Современная светотехника N6/2010 by Oleg Polikarpov

СОВРЕМЕННАЯ СВЕТОТЕ НИКА №6 (07)

Декабрь 2010 года

стр. 9 Выставка «Strategies in light Europe»: подготовка рынка к переходу на LED стр. 15 Обзор зарубежного и российского рынков светодиодного освещения стр. 29 Срок службы и надежность светодиодов — ключ к успешной реализации проектов

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;

С ОД Е Р Ж А Н И Е #6, 2010

эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru

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

РЫНОК 5 В центре внимания светодиоды

7 Юрий Красножон Сказка о четырех долларах 9 «Strategies in light Europe»: подготовка рынка к переходу на LED светильники

15 Андрей Суетов Обзор зарубежного и российского рынков светодиодного освещения

17 Денис Костелло Венчурное финансирование рынка светодиодной техники

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 21 Мори Райт Диаграмма направленности излучения твердотельных источников света для наружного освещения

25 Питер Дихофф Как найти баланс между энергоэффективностью и восприятием освещения человеком

29 Джордж Мао, Маршалл Майлс Срок службы светодиодов и их надежность — ключ к успешной реализации светотехнических проектов

33 Филип Киблер Надежность и совместимость – ключевые принципы в разработке светодиодных устройств и систем

35 Сяопин Цзинь, Аркадий Пекер Системный подход позволяет оптимизировать светодиодную подсветку

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 39 Филипп Хейвенс, Джим Колби, Тедди Ту Устройства защиты предохраняют светодиоды от импульсных помех Подписано в печать 29.12.2010 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.

43 Стив Робертс Встроенная в драйвер защита светодиодов от перегрева повышает их надёжность

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА 46 Ки Донг Ли, Роберт Сьеден, Тарбьорн Эриксон Технология наноконструирования увеличивает эффективность светодиодов

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

ответственный секретарь: Марина Грачёва Коллеги!

редакторы: Елизавета Воронина Виктор Ежов Екатерина Самкова Владимир Фомичёв

Для начала позвольте поздравить вас, уважаемый читатель,

с праздниками — Новым годом и Рождеством! Конец и начало следующего года всегда были переходными, независимо от того, в каком бизнесе или отрасли мы работаем. За минувшие 12 месяцев у каждого из нас многое произошло и многое свершилось. Что-то осталось незавершенным, что-то превзошло все наши ожидания. В какой-то момент мы опускали руки и думали,

редакционная коллегия: Леонид Чанов Борис Рудяк Владимир Фомичёв

что ничего уже не получится, а буквально на следующий день мы находили в себе новые силы и принимались за работу с еще большим энтузиазмом. Именно это помогало нам сворачивать горы и делать, порой, невозможное. Подводить итоги всегда нелегко. В первую очередь потому, что приходится оценивать не столько свою работу, сколько работу коллектива. Я всегда придерживался мнения: «если неуда-

реклама: Антон Денисов

ча, то моя; если успех, то наш». Основная задача, которая стояла перед издательством в 2011 году — поставить на ноги проект «Современная светотех-

Ольга Дорофеева

ника»: выпустить 6 номеров журнала, организовать конферен-

Елена Живова

цию и запустить сайт Lightingmedia.ru, сделав его независимым

Екатерина Платцева

по содержанию от печатной версии.

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

директор издательства: Михаил Симаков

Конференция Современная светотехника. 9 декабря, Санкт-Петербург.

В этом смысле мы сделали даже больше, чем планировали. Из номера в номер, в зависимости от ситуации на рынке, мы увеличивали объем журнала. Рекордным стал третий, августовский номер — 92 журнальные полосы. У нас менялись рубрики, обновлялся и пополнялся штат авторов, по многочисленным отзывам читателей, не смотря на шероховатости, журнал из номера в номер становился все лучше. Говоря о качестве конференций, — тут, конечно, решать участникам. Однако, цифры говорят сами за себя. Медиагруппа Электроника провела в этом году три конференции Современная светотехника — в Москве, Киеве и Санкт-Петербурге (на них присутствовало соответственно 300, 200 и 200 участников). Ну и конечно же, наш третий проект. Теперь, — и о конференциях, и о журнале, — вы можете прочесть на нашем сайте Lightingmedia.ru. Более того, там можно ознакомиться со всеми выпусками журнала «Современная светотехника» в формате PDF, пройдя простую регистрацию. Говоря об интернет-портале, стоит отдельно выделить это направление деятельности медиагруппы Электроника. Буквально месяц назад, мы запустили первые два из четырех сайтов издательства. Естественно, это Lightingmedia. ru — сайт журнала Современная светотехника и Elcomdesign.ru — интернет-версия Электронных компонентов. Решение о полноценном выходе в сеть Интернет была принята ровно год назад. Именно тогда рынок online-СМИ России начал свой активный рост, обогнав печатные. Мы постарались сделать электронные ресурсы удобными, интуитивно понятными с точки зрения юзабилити, легкими для загрузки и одновременно полными и емкими по содержанию. С открытием сайта, направление Современная светотехника стало мощнейшим ресурсом не только с точки зрения рекламных возможностей для продвижения любого светотехнического бренда, но и с точки зрения получения объективной и максимально полной информации о рынке светотехники. Пожалуй, мы все-таки смогли выполнить те задачи, которые ставили перед собой в минувшем году. Я желаю вам, уважаемый читатель, чтобы и ваши мечты, цели и задачи исполнялись на 200%, и чтобы новый год белого Кролика принес вам больше света и хрустящей капусты!

Валерий Манушкин, главный редактор

рынок

В центре внимания — светодиоды Энергосбережение и внедрение современных энергоэффективных технологий в самые разные отрасли экономики с недавних пор стало одним из приоритетных направлений государственной политики. В целях ее проведения принят соответствующий федеральный закон №261-ФЗ. А недавно президент России Дмитрий Медведев подчеркнул, что «энергоэффективностью мы занялись всерьез и надолго».

По данным, которые озвучил премьер-министр России Владимир Путин, энергоемкость экономики РФ в 2,3 раза превышает аналогичный показатель в целом по миру. Около 40—45% текущего объема потребления электроэнергии составляет потенциал энергосбережения. И этот потенциал, по его словам, намечено реализовать к 2020 г. В октябре 2010 г. правительство РФ одобрило государственную программу энергосбережения и повышения энергоэффективности до 2020 г. Общий объем инвестиций в ее реализацию достигает 9,53 трлн руб. В сфере источников освещения во всем мире светодиоды признаны одной из наиболее эффективных технологий. Энергоэффективность светодиодов в 2 раза превышает этот показатель у люминесцентных ламп и в 10 раз — у ламп накаливания. Срок службы светодиода достигает 50 тыс. ч, что в 50 раз больше, чем у лампы накаливания. Еще одним преимуществом светодиодных

источников освещения является их экологическая безопасность и простота в утилизации — они не содержат ртути, свинца и других вредных веществ. Показатель использования светового потока у светодиодов равен 100%, тогда как у стандартных светильников — 60—75%. По прогнозам Global Industry Analysts, в ближайшие годы светодиодное освещение будет вытеснять как лампы накаливания, так и люминесцентные источники света. К 2015 г., как полагают эксперты, светодиодные устройства будут производить 27—28% всего искусственного света в мире. Исходя из этого, президентская комиссия по модернизации экономики приняла решение перейти к внедрению светодиодного освещения, миновав этап с энергосберегающими лампами. 25-го октября 2010 г. В. Путин утвердил перечень технологий, имеющих высокую энергетическую эффективность. Инвестиции в их создание является основанием для предоставления налогового кредита. В этот перечень вошли и светодиодные лампы. Тем не менее на пути распространения светодиодного освещения имеются серьезные препятствия. Одно из них — консервативность мышления потенциальных потребителей. «Немаловажен такой фактор как недоверие ко всему новому», — отмечает заместитель гендиректора по маркетингу ЗАО «ММП-Ирбис»

Дмитрий Дейнеко. При наличии государственной воли и целенаправленной разъяснительной работы эта проблема решаема. Гораздо сложнее решить вопрос, связанный с высокой стоимостью светодиодных светильников. По данным на начало 2010 г., обычная лампа накаливания мощностью 75 Вт стоила 7—10 руб., люминесцентная — 80—350 руб., а светодиодный прибор — 300— 1000 руб. На данный момент, как признает Д. Дейнеко, «конечному потребителю выгоднее применять энергосберегающие лампы, которые значительно дешевле светодиодных, а их энергопотребление всего в 2 раза выше». Но существуют и чисто технические проблемы. «Энергоэффективность светодиодов не подвергается сомнению — это факт, а вот светильники — совсем другое дело, — утверждает Д. Дейнеко. — В них кроме светодиодов обязательно присутствует источник тока или светодиодный драйвер, который может оказаться неэффективным. С 2011 г. вводится запрет на лампы накаливания мощностью более 100 Вт — вроде хорошо. Но если рассмотреть вопрос энергоэффективности в комплексе, то получается следующее: 100-Вт лампа накаливания потребляет 100 Вт, конечный потребитель платит за 100 Вт, и величина нагрузки на сеть от подстанции до потребителя составляет 100 Вт — все просто и понятно. 20-Вт светодиодная лам-

Современная светотехника, #6 2010

рынок па (эквивалент 100-Вт лампы накаливания) потребляет 22 Вт, и конечный потребитель платит за 22 Вт, тогда как нагрузка на сеть от подстанции до потребителя составляет 110 Вт. Получается, мы снижаем энергопотребление, а нагрузку на сеть увеличиваем. Выход один — использовать светодиодные светильники с корректором коэффициента мощности». По его словам, «государству необходимо на законодательном уровне ввести обязательное применение корректора коэффициента мощности в светодиодных светильниках, как это сделано в Европе. Иначе конечный потребитель выберет светильник без корректора, поскольку он дешевле». Среди других мер поддержки отрасли Д. Дейнеко выделяет

таможенную политику, которая содействовала бы развитию отечественной промышленности в этой сфере. По его мнению, необходимо «увеличить ввозные пошлины на компоненты светодиодных светильников: на готовые светильники — 20%, чтобы поддержать сотни российских производителей; на светодиоды — 10%, т.к. производителей в РФ единицы; на источники питания для светодиодов — 0%, пока не будут созданы отечественные производства». Как видно, проблем в сфере внедрения светодиодного освещения немало. Серьезное и разностороннее их обсуждение планируется в рамках деловой программы специализированной выставки светодиодных решений, кристаллов и оборудования для

их производства LEDTechExpo, которая пройдет совместно с выставкой «ЭкспоЭлектроника». Организаторы этого форума, ставя перед собой целью отражать самые последние тенденции развития отрасли, разумеется, не могли обойти вниманием столь актуальную тему. Учитывая то значение, которое придается в настоящее время вопросам энергосбережения и эффективного использования энергоресурсов на правительственном уровне, выставка станет событием государственной значимости. Не случайно официальную поддержку ей оказывают Министерство промышленности и торговли РФ, Министерство образования и науки РФ, Федеральный фонд развития электронной техники.

ИНТЕРСВЕТ МОСКВА 2010:

более 26000 специалистов со всей России и из стран СНГ Великолепный деловой климат на выставке – Положительная динамика: выставка и рынок светотехники постоянно растут – Сотрудничество: INTERLIGHT MOSCOW powered by light+building – Абсолютный успех: Форум «СВЕТОДИОДЫ В СВЕТОТЕХНИКЕ» Вайден/ Москва, 23 ноября 2010 г. „Цифры говорят сами за себя: 10384 кв.м выставочной площади, 430 экспонентов из 25 стран и 26635 посетителей-специалистов. Российский рынок освещения обещает в ближайшие годы уникальные перспективы и прекрасные деловые возможности», − заявили, подводя итоги, организаторы выставки ИНТЕРСВЕТ МОСКВА. Положительная динамика: Выставка и рынок постоянно растут Тематическое деление выставки на техническое и декоративное освещение принесло желаемые результаты. По сравнению с 2009 г. общая выставочная площадь увеличилась на 39,1 процента. Экспоненты отметили, что число посетителей-специалистов выросло не только в количественном ( прирост на 31,7 процента по сравнению с 2009 г.), но и в качественном отношении. Ещё более важным фактором успеха является готовность посетителей и участников выставки заключать сделки, что способствует динамичному развитию рынка. Выставка ИНТЕРСВЕТ МОСКВА становится важнейшей контактной площадкой для

www.lightingmedia.ru

представителей световой и строительной промышленности: информация о новинках и тенденциях в области архитектурного освещения привлекает всё больше архитекторов и дизайнеров интерьера. Семинары, проведённые Георгиосом Паиссидисом (президентом Европейской ассоциации профессиональных светодизайнеров) и Яном Дефоржем (вице-президентом Французской ассоциации дизайнеров освещения) стали настоящим магнитом для архитекторов и проектировщиков. Сотрудничество: INTERLIGHT MOSCOW powered by light+building ИНТЕРСВЕТ МОСКВА уже сейчас является ведущей выставкой в области декоративного и технического освещения в России и странах СНГ. INTERLIGHT MOSCOW powered by light+building символизирует стремление организаторов расширить тематику выставки, а также занять лидирующие позиции в сфере интеллектуального освещения зданий и энергоэффективности. На пресс-конференции, приуроченной к открытию ИНТЕРСВЕТ МОСКВА, представителям делового мира России и стран СНГ было официально объявлено о предстоящей кооперации с Messe Frankfurt. Соглашение о сотрудничестве было подписано в апреле 2010. Абсолютный успех: Форум «СВЕТОДИОДЫ В СВЕТОТЕХНИКЕ» Энергоэффективность и светодиоды − темы,

определяющие развитие светотехнической отрасли в настоящий момент, поэтому неудивительно, что IV Московский Международный Форум «Светодиоды в светотехнике» вновь привлёк рекордное количество участников. В этом году участие в двухдневной конференции впервые было платным, преследуя цель повысить качество мероприятия. В ходе пленарных заседаний и семинаров, организованных спонсорами Форума OSRAM Opto Semiconductors, Philips и Rainbow Electronics, более 200 руководителей и топ-менеджеров получили эксклюзивную информацию об актуальных технических новинках. Резюме Российская светотехническая отрасль успешно преодолела проблемы и трудности, связанные с экономическим кризисом и наблюдавшиеся ещё в 2009 году. Увеличение числа посетителей и великолепная деловая атмосфера, характерные для выставки ИНТЕРСВЕТ МОСКВА 2010, свидетельствуют о том, что прогнозы международных экспонентов относительно перспектив ведения бизнеса в России в ближайшие годы полностью оправдаются, а в некоторых аспектах даже превзойдут ожидания. Следующая выставка INTERLIGHT MOSCOW powered by light+building состоится 8−11ноября 2011 в Москве.

рынок

Сказка о четырех долларах

Полупроводниковая светотехника как отрасль существует всего несколько лет, поэтому на сегодняшний день говорить о наличии неких стандартов как на уровне нормативных документов, так и на уровне потребительских требований, еще рано. К сожалению, это приводит не только к тому, что потребитель не может объективно оценить ассортимент предлагаемой продукции и сделать обоснованный выбор, но и к возможности внесения производителями в документацию технических характеристик, не соответствующих реальности. За исключением очень узкого круга специалистов рынка, мало кто ориентируется в методиках измерения светового потока, расчета тепловых характеристик, срока службы светодиода при различных режимах работы и т.д. К сожалению, этим пользуются многие производители осветительных приборов, указывая в документации параметры, которые либо вообще не соответствуют реальности, либо являются результатом манипуляций в методиках измерений. В ноябре 2010 г. в Москве состоялась выставка «Интерлайт», где целый павильон организаторы выделили представителям компаний из ЮВА, которые представили широкий ассортимент продукции массового спроса, в т.ч. простейших светодиодных светильников и ламп. Большинство из них было представлено как на красочных буклетах с техническими параметрами, так и в виде образцов продукции. Особенно популярным был сегмент светодиодных ламп типа MR16 , которые уже сегодня пользуются популярностью в качестве замены стандартным «галогенкам». Однако содержание буклетов и внешний вид образцов вызвали ряд вопросов о явном несоответствии этих образцов друг другу. Если по отдельности указанные параметры и могли быть реали-

зованы (вспоминается анекдот о дешевом, быстром и качественном ремонте), то обеспечить их одновременно можно, только опровергнув ряд законов физики. На вопросы о представленной на стенде продукции мне удалось получить уверенные ответы, суть которых в том, что это «очень качественная продукция стоимостью четыре доллара». Другой информации ни на русском, ни на английском в разговоре получить не удалось, поэтому пришлось довольствоваться несколькими красочными буклетами. В дальнейшем я буду ссылаться на указанные в них данные. Попробуем взглянуть на этот продукт глазами потребителя и производителя. Потребление светодиодных ламп типа MR16 на сегодняшний день сосредоточено, в основном, в сегменте В2В. Приобретение этих ламп физическими лицами для установки дома ограничено достаточно высокой розничной ценой (15—20 долл.), которая при нынешней стоимости электроэнергии окупит себя очень нескоро. Исключение составляют случаи, когда речь идет об автономном питании либо труднодоступном месте установки. В сегменте В2В светодиодная подсветка и локальное освещение лампами типа MR16 нашли очень широкое применение, несмотря на высокую стоимость по сравнению с галогенными лампами. Причин тому несколько, и каждая из них в том или ином применении может

экономически оправдать использование этих источников света в сравнительно короткий срок, например при установке в торговом оборудовании. Первой причиной является значительно меньшая температура нагрева лампы. В результате корпусные элементы, где монтируется лампа, не деформируются и не меняют цвет при перегреве. Часто продукция, размещенная в витринах (например, изделия из кожи), при их подсветке галогенными лампами со временем теряет эластичность и другие присущие ей свойства под воздействием высокой температуры. Если говорить о более узких нишах применения, то к ним относится любое холодильное оборудование, а также подсветка помещений, где необходимо поддержание низкой температуры. Вторая причина — спектр излучения. При подсветке «галогенками» практически любые изделия меняют свой цвет за сравнительно небольшое время, в то время как при подсветке светодиодными лампами этого не происходит. Кроме того, при выборе светодиодного светильника производитель оборудования выбирает такой, который выгодно подчеркнет свойства товара на витрине. Например, для подсветки ювелирных изделий предпочтительно используется холодный цвет, в котором драгоценные металлы и камни выглядят привлекательнее. Третья, самая важная с экономической точки зрения, при-

Юрий Красножон, compel@compel.kiev.ua В 1997 г. закончил Киевский политехнический институт по специальности «Электропривод и автоматизация». В 2005 г. закончил Киевский институт инвестиционного менеджмента по специальности «Маркетинг». RBA-Group Ukraine

Современная светотехника, #6 2010

рынок чина — стоимость владения. Именно в такой формулировке учитывается и экономия электроэнергии, и стоимость покупки новых ламп, и стоимость работ по их замене. Безусловно, цена галогенных ламп сегодня в разы ниже, чем светодиодных, но если говорить именно о стоимости владения, то складывается уже совершенно иная картина. Соответственно, если перевести потребительские предпочтения в параметры и цифры, то очень качественная продукция должна соответствовать следующим параметрам: – яркость (минимум 200 лм, оптимум — 300 лм); – срок службы (минимум 50 тыс. ч, оптимум — 80 тыс. ч); – энергоэффективность (минимум 80 лм/Вт, оптимум — 100 лм/Вт); – безопасность (температура нагрева не более 50°С). По описанию в буклетах, лампы стоимостью четыре доллара если не полностью, то частично, соответствуют заявленным параметрам. Однако если взять в руки образец и буклет с его параметрами, заявленное соответствие становится очень сомнительным. Перейдя от желания потребителя к возможностям производителя, можно свести анализ к различным вариантам решения трех проблем — света (светодиод+оптика), теплоотвода (радиатор) и питания (светодиод требует стабилизированного тока питания). Источником света служит один или несколько светодиодов, а для управления световым потоком используется линза или рефлектор. Наиболее часто встречающийся в настоящее время вариант лампы «стоимостью четыре доллара» предполагает использование нескольких маломощных светодиодов и линзы для формирования относительно равномерного светового пятна. В образце, заявленная яркость которого составляет 240 лм, источниками света служили три светодиода. Соответственно, с учетом потерь на линзе, каждый из светодиодов должен был излучать около 100 лм. С учетом цены на светодиоды можно однозначно

www.lightingmedia.ru

утверждать, что даже при использовании светодиодов среднеазиатских производителей их придется в этом случае запитывать током, который явно выше рекомендованного. То есть в случае если данная лампа соответствует по яркости указанным в буклете характеристикам, то ни по сроку службы, ни по энергоэффективности она не будет соответствовать не только указанным оптимальным, но и минимальным значениям. Данное соответствие может быть достигнуто только за счет установки более мощных (а, следовательно, и более дорогих) светодиодов. Но в этом случае о «четырех долларах» речь уже не идет, поскольку минимальная себестоимость такого решения значительно выше. Еще одним из распространенных приемов манипуляции при указании параметров яркости является значение, которое измеряется в центре светового пятна и в модели, где установлена линза с углом 15—20°. Нетрудно посчитать, что при использовании стандартного угла в 90° и равномерном распределении светового потока по всему пятну указанная в буклете яркость оказывается завышенной в 4—5 раз по сравнению с реальной. Если говорить о теплоотводе, то уже сам материал радиатора вызывает вопросы. Даже алюминиевый радиатор такого размера способен обеспечить теплоотвод лампы яркостью в 300 лм только при условии, что светодиоды не «разогнаны» током, превышающим рекомендованный. Но у всех без исключения ламп азиатских производителей, которые были представлены на выставке, радиаторы пластмассовые. С точки зрения физики, они не могут рассеивать тепло в принципе, поэтому при достижении заявленной яркости речь об энергоэффективности, сроке службы и безопасности при сохранении той же себестоимости не идет. На вопрос о стабилизации питания ответ пришлось искать экспериментальным методом, т.е. попросту заглянув внутрь «очень качественной продукции». Устройства с такими функциями там не оказа-

лось, хотя в некоторых лампах на российском рынке драйвер, стабилизирующий ток, установлен именно внутри самой лампы. Такой подход позволяет сэкономить при установке подобных ламп на дорогих специализированных источниках питания с функцией стабилизации тока, используя вместо них обычные 12-В блоки питания. С точки зрения интегратора, это удобство, а с точки зрения потребителя, достигается экономия на суммарной стоимости решения. Исходя из сегодняшних цен на комплектующие, производителю ламп типа MR16 даже с хорошими объемами реализации едва ли удастся понизить их себестоимость до 6—7 долларов, чтобы соответствовать указанным параметрам. С учетом налогов и торговой наценки отпускная цена такой лампы для торговой сети составит около 8—10 долларов. Сложно сказать, готов ли сегодня рынок к массовому потреблению товара по такой цене. Но однозначно можно утверждать, что, указывая в рекламных буклетах явно завышенные параметры, недобросовестные производители не только наносят вред собственной репутации, но и формируют негативное отношение к светодиодному освещению в целом. Ведь сегодня потребитель рассчитывает, что более высокая цена обоснована реальными преимуществами предлагаемой продукции. Однако в результате приобретения ламп «стоимостью четыре доллара» его ожидания не оправдываются, поскольку и яркость, и срок службы, и энергоэффективность этих источников света не дотягивают даже до минимального уровня. Появляется не только негативное отношение к продукции данного производителя, но и ставится под сомнение перспектива использования светодиодного освещения. Возникает риторический вопрос: стоит ли самим участникам рынка формировать негативное отношение потребителей к светодиодному освещению? Как известно, риторический вопрос ответа не требует.

рынок

«Strategies in light Europe»: подготовка рынка к переходу на LED светильники

В нашем докладе о конференции по стратегиям освещения Европы 2010 описаны мероприятия, проводимые в сфере развития европейских осветительных систем, отмечен рост выпуска светодиодных (LED) модулей и указано, что LED-системы являются самыми перспективными системами освещения.

Тим Уайтекер (Tim Whitaker)

В сентябре прошлого года во Франкфурте (Германия) состоялась конференция по основным стратегиям освещения Европы, где была затронута тема ускорения продвижения LED систем освещения на Европейский рынок. На конференции было представлено 23 презентации и прошло два семинара, один из которых был посвящен стандартам, а другой проходил под заголовком «Создание совершенных осветительных приборов» («Buildingthe Perfect Luminaire»). Vrinda Bhandarkar из Strategies Unlimited представила обзор рынка светодиодов и прогноз его развития. На первый план также была выдвинута презентация McKinsey, озаглавленная «Просе-

лочная дорога или скоростная автострада: светодиоды на перепутье» («Country Road orExpressway: LED at the Crossroads») (см. статью на стр 21). Презентации, не описанные здесь, будут освещены в одной или нескольких статьях, которые должны быть опубликованы на сайте ledsmagazine.com. Конференция SIL Europe 2011 состоится в Милане (Италия) 3—5 октября 2011 г.

БУДУЩЕЕ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Мартин Гётцелер (Martin Goetzeler), Генеральный Директор Osram GmbH, открыл основную конференцию обсуждением того, кто должен определять будущее осветительных систем, на которой были заданы вопросы по двум основным темам: «Как мы можем экономить энергию, и как мы можем оптимизировать качество жизни». Он сказал: «LED системы освещения способны помочь в решении обоих задач». Для людей, ответственных за принятие решений, экономия энергии является очень важной задачей. «Проблема CO2 стоит в

Рис.1. Мартин Гётцелер (Martin Goetzeler), Генеральный Директор Osram GmbH открыл конференцию SIL Europe 2010 и кратко рассказал о технологии OLED, которая по его словам «совместима с LED технологией и предоставляет больше возможностей для развития систем освещения». По его оценкам в сфере массового производства OLED отстает от LED на 4—5 лет. На выставке Osram Opto продемонстрировала новый светильник PirOLED, а также объявила о создании пилотной производственной линии в г. Регенсбург (Германия) (www. ledsmagazine.com/ press/26996)

бизнес-планах многих компаний», — сказал Goetzeler. «Они могли бы также сохранить до 60% энергии, используемой на освещение, перейдя на светодиоды». Однако, очень важна и экономическая эффективность, поэтому всегда должна рассматриваться полная стоимость владения (ТСО), которая складывается из приобретения, содержания, технического обслуживания и замены продукта, сюда также входит стоимость затрачиваемой электроэнергии. Goetzeler отметил, что в течение 7 лет эффективность LED возросла с 30 до 150 лм/Вт. «В настоящее время Osram инвестирует до 50% своего НИОКР бюджета (НИОКР — научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы) в светодиоды», — сказал он, — «и при этом компания стремится управлять всей рыночной цепочкой». Основной задачей является донесение информации до потребителей и их обучение. Согласно исследованию, более чем 50% опрошенных недооценивают энергосберегающий потенциал CFL ламп, а одна треть из их числа, вообще, не имеет никакого мнения по поводу LED ламп, поскольку они не знакомы с этими продуктами. По этой причине, сказал Goetzeler, Osram запускает консультационную кампанию по сетям DIY и розничной торговле в 10 Европейских странах, рассчитанную более чем на полгода. Цель этой кампании — объяснение потребителям разницы между лампами накаливания и энергосберегающими лампами, куда относятся LED. С профессиональной стороны, Osram проводит тщательный контроль за потреблением энергии для демонстрации возможностей своих ламп. Например, аудит выявил 70% потенциал по снижению энергии при установке LED светильников в Государственном Театре в г. Кассель.

Современная светотехника, #6 2010

рынок

Рис. 2. В LED осветительных системах, в отличие от традиционных источников света, низкие затраты на эксплуатацию и экономия на потребляемой энергии при использовании светодиодов компенсируют начальные инвестиции (С разрешения Osram GmbH)

Как показано на рис. 2, низкие затраты на эксплуатацию и экономия на потребляемой энергии при использовании светодиодов компенсируют начальные инвестиции. А при соблюдении лизинговых контрактов пользователи получают прибыль с самого начала, поскольку экономия за счет энергосбережения выше затрат на амортизацию и финансирование. На сессии вопрос-ответ (Q&A) было заявлено, что энергетическое лобби во Франции пытается убедить людей, что нет особого смысла в экономии энергии на освещении, поскольку это только увеличивает нагрузку на системы отопления. Goetzeler отреагировал так: «Вы сразу же получите ответ, взглянув на здание в целом», в котором есть все: и системы обогрева, и кондиционеры и т.д. Фактически, Osram при содействии Siemens’Building Technologies group в состоянии обеспечить комплексный аудит энергопотребления во всем здании. Второй вопрос, касающийся качества жизни, имеет четыре основных аспекта, отметил Гётцелер: безопасность, комфорт, дизайн и развлечения. Он пояснил это на примере автомобиля: LED технология позволяет изготавливать не только современные адаптивные системы переднего освещения, но также и датчики, реагирующие на препятствия и пешеходов, приборы ночного видения, цветную подсветку интерьера и детекторы сна водителя, т.е. различные устройства, повы-

www.lightingmedia.ru

шающие качество жизни в различных аспектах. Потребность в обеспечении комфортных условий работы влечет за собой проблему учета циркадного [циркодианного] ритма в повседневной жизни. «Нам необходимо постараться скопировать работу солнца и организовать сдвиг с 8000 до 3000 К», — отметил Goetzeler. Современное наружное уличное освещение делает «улицы более безопасными, а города красивыми». Энергетическая эффективность — это один аспект, а украшение городов, позволяющее подчеркнуть характер города, — другой. Подсветка зданий и фасадов может служить именно этой цели. «Светодиоды позволяют осветительным устройствам стать строительным материалом», — сказал Goetzeler. Ожидается, что рыночные возможности кампании Osram возрастут к 2015 году по сравнению с 2010 годом на 10—15% (имеется в виду среднегодовой темп роста в сложных процентах), к этому времени раздел рынка между SSL и традиционными технологиями будет составлять 65:35 (в 2010 это соотношение равно 40:60). Сюда входят все приложения, в которых участвовал Osram, но не включены светильники. На сессии вопрос-ответ (Q&A) у Goetzeler поинтересовались, исчезнут ли традиционные лампы совсем, на что он ответил так: «Ничего невозможного в этом нет, но для этого потребуется более 10 лет, поскольку необходимо будет заменить все существующее осветительное оборудование». Он также пояснил, что Osram еще работает и над другими осветительными технологиями, и в настоящее время имеет значительный потенциал, например, в HID лампах, поэтому светодиоды не смогут победить моментально. По поводу цен Goetzeler сказал, что ежегодное снижение цен на светодиоды в два раза будет продолжаться еще пару лет. Однако он отметил, что «с другой стороны, если цены будут падать так быстро, это может привести к остановке инноваций. Всегда необходимо балансировать между «правильной» ценой и тем, чтобы не прекратить прогресс, поэтому приходится продолжать работы по оптимизации как самих светодиодов, так и решений на их

основе». Когда у Goetzeler спросили о конкуренции с китайскими производителями, он сказал, что все должно решаться в пределах игрового поля. Также он отметил, что «надо честно взаимодействовать со всеми кампаниями, имеющими IP»

ИНДУСТРИЯ ОСВЕЩЕНИЯ ЕВРОПЫ Jan Denneman, Президент Европейской Федерации производителей ламп (ELC), описал мероприятия, проводимые в индустрии освещения Европы (ELC — для ламп, CELMA — для осветительных приборов и компонентов), направленные на продвижение качественных LED осветительных систем (для получения более подробной информации по CELMA and ELC, обратитесь на сайт www.ledsmagazine. com/features/7/8/9). «LED осветительные системы не только экономят энергию, но также предлагают новые возможности повышения качества освещения и позволяют находить решения, отвечающие потребности людей иметь свет, приближенный к естественному».Он предложил разрабатывать системы освещения, «ориентированные на человека», в которых соблюдался бы баланс между визуальными, эмоциональными и биологическими требованиями и опытом. Задача индустрии освещения Европы заключается в продвижении на рынок качественных LED осветительных устройств и систем за счет ускорения внедрения LED светильников. Это реализуется за счет проведения консультационно-инфор ма ционных мероприятий на рынке, а также за счет разработки новых стандартов и законов. Denneman отметил, что индустрия освещения сама должна участвовать в создании стандартов и регулирующих документов (см. рис. 3) и активно вовлекаться в разработку проекта закона по Европейскому Союзу (EС), определяющего юридическое поле для LED осветительных устройств. Оно включает в себя существующие и предстоящие регулирующие акты по ЭкоДизайну (EcoDesign Regulations), а также мероприятия в пределах программы Digital Agenda для Европы (см. далее). Denneman утверждает, что очень важно отслеживать ры-

рынок нок, отмечая при этом, что в настоящее время на Европейском рынке большое количество продуктов (35%) являются несовместимыми, что «причиняет потребителям большие неудобства, снижая универсальность игрового поля и препятствуя быстрому продвижению LED осветительных устройств.» Он также добавил, что эта проблема будет становиться еще острее, поскольку регулирующие требования становятся более строгими. Denneman сказал, что помимо других функций, индустрия освещения Европы также «исследует возможность контроля рынка» В заключение Denneman сказал, что для быстрого введения соответствующих законов на территории ЕС, обеспечивающих попадание к европейским потребителям только качественных LED продуктов, индустрия освещения Европы надеется на поддержку государств-участников Европейского Союза. Помимо контроля рынка, в индустрии также хотелось бы видеть согласованные инициативы (включая финансовые), рост глобальной кооперации и обмен информацией, что не исключает необходимость национальных инициатив. В сессии вопрос-ответ Denneman подтвердил, что в настоящее время обсуждается вопрос введения Европейского знака качества. «Да есть такие планы, и, действительно, мы готовы это сделать, если это поможет улучшить качество LED осветительных систем в Европе. В Англии уже есть знак качества, аналогичные инициативы проходят в Германии. Мы думаем, что принципиально знак качества — это очень хорошая вещь, но он должен быть европейского масштаба. Однако знак качества не сможет помочь, если на местах не будет хорошего механизма контроля». Он отметил, что решение вопроса о знаке качества — это полная прерогатива ЕС, в то время как в США Energy Star соединилась с Caliper, и Федеральное Правительство США смогло провести в жизнь аналогичные законы. «Но ЕС не может форсировать законы, за исключением законов о конкуренции», добавил Denneman.

Рис. 3. В вопросах стандартизации и регулирования бизнес LED освещения в настоящее время находится в стадии формирования (Источник: ELC/CELMA/J.Denneman)

У Denneman спросили, что более важно для роста: усилия рынка или стимулирование правительства. Он ответил: «Усилия рынка. Стимулирование важно и полезно, но потребитель должен сам изначально хотеть купить LED лампу. Если этого нет, никакие правительственные меры не помогут. Правительство должно обеспечить соответствующий уровень игрового поля, а ЕС — помочь устранить с рынка неэффективные продукты». «Непобедимый» продукт, такой как лампы накаливания, отличает низкая стоимость, и «люди любят их свет, поэтому они никогда не уйдут с рынка добровольно», — сказал Denneman. Однако, на следующем этапе необходимо обеспечить, чтобы эффективные продукты, оставшиеся на рынке использовались бы эффективно. Denneman согласился с комментарием, что Европа отстает от таких стран как Тайвань и Китай, где уровень инвестиций гораздо выше, чем уровень коллективных инвестиций в Европе. Martin Goetzeler сказал, что индустрия «смогла бы сделать гораздо больше, если бы у нее была более сильная поддержка со стороны государства в инициации использования LED осветителей в экспериментальных проектах и программах». «Инициативы государственных закупок» являются одним из основных двигателей прогресса в таких странах, как Тайвань и Корея, а в Китае при покупке LED лампы потребитель получает налоговый вычет, — добавил он.

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЕВРОПЕЙСКОЙ КОМИССИИ Чуть ранее начала этого года в плане «Digital Agenda» была очерчена политика для Европы и намечены мероприятия, направленные на процветание цифровой экономики до 2020 г. John Magan, Заместитель Главы секции фотоники при Европейской Комиссии (ЕК), сказал, что SSL является одной из нескольких технологий, направленных на выполнение плана «Digital Agenda». Данный план сфокусирован на энергосбережении, которое можно достичь, объединив SSL технологию с интеллектуальными системами управления светом. В конце 2011 ЕК опубликует Green Paper по SSL для выявления препятствий по адаптации SSL и для продвижения предложенного курса. Разработка этого документа начинается сейчас и продолжится до начала 2011 года, поэтому Magan призывает каждого внести посильный вклад в этот процесс. Еще одно направление деятельности ЕК связано с тем, что в 2012 году странамучастницам ЕС будет предложено во всех случаях установки систем освещения в общественных местах включать в спецификации не первоначальную стоимость закупки осветительных устройств, а суммарные затраты на весь срок их службы. ЕК будет также поддерживать SSL демонстрационные проекты через программу Конкурентоспособность и Инновации (Competitiveness and Innovation Programme (CIP)). Планируется иметь некоторое количество крупномасштабных проектов,

Современная светотехника, #6 2010

рынок

Рис. 4. Консорциум Zhaga разрабатывает стандарты для LED модулей/осветительных устройств (верхний рисунок). Желтые прямоугольники жестко определены стандартами Zhaga, что обеспечивает взаимозаменяемость между модулями различных производителей. Красная область не определена стандартами Zhaga, давая возможность вносить изменения (например, использовать расположенные на некотором расстоянии друг от друга люминофоры вместо отдельно стоящих светодиодов). Для драйверов и электронных блоков управления Zhaga определяет такие параметры, как размер, точки крепления, расположение разъема, но при этом не оказывает никакого влияния на внутреннее устройство схемы. Zhaga интерфейс применяется и когда драйвер интегрирован в модуль, и когда соединен с ним через интерфейс пользователя (нижний рисунок) (Источник: Zhaga/A.Davies)

помогающих распространять информацию о SSL, а также показывающих их технологические возможности. Каждый проект получит 50% финансирование, но при этом в нем должны участвовать представители всей рыночной цепочки. Предложения будут рассматриваться в первой половине 2011 г, а проекты планируется запустить ближе к концу года. ЕК также финансирует проведение исследований. В настоящее время рассматриваются предложения, касающиеся органической электроники, кристаллов большой площади и фотоники (включая органические светодиоды (OLED)). Одно из предстоящих исследований будет посвящено производству (включая OLED), а другое — базовым (on core) и прорывным (disruptive) технологиям, применяемым для LED. Более подробную информацию можно найти на сайте http://cordis. europa.eu/ fp7/ict/photonics/. ЕК также приступает к разработке своей 8-ой Базовой Программы (Framework Programme (FP8)) по исследованиям, стартующей в 2014, и как сказал Magan, «здесь есть потребность в прогнозах развития осветительной и органической электроники, а также фотоники».

www.lightingmedia.ru

ПОСТАНОВЛЕНИЯ ЕС ПО ЛАМПАМ И МОДУЛЯМ Peter Besting из Panasonic Electric Works Vossloh Schwabe GmbH, представляющий CELMA и ELC, рассказал о постановлениях ЕС по модулям и лампам. «Минимальные требования, предъявляемые к качеству LED ламп и модулей, считаются ключевым фактором, гарантирующим удовлетворение потребителей LED освещением, и обеспечивающим рост LED рынка», — отметил он. При подготовке части 2 Постановлений по экодизайну (EcoDesign Regulations), CELMA и ELC должна выдать ЕК требования по качеству LED продукции. Текущее Постановление ЕС EU Regulation 244/2009 (EcoDesign часть 1) ограничено ненаправленными лампами. Рекомендовано включить в Часть 2 LED модули и обеспечить, чтобы их эффективность к 2012 году превысила уровень 50 лм/Вт, а к 2015 году — 60 лм/Вт. В Части 2 будут также рассматриваться направленные лампы, а в целом по индустрии уже определены и согласованы минимальные выходные значения для различных типов ламп, независящие от технологии изготовления источников света. Besting объяснил, что потребители хотят иметь выбор LED

ламп и модулей, а обеспечение минимального уровня качества будет гарантировать выполнение основных технических характеристик и позволит избежать крушения надежд и разочарований. Однако, индустрия LED устройств будет также производить продукцию самого высокого качества для приложений, где оправдана высокая цена. «Международные стандарты позволяют сравнивать и оценивать», — сказал Besting, — «Постановления должны обеспечивать минимальный уровень качества, но также должны оставлять достаточное пространство для осуществления различных приложений/применений, а также существования конкуренции»

ПЕРВАЯ ГОДОВЩИНА LED МОДУЛЯ После появления LED модуля и разъяснения его преимуществ Andy Davies из GE Lighting высказал свое мнение по поводу Консорциума Zhaga, разрабатывающего стандарты для LED осветительных устройств (в его презентации термины модуль и осветительное устройство были взаимозаменяемыми). Как показано на рис. 4, стандарт Zhaga включает в себя механический, термический, электрический и фотометрический (оптический) интерфейсы модуля, но не касается внутреннего устройства схемы, что дает возможность производителям создавать различные продукты. Аналогично этому, подсоединение драйвера к модулю задается стандартом, а его внутреннее устройство нет. Davies сказал: « Появление первого Zhaga стандарта намечено на первую половину 2011 г, а к концу этого же года появится еще несколько стандартов.» Новые стандарты будут отвечать разным потребностям рынка, а не дублировать друг друга. Ключевым движущим фактором для адаптации модулей является потребность разработки надежных осветителей, что требует согласования параметров LED устройств с условиями приложений. «Приобретение LED модуля проверенного бренда значительно снижает риск неудачи», — сказал Davies. Применение модулей, способных при необходимости к модернизации

рынок или замене, повышает их ценность для рыночной цепочки, добавил он. Например, осветительные приборы могут обладать преимуществами большинства ныне существующих технологий, а дистрибьютеры будут обходиться меньшим количеством компонентов, поскольку каждый модуль сможет использовать широкий ассортимент брендов осветителей.

ДИЗАЙНЕРЫ & ЗАКАЗЧИКИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Mike Simpson, Технический директор кампании Philips Lighting, отслеживает как в LED осветительных системах выполняются требования дизайнеров & заказчиков. Объясняя различия между этими двумя группами специалистов, Simpson

сказал, что «заказчики создают свет с помощью калькулятора, а дизайнеры — с помощью сердца». Он отметил, что законодательно определено движение: от традиционных источников света к альтернативным светодиодным, и что светодиоды не только заменяют существующие разработки осветительных устройств, но также открывают новые направления дизайна. Главная проблема — определиться с технологией и корректно выбрать LED осветительное устройство. Среди многих примеров, Simpson выбрал пример с отелем Rafayel в Лондоне, в котором везде установлены LED осветители и снижен углеродный след (carbon footprint) на одного гостя за ночь с 70 до 17 кг CO2.

Китайская SSL индустрия Китай упрочил свои позиции мирового лидера LED индустрии. Wu Ling, Генеральный Секретарь Альянса производителей полупроводниковых осветительных приборов, сказала, что SSL является «одной из золотых возможностей для развития экологически чистых и рациональных производств». Она сказала, что если средняя фиксированная эффективность светодиодов достигнет 150 лм/Вт, а LED устройства захватят 50% рынка, годовая экономия Китая составит 340 млрд кВтчасов. Для сравнения производительность проекта на 24 млрд$ «Three Gorges Project» позволит сэкономить 85 млрд кВтчасов в год. Китай уже имеет полный канал поставок SSL производства, состоящий из 4000 предприятий, объем продаж которых в 2009 г составил 11,8 млрд$. Осветительные системы являются ключевым приложением: доли архитектурного и функционального освещения на рынке соответственно равны 23% и 13%, что сравнимо с рыночными долями заднего освещения (21%) и дисплеев (20%). Важными рекламными проектами LED освещения были Олимпийские Игры 2008 и Shanghai

World Expo 2010, где в различных приложениях было использовано порядка 1.05 млрд светодиодных чипов. Wu Ling объяснила, что Китай имеет Муниципальный Рекламный Проект, в котором участвует 21 город, между которыми уже установлено свыше 1,7 млн светодиодных установок (включая 200 тыс светофоров и 720 тыс осветителей для архитектурных приложений). Китай обладает четырьмя LED индустриальными площадями и семью национальными LED индустриальными парками. Китайская Комиссия по Национальному Развитию и Реформам наметила ряд промышленных целей до 2015 г, когда объем продаж должен превысить 500 млрд RMB (75 млрд$), экономия электроэнергии должна составить 100 млрд кВтчасов, и должно быть создано 1 млн рабочих мест. К этому времени Китай должен будет иметь 2—3 крупных кампаний по производству LED чипов и 3—5 кампаний, разрабатывающих SSL приложения, — сказала Wu Ling. В следующем выпуске журнала LEDs Magazine будет размещена большая статья по SSL индустрии Китая.

Современная светотехника, #6 2010

рынок

Обзор зарубежного и российского рынков светодиодного освещения В условиях, определяемых как экономический кризис, передовые промышленные предприятия России осуществляют мероприятия по сокращению издержек, частью которых являются затраты на электроэнергию. В этом направлении большие перспективы имеет замена традиционных источников света на светодиодные (СД). Если в 1996 г. светоотдача СД достигала 10 лм/Вт, то в настоящее время промышленные светодиоды обеспечивают 80…100 лм/Вт. К 2012—2015 гг. планируются показатели 120…150 лм/Вт, а к 2020 г. — 250…300 лм/Вт. Для сравнения: эффективность лампы накаливания составляет 12…14 лм/Вт, компактных люминесцентных ламп — 64 лм/Вт, длинных трубок дневного света — 80 лм/Вт. Таким образом, светодиоды уже догнали и обгоняют по эффективности лучшие традиционные источники света. Н а текущий момент объем мирового рынка светодиодов оценивается в 5—6 млрд долл., а к 2012 г. этот показатель составит 10—12 млрд долл. Почти 2 трлн долл. — таков объем сэкономленных средств в течение следующих 10 лет при условии широкого внедрения светодиодов. В энергетических единицах экономия выразится в 18,3 ТВт·ч. Сокращение выбросов CO2 за это «светодиодное» десятилетие составит 11 млрд т, а потребления нефти — почти 1 млрд баррелей. Это производительность 280 среднестатистических электростанций. Рост тарифов на энергоносители — реальность нашего времени. Стремительный рост энергопотребления приводит к нехватке электрических мощностей. Переход к полупроводниковому освещению в России позволит снизить воздействие этих факторов на экономику. Так, внедрение светодиодного освещения только на объектах ЖКХ приведет к высвобождению

2544 МВт электрической мощности, уличного светодиодного освещения — к высвобождению 847 МВт электрической мощности. В результате экономия на создании электрических мощностей в этих сферах составит 124 и 41 млрд руб., соответственно. Для примера, программа США подразумевает совокупную экономию на освещении к 2025 г. более 17 ГВт мощности (это эквивалентно 30-ти средним электростанциям по 500…600 МВт). Передовые компании США, Японии, Кореи, Китая оценили преимущества светодиодов и стали активно бороться за завоевание рынка светодиодного освещения при активной поддержке правительств этих стран. Ряд небольших и средних компаний занимается перепродажей или конструированием различных изделий на импортных светодиодах. В России вопросы энергосбережения, включая экономию электроэнергии, также выходят на первый план. На долю освещения в нашей стране приходится пятая часть всего потребляемого электричества. В соответствии с утвержденной Правительством РФ в 2008 г. «Концепцией долгосрочного социально-экономического

развития РФ на период до 2020 г.» намечено сократить потребление электроэнергии на 40%. Производство и рыночный оборот ламп накаливания мощностью более 100 Вт могут быть запрещены с 1-го января 2011 г.

ЧТО ЕСТЬ В РОССИИ? В настоящее время в России есть практически всё сырье, потребляемое светодиодной промышленностью, а также потенциал восполнить недостающее сырье в случае спроса на него. В рамках Федеральной целевой программы Роснауки с привлечением ведущих научных центров и производственных площадок России внедрены научноисследовательские и опытноконструкторские разработки в области светодиодной техники. Достигнут мировой уровень технических параметров как кристаллов и светодиодов, так и собственно светотехнических приборов. Существуют опытные промышленные производства, имеется опыт внедрения и реальная окупаемость промышленных и ЖКХ проектов за 1,5—3,5 года, но на уровне пилотных проектов. Сложности с широким массовым внедрением светодиодной продукции возникают

Андрей Суетов, marketing@soptel.ru Закончил Ленинградский институт точной механики и оптики по специальности «Оптические и оптико-электронные системы». Проходил дополнительное обучение по направлению «Экономика и организация производства» в Межотраслевом институте повышения квалификации при Ленинградском Финансово-Экономическом Институте и направлению «Менеджмент и маркетинг» в Санкт-Петербургском Государственном Инженерно-Экономическом Институте со стажировкой во Франции. Профессиональная деятельность Андрея Суетова началась в 1981 году на ОАО «ЛОМО», где он работал до 2002 года на различных позициях: мастер, начальник бюро подготовки производства, главный технолог, технический директор, заместитель директора по маркетингу и продажам. Опыт работы на управленческих позициях — более 20 лет. С 2002 г. работает в ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника», с мая 2010 г. возглавляет департамент по маркетингу, отвечает за вопросы продвижения и увеличения доли продаж светодиодной продукции на внутреннем рынке, реализацию проектов по светодиодному освещению, взаимодействие с дистрибьюторами. Неоднократно поощрялся за успехи в работе, имеет 8 поощрений за внедрение рационализаторских предложений. Награждён медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» 2 степени. Современная светотехника, #6 2010

рынок из-за высокого уровня цен, что, в частности, является следствием отсутствия промышленных объемов производства и единой слаженной государственной вневедомственной политики. Основная причина отставания нашей страны от ведущих производителей в том, что мировые лидеры достигают двойного синергетического эффекта как в результате роста инвестиций в НИОКР (5—10% от прибыли), так и за счет роста промышленного производства, который резко снижает себестоимость продукции. Все ведущие мировые страны (США, Япония, Китай, Корея) инвестируют миллиарды долларов в создание рынка сбыта светодиодной продукции, создавая центры потребления. Таким образом, создавая внутреннее потребление в своих странах, правительства стимулируют как рост инвестиций компаниями-производителями, так и снижение себестоимости за счет роста производства. В России эта работа пока только начинается и является инициативой отдельных ведомств и организаций без существенного финансирования. В настоящее время весь мир, в т.ч. Россия, находятся на первом этапе светотехнической революции, когда исследования и разработки переходят из плоскости опытного применения в сферу массового производства и завоевания рынков. У нашей страны есть два пути. 1. Остаться на нынешнем уровне инвестиций, отдать рынок ино-

Историческая справка

Россия — родина светодиодной науки. Открытие светодиодного (полупроводникового) излучения (Lossev Light) принадлежит нашему соотечественнику Олегу Владимировичу Лосеву, скончавшемуся в 1942 г. в Ленинграде от голода. Следующим важнейшим шагом в истории светодиодов стало открытие Жоресом Ивановичем Алфёровым и его школой свойств гетеропереходов (Нобелевская премия 2000 г.). В начале 1990-х гг. по понятным причинам лидерство в этой области перехватила Япония (Nichia) и США (Cree), до сих пор удерживающие лидирующие позиции в мире по разработкам в области светодиодного освещения. Повторяется история с радиосвязью (А. Попов) и лампами накаливания (П. Яблочков).

www.lightingmedia.ru

странным поставщикам современных систем освещения (пока это люминесцентные лампы и дешевые светодиоды, а через 1—2 года — светодиоды из Европы и Японии), построить заводы по уничтожению люминесцентных и натриевых ламп и заняться их утилизацией. 2. Осуществить широкую инвестиционную программу по созданию в России новой отрасли промышленности и экономики. Это намного боле затратный путь, но он даст окупаемость уже через 3—5 лет и обеспечит присутствие России на мировом рынке не только как огромного по масштабам потребителя, но и как сильного производителя и поставщика комплектующих и готовых изделий. Таким образом, повышение эффективности светодиодов прямо пропорционально объему финансовых вложений в технологию. Каждый год отставание в объемах инвестиций приводит к отставанию в развитии отрасли в несколько лет. Через два-три года это отставание станет сравнимым с нашим автомобилестроением или компьютерным производством — лидеров будет уже не догнать. Отрасль не требует прямых бюджетных инвестиций. Намного более полезно стимулировать в России рынок сбыта, создавая соответствующие центры потребления в госсекторе, промышленности и ЖКХ. Реальной угрозой для российской светодиодной промышленности является поток дешевых низкокачественных светодиодов и кристаллов из Тайваня, Китая и Кореи, которые делают нерентабельными производство гетероструктур и кристаллов в России (при небольших объемах современных коммерческих производств и больших капитальных затратах в производство светодиодов их выгоднее покупать за рубежом, чем производить в России). Уже в настоящее время более 60% этого рынка занято производителями из Юго-Восточной Азии. Наиболее эффективным способом борьбы представляется создание повышенного спроса именно на российские светодиоды путем реализации Государственных программ по замене систем освещения в госсекторе. Это приведет к резкому росту производства кристаллов и светодиодов в России и естественному снижению стоимости и отпускной цены до уровня

конкурентных цен на мировом рынке. К примеру, производство 75—100 млн светодиодов (около 1—1,3 млн светоточек) в год для нужд освещения в России приведет к снижению цены на них более чем в два раза, что позволит России конкурировать на мировом рынке с США и Японией. Однако существуют законодательные преграды на этом пути. 1. Отсутствие соответствующих технических регламентов и нормативов в светотехнике, рассчитанных на светодиодные системы. 2. Невозможность заключения «длинных» (более одного года) государственных контрактов, позволяющих реализовать лизинговые схемы или иные формы ГЧП. Поскольку срок окупаемости светодиодных систем составляет 1,5—5 лет, необходимо предусмотреть возможность заключения контрактов на такой срок. Это позволит государственным организациям реализовывать программы замены систем освещения за счет средств, заложенных у них в бюджетах на эксплуатацию существующих систем. В настоящее время в России созданы все технические и финансовые условия для реализации таких программ.

ВЫВОДЫ 1. Светодиодная промышленность — новая отрасль промышленности и экономике. 2. Весь мир стоит на пороге светотехнической революции, лидеры которой уже определены. 3. В настоящее время наблюдается очевидное отставание в развитии светодиодной промышленности России от Японии и США, а также в промышленном производстве светодиодов от Кореи, Китая и Тайваня. 4. В России имеется необходимый уровень научных и производственных знаний и опытные производства не только светотехники, но и кристаллов, светодиодов на мировом уровне, а также возможность быстрого запуска собственного массового производства с полным технологическим циклом светодиодной продукции самого широкого спектра. 5. Основным барьером в развитии данной отрасли в России являются ценовые показатели (в других странах ценовой барьер снижен за счет государственных инвестиций в эту отрасль).

рынок

Венчурное финансирование рынка светодиодной техники Денис Костелло (Dennis Costello), Braemar Energy Ventures Светодиодная индустрия и твердотельная светотехника — растущий сегмент рынка, на который обращены взгляды многих венчурных капиталистов. В статье обсуждаются причины такого интереса и привлекательности компании с точки зрения вложения инвестиций.

Все большее количество инвестиций поступает на счета светотехнических компаний США. За два последних года венчурное финансирование получили Bridgelux, Luminus Devices, Superbulbs, Fulham, Terralux, Nuventix, Digital Lumens, Albeo, QD Vision, LedEngin и Renaissance Lighting, и это далеко не полный список! Данные инвестиции — случайное явление или долгосрочная политика? Какую цель преследуют венчурные компании, вкладывая свои средства в светотехнические фирмы? Каким образом потратить полученные деньги, чтобы упрочить свое положение?

ИЗМЕНЕНИЯ ЗА ПОСЛЕДНИЕ 10 ЛЕТ Индустрия венчурного капитала претерпела множество изменений за последнее десятилетие. Похоже, с каждым годом становится все сложнее получить прибыль со сделанных вложений. Средняя скорость оборачиваемости венчурных инвестиций снизилась за последние 10 лет, а многие компании даже потрепели серьезные убытки. В результате сократилось количество фондов, особенно в сравнении с тем бумом инвестиций в доткомы, который наблюдался в 1998—2001 гг. Энергетический сектор является одним из нескольких новых и привлекательных направлений для венчурного капитала, которое характеризуется устойчи-

вым ростом. Инвестиции в этот сектор превзошли вложения в информационные и биотехнологии. Согласно данным доклада PricewaterhouseCoopers/National Venture Capital Association MoneyTree, в I кв. 2010 г. объемы финансирования в энергетический сектор составили 2,18 млрд долл., в ИТ-рынок — 736 млн долл., а в биотехнологии — 2,1 млрд долл. Эта статистика говорит о многом, если учесть, что два последних направления традиционно финансировались в большей мере, чем все остальные.

этот сегмент рынка растут, особенно если отнести к данной категории батареи и системы накопления энергии. Энергоэффективность — широкое понятие, относящееся к разным областям деятельности. Некоторые венчурные капиталисты финансируют развитие рынка энергоэффективных технологий в транспортных приложениях, что показали результаты первого выпуска акций компанией А123 Systems, производителя аккумуляторных батарей, и Tesla Motors, производителя электромобилей. Другие компании специализируются на внедрении энергоэффективных технологий в строительстве домов, создавая широкий ряд продукции от программного обеспечения до новых материалов. Растет число фирм, занимающихся светотехникой и, в первую очередь, светодиодной техникой для систем внутреннего освещения.

на рынке наблюдается постоянный рост числа фирм, занимающихся светотехникой и, в частности, − светодиодами

РОЛЬ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Таким образом, не остается никаких сомнений в том, что в настоящее время энергетические технологии представляют ключевой интерес для венчурного капитала. Поскольку его фонды, как правило, не существуют более 10 лет (а многим венчурным компаниям достаточно 3—4 лет для полного финансирования каждого фонда), едва ли эта тенденция изменится в скором времени. Все эти средства пойдут на развитие солнечной энергетики, о чем говорят данные компании Cleantech Group (www.cleantech. com) об инвестициях во II кв. текущего года, объем которых в этом сегменте рынка составил 811 млн долл. Энергоэффективные технологии, среди которых светотехнические решения играют немаловажную роль, занимали скромное место на заре развития энергетики. Однако это положение меняется. К настоящему времени венчурные компании стали проявлять к энергоэффективным технологиям больший интерес. Инвестиции в

БЛАГОПРИЯТНЫЕ ФАКТОРЫ ДЛЯ РАЗВИТИЯ СВЕТОДИОДНОЙ ИНДУСТРИИ Таким образом, светодиодная индустрия заняла видное место как растущий сегмент рынка, на который обратил внимание венчурный капитал. Необходимо лучше разобраться в том, почему это произошло, и, следовательно, что делает определенную компанию привлекательной для инвестиций. Не будет преувеличением сказать, что инвесторам, в первую очередь, интересны вложения с хорошей окупаемостью в малые сроки. Каждая венчурная компания по-разному оценивает возможности получения таких больших прибылей, однако следующие факторы, как правило,

Современная светотехника, #6 2010

рынок принято считать благоприятными. Во-первых, индустрия, в которой происходят заметные перемены, располагает большими возможностями. Нет сомнения в том, что светодиодные технологии стали прорывным направлением на рынке твердотельного освещения. Инвестиции Philips, которая приобрела компанию Color Kinetics, а затем Genlyte, стали предвестниками грядущих перемен. Успех и высокая стоимость Cree на публичном рынке — еще один показатель, свидетельствующий о значении светодиодной техники. Полный разворот в сторону светодиодных технологий в течение буквально нескольких лет продемонстрировала и самая последняя ежегодная торговая ярмарка Lightfair International. На рынке светотехники появились и азиатские компании, что также говорит о переменах. Во-вторых, гигантские перемены в светотехнической отрасли произойдут в результате принятых законов и борьбы с загрязнением окружающей среды. Большинство из нас слышало о запрете производства ламп накаливания. Япония и Куба запретили их производство в 2007 г. Бразилия и Венесуэла издали схожий закон в 2005 г. В ближайшие два года Китай, Европейский союз, Австралия, США и Аргентина присоединятся к этой группе стран. В-третьих, рентабельность светодиодной техники для конечного пользователя быстро увеличивается. Стоимость светодиодов падает, по мере того как основные производители этой продукции наращивают производство и повышают светоотдачу изделий. Период окупаемости светодиодов составляет 1,5—3,5 лет. Светодиоды становятся все более конкурентоспособными с компактными люминесцентными лампами, и большинство экспертов считает, что светодиодные лампы составят конкуренцию металлогалогенидным и линейным люминесцентным лампам в ближайшие годы.

Наконец, светодиод является полупроводниковым устройством, имеющим те же характеристики, что и другие твердотельные цифровые устройства. Этот рынок хорошо знаком многим инвестиционным компаниям, работающим на нем десятилетиями. Прогнозируемое снижение стоимости полупроводниковой продукции наряду с ростом ее эффективности стало залогом успеха развития многих сегментов рынка по мере их перехода с аналоговых технологий к цифровым. Такой же успех ждет и светотехническую отрасль.

ЧТО ИЩУТ ИНВЕСТИЦИОННЫЕ КОМПАНИИ Идея инвестировать в рынок, который претерпевает фундаментальные изменения, хороша, но одно это желание не гарантирует успеха. Много средств было потеряно из-за того, что они были вложены не в те компании. Наиболее важными показателями светотехнической компании, которую намеревается финансировать венчурный капиталист, являются те же, что и у компаний многих других сегментов рынка. К этим характеристикам относятся опыт и профессионализм управляющего коллектива; объем целевого рынка; возможность защиты инвестированных средств от конкурентов; подтверждение финансовой состоятельности компании (включая доход); понимание и одобрение заказчиками предлагаемых инноваций; вероятность того, что компания станет достаточно успешной для ее приобретения или преобразования в открытую компанию; объем капитала (в первую очередь, собственного) для успешного выхода на рынок акций. О том, что делает компании успешными и как представить свой бизнес, чтобы получить инвестиции, немало написано в специализированных книгах о бизнесе. Мы не станем повторять известные формулы успеха, но обсудим те несколько рекомендаций, которые могут пригодиться

идея инвестировать в рынок хороша, но одно желание не гарантирует успеха

www.lightingmedia.ru

руководителям светотехнических компаний.

Совет 1. Возможности компании должны соответствовать возможностям инвестора Если компания зарабатывает менее 3—5 млн долл. в год и ее руководство желает получить небольшой долевой капитал (т.е., например, продать часть акций компании, а не взять кредит), наилучшими способом финансирования являются инвестиции от частных лиц, или т.н. «бизнес-ангелов». Эти инвесторы, как правило, вкладывают собственные средства и работают через клубную систему. Существует национальная ассоциация Angel Capital Association, являющаяся хорошей отправной точкой для поиска инвестора в своем регионе. Объем средств, полученных от нескольких частных инвесторов, которые разделяют общий риск, не превышают, как правило, 1,5—2 млн долл. Если компании требуется сумма до 30 млн долл., на помощь приходит венчурный консорциум — сообщество инвестиционных фондов. Такие объединения финансируют начинающие компании, компании, специализирующиеся на разработке продукции, и доходные фирмы. Преуспевающую компанию с хорошими перспективами, скорее всего, будут финансировать фондовые инвесторы, а не венчурные капиталисты.

Совет 2. Подтвердите коммерческие возможности компании, чтобы получить требуемый объем инвестиций Для того чтобы инвестор захотел сделать вложения в бизнес, компания должна доказать, что за несколько лет сможет получить большие доходы и у нее хороший потенциал роста. Венчурные фонды ищут такие компании, которые позволят получить в 3—5 раз больше, чем было вложено, причем доля участия капитала таких фондов составляет менее 50% от акций компании. Чем больше инвестор рассчитывает получить от выхода компании на рынок, тем большую выходную стоимость она должна иметь.

рынок Следует знать, что инвесторы относятся к бизнес-проектам несколько серьезнее, чем многие предприниматели. Одной из распространенных шуток, бытующих в венчурном сообществе, является шутка о необходимости проверки проекта на смех. Другими словами, ожидаемый объем дохода должен соотноситься с реальностью и быть достижимым. Руководство компании должно спросить себя: «Удалось ли другим компаниям рынка обеспечить рост теми темпами, которые мы желаем достичь?». Если нет, то улыбнитесь, представляя такой нереальный проект инвестору. Еще одним хорошим тестом является проверка того, насколько обоснованы оценки объема и темпов роста доходов компании на том рынке, где она работает. Если в планах компании получить ту долю рынка, на которую могут рассчитывать только многонациональные корпорации, она не заслужит доверия инвестора. В этом смысле неправильно утверждать, что объем рынка светотехники исчисляется миллиардами долларов, и ваша компания претендует лишь на 1% этого рынка. Венчурные фонды тратят немало времени на то, чтобы понять, на какую долю рынка может рассчитывать определенная продукция. Если не провести этого анализа заранее, вероятность получить желаемое финансирование уменьшится.

Совет 3. Соберите большой сбалансированный штат управленцев для реализации планов компании К счастью, у предпринимателей и всей индустрии в целом существует много разных представлений о том, какая компания является наиболее предпочтительной для капиталовложений. Некоторые инвесторы считают, что вкладывать средства можно только в том случае, если технология настолько нова, что может изменить лицо всей отрасли. Другие обращают внимание, в первую очередь, на качество руководства компанией и состояние развития каналов сбыта. Практика показывает, что максимальное количество сделок за-

ключается на основании этих двух подходов. По своей сути, светодиодная технология является инновационной. Со временем она будет интегрирована в сложившуюся материально-техническую и бизнес-инфраструктуру. На самом деле, существует множество примеров того, как инновационным решениям удавалось вытеснить до тех пор широко распространенные технологии благодаря тому, как (и кем) они были представлены на светотехническом рынке. У наиболее преуспевающих светодиодных компаний следующие преимущества: хорошие технологи; хорошие предприниматели, желающие изменить устоявшиеся методы ведения бизнеса; профессионалы, которые знают светотехническое производство и каналы сбыта. В Совете директоров, а также в руководящем органе такой компании должны присутствовать все эти специалисты.

Совет 4. Найдите влиятельных партнеров Наиболее успешные новые компании, работающие на рынке твердотельной светотехники, располагают уникальными технологиями и кредитоспособными партнерами, позволяющими вывести продукцию на рынок. Светотехнический рынок — не то же самое, например, что рынок интернет-компаний: на первом из них явно недостаточно раскрученного веб-сайта и денег на рекламу и участие в выставках. Продажа светодиодных технологий дистрибьюторам или ОЕМ-производителям сопряжена с трудностями, идет медленно и обходится дорого. У хорошей компании, ищущей инвестора, имеется хорошо продуманная стратегия работы на рынке. Ключевым элементом этой стратегии, как правило, являются партнеры. Одним из способов привлечения капиталовложений является предварительно реализованная стратегия сотрудничества с хорошо известными партнерами. Ценность компании вырастает в глазах инвестора, если какой-то участник рынка уже заинтересовался в ее продвижении.

Совет 5. Поймите роль интеллектуальной собственности в бизнесе компании Едва ли еще найдется индустрия с таким большим количеством патентов и лицензий, как индустрия светотехники. И, что еще хуже, мы не раз были свидетелями того, как патенты оспаривались в судах. Каждый венчурный капиталист может припомнить скандалы вокруг интеллектуальной собственности той или иной светотехнической компании. В связи с этим необходимо предусмотрительно ответить на следующие вопросы. Во-первых, имеет ли компания возможность осуществлять свою деятельность, не нарушая чужие патенты или лицензионное право? Во-вторых, владеет ли компания интеллектуальной собственностью, позволяющей ей не опасаться вторжения на ее рынок других компаний в случае коммерческого успеха? Наконец, будет ли иметь ценность интеллектуальная собственность, которой владеет компания, для других участников рынка? Если у компания уже имеются ответы на эти вопросы и она привлекла специалистов для защиты своей интеллектуальной собственности, ее шансы получить инвестиции вырастут.

ВЫВОДЫ Получить инвестиции от венчурной компании всегда было непростым делом. Только малый процент тех, кто желает получить такое финансирование, достигает своей цели. Требуется настойчивость, хорошая подготовка, а иногда и многие месяцы усилий. Поиск инвестора во многом схож с тем, как продается светодиодная продукция. Следует помнить, что венчурные капиталисты поразному оценивают одни и те же факты. Необходимо учитывать, что ни один предприниматель не понимает бизнеса светотехнической компании столь же хорошо, сколько ее руководство. Ваша задача — обучать венчурное сообщество и прислушиваться к его реакции и мнению. И, безусловно, самый хороший инвестор, с которым можно работать, тот, который понимает ваш бизнес, помогает и поддерживает советами, а не только денежными средствами.

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование

Диаграмма направленности излучения твердотельных источников света для наружного освещения Мори Райт (Maury Wright), ст. техн. редактор, LEDs Magazine Светильники для приложений наружного твердотельного освещения, например уличных фонарей, должны точно соответствовать заданной диаграмме направленности, позволяющей свести к минимуму загрязнение светом и максимально увеличить эффективность излучения за счет сфокусированности пучка на освещаемой площади.

Доля светодиодного освещения на рынке приложений для наружного, в т.ч. уличного, освещения растет. В то же время защитники окружающей среды обеспокоены световым загрязнением. Направленность светодиодного излучения может стать той характеристикой источников света, которая позволит сфокусировать его исключительно на освещаемых местах, например, дорогах, а не рассеивать в окружающее пространство. Однако проектирование твердотельного светильника, обеспечивающего требуемую диаграмму направленности, представляет собой непростую задачу для производителей светодиодов, разработчиков оптических систем и производителей светильников, Светодиоды все чаще используются в наружном освещении по нескольким простым причинам. Твердотельные светильники имеют бо льшую энергоэффективность и срок службы, чем, например, натриевые лампы высокого давления. Это преимущество позволяет городским властям сэкономить средства на оплату электроэнергии и техническое обслуживание фонарей. Однако перед производителями твердотельных источников света стоит также вопрос о снижении свето-

вого загрязнения окружающей среды. У большинства светодиодов угловая ширина луча составляет 120°. Это относительно узкий пучок для источников света и одно из основных преимуществ данной технологии для уличного освещения, которое используется для эффективного управления. Однако уличное освещение имеет ряд особенностей. Например, одной из его достаточно распространенных проблем является неоднородное освещение дороги. Перед специалистами стоит задача обеспечить тот же уровень освещения в 30 м от фонаря, что и непосредственно под ним. Возникает вопрос — как равномерно распределить свет, чтобы он не слепил глаза? Специалистам предстоит создать системы освещения, диаграммы направленности которых будут отвечать стандартам IESNA (Illuminating Engineering Society of North America — Светотехническое общество Северной Америки), а также других мировых стандартов.

В соответствии со стандартом IESNA, существуют пять основных типов (см. рис. 1) диаграмм направленности, которые используются в уличном освещении. Типы I и V, как правило, считаются легко реализуемыми. Типы II, III и IV представляют больший интерес, но их сложнее осуществить. Например, светильник, характеризующийся диаграммой типа IV, освещает достаточно большую площадь, а его свет не распространяется в пространство за фонарем.

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ Методы построения диаграммы направленности должны соответствовать характеристикам выбранного светодиодного источника света. В большинстве уличных фонарей светильники используют массивы отдельных светодиодов, установленных на одной плоской поверхности для создания суммарного светового потока требуемой величины. В состав таких светильников входит 20—40 отдельных светодиодов.

Рис. 1. Общество IESNA определило пять основных типов характеристики направленности излучения для освещения дороги

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование Используются также большие кристаллы светодиодов или массивы, поставляемые, например, компаниями Luminus или Bridgelux. В составе этого массива, предназначенного для систем уличного освещения, может находиться 1—10 отдельных источников света. Разработчики светильников могут установить светодиоды под таким углом, чтобы направить свет в требуемую сторону. Однако у такого подхода имеется существенный недостаток, связанный с эффектом ослепления. Во многих системах на каждый излучающий элемент устанавливаются оптические линзы с полным внутренним отражением (ПВО), позволяющие управлять световым пучком. В системах уличного освещения у каждого источника света, входящего в состав массива, имеется своя оптическая система с ПВО. В целом эти системы формируют требуемую диаграмму направленности. Разработчики светильников также применяют испытанный метод управления светом — рефлекторы. В настоящее время наибольшей популярностью пользуются отдельные светодиоды, на которые установлена оптика с ПВО (см. рис. 2).

В светильниках компании LED Roadway Satellite светодиоды находятся на двух отдельных плоских поверхностях, расположенных под небольшим углом друг к другу. Продукция компании GE Evolve отличается от изделий двух указанных производителей тем, что массив из отдельных светодиодов оснащен концентрическими круговыми рефлекторами.

ОПТИКА С ПВО П р о бл е м а и с п о л ь з о в а н и я ПВО-оптики заключается в очень сложном и дорогостоящем проектировании, которое может оказаться затруднительным для небольших фирм, желающих выйти на рынок твердотельного освещения. Компании BetaLED и Cooper рассматривают оптику с ПВО как добавленную стоимость своих светильников и даже создали торговые марки NanoOptic и AccuLED, соответственно. Однако этим достаточно большим компаниям требуется финансовая поддержка для разработки такой оптики и предоплаты за герметизацию изделий. У начинающего производителя светильников существуют и другие способы выйти на рынок. Например, компания Osram Opto Semiconductor разработала серию мощных светодиодов Golden Dragon Oval Plus с первичной овальной линзой для уличного и наружного освеще-

ния. Такая оптическая система позволяет генерировать свет с заданной диаграммой направленности. Разработчикам в случае применения этих светодиодов не придется тратить время и деньги на проектирование оптической системы или искать способы применения существующей оптики. Скорее всего, главные производители уличных светильников, оснащенных оптикой с ПВО, не станут использовать светодиоды Golden Dragon Oval Plus. Однако у небольших производителей эти изделия уже нашли спрос. В июле текущего года компания Osram заявила об установке 200 уличных светильников Golden Dragon Oval Plus в сибирском г. Кемерово (см. рис. 3), изготовленных компанией LLC TD Focus. В состав каждого светильника входит 90 светодиодов. Согласно заявлению Osram, диаграмма направленности этих источников света соответствует типу I, однако их излучение можно реализовать по типам II, III или IV.

ПОЧЕМУ НЕ РЕФЛЕКТОРЫ? Закономерно возникает вопрос о том, почему оптика с ПВО стала самым предпочтительным решением. Так произошло потому, что в предыдущие годы разработчики светильников в основном использовали 1…3-Вт светодиоды, а большие

Рис. 2. В уличном светильнике LEDway компании BetaLED каждый источник света оснащен оптической системой с ПВО NanoOptic

Продукция компаний BetaLED и Leotek разработана на основе отдельных светодиодов, установленных на плоской поверхности, которая параллельна плоскости дороги. Каждый светодиод оснащен оптической системой с ПВО.

www.lightingmedia.ru

Рис. 3. В российском г. Кемерово были установлены 200 уличных светильников со светодиодами Golden Dragon Oval Plus компании Osram Компания. Поставщик решения – компания LLC TD Focus

разработка и конструирование массивы этих источников света начали применяться в системах уличного освещения с высокой светоотдачей сравнительно недавно. Для систем уличного освещения с высокой светоотдачей требуются более мощные источники света. Однако для меньшего числа мощных источников света целесообразнее использовать рефлекторы. Какими бы ни были светодиоды — PhlatLight компании Luminus или заключенная в корпус матрица от Bridgelux либо другого поставщика, оптика с ПВО не используется в этом случае для формирования светового пучка. Дело в том, что размеры оптических ПВО-систем стали бы настолько велики, что герметизация изделий не обеспечила бы надежности решений. Представители компаний Cree, Bridgelux и Luminus единодушны в том, что оптика с ПВО — не самый лучший выбор для источников света больших габаритов, однако их мнения расходятся в вопросе о способности рефлекторов выполнять возложенные на них функции. Так, компания Cree считает, что оптика с ПВО — единственный метод обеспечения требований к эффективности и управлению освещением.

БОЛЬШИЕ СВЕТОДИОДЫ ИЛИ МАССИВЫ МОГУТ СНИЗИТЬ СТОИМОСТЬ СИСТЕМЫ Как бы то ни было, вопрос о предварительных расходах компании-разработчика чрезвы-

чайно важен, т.к. в случае внедрения светодиодной системы уличного освещения требуется не один год на возврат инвестированных средств за счет сэкономленной электроэнергии и снижения расходов на техобслуживание. Сторонники применения больших источников света полагают, что такой подход позволит снизить стоимость светильников и, возможно, обеспечит лучшее освещение. Действительно, уличный светильник, в котором используется до 10 массивов вместо 100 источников света, требует меньших усилий по монтажу, меньшее число оптических систем, а также способствует сокращению числа этапов производства. В этом случае оптической системой может служить рефлектор или рефлектор с линзой. Компания Bridgelux ищет партнеров по созданию экосистемы по разработке оптических компонентов — известно, например, что технология оптики с ПВО создавалась несколько лет. На текущий момент у Bridgelux имеются только заказчики на этапе моделирования систем уличного освещения. Те м в р е м е н е м к о м п а н и я Luminus продемонстрировала на выставке Lightfair прототип светильника на одном светодиоде CSM-360 PhlatLight. Этот компонент в 36 раз больше стандартного 1-Вт светодиода. Светильник не предназначен для направленного освещения и не слепит. В настоящее время компания ищет

партнеров по созданию серийных изделий.

КОМФОРТНО ЛИ ИЗЛУЧЕНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПВООПТИКИ? По мнению некоторых специалистов, уличное освещение с использованием множества отдельных источников света с ПВОоптикой не вызывает положительных эмоций. Разумеется, невозможно объективно судить о том, как люди оценивают качество света таких систем, поскольку многие из них попросту не замечают, что светильники состоят из множества отдельных источников света, которые могут ослепить. На выставке Lightfair компания Everbrite демонстрировала светильник PSL125 с рефлектором, позволяющим создавать требуемые диаграммы направленности. Это светильник имеет округлую форму, тогда как светодиоды установлены в ряды, образующие стороны квадрата. Излучение светодиодов направлено на рефлектор, который формирует направление пучка. Основным инновационным компонентом в этом светильнике является рефлектор, который за счет изменения своего размера и формы меняет диаграмму направленности пучка. Специалисты компании Everbrite считают, что проектирование с использованием рефлектора намного проще, чем с помощью оптики с ПВО. Возможно, компании удастся, в конце концов, применить технологию герметизации в производстве рефлекторов.

LED-телевизоры займут 50% рынка России к 2014 году Ожидается, что продажи ЖК-телевизоров в России продолжат расти в течение ближайших 4−5 лет. Но учитывая неожиданную привлекательность для покупателей приборов с низким энергопотреблением, в ближайшие годы может существенно увеличиться доля LED-телевизоров.

По некоторым оценкам к 2014 году в общем объеме отгруженных в Россию ЖК-телевизоров на долю моделей со светодиодной подсветкой будет приходиться более 50%. В настоящее время производители Samsung Electronics, Toshiba, LG Electronics, Sony и

Philips Electronics начали производство или импорт моделей со светодиодной подсветкой. Местные производители также начинают выпускать такие модели. Источник: http://www.ledinside.com/news_ Russia_LED_20101115

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование

Как найти баланс между энергоэффективностью и восприятием освещения человеком Питер Дихофф (Peter Dehoff ), Zumtobel Lighting Международное энергетическое агентство (IEA) утверждает, что 19% электроэнергии в мире идет на освещение. В то же время, качество освещения имеет огромное значение для человека. Как найти оптимальное соотношение между энергопотреблением и качеством освещения? В статье рассмотрены показатели энергоэффективности и качества освещения, а также международные стандарты в этой области. Кроме того, обсуждается методика оценки качества освещения в зависимости от используемого решения. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

ВВЕДЕНИЕ

Обсуждение проблем изменения климата имеет огромное значение. Мир признает существование угрозы, поэтому не только политики, в частности Эл Гор (Al Gore) и его движение «Неудобная правда» (An inconvenient truth), но и другие деятели говорят нам о необходимости начала активных действий. В своем докладе, который касается экономических аспектов грядущего глобального потепления, бывший экономист Всемирного банка Николас Штерн (Nicholas Stern) высказался за срочные и интенсивные действия стран, направленные на преодоление последствий изменения климата, польза от которых должна значительно превысить необходимые затраты. По этой причине потребление энергии и выбросы парниковых газов, в частности CO2, в глобальном масштабе должны быть сокращены. В данной статье основное внимание будет уделено обсужде-

нию вопросов энергопотребления систем освещения зданий, в которых расположены центры оказания профессиональных услуг. В Европе законодательство в сфере энергоэффективности зданий было принято Еврокомиссией в 2002 году и в настоящее время вступило в силу во всех Европейских странах. Системы освещения являются одним из потребителей энергии в зданиях. Энергоэффективность новых и существующих зданий должна быть документально зафиксирована в обязательном сертификате по энергопотреблению. Оценка энергопотребления производится с помощью LENI (Lighting Energy Numeric Indicator) — показателя, выраженного в кВтч/м2 в год, который отражает годовое потребление энергии, необходимой для функционирования систем освещения в соответствии со спецификациями здания. Так как имеется показатель, логично установить также и критерии энергопотребления, что отражено в стандарте EN 15193, описывающим требования по энергоснабжению систем освещения. Огромное значение имеет то, чтобы спроектированная и установленная система освещения соответствовала рекомендуемым нормам, которые зафиксированы в стандарте EN 12464. Требования людей к качеству освещения имеют еще большее значение. Эти требования определяются показателем качества освещения — ELI (Ergonomic Lighting Indicator). Этот показатель введен для того, чтобы иметь возможность учесть одновременно множество аспектов качества освещения. В указанных выше стандартах имеются ссылки друг на друга.

Таким образом, можно оценить баланс между восприятием освещения человеком и энергоэффективностью.

LENI LIGHTING ENERGY NUMERIC INDICATOR: АСПЕКТЫ ЭНЕРГОЭФ ФЕКТИВНОСТИ Согласно директиве ЕС 2002/91/EC «Энергетика зданий» (Energy performance of buildings) обязательным требованием является наличие энергетического сертификата, который отражает общее энергопотребление здания, включающее в себя энергию, необходимую для систем отопления, кондиционирования воздуха, водоснабжения, вентиляции, освещения, а также систем управления. Методика расчета для систем освещения представлена в стандарте EN 15193-1 «Оценка мощности, потребляемой системой освещения» (Lighting energy estimation). Этот стандарт учитывает различные аспекты энергопотребления: а) подключенная нагрузка: все установленные светильники; б) использование в дневное время: управление освещением в дневное время и загрузкой; в) использование в ночное время: управление загрузкой; г) использование постоянного освещения: управление первичным освещением (технический осмотр); д) дежурный режим: паразитная мощность в контролируемых элементах системы освещения; е) алгоритмическое освещение и задание сцены для снижения энергопотребления. Общая мощность, используемая для освещения за год равна: WLIGHT = WL + WP, кВтч/год.

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование Показатель LENI (Lighting Energy Numeric Indicator) был введен для того, чтобы рассчитать годовое потребление энергии системой освещения на квадратный метр площади, которая требуется для выполнения функций освещения в соответствии со спецификациями здания: , кВтч/(м2 год). Очевидно, что на энергопотребление системы освещения может серьезно влиять использование управления. В стандарте используется базовая формула для измерения и расчета годового энергопотребления освещения зданий WL,t:

FC — коэффициент постоянного освещения; tp — период использования паразитной мощности; tD — период дневного использования; FD — коэффициент дневного освещения; FO — коэффициент загрузки; PPC — паразитная мощность в зоне (которая в общем случае означает потери в дежурном режиме); ty — стандартное годовое время (8760 часов); PEM — общая установленная мощность заряда для светильников аварийного освещения в зоне; tEM — время заряда для системы аварийного освещения.

ELI ERGONOMIC LIGHTING INDICATOR: АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА ОСВЕЩЕНИЯ Кроме того, в расчет энергопотребления входит паразитная мощность для оценки потерь в дежурном режиме и мощность, требуемая для аварийного освещения:

В этих формулах: Pn — общая мощность освещения в зоне;

Показатель ELI использует пять основных критериев для описания общего качества осветительного оборудования. Они связаны с наиболее важными аспектами человеческого восприятия освещения. Ниже перечислены пять критериев качества освещения: – визуальные характеристики; – перспектива (вид сцены); – зрительный комфорт; – жизненная сила; – возможности (влиять на освещение).

Они оцениваются по шкале от 1 (плохо) до 5 (прекрасно). Общее описание этих пяти критериев дано на рисунке 1. Каждая размерность шкалы включает несколько подкритериев. Они необходимы для надежного и воспроизводимого анализа. Этот метод используется для коммуникации между людьми во время осуществления проекта в области освещения (к примеру, связь между заказчиком и разработчиком). В начале обсуждаются требования по освещению. Затем разрабатывается или даже устанавливается система освещения. И наконец, можно выполнить оценку решения. Для всех этапов можно использовать специальные опросные листы, в которых, кроме пяти основных, указаны 38 дополнительных критериев. Требования к проекту можно легко сравнить с оценкой решения (см. рис. 1: оранжевая область — требования к проекту, синяя область — оценка решения). Сила и слабость различных решений по освещению видны наглядно. Когда возникает необходимость сделать сложный анализ, часто можно получить паутиноподобные графики, подобные показанному на рисунке 1. Их легко проанализировать, что является основным преимуществом при их использовании для связи между заказчиком, который обычно не является специалистом, и разработчиком, который является специалистом с детальными знаниями многих тонкостей освещения. Показатель ELI является результатом первых исследований в этой области; он был разработан совместно с профессором Кристофом Ширзом (Christoph Schierz) из Швейцарского института технологии (в настоящее время он работает в Техническом университете в Ильменау).

ЭМПИРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ: ОБЪЕКТИВНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ОПРОСНОГО ЛИСТА ELI

Рис. 1. Паутиноподобный график показателя ELI отражает оценку качества освещения. Требования к системе освещения согласованны с заказчиком (светло голубые линии). Качество трех предложенных решений (цветные линии) можно легко сравнить между собой

www.lightingmedia.ru

В эмпирическом исследовании опросный лист был тщательно рассмотрен с помощью анализа заданий и критерия традиционного теста. Были выполнены две серии экспериментов.

разработка и конструирование

Рис. 2. Паутиноподобный график показателя ELI отражает оценку качества освещения. Требования к системе освещения согласованны с заказчиком (светло голубые линии). Качество трех предложенных решений (цветные линии) можно легко сравнить между собой

В первой серии была проверены основания для метода опросного листа. На основе проектной документации 22 испытателя ответили на вопросы ELI сначала для требований к проекту, а затем для оценки решения. Результаты были исследованы с помощью анализа заданий и критерия выполнения теста в том, что касается объективности, надежности и достоверности. Кроме того, были проанализированы отдельные вопросы, связанные с масштабированием, измерением и операционализацией. Во второй серии было протестировано приложение по процессу оценки. Необходимо было выявить проблемы, которые могут возникнуть во время технологического процесса создания системы. Поэтому был смоделирован, изучен и проанализирован полный процесс работы над

проектом. Эта экспериментальная серия была выполнена двумя разработчиками. Они должны были получить у заказчика требования на проект. Затем им нужно было предложить и оценить совместно с заказчиком качество освещения. Проект был связан с освещением реального офиса. В целом, анализ показал, что метод оценки может быть квалифицирован как объективный и достоверный. Его точность может быть увеличена за счет совершенствования вопросов, относящихся к различным приложениям. Вторая серия тестов была проведена в лабораторных условиях. Результаты тестов показали, что оценка концепции системы освещения может стать частью повседневной работы разработчика. Данный подход был оценен испытателями, в целом, как

точный. Тем не менее, были собраны полезные сведения для дальнейшего совершенствования показателя ELI. Опросный лист для оценки качества освещения одобрен в качестве надежного инструмента. Для того, чтобы улучшить точность показателя ELI задания и оценки должны быть адаптированы к различным приложениям по освещению.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ОЦЕНКИ ELILENI Для оценки ELI-LENI предлагаемых решений был использован калькулятор ELI-LENI (см. рис. 2). На рисунке 3 показаны четыре решения для системы освещения, которые были использованы для длительных исследований характеристик освещения на базе полученных эмпирических данных.

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование

Рис. 3. Для длительных исследований с целью подтверждения эмпирических результатов были реализованы четыре решения по освещению для типовых ситуаций в офисе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Серьезные усилия по сокращению энергии, потребляемой системами освещения, должны соответсвовать требованиям по качеству освещения. Показатель LENI отражает энергоэффективность осветительного оборудования и, что даже более важно, показывает необходимость эффективного управления освещением. Непременным тре бованием является использование естественного освещения и детектирование присутствия. Управление осве-

www.lightingmedia.ru

щением обеспечивает подстройку освещения к требованиям пользователя. Качество освещения, которое включает в себя множество аспектов, представляет собой больше, чем просто показатель. Поэтому паутинообразный график — это весьма полезный инструмент для отображения пяти основных критериев. Он помогает специалистам сбалансировать энергоэффективность и качество освещения. В конечном итоге, энергопотребление системы освещения может сни-

зиться, а качество освещения — возрасти. Показатель LENI уже утвержден в стандарте. ELI войдет в руководства по освещению. В будущем он может стать обычным инструментом оценки качества освещения. Между ELI и LENI должен быть найден оптимальный баланс. ЛИТЕРАТУРА 1. Peter Dehoff. The balance between energy efficiency and human aspects in lighting// Proceedings of CIE 2010 «Lighting Quality and Energy Efficiency».

разработка и конструирование

Срок службы светодиодов и их надежность – ключ к успешной реализации светотехнических проектов Джордж Мао (George Mao), Маршалл Майлс (Marshall Miles), Inventronics Срок службы изделий и их надежность являются двумя очень разными, но связанными между собой характеристиками. Понимание этой связи позволяет создавать продукцию, которая в условиях эксплуатации ведет себя предсказуемо.

Из-за угрозы дальнейшего загрязнения окружающей среды во многих странах мира происходит замена стандартных ламп накаливания на энергоэффективные источники света. Несмотря на то, что системы освещения переходят на использование компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), содержащаяся в них ртуть, а также возможность дальнейшего снижения энергопотребления вынуждает задуматься о переходе к светодиодным светильникам. Новейшие образцы этих ламп потребляют примерно на 80% энергии меньше, чем лампы накаливания, и не содержат ядовитых материалов. После того как лампы накаливания стали заменяться КЛЛ с электронным балластом, потребители обратили внимание на слишком частый выход из строя этих ламп. Причина отказа — появление электронных блоков в стандартных лампах. Несмотря на то, что светодиодное освещение в состоянии обеспечить более продолжительный срок службы и большую надежность, вопрос в том, следует ли применять в новых системах освещения электронные блоки. Несмотря на то, что

множество плохо спроектированных светодиодных изделий запятнало репутацию этого типа освещения, тщательно продуманная светодиодная система способна проработать до 50 тыс. ч. Однако до тех пор, пока блок управления светильника не обеспечит соответствующий срок службы и высокую надежность, это преимущество не будет реализовано.

СРОК СЛУЖБЫ И НАДЕЖНОСТЬ Необходимо понять, что срок службы изделия и его надежность — два совершенно разных, но связанных друг с другом параметра. К сожалению, их нередко путают, т.к. они чаще всего выражаются в количестве часов. Срок службы — это время, в течение которого изделие работает должным образом, прежде чем произойдет его износ и продукт станет невозможно использовать. Понятие надежности связано с частотой (интенсивностью) случайных отказов некоторого количества изделий. Надежность выражается как частота отказов (Failures per Interval of Time, FIT), или как обратная величина — средняя наработка на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). Например, срок службы в 50 тыс. ч означает, что определенное изделие прослужит 50 тыс. ч, прежде чем выйдет из строя. Если MTBF = 50 тыс. ч, то для 1000 шт. изделий случайный отказ может происходить один раз за 50 ч эксплуатации. Оба понятия важны для понимания возможностей системы светодиодного освещения и ее успешной реализации.

СРОК СЛУЖБЫ И КОНДЕНСАТОРЫ Оценка срока службы любого продукта, в основном, сводится к изучению всех известных механизмов износа и к определению самого критичного компонента системы, который делает ее неработоспособной. Для большинства источников питания электронных систем, включая драйверы светодиодов, таким компонентом является электролитический конденсатор. Скорость высыхания электролита зависит от рабочей температуры конденсатора. Она является функцией температуры корпуса компонента, а также внутреннего тепла, выделяемого при прохождении тока пульсаций по конденсатору. Выражение для срока службы электролитического конденсатора выглядит следующим образом: Lx = k L0 2(Ts –Ta)/10,

(1)

где Lx — срок службы; k — коэффициент, определяемый СКЗ тока пульсаций конденсатора и его рабочим напряжением; L0 — величина срока службы, определенная в стандартных условиях и приведенная в техническом описании компонента; Ts — номинальная температура корпуса; Ta — рабочая температура корпуса. С помощью уравнения (1) достаточно просто оптимизировать разрабатываемую схему. Прежде всего, необходимо выбрать высококачественный конденсатор с продолжительным сроком службы. Затем разработчик должен постараться снизить СКЗ (среднеквадратичное значение) тока пульсаций и рабочее напряжение относительно его номи-

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование

Рис. 1. Зависимость потерь мощности от КПД для 150-Вт драйвера

Та окажется неодинаковой, что по-разному отразится на сроках службы устройств. На рисунке 2 показана зависимость КПД от срока службы для 150-Вт драйвера при температуре окружающей среды 45°C. В отсутствие хорошей теплопроводности или конвекции рассеивание мощности может привести к повышению температуры внутри драйвера, даже если у него высокий КПД. С помощью хорошо проводящего герметизирующего компаунда, а также прочного алюминиевого корпуса с большой площадью поверхности можно существенно уменьшить тепловое сопротивление между устройством и окружающей средой. В результате, например, срок службы 150-Вт драйвера достигает 87 тыс. ч при температуре 45°С.

НАДЕЖНОСТЬ, MTBF И FIT

Рис. 2. Зависимость срока службы от КПД 150-Вт светодиодного драйвера

нального значения. Повышение требований к характеристикам конденсатора ведет к удорожанию стоимости изделия, тогда как невнимание к этому вопросу может значительно сократить срок службы компонента.

ТЕМПЕРАТУРА И КПД ДРАЙВЕРА Наиболее эффективным методом проектирования системы является снижение температуры корпуса конденсатора. Температура конденсатора зависит от температуры драйвера, его способности проводить или переносить тепло путем конвекции в окружающую среду, а также от количества тепла, рассеиваемого драйвером. Для конкретного корпуса и приложения основной вклад в рост температуры вносит рассеиваемая драйвером мощность, которая напрямую определяется КПД этого устройства. Другими словами, чем выше эффективность устройства и меньше его тепловое сопротивление, тем больше срок службы изделия. КПД играет намного большую роль, чем многие полагают. Например, при его снижении с 95 до 85% рассеиваемая мощность

www.lightingmedia.ru

уменьшается вовсе не на 10%. Напротив — количество рассеиваемого тепла увеличивается в 3,3 раза. Компания Inventronics приложила немало усилий к тому, чтобы увеличить КПД светодиодных драйверов. Рассмотрим, например, серию популярных 150-Вт устройств EUC-150S с постоянным выходным током. Как видно из рисунка 1, если КПД при полной нагрузке и напряжении 220 В АС составляет 92%, величина рассеиваемой мощности равна 13 Вт. Изменение КПД всего лишь на 1% может привести к заметному изменению потерь мощности. Поскольку у разных моделей драйверов величина КПД может значительно варьировать, температура внутри корпусов устройств существенно различается. Из уравнения (1) видно, что понижение температуры на 10° увеличивает срок службы в два раза. Даже если тепловой расчет для разных компонентов одинаков, т.е. тепловое сопротивление между конденсаторами и воздухом одинаково, из-за разных КПД драйверов рабочая температура корпуса

Надежность связана с частотой отказов определенного числа изделий, работающих при расчетных условиях в течение срока службы. Как правило, надежность продукта определяется с помощью показателя MTBF. Несмотря на то, что надежность и срок службы чаще выражаются в часах, это совершенно разные понятия. Уравнение (2) определяет MTBF следующим образом: MTBF = Время службы/отказы Например, время работы 1000 изделий, функционирующих 24 ч в сутки, составит 24 тыс. ч. Если это количество изделий работает один месяц, в течение которого происходит 4 отказа, величина MTBF составит: 1000 шт. · 24 ч/день · · 30 дней/4 отказа = 180 тыс. ч. Другой пример. Если у изделия MTBF = 300 тыс. ч, то частота отказов 1000 шт. этих изделий в среднем составит 1 отказ через каждые 300 ч. Аналогично, у 10 тыс. таких изделий один отказ будет происходить в среднем каждые 30 ч. Точнее говоря, если показатель MTBF какого-то продукта составляет 300 тыс. ч, это НЕ значит, что он прослужит заявленное время. MTBF определяет только математическое ожидание времени работы системы до отказа.

разработка и конструирование Возможно, чтобы лучше разобраться в понятии надежности, следует рассмотреть ее как частоту отказов. Уравнение (3) определяет эту величину как обратную к MTBF. Однако в силу того, что эта величина (которую еще называют FIT) может оказаться достаточно малой, ее обычно умножают на 109 ч: Частота отказов = 1/MTBF При определении срока службы изделия необходимо лишь рассчитать время эксплуатации самого критического компонента системы, тогда как при определении надежности изделия следует оценить частоту отказов каждого компонента и учесть результирующий показатель. Немало времени затрачивается на оценку надежности электронного оборудования. Для такого расчета чаще всего используется военный стандарт MIL-HDBK-217 — прогностический метод определения надежности, применяемый компанией Inventronics. Еще одним достаточно известным методом является прогностическая модель определения надежности Telecordia SR-332, однако военный стандарт более консервативен и точен. Сравнение надежности двух изделий с помощью одной методологии считается правильным, тогда как сравнение показателей надежности изделий с помощью разных методов является бессмысленным занятием.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ Для обеспечения максимальной надежности изделия необходимо учитывать следующие соображения. Во-первых, требуется сделать правильный выбор топологии силового каскада схемы. Надежность полупроводниковых устройств, как правило, зависит от рабочей температуры перехода. Такие топологии мягкой коммутации как обратноходовая с переключением при нуле тока (Zero Current Switching, ZCS) или полумостовая LLC позволяют свести к минимуму потери при переключении, улучшив тепловой режим полупроводников и собственно драйвера. Во-вторых, следует выбрать компоненты высокого качества,

Рис. 3. Кривая зависимости частоты отказов от времени

обеспечивающие большую устойчивость к нагрузкам. Например, для надежно работающей схемы необходимо предусмотреть 20% от диапазона допустимых рабочих напряжений для электролитических конденсаторов и 10% — от допустимого рабочего напряжения для полупроводниковых устройств. В-третьих, схемы защиты позволяют уберечь устройства от работы в ненормальных условиях, включая перегрузку по току, режимы повышенного или пониженного напряжения, перегрев и короткое замыкание. Кроме того, необходимо предусмотреть использование сетевых фильтров, предотвращающих разрушение драйвера. В-четвертых, возвращаясь к вопросу о КПД и тепловом режиме, необходимо учесть, что рассеиваемое тепло имеет прямое и заметное воздействие на надежность работы таких полупроводников как МОП-транзисторы, микросхемы и оптопары. Наконец, к вопросу о надежности относится понимание и исключение возможности ранних отказов, возникающих после того как изделие покинуло сборочную линию. Понятие надежности изделия распространяется только на фактический срок его службы и не применяется после износа. Аналогично, это понятие применимо только после начальной фазы эксплуатации, т.е. после этапа приработки. На рисунке 3 показана U-образная кривая зависимости интенсивности отказов от времени. У большинства электронных изделий высока частота отказов на этапе приработки. Затем изделие эксплуатируется в течение определенного срока службы (го-

ризонтальная часть кривой). Наконец, частота отказов возрастает, когда изделие изнашивается. Перед производителем стоит задача не допустить того, чтобы изделия, отказавшие в период приработки, покинули стены производственных помещений. Для выявления брака компания Inventronics дважды проводит испытания на отказ всех без исключений изделий еще до их герметизации. После окончательной сборки все изделия подвергаются в процессе эксплуатации воздействию тяжелой нагрузки и высокой температуры в течение 4—12 ч. Далее продукция проходит комплексную функциональную проверку, цель которой в том, чтобы исключить ранние отказы в процессе эксплуатации.

ВЫВОДЫ Понимание вопросов, связанных со сроком службы и надежности изделий, важно для обеспечения их безотказной работы в реальных условиях. Особенно важны эти вопросы в отношении светодиодных систем освещения, сроки окупаемости которых измеряются несколькими годами, а долгосрочные гарантии являются необходимостью, и снижение стоимости заметно повышает рентабельность инвестиций. Таким образом, мы рассмотрели ключевой показатель светодиодного драйвера — его КПД, который определяет успешное проектирование системы. Несмотря на то, что данные устройства отвечают требованиям современных систем освещения, требуется немало внимания и усилий, чтобы реализовать проект с использованием этих компонентов.

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование

Надежность и совместимость — ключевые принципы в разработке светодиодных устройств и систем Для повседневного использования светодиодные осветительные приборы должны быть совместимы с энергосистемами и электросетями, считает сотрудник Научно-исследовательского института Электроэнергии (EPRI) Филип Киблер.

Использование электронных систем и их компонентов в дизайне, разработке и технологическом производстве освещения открывает осветительным приборам новые перспективы. С тех пор, как для запуска лампы Т8, в электронных щебнях люминесцентного освещения стали использоваться диоды и транзисторы, прогресс шагнул далеко вперед. Современные разработчики осветительных приборов не просто усовершенствовали этот механизм контроля — они разработали интеллектуальные преобразователи переменного тока в постоянный, со сложными встроенными микросхемами. По иронии судьбы они также приобрели и большой опыт в использовании светодиодов. Интеллектуальные преобразователи, называемые электронными драйверами, использовались для энергопитания и управления различными массивами светодиодов — от нескольких десятков до сотен элементов в каждом. Сегодня, разработка управляющей электроники для осветительных приборов вышла далеко за рамки изготовления контрольных модулей разрядных трубок наполненных газовыми смесями под различным давлением. Светодиодные устройства и системы вместе со светодиодными источниками света стали частью пакета электроники. Новые перспективы ставят серьезные задачи перед разработчиками светодиодных осветительных приборов и систем. До этого их интересовала лишь электронная начинка механизма

контроля, да пакет управляющих программ газоразрядных трубок. Однако с появлением светодиодных осветительных приборов нужно подумать и о соответствующих управляющих программах. Светодиодный источник света — массив светодиодов, соединенных друг с другом в определенной конфигурации с ряднопараллельной компоновкой и частью встроенных электронных элементов. С такой нагрузкой на управляющую программу, разработчикам необходимо знать, какие нарушения в сети переменного тока сможет выдержать массив, в то время, когда управляющий драйвер подвергается обычным ежедневным перепадам.

СОВМЕСТИМОСТЬ С ЭНЕРГОСИСТЕМАМИ В действительности, преобразование и обеспечение энергией светодиодного массива всего лишь верхушка айсберга. Разработчикам светового оборудования, специалистам и конечным пользователям необходимо, чтобы светодиодные устройства и системы были надежными и совместимыми со стандартными источниками энергопитания. Энергосистема включает в себя как внутреннюю, домашнюю электросеть потребителя, так и внешнюю систему сетевого питания. Результаты исследования научно-исследовательского института электроэнергии (EPRI) показали, что электросети среднестатистического обывателя, как правило, имеют ряд неисправностей, связанных с монтажом и заземлением. И когда во внешних сетях происходят обычные скачки напряжения или сбои, вышеуказанные неисправности ощутимо увеличивают вероятность поломки электронного осветительного устрой-

ства. Светодиодные устройства и системы должны быть приспособлены к работе в общей электросети. В данном случае, общая электросеть включает в себя сети жилых домов, коммерческих и промышленных учреждений, а также наружное и уличное освещение. Электроосвещение стало неотъемлемой частью нашей жизни. От него зависит работа промышленного производства и банковских операций, домашний комфорт и безопасность, а также огромное количество вещей, без которых современному человеку прожить, увы, невозможно. Отключение электричества из-за шторма и грозы, дорожно-транспортных происшествия, животные в зоне подстанций и трансформаторов, нарушение подземных электрокоммуникаций — вот несколько примеров того, что всегда может нарушить работу электрических сетей. Некоторые происшествия могут вызвать временные проблемы с системами сетевого электропитания, в результате чего возможны неожиданное отключение электричества, скачки напряжения и прочие подобные вещи, способные повредить осветительные устройства. В современном энергозависимом мире энергоэффективность и энергосбережение играют чрезвычайно важную роль в улучшении экосистемы планеты. Основная цель всех потребителей-соответствие затрат и результата. Если прибор работает на одну четверть своей мощности то и потреблять он должен столько же, при всех остальных рабочих параметрах. Но если осветительное устройство выходит из строя или перестает полоценно выполнять свои функции раньше положенного срока, то вопрос энергоэффективности и сбережения актуален до тех пор, пока оно работает.

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование ПЕРЕДОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СТАТЬИ Наша цель состоит в публикации ряда статей, касающихся вопроса совместимости и надежности светодиодных светильников и систем. Тематика этих статей представлена ниже: Сетевая совместимость светодиодных светильников и систем; Определим принцип этой совместимости и ответим на следующие вопросы: для чего она разработана? Как повлияет на развитие современной электроники? Чем исследования института электроэнергии EPRI могут помочь современным производителям светодиодов? Какие выгоды извлекут производители из идеи сетевой совместимости? А чем она будет полезна всей светодиодной промышленности? И чем она уже помогла производителям светодиодной и сопутствующей продукции? Испытание сетевой совместимости: обзор этапов тестирования, с комментариями о том, как результаты испытания могут быть применены в светодиодных устройствах и системах. Исследование экономических выгод от испытания: стоит ли производителям тратить деньги на эти испытания. Многие и не знают, что эта идея может еще и принести прибыль. Результаты исследований, ясное представление о том, что представляют из себя современные электросети, смогут помочь специалистам, составляю-

щим гарантийные обязательства на светодиодную продукцию. Использование результатов исследования совместимости, вкупе со стандартами производительности светодиодоной техники: описание того, как исследование совместимости светодиодных устройств и систем вместе со стандартами производительности LM-79 и LM -80 поможет получить более точное представление об особенностях эксплуатации светодиодных устройств в существующих электрических сетях. Примеры инновационных разработок, полученных благодаря испытаниям совместимости. Описание новшеств, полученных в результате прошлых испытаний электронной продукции на совместимость(включая и осветительные устройства). В данном случае важно выяснитьнасколько качественно были эти улучшения реализованы, и прошли ли они испытание временем и условиями эксплуатации. Исследования на совместимость и интенсивность излучения. Описывает, необходимость включения тестов на интенсивность излучения в программу исследования совместимости. Большинство производителей не представляет, каким образом разного рода излучения влияют на остальные объекты исследований и как важно обратить внимание на результаты тестов, чтобы в один прекрас-

ный день не попасть на карандаш Федеральному Комитету по связи или другому надзорному органу в качестве нарушителя предельно допустимых норм излучения. Устойчивость и неисправности электросетей. Описывает необходимость исследований светодиодных светильников на устойчивость к неисправностям. В рамках этого вопроса будет обсуждаться неисправности, разрушающего или неразрушающего воздействия применительно к осветительному оборудованию. Применение принципа совместимости к устройствам светового контроля: есть ли смысл в его применении к проводным и беспроводным системам светового контроля и каким образом это применение скажется на жизнеспособности всей светодиодной системы. Использование результатов исследования совместимости в моделировании надежности: описывает, как результаты исследований могут быть использованы в качестве входных данных модели надежности для светодиодных устройств и систем. В настоящее время у производителей светодиодной техники нет инструмента, позволяющего прогнозировать или анализировать надежность всей светодиодной продукции в целом, включая и то как тот или иной фактор на нее повлияет.

Nanomarkets опубликовала новый отчет о перспективах прозрачных проводников Аналитическая компания NanoMarkets выпустила доклад, под названием: «рынки прозрачных проводников в отрасли OLED − в 2011 и далее». В этом докладе анализируются и возможности, которые может создать рост

www.lightingmedia.ru

OLED промышленности для поставщиков прозрачных проводящих материалов. Согласно новому отчету, рынок прозрачных проводников для OLED-освещения и дисплеев в 2016 году достигнет почти $500 млн.

Источник: http://www.oled-info.com/ nanomarkets-transparent-conductors-oleds2016-will-be-500-million-market?utm_ source=feedburner&utm_medium=feed&utm_ campaign=Feed%3A+oled-info+(OLED-Info%3A +OLED+tech+news+and+resources)

разработка и конструирование

Системный подход позволяет оптимизировать светодиодную подсветку Сяопин Цзинь (Xiaoping Jin), Аркадий Пекер (Arkadiy Peker), Microsemi Corporation В статье обсуждаются вопросы проектирования системы светодиодной подсветки для LCD-дисплеев большого размера. Рассмотрены усовершенствованные методы регулировки яркости светодиодов, особенности построения системы питания и управления тепловыми режимами, а также выбор оптимальной конфигурации блока светодиодной подсветки, которая обеспечивает высокий уровень качества изображения и низкое энергопотребление LCD-панели. Статья представляет собой перевод [1].

Светодиодная подсветка весьма быстро становится наиболее привлекательной технологией для LCD-телевизоров и используется для дисплеев все большего размера. Нет сомнений, что светодиоды станут доминирующим источником света во всех LCDприложениях благодаря возможности создания тонкой конструкции дисплея, малой потребляемой мощности и того факта, что светодиоды обеспечивают высокие характеристики дисплея. Системные разработчики должны иметь представление о том, как оптимизировать блок светодиодной подсветки, чтобы добиться успеха на этом конкурентном рынке. Системные разработчики LCD-телевизоров сталкиваются с рядом проблем при проектировании ТВ-панелей следующего поколения на базе светодиодной подсветки. Они должны выбрать архитектуру светодиодной подсветки (прямая или краевая подсветка), а также метод регулировки яркости светодиодов, систему управления питанием и метод тепловой защиты. Им также необходимо обеспечить точность и стабильность цвета, а также использовать наилучший метод синхронизации управления све-

тодиодной подсветкой с работой видеопроцессора при реализации различных технологий подсветки. Кроме того, следует выбрать оптимальный графический интерфейс пользователя для светодиодной подсветки. Выбор этих решений становится особенно важными для ТВ-панелей большого размера и высокого разрешения. Так как развитие технологии ТВ-панелей движется в сторону реализации в них полного 1080p-разрешения, а размеры экранов увеличиваются, характеристики блоков подсветки играют все возрастающую роль в повышении общего качества изображения. Имеется несколько критически важных факторов, которые необходимо учитывать при проектировании светодиодных блоков подсветки телевизоров следующего поколения с большим размером экрана. Например, необходимо обеспечить высокий уровень равномерности освещенности, как по краям экрана, так и от центра экрана к краю, а также сочетание высокой динамической контрастности с глубоким и насыщенным уровнем черного. Цветовая гамма также играет важную роль и должна соответствовать или превосходить требования NTSC. Необходимо обеспечить все требования по времени отклика матрицы (Motion Picture Response Time — MPRT), а также высокий уровень светоотдачи для минимизации потребляемой мощности. Для того, чтобы получить удовлетворительное качество картинки, производители ТВпанелей используют различные методы регулировки яркости светодиодов, в том числе краевую регулировку (edge-lit — D0) или, для улучшения эффективности, сканирующую регулировку (scanning dimming — D1), а также локальную (зональную) регулировку

(local dimming — D2). Наилучшее качество картинки достигается при реализации светодиодного блока подсветки с использованием метода локальной регулировки яркости индивидуальных R-, G- и B-светодиодов (D3). Кроме качества изображения, имеется ряд проблем, связанных с реализацией каждого из вышеуказанных способов светодиодной подсветки. Светодиодные блоки с краевой (edge-lit) и прямой (direct-lit) подсветкой имеют различные требования, которые влияют на энергоэффективность системы и выбор схемы питания. Разработчики должны выбрать оптимальный метод управления светодиодными цепочками. Также большое значение имеет выбор системы управления освещением, которая обеспечивает точное задание тока светодиода в широком диапазоне входных напряжений и рабочих температур с использованием надежной тепловой защиты. При реализации RGB-светодиодного блока подсветки необходимо точное управление цветом, а также синхронизация с системным видеопроцессором при разных способах управления этим блоком (включая регулировку яркости по методам D0, D1, D2 и D3). В общем случае, светодиодный блок подсветки содержит множество цепочек белых или R-, G- и B-светодиодов. Кроме того, светодиодный блок подсветки включает контроллер управления освещением, который включает в себя интерфейс видеопроцессора для регулировки яркости, а также датчик внешней освещенности (для блока подсветки с белыми светодиодами) или датчик RGB-цветов (для блока подсветки с RGB-светодиодами) и необходимые диагностические функции. Блок подсветки также содержит подсистему питания, которая может включать в себя один или бо-

Современная светотехника, #6 2010

разработка и конструирование

Рис. 1. RGB-подсветка с одним источником питания

лее источников питания с управлением тепловыми режимами и интерфейс с блоком управления и контроля освещением. Наконец, последними компонентами светодиодного блока подсветки являются драйверы светодиодов и связанные с ними схемы защиты. Главными требованиями к подсистеме питания блока подсветки являются низкая стоимость, компактные размеры и высокий уровень энергоэффективности, причем на каждый из этих факторов влияет выбор способа регулировки яркости. Например, для блока с краевой подсветкой с использованием регулировки яркости по методу D0 будут нужны большое количество низкопрофильных источников питания, в то время как для блока с прямой подсветкой с локальной или зонной регулировкой яркости по методу D2 можно использовать меньшее количество более крупных блоков питания. Чтобы понять, как влияет метод реализации регулировки яркости на топологию блока питания, важно понять, как работают светодиоды. Светодиоды — это приборы, управляемые током, яркость свечения которых прямо пропорциональна прямому току. Этот ток обеспечивается источником постоянного тока, что позволяет сохранить равномерную яркость свечения. Источник постоянного тока обеспечивает постоянный ток независимо от отклонений прямого напряжения светодиода при изменении температуры. На рисунке 1 показан RGB-светодиодный блок подсветки, в котором питание матриц RGB-светодиодов осуществляется с помощью источника питания постоянного напряжения, а ток задается индивидуаль-

www.lightingmedia.ru

ными источниками тока. В случае использования цепочек белых светодиодов, каждый из цветных светодиодов можно заменить на белый светодиод. Энергоэффективность блока подсветки с использованием RGB-светодиодов, показанного на рисунке 1, не является оптимальной. Блок питания должен обеспечить максимальное прямое напряжение для всей матрицы светодиодов. Это привело бы к чрезмерному рассеиванию мощности из-за разной величины прямого напряжения светодиодов различного цвета свечения и разброса прямого напряжения светодиодов одного цвета. Такой разброс вызван отклонением параметров светодиодов в процессе их производства. Например, типовая величина прямого напряжения светодиода Luxeon компании Lumiled красного цвета свечения составляет 2,95 В, а зеленого цвета свечения — 3,99 В. Если предположить, что в матрице имеется 10 светодиодов, а номинальный ток светодиода составляет 0,35 А, то падение напряжения на матрице красных светодиодов составит 29,5 В, а на матрице зеленых светодиодов — 39,9 В, что привело бы дополнительному рассеиванию мощности для красной матрицы, равному (39,9 В – 29,5 В) · 0,35 A = = 3,64 Вт. Для того, чтобы улучшить энергоэффективность, системные разработчики могут использовать индивидуальные DC/DCпреобразователи для каждой (R, G и B) светодиодной матрицы/ цепочки и вместо преобразователя использовать источник постоянного тока, в котором стабилизируется напряжение на токочувствительном резисторе. Несмотря на то, что это более

дорогостоящий подход, он обеспечивает существенно лучшую энергоэффективность и может быть использован в схеме, в которой вместо цветных используются белые светодиоды. Другой важной проблемой является управление тепловыми режимами. В светодиодном блоке подсветки необходимо предусмотреть возможность контроля абсолютного теплового коэффициента светодиодов. Это позволяет уменьшить световой поток при росте температуры. Если рабочий цикл ШИМ увеличивается быстрее, чем уменьшается падение прямого напряжения светодиода, то может произойти неуправляемый нагрев светодиодов. В блоках управления и контроля освещения необходимо предусмотреть возможность измерения температуры светодиодов и, в случае превышения заранее установленного значения, уменьшения рабочего цикла всех ШИМсигналов, чтобы предотвратить тепловой пробой в светодиодах и, тем самым, предупредить отказы в блоке подсветки и в дисплее. Управление цветом также имеет большое значение. Для блоков подсветки на белых светодиодах для поддержки общего уровня освещенности дисплея требуется только светочувствительный датчик, а в системах на базе цветных светодиодов необходим более сложный RGB-датчик, а также схема управления уровнем белого, который может быть установлен заранее или выбран пользователем. Оптимальное качество изображения достигается благодаря использованию усовершенствованных методов регулировки яркости, в том числе сканирующей регулировки (D1), локальной или зональной регулировки (D2) или локальной регулировки яркости индивидуальных R-, G- и B-светодиодов (D3) (см. рис. 2). Для покадровой синхронизации светодиодного блока подсветки с видеопроцессором, данные для каждой из световых зон, которые управляются этим блоком подсветки, должны быть синхронно обновлены. Если световые зоны и панельные данные не синхронизированы достаточно точно, то качество изображения ухудшается. Для оптимальной синхронизации требуется высокоскоростное соединение, например, по шине SPI. Кроме того,

разработка и конструирование могут понадобиться специальные коммуникационные протоколы для передачи данных для каждой световой зоны при локальной (зонной) регулировки (D2) и для каждой R-, G- и B-цепочки при локальной (зонной) регулировки на базе RGB-светодиодов (D3). Высокоскоростной интерфейс также требуется для передачи тактового сигнала и данных VSYNC при синхронизации данных. Коммуникационная шина должна также иметь возможность разрешать/ блокировать передачу данных для того, чтобы управлять каждой зоной в режиме сканирующей регулировки яркости (D1). Компания Microsemi впервые предложила метод, который назвали адаптивной локальной регулировкой яркости (adaptive local dimming), позволяющий обеспечить подсветку только тех областей изображения, где это необходимо, и ослабить освещенность более темных областей изображения. Новый метод позволяет сделать черный цвет более насыщенным и существенно улучшить цветопередачу, контрастность, резкость движущегося изображения и уровень серого, а также обеспечить энергосбережение за счет исключения подсветки в тех областях, где это не нужно. Этот метод подсветки реализован в контроллере подсветки LX23204 компании Microsemi, ко-

Рис. 2. Усовершенствованная схема для зонной регулировки яркости RGB-светодиодов

торый поддерживает различные конфигурации с использованием длинных, высоковольтных (до 300 В) светодиодных цепочек для краевой подсветки. Этот подход также используется в 32-портовом контроллере светодиодной подсветки LX24132 и 8-портовом драйвере светодиодов LX23108L, которые обеспечивают масштабируемое, интегрированное решение для приложений с прямой и краевой подсветкой на базе белых или RGB-светодиодов в плоских ТВ-панелях. Разработчики LCD-дисплеев имеют в своем распоряжении широкий набор методов при проектировании оптимальной конфигурации ТВ-панелей со светодиодной подсветкой, а также могут выбрать архитектуру блока подсветки и используемую технологию, что существенно влияет на их стоимость и качество, особенно для экранов большого

размера. Оптимальная схема контроля и управления подсветкой способна улучшить энергоэффективность и качество изображения при более низкой стоимости системы. Наилучшее качество изображения достигается при использовании блока с прямой подсветкой при реализации метода локальной (зонной) регулировки яркости индивидуальных R-, G- и B-светодиодов (D3). Тем не менее, с появлением новых технологий регулировки яркости, возможно достижение выдающегося качества изображения и динамической контрастности с глубочайшим уровнем черного при использовании сверхтонкой конструкции дисплея с краевой подсветкой. ЛИТЕРАТУРА 1. Xiaoping Jin, Arkadiy Peker. System-level approach yields optimized LED backlight design// LEDsmagazine, September/October 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

Современная светотехника, #6 2010

силовая электроника

Устройства защиты предохраняют светодиоды от импульсных помех Филлип Хейвенс (Phillip Havens), Джим Колби (Jim Colby), Тедди Ту (Teddy To), компания Littelfuse

В статье описываются наиболее распространенные типы устройств защиты светодиодных цепочек от переходных импульсных помех, возникающих в системе освещения. Обсуждаются основные параметры, которые должны учитываться разработчиком при выборе устройства защиты, и механизмы отказов светодиодов. Рассмотрены примеры построения схемы защиты светодиодов с использованием металлооксидных варисторов, ограничительных диодов и других устройств. Статья представляет собой перевод [1].

Светодиоды являются приборами, чувствительными к тепловому нагреву, механическому удару, электростатическому разряду и индуцированным разрядами молнии выбросам напряжения. Рост применения светодиодных цепочек в системах твердотельного освещения и подсветке дисплеев требует, чтобы разработчики уделяли больше внимания надежности светодиодных цепочек. Светодиоды высокой яркости, которые сформированы на сапфировых подложках, особенно чувствительны к импульсным помехам. Даже в бытовых

Рис. 2. Металло-оксидный варистор (MOV) и ограничительный диод (TVS) обеспечивают защиту от перенапряжений на входе питания в системе светодиодного освещения

приложениях светодиодным цепочкам нужны устройства защиты от электростатического разряда для того, чтобы обеспечить длительную и надежную работу всего узла. При отсутствии такой защиты, если один светодиод в последовательной цепи выходит из строя и размыкает цепь, все другие светодиоды выключаются. Разработчики должны учитывать необходимость построения схемы защиты для всей системы от сети переменного тока на входе до индивидуального светодиода. Существует широкое разнообразие типов устройств защиты для источников питания и драйверов светодиодов. На рисунке 1 в качестве примера изображена схема защиты импульсного источника питания в светодиодной системе уличного освещения. В этой схеме предохранитель в сети переменного тока обеспечивает защиту в случае отказа в системе, который мог бы вызвать перегрузку по току. При этом он должен выдерживать выбросы напряжения амплитудой от 3 000 до 6 000 A и более. Предохранитель по постоянному току предназначен для быстродействующей защиты от превышения допустимого тока в случае отказа компонента в цепи DC/DC-

преобразователя или драйвера светодиодов. Со стороны входа сети переменного тока также необходимо обеспечить защиту от перенапряжения и импульсных помех. Они часто вызываются разрядом молнии, который произошел поблизости, но могут также возникать из-за переходных процессов на шинах питания при коммутации. Обычно в качестве устройств защиты для таких случаев перенапряжения используются металлооксидные варисторы (Metal Oxide Varistor — MOV), по возможности в сочетании с ограничительными диодами (Ttransient Voltage Suppressor — TVS). В схеме защиты источников питания также требуется предусмотреть изоляцию линии питания от земли для предотвращения возможности поражения током. Требования по обеспечению безопасности определены в нормативных спецификациях IEC/UL 60950-1, UL 1449 и IEC/UL 6500. На рисунке 2 представлено решение, которое удовлетворяет этим требованиям. В этой схеме используется металлооксидный варистор и ограничительный диод. Кроме того, защиту от перенапряжений необходимо предусмотреть для микросхемы драй-

Рис. 1. В данном примере светодиодной системы уличного освещения устройства защиты входят в состав импульсного источника питания

Современная светотехника, #6 2010

силовая электроника вера светодиода. Надлежащая развязка с помощью конденсатора и ограничительный диод, рассчитанный на питающее напряжение драйвера линии, обеспечат схему, весьма устойчивую к выбросам напряжения. Некоторые производители драйверов светодиодов используют в своих устройствах схему, которая обнаруживает разомкнутую светодиодную цепь, и в то же время не мешает схеме защиты цепи или поддерживает ее в рабочем режиме, если отказывает светодиод. Надежная схема должна обеспечивать защиту цепи от переходных помех и гарантировать нормальную работу устройства в случае выхода из строя какоголибо светодиода.

ИНДИВИДУАЛЬНАЯ ЗАЩИТА СВЕТОДИОДА Шунтирующее устройство защиты в светодиодной цепочке (см. рис. 3) позволит цепи рабо-

Рис. 3. Защита отдельных светодиодов в цепочке с помощью подходящего шунтирующего устройства не только сохраняет оставшуюся часть цепочки светодиодов в рабочем состоянии, но также обеспечивает защиту драйвера светодиода от чрезмерного роста тока или напряжения из-за отказа светодиодной цепочки

тать в разомкнутом состоянии в случае обрыва в отдельном светодиоде. Это также обеспечит защиту драйвера светодиода от излишнего роста тока или напряжения на нем из-за отказа светодиодной цепочки. Когда речь идет о защите индивидуальных светодиодов и участка последовательной цепи, в которой установлена светодиодная цепочка, выбор надлежащего устройства защиты имеет решающее значение. Для этого требуются знания механизма потенциального отказа свето-

www.lightingmedia.ru

диода и особенностей работы различных видов устройств защиты. Это позволит разработчику системы выбрать подходящее устройство, в том числе такое, которое позволит сохранить в рабочем состоянии последовательную светодиодную цепочку, когда отказывает один светодиод, размыкая при этом всю цепочку. Вначале рассмотрим, как осуществляется управление светодиодами, и обсудим возможные режимы отказов. Последовательно соединенная светодиодная цепочка управляется постоянным током, который генерируется импульсным источником питания. Ток обеспечивает необходимый уровень яркости, цвет и интенсивность свечения светодиодов. Такая схема питания постоянным током гарантирует эффективное управление яркостью группы светодиодов, а также равномерную яркость свечения светодиодов в группе. Светодиоды — это довольно чувствительные твердотельные устройства, которые, по существу, являются диодами с p-nпереходом, излучающими свет при подаче на них напряжения прямого смещения. Основные механизмы отказов светодиода связаны с воздействием механических и тепловых факторов; например, тепловые циклы, тепловые удары и высокая температура могут вызвать старение и обрыв проволочных соединений. Со временем при окислении металл становится хрупким, поэтому вероятность отказов светодиодов увеличивается. Другой распространенной причиной отказов светодиодов являются электростатические разряды или выбросы, индуцированные разрядом молнии.

ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ Основными параметрами при выборе устройств защиты светодиодов являются номинальный ток и мощность светодиода, прямое рабочее напряжение и выходное напряжение драйвера светодиода. Типовая номинальная мощность светодиода высокой яркости лежит в диапазоне от 1 до 3 Вт. Максимальный ток, потребляемый светодиодом высокой яркости при его номиналь-

ной мощности можно определить из уравнения: I = P/Vf, где I — ток, P — номинальная мощность светодиода, а Vf — прямое напряжение светодиода. Доступны светодиоды различной номинальной мощности, поэтому эти величины будут соответственно изменяться. Кроме того, светодиоды, которые излучают свет с различной длиной волны (различные цвета свечения), имеют разные падения напряжения. Например, светодиод красного цвета свечения обычно имеет меньшее значение Vf, чем светодиод белого цвета свечения и поэтому потребляет больший ток. Основной проблемой надежности является непрерывность работы светодиодной цепочки, в случае выхода из строя одного светодиода и размыкания цепи. В приложениях, в которых требуется высоконадежный источник света, это может иметь решающее значение. Многие приложения, предназначенные для работы вне помещений, такие как уличное освещение, расположены над землей, поэтому доступ к ним может быть затруднительным. Отказ светодиода, который приводит к разрыву последовательной цепи, может привести к крупным расходам и неудобствам, так как необходимо будет произвести ремонт всего узла.

ШУНТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ Для защиты и предотвращения выхода из строя всей цепочки в случае отказа одного светодиода необходима установка шунтирующих устройств защиты на выводах светодиода. Среди таких устройств можно выделить: металло-оксидные варисторы, кремниевые триодные тиристоры (SCR), зенеровские диоды, полимерные устройства защиты от электростатического разряда и устройства защиты при обрыве светодиода (open LED protector). Металло-оксидные варисторы лучше всего подходят для защиты от довольно сильных переходных помех в линиях питания, обычно вызываемых разрядом молнии и переключением большой индуктивной нагрузки. К

силовая электроника сожалению, они не являются достаточно быстродействующими устройствами для защиты светодиода от более слабых переходных помех, которые могут вызвать выход из строя светодиода. Кроме этого недостатка, в случае обрыва светодиода металлооксидный варистор не обеспечивает канал для прохождения тока, поэтому вся светодиодная цепочка отключается. В результате выделяющееся на металлооксидном варисторе тепло может также негативно влиять на работу светодиодов. Кремниевые триодные тиристоры могут проводить ток в обход отказавшего светодиода, что сохраняет остальную светодиодную цепочку в рабочем состоянии. Тем не менее, это достаточно крупные устройства и для них обычно требуется цепь резистивных делителей напряжения для установки пускового напряжения. Изменение пускового напряжения кремниевых триодных тиристоров при различных температурах может быть весьма большим. Кроме того, обратное блокирующее напряжение слишком велико, поэтому кремниевые триодные тиристоры не могут обеспечить защиту от неправильной полярности. Зенеровские диоды можно использовать для шунтирования светодиодов при обрыве, и, как правило, они намного компактнее кремниевых триодных тиристоров, хотя и имеют другие недостатки. Когда светодиод выходит из строя и образуется разомкнутая цепь, зенеровский диод должен проводить весь ток последовательной цепи. Большинство зенеровских диодов имеют сравнительно низкий номинальный ток, поэтому их срок службы не будет длительным в таком типе приложений. Режим стабилизации зенеровского диода может вызвать тепловой удар в ограниченном пространстве, что может привести к дополнительным отказам светодиода. Полимерные устройства защиты от электростатического разряда предназначены для высокоскоростных цифровых схем, а не для защиты линий постоянного тока, как в случае светодиодной цепочки. Они имеют более высокое динамическое со-

противление, чем кремниевые приборы, поэтому их фиксированное напряжение смещения слишком велико, чтобы обеспечить защиту чувствительных светодиодов. Кроме того, они не могут обеспечить защиту от перенапряжений и защиту от неправильной полярности. Устройства защиты при обрыве светодиодов разработаны специально для того, чтобы сохранить оставшуюся часть светодиодной цепочки в рабочем состоянии в случае отказа светодиода и обрыва цепи. Это компактные кремниевые приборы, которые устанавливаются на выводы светодиода. Действуя как шунтирующие устройства, они проводят ток в обход отказавшего светодиода и сохраняют остальную часть светодиодов цепочки в рабочем состоянии. Некоторые устройства защиты при обрыве светодиодов обеспечивают также защиту от электростатического разряда и защиту от неправильной полярности, что снижает стоимость схемы освещения за счет устранения необходимости в дополнительных компонентах защиты.

РАБОТА УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ПРИ ОБРЫВЕ СВЕТОДИОДОВ Устройство защиты при обрыве светодиодов представляет собой двухвыводной прибор с внутренним запуском, который устанавливается на выводах светодиода и способен автоматически сбрасываться в исходное состояние в случае самовосстановления или замены светодиода. Это устройство является ключом, который срабатывает по напряжению и обладает малыми токами утечки (порядка единиц мкА) и низким сопротивлением в открытом состоянии, что минимизирует потребляемую мощность (см. рис. 3). На светодиоде во включенном состоянии падает примерно 0,7 В, что недостаточно для включения устройства защиты. При обрыве светодиода в цепи возникает напряжение, достаточное для включения устройства защиты (необходимое напряжение вырабатывается схемой драйвера светодиода). Кроме того, устройство защиты серии PLED6 от компании LittleFuse имеет встроенную схему, которая обеспечивает

Рис. 4. Типовая вольт-амперная характеристика устройства защиты при обрыве светодиодов

защиту светодиода от выбросов напряжения, индуцированных разрядом молнии или электростатическим разрядом. На рисунке 4 приведена вольт-амперная характеристика устройства защиты серии PLED6, на которой показаны ключевые параметры этого устройства — VBR, IS, IH, IT и VT. Напряжение пробоя VBR определяет область вольт-амперной характеристики устройства от напряжения в закрытом состоянии до номинального напряжения пробоя. В выключенном состоянии VBR представляет собой непрерывное пиковое переменное и постоянное напряжение, приложенное к устройству, при котором ток, протекающий через устройство, не превышает 5 мкА (доступны различные номинальные значения VBR от 6 до 33 В DC). IS — это величина тока, при котором устройство переключается из выключенного во включенное состояние, когда приложено минимальное значение напряжения VBR. Обычно максимальная величина IS равна 100 мА. Ток удержания IH — это минимальная величина тока, которая требуется для сохранения устройства во включенном состоянии (типовое значение IH составляет 5 мА). Напряжение в открытом состоянии VT — это максимальное напряжение на устройстве в режиме полной проводимости. IT — это максимальный номинальный ток, который может протекать через прибор в открытом состоянии в течение 2 секунд (максимальное значение 1 А). Обычно, ток свето-

Современная светотехника, #6 2010

силовая электроника

Рис. 5. Третий квадрант этой вольт-амперной характеристики иллюстрирует возможность защиты от неправильной полярности

диодной цепочки намного меньше этой величины, что позволяет устройству защиты при обрыве светодиодов оставаться во включенном состоянии в течение бесконечно длительного времени. Имеются небольшие отклонения вольт-амперной характеристики разных серий устройств защиты при обрыве светодиодов, как показано на рисунке 5 для серии PLED5 от Littelfuse. Вольтамперная характеристика в 3-м квадранте показывает возможность защиты от неправильной полярности для данной серии. Так как серьезной проблемой при работе светодиода является сохранение тепловых условий в допустимых пределах, другим преимуществом таких устройств защиты при обрыве светодиодов служит широкий рабочий температурный диапазон (–40…150°C). Кроме того, они имеют низкое напряжение в открытом состоянии (около 1,5 В) и низкий ток в выключенном со-

стоянии. Поэтому, когда устройство защиты включается, оно рассеивает весьма небольшое количество тепла. Устройства защиты при обрыве светодиодов также хорошо работают совместно с различными методами управления яркостью светодиодов. Наилучшим образом яркость управляется с помощью метода ШИМ-модуляции с частотой переключения от 60 до 100 Гц, однако ШИМ может работать на гораздо более высокой частоте. ШИМ-регулировка яркости обеспечивает более эффективное и более точное управление яркостью, чем простое ограничение постоянного тока, что может вызывать нежелательные изменения цвета. К тому же, линейное регулирование мощности снижает энергоэффективность. В любом случае, устройство защиты при обрыве светодиодов не будет вступать в конфликт с обоими методами регулировки яркости. Устройства защиты при обрыве светодиодов допускают частоту переключения светодиодов до 30 кГц, что исключает какие-либо возможные негативные эффекты, например, мерцание. Идеально, когда в схеме защиты открытого светодиода имеется одно устройство защиты для каждого светодиода. Однако можно использовать и менее дорогую схему защиты. Например, можно установить одно устройство PLED для двух последовательно соединенных светодиодов, когда правильно выбран открытый светодиод. Отказ одного светодиода приведет к тому, что погаснут два светодио-

да, но такая схема защиты стоит на половину дешевле.

ЗАЩИТА ОБЕСПЕЧИВАЕТ ДЛИТЕЛЬНЫЙ СРОК СЛУЖБЫ СВЕТОДИОДА Для светодиодов требуется защита от электростатического электричества, особенно в приложениях, где необходимо обеспечить высокую надежность, таких как критичные с точки зрения безопасности системы освещения, используемые в жестоких условиях эксплуатации. На самом деле, внешние светодиодные светильники могут быть менее надежными, чем обычные системы освещения, если разработчики не обеспечат соответствующую защиту от наиболее сильных импульсных помех. Первая линия обороны — это качественная схема защиты, которая распространяется от входного источника питания до отдельного светодиода. Устройства защиты при обрыве светодиода могут справляться со значительными переходными бросками напряжения и сохранять светодиодную цепочку в рабочем состоянии, когда светодиод выходит из строя с обрывом цепи. Обеспечивая надлежащую защиту, эти устройства являются только частью общего решения, которое должно включать предохранители, металло-оксидные варисторы и ограничительные диоды для защиты импульсного источника питания и драйвера светодиода. ЛИТЕРАТУРА 1. Phillip Havens, Jim Colby, Teddy To. Circuit-protection devices guard against electrical transients//LEDsmagazine, September/October 2010.

Philips продает 80% акций Assembleon Согласно недавнему заявлению дочерней компании Philips − Assembleon, Philips согласилась продать 80% Assembleon независимой частной акционерной компании H2 Equity Partners . Assembleon является поставщиком SMT монтажных решений с более чем 400 со-

www.lightingmedia.ru

трудниками в штаб-квартире в Вельдховене (Veldhoven) и региональных отделениях в Альфаретте (Alpharetta) и Гонконге (Hong Kong). H2 Equity Partners, основанная в 1991 году с офисами в Амстердаме, Мюнхене и Лондо-

не, управляет тринадцатью компаниями с приблизительно € 1,6 млрд (около $1,2 млрд) продажами и около 6000 сотрудников. Источник: http://www.ledinside.com/news_ Philips_20101208

силовая электроника

Встроенная в драйвер защита светодиодов от перегрева повышает их надёжность Стив Робертс

В среднем современные светодиоды имеют втрое большую светоотдачу, чем обычные лампы накаливания, однако они часто досрочно выходят из строя, если их не снабдить достаточно массивным радиатором. Необходимость эффективных средств отвода тепла при более высоком КПД твердотельных источников света на первый взгляд кажется противоестественной. Чтобы разобраться во всех аспектах этой проблемы, в этой статье мы рассмотрим два типичных прожектора, в одном из которых используется традиционная галогенная лампа накаливания, а в другом — массив светодиодов. Затем мы обсудим способы улучшения схемы управления светодиодами, направленные на защиту как светодиодов, так и собственно драйвера от выхода из строя вследствие перегрева, так как меры по повышению надёжности должны охватывать все элементы системы освещения. Оба светильника (см. рис. 1) обеспечивают одинаковый световой поток мощностью 5 Вт. Здесь стоит отметить, что мы используем радиометрические единицы (ватты) для измерения мощности излучения в отличие от обычно используемых люменов, являющихся фотометрическими единицами. Взаимосвязь между ваттами и люменами в общем случае довольно сложна и выходит далеко за пределы данной статьи. Для нас главным является то, что оба светильника обеспечивают одинаковую для человеческого глаза яркость и примерно одинаковое распределение спектра в видимом диапазоне. Однако при этом галогенная лампа потребляет 150 Вт электро-

энергии, в то время как светодиодная — всего 55 Вт. Распределение мощности в обоих случаях показано ниже:

Галогенная лампа – 5 Вт составляет видимое излучение (3% от потребляемой мощности) – 125 Вт излучается в ИК диапазоне (83% потребляемой мощности) – 20 Вт рассеивается соединительной арматурой

Светодиодная лампа – 5 Вт составляет видимое излучение (9% от потребляемой мощности) – 45 Вт рассеивается соединительной арматурой (82% от потребляемой мощности) – 5 Вт составляют потери в драйвере (9% от потребляемой мощности)

Есть несколько причин, по которым очень важно не допускать перегрева светодиодов. Первой из них является существенное падение светоотдачи при повышении температуры, вызываемом как ростом температуры окружающей среды, так и тем, насколько грамотно сконструирована система охлаждения. Во-вторых, светодиоды имеют отрицательный температурный коэффициент падения напряжения. Другими словами, при повышении температуры перехода прямое падение напряжения на нём уменьшается. Значение этого коэффициента лежит в диапазоне от –3 мВ/К до –6 мВ/К, так что для типичного светодиода с прямым падением напряжения в 3,3 В при 25°C повышение температуры до 75°C приведёт к снижению этого напряжения до примерно

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА Несмотря на то, что КПД светодиодов втрое превосходит КПД галогенных ламп, в процессе работы первые генерируют в два с лишним раза больше тепла, которое должно быть рассеяно теплоотводом. Именно поэтому они столь сильно нагреваются при неадекватной системе охлаждения. Мало того, СД ещё и намного более чувствительны к перегреву, так как являются полупроводниковыми приборами с более жёсткими, чем у ламп накаливания, ограничениями на допустимые рабочие температуры. Максимально допустимая температура собственно галогенных ламп составляет 200°C при температуре арматуры 50°C, а допустимая температура корпуса светодиодов составляет всего 115°C при температуре арматуры 65°C.

Рис. 1. Сравнение двух прожекторов на основе галогенной лампы (сверху) и светодиодного источника света (снизу)

Современная светотехника, #6 2010

силовая электроника 3 В. Если источник питания не отрабатывает этого изменения, это приведёт к перегрузке светодиода и дальнейшему саморазогреву и быстрому выходу его из строя. Риск такого лавинообразного процесса наиболее силён в дешёвых СД лампах, где величина тока задаётся простейшим способом с помощью гасящего резистора. В таких лампах комбинация случайного изменения напряжения питания, технологического разброса параметров светодиодов и влияние температурного коэффициента с лёгкостью может привести к неожиданному выходу за границы рабочих режимов и саморазрушению лампы. Если же конструкция лампы достаточно надёжно защищает светодиоды от кратковременных эффектов вроде снижения светоотдачи и лавинообразного саморазогрева, то долговременные последствия от работы при повышенных температурах всё-таки остаются не менее серьёзными.

МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОТКАЗОВ Снижение срока службы при работе при повышенной температуре происходит по нескольким причинам. Некоторые из них связаны с химическими процессами в светодиоде, происходящими при повышении температуры, т.е. с ускорением процессов старения под воздействием тепловых нагрузок, проникновением влаги и окислением, вызванными разгерметизацией корпуса при повышенных температурах (т.е. деградацией пластика, контактной коррозией и эффектами расслоения стыков), а также ускоренным старением полупроводникового материала, вызванного ростом числа дислокаций, электромиграцией, приводящей к появлению «горячих точек» в переходе и диффузии металлов контактов, приводящей к банальному разрыву соединений. Производители всё время совершенствуют производственные процессы, стремясь уменьшить влияние этих механизмов выхода светодиодов из строя. Обычно интенсивность отказов СД существенно возрастает с ростом температуры, однако степень совершенства техпроцесса определяет, сколь велик будет наклон этой кривой и не

www.lightingmedia.ru

появится ли на ней неожиданно тоска перегиба, означающая скачкообразный рост вероятности отказа. С другой стороны, стоит отметить, что тенденция существенного сокращения срока службы при повышении температуры сохраняется в любом случае, независимо от качества техпроцесса. Довольно редко, но всё же встречаются отказы светодиодов из-за механических повреждений. При разогреве СД до рабочей температуры материал корпуса несколько размягчается. В результате токопроводящие элементы и места их соединений могут немного изменить местоположение. При охлаждении же после выключения происходит затвердевание материала корпуса и возникает механическая нагрузка на сместившиеся проводники, что в свою очередь может привести к разрыву контакта. Современные светодиоды именно для исключения этой причины отказов стремятся делать безвыводными . Однако аналогичные процессы происходят и в паяных соединениях между светодиодом и печатной платой, на которой он монтируется, так как повторяющиеся циклы нагреваохлаждения вызывают появление трещин, которые проникают всё глубже в паяное соединение вплоть до полного его разрыва. Это наиболее частая причина обрывов в схемах светодиодных светильников, и наилучший способ уменьшить вероятность отказов такого рода — уменьшить разницу между температурой светодиода и окружающей среды или вовсе не выключать светодиод. Хотя мощные СД более эффективно преобразуют электроэнергию в свет, чем другие источники света, мощность их всё же ограничена. Это приводит к мысли «разогнать» СД до максимальной яркости с целью получения наибольшего количества света. Однако данная стратегия очень опасна, так как легко может привести к преждевременному выходу светильника из строя, если при этом не позаботиться о столь же «разогнанной» системе охлаждения. Есть множество примеров того, как дизайнер создаёт великолепную, прекрасно выглядящую

конструкцию осветительного прибора только для того, чтобы с ужасом обнаружить, что поверхность теплоотводящего радиатора слишком мала или поток охлаждающего воздуха слишком слаб. Мало того, даже правильно сконструированные светильник в конкретных условиях эксплуатации могут выходить из строя по аналогичным причинам. Производители светодиодных светильников не имеют никакой возможности проконтролировать, где и как будут установлены их изделия. В результате при эксплуатации может возникнуть множество проблем, например, при недостаточной циркуляции воздуха (когда, скажем, герметичный светильник помещается в корпус, наполненный чем-то наподобие минеральной ваты) или когда температура окружающей среды превышает расчётную (например, когда светильники размещаются вертикально один над другим и нижние светильники нагревают верхние). В таких случаях вполне вероятен перегрев светодиодов и их последующий отказ. Решением в этом случае является встраивание в драйвер тепловой защиты. При этом перегрев, возникший по любой причине, вызывает уменьшение тока через светодиод и соответствующее уменьшение рассеиваемой мощности, что позволяет удержать температуру светодиода в безопасных пределах. Одним из простейших способов реализации такой защиты является использование в качестве датчиков резисторов с положительным температурным коэффициентом.

ЗАЩИТНАЯ СХЕМА НА ОСНОВЕ ТЕРМИСТОРА На рисунке 2 показан пример построения драйвера с использованием ИС серии RCD компании Recom. Как только температура радиатора доходит до заданного предела, увеличение сопротивления термистора вызывает быстрое падение выходного тока драйвера (см. рис. 3). Привлекательной особенностью драйверов RCD является наличие двух независимых входов регулировки яркости, за счёт чего возможна нормальная её регулировка в рабочем режиме через ШИМ-вход, в то время как

силовая электроника защита от перегрева осуществляется подключением соответствующих компонентов ко второму входу аналоговой регулировки. Выбором параметров термистора и резистивного делителя можно задать необходимое значение порога срабатывания защиты. Данная схема при этом практически не снижает яркости свечения до момента достижения порогового значения температуры. В результате такое решение намного более приемлемо, чем использование метода «грубой силы», когда цепь тепловой защиты просто отключает светодиод при перегреве до тех пор, пока он не остынет, так как в большинстве случаев крайне желательно сохранить хоть какое-то освещение при перегреве вместо того, чтобы просто полностью его отключать. Дополнительным преимуществом данной схемы является малое число (всего три) используемых компонентов, что позволяет обойтись пренебрежимо малым снижением надёжности схемы драйвера и незначительным увеличением его стоимости, в то время как срок службы собственно светодиода и всей конструкции в целом существенно повышаются, а расходы на ремонт значительно сокращаются. Наконец, нельзя забывать, что работа при повышенных температурах плохо сказывается и на надёжности самого драйвера. В идеале драйвер должен быть смонтирован отдельно от светодиодного модуля, так, чтобы всё время работать при комнатной температуре. Однако дизайнеры из эстетических соображений предпочитают объединять все части светильника в единую конструкцию. Многие заходят настолько далеко, что монтируют плату драйвера прямо на теплоотводе светодиода или рядом с горячим светодиодом на той же печатной плате — в наихудшем месте изо всех возможных. Микросхемы серии RCD фирмы Recom содержат встроенные схемы самозащиты от перегрева, которые выключают драйвер при достижении критической температуры и вообще сконструированы так, чтобы обеспечивать высочайшую надёжность как при комнатной температуре, так и при повышенной (например,

Рис. 2. Использование терморезистора с положительным ТКС для защиты от перегрева

Рис. 3. Зависимость выходного тока от температуры для схемы, показанной на рис. 2

Рис. 4. Использование двух термисторов для защиты светодиода и ИС драйвера

гарантированный срок службы для них снижается всего лишь с 600000 часов при 25°C до вполне пристойных 500000 часов при 71°C). Однако если драйвер и светодиод находятся в плотном тепловом контакте, приведённая выше схема повысит надёжностные характеристики и собственно драйвера. Уменьшение тока светодиода при перегреве уменьшает и потери тепла в самом драйвере, помогая поддерживать относи-

тельно низкую его температуру. Конечно, это становится возможным при введении в схему второго термистора, включаемого последовательно с термистором, реагирующим на температуру светодиода, как это показано на рисунке 4, за счёт чего становится возможным учёт и температуры ИС драйвера. Два разных термодатчика здесь используются для того, чтобы учесть различия в максимально допустимых температурах светодиода и драйвера.

Современная светотехника, #6 2010

технологии производства

Технология наноструктурирования увеличивает эффективность светодиодов Сотрудники шведской фирмы «Obducat», Ки Донг Ли, Роберт Сьеден и Тарбьорн Эриксон, считают, что для повышения эффективности светоотдачи светодиодного чипа можно использовать различные технологии наноструктурирования.

Рыночный спрос на светодиодную продукцию растет скачкообразными темпами, благодаря повсеместному использованию светодиодов в подсветке ЖКтелевизоров и потенциальной замене ими ламп накаливания и флюоресцентных ламп. Коммерческий успех светодиодов обусловлен неприрывным совершенствованием всех аспектов технологии изготовления светодиодов, охватывая выращивание эпитаксиального слоя, изготовление кристаллов и корпуса. Эффективность светодиода измеряется соотношением мощности светового излучения и количеством потребляемой им энергии и определяется четырьмя факторами: внутренней квантовой эффективностью, эффективностью светоизвлечения, электро эффективностью и состоянием корпуса. Внутренняя квантовая эффективность определяет, сколько нужно фотонов для образования электронно-дырочных пар и зависит в большей степени от качества эпитаксиального слоя. Эффективность светоизвлечения устанавливает, сколько из произведенных фотонов сможет покинуть световой прибор и зависит от кристалла и корпуса.

ТРАДИЦИОННЫЕ ПОДХОДЫ К УВЕ ЛИЧЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ Благодаря высокому коэффициенту преломления полупроводниковой среды, светодиодные кристаллы изначально имеют

www.lightingmedia.ru

низкую эффективность светоотдачи. Львиная доля произведенного света отражается во внутреннее пространство полупроводника, и лишь малая его часть выходит наружу. Выдвигалось много идей, как с помощью улучшения светоотдачи повысить эффективность всего светодиода. В производстве светодиодов приняты два основных подхода: технологии произвольного текстурирования и шаблонной сапфировой подложки. Для того чтобы решить, какой из подходов к светоотдаче более эффективен необходимо рассмотреть строение современного чипа. Светоидодные чипы разделены на 4 категории в зависимости от типа подложки и типа соединения. В кристалле стандартного светодиода (рис. 1а) слой p-GaN расположен на самом верху, рядом с p- и n-электродами. Эти электроды соединены с корпусом с помощью проводов. В перевернутом светодиоде (рис. 1б) сверху находится сапфировая

подложка, а электроды присоединяются к подставке. Хорошие преимущества в светоотдаче и рассеивании тепла дают удаление сапфирной подложки или использование проводящей основы. Обычно, для этого используется специальная технология «Laser-lift-off», которая удаляет сапфировую подложку с эпитаксиальных слоев. Таким образом, получается тонкопленочный светодиод. В вертикальном тонкопленочном светодиоде (рис. 1с) электрод n расположен сверху, а поддерживающий проводник работает как p-электрод. Еще одним преимуществом такого светодиода является вертикальное течение тока. Когда кристалл светодиода без сапфировой подложки соеденен с помощью специальной подставки, он наывается тонкопленочным перевернутым светодиодом. В этом случае оба электрода расположены на одной стороне как в стандартном перевернутом светодиоде.

а)

в)

б)

г)

Рис. 1. Конструкции кристаллов светодиодов: а) обычный тип светодиода с отформованной сапфирной подложкой, б) перевернутый светодиод, в) тонкопленочный вертикальный светодиод с текстурированной поверхностью n GaN, г) тонкопленочный перевернутый светодиод

технологии производства Основным способом, использующимся в промышленности для повышения светоотдачи стандартного светодиода, является производное структурирование верхнего слоя p-GaN. Обычно, структурирование применяется во время выращивания эпислоя, в ходе процесса химического осаждения из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (MOCVD). Этот метод экономически эффективен и не требует каких-либо дополнительных действий. Однако увеличение размера подложки, а также потеря пропускной способности и однородности могут создать определенные проблемы. В случае с перевернутым или тонкопленочным светодиодами слой n GaN расположен лицевой стороной вверх и для увеличения светоотдачи должен быть неровным или узорным. Для этого обычно применяется технология мокрого травления. Большинство ведущих производителей сверх ярких светодиодов успешно пользуются этой технологией и, как известно,тонкопленочный перевернутый светодиод, у которого слой n GaN обработан по этой технологии обладает наивысшей (около 80%) на сегодняшний день светоотдачей. Вместе с произвольным структурированием в современной светодиодной промышленности также широко используется и метод отформованной сапфировой подложки. Смысл заключается в том, чтобы вырастить эпислой не на плоской, а микроузорчатой подложке. Это дает как минимум два преимущества. Во-первых, благодаря низкой пропускной способности эпислоя, выращенного на узорчатой сапфирной подложке, увеличивается внутренняя квантовая эффективность. Во-вторых, так как узоры на поверхности эпислоя сапфира рассеивают и преломляют свет, уменьшая тем самым внутреннее отражение, повышается эффективность светоотдачи всего светодиода.

НАНОФОРМОВАННЫЕ САПФИР НЫЕ ПОДЛОЖКИ Совсем недавно появилось несколько новых способов для увеличения коэффициента полезного действия светодиода. Они связаны с использованием

нанотехнологий. Один из них — способ наноформованной сапфирной подложки(NPSS) является продолжением стандартного способа MPSS (микроформованной сапфирной подложки). Но так как NPSS-способ требует литографическое оборудование с гораздо более высоким разрешением, то для того, чтобы им воспользовались, он должен иметь значительные преимущества по сравнению со способом MPSS. Ряд исследований утверждает, что способ наноформованной сапфирной подложки эффективнее на 10-20%, однако ни один производитель светодиодов пока им не воспользовался. Тем не менее, с точки зрения производственного процесса, NPSS способ имеет и дополнительные преимущества. По сравнению с MPSS, он имеет дело с гораздо меньшими по размеру схемами, а значит и времени на гравировку сапфира будет затрачено значительно меньше. То же самое касается и роста эпитаксиального слоя. Не менее интересна идея комбинации NPSS способа с технологией laser-lift-off. Это позволит делать структурные узоры на вертикальных и тонкопленочных светодиодах без дополнительной гравировки и литографии. Более того, эпислой, произведенный NPSS способом, более качественный, а значит, может повысить эффективность всей светодиодной системы.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ Технология изготовления фотонных кристаллов разрабатывалась в течение длительного периода в качестве основной модели повышения эффективности светоотдачи. Ее идея в использовании периодических или квази-периодических структур, размером с длину световой волны в качестве дифракционной решетки для увеличения мощности выходного светового сигнала. Несмотря на обширные научные исследования и их апробацию в промышленности, широкого распространения в производстве светодиодов метод фотонных кристаллов пока не получил. Исследования дали весьма неоднозначные результаты, зависящие

от строения и применения кристалла, метода инкапсуляции и так далее. В каких-то случаях они были лучше стандартных, а в каких-то нет. Недавно компания Philips Lumileds опубликовала доклад в журнале Nature photonics о том, что технология изготовления фотонных кристаллов с тонким (около 700 нм) n GaN слоем может обеспечить наивысшую эффективность светоотдачи. Технология фотонных кристаллов, вероятно, даст хорошее преимущество кристаллу светодиода с минимальным содержанием фосфора. В случае белых светодиодов, чьи кристаллы содержат фосфор, данная технология ощутимых преимуществ не даст. Достоинства метода сводятся на нет свойствами фосфора, который делает движение светового потока внутри кристалла непредсказуемым. Принимая во внимание все вышесказанное, можно предположить, что наиболее ощутимые преимущества данный метод даст в кристалле светодиода, излучающего свет прямиком в окружающее пространство. А такие преимущества, как хорошая пропускная способность, помогут компенсировать более высокие затраты на производство фотонных кристаллов. Уже сегодня часть производителей светодиодов использует технологию ФК для увеличения выходной мощности света. Компания Luminus Devices использует ее в свермощных светодиодах, размещенных в проекторах и элементах подсветки ЖКтелевизоров.

ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ БОКОВОЕ ПРИ РАЩИВАНИЕ ЭБП Эпитаксиальное боковое приращивание не является новинкой, и уже давно используется в производстве синих светодиодов для лазеров. Идея заключается в том, чтобы встроить отформованные диэлектрики (SiO2 или SiNx) в слой n GaN. Они блокируют винтовые дислокации, не давая им преодолеть диэлектрический слой. Эпитаксиальные слои могут быть увеличены только через открытые площадки в диэлектрике, сливаясь друг с другом боковыми поверхностями. В результате чего значительно снижается плотность винтообразных искажений кристаллической структуры. Из-

Современная светотехника, #4 2010

технологии производства за высокой затратности технология ЭБП очевидно вряд ли придется по вкусу производителям светодиодов. Однако на нее вновь обратили внимание, так как считается, что она поможет решить ряд проблем, возникающих при создании светоизлучающих полупроводников. В ходе недавних исследований были изучены свойства наноформованных диэлектриков. Интересный факт — такой диэлектрик может работать как встроенный фотонный кристалл, и будет обладать лучшей светоотдачей, чем микроформованный. Также известны результаты, полученные для ЭБП с размерами в несколько нанометров. Однако из-за высоких производственных затрат эта технология вряд ли получит применение в крупносерийном производстве приборов на основе 2-х дюймовых сапфировых подложек. Однако грядущий переход к производству на основе пластин большего диаметра (4—6 дюймов) открывает для ЭБП более широкие возможности в свете повышения эффективности светодиодов.

ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПЛАЗМОН Поверхностный плазмон представляет собой частицу коллективного электронного колебания на поверхности металла. В нано размерах или наноформовочном металле этот эффект значительно увеличен. Поверхностный плазмон –наиболее обсуждаемая тема в области исследования нано фотонов. Она уже используется в коммерческих целях для биозондирования и исследования фотонных интегрированных цепей. Некоторые исследователи также доказали, что ПП способен увеличить коэффициент полезного действия солнечных батарей. Ряд исследований показал, что при использовании технологии поверхностного плазмона происходит увеличение эффективности светодиодного освещения. Считается, что поверхностный плазмон способен взаимодействовать напрямую с электроннодырочными парами в квантовых ямах(источники излучения света внутри светодиодного кристалла), тем самым увеличивая скорость рекомбинации излучения. Однако на практике существует одна проблема. Дело в том, что металлический слой должен на-

www.lightingmedia.ru

Рис. 2. Квазикристаллическая структура на эпитаксиальном слое n GaN под электронным микроскопом

ходиться от области квантовой ямы на расстоянии в 100 нанометров. Когда металлический слой расположен на верху светодиода, это является сдерживающим фактором и означает, что слой p-GaN должен быть очень тонким, что в свою очередь затрудняет распределение тока.

НАНОИМПРИНТНАЯ ЛИТОГРАФИЯ Наноимпринтная литография сулит для светодиодов большие выгоды. Наличие волнообразности и дефектов делает наноформовку подложек довольно сложной задачей. Методы оптической литографии не точны, электронная литография чересчур медленна и затратна, обычная наноимпринтная литография благодаря вышеуказанным дефектам также показала свою несостоятельность. Разработанный шведской компанией Obducat процесс оттиска для наноформовки светодиодов состоит из двух основных этапов. На первом этапе штамп воспроизводится на подходящей пленке из мягкого полимера. Таким образом, получается промежуточный полимерный штамп. На втором этапе с его помощью изображение переносится на нужную подложку. Еще одна технология фирмы Obducat — Soft press. Штамповка происходит при помощи сжатого воздуха, с распределенным давлением, обеспечивая таким образом равномерное прижатие всей поверхности штампа. Технология позволяет получить однородный и достаточно тонкий остаточный слой на большой площади. Это является исключительно важным для печати с высоким разрешением и точности переноса желаемого рисунка. Учитывая требования к нанооттискам, предъявляемые произ-

водителями светодиодов, фирма Obducat разработала высокоэффективную установку наноимпринтной литографии Sindre (рис. 2), в которой реализуются все три вышеперечисленные технологии. Производительность машины — 30 пластин в час. На рисунке 3 показан оттиск на подложке GaN, полученный на системе Sindre 400.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ Для дальнейшего совершенствования светодиодных технологий наноформовка открывает много замечательных возможностей. Исследования по технологии фотонного кристала ведутся уже много лет, однако до сих пор не удалось снизить высокую, по сравнению с произвольным структурированием, стоимость процесса. Выход из данной ситуации видится только одининтеграция технологии фотонного кристалла с технологиями наноформовки сапфирной подложки и эпитаксиального бокового приращения. Наибольшие шансы для коммерческого успеха имеет технология наноформовки сапфирной подложки (НФСП), поскольку является продолжением существующей на данный момент технологии. Обнадеживающие результаты были получены в ходе многочисленных исследований. Возможно, эта технология таит в себе и другие преимущества перед микроформовкой сапфировой подложки, например, по технологии обработки. Экономичность в сочетании с прекрасным качеством открывает для наноимпринтной литографии прекрасные перспективы. Она будет играть решающую роль в развитии светодиодной промышленности и изготовлении нанооттисковых светодиодов высокой эффективности.