICETRON. На рисунках 12—13 приведены измеренные в [3] изменения заселенностей уровней 63Р 1,2 (диаметр трубки 5,2 см) для различных температур холодной точки и величин разрядного тока и расчетные значения заселенностей этих уровней для тех же экспериментальных условий. Как показывает рисунок 12, при малых токах совпадение расчета и эксперимента весьма удовлетворительное. Например, при токах 1…2 А измеренные и рассчитанные концентрации 6 3Р2 уровня практически совпадают, отличаясь не более чем на 20%. Аналогично, при малых токах хорошее согласие наблюдается, согласно рисунку 13, и для уровня 63Р1. Однако по мере роста тока расчет и эксперимент отличаются все более значительно не только в количественном, но и в качественном отношении. Так, с ростом тока расчетные концентрации уровней растут с ростом тока. Экспериментальные измерения показывают, что, начиная с некоторого значения тока, концентрации уровней несколько уменьшаются с ростом тока. Особо привлекает внимание расхождение расчета и экспери-

Рис. 12. Концентрация уровня 63Р2 в зависимости от разрядного тока для различных темпера-тур холодной точки. Расчет: — tх.т. = 50°C; — tх.т. = 40°С. Эксперимент [3]: Δ — tх.т. = 50°C, — tх.т. = 40°С

мента в поведении с изменением тока заселенности основного излучающего уровня 63Р1. Так, согласно рисунку 13, для токов 2 и 12 А, например, для tх.т. = 40°С, концентрации данного уровня практически одинаковы. Как показывает рисунок 3, при таком изменении тока происходит спад электрического поля от 0,48 до 0,32 В/см. Иными словами, при увеличении вкладываемой в разряд мощности примерно в четыре раза мощность выхода линии 254 нм остается практически прежней. Это явление понять весьма трудно 6, ибо фактически оно означает, что КПД линии нм падает при токе 12 А в четыре (!) раза по сравнению с током 2 А. О точности измерений можно судить также, например, по соотношению концентраций на уровнях 6 3Р 0 и 6 3Р 2. Как показывают измерения [3], скажем, для тока 12 А и температуры t х.т. = 40°С, отношение нормализованных (уже с учетом кратности вырождения уровней) концентраций n(6 3Р 0)/n(6 3Р 2) ≈ 1,5. Однако даже для равновесной (т.е. максвелловской) функции распределения из соотношения Больцмана (3) отношение n(6 3Р 0)/n(6 3Р 2) есть exp(0,8/Te), и для температуры Te = 0,9 эВ это отношение составляет 2,4. Для неравновесной же ФРЭЭ, как в нашем случае, оно должно быть еще больше.

Рис. 13. Концентрация уровня 63Р1 в зависимости от разрядного тока для различных темпера-тур холодной точки. Расчет: — tх.т. = 50°C; — tх.т. = 40°С. Эксперимент [3]: Δ — tх.т. = 50°C; — tх.т. = 40°С

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенные исследования показывают, что в широком диапазоне токов, давлений паров ртути модель [2] позволяет с вполне удовлетворительной точностью описывать оптические и электрокинетические характеристики плазмы разряда не только в «стандартных» люминесцентных, но и в мощных лампах, работающих при существенно меньшем давлении буферного газа и больших разрядных токах.

ЛИТЕРАТУРА 1. V. Godyak, R. Piejak and B. Alexandrovich. Proc.9th International Symp. on the Science and Technology of Light Sources, Ithaca, NY, p.12, 2001. 2. В.С. Литвинов, М.А. Мальков и т.д. Светотехника. № 11. С. 12. 1986. 3. J. Curry, G.G. Lister and J.E. Lawler. J. Phys. D: Appl. Phys. 35. (2002). P. 2945. 4. Г.Ю. Панасюк//Вестник ЛГУ. Сер. физ. хим. 1983. №10. Вып. 2. С. 11. 5. В.М. Миленин, Г.Ю. Панасюк, Н.А.Тимофеев//Вестник ЛГУ. 1982. №16. С. 72. 6. V. Godyak and J. Shaﬀer. The 8th Int. Simp. on the Science & Technology of Light Source, Greifwald, Germany, 1998. 7. И.М. Весельницкий. Определение оптимальных параметров и некоторые вопросы конструирования люминесцентных ламп повышенной мощности: Дис. М. 1966. 8. П.В. Пляскин, В.В. Федоров, Ю.А. Буханов. Основы конструирования электрических источников света. М. Энергоатомиздат. 1983. 9. Г.Н. Рохлин Разрядные источники света. М. Энергоатомиздат. 1991.

6 Видимо, при измерениях не учитывалась погрешность, вносимая собственным излучением разряда, весьма заметный рост которого наблюдается с увеличением тока.

Современная светотехника, #5 2010

разработка и конструирование

Особенности технологии производства светодиодных светильников Александр Васильев, micro@ostec-group.ru

ВВЕДЕНИЕ

За последние два года производство светодиодов и источников света на их основе прочно укрепилось в числе самых динамично развивающихся отраслей мировой электроники. Специфические технологические особенности производства светодиодных светильников с лихвой окупаются энергоэффективностью последних (см. табл. 1). Ведущие промышленные государства закрепляют светодиодную тематику в списках стратегических и приоритетных направлений. Отечественная промышленность также не остается в стороне: как минимум две крупные организации — «РЖД» и «Ростехнологии» — имеют собственные концепции повышения энергоэффективности за счет перехода на светодиодное освещение. Вследствие высокого, порой даже ажиотажного, интереса к светодиодной тематике некоторые особенности технологии производства светодиодов бывает трудно прояснить из открытых источников. Большое количество разработок и техпроцессов, конечно же, закрыты, т.к. составляют коммерческую тайну их разработавших предприятий, да и отечественные источники ин-

формации зачастую разрозненны и скудны. В настоящей статье мы подробнее остановимся на некоторых вопросах производства светодиодных светильников, отдельно остановившись на укрупненном типовом технологическом маршруте сборки светодиодов как на наиболее простом с технической точки зрения (запуск производства), так и с точки зрения финансовой (скорость окупаемости и возможность быстрого завоевания позиций на рынке).

ТИПОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ СВЕТОДИОДНЫХ МОДУЛЕЙ И СВЕТИЛЬНИКОВ, ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОИЗВОДСТВА Существует несколько типовых конструкций светодиодных модулей (см. рис. 1—4), которые группируются по: – исполнению кристалла (планарное, flip-chip, т.н. «сэндвич»); – интерфейсу кристалл-корпус (с подкристальной платой и без нее); – исполнению линзы (монтируемая, формованная, без линзы). Корпуса современных светодиодных модулей, как правило, производятся под технологию поверхностного монтажа и могут быть реализованы в металлопластиковом и металлокерамическом исполнениях. Также существуют конструкции светоизлучающих приборов, в которых светодиод-

ные модули выполнены по технологии CoB (Chip-On-Board, «чип на плате»). Основными проблемами, которые решают все конструкторы светодиодов и светодиодных светильников, являются организация теплоотвода (светодиод выделяет, но не излучает тепло, поэтому нуждается в эффективном кондуктивном теплоотводе) и суммарная эффективность светового потока. Доступ к конструкциям светильников в настоящее время перестал быть острым вопросом, т.к. на рынке существует определенное количество дизайнов ламп, которые доступны для производства по лицензии. Для потребителя крайне важна стандартизация, поэтому светодиодные светильники для комнатного

Рис. 1. Внешний вид светодиодного модуля сверхвысокой яркости с использованием кремниевой подкристальной платы

Таблица 1. Сравнительные характеристики энергосберегающих ламп согласно данным IESNA Технология, дата Эффективность светового потока, лм/Вт Срок работы, ×1000 ч Световой поток, лм/лампу Вх. мощность, Вт/лампу Цена за люмен, долл./клм Цена лампы, долл./лампу Коэффициент цветопередачи CRI Температура кристалла, °C Плотность вх. энергии, Вт/см2

www.lightingmedia.ru

SSL-LED 2007 75 >20 200 2,7 20 4

SSL-LED 2012 150

SSL-LED 2020 200

1000 6,7 <5 <5 80—90

1500 7,5 <2,4 <3

300—600

500—750

600—1000

>100

Лампа накаливания 16 1 1200 75 1,5 0,5 100

Люминесцентная >85 >20 3000 32 5 >80 —

разработка и конструирование стального производства и участка роста эпитаксиальных структур.

УКРУПНЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕ СКИЙ МАРШРУТ СБОРКИ СВЕТО ДИОДОВ

Рис. 2. Типовая конструкция светодиодного модуля с использованием кремниевой подкристальной платы

и общего освещения проектируются с использованием стандартных цоколей и разъемов. Типовые конструкции светодиодных светильников представлены на рисунках 5—6. Основными этапами производства светодиодных светильников (см. рис. 7) являются: – производство эпитаксиальных пластин; – производство кристаллов; – сборка светодиодных модулей;

Рис. 3. Светодиодный модуль в металлокерамическом корпусе

– сборка и тестирование светильников. Создание нового светодиодного производства рекомендуют начинать «с конца», т.к. оборудование для сборки модулей и светильников обойдется в разы дешевле, а на оснащение, запуск и выпуск первого изделия производству потребуется немногим больше года. Кроме того, проблема нехватки квалифицированных кадров для сборки стоит не так остро, как, например, для кри-

Рис. 4. Светодиодный модуль без линзы (Stanley Electric)

Рис. 5. Типовые конструкции светодиодного светильника для комнатного освещения

Анализируя различные варианты технологических процессов производства светодиодов, можно прийти к выводу, что определенные операции (монтаж кристаллов, разделение групповых заготовок, герметизация) выполняются при любых конструктивных особенностях продукта, что позволяет применять типовой укрупненный технологический маршрут сборки светодиодов (см. рис. 8). Операция монтажа кристаллов является критичной для сборки светодиодов. Как правило, монтаж производится на тепло- и токопроводящий клей с последующим отверждением. Затем выполняется визуальный контроль и механический контроль кристаллов на сдвиг. Наиболее технологичным является монтаж перевернутых кристаллов (flip-chip), позволяющий избавиться от операции разварки проволочных выводов. При крупносерийном и массовом производстве кристаллы в виде разрезанных и скрайбированных пластин на липком носителе поступают в кассетах непосредственно на автомат монтажа (см. рис. 9), который получает карту годных кристаллов с участка входного контроля. Разварка выводов производится при упаковке в корпус кристалла в планарном исполнении. Стандартным методом для разварки выводов светодиодов является метод «шарик-клин» с предварительной установкой шариков под вторую сварку. Для производства светодиодных светильников используются светодиодные кристаллы высокой мощности, как правило, изготовленные на основе GaN-структур на сапфировых подложках. Свет, испускаемый такими кристаллами, находится в области синего участка спектра, поэтому для получения белого цвета на кристалл наносится слой люминофора. Люминофор может быть как пленочным, предварительно нанесенным на пластину, так и в виде компаунда, в котором основой является оптически прозрачный силиконовый компаунд, а люми-

Современная светотехника, #5 2010

разработка и конструирование нофор добавляется в смесь в виде порошка. Люминофорный компаунд полимеризуется в печи, затем формируется линза, либо полость корпуса заливается силиконовым компаундом, аналогичным тому, из которого была приготовлена люминофорная смесь. Готовые светодиоды отправляют на тестирование и сортируют, после чего они поступают на участок поверхностного монтажа, где светодиоды и элементы схемы управления и электропитания устанавливаются и паяются на плату. Собранная плата устанавливается в светильник, после чего светильники проходят финальные испытания и направляются на склад готовой продукции.

НЕКОТОРЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕ НИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТОДИ ОДНОГО МОДУЛЯ Несмотря на непрерывный прогресс светодиодной тематики, потенциал увеличения плотности светового потока для светодиодов все еще остается достаточно высоким. До 95% электронов, проходящих через светодиод, выбивают из возбужденных атомов фотоны, однако кристалл сам по себе является эффективной ловушкой для фотонов и большая часть генерируемого света отражается от внутренних поверхностей кристалла, поглощаясь ими и превращаясь в тепло. Из-за этого явления только порядка 15% света выходит из светодиодной сборки и поэтому так необходимо разрабатывать и применять различные методики увеличения эффективности светодиодов.

Повышение качества ростовых подложек Качество эпитаксиальных GaN-гетероструктур в большой мере зависит от свойств кристаллической решетки ростовой подложки. В качестве подложек для производства GaN-светодиодов применяются такие материалы как карбид кремния, сапфир, кремний и др. Известно, что чем лучше совпадают кристаллические решетки подложки и выращиваемой GaN-структуры, тем выше качество общей структуры, а, следовательно, и производительность светодиода. Несомненно, GaN-подложки, с точки зрения качества, наилучшим образом подходят для роста гетероструктур, однако высокая стоимость и ограниченные размеры не позволяют использовать нитрид-галлиевые подложки для крупносерийного производства. Аналогичное правило работает для подложек из нитрида алюминия, чья кристаллическая решетка отличается от решетки нитрида галлия не более чем на 2%.

www.lightingmedia.ru

Рис. 6. Типовая конструкция светодиодного светильника, выполненного для замены люминесцентных ламп дневного света

Рис. 7. Основные этапы производства светодиодных светильников

Рис. 8. Типовой укрупненный технологический маршрут сборки светодиодов

Использование сапфира в качестве материала ростовых подложек для производства светодиодов высокой яркости заставляет мириться с разницей кристаллических решеток порядка 16%, что приводит к повышенной плотности дислокаций, уменьшающих внутреннюю квантовую эффективность и производительность светодиода. В качестве решения этой проблемы компания EV Group (Австрия) предлагает два метода: – ростовых шаблонов; – структурированных сапфировых подложек. Метод ростовых шаблонов (Grown Templates) предусматривает перенос тонкого затравоч-

разработка и конструирование

Рис. 9. Автомат монтажа кристаллов и компонентов Datacon 2200 evo

ного слоя для эпитаксиального роста на пластину-носитель. Пластина-носитель выбирается путем подбора механических и термических свойств, наилучшим образом подходящих для роста требуемой структуры, а технология прямого монтажа пластин открывает возможности по гетерогенной интеграции двух материалов, различие в структурных решетках которых изначально достаточно велико. Метод структурированных сапфировых подложек (Patterned Saphire Substrates, PSS) используется для улучшения качества GaN-структур с пониженной плотностью дефектов. Внутренняя квантовая эффективность светодиода напрямую зависит от структурного качества эпитаксиальной гетероструктуры. Микрои наноструктуры повышают как общее качество гетероструктур, так и КПД сверхъяркого светодиода.

Для формирования PSSструктур используются два способа: плазменное и жидкостное химическое травление. В случае плазменного травления фоторезистивная маска формируется на поверхности сапфировой подложки перед отправкой подложки в травильную установку. В случае жидкостного химического травления на поверхности сапфира предварительно формируется твердая оксидная пленка, т.к. фоторезист недостаточно стоек к жидкостным химическим процессам (см. рис. 11). Формирование структур на фоторезисте может, в частности, осуществляться посредством наноимпринтной литографии.

Применение плазменной обработки для повышения качества операций сборки Достаточно широко в качестве дополнительной операции, улучшающей качество светодиодных микросборок (а, следовательно, и эффективности светодиода), используется плазменная обработка, позволяющая модифицировать поверхность выводной рамки и кристалла с целью очистки или активации поверхности (см. табл. 2). Плазменная обработка применяется перед нанесением клея и/или силиконового компаунда, герметизацией, разваркой выводов для очистки и обезжиривания поверхности, создания гидрофильного или гидрофоб-

Рис. 10. Формирование структур на сапфировых подложках

Таблица 2. Области применения плазменной обработки при сборке светодиодов Рабочий газ

Процесс модификации поверхности

Аргон (Ar)

Очистка (абляция)

Кислород (O2)

Очистка (удаление органики), активация поверхности

Азот (N2) Водород (H2)

Активация поверхности Очистка (удаление оксидных пленок металлов)

Область применения Разварка выводов Монтаж кристаллов Разварка выводов Монтаж кристаллов Заливка и герметизация Заливка и герметизация Разварка выводов Монтаж кристаллов

ного эффекта. Для повышения качества операций сборки чаще всего используется ВЧ-плазма на основе аргона и кислорода. В условиях запуска производства, а также отработки технологии изготовления новых изделий, плазменная обработка позволяет ускорить сроки переналадки за счет расширения границ окна допустимых технологических параметров. Другими словами, повышая качество микросборок с помощью плазменной обработки, можно на первых этапах нивелировать негативный эффект от некоторых неоптимально заданных параметров техпроцесса, а также справиться с недостаточным качеством материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время потребность отечественного рынка в качественных и недорогих светодиодах многократно превышает возможности локальных производителей, а основную долю составляют импортные светодиоды, как правило, из азиатскотихоокеанского региона. Выполнение же государственных программ по энергосбережению и повышению энергоэффективности требует наличия гибких многономенклатурных местных производств, актуальность создания которых в настоящее время достаточно высока. Однако несмотря на беспрецедентную популярность светодиодов, технология их производства имеет множество нюансов и «подводных камней», влияние которых может критическим образом сказаться на эффективности и перспективах изготовления светодиодов. Поэтому для оснащения, запуска оборудования, отработки технологического процесса и обучения персонала необходима инжиниринговая компания, которая имеет опыт оснащения подобных производств в России, располагает компетентными специалистами в этой области, а также доступом к профильным источникам информации. Такая компания должна выступать как технологический партнер, который будет поддерживать производство в течение всего срока его эксплуатации и позволит производителю сосредоточиться, в первую очередь, на задачах, связанных непосредственно с конечным продуктом.

Современная светотехника, #5 2010

разработка и конструирование

Проблемы явных и скрытых энергетических потерь в светодиодных осветительных приборах Часть 3

В предыдущих частях статьи мы рассмотрели виды потерь, связанные с обеспечением рабочего режима светодиода. Настало время поговорить о потерях, связанных непосредственно с самим его излучением. Этой проблеме совершенно незаслуженно уделяют меньше внимания, чем следовало бы. При ближайшем рассмотрении потери по оптическому каналу не менее опасны, чем потери по теплу и электрическому каналу вместе взятым. Свет — это очень тонкий вид энергии, и управлять им непросто. Тем более в приложениях с ограничением по стоимости, какими, безусловно, являются все выпускаемые крупными сериями светотехнические изделия. Однако время требует от разработчиков учитывать все возможные факторы, влияющие на эффективность изделия. Именно поэтому качество системы, формирующей КСС светильника, так важно. Теория ослабления энергии излучения базируется на трёх основных законах. Мы остановимся только на одном из них, который в начале XIV в. сформулировал Френель. Впоследствии из него была выведена формула для ослабления энергии излучения при прохождении раздела двух оптических сред. Этот достаточно сложный метод интегрального исчисления по спектру и направлению поляризации обладает избыточной для светотехнических приложений точностью, поэтому нас интересует его упрощённый вид, который оперирует только угловыми значениями и коэффициентами преломления сред. Физический смысл этого метода в том, что на ослабление световой энергии влияют два

www.lightingmedia.ru

основных фактора — разница коэффициентов преломления двух оптических сред и угол падения лучей на границу перехода светового потока из одной среды в другую. Из формулы потерь по Френелю следует, что разница между коэффициентами преломления и угол падения лучей к нормали, проведённой к границе раздела сред, должны быть минимальны. На рисунке 1 наглядно отображён этот принцип. Выбор материалов, из которых изготавливается большинство формирующих КСС систем для светодиодов, не так велик — это несколько разновидностей поликарбоната и полиметилметакрилат. Данные материалы обладают разнонаправленными качественно-экономическими характеристиками, поэтому необходимо учитывать множество факторов, никак не связанных с их оптическими характеристиками, а именно: прочность, горючесть, устойчивость к воздействию ультрафиолета и, конечно, цену. Например, поликарбонат обеспечивает максимальную защиту изделия (его трудно сломать, разбить, оно не воспламеняется), однако он имеет больший по сравнению с полиметилметакрилатом коэффициент преломления света и неустойчив к воздействию уль-

Рис. 1. Потери при переходе излучения через границу раздела оптических сред

трафиолета. В свою очередь, полиметилметакрилат очень хорош по оптическим показателям, но горюч и имеет меньшую прочность. В качестве примера рассмотрим часто решаемую в настоящее время задачу — светодиод установлен перед рассеивающим экраном. Решив эту задачу для плоского листа поликарбоната можно обнаружить, что ослабление светового потока при прохождении одной границы раздела сред по нормали составляет около 0,445 дБ. Соответственно, потери при прохождении плоской пластины из этого материала достигают 14—16%. В большей степени они обусловлены сравнительно высоким значением коэффициента преломления поликарбоната (1,58—1,585), из-за чего большее количество энергии отразится от первой грани в обратном направлении, а впоследствии и от второй при выходе из толщи материала.

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».

разработка и конструирование Эти потери могут значительно увеличиваться при матировании любой из поверхностей листа, т.к. вероятность падения лучей на границу раздела сред под тупыми углами к нормали возрастает. В настоящее время такой способ трансформации светодиода из точечного источника света в протяжённый встречается достаточно часто. Рациональным использованием дорогостоящей световой энергии его явно не назовёшь, затраты на прохождение матированных поверхностей огромны — 28—40%. Очевидно, что это значительно снижает эффективность светильника, отбрасывая его на совершенно неконкурентный с прочими протяжёнными источниками света уровень. Можно несколько улучшить ситуацию, зафиксировав лист в таком положении, при котором матовая поверхность находится со стороны, противоположной падению излучения. В этом случае некоторая часть лучей, переотразившись в толще материала, выйдет наружу. Однако такой метод едва ли обеспечит значительный прирост эффективности, — речь может идти лишь о единицах процентов. Использование микропризм и микролинз позволяет также значительно снизить габаритную яркость. В таком случае количество потерь окажется больше, чем у плоской пластины, но едва ли превысит 20%. Применение подобных рассеивателей желательно в тех случаях, где это позволяет эстетика разрабатываемого изделия. Использование листа прозрачного полиметилметакрилата в описанной выше задаче обеспечит лучшее по сравнению с поликарбонатом значение потерь. Как и в предыдущем случае, это связано с тем, что значение коэффициента преломления материала составляет 1,49. Ослабление светового потока на одной границе раздела сред для нормального падения луча — около 0,339 дБ. Соответственно, при прохождении пластины световой поток снизится приблизительно на 11—13%. При использовании полиметилметакрилата приходится мириться с его эксплуатационными особенностями. Несколько лучше дела обстоят в конструкциях, где требуется сформировать направленную КСС. Хотя проблема энергетиче-

www.lightingmedia.ru

ских потерь по оптическому каналу по-прежнему остаётся, она в значительной мере решается за счет большего коэффициента использования светового потока и увеличения силы света. Дело в том, что светодиод справедливо считается источником света с исключительной управляемостью по оптическому каналу. Излучение светодиода изначально является направленным и исходит от очень малой светящейся площади. С точки зрения геометрической оптики, управлять таким пучком лучей значительно проще и эффективнее, чем светом всесторонне направленного источника. Следовательно, коэффициент использования светового потока светодиодной системы значительно выше, чем у ламповой. Это обстоятельство позволяет говорить об управлении излучением как о ещё одном факторе энергосбережения. Ведь важно не только получить высокие показатели световой отдачи, но и максимально правильно распорядиться излучением источника света. Лампы любого типа рассеивают свет во всех направлениях, поэтому КСС светильника формируется путем ограничения фронтального излучения и управления тыловым с помощью отражателя. Реже встречаются линзовые системы, которые управляют и фронтальным, и тыловым излучением. Ясно, что и в том, и в другом случаях управление энергией не слишком эффективно. Однако существенно то, что энергетические потери снижаются, и для некоторых образцов светильников эффективность практически приближается к световой отдаче источника света. У светодиода ситуация обратная. Поскольку использовать этот источник в открытом виде в большинстве случаев затруднительно из-за избыточной габаритной яркости, управлять приходится всем световым потоком. Эффективность управления при этом значительно выше, но и потери возрастают. Как уже отмечалось, этот недостаток нивелируется путём увеличения силы света, однако в абсолютных единицах световой поток всё же неуклонно падает. Как правило, потери на вторичной оптике в большинстве случаев несколько меньше потерь на плоских рассеивателях или

стёклах, т.к. использование линз значительно увеличивает вероятность падения лучей светодиода по нормали к поверхности, т.е. с наименьшими по Френелю потерями. Падение энергии излучения на вторичной оптике, как правило, не превышает 15%, а лучшие образцы достигают 8-% потерь. К сожалению, почти вся вторичная оптика производится из полиметилметакрилата, что накладывает на конструкцию определённые ограничения, связанные с эксплуатационными характеристиками этого материала. Однако реальных эффективных как с оптической, так и с экономической точек зрения альтернатив использованию вторичной оптики пока нет. Крайне осторожно следует относиться к использованию вторичной оптики с широким углом пространственного распределения силы света совместно с плоским защитным стеклом. Такие конструкции нередко встречаются в проектах уличных светильников. В них большая часть излучения падает на плоское стекло под сравнительно большими к нормали его поверхности углами, в результате чего возникают большие потери при отражении. Оценивать эти потери следует в каждом конкретном случае отдельно, однако учитывая, что они на вторичной оптике в среднем составляют 10—12%, значение эффективности такой системы колеблется около 70%. Если учесть падение эффективности на рассеиваемом тепле и питании, то такой светильник едва ли сможет претендовать на звание энергоэффективного решения. В случае, когда защитное стекло необходимо, целесообразно согласовать его профиль с КСС светодиодного модуля. Это достаточно технологичная и недорогая операция может удержать суммарные потери в пределах 25%. В целом, осмысленная работа с оптическими материалами и системами может существенно поднять эффективность всего изделия, ведь формирование КСС — это один из важнейших и ответственейших этапов разработки: выбор материалов, конструкции оптической системы и оценка основных её фотометрических параметров заслуживают самого пристального внимания.

разработка и конструирование

Отказы светодиодов и методы их анализа Холгер Просс (Holger Pross) RoodMicrotec GmbH Светодиоды открывают дорогу новым приложениям и различным рынкам с широким рядом требований. Помимо прочих выгодных характеристик, светодиоды обеспечивают высокую надежность и большой срок службы — свыше 50 тыс. ч, однако производственный брак и плохие условия эксплуатации могут заметно снизить надежность этих изделий. Для того чтобы избежать отказа или быстро найти решение возникших проблем, требуется хорошо разбираться в механизмах сбоя и использовать подходящие методы анализа.

НАЗНАЧЕНИЕ СВЕТОДИОДОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Кристалл светодиода представляет собой полупроводник, в котором свет генерируется в области p-n-перехода при электроннодырочной рекомбинации. Активная зона является сложной структурой, состоящей из эпитаксиальных слоев. Для генерации различного цвета используются разные комбинации материалов: для получения красного цвета — InAlGaP; голубого — InGaN; инфракрасного излучения — GaAlAs; ультрафиолета — AlGaN. Материал и свойства эпитаксиальных слоев, по сути, определяют эффективность генерируемого света. Основные компоненты светодиода на плате представлены на рисунке 1.

К основным параметрам светодиода относятся ток и температура Tj внутри активного слоя. Оба этих параметра определяют потребление энергии и цвет излучения, а также срок службы изделия. На рынке предлагаются светодиоды, изготовленные по разным технологиям. Необходимое условие работы светодиода — устойчивое прохождение тока через паяное и клеевое соединения, достаточное охлаждение кристалла с помощью хорошего теплового контакта с окружающей средой или теплоотвода, а также хорошее извлечение света из кристалла с помощью оптических элементов и отражателей. Как правило, светодиоды заключаются в оболочку из прозрачного материала (силиконовая или эпоксидная смолы). Для реализации белого свечения наносится такой вид люминофора, который преобразует голубое излучение светодиодов в излучение с широким спектром, который близок к спектру белого света.

РЕЖИМЫ ОТКАЗА СВЕТОДИОДОВ Дефекты светодиодов условно относятся к следующим категориям: кристалл как центральный элемент, а также внутренняя и внешняя структуры. Мы рассмотрим ряд механизмов отказа светодиодов, которые соответствуют разным технологиям сборки, типам конструкций, а также приложениям.

Рис. 1. Основные компоненты светодиодного модуля на плате

Тип отказа: кристалл В условиях нормальной работы оптические характеристики светодиодов, как правило, ухудшаются со временем, т.е. у светодиодов ограниченный срок службы. Ухудшение характеристик вызвано появлением дефектов в эпитаксиальных слоях или на их границах, что приводит к увеличению доли безызлучательной рекомбинации и снижению оптической эффективности. Как правило, 30—50% ухудшения оптических характеристик определяется как дефект, а ожидаемый эксплуатационный ресурс составляет 20—100 тыс. ч. Старение светодиодов, вызванное ростом дефектов, в значительной мере зависит от температуры перехода Tj и тока. Следовательно, необходимо контролировать эти параметры, чтобы светодиод прослужил ожидаемое время. Ускоренное старение, т.е. уменьшение светоотдачи в течение определенного периода времени ниже ожидаемого, вызвано такими негативными факторами как низкое качество эпитаксиальных слоев, а также более высокая температура перехода из-за недостаточно хорошего рассеяния тепла. Более того, проникновение влаги или других загрязняющих веществ, разрушения, вызываемые электростатическим зарядом, а также нестабильным источником питания, ускоряют деградацию эпитаксиальных слоев.

Тип отказа: внутренняя конструкция светодиода Затрудненное прохождение тока из-за роста электрического сопротивления часто становятся причинами, приводящими к уменьшению светового потока, временной нестабильности или даже к полному отказу. Наблюдается также расслоение перехода между кристаллом и проволочным соединением. Поскольку площадь поверхности раздела между кристаллом и подложкой довольно-таки существенно влияет на рассеяние тепла, раз-

Современная светотехника, #5 2010

разработка и конструирование рушение промежуточного слоя приводит к увеличению теплового сопротивления и температуры кристалла, что также ускоряет старение светодиода. Технология производства светодиодов является источником многих отказов. Процесс пайки в этом отношении особенно важен, т.к. тепловая перегрузка может привести к появлению трещин, отсоединению или отслоению материалов вдоль границ поверхностей из-за различия в коэффициентах расширения. Основой создания кристаллов с продолжительным сроком службы являются проверка соответствия изделия техническим условиям и контроль качества на производстве, а также хороший контроль процесса пайки во время монтажа компонентов. Такие прозрачные герметизирующие материалы как силиконовая или эпоксидная смолы не являются герметичной изоляцией и, следовательно, не защищают от водяных паров или других разрушающих веществ. Более того, механическое напряжение, например, при изгибе выводов светодиода или термическое напряжение во время пайки может привести к образованию трещин или отделению компаунда, а также к проникновению загрязняющих веществ в кристалл или металлический контакт. При неблагоприятных условиях это приводит к изменению структуры эпитаксиальных слоев или к разрушению поверхностей их раздела (см. рис. 2). Другими типовыми механизмами, снижающими срок службы светодиодов, являются старение герметизирующих материалов под воздействием ультрафиолетового излучения или деградация люминофора белых светодиодов, что также сказывается на изменении цвета белых светодиодов (пожелтение). Этот эффект имеет большее воздействие, чем регулярное старение кристалла.

Тип отказа: монтаж светодиодов на плату При интеграции светодиодов на печатную плату следует учитывать такие источники отказа как сбой в работе электрических соединений, вызванный плохими паяными контактами. На деградации источников света, особенно

www.lightingmedia.ru

Рис. 2. Коррозия поверхности под микроскопом в отраженном (слева) и в проходящем (справа) свете. Внезапный отказ может быть вызван электростатическим разрядом или электрическим перенапряжением, которые заметно разрушают эпитаксиальный слой

Рис. 3. Типовые вольт-амперные характеристики (ВАХ) различных типов светодиодов

мощных светодиодов, сказываются тепловой контакт и рассеяние тепла. Монтаж должен обеспечить устойчивый тепловой контакт в течение всего срока службы. Поскольку содержащаяся в светодиодах влага может привести, особенно в процессе пайки, к возникновению т.н. «эффекта поп-корна», следует принять меры по обеспечению влагонепроницаемости. В некоторых приложениях светодиоды снаружи покрывают защитным лаком или герметиком. Механическое или термическое напряжение, воздействующее на внутреннюю структуру светодиода, а также взаимодействие этой структуры с дегазованными материалами могут вызвать ее разрушение.

модуль? Как долго? В каком режиме управления? – Измерения: вольт-амперная характеристика (см. рис. 3); интенсивность света; длина волны/ цвет; характеристики излучения. – Неразрушающий анализ: рентгеноскопия (см. рис. 4); оптическая микроскопия и акустическая микроскопия. – Разрушающие методы: послойный анализ; вскрытие корпуса. – Физический анализ: FIB/ REM, OBIRCH, эмиссионная микроскопия, EBIC, катодолюминесценция. Для того чтобы ограничить объемы исследований, необходимо создать эффективную методологию анализа, опирающуюся на

МЕТОДЫ АНАЛИЗА Светодиоды характеризуются большим количеством разнотипных отказов, которые устраняются с помощью разных аналитических методов. Цель анализа отказов — связать известную модель сбоя с возможной причиной его возникновения, а затем найти способ устранения.

Методы поиска ошибок – Вопросы: в каких условиях эксплуатировался светодиодный

Рис. 4. Рентгеновская микроскопия разорванного проволочного соединения

разработка и конструирование полученную информацию о причинах отказа.

Визуальный контроль с помощью светолучевой микроскопии Визуальная инспекция дает сведения о внешней конструкции, внешней целостности светодиодного модуля и доступных частях внутренней конструкции.

Измерение оптоэлектрических параметров Важными оптоэлектрическими параметрами являются оптическая мощность, спектр и вольтамперная характеристика. Характеристики излучения в дальнем и ближнем поле обнаруживают неоднородность светоизлучающей зоны. Измерение теплового сопротивления свидетельствуют о проблемах с тепловой развязкой. Повышенное напряжение в прямом направлении указывает на нарушение в прохождении тока. Увеличение тока утечки при обратном смещении говорит о серьезных нарушениях в эпитаксиальных слоях. Сравнение ВАХ отказавших светодиодов (см. рис. 5) и тех, что продолжают работать, позволяет выявить причины сбоя. Высокоточные методы оптической микроскопии позволяют обнаружить нарушения структур на поверхностях раздела между слоями. В ходе рентгеноспектрального электронно-зондового микроанализа определяются эффекты разрушения слоев, и дается оценка возможных причин коррозии.

Другие неразрушающие методы В силу того, что светодиоды, как правило, устанавливаются в пластиковые корпуса, отделение соединительного провода от кристалла светодиода можно определить с помощью рентгеновского микроскопа (см. рис. 6). Чтобы

обнаружить расслоение поверхностной границы, используется также акустическая микроскопия.

Разрушающие физические методы Для установления причин отказа в светодиоде требуется прямой доступ к внутренним элементам — кристаллу (см. рис. 7) или к границе раздела между выводом и контактной площадкой (см. рис. 8). Кроме того, с этой целью применяется послойный анализ иди удаление герметизирующих материалов с помощью химических растворителей.

Рис. 5. Обобщенная вольт-амперная характеристика неисправных светодиодов

Анализ причин отказа на уровне кристалла Для установления причин отказа на уровне кристалла существуют методы обнаружения на нем дефектных зон — темных пятен или линий. Такие методы основаны на локальной стимуляции эмиссии света (катодолюминесценции) или возникновении тока под воздействием направленного на кристалл внешнего электронного пучка (EBIC — Electron Beam-Induced Current) либо лазерного пучка (OBIC — Optical Beam-Induced Current). Такие специальные методы как TEM (Transmission Electron Microscopy — просвечивающая электронная микроскопия) и подготовка образца с помощью FIB (Focused Ion Beam — сфокусированный ионный пучок) требуются для более глубокого анализа причин отказов в эпитаксиальных слоях. Для оценки полученных результатов необходима возможность сравнения с уже известными моделями ошибок и образцовые модели, поскольку дефектные структуры внутри полупроводника в большой степени зависят от приме-

Рис. 7. На микросрезе видно отделение кристалла от подложки (справа в увеличенном виде)

Рис. 6. Отделение соединительного провода от кристалла. Изображение получено методом рентгеновской микроскопии

няемой технологии. Предлагаемые методы очень дорогостоящи и используются только в особых случаях.

ВЫВОДЫ Светодиоды обеспечивают высокую надежность, но она зависит от технологии их изготовления и требований приложения. В статье изложены типичные механизмы отказа, методы анализа, а также способы предотвращения возможных отказов. Хорошее понимание типичных условий возникновения отказа позволяет создать высоконадежные светодиодные изделия. Разработчики должны не только обладать системны подходом, помогающим избежать этих отказов, но и уметь применять соответствующие методы анализа, интерпретировать модели ошибок и, что очень важно, принимать меры для предотвращения подобных проблем.

Рис. 8. Разрушение контактной площадки и крепления кристалла

Современная светотехника, #5 2010

разработка и конструирование

Анализ и тестирование светодиодной продукции как залог ее качества Константин Голобоков, led@sovtest.ru директор по инновациям, компания ООО «Совтест АТЕ»

В настоящий момент в рамках программы энергосбережения большинство российских предприятий отдает предпочтение использованию светодиодных ламп и светильников, что, в свою очередь, открывает широкие перспективы для развития данного направления. Несмотря на востребованность светодиодных источников освещения и легкость их использования, остаются определенные сложности. Обилие на российском рынке светодиодов и светильников китайского производства обеспечивает данной продукции относительно низкую цену, но при этом не всегда хорошее качество. А только качественные светодиоды и светильники могут способствовать достижению реального энергосбережения. В противном случае затраты на последующий ремонт могут превысить все предполагаемые выгоды. Российские потребители уже поняли, что следует особенно осторожно относиться к дешевой светодиодной продукции. В настоящий момент спрос на данный вид изделий только набирает обороты, поэтому качественная продукция еще не может производиться по доступной цене. Цены на светильники могут значительно снизиться только в случае появления массового спроса на данную продукцию. Для того чтобы сверхъяркие светодиоды и светодиодные лампы стали недорогим продуктом, необходимо обеспечить высокий срок службы — только тогда будут оправданы первоначальные высокие инвестиции. В дальнейшем экономия достига-

www.lightingmedia.ru

ется за счет более низкого энергосбережения, низких затрат на обслуживание светодиодных светильников и высокого срока службы, что позволяет оправдать первоначальную высокую стоимость светильников. В связи с этим российские производители должны понимать, что их продукция будет постоянно востребована и интересна на рынке только в том случае, когда они смогут убедить покупателей, что высокие первоначальные вложения в светодиодные светильники принесут заказчикам значительную экономию в будущем. Обязательным параметром контроля светотехнических изделий являются электрооптические характеристики и их стабильность в зависимости от температуры окружающей среды. Достоверные данные о реальном сроке службы того или иного светодиодного светильника можно получить либо опытным путем, включив светильник на большой срок (т.е. непрерывно используя светильник в течение длительного времени), либо в лабораторных условиях по специальной программе измерений. При этом в последнем случае можно добиться требуемых условий и произвести измерения в заданные промежутки времени в определенной последовательности, которой нельзя добиться в ручном режиме. В настоящее время в России имеется целый спектр лабораторий, которые выполняют измерения электрооптических характеристик светодиодов и светильников. Наличие аккредитованных лабораторий позволяет реально оценить параметры того или иного светодиода или светильника. Следующим важным шагом станет введение единых стандартов

для всей светодиодной продукции и единых стандартов на техническую документацию на данную продукцию. Это упростит процедуру сравнения светодиодных приборов. Сегодня российские производители светодиодных светильников, получив результаты измерений оптико-электрических параметров светодиода или светильника, могут только констатировать факт — реальные характеристики данного изделия. Остается открытым вопрос о том, что делать, если полученный результат не является удовлетворительным. В таком случае возникает необходимость дальнейшего анализа. Для этого существует ряд методик и специализированных тестов, которые позволят выявить причину несоответствия полученных характеристик ожидаемым. Проведение подобных испытаний требует наличия специального оборудования и условий, которые можно реализовать только в современных лабораториях, ориентированных на проверку светотехнических и полупроводниковых изделий. Иметь такую лабораторию каждому предприятию нецелесообразно и не очень выгодно. Именно поэтому ООО «Совтест АТЕ», занимающееся активными разработками в сфере высоких технологий (начиная от теоретических разработок и заканчивая внедрением данных технологий как на собственном производстве, так и на производстве заказчиков), столкнувшись с необходимостью испытаний и проверки своих изделий, доверило данную процедуру российской лаборатории, в которой была проведена проверка основной части оптико-электрических параметров.

разработка и конструирование

Рис. 1. Светодиод в процессе рентгеноскопии

Следующий анализ был проведен на собственном оборудовании «Совтест АТЕ» — рентгеновской установке, что позволило убедиться в правильности позиционирования кристалла и в качестве разварки (см. рис. 1). Для более глубокого тестирования и анализа своей новой разработки — светодиода мощностью 1 Вт — «Совтест АТЕ» привлек своего давнего партнера, обладающего знаниями и материальнотехнической базой, — немецкую лабораторию RoodMicrotec. Данная лаборатория оснащена всем необходимым оборудованием для детального анализа как самих светодиодов и кристаллов, так и готовых изде-

Рис. 3. Отделение кристалла от подложки

а) Рис. 5. Микрошлиф сварного соединения

Рис. 2. Лаборатория RoodMicrotec

лий — светильников и светодиодных фонарей (см. рис. 2). Существуют различные методы и возможности испытаний и анализа светодиодной продукции, которые можно разделить следующим образом: – измерения, которые включают в себя снятие вольтамперных характеристик, измерения интенсивности светового потока, длины волны, цвета; – неразрушающий контроль (на базе установки рентгеноконтроля, сканирующий оптический микроскоп, оптический микроскоп) (см. рис. 3, 4); – разрушающий метод контроля (изготовление шлифов, вскрытие корпуса , что позволяет

Рис. 4. Отделение кристалла от подложки (вид сверху)

детально проанализировать внутреннюю структуру изделия) (см. рис. 5, 6); – оптические измерения на светодиоде со вскрытым корпусом; – специальное оборудование для удаления отдельных структур и слоев, позволяющее провести более детальный анализ. Одним из основных критериев оценки светодиодного светильника является правильно организованный теплоотвод. Испытания светильников одного и того же производителя показали, что из-за некачественно организованного теплоотвода происходит локальный разогрев отдельных участков, что приводит к быстрой деградации светодиодов и снижению их срока службы. На основании полученной картины теплоотвода производится анализ светильника и даются рекомендации по его улучшению с целью обеспечить равномерный теплоотвод и улучшение параметров. Проведение подобного рода испытаний и анализа дает производителям возможность доработать и улучшить свойства производимых изделий и поставить на рынок высококачественную продукцию. В результате работ по проекту анализа и доработке светодиода специалистами «Совтест АТЕ» был накоплен хороший опыт и принято решение о дальнейшем сотрудничестве с лабораторией RoodMicrotec. Теперь компания может предложить не только технологии и оборудование для производства светодиодов, но и услуги по проведению структурного анализа светодиодов и светодиодных светильников, а также оказать помощь в анализе полученных изделий.

б) Рис. 6. Светооптическое исследование в условиях вскрытого корпуса

Современная светотехника, #5 2010

силовая электроника для светотехники

Микросхемы драйверов Texas Instruments для систем светодиодного освещения Секторы применения и фронт использования светодиодного освещения с каждым годом растут. По этой причине драйверы ярких белых светодиодов являются одними из самых востребованных на рынке электронных компонентов. Драйверы белых светодиодов выпускают десятки фирм. Техаs Instruments удерживает в данном секторе лидирующие позиции. Ассортимент продукции TI содержит широкий ряд светодиодных драйверов для различных приложений: внутренние и наружные источники освещения, подсветка дисплеев и клавиатур мобильной электроники, светодиодные фонари и вспышки, автомобильный свет, подсветка ЖК-панелей мониторов, телевизоров и ноутбуков. Данная статья знакомит с номенклатурой светодиодных драйверов TI, ориентированных на сектор светодиодного освещения.

Светодиодное освещение с каждым годом находит все большее применение. Можно выделить два его основных направления развития. Первое — светодиодные лампы для замены ла мп накаливания, галогеновых и люминесцентных ламп. Основной сектор — бытовое освещение. Светодиодные лампы выпускаются в конструктиве, обеспечивающем замену ламп накаливания, галогеновых и люминесцентных. Вся схема управления встраивается в цоколь лампы и не требует доработки световой арматуры модифицируемого таким образом светильника. Мощность светодиодных ламп — не более 25 Вт, а яркость — не более 3000 лм. Второе направление — разработка светодиодных светильников новой конструкции с учетом особенностей светодиодных источников света. Такие

www.lightingmedia.ru

Рис. 1. Использование потолочных мощных светодиодных светильников для освещения промышленных помещений большой площади

светильники поставляются как самостоятельное изделие, а при их установке не требуется дополнительная модификация светотехнической арматуры. Эти светильники используются как для внутреннего, так и наружного освещения. В настоящее время расширяется сектор использования светодиодных светильников для освещения производственных помещений больших объемов (см. рис. 1). Для их освеще-

ния, как правило, используются подвесные с тросовым подвесом (high bay и low bay) мощные потолочные светильники мощностью 15…75Вт и яркостью 1000…10000 лм. Для освещения улиц, автомагистралей стадионов используются светодиодные светильники мощностью 3…250 Вт и яркостью 2500…30000 лм. На рисунке 2 представлен проект светодиодного освеще-

Александр Самарин Ведущий специалист, разработчик электронной аппаратуры, сотрудник Московского института электронной техники. Выпускник МИЭТ. Специальность инженер-физик. Член международной организации SID (Society for Information Display). Автор книги, автор свыше 100 публикаций в журналах ЭК, КиТ, Современная Электроника, Электроника НТБ, Схемотехника, Ремонт и Сервис, автор семи изобретений. Сфера профессиональных интересов — современная элементная база электроники, телекоммуникационная аппаратура, дисплейные технологии, электронное медицинское оборудование.

силовая электроника для светотехники

Рис. 2. Проект светодиодного освещения автодороги

ния автодороги. Высота подвеса ламп — 12 м; расстояние между соседними мачтами — 35 м; ширина дороги — 62 м; мощность светодиодного светильника — 200 Вт. Для освещения участка дороги длиной 5 км использовано 448 светильников. Для каждого типа светодиодных приложений разрабатываются свои структуры драйверов, которые учитывают специфику применения и режимы работы светильников.

СТРУКТУРА КОНТРОЛЛЕРА СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ В системах светодиодного освещения общего назначения для питания используется сетевое напряжение 110/220/230 В. В качестве источников света используются одна или несколько последовательных цепочек белых ярких светодиодов мощностью 1…10 Вт. Рабочие токи в цепочках от 300 мА для ламп малой и средней мощности до 3А в светильниках высокой мощности (до 250 Вт). Постоянное напряжение на цепочке светодиодов составляет несколько десятков вольт. Схема питания светодиодов должна обеспечивать выпрямление напряжения,

Рис. 3. Схемы построения источников питания для светодиодных светильников мощностью более 60 Вт: PFC Control – модуль корректора мощности; LLC Control – упр. лог. ур.; Buck Contro l- упр. пониж. регул. напр.; HV Gate Driver – драйвер затворов полевых транзисторов; PWM Control – ШИМуправление; EMI Input Bridge – вх. фильтр ЭМИ и выпрям. мост

преобразование в стабилизированное напряжение и поддержание оптимального тока через светодиоды. Для увеличения эффективности всей системы в структуре контроллера, как правило, используется модуль фазового корректора мощности PFC (Power Factor Corrector). Таким образом, структура контроллера может содержать 1—3 ступени преобразования энергии. На входе контроллера стоит также диодный мост и входной фильтр ЭМИ. На рисунке 3 показаны базовые схемы контроллеров для систем светодиодного освещения мощностью свыше 60 Вт. Как правило, в модуле преобразования напряжения используется обратноходовое преобразование. В контроллерах большей мощности используются квазирезонансные схемы с мостовой или полумостовой схемой.

Рис. 4. Конструкция светодиодной лампы с цоколем A19 без гальванической развязки (220 В, 8 Вт)

В зависимости от конкретного приложения может использоваться гальваническая трансформаторная развязка между светодиодной цепью и сетью. Высокая рабочая частота приборов позволяет значительно уменьшить габариты используемых катушек индуктивности, что уменьшает общих габариты импульсных преобразователей.

СВЕТОДИОДНЫЕ ЛАМПЫ Бытовые лампы, используемые в Европе и США, имеют стандартные цоколи и формы ламп. Типовые форматы ламп: А19, Е12/26/27, GU10, MR16, PAR30/38. Для резьбовых цокольных ламп (цоколь Эдисона) номер задает диаметр в мм. Например, 26/27 — стандартный сетевой цоколь на 220 В, а 12/14 –миньон. Цоколь Е26 используется для 110-В ламп. Буква определяет форму лампы, цифра — диаметр цоколя. Индекс PAR — лампа с параболическим рефлектором. GU10 — лампа с байонетным цоколем, MR16 — цоколь со штырьковыми контактами для галогеновых ламп. Плата контроллера может размещаться с разной ориентацией в цоколе лампы. На рисунке 4 показан вариант конструкции светодиодной лампы формата А19 на 8 Вт. На рисунках 5—8 показаны другие исполнения светодиодных ламп, которые предназначены для освещения как бытовых помещений, так и помещений музеев, салонов, галерей, для под-

Современная светотехника, #5 2010

силовая электроника для светотехники

Рис. 5. Цоколь GU10, 3-Вт светодиодная лампа для прожекторов ландшафтной подсветки, 260 лм

Рис. 6. Лампа с цоколем MR16 (альтернатива галогеновым)

Рис. 7. Светильник для встраивания в мебель

серии TPS92xxxx (TPS92001/2, TPS92010/20, TPS92210) а также микросхема контроллера для построения мощных светодиодных систем UCC28810.

ДРАЙВЕРЫ TPS 92001/2 C ВНЕШНИМ СИЛОВЫМ КЛЮЧОМ Рис. 9. Светодиодная лампа для оранжерей в форм-факторе люминесцентной трубки Рис. 8. 12…15-Вт светодиодные лампы подсветки для встраивания в напольное покрытие

светки картин, косметических салонов, в отелях, ресторанах, освещения залов ожидания и т.д.

собствует росту растений. Эффективность усваивания растениями светодиодного спектра выше на 50% по сравнению с люминесцентными светильниками (см. рис. 9).

ЛАМПЫ ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ ОРАНЖЕРЕЙ И ТЕПЛИЦ

ДРАЙВЕРЫ И КОНТРОЛЛЕРЫ TI ДЛЯ СИСТЕМ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Было установлено, что светодиодное освещение эффективно спо-

К этой серии относятся микросхемы светодиодных драйверов

Драйвер предназначен для использования в светодиодных системах освещения общего назначения (см. рис. 10). Для построения систем используется схема с обратноходовым преобразованием как с гальванической трансформаторной развязкой, так и без нее. В сетевых светодиодных лампах нет необходимости в гальванической развязке. Микросхемы TPS 92001/2 имеют одинаковую структуру и различаются только номиналом напряжения порога включения. В первую очередь, драйвер ориентирован для использования в светодиодных лампах формата А19, Е12/26/27, GU10, MR16, PAR30/38. Применения: настенные и потолочные светильники, архитектурная подсветка зданий и т.д.

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ЯРКОСТЬЮ ЧЕРЕЗ СИМИСТОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ТРИАКИ Рис. 10. Драйвер общего освещения без гальванической развязки

Рис. 11. Схема управления яркостью света через симисторные регуляторы (триаки)

www.lightingmedia.ru

Управление яркостью бытовых светильников производится с помощью настенных (wall dimmer) триаков — симисторных регуляторов с фазовой отсечкой (см. рис. 11). Светодиодный источник потребляет не всегда достаточный уровень мощности, чтобы обеспечивать надежное удержание симисторного регулятора во включенном состоянии. Требуется дополнительная схема, чтобы обеспечить надежное управление триаком.

силовая электроника для светотехники

Рис. 12. Структура управления светодиодной системой с гальванической развязкой от сети

Рис. 13. Драйвер с гальванической развязкой

без мерцания или стробоскопического эффекта. Потребление тока из симистора осуществляется только при необходимости, что обеспечивает высокий КПД оборудования при использовании драйвера без гальванической развязки. На рисунке 12 показана структурная схема с гальванической развязкой на основе драйвера TPS 92001/2.

ДРАЙВЕР TPS92010 Рис. 14. Плата драйвера светодиодной лампы на базе TPS92010 для размещения в цоколе лампы

Функция регулировки яркости, реализованная в отладочном модуле TI PMP4981 [7], позволяет уменьшать яркость цепи светодиодов до крайне малых значений

Более мощный многорежимный драйвер TPS92010 — первый представитель нового семейства светодиодных контроллеров компании TI, предназначенных для общего применения в светодиодных системах освещения: светодиодные электролампы, коммерческие светильники, пото-

лочные светильники, настенные бра, освещение проходов, верхнее, архитектурное и рекламное освещение (см. рис. 13). Сначала микросхема выпускалась под названием UCL64010. Выходной каскад драйвера обеспечивает токи управления затвором мощного выходного полевого транзистора 1 А (Sink) и 0,75 А (Source) В драйвере для преобразования энергии используется квазирезонансный режим (quasiresonant mode QRM) и режим DCM (discontinuous conduction mode DCM). Драйвер обеспечивает и режим перехода на пониженную частоту при уменьшении тока нагрузки или при обрыве в нагрузке для сохранения эффективности преобразования энергии. Имеется защита от перенапряжения и блокировка работы при понижении напряжения питания (см. рис. 14). 15 апреля 2010 г. компания Texas Instruments (TI) объявила о выпуске оценочной платы драйвера светодиодного освещения, разработанной в сотрудничестве с компанией Lemnis Lighting. В базовой плате для светодиодных электроламп TPS92010 применена полупроводниковая технология компании TI для осветительного оборудования общего назначения и опыт компании Lemnis Lighting в создании приложений с регулируемой яркостью освещения. Базовая оценочная плата представляет собой изолированный драйвер с низким уровнем электромагнитных помех, упрощающим сертификацию соответствия в плане безопасности и электромагнитной совместимости. Базовая плата для светодиодных электроламп TPS92010 поставляется с настенными регуляторами яркости света на основе триака. Схема регулирования освещенности TRIAC поддерживает высокий коэффициент полезного действия даже для низких уровней яркости (КПД 60% при 10% тока светодиода).

ДРАЙВЕР TPS92020

Рис. 15. Схема включения драйвера TPS92020 резонансного типа

www.lightingmedia.ru

Этот драйвер (см. рис. 15) обеспечивает более высокие мощности для передачи в нагрузку за счет использования преобразователя напряжения резонансного типа с полумостовой схемой.

силовая электроника для светотехники В структуре драйвера используется единое управление яркостью нескольких цепочек светодиодов. Нет возможности отдельного управления яркостью цепочек. Драйвер предназначен для питания мощных промышленных светодиодных светильников, а также наружных и уличных светильников, прожекторов для стадионов. Нагрузочная способность встроенных ключей для управления мостовой схемой — 400/800 мА. Встроенная защита от превышения тока и от перенапряжений. Мягкий старт. Частота преобразования 30…350 кГц устанавливается внешними компонентами. Драйвер обеспечивает простоту управления включением/ выключением. Широкий температурный рабочий диапазон: –40…125°C. Применение: – коммерческие и промышленные источники светодиодного освещения; – подвесные светильники для установки на тросовых подвесах High Bay (высота подвеса 8…10 м) и Low Bay для освещения внутренних помещений цехов, складов, ангаров; – уличные фонари; – освещение площадей; – освещение стадионов; – системы задней подсветки ЖК-телевизоров и мониторов (краевая система подсветки).

КОНТРОЛЛЕР МОЩНЫХ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ  UCC28810 Микросхема имеет структуру, которая аналогична структуре драйверов серии TPS92xxx, однако по классификации TI попадает в другой класс — контроллеров мощных светодиодных систем. Контроллер-драйвер UCC28810 предназначен для создания схем управления мощными светодиодными светильниками мощностью

Рис. 16. Схема использования драйвера TPS92210

до 240 Вт. В [5] приведено описание контроллера мощного светодиодного светильника на 240 Вт на базе микросхемы UCC28810. Источник не изолирован от сети питания. В системе управления используется двухступенчатая схема. Первая ступень — корректор мощности PFC, вторая — понижающий регулятор напряжения. Обе ступени работают в режиме CCM (Critical Conduction Mode). Схема управления обеспечивает выходное напряжение 70…85 В для питания светодиодных цепочек состоящих из 24—28 светодиодов током до 3 А. В цепочке используются 10-Вт мощные белые светодиоды.

ДРАЙВЕР TPS92210 Особенностью данного драйвера (см. рис. 16) является то, что контроль тока производится внутренней схемой. Внешний резистивный датчик тока не требуется, что упрощает схему включения и позволяет уменьшить энергию потребления, рассеиваемую на внешнем датчике тока. Структура драйвера обеспечивает быстрый режим старта, обнаружение обрыва в обмотках трансформатора, устойчивость к броскам напряжения в первичной сети. В драйвере для управления используется режим модуляции с фиксированным временем Ontime. Алгоритм ШИМ-модуляции варьирует оба параметра — частоту преобразования и ток в

первичной цепи, обеспечивая поддержку DCM и TM (Transition Mode) в зависимости от напряжения на входе и тока в нагрузке. Режим TM обеспечивает передачу более высокого тока в нагрузку. Архитектура TPS92210 обеспечивает низкие потери на переключении и высокую эффективность преобразования энергии. По сравнению с традиционной технологией обратноходового преобразователя удалось достичь более высокой эффективности преобразования энергии во всех режимах работы. Оценочный набор TPS92210EVM-613 обеспечивает всю полноту функций драйвераконтроллера TPS92210. Модуль демонстрирует применение TPS92210 в проекте драйвера с коррекцией мощности для сетевого светодиодного светильника с питанием 230 В и триаком для управления яркостью. ЛИТЕРАТУРА 1. TPS92210 Natural PFC LED Lighting Driver Controller. 2. TPS92001, General Purpose LED Lighting PWM Controller. 3. UCC28810 — LED Lighting Power Controller. 4. Using the UCC28810EVM-002. User's Guide. 5. Non-Isolated 240-W Oﬄine LED Driver Using UCC28810 and UCC28811. User's Guide 6. Projects of LED Street Lights. 7. Справочник типовых решений с применением светодиодов//http://focus.ti.com/lit/sg/ rust001/rust001.pdf. TI LED General Lighting Driver Solutions.

В Германии продают запрещенные лампы накаливания Онлайн магазин из Германии нашел хитрый способ, как продолжать торговать дальше запрещенными в ЕС лампами накаливания. Несмотря на то, что ЕС запретил лампы накаливания и потребовал заменить их энергосберегающими лампами, немецкий онлайн-магазин

выставил на сайт heatball.de партию товара, назвав его «обогревающими шариками». На самом деле, речь идет о лампах накаливания в 75 и 100 ватт. Как известно, в Евросоюзе с сентября запрещены не только 100-ваттные, но и 75ваттные лампы накаливания из-за высокого

энергопотребления. Причем запрещено не только их производство, но и импорт. Немецкая фирма утверждает, однако, что лампочки можно успешно использовать как минирадиаторы, поэтому их можно продавать и дальше. www.svetozone.ru

Современная светотехника, #5 2010

силовая электроника для светотехники

Корректно спроектированные драйверы светодиодов повышают надежность всей системы освещения Эрайя Шрайбер (Arye Schreiber), Джон Дэйли (John Daly), Lightech Electronics В статье обсуждаются вопросы построения оптимальной системы светодиодного освещения. Рассматриваются методы улучшения характеристик и повышения надежности драйверов светодиодов. Статья представляет собой авторизованный перевод [1].

Источники питания светодиодов, или драйверы, являются ключевым элементом светодиодной системы освещения. Драйверы играют важнейшую роль в определении режима питания светодиодов, метода регулировки их яркости, необходимости использования дополнительных функций управления и датчиков, а также уровня надежности разрабатываемой осветительной системы и ее местоположения. Наиболее важным, однако, является то, что драйверы способны обеспечить высокое качество всей светодиодной системы освещения, если они надежны и долговечны, и ухудшить его, если они часто выходят из строя. Большие ожидания, которые возлагаются на светодиодные системы освещения, определяются тремя «Э»: Экономикой, т.е. экономией средств, Эргономикой, т.е. лучшими параметрами и Эффективностью, т.е. снижением энергопотребления. Для того, чтобы светодиодные системы освещения оправдали эти надежды, необходимо достичь успеха в каждой из этих трех сфер, а достижения в каждой из этих областей, в свою очередь, определяются используемой технологией драйверов.

ЭКОНОМИКА Считается, что светодиодные системы освещения обеспечива-

www.svetotechnika.ru

ют большую эффективность, чем конкурирующие технологии. Это объясняется несколькими причинами. В-первых, светодиодные системы долговечны. Срок службы светодиодов обычно составляет 35000 и даже более 50000 часов. Это означает, что до момента замены светильника могут пройти годы, что позволяет сэкономить средства на техническое обслуживание и закупку новых компонентов. Какое отношение это имеет к драйверам? Исторически драйверы всегда рассматривались, как слабое звено в светодиодной системе. Это объясняется тем, что драйверы содержат электролитические конденсаторы, которые со временем могут высохнуть. Однако, для производителя драйверов существует много способов сделать так, чтобы электролитические конденсаторы работали по крайней мере столько же, сколько и сами светодиоды. Например, в компании Lightech используются электролитические конденсаторы самого высокого качества, и, кроме того, драйверы светодиодов проектируются таким образом, чтобы тепло отводилось от конденсатора и, таким образом, увеличить их срок службы. Лабораторные испытания показали, что многие драйверы этой компании рассчитаны на срок службы более 10 лет в режиме постоянного включения, что подтверждается работой драйверов этой компании в течение уже семи лет без эффекта высыхания электролитических конденсаторов. Точный расчет срока службы электролитических конденсаторов дает возможность производителю предоставлять 5-летнюю гарантию на драйвер, что подтверждает его высокую надежность.

ЭРГОНОМИКА Другой областью, в которой светодиодные системы обещают высокий уровень качества, это их характеристики, удобство и комфорт, что, как известно, является составными частями эргономики. Яркость свечения светодиодов можно регулировать (уменьшать); при этом они потребляют пропорционально меньшую мощность и срок их службы увеличивается. Это свойство отличает светодиоды от других технологий, в частности, от люминесцентного освещения, яркость которого обычно нельзя регулировать. Кроме того, светодиоды можно включать и выключать бесконечное число раз без каких-либо последствий. Светодиоды могут иметь почти любую цветовую температуру, и их с успехом можно использовать в приложениях со смешением цветов. Однако и в данном случае громадные потенциальные возможности светодиодов могут быть в полной мере реализованы с помощью драйвера, наилучшим образом подходящего для данной задачи. Необходимо спроектировать драйвер таким образом, чтобы были полностью использованы преимущества светодиодов. Главным из них является возможность регулировки яркости свечения светодиодов, которая раньше была эксклюзивной, а теперь становится стандартной функцией для светодиодных систем. Давайте более подробно обсудим этот вопрос.

РЕГУЛИРОВКА ЯРКОСТИ СВЕТОДИОДОВ Каким образом драйвер реализует возможность регулировки яркости светодиодов? По сути, драйвер принимает сигнал от

силовая электроника для светотехники диммера (устройства регулировки интенсивности свечения) и обеспечивает управление яркостью свечения светодиода. Это кажется достаточно простым, однако необходимо выбрать оптимальный метод регулировки яркости светодиодов, и ни один из этих методов не обеспечивает простое решение. Во-первых, драйвер должен получить сигнал от диммера. Во многих технологиях регулировки яркости, этот сигнал передается с помощью специального кабеля, который соединяет диммер и драйвер. Именно так реализована регулировка яркости с выходным напряжением от 1 до 10 В, например, и как раз для этих задач компания Lightech предлагает драйверы с регулировкой яркости с выходным напряжением от 1 до 10 В. В системе регулировки яркости с триаком сигнал пересылается через питающую сеть. В этом случае провод, который должен соединять диммер с драйвером, отсутствует. Это является громадным преимуществом для рынка модернизированных осветительных систем (в противоположность рынку новых продуктов), так как в этом случае можно использовать существующую инфраструктуру для реализации решения с регулировкой яркости. Другой особенностью драйвера, которая расширяет его возможности, является совместимость драйвера с как можно большим количеством вариантов топологий регулировки яркости. Еще одной опцией высококачественного драйвера, является возможность плавной регулировки яркости, без мерцания. Кроме того, высококачественный драйвер имеет возможность обеспечить регулировку яркости нескольких светильников в таком диапазоне, как если бы они работали от разных драйверов. Следует сказать, что регулировка яркости воспринимается весьма субъективно. Соотношение между реальной регулировкой яркости светодиода (уменьшение светоотдачи) и регулировкой, которая воспринимается человеком (как человеческий глаз/мозг это воспринимает), описывается логарифмическим законом. Поэтому более широкий диапазон регулировки сущетсвенно улучшает световое восприятие пользовате-

ля, а узкий диапазон регулировки лишь слабо влияет на субъективные характеристики восприятия. Например, снижение яркости до 20% от первоначального уровня световой интенсивности воспринимается лишь как снижение яркости до уровня 50%. Компания Lightech обладает патентованными технологиями драйверов с регулировкой яркости, которые позволяют снизить яркость до менее 1%, и продолжает работы по совершенствованию возможностей регулировки яркости свечения светодиодов.

дают заказчиков, что низкий пусковой ток снизил бы эффективность. Не поддавайтесь на удочку этого вздорного утверждения. Конечно, проще и дешевле снизить пусковой ток можно в ущерб эффективности, однако нет необходимости идти таким путем. В тщательно спроектированных драйверах его эффективность не будет уменьшена за счет повышения пускового тока. Компания Lightech обеспечивает эффективность драйвера чуть менее 90% при значениях пускового тока намного меньше 1 А.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ

СЛАБОЕ ЗВЕНО СТАНОВИТСЯ КРЕПЧЕ

Энергоэффективность стала ключевым компонентом при реализации светодиодных систем. Конечно, это обусловлено в большой степени экономикой — энергия дорога и энергосбережение делает светодиодное освещение более ценным и, следовательно, более желательным для внедрения. Производители светодиодов прилагают большие усилия для улучшения эффективности светодиодов — т.е. достижения большей величины лм/Вт — однако, элементом, который позволяет без особого труда увеличить эффективность светодиодной системы освещения является драйвер. В этой связи нужно внимательно относиться к «лирическим отступлениям» производителей драйверов, которые утверждают, что для достижения высокой эффективности их продукта необходимо было пойти на некоторый компромисс в величине диапазона выходных напряжений или диапазона напряжений на входе и т.д. Несомненно, существуют различные компромиссные решения, но хорошие драйверы могут обеспечить высокую эффективность без ущерба для таких критически важных параметров, как выходное или входное напряжение (исключение могут составлять только некоторые факторы, например, применение компонентов хорошего качества, которые стоят недешево). Другим важным параметром, о котором часто говорят, как о компромиссном, при достижении высокой эффективности драйвера, — это пусковой ток. Этот параметр особенно важен для крупных систем, и мы слышим, как производители драйверов убеж-

Надежность светодиодной системы определяется наиболее слабым ее компонентом. Существует общее представление о системах светодиодного освещения, что драйвер является самым слабым звеном. Однако это не является неизбежным. Разработки компании Lightech доказали, что драйверы могут быть более надежными и долговечными, чем светодиоды. Более того, они могут улучшить качество светильника, и даже целой системы, благодаря тому, что становятся достижимы высокие характеристики, в том числе широкий диапазон выходного напряжения, низкий пусковой ток и уровень пульсаций при регулировке яркости, а также высокая энергоэффективность. По мере развития рынка светодиодного освещения все больше потенциальных возможностей для дальнейшего совершенствования параметров системы открывается не в светодиодах, а в драйверах. Увеличение запасов светодиодов на складах готовой продукции и повышательная тенденция цен приводят к постепенному наполнению рынка этими продуктами; драйверы же, тем временем, все больше дифференцируются в зависимости от таких показателей, как надежность, долговечность, дополнительные возможности управления и функциональные характеристики. Конечно, источник света обеспечивает световое излучение, но драйвер постепенно начинает занимать свое «место водителя». Этот процесс будет оказывать все большее влияние на стоимость системы светодиодного освещения,

Современная светотехника, #5 2010

силовая электроника для светотехники так как драйвер находится как раз между подсистемой управления и источником света. Драйверы, по существу, являются ключевыми посредниками между ожиданиями потребителя и восприятием им световых показателей системы. Драйверы подключают канал поступления информации человеку к системе с помощью возможности испытывать удовольствие от пользования этой системой. Драйверы подключают входные цепи с цепями управления — ключами, диммерами, датчиками и даже электрической сетью — и согласуют функционирование светодиодов с ожиданиями потребителя. Для потребителя драйвер — это невидимый

инструмент, который выполняет функции системы, ожидаемые пользователем. Драйверы светодиодов становятся все более надежными и безотказными, так что сейчас они не только не являются самым слабым «звеном цепи», но и обеспечивают высокое качество всей экосистеме светодиодного освещения. В перспективе, оптимизированные решения на базе драйверов светодиодов, которые полностью совместимы со светодиодными модулями, с одной стороны, и системы управления светом, с другой стороны, будут занимать место важнейших продуктов, поставляемых производителям осветительных приборов.

В единой технологической цепочке, в которой компоненты взаимно дополняют друг друга, драйверы светодиодов, модули и системы управления смогут обеспечить оптимальные решения и наивысшее качество конечного продукта, позволяющие OEMпроизводителям сосредоточить свое внимание на конструкции системы в целом, обеспечивая наилучшее восприятие характеристик системы конечным потребителем.

ЛИТЕРАТУРА 1. Arye Schreiber, John Daly. Well-designed LED drivers are no longer the weakest link in the chain // LEDs Magazine, July/August 2010.

В апреле электроника встретиться с транспортом! В 2011 году, с 6 по 8 апреля, в Москве пройдет 5-я российская специализированная выставка информационных технологий и электроники для транспорта и транспортных коммуникаций «Электроника-Транспорт 2011». Мероприятие организуется для руководителей и специалистов предприятий автомобильного, городского, железнодорожного транспорта и метро. Основными темами экспозиции и деловой программы в 2011 году станут: «Навигация, управление транспортным парком» (Современные навигационные системы для транспорта, средства связи, системы управления транспортным парком, контроль грузо- и пассажиропотока).

«Оплата проезда: от кондуктора к единой транспортной карте» (Современные технологии оплаты проезда и учета финансовых потоков.) «Транспортное приборостроение: комплектующие, технологии, решения» (электронные и электротехнические компоненты для жестких условий эксплуатации, модули электронной аппаратуры, производство транспортной электроники). По каждой теме состоится отдельная конференция. Выставка пройдет при поддержке Фонда развития социальных программ – общественной транспортной премии «Золотая Колесница». В подготовке мероприятий примут участие специалисты Международной ассоциации

«Метро», Общероссийского общественного объединения работодателей «Городской электротранспорт», Министерства промышленности и торговли РФ, ряда отраслевых ассоциаций. К участию приглашаются отечественные и зарубежные поставщики электронных модулей, приборов и системных решений для транспортной инфраструктуры. Одновременно с выставкой «ЭлектроникаТранспорт» пройдет техническая конференция ОООР «ГЭТ» и первая специализированная выставка продукции и услуг для городского электротранспорта и «ЭлектроТранс 2011». Веб-сайт мероприятия: www.e-transport.ru

Cree сообщила о рекордной выручке и чистом доходе за I кв. 2011 ф.г. Компания Cree, лидер рынка в области светодиодного освещения, сообщила о рекордной выручке в 268,4 млн долл. за I кв. 2011 ф.г., который завершился 26-го сентября 2010 г. Этот показатель на 59% выше по сравнению со 169,1 млн долл., полученными в I кв. прошлого года, и на 1,5% больше относительно IV кв. 2010 ф.г. Чистый доход GAAP в I кв. увели-

www.svetotechnika.ru

чился на 176% по сравнению с прошлогодним показателем и составил 58 млн долл. «I кв. 2011 ф.г. стал еще одним рекордным показателем для Cree, свидетельствующим о росте спроса на системы освещения, светодиодные компоненты и устройства управления мощностью, — отметил Чак Свобода, председатель Совета директоров и президент компании. — Несмотря на то,

что суммарный доход от продаж оказался ниже ожидаемого диапазона в 270–280 млн долл. из-за ослабления спроса на светодиодные кристаллы, внедрение систем светодиодного освещения набирает силу, и драйверы роста компании по-прежнему остаются теми же». www.ledinside.com

силовая электроника для светотехники

Драйвер с активной коррекцией коэффициента мощности обеспечивает регулировку яркости светодиодных ламп Пьеро Бьянко (Piero Bianco), Maxim Integrated Products В статье обсуждаются проблемы построения драйверов светодиодных ламп, предназначенных для замены традиционных ламп накаливания и галогенных ламп. Рассматривается схема драйвера с активной коррекцией коэффициента мощности, которая позволяет реализовать регулировку яркости свечения светодиодных ламп, используя существующую осветительную инфраструктуру. Статья представляет собой перевод [1].

Галогенные лампы и лампы накаливания, хоть и популярные в настоящее время, представляют собой одну из главных экологических проблем и, кроме того, являются существенным резервом энергосбережения на планете. Эти лампы потребляют большое количество энергии и обычно выходят из строя после всего нескольких сотен часов эксплуатации. Последние поколения светодиодов высокой яркости обеспечивают серьезную альтернативу таким лампам — они потребляют намного меньше энергии и могут работать примерно в десять раз дольше. Однако, проектирование твердотельных ламп на базе светодиодов для замены популярных галогенных ламп и ламп накаливания, таких как MR16, PAR20, A19 и др., связано с рядом проблем. Светодиодные лампы замены (retrofit lamps) должны работать вместе с существующими диммерами (устройствами регулировки яркости) на базе триака, а драйвер светодиодов должен иметь достаточно компактные размеры, чтобы была возможность использовать его в весьма ограниченном пространстве. Новые драйверы с активной коррекцией коэффициента мощности позволяют

реализовывать проекты на базе надежных твердотельные лампы замены с регулировкой яркости свечения. Основными требованиями при проектировании светодиодных ламп замены являются следующие. – Лампы замены должны подходить к тому же гнезду, что и лампа накаливания; это означает, что они должны иметь такой же форм-фактор. – Они должны обеспечивать рассеивание большого количества мощности, генерируемой светодиодами, с помощью теплоотвода и работать при высоких температурах, сохраняя при этом высокую надежность и долговечность. – Они должны быть электрически совместимы с существующей осветительной инфраструктурой (электропроводкой, диммерами и т.д.). Драйверы светодиодов предыдущего поколения могли обеспечить реализацию светодиодных ламп замены, отвечающих первому требованию, однако большинство драйверов не имеют цепей, на базе которых можно было бы выполнить третье условие при использовании диммера на базе триака. Кроме того, драйверы могут испытывать проблемы при длительной работе при высокой температуре из-за ограничений по сроку службы электролитических конденсаторов. Тем не менее, драйверы последнего поколения, например, такие которые предлагаются компанией Maxim, включают в себя дополнительные цепи для регулировки яркости свечения светодиодов и обеспечивают функциональные возможности, аналогичные галогенным лампам и лампам накаливания. В то же время, эти драй-

веры позволяют использовать, по-видимому, основное преимущество современной светодиодной технологии — длительный срок службы светодиодных ламп, и, как следствие, малые затраты на их замену.

КАК ОБЕСПЕЧИТЬ СООТВЕТСТВИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕМУ ФОРМ ФАКТОРУ Существующий форм-фактор имеет ограничения как по физическим размерам (т.е. плата драйвера должна быть достаточно компактна), так и тепловые ограничения для светодиодных ламп замены. Оба этих ограничения особенно трудно преодолеть для форм-факторов MR16 и GU10, но они также представляют проблему и для других ламп замены, в том числе PAR, R и A19. Несмотря на то, что размеры весьма важны для ламп замены, тепловые ограничения часто являются более критичным фактором. Светодиоды испускают только видимый свет; они не излучают энергию в инфракрасном диапазоне длин волн, как устройства на базе других технологий. Поэтому, несмотря на то, что светодиоды более энергоэффективны, чем лампы накаливания и галогенные лампы, они рассеивают намного больше тепла в лампе. Рассеиваемое тепло представляет собой также основной фактор, ограничивающий величину света, которую может произвести лампа. Современная светодиодная технология для ламп замены обеспечивает уровень яркости, приемлемый только для массового рынка. Преодоление ограничений по яркости и возможности отведения тепла является существенно важным условием при проектировании коммерчески успешных продуктов.

Современная светотехника, #5 2010

силовая электроника для светотехники Следствием рассеиваемого тепла является ограничение срока службы печатной платы драйвера. Для того, чтобы излучать больше света, лампа должна работать при довольно высокой температуре — часто от 80 до 100°C. При такой температуре срок службы платы драйвера может влиять на долговечность лампы в целом. Кроме того, особую проблему представляют собой электролитические конденсаторы, которые используются в драйвере. Так как при таких температурах они довольно быстро высыхают, то их срок службы ограничен немногим более 10000 часами, и это становится лимитирующим фактором для длительности работы всей лампы.

на светодиодные лампы. По этой причине, производителям ламп необходимо обеспечить их срок службы более 10000 часов, если они намерены создать коммерчески успешный продукт.

СОВМЕСТИМОСТЬ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРОЙ Светодиодные лампы для замены традиционных ламп должны надежно работать в инфраструктуре, которая может включать диммеры на базе триака и электронные трансформаторы. Диммеры на базе триака снижают интенсивность света, генерируемого лампой, присоединенной к ним в качестве нагрузки, так как в начале каждого периода пе-

Рис. 1. При увеличении внутренней температуры лампы ее срок службы уменьшается. Лампы, использующие электролитические конденсаторы на платах драйверов (красная линия) имеют меньший срок службы, чем лампы без электролитических конденсаторов (синяя линия)

График на рисунке 1 показывает пример деградации ресурса светодиодной лампы (для срока службы B50/L70, т.е когда 50% светодиодов теряют по меньшей мере 30% своей яркости) в зависимости от внутренней рабочей температуры лампы. Как можно видеть, при температуре около 80°C срок службы уменьшается для ламп, использующих электролитические конденсаторы по сравнению с лампами, которые их не используют. При температуре 100°C срок службы ламп с электролитическими конденсаторами существенно уменьшается. Долговечность — это основной коммерческий аргумент для светодиодных ламп и, возможно, основная причина интереса бизнеса к светодиодному освещению, ведь длительный срок службы означает намного меньшие затраты на замену ламп, что может являться существенной компенсацией за более высокие цены

www.lightingmedia.ru

ременного напряжения питания лампа выключается. Диммер отключается на интервал времени, который может быть отрегулирован, а затем включается вновь и находится в этом состоянии в течение оставшегося времени полуцикла. В результате форма напряжения, подаваемого на лампу, приобретает вид, показанный на рисунке 2.

Рис. 2. Типичный вид выходного напряжения (вертикальная ось) в зависимости от времени (горизонтальная ось) для диммера на базе триака

Диммеры на базе триака спроектированы для работы с лампами накаливания и галогенными лампами, которые представляют собой чисто резистивную нагрузку. По сути, они имеют те же требования по нагрузочному току, что и обычная резистивная нагрузка. Во время интервала отключения диммер не может иметь в качестве своей нагрузки открытую цепь. Диммеры обычно имеют RCцепь, которая определяет время отключения, и нагрузка (лампа) лишь обеспечивает путь для протекания тока через эту RC-цепь. После окончания времени отключения диммеры защелкиваются. Для того, чтобы оставаться в этом режиме оставшееся время полуцикла входного напряжения нужно обеспечить некоторую величину тока нагрузки для диммеров. Если ток падает ниже этой величины, диммеры выключаются, в результате чего наблюдается мерцание лампы. Кроме того, проблему могут вызывать большие выбросы тока нагрузки, так как они могут вызывать падение тока в нагрузке ниже минимально допустимого уровня. Светодиодные лампы, не рассчитанные на регулировку яркости, не способны работать корректно с диммерами на базе триака. Внутренняя схема драйвера обычно включает выпрямитель, который преобразует входное переменное напряжение в постоянное, и понижающий или обратноходовой преобразователь. Входной ток такого драйвера содержит короткие и высокие выбросы, повторяющиеся на каждом полуцикле входного напряжения. Такая форма входного тока не совместима с диммером на базе триака. Фактически, лампы вообще не включаются, если их использовать с диммерами на базе триака. Для ламп с входным напряжением 12 ВAC электрическая инфраструктура еще более сложна, так как электронный трансформатор и диммер могут быть вместе подсоединены ко входу лампы. Электронные трансформаторы обычно содержат генераторную схему, которая модулирует входное 50/60-Гц напряжение частотой около 40 кГц. Полученная высокая частота проходит через трансформатор, который обеспечивает изоляцию и преобразует

силовая электроника для светотехники входное напряжение 120/230 ВAC в выходное напряжение 12 ВAC. Модулируя входное напряжение высокой частотой, можно сделать намного более компактный трансформатор, тем самым снижая размеры, вес и стоимость продукта. Подобно диммерам на базе триака, электронным трансформаторам нужно обеспечить определенный ток нагрузки для того, чтобы он был включен во время полного цикла изменения входного напряжения. Если величина нагрузочного тока недостаточна или он имеет значительные выбросы, трансформатор может выключиться, что вызывает мерцание света. По той же причине обычный драйвер на базе AC/DCпреобразователя может быть несовместим с трансформатором и диммером и вызывать мерцание лампы.

АКТИВНАЯ КОРРЕКЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ДЛЯ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП С РЕГУЛИРОВКОЙ ЯРКОСТИ Теперь рассмотрим схему драйвера с регулировкой яркости для автономных 120-ВAC ламп, хотя многие из обсуждаемых положений применимы к лампам, рассчитанным на 240-ВAC вход. Как было описано выше, для регулирования яркости светодиодных ламп и совместимости с электронными трансформаторами большое значение имеет форма сигнала входного тока лампы. Другим типичным требованием для светодиодных ламп является необходимость контроля формы сигнала входного тока и коррекция коэффициента мощности. Для светодиодных ламп необходимо обеспечить коэффициент мощности не менее 0,7 для большинства систем освещения в жилых помещениях и не менее 0,9 — для промышленных зданий. Так как проблемы регулировки яркости и коррекции коэффициента мощности похожи, то, видимо, имеется решение, которое может решить сразу обе. В данной статье в качестве наилучшего решения предлагается активная коррекция коэффициента мощности. Есть несколько причин, почему в данном случае активная коррекция коэффициента мощности более предпочтительна, чем пассивная.

– С помощью активной коррекции коэффициента мощности легко достичь коэффициента мощности 0,9. С помощью пассивной коррекции коэффициента мощности довольно просто получить 0,7, но достижение коэффициента мощности 0,9 представляет собой намного более сложную задачу. – Активная коррекция коэффициента мощности обеспечивает весьма точное регулирование входного тока, и, следовательно, позволяет поддерживать величину входного тока выше уровня, требуемого для корректной работы диммера во время всего цикла входного переменного напряжения. При пассивной коррекции коэффициента мощности входной ток остается нулевым или близким к нулевому в течение определенного интервала времени и/или иметь фазу, сдвинутую относительно входного напряжения. – Пассивная коррекция коэффициента мощности, в особенности если она реализована по схеме valley fill, вызывает всплески во входном токе, что может вызывать

дуктора (discontinuous mode или transition mode). Фиксированная частота обеспечивает преимущество в возможности контроля электромагнитных помех. При такой топологии разработчик должен обеспечить фильтрацию электромагнитных помех только на одной частоте, в то время как в схеме с переменной рабочей частотой (например, в схеме, работающей в режиме transition mode) генерирование помех происходит в широком диапазоне частот, что затрудняет их фильтрацию. Режим непрерывной проводимости имеет преимущество в том, что обеспечивается низкий уровень пикового тока и снижаются потери на проводимость, которые увеличиваются пропорционально квадрату величины тока. В режиме прерывистого тока потери на переключение меньше, так как MOSFET включается при нулевом токе в катушке/трансформаторе. Но увеличение потерь проводимости в режиме непрерывной проводимости часто имеет большую величину, чем разница в потерях на переключение.

Рис. 3. Блок-схема драйвера светодиода без электролитических конденсаторов

мерцание ламп, как было сказано выше. При активной коррекции коэффициента мощности можно снизить амплитуду выбросов входного тока.

ВЫБОР ТОПОЛОГИИ С ФИКСИРОВАННОЙ ИЛИ ПЕРЕМЕННОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ Разработчик также сталкивается с необходимостью выбора топологии импульсного стабилизатора с фиксированной рабочей частотой и с переменной частотой, например, работающей в режиме transition mode, а также выбора между режимом непрерывной проводимости (continuous conduction mode) и режимом прерывистого тока ин-

Решение, блок-схема которого показана на рисунке 3, использует однокаскадное преобразование для того, чтобы минимизировать размеры и стоимость драйвера светодиодной лампы. В схеме используется активная коррекция коэффициента мощности и фиксированная рабочая частота в режиме непрерывной проводимости. В данном решении входной ток имеет форму прямоугольного сигнала с той же частотой, что и входное напряжение. Амплитуда сигнала тока имеет максимальную величину в течение всего периода входного переменного напряжения с тем, чтобы выполнялись требования диммеров

Современная светотехника, #5 2010

силовая электроника для светотехники на базе триака. Прямоугольная форма сигнала тока получается благодаря управлению его средним значением и сохранению его величины постоянной во всем периоде выпрямления входного напряжения. Резистор R1 контролирует ток через MOSFET, который по существу равен входному току, а с помощью резистора R2 и конденсатора C2 фиксируется среднее значение тока и передается на микросхему MAX16834, которая поддерживает эту величину постоянной благодаря цепи обратной связи контура управления. Как было сказано выше, для драйвера светодиода, совместимого с диммером на базе триака, необходимо, чтобы он представлял собой резистивную нагрузку во время отключения диммера. В данной схеме резистор R3, транзистор Q1 и блок управления пусковым током обеспечивают это требование, регулируя входное сопротивление всякий раз, когда входной ток драйвера падает ниже определенного уровня. Цепь смещения обеспечивает напряжение питания 15 В для микросхемы MAX16834. При запуске схема линейного стабилизатора формирует это напряжение из источника питания переменного тока. Как только микросхема начинает переключаться, вторичная схема питания начинает генерировать это напряжение с помощью преобразователя уровня, который питается от переключающего узла и блокирует линейный стабилизатор. Такая схема вторичного питания позволяет увеличить эффективность данно-

го решения, так как она предотвращает чрезмерное рассеивание мощности линейным стабилизатором. Данная схема использует неизолированную понижающую топологию, включающую катушку L2, диод D1 и транзистор Q2. Можно создать похожую схему, в которой используется обратноходовая изолированная топология. Поэтому данное решение работает независимо от того, реализована ли изоляция светодиодной лампы от входного напряжения в драйвере или в корпусе лампы.

ВОЗМОЖНОСТЬ ОТКАЗА ОТ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТОРА Электролитический выходной конденсатор C3 является опциональным для этой схемы. Если он используется, тогда ток светодиод имеет низкий уровень пульсаций с частотой, удвоенной по сравнению с частотой входного напряжения. Если использовать керамический конденсатор меньшей емкости, то ток светодиода имеет форму выпрямленной синусоиды с частотой, удвоенной по сравнению с частотой входного напряжения, но в этом случае срок службы лампы может быть увеличен до 50000 часов и более, так как в схеме отсутствуют электролитические конденсаторы. Схема, описанная выше, была протестирована на демонстрационной плате с входным питанием 120 ВAC/60 Гц и девятью светодиодами на выходе общей мощностью 12 Вт. Схема была испытана с разнообразными диммерами от

ведущих производителей, в том числе Lutron, Panasonic, Leviton, Cooper и GE. При использовании выходных электролитических конденсаторов такой драйвер обеспечивает уменьшение яркости светодиодов до нулевой интенсивности без мерцания. Без электролитических конденсаторов данная схема позволяет снизитьт яркость до уровня 5% от максимальной интенсивности свечения без мерцания. Эффективность схемы составила 83%, а коэффициент входной мощности — 0,93. Проектирование светодиодных ламп замены представляет собой сложную задачу. Они должны соответствовать физическим размерам и существующей электрической инфраструктуре, созданной для ламп накаливания и галогенных ламп, которые имеют весьма разные требования и ограничения. Производители ламп могут решить эту проблему с помощью драйвера на базе каскада с активной коррекцией коэффициента мощности и обеспечить регулировку яркости свечения на базе триака. Производитель светодиодной лампы может сделать выбор характеристик регулировки яркости, подбирая выходной конденсатор, а также оптимизировать схему для работы в течение более длительного срока службы или лучшей регулировки яркости при низкой интенсивности свечения. ЛИТЕРАТУРА 1. Piero Bianco. Active PFC driver design enables dimmable retroﬁt lamps//LEDs Magazine, July/August 2010.

OSRAM представляет Zelion H — светодиодный модуль для разных применений Компания OSRAM представила светодиодный модуль Zelion H для применения в ряде приложений. Это компактный модуль, обеспечивающий белое, красное, синее и зеленое свечение, оснащен двумя рефлекторами (6 и 10°). Устройство обладает большой сила света в осевом направлении, обеспечиваемой четырьмя светодиодами в комбинации с оптимизированной конструкцией рефлек-

www.lightingmedia.ru

тора. Эти модули используются в широком ряду приложений и легко интегрируются в светильники разных типов. Энергоэффективность — отличительная характеристика светодиодных систем Zelion H. Так например, при силе света модуля в 2000 кд/Вт его энергопотребление на 75% меньше, чем у галогенной лампы (500 кд Вт). Кроме того, одну 48-Вт галогенную лампу (24 кКд) можно заменить всего четырьмя

светодиодами суммарной мощностью 19 Вт (38 кКд), что позволяет добиться еще большей экономии потребления. Применяя эти модули, нет необходимости в цветных фильтрах, поскольку светодиоды системы Zelion H испускают свет разного цвета. Срок непрерывной эксплуатации модулей Zelion H достигает трех лет. www.osram.com

силовая электроника для светотехники

Димминг светодиодных светильников с помощью источников питания ГДЕ НУЖЕН ДИММИНГ

Одним из важных и неоспоримых преимуществ светодиодных светильников перед традиционными газоразрядными светильниками является возможность управления световым потоком. Причем управляемость — плавная. В светодиодном светильнике можно легко организовать плавное управление световым потоком (димминг) в автоматическом или ручном режиме в зависимости от каких-либо условий. Такими условиями могут быть, например, внешняя освещенность в зависимости от времени суток или меняющихся погодных условий, присутствие человека в освещаемой зоне, температура наиболее важных и критичных узлов самого светильника и т.п. Плавная регулировка световым потоком позволяет более полно использовать внешнюю освещенность, снизить затраты на потребляемую энергию, повышая тем самым общую энергетическую эффективность применения подобных систем освещения. Системы освещения с возможностью димминга удобно применять для освещения автодорог и тоннелей. Правильно организованное искусственное освещение дорог играет очень важную роль в повышении безопасности дорожного движения. Причем наряду с безопасностью движения требуется соблюдать и требования по энергосбережению при освещении этих объектов. Для обеспечения этих противоречивых требований реализуется автоматическое включение освещения при снижении естественной освещенности до 15…20 лк, отключение — при достижении 10 лк и при этом, в ночное время в определенные часы, когда интенсивность движения ослабевает, предусматри-

вается возможность снижения уровня наружного освещения. Снижение уровня освещения возможно выключением части светильников, но не более половины из них. Если используются мачты с одним светильником на мачте, нарушается равномерность освещения дороги, что может быть неприемлемо. Правильным способом понижения освещенности является уменьшение светового потока каждого светильника до требуемого уровня, при этом выполняются нормы по энергосбережению и качеству освещения дорог. При освещении тоннелей ситуация усложняется тем, что нужно, ко всему прочему, учитывать адаптивные способности человеческого глаза. Снаружи въезд в тоннель выглядит как черная дыра. Положение исправляется интенсивным наружным освещением, которое плавно уменьшается в переходной зоне въезда. В самом тоннеле реализуется равномерная освещенность с определен-

ным уровнем. Перед выездом из тоннеля необходимо наоборот, повышать уровень освещенности для более безопасного для глаза перехода к дневному свету. Видно, что уровень освещенности зоны въезда-выезда тоннеля «привязан» к естественному внешнему освещению, которое меняется в очень широких пределах: день/ ночь. При этих условиях случае очень удобно использовать сигнал с фотодатчика для плавного регулирования освещенности. Применение систем с диммингом выгодно скажется и в сфере жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) при освещении подъездов, лестничных площадок и т.п. Сейчас применяются светильники на люминесцентных лампах и лампах накаливания, которые работают в круглосуточном режиме. Реально же освещение требуется всего в течение нескольких часов в сутки: когда человек находится в освещаемой зоне и при этом внешнего освещения недостаточно для обеспечения

Сергей Миронов, s.mironov@compel.ru Инженер-консультант «Компэл» ОБЮ «Полупроводниковая светотехника». Окончил Рязанский радиотехнический институт по специальности «инженер-радиотехник». Работал инженером-разработчиком ОКБ «Рязанский радиозавод» и ведущим инженером в ООО НПФ «АЛЬФА-ИНТЕК».

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

Современная светотехника, #5 2010

силовая электроника для светотехники директив по электромагнитной совместимости. Третий способ управления яркостью применяется в основном для бытовых нужд ввиду низкой стоимости, большого распространения симисторных регуляторов мощности и удобства интеграции в существующие системы освещения. Рис. 1. Схема светодиодного светильника с функцией управления яркостью (диммингом)

норм по минимальной освещенности. Для реализации адаптивного алгоритма работы светильника необходимо интегрировать в него датчики освещенности, присутствия, цепи управления яркостью, тогда при появлении человека либо плавно, либо мгновенно освещенность будет увеличиваться до требуемого уровня. Конечно, имеются схемотехнические решения, позволяющие регулировать световой поток и люминесцентных ламп, но частое включение-выключение этих ламп приводит к снижению срока службы, увеличению вероятности выхода из строя и требует дополнительных расходов, связанных с их более частой заменой, что экономически невыгодно. В отличие от люминесцентных ламп частое включение-выключение светодиодов не приводит к снижению срока службы и не понижает надежности системы.

ВАРИАНТЫ УПРАВЛЕНИЯ ЯРКОСТЬЮ СВЕЧЕНИЯ Управлять яркостью свечения светодиодного светильника можно несколькими способами: 1. Изменяя количество светодиодов 2. Изменяя значение тока, протекающего через светодиоды 3. С помощью симисторного регулятора мощности (TRIAC диммера). Первый способ управления практически не применяется, поскольку его реализация весьма дорога и низкоэффективна, поскольку некоторое количество светодиодов не будет использоваться в светильнике в течение всего срока его эксплуатации. Второй способ регулировки яркости светильника применяется достаточно широко, потому что является наиболее оптимальным с точки зрения удобства применения и выполнения требований

Таблица 1. Источники питания для светодиодной техники с интерфейсом управления Наименование*

EUC-025SyyyDS ELN-30-xxD EUC-035SyyyDT EUC-040SyyyDS EUC-050SyyyDT ELN-60-xxD EUC-075SyyyDT EUC-100SyyyDT EUC-150SyyyDT EUC-200SyyyDT ELN-30-xxP ELN-60-xxP LPF-40D-xx LPF-60D-xx HLG-100H-xxB HLG-120H-xxB HLG-150H-xxB HLG-185H-xxB HLG-240H-xxB

Производитель Корректор Мощность, Вт (краткое наименование) коэффициента мощности Аналоговый интерфейс Inventronics (INVENT) 25 Есть Mean Well (MW) 30 Нет Inventronics (INVENT) 35 Есть Inventronics (INVENT) 40 Есть Inventronics (INVENT) 50 Есть Mean Well (MW) 60 Нет Inventronics (INVENT) 75 Есть Inventronics (INVENT) 100 Есть Inventronics (INVENT) 150 Есть Inventronics (INVENT) 200 Есть Цифровой интерфейс Mean Well (MW) 30 Нет Mean Well (MW) 60 Нет Аналоговый и цифровой интерфейсы в одном модуле Mean Well (MW) 40 Есть Mean Well (MW) 60 Есть Mean Well (MW) 100 Есть Mean Well (MW) 120 Есть Mean Well (MW) 150 Есть Mean Well (MW) 185 Есть Mean Well (MW) 240 Есть

Диапазон рабочих температур, °C -20…70 -20…60 -35…55 -20…60 -35…55 -20…60 -35…70 -35…65 -35…70 -35…70 -20…60 -20…60 -40…70 -40…70 -40…70 -40…70 -40…70 -40…70 -40…70

* Вместо «yyy» подставляется значение выходного тока в миллиамперах. Вместо «xx» подставляется значение выходного напряжения в вольтах.

www.lightingmedia.ru

Применение источников питания с функцией димминга Ведущие производители источников питания для светотехнических решений в своих разработках применяют два основных интерфейса управления выходным током (димминга): аналоговый и цифровой. Аналоговый интерфейс — это интерфейс управления, который позволяет изменять значение выходного тока при помощи управляющего напряжения. Цифровой интерфейс — это интерфейс управления, который позволяет изменять значение выходного тока при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Обобщенная схема светодиодного светильника с функцией управления представлена на рисунке 1. Эта схема состоит из четырех основных блоков: источника питания со стабилизированным выходным током и встроенным интерфейсом управления, устройства управления, светодиодного модуля датчика Д. Для построения автономного светодиодного светильника необходим датчик на основе показаний которого светильник будет включаться/выключаться (датчик движения) или изменять яркость (датчик уровня освещенности). В качестве устройства управления можно применить готовые контроллеры от производителей Philips и Osram или разработать собственное устройство. В таблице 1 приведены параметры источников питания с встроенными интерфейсами для управления выходным током (с диммингом). Аналоговый интерфейс управления позволяет регулировать выходной ток (границу ограничения выходного тока)при помощи внешнего управляющего напряжения, которое подается на управляющие выводы источника питания. Управляющее напряжение изменяется в диапазоне от 1

силовая электроника для светотехники до 10 В, что приводит к изменению выходного тока источника питания. Пример регулировочной характеристики приведен на рисунке 2. На графике по оси ординат отложены значения выходного тока в процентах от номинального значения, а по оси абсцисс — значения управляющего напряжения. Этот график не является общим для всех источников питания с аналоговым интерфейсом управления. Для каждого модуля питания регулировочная характеристика приведена в фирменном описании. В рассматриваемом примере подача максимального управляющего напряжения 10 В обеспечивает 95% значение выходного тока, 5 В на управляющем входе дают нам 45% выходного тока. Полностью выключить светодиодный светильник, питаемый этим источником, не получится: даже при минимальном управляющем напряжении 1 В выходной ток составит не менее 5% от номинала. В некоторых случаях аналоговый интерфейс позволяет подключать внешний потенциометр. У разных производителей источников питания варианты подключения потенциометра различаются. Так, например, для моделей HLG-100H, HLG-120H, HLG-150H, HLG-185H, HLG-240H компании Mean Well внешний потенциометр подключается к выводам управления ADJ1(синий провод) и ADJ2 (белый провод), см. рис.3а. К источникам питания EUC-025SxxxDS, EUC-035SxxxDT, EUC-040SxxxDS, EUC-050SxxxDT, EUC-075SxxxDT, EUC-100SxxxDT, EUC-150SxxxDT, EUC-200SxxxDT компании Inventronics необходимо подключить резистивный делитель к выводам OUTPUT 10V (желтый провод), INPUT 1-10V (фиолетовый провод) и GND (зеленый провод), см. рис. 3б.

Рис. 2. Управляющая характеристика источника питания с диммигом (на примере ELN-30-xxD)

а)

Рис. 3. Схемы подключения внешнего потенциометра к аналоговому интерфейсу: а) источников питания Mean Well, б) источников питания Inventronics

Модули питания с аналоговым интерфейсом широко применяются в системах освещения с автономным управлением: в системах уличного освещения, подъездного освещения, при освещении парковок и т.д. Встроенный цифровой интерфейс позволяет управлять значением выходного тока источника питания при помощи широтноимпульсной модуляции (рис. 4). На сигнал управления накладывается следующие ограничения: – амплитуда сигнала управления должна быть не более 10 В, – частота управляющего сигнала выбирается из диапазона 100 Гц…3 кГц, – длительность импульса управления должна быть не меньше

Рис. 5. Регулировочная характеристика источника питания с ШИМ-управлением (на примере ELN-30-xxP)

www.lightingmedia.ru

б)

10% от периода следования импульсов. Соответствие между значением длительности и выходным током можно найти по регулировочной характеристике. Частный случай регулировочной характеристики приведен на рисунке 5. По оси ординат отложены значения выходного тока в процентах от номинального значения, а по оси абсцисс — значения скважности импульсов. Источники питания с цифровым интерфейсом применяются обычно в светильниках с централизованным управлением: в системах архитектурной подсветки зданий или внутренней подсветки помещений.

Рис. 4. ШИМ-сигнал управления яркостью свечения светодиодов

силовая электроника для светотехники

а)

б)

Рис. 6. Источник питания и симисторный регулятор: а) внешний вид источника питания АсTEC, б) схема подключения

Применение традиционного симисторного диммера Ручное управление током светодиодов, и, соответственно, яркостью светодиодного светильника можно осуществить с помощью симисторного регулятора (TRIAC диммера). Они широко применяются в быту для регулирования яркости ламп накаливания. Удобно интегрировать светодиодные светильники общего освещения или интерьерной подсветки в существующие системы освещения с уже установленными диммерами. Однако надо иметь в виду, что не все импульсные источники питания светодиодных светильников, и, соответственно, не все светодиодные светильники (светодиодные лампы) могут работать с симисторным регулятором. Возможность такой совместной работы должна быть заявлена производителем источника питания или производителем светодиодного светильника и на это необходимо обращать особое внимание. Источники питания для светодиодов с возможностью работы от симисторного регулятора имеются в линейке продукции компании AcTEC (рис. 6, табл. 2). Регулируемый источник питания светодиодов включается в сеть через диммер (рис. 6б). Регулировка тока светодиодов происходит за счет подключе-

ния источника питания к сети на определенный промежуток времени в течение каждого полупериода сетевого напряжения (рис. 7). В момент подключения источника к сети во входной цепи образуется короткий импульс тока повышенной амплитуды, значение которого снижается до момента, когда полуволна сетевого напряжения уменьшается до минимальной величины и источник отключается. Возникновение импульса тока сопровождается переходным процессом. Среднее значение тока в цепи светодиодов за период будет меньше номинального значения тока источника питания. Оно определяется временем подключения источника к сети. Такой режим работы приводит к тому, что выходной ток светодиодов имеет пульсации с удвоенной частотой сети 100 Гц и соответственно, световой поток также может иметь пульсации с этой частотой, хотя человеческий глаз может их не замечать. Каскад коррекции коэффициента мощности (ККМ), задача которого заключается в поддержании формы тока в первичной цепи источника питания в соответствии с формой напряжения, не выполняет свою задачу в источнике питания в полной мере. Форма напряжения, поступающего на вход источника, зависит от угла открытия симисторного

Таблица 2. Источники питния AcTEC, применяемые совместно с симисторными регуляторами Наименование DIM350mA/8W DIM350mA/12W DIM500mA/8W DIM500mA/16W DIM700mA/8W DIM700mA/16W

Выходная Выходной Выходное Коэффициент Температурный мощность, Вт ток, мА напряжение, В мощности диапазон,°С 8 350 12…24 0,8 -20…50 12 350 15…32 0,8 -20…50 8 500 9…16 0,8 -20…50 16 500 15…32 0,8 -20…40 8 700 9…12 0,8 -20…50 16 700 9…24 0,8 -20…40

Габаритные размеры, мм 113×44×28 113×44×28 113×44×28 113×44×28 113×44×28 113×44×28

Рис. 7. Формы напряжения и тока на входе источника питания после симисторного регулятора

регулятора и отличается от синусоиды в первичной сети. При выборе диммера для подобных источников питания необходимо обращать внимание на минимальное и максимальное значение регулируемой мощности, чтобы мощность нагрузки попадала в этот диапазон. Наличие импульсов тока повышенной амплитуды и переходных процессов в момент подключения источника к сети в каждый полупериод ведут к снижению общего КПД системы и ухудшению электромагнитной совместимости, что иногда требует применения входного фильтра и подхода к выбору его параметров. Основным преимуществом метода ручной регулировки яркости с помощью TRIAC диммера является его простота и невысокая стоимость реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В светодиодных светильниках сравнительно просто реализовать димминг, т.е. управления яркостью свечения. Это позволяет более экономно расходовать энергоэнергию; создавать необходимые сценарии освещенности в помещении или вне его в зависимости от условий и требований конкретного приложения. Это освещение автодорог, тоннелей, автостоянок, архитектурная, интерьерная подсветка, освещение лестниц и подъездов домов. Выбрать соответствующий задаче источник питания для светодиодного светильника можно на сайте www.catalog.compel.ru в разделе «ИП для LED», где приведены технические параметры, реализован параметрический поиск, показаны цены и наличие на складе в Москве.

Современная светотехника, #5 2010

готовые решения

Освещение торговых площадей. Магазин одежды С этого материала мы начинаем серию публикаций по освещению торговых площадей. Будут опубликованы статьи по следующим темам: «Освещение магазина обуви», «Освещение магазина белья», «Освещение магазина мехов», «Освещение магазина аксессуаров», «Освещение магазина продуктов малого формата», «Освещение витрины». Первую, «Освещение магазина одежды», из этой серии предлагаем Вашему

а)

вниманию.

Каждый, кто задумывался над открытием магазина, вне зависимости от его формата, приходил к мысли: «как все это осветить?» Кто-то отдает всю работу специалистам, кто-то планирует сам, кто-то пытается скопировать световую схему у конкурента. Планирование освещения магазина необходимо начинать с расстановки торгового оборудования и деления площадей. Необходимо определить, где будет кассовое место, примерочные, напольные и настенные вешала, стеллажи с продукцией, складские помещения, и уже, исходя из этого, заниматься планированием освещения. Для начала нужно определиться с концепцией освещения, что именно вы хотите видеть? Это будет яркий светлый магазин с высокой интенсивностью освещения или достаточно средних значений? А может, интереснее будет видеть темный магазин, но с яркими световыми акцентами в определенных точках или лучше сделать мягкий свет на всей площади? Тут решать только вам. Но давайте рассмотрим каждый вариант в отдельности.

ВЫСОКАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ ОСВЕЩЕНИЯ ПО ВСЕЙ ПЛОЩАДИ При подобном дизайне предполагается, что степень освещенности на рабочих поверхностях будет находиться в пределах 800—1200 лк по всей торговой площади, вне зависимости от назначения (за исключением склада). Чтобы добиться такого

www.lightingmedia.ru

б) Рис. 1. Засветка площади (а) и степень освещенности (б) при использовании светильника с углом рассеивания 24°

освещения, необходимо использовать большое количество довольно мощных светильников, с высокой частотой установки, лучи которых будут пересекаться примерно на 15—20% от светового пучка. Мощность светильника будет зависеть от высоты монтажа оборудования, угла рассеивания и типа источника света.

Пример: Использован светильник с основным углом рассеивания 24°. Засветка площади показана на рисунках 1а и 2а. Степень освещенности показана на рисунках 1б и 2б. Обратите внимание на рассеивание света (см. рис. 3а, б) — есть основной луч и очень большой ореол засвечивания с низким показа-

Вадим Полетаев, va-design@list.ru Владелец компании VA Design. В настоящее время занимается продажами и проектированием. Компанией под его руководством реализованы проекты освещения ряда магазинов (одежда, меха, продовольственные товары). Занимается проектированием освещения офисных пространств различного уровня, начиная от простейших, заканчивая офисами класса А+. Среди законченных проектов — фасадное освещение торговых центров во многих регионах России (Челябинск, Ростов, Новосибирск), а также проекты по освещению частных загородных объектов и квартир в Москве.

готовые решения телем освещенности. Этот вид светильников может быть использован только для световых композиций, где нет необходимости в четко очерченном акценте. Теперь обратимся к цифрам. Исходя из расчетных данных на стену длинной 5 м, при монтажной высоте 4 м, необходимо как минимум 4 светильника с МГЛ лампой мощностью 75 Вт. При таком монтаже даже на боковых стенах уровень освещенности достигает значения 60 лк. На фронтальной стене 600—800 Lx. Основной свет падает на высоту 2 м, что позволяет эффективно осветить и пристенные вешала, и полки над стеллажами. За счет перекрытия лучей от светильников гарантируется отсутствие существенного затемнения на объектах, даже когда покупатель стоит непосредственно напротив падающего луча. На рисунке 4а изображен пример размещения светильника с МГЛ лампой мощностью 75 Вт на 10-м стене, а на рисунке 4б показана достигаемая при этом степень освещенности. Для освещения центральных площадей, столов и горок желательно использовать светильники с большим углом рассеивания для засвечивания как самих объектов так и прилегающих площадей. Расположение светильника непосредственно над «горкой» позволяет осветить её полностью и частично прилегающую площадь. Можно использовать подобные светильники и в паре с разных сторон. В итоге мы получаем интенсивно освещенную площадь, как на торговом оборудовании, так и на полу. На площади в 25 м2 требуется как минимум 5 светильников с различными углами наклона к освещаемой поверхности. Освещение от одного светильника под разными углами зрения на различных объектах показаны на рисунках 5а, 5б, 5в, 5г. На рисунке 6 показана степень освещенности при использовании сразу трех светильников на различных плоскостях. Теперь рассмотрим результаты расчетов. За счет пересечения лучей от двух светильников напольные вешала получают запланированную степень освещенности. Два светильника в

а)

б) Рис. 2. Засветка площади (а) и степень освещенности (б) (другой вариант)

а)

б) Рис. 3. Луч (а) и рассеивание света (б) при использовании светильника с углом рассеивания 24°

Современная светотехника, #5 2010

готовые решения

а)

б) Рис. 4. Расположение лучей (а) и степень освещенности (б) при использовании светильника с МГЛ лампой 75 Вт

районе стола играют двойную роль. Не прямо направленный луч обеспечивает эффект необходимого освещения на столе и на прилегающей площади. Ограничиваться только акцентно направленными светильниками при такой световой схеме нельзя, необходимо устанавливать дополнительные светильники для освещения остального пространства. Тут тоже есть небольшая хитрость: рекомендуется брать светильники меньшей мощности, с большим углом рассеивания, чтобы оставалось впечатление световых акцентов. Немаловажная деталь — цветовая температура ламп. На всех светильниках она должна быть одинаковой, чтобы не получить эффекта хаотичности освещения.

ТЕМНЫЙ МАГАЗИН С ЯРКИМИ АКЦЕНТАМИ

а)

в)

б)

г)

Рис. 5. Освещение от одного светильника под разными углами зрения на различных объектах

Рис. 6. Степень освещенности при использовании сразу трех светильников на различных плоскостях

www.lightingmedia.ru

Есть такой прием, при котором освещение строится принципиально другим образом. Основная площадь остается затемненная, а световые акценты падают только на торговые стеллажи и вешала. Для воплощения этого решения, для освещения стеллажей и пристенных вешалов, необходимо использовать особые светильники. Как вариант можно применить так называемые кососветы. Светильники этого типа имеют особую конструкцию отражателей и, будучи вмонтированными в потолок, дают косой луч, который падает на стену и не засвечивает прилегающую территорию. Вид косого луча приведен на рисунке 7а, а степень освещенности от него — на рисунке 7б. Для расчета данной диаграммы использованы встраиваемые светильники с галогенной лампой на 100 Вт. Монтажная высота светильников 4 м от пола, длинна стены — 5 м. Как это будет выглядеть в 3D-варианте показано на рисунках 8а, б (с разных точек). Прошу обратить внимание на стену, там видна кривая света. Фактически, это выглядит так — свет падает только на объект освещения, но не попадает на подошедшего покупателя и, соответственно, продукция не затемняется. Покупатель нахо-

готовые решения дится в тени. Понятно, что такие светильники не могут работать в монорежиме, т.к. основное освещение идет на верхнюю часть стеллажей или полок. Необходимо устанавливать дополнительные светильники, которые будут ярче засвечивать нижние вешала. Иногда сразу под полками монтируется линейный направляемый LED-светильник небольшой мощности, который будет играть роль вспомогательного освещения. В одном из магазинов я, например, использовал обычную светодиодную линейку. Для освещения центральных вешалов и подиумов рекомендую использовать светодиодные акцентные прожекторы. LED-прожекторы обладают более концентрированным пучком света и не имеют большого ореола. Этим мы добьемся яркого освещения на объектах без засвечивания прилегающей площади. Возникает резонный вопрос: «а для чего нужны именно такие решения»? Ответ прост: это маркетинговый ход. Покупатель, не может четко и во всех подробностях рассмотреть продукцию на вешалах, но если он хоть немного ею заинтересовался, то возьмет эту вещь в руки. Далее вступает в действие обычный психологический принцип — надо это рассмотреть, а сделать это можно только в примерочной, где отличное яркое освещение. В 80% случаев девушка, взяв вещь с вешалки и подойдя к примерочной — примерит ее на себя.

а)

б) Рис. 7. Вид косого луча (а) и степень освещенности от него (б)

а)

б)

Рис. 8. Освещение от встраиваемых светильников с галогенной лампой на 100 Вт (вид с разных точек – а, б)

СПОКОЙНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ С ЯР КИМИ ПЯТНАМИ Это часто встречающийся способ освещения торговых площадей. Для создания такой световой схемы в качестве основного нужно рассматривать встраиваемый светильник на КЛЛ небольшой мощности, но с большим углом рассеивания. Такие светильники будут давать неяркий мягкий свет на всей площади магазина. Для акцентного высвечивания отдельных элементов нужно использовать светильники с МГЛ или светодиодными источниками высокой интенсивности с небольшим углом рассеивания до 25°. Давайте рассмотрим пример освещения с использованием

Рис. 9. Расчет степени освещенности на рабочей поверхности

Современная светотехника, #5 2010

готовые решения

Рис. 10. Расчет степени освещенности на полу

а)

б)

Рис. 11. Освещение центральных вешалов от одного светильника под разными углами зрения (а, б)

а)

б)

Рис. 12. Освещение боковых и пристенных вешалов от одного светильника под разными углами зрения (а, б)

www.lightingmedia.ru

светильников только с люминесцентными лампами. На рисунках представлены расчеты степени освещенности на рабочей поверхности (см. рис. 9) и на полу (см. рис. 10). При данной компоновке мы получаем задуманную световую композицию. Теперь наступает очередь световых акцентов. Предположим, что акцент необходим на трёх элементах: первых вешалах с правой и левой сторон от входа и части правого пристенного вешала. Первые вешала будут предназначены для демонстрации новинок сезона, а пристенные вешала — для моделей, подлежащих распродаже. Предлагаю использовать встраиваемые поворотные светильники с МГЛ лампой. Для освещения центральных вешалов размещаем светильники непосредственно над ними. В этом случае используем светильники с углом рассеивания 10°. Этим мы добиваемся яркого акцента на объекте и дополнительно ореолом засвечиваем прилегающую площадь. На рисунках 11а, б показано освещение от одного светильника под разными углами зрения на одинаковые объекты. Для освещения боковых пристенных вешалов мы используем такие же светильники, но с большим углом рассеивания. Для следующего примера берем светильник с углом 24°. Располагаем светильник на расстоянии 1 м от стены и наклоняем отражатель под углом 10°. В итоге мы получаем яркое освещение на объекте, плюс, если над вешалами расположены стеллажи, они также получают свою долю освещения. Рисунки 12а, б иллюстрируют этот вариант освещения магазина одним светильником под разными углами зрения. В этой статье мы рассмотрели несколько вариантов освещения магазинов одежды и познакомились с базовыми приемами освещения, которые можно использовать в магазинах различных форматов и назначений. Но всё же, что бы ваши магазины радовали и владельцев, и сотрудников, и покупателей, а не приносили огорчений из-за просчетов в освещении, рекомендую всегда обращаться к специалистам.

стандартизация и метрология

Cоздание метода и средств контроля количества ртути в люминесцентных лампах

В связи с массовой заменой ламп накаливания компактными люминесцентными лампами (КЛЛ) в освещении жилых помещений проблема их экологичности обостряется. С учетом имеющегося в люминесцентных лампах (ЛЛ) процесса снижения количества ртути за счет связывания ее кислородом, выделяющимся при срабатывании оксидного эмиттера на электродах, в КЛЛ следует дозировать существенно меньше ртути (3—5 мг) по сравнению с 15—30 мг, требуемыми для стандартных ЛЛ мощностью 15—80 Вт. Такие небольшие количества ртути в каждой КЛЛ не снижают опасности заражения ею жилого сектора из-за большого количества используемых КЛЛ (до 10 шт. на 50 м2 жилой площади) и отсутствия у потребителей понятия об их потенциальной опасности, необходимости утилизации после выхода из строя и технологии демеркуризации помещений при непреднамеренном разрушении. Несмотря на экологическую опасность ртути в производстве и эксплуатации ЛЛ, в т.ч. КЛЛ, ее количество в лампах не нормируется и не контролируется. В настоящее время из-за отсутствия методики и оборудования для определения количества ртути в ЛЛ большинство производителей этих ламп не может гарантировать потребителю их безопасность. В связи с этим специалистами по сертификации светотехнической продукции осуществляется разработка стандарта ГОСТ Р МЭК 6096-2008 «Лампы со встроенным пускорегулирующим аппаратом для общего освещения. Эксплуатационные требования», в который будут включены требования к фирмампроизводителям светотехнической продукции о наличии в товарно-сопроводительной до-

кументации информации об эксплуатационных характеристиках ламп, в т.ч. о количестве содержащейся в ней ртути. Исходя из этого, с целью минимизации ртути в ЛЛ (особенно в КЛЛ) существует необходимость разработки методики и установки для определения количества ртути в ЛЛ.

На данный момент известны два метода определения количества ртути в лампах [1—3]. Они основаны, главным образом, на испарении всей ртути в лампе (ненасыщенные пары) и изменении электрических характеристик разряда при переходе от насыщенного к ненасыщенному пару.

Алексей Горбунов, alexdsmail@mail.ru ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», преподаватель кафедры светотехники, аспирант кафедры источников света Светотехнического факультета Окончил Мордовский госуниверситет имени Н.П.Огарева в 2007 г. Деятельность: энергоэффективные экологически безопасные люминесцентные источники света. Исполнитель НИОКР «Разработка конструкции и технологии изготовления опытных образцов экологически безопасных амальгамных люминесцентных ламп». Тема прошла конкурсный отбор проектов по программе «У.М.Н.И.К.» в 2007 г.

Анатолий Федоренко, fedorenkoas06@rambler.ru ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», зав. кафедрой источников света Светотехнического факультета, д.т.н., профессор Окончил Мордовский госуниверситет имени Н.П. Огарева в 1962 г., защитил сначала кандидатскую в 1980 г., затем — докторскую диссертации в 1990 г. в МЭИ. Деятельность: энергоэффективные экологически безопасные источники света. Руководитель НИОКР «Разработка конструкции и технологии изготовления опытных образцов экологически безопасных амальгамных люминесцентных ламп».

Альберт Ашрятов, ashryatov@rambler.ru ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», зам. декана по научной работе и информатизации Светотехнического факультета, к.т.н., доцент кафедры источников света Окончил Мордовский госуниверситет имени Н.П.Огарева в 1977 г, защитил кандидатскую диссертацию в 1988 г. в МЭИ. Деятельность: расчет и конструирование высокоэффективных источников оптического излучения и световых приборов. Руководитель НИОКР «Разработка макетного образца гониофотометра для измерения характеристик светоизлучающих диодов» и «Разработка конструкции и изготовление макетного образца светодиодного источника света». Темы также прошли конкурсный отбор проектов по программе «У.М.Н.И.К.» в 2009 г.

Современная светотехника, #5 2010

стандартизация и метрология

Рис. 1. Блок-схема установки измерения переноса ртути в ЛЛ

Рис. 2. Зависимость Uл = φ(τ): 1, 2 – 20 Вт (2, 27 мг, соответственно); 3, 4 – 40 Вт (6, 10 мг, соответственно)

В работе [1] контроль количества ртути предлагается проводить по изменению тока разряда при испарении всей ртути. В работах [2, 3] поставленная задача решается так: контроль массы ртути в работоспособной лампе ведется по соотношению напряжений горения ламп в режиме тлеющего разряда при температурах, которые меньше и превышают температуру полного испарения введенной ртути (20—350°С) и при поддержании постоянным уровня токов разряда. Контроль массы ртути осуществляется по излому кривой температурной зависимости.

www.lightingmedia.ru

Возможен также катафорезный метод (при работе лампы на постоянном токе) [4], суть которого заключается в определении методом катафореза (перенос положительных ионов ртути в область катода) зависимости времени переноса (τпер) ртути от ее массы (mHg) в лампе (τпер=φ(mHg)), которая может быть основой методики и оборудования для определения mHg в ЛЛ, изготовленных в лаборатории или на заводе. Изменяя направление потока атомов ртути в сторону движения ионов ртути, т.е. к катоду (электроду, подключенному к отрицатель-

ному полюсу сети постоянного тока), мы ускоряем процесс переноса. Для синхронного (не противоположного) движения атомов и ионов ртути на конце катодной части лампы (в положительном столбе или в заэлектродной области — у цоколя) искусственно создается холодная зона, а анодная часть лампы (до ее середины) утепляется. Определение времени перехода ртути τпер осуществляется не только по различию яркости свечения в прикатодной и прианодной зонах положительного столба, но и по изменению напряжения и тока на лампе, обусловленных разницей градиента потенциалов в разряде смеси Hg+Ar (прикатодная половина лампы) и разряде в Ar (прианодная половина лампы), а также по характеристикам прианодной части разряда (отсутствие излучения ртутных линий, усиление излучения инертного газа и др.). Целью настоящей исследовательской работы является разработка методики и установки для определения количества ртути в люминесцентных лампах различной мощности, испытание ее в лабораторных и промышленных условиях и у потребителя ламп. В 2007 г. на базе ОАО «ЛисмаВНИИИС им. А.Н. Лодыгина» и на кафедре источников света МГУ им. Н.П. Огарева был произведен комплекс работ по изготовлению контрольных образцов [4] и исследованию светотехнических и электрических характеристик ЛЛ мощностью 20 и 40 Вт методом катафореза. Для эксперимента была собрана следующая установка, показанная на рисунке 1. Результаты экспериментов показали, что особенностью поведения зависимостей Uл = φ(τ) для всех исследованных ламп (12 шт.) и всех токов (Iном; 1,2Iном; 0,8Iном) является спад Uл в течении 20—30 мин и рост Iл в конце процесса переноса ртути (перед стабилизацией Uл), что, вероятнее всего, объясняется более высокой подвижностью электронов в аргоне (эффект Рамзауэра) по сравнению с подвижностью в смеси аргона с парами ртути. На рисунке 2 представлены типичные зависимости Uл = φ(τ) в процессе катафореза (предварительно ртуть собрана в анодной части ЛЛ).

стандартизация и метрология Эксперименты также показали, что «тусклые» ЛЛ (в них Hg поглощена полностью) имеют меньшее (на 10—15%) Uл и больший ток. Сложный характер поведения Uл и Iл в начальный период после зажигания лампы можно объяснить динамикой роста концентрации атомов ртути (давления паров ртути РHg) и зависимостями Uл и Iл в стационарных условиях от температуры холодной зоны (РHg). По результатам исследований Uл = φ(τ) было определено время τпер для ламп с различными значениями mHg, по которым на рисунке 3 построены графики τпер=φ(mHg) для ламп ЛБ20 и ЛБ40. Полученные зависимости (после дополнительных измерений для других типов ламп) могут быть положены в основу разработки методики и установки для определения mHg в ЛЛ различной номенклатуры. В дальнейших работах предполагается провести анализ применимости различных методик по контролю количества ртути в ЛЛ других типов (разных диаметров трубки, в т.ч. 5—16 мм) и в КЛЛ разных фирм (типопроизводите-

Рис. 3. Зависимость τпер= φ(mHg) для ламп различной мощности: 1 — 20 Вт; 2 — 40 Вт

лей) и на основе этого выполнить разработку оригинального, оперативного (без разгерметизации лампы) метода и установки. ЛИТЕРАТУРА 1. Патент Японии №51-13350, кл. НО1J9/42. 2. Кирсанов Р.Ф., Мальков М.А. Газоразрядные источники света. Результаты поисковых исследований эффективных способов определения содержания ртути в люминесцентных лампах: Сб. статей/Отв. ред. А.М. Кокинов. — Саранск, 1990 (Тр. ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина, вып. 22). — С. 56—60.

3. Р.Ф. Кирсанов, В.С. Николаев, М.А. Мальков, Л.И. Ефремова, В.Н. Ширчков, С.Ю. Сажин, А.А. Прытков. А. с. 1661865 СССР. Способ неразрушающего контроля массы ртути в люминесцентных лампах. — Опубл. в Б.И., 1991, №25. 4. А.А. Дурдаев, А.С. Федоренко. Особенности изготовления люминесцентных ламп с контролируемым количеством ртути/Тезисы докладов V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света» под ред. В.К. Свешникова. Морд. гос. пед. ин-т. — Саранск, 2007. — С. 58—59.

Новый мэр продолжит в Москве политику энергоэффективности Мэр Москвы Сергей Собянин продолжит политику по выстраиванию в столице четкой системы энергоэффективности, заявил заместитель мэра по вопросам жилищно-коммунального хозяйства и благоустройства Петр Бирюков. В 2009 году президент России Дмитрий Медведев подписал федеральный закон об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности. В рамках программы повышения энергоэффективности Москва уже в 2009 году прекратила закупать обычные лампы накаливания и планирует наладить массовое производство светодиодных ламп в конце 2010 года. В 2011 году власти Москвы также планируют

открыть пункты приема отработавших свой срок ламп и батареек. «Наша задача и цель — выполнить законы Российской Федерации, выполнить указ президента РФ по вопросам энергосбережения и энергоэффективности, чтобы к 2020 году уровень энергоемкости по внутренней региональной продукции был снижен до 40%», — также заявил Бирюков в среду на торжественном открытии 27-й конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности». Он добавил, что Москва в последние годы «уверенно идет по этому пути». «Недавнее совещание, которое провел Сергей Собянин, вчерашнее заседание правитель-

ства Москвы, говорят о том, что мы сейчас выстраиваем четкую целенаправленную систему», — сказал заммэра. По его словам, выставка, открывшаяся в рамках конференции в конференц-зале мэрии Москвы на Новом Арбате, продемонстрирует те «новинки, новые достижения, которые есть в отечественной промышленности». Конференция-выставка будет проходить в течение трех дней до 29 октября, запланировано большое количество тематических секций, «круглых столов», а также пленарное заседание 10-го международного симпозиума «Энергетика крупных городов».

Современная светотехника, #5 2010

www.rian.ru

стандартизация и метрология

Срок службы светодиодных светильников: рекомендации по тестированию Статья представляет собой отдельные выдержки из доклада, опубликованного рабочей группой Lifetime and Reliability Working Group при Департаменте энергетики США в мае этого года. В статье рассматриваются основные факторы, определяющие срок службы светодиодов, и даются рекомендации по их тестированию.

ВВЕДЕНИЕ

Многие удивятся, узнав, что истинные показатели надежности и срока службы светодиодных систем освещения в настоящее время точно неизвестны. Более того, для определения срока службы светодиодной системы широко используется относительное значение полного светового потока при заданной наработке, что вводит потребителя в заблуждение, т.к. деградация излучения — лишь одна из многих составляющих, которые влияют на надежность светильника. Такая анекдотичная ситуация, скорее, объясняется не стремлением многих производителей выдать желаемое за действительность, а отсутствием истинных данных. Кроме того, во многих случаях потребители не желают справиться в спецификации, соответствуют ли заявленные производителем значения указанным в документе. Эти выводы относятся не только к светодиодам. Качественные светодиоды, установленные в плохо спроектированных системах, могут быстро выйти из строя. Срок службы светодиодов часто выражается в часах и годах, но эти цифры не подкрепляются основополагающей информацией, что превращает их в пустые обещания. Например, утверждение о том, что срок службы некоторого светодиодного светильника составляет 100 тыс. ч, дает все

www.lightingmedia.ru

основания полагать, что в этом отношении до сих пор публикуется очень мало данных и неопровержимых фактов. Ситуация улучшается на уровне готовых светодиодных модулей, т.к. тысячи заслуживающих уважения производителей собрали большое количество данных относительно эксплуатации этих модулей в разных условиях. Но и этого недостаточно. Производителям твердотельных источников света и специалистам, определяющим спецификации товаров, следует совместно заняться вопросами, касающимися срока службы и надежности изделий. Необходимо фиксировать отказы и исследовать механизмы их возникновения. Нам следует найти методы обеспечения надежности, но без соответствующей информации, экспериментов и моделей эта затея обречена на неуспех — требуется программа создания надежных метрик.

ТИПЫ ОТКАЗОВ Светодиодный светильник представляет собой намного более сложное устройство, чем традиционные лампы. Это целая электромеханическая система, в которую помимо источника света входят теплоотвод, блоки электрического управления и формирования оптического сигнала, опорная механическая конструкция и система защиты, а также элементы дизайна. В силу того, что светодиоды характеризуются продолжительным сроком службы, такие его компоненты как адгезивы и прочие материалы должны служить так же долго. Если не обеспечить такой возможности, срок службы всей системы уменьшится. Тепло, излучаемое в процессе эксплуатации осветительной

установки, необходимо отводить от диодов. Для этого помимо радиатора требуется надежный теплопроводящий блок. Для обеспечения надежной работы необходимо, чтобы источник питания и электронная схема обеспечивали регулируемый управляющий ток и, возможно, другие функции управления, которые не отказали бы прежде, чем будет исчерпан ресурс изделия. Любые оптические компоненты должны быть в состоянии противостоять воздействию интенсивного света и, возможно, тепла, таким образом, чтобы не пожелтеть, не растрескаться и т.д. Отражающие материалы должны сохранить свои оптические свойства. Помимо перечисленных аспектов следует также учесть процесс производства, в ходе которого необходимо, например, соблюсти требования по изготовлению герметика, теплоотводящей пасты, созданию проводных соединений и т.д. Любые отказы, свойственные электронным сборкам, а также вызванные другими причинами, применимы и к светодиодному светильнику. На рисунке 1 представлена схема, иллюстрирующая широкий спектр факторов, которые определяют надежность системы. В грамотно спроектированной и правильно реализованной осветительной системе основная причина отказа заключается в снижении уровня светового потока — постепенной деградации светодиодов. Однако следует учитывать и другие механизмы. По мнению одного из поставщиков светодиодов, к основным причинам жалоб заказчиков относится либо применение в светильниках несовместимых химических веществ, либо перегрузка све-

стандартизация и метрология тодиодов драйверами. Эти проблемы проектирования могут на начальных этапах эксплуатации привести к отказу других компонентов или подсистем, а также к производственным дефектам. Дополнительные причины сбоя всегда существуют и могут привести либо к катастрофическому отказу, либо к деградации светового потока.

ДЕГРАДАЦИЯ СВЕТОВОГО ПОТОКА Рекомендуемое определение срока службы В стандартных технологиях номинальный средний срок службы лампы — это время, через которое половина ламп прекращает излучать свет. Световая отдача всех источников света со временем снижается, но не более чем на 15—20% в течение номинального срока службы лампы, в конце которого, по определению, происходит полный отказ оборудования. Однако правильно спроектированный светодиодный модуль имеет весьма продолжительный номинальный срок службы, но за это время световой поток снижается на большую величину, чем в

стандартных технологиях. Соответственно, в этом случае требуется новый подход. Заявляемый срок службы любого светильника является статистической характеристикой. Для светодиодного модуля срок службы рассматривается как время работы, в течение которого светоотдача падает до 70% от начального значения (L70). Сроком службы светодиодного блока, как правило, считается среднее время до первого отказа (MTTF) при нормальных рабочих условиях (В50). Другими словами, по прошествии этого времени половина элементов выходит из строя, поскольку их светоотдача становится низкой. Для некоторых приложений показатель В50 может оказаться неприемлемым. В этих случаях разработчики должны отталкиваться от времени, после которого светоотдача 10% изделий снизилась относительно определенного уровня (В10). Таким образом, в зависимости от целевого рынка производители выбирают показатели В50 или В10 либо какой-то другой показатель, характеризующий опреде-

Рис. 1. Надежность системы в целом определяется совокупностью отдельных показателей надежности каждого блока

ленное изделие. В светодиодном освещении широко используется L70, а в других менее критичных случаях приемлем и показатель L50. Другими словами, деградация светового потока нельзя описывать с помощью единой метрики. Такое определение срока службы как деградация светового потока в большинстве случаев распространяется и на светильники, однако этого определения недостаточно. Мы должны учесть и другие механизмы отказа. Разработчик не получает полной информации, рассматривая отказ в терминах низкой световой отдачи независимо от причины (в т.ч. катастрофические отказы). Если заявленный срок службы изделия составляет 20 тыс. ч, означает ли это, что половина светильников спустя это время обеспечивает половину от начального значения светоотдачи или светоотдача половины изделий почти не отличается от изначальной, тогда как другая половина уже полностью выработала свой ресурс? Или возможен некий промежуточный вариант? Для того чтобы ответить на этот вопрос, следует оперировать двумя показателями — например, В50 или В10 и стандартным временем отказа электрической цепи F10 или F50 (выход из строя, соответственно, 10 или 50% светильников). Оба показателя — B и F — следует измерять, используя полностью собранный светильник, чтобы учесть взаимодействие его компонентов. Числа B и F описывают следующие четыре типа отказов светильников. 1. Все светодиоды включаются, но их уровень яркости понижен (определяется временем Bxx). 2. Имеется единичный катастрофический отказ светодиода, тогда как другие светодиоды сохранили функциональность, возможно, генерируя меньший световой поток (определяется временем Bxx). 3. У многих светодиодов произошли катастрофические отказы, однако другие светодиоды сохранили функциональность, возможно, генерируя меньший световой поток (определяется временем Bxx). 4. Ни один светодиод не включается из-за отказа самой системы (определяется временем Fyy).

Современная светотехника, #5 2010

стандартизация и метрология Министерство энергетики США рекомендует использовать базовое значение L70 для световой отдачи и два следующих значения. 1. Bxx — срок службы, при котором у xx% (например, 50%) светодиодов светоотдача падает ниже 70% от номинального начального значения. 2. Fyy — время до электрического отказа, через которое yy% (например, 10%) массива светодиодов выходит из строя. В идеальном случае эти показатели должны представлять достаточно полный набор измерений, о которых можно заявлять с соответствующей степенью уверенности. Заявленный срок службы должен, по крайней мере, иметь определенную точность и объем выборки, чтобы обеспечить 50-% достоверность. Несмотря на то, что даже такое требование может на практике иметь ограничительный характер в ближайшее время, желательно, чтобы этот уровень вырос до 90%. Однако наша рабочая группа установила, что такие измерения обходятся недешево и на них затрачивается много времени. Кроме того, не у всех производителей имеется возможность удовлетворить этим требованиям, если продукт появляется на рынке впервые. В случае если не обеспечен рекомендуемый минимальный уровень достоверности, производители могут не заявлять срок службы изделий в технических характеристиках, сообщая вместо этого параметры, действующие в течение определенного времени. Выбор значений xx и yy остается за производителем и может варьировать в зависимости от нужд заказчиков или производителя, но эти значения должны быть четко указаны. Приведенные выше примеры, возможно, окажутся непригодными для приложений с высокими эксплуатационными показателями, но могут вполне удовлетворить нужды потребителя. В сформулированное нами определение срока службы не входит понятие изменения цвета. Определение дано лишь в рамках световой отдачи и не учитывает причины ее деградации. Многие пользователи большое изменение цвета излучения расценивают как отказ, хотя данное руководство рекомендует, чтобы

www.lightingmedia.ru

это изменение отдельно указывалось в дополнение к заявленному сроку службы изделия. Далее этот аспект рассматривается подробнее. Средства определения срока службы в настоящее время не полностью стандартизованы. Дополнительные определения срока службы и методы его расчета с помощью кратковременных измерений обсуждаются далее.

Достоверность заявляемого срока службы В этом разделе обсуждаются все необходимые шаги, доказывающие истинность заявляемого времени деградации. Отдельно рассматривается новая платформа и способы работы с ее вариациями. Приведенные примеры не служат определением стандартной процедуры. Ответственность за конкретные стандарты несут соответствующие организации, и она выходит за рамки данного руководства.

Время деградации новой платформы Производитель, создавший новую платформу, обязан доказать соответствие заявленных данных о сроке ее службы путем тестирования светового потока определенной выборки изделий в течение некоторого времени в соответствии со стандартом LM-79. отдельный вопрос — требуемое количество времени. Комитет TM21 общества IES изучает задачу экстраполяции показателя L70 с помощью ограниченных измерений путем, например, регистрации изменений каждые 1000—6000 ч. Несколько непрерывно продолжавшихся исследований показало, насколько затруднительной может оказаться эта экстраполяция. Конечный результат экспериментов с наибольшей вероятностью покажет максимальную деградацию световой отдачи за определенный период времени, требуемого для определения значения L70. Для установления требуемого соответствия в докладе о результатах тестирования должны быть представлены следующие данные: – графическое представление (с планками погрешностей) зависимости светоотдачи, изменения цвета и потребляемой мощности от времени;

– сводная таблица, в которой указано, как изменилась светоотдача (в процентах) в результате деградации, потребляемая мощность (в процентах) и цвет после 6000 ч тестирования; – данные LM-79 при T = 0 и T = 6000 ч; – описание и узлы тестируемого изделия и испытательной установки; – размер выборки и доверительный интервал. Несмотря на то, что для определения срока службы светильника использовались экстраполированные данные LM-80 для светодиодных модулей (и до сих пор используются в соответствии с требованиями ENERGY STAR), такой подход не обеспечивает большую точность по многим уже упомянутым причинам. Следовательно, наша рабочая группа рекомендует проводить испытания LM-79 на полностью собранном светильнике, чтобы определить деградацию светоотдачи с течением времени.

Вариации новой платформы Поскольку для нужд многих других приложений требуются модификации уже существующей платформы, необходимы дополнительные измерения, устанавливающие ее соответствие требованиям. Следует также минимизировать количество времени испытаний, подтверждающих долговременные данные о сроке службы изделия. В этом отношении разумнее всего рассматривать разные типы изменений (или вариации модели) и их возможное влияние на срок службы. Например, изменения в следующих блоках могут потребовать повторных испытаний: – корпус/шасси; – термоуправление/теплоотвод; – изменение метода сборки или использование других материалов; – источник света (в т.ч. рабочий ток, напряжение Vf и смена поставщика); – источник питания. Другие изменения, например, отделочного покрытия или в оптическом пути, в меньшей степени требуют повторной проверки. В отдельных случаях можно использовать аналитические данные, доказывающие, что то

стандартизация и метрология или иное изменение не влияет на время деградации светильника. Однако необходимо, как правило, повторно проверять небольшое количество светильников в течение короткого времени. Если производителю не удастся доказать с помощью аналитических данных или небольшого теста, что срок службы светильника не уменьшится в результате определенных изменений, его следует считать новой платформой, которая должна отвечать полному набору квалификационных требований. Данное руководство рекомендует производителям разрабатывать и документировать процесс контроля за изменениями, т.к. эти компании отвечают за достоверность предоставляемой потребителям информации и гарантируют, что ни одно из изменений не скажется негативным образом на сроке службы предлагаемых изделий.

ИЗМЕНЕНИЕ ЦВЕТА Связь со сроком службы Как уже говорилось, понятие «срок службы» относится только к световой отдаче светильника, но оно подразумевает отказы, вызванные не только систематической деградацией в соответствии с определением стандарта LM-80, но и некоторые другие механизмы общей деградации светового потока, в т.ч. изменения других компонентов системы (а не светодиодов) или их отказ. В понятие срока службы не включено изменение цвета, даже несмотря на то, что в некоторых приложениях это изменение может рассматриваться пользователем как сбой. Решение в качестве главного приоритета при определении данного понятия считать световую отдачу отражает тот факт, что стабильность светового потока связана с вопросами обеспечения безопасности жизни, тогда как стабильность цвета — только с эстетическим восприятием. Однако такой подход вызывает неудовлетворенность заказчика, поэтому мы обсудим также и аспект. Стандарт LM-80 определяет необходимость учета изменения цвета и требует, чтобы в доклад о проведении испытаний была включена графа о том, как изменяется данная характеристика с

течением времени. Однако стандарт не предлагает каких-либо рекомендаций по расчету величины изменения цвета к концу срока службы светильника, а также не указывает, какие изменения допускаются на этапе разработки и производства. Если относительное изменение светового потока светодиодов при определенной наработке можно экстраполировать для оценки деградации светильника, при условии что их температура не превышает некоторой величины, а управляющий ток меняется не в широких пределах, то такой подход не работает в отношении оценки изменения цвета. Более того, все полномасштабные измерения цвета весьма дорогостоящи, за исключением оценки изменения цвета в течение срока жизни продукта. Наконец, еще одна проблема заключается в том, что не существует доступного способа наглядно представить пользователю информацию по этому параметру. Такая характеристика как относительная цветовая температура во многих случаях не является достаточно точной метрикой для описания изменений. Ясно, что прежде чем мы будем в состоянии правильно определить данные о достижении конкретным светильником пределов изменения цвета, предстоит проделать немалую работу. Учитывая это обстоятельство, мы рекомендуем производителям относить свою продукцию к одной из следующих категорий: «лампа для замены», «светильник (стандартное качество)» или «светильник (уровень спецификации)» и рассматривать характеристику изменения цвета дифференцированно для каждого случая. Охарактеризуем каждую категорию по отдельности. 1. Первая категория в большей мере доступна для измерения цвета в соответствии со стандартом LM-80 и для прогнозов, поскольку решения во многом однотипны, а объемы продаж велики. Цвет определяется в соответствии с программой Lighting Facts, а результаты измерения используются в некритичных приложениях. 2. В отношении светильников категории «стандартное качество» указывается максималь-

но гарантированное изменение цвета. На текущий момент это делается с помощью такой характеристики как цветовая температура. Производитель самостоятельно определяет указываемые пределы и срок действия гарантии, который может и не совпадать со сроком службы светильника. 3. Светильники категории «уровень спецификации» предназначены для более требовательных покупателей. В спецификацию включены более сложные цветовые метрики, а также максимальное значение изменения цвета в течение заявленного срока службы. Все три категории светильников требуют от производителя определенных средств оценки изменения цвета в течение указываемого времени, однако их точность зависит от категории. Для совершенствования этих методов необходима дополнительная работа.

Оценка изменения цвета Стандарт LM-80 требует от производителей собирать данные об изменении цвета в течение 6000 ч работы светильника. Однако пока не существует утвержденного способа использования этих данных для экстраполяции этой характеристики. Комитет IES TM21, который в настоящее время работает над стандартами экстраполяции данных LM-80 для оценки деградации света, отложил рассмотрение вопроса по изменению цвета светильников. К числу факторов, усложняющих экстраполяцию данных об изменении цвета, относятся различия в светодиодных решениях, материалах, процессах изготовления, оптических систмах, а также в рабочих температурах и времени эксплуатации светодиодов. Многие эксперты указывают, что потребуется немало времени (возможно, несколько лет), прежде чем будет достигнуто общее соглашение о том, как прогнозировать изменение цвета светодиода в течение продолжительного времени.

Влияние модели светильника и технологии изготовления Стабильность цвета, как и его деградация, не определяется

Современная светотехника, #5 2010

стандартизация и метрология только характеристиками светодиода. Ниже приводятся примеры того, как модель светильника и технология его изготовления определяют качество и изменение цвета. – В результате различий в схемах теплоотводов светодиоды и электронные цепи работают в разных условиях, несмотря на одинаковое время эксплуатации и рабочую температуру. – Разные материалы, применяемые во вторичной оптике, изнашиваются по-разному. – Разные окружающие условия (включая качество воздушной среды) могут по-разному сказаться на поведении материалов, из которых изготовлены светильники. – У разных моделей светильников могут быть неоднородные цветовые характеристики: гало или разные оттенки цвета по краям луча, причем эти характеристики могут со временем варьировать. – Одни технологии производства обеспечивают строгое соблюдение начальных требований, тогда как другие не следуют заданным критериям, что со временем затрудняет определение изменений в цвете. – Наконец, некоторые светильники оснащены системой активного управления цветом, в т.ч. датчиками и элементами управления. Однако параметры этих элементов со временем изменяются, что также отражается на цвете светильника.

Ограничения, учитывающие расходы Поскольку светодиодная индустрия — относительно новое направление, нам не хватает практических данных о том, в какой мере изменение цвета светильника обусловлено светодиодом, а в какой — моделью светильника. Исходя из этого, а также из уже упомянутых факторов, единственным способом определить изменение цвета является измерение параметров всей системы, включая светодиоды, другие элементы светильника, ее рабочее время и условия окружающей среды. Однако в настоящее время сбор информации в соответствии со стандартом LM-80 на уровне светильников обходится чрезмерно дорого для многих типов светильников по следующим причинам: – требуется несколько часов, чтобы стабилизировать температуру большого светильника; – светильники тестируются при установившемся токе, а не при импульсном, как в случае со светодиодами; – для хранения и установки испытательного оборудования может потребоваться большое пространство; – тестирование светильников по стандарту LM-79 требует опытных технических специалистов и является трудоемким. Тестирование на уровне светильника заметным образом сдерживает внедрение новой продукции, что повышает суммарные расходы и ограничивает

скорость ее появления на рынке. Если данные расходы и можно оправдать для ограниченного числа профессиональных приложений, критичных к цвету, это, скорее, является исключением, а не правилом.

Описание того, как изменяется цвет У рядовых потребителей нет представления о том, как описывается цвет. Они не оперируют такими понятиями как «цветность», «кривые излучения абсолютно черного тела», «светодиодные бины» или «эллипсы ошибок Мак-Адама». Не существует альтернативного определения для потребителей, хотя программа Lighting Facts и описывает цвет в терминах цветовой температуры и использует такие понятия как «теплый» и «нейтральный». Этот подход можно считать адекватным, поскольку он схож с описаниями, применяемыми в настоящее время для стандартного освещения, а пример освоения покупателями информации, указанной на этикетках пищевой продукции, дает основания полагать, что потребители светильников научатся понимать данные, фигурирующие на маркировке Lighting Facts. Но даже такое представление информации не обеспечивает простого способа описания, как изменяется цвет. Простые термины, отражающие лишь относительную цветовую стабильность, могут оказаться более уместными.

Заметное падение цен на светодиоды в III кв. 2010 г. Согласно докладу о тенденциях изменения цен на светодиоды, выпущенному отраслевым исследовательским институтом LEDinside, эти цены резко снизились в III кв. 2010 г. в связи с внезапным падением спроса на LED-приложения, в т.ч. меньшими, чем ожидалось, потребностями в панелях большого размера. Цена светодиодов для большеразмерных панелей понизилась на 11—16%, а на мощные светодиоды для осветительных систем — более чем на 17%. На рынке мобильных приложений цена на светодиоды осталась примерно той же, снизившись на 3—4%, что

www.lightingmedia.ru

связано с сезонными факторами при относительно устойчивом спросе. Из-за снижения объемов заказов и ослабления спроса на светодиоды, что в совокупности было вызвано меньшими, чем прогнозировалось, поставками панелей, цена на светодиоды типа 5630 для подсветки ТВ упала на 11%. Цена на светодиоды для ноутбуков и ЖК-мониторов понизилась на 12—16%. Цена на серийную светодиодную продукцию со световым потоком в 100…120 лм упала на 20% в III кв. По прогнозам LEDinside, в IV кв. текущего года произойдет сезонное снижение спроса

на рынке. При этом компании продолжат разработку новых продуктов. Из-за того, что спрос на новые системы подсветки для ТВ останется ограниченным, а потребность в новых осветительных системах значительно не увеличится, цены на светодиоды опустятся приблизительно на 10%. Рыночная цена на светодиодную продукцию стабилизируется в конце IV — начале I кв. 2011 г. за счет увеличения спроса на поставки большеразмерных систем подсветки. При этом оживится спрос на светодиодное освещение. www.ledinside.com

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

СЧЕТ СС/2011 от ________

¹¹

ÍÀÈÌÅÍÎÂÀÍÈÅ

Ñòîèìîñòü çà ýêç., ðóá.

Ïîäïèñêà íà æóðíàë «ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÀß ÑÂÅÒÎÒÅÕÍÈÊÀ» (ãîäîâàÿ íà 2011 ã., ñ ¹1 ïî ¹6)

375,00

Êîë-âî ýêç.

Ñóììà, ðóá.

2250,00

Èòîãî ê îïëàòå:

2250,00

Â 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/ ___ _ ____ __ ___ _ __ ___ _ ____/