Проблемы применения светодиодов в осветительных и светосигнальных устройствах и пути их решения

В последние годы вследствие устойчивой тенденции повышения световой отдачи светодиодов (СД) опережающими темпами растут объёмы производства мощных и сверхмощных СД и успешно развивается освещение светодиодами (ОС СД). При этом значение светового потока СД (с одним или более светоизлучающими кристаллами) удваивается каждые 1,5-2 года. В 2007 г. уровень световой отдачи СД достиг 150 лм/Вт, а стоимость 1 лм СД в ближайшее время снизится до 0,3. Эти факторы увеличивают спрос и стимулируют производство сверхъярких СД. Так, если в 2003 г. объём мирового рынка производства таких СД составлял $2,6 млрд., то по результатам 2007 г. он превысил $5,5 млрд. Кроме того, рынок сверхъярких CД «тянет» за собой рынки источников питания, регуляторов мощности (в том числе программируемых), вторичной оптики, теплопроводных материалов, корпусных изделий и др., а, следовательно, и рынки ИС и СП. По прогнозам, ёмкость рынка СД и сопутствующих материалов и устройств к 2010 г. составит около $75 млрд.

Благодаря высокой световой отдаче белых СД (фирма Cree, 2006 г. – до 131 лм/Вт, фирма Nichia, 2007 г. – до 150 лм/Вт), они всё шире используются в системах освещения, постепенно вытесняя традиционные ИС. Экономический эффект от замены традиционных осветительных ламп на светодиодные только в США может составить в 2015 г. свыше $100 млрд. (этому соответствует экономия электроэнергии в 120 ГВт*ч/ год). Что же касается, в частности, Республики Беларусь, то к 2015 г. замена половины используемых ныне осветительных ламп, включая КЛЛ, на светодиодные лампы и модули, позволит экономить, по нашим оценкам, свыше $120 млн./год при тарифе на электроэнергию 10/кВт*ч.

Вместе с тем ОС СД остаётся пока что относительно дорогим и в основном применяется там, где начальные затраты компенсируются экономией благодаря хорошо известным эксплуатационным преимуществам СД. Следует отметить, что приведённая выше стоимость 1 лм СД не учитывает затрат на вторичную оптику, источники питания (вторичные), корпусные и теплоотводящие компоненты, которые существенно удорожают стоимость ОС СД. Таким образом, при разработке осветительных устройств с СД необходимо, помимо прочего, оптимизировать их стоимость.

Далее рассмотрим подробнее основные технические проблемы создания осветительных устройств с СД и пути их решения.

Вторичная оптика. Как известно, СД представляют собой ИС высокой яркости с определённым фотометрическим телом, что в зависимости от решаемой задачи требует применения рассеивающей, коллимирующей или концентрирующей вторичной оптики (линзы отражатели, рассеиватели), преобразующей исходное фотометрическое тело СД в требуемое и др. При этом световые потери во вторичной оптике не должны «съедать» эффект от применения СД. В самом деле, по данным Министерства энергетики США КПД СП с СД составляет лишь около 30%. Причём низкие КПД СП с СД заметно снижают конкурентность СД с ЛЛ, КЛЛ, ГЛН или ЛОН, СП с которыми имеют значительно большие КПД.

Одним из примеров СП с СД с эффективной вторичной оптикой является разработанный в 2007 г. в Институте электроники НАН Беларуси крупноразмерный низкопрофильный потолочный светильник специального назначения (рис. 1). Максимальная освещённость от него на расстоянии 1,5 м составляет не менее 550 лк при входной мощности светильника около 300 Вт, Тц около 5000 К и максимальной яркости не более 1000 кд/м². Низкопрофильность (высота 20 мм) светильника и хорошая однородность по яркости его отдельных панелей достигнуты благодаря использованию оптимальных по качеству рассеивателей и отражателей, а также эффективному вводу света в торцы световодов и его перераспределению. При этом на поверхности каждого световода посредством специального программного обеспечения и технических средств, рассчитан и образован массив светорассеивающих элементов.

Рис. 1. Крупноформатный низкопрофильный (1400х1400х20 мм) накладной потолочный светильник со светодиодами, установленный в VIP-салоне железнодорожного вагона

 
Электрическое питание. Как известно, одно из преимуществ СД – низкое напряжение питания (электробезопасность) и высокое быстродействие. В связи с этим, разработчики осветительных устройств с СД сталкиваются со следующими проблемами:

• во-первых, как правило, переменное сетевое напряжение (220 В) необходимо преобразовывать в постоянное низковольтное напряжение питания СП с СД. Это приводит к потерям на преобразование, увеличению токов в питающих цепях, а также к проблемам с контактным сопротивлением разъёмных и коммутирующих элементов;

• во-вторых, в отличие от ЛН, которые при броске входного напряжения в силу прямой пропорциональности между сопротивлением вольфрамовой нити от её температуры частично ограничивают собственный ток, СД в этих случаях перегорают. Поэтому цепи электрического питания СП с СД должны быть способны подавлять высоковольтные импульсные помехи, особенно свойственные бортовым сетям автомобильного, авиационного или железнодорожного транспорта;

• в-третьих, СД униполярны, и потому их схемы питания должны иметь встроенную защиту от ошибочного по полярности подключения входного напряжения.

Кроме того, с течением времени и под воздействием внешних факторов (температура, влажность) происходит деградация светотехнических характеристик СД и вторичной оптики. Поэтому, в идеале, источник питания должен иметь обратную связь для коррекции яркости СД. В качестве примера реализации данного подхода можно привести разработки компании Advance.

Помимо сказанного, источники питания устройств с СД должны обладать высокой надёжностью, сравнимой с надёжностью самих СД, что требует применения высококачественной элементной базы, в особенности электролитических конденсаторов.

Стоимость источника питания, несмотря на необходимость комплексного решения всех проблем, должна быть минимальна (на сегодня это ориентировочно $1/Вт при выходной мощности до 10 Вт).

Радикальным решением проблем электрического питания является использование светодиодных модулей (СДМ) с переменным напряжением питания 220 В (110 В) таких как, например, СДМ Acriche (фирма Seoul Semiconductor). Они содержат две параллельные и противоположно включённые цепочки из большого числа светодиодных субструктур. Во время первой фазы питающего напряжения ток протекает через первую цепочку светодиодных субструктур, а во время противофазы питающего напряжения – через вторую. Световая отдача СДМ Acriche на начало 2008 г. достигла 80 лм/Вт, а к концу 2008 г., возможно, дойдёт до 120 лм/Вт.

Тепловой дизайн. Как известно, скорость деградации световых характеристик СД существенно зависит от температуры их активной (светоизлучающей) области (Tj.) Поэтому для повышения надежности устройств с СД необходим эффективный отвод тепла от неё. Сложность проблемы заключается в том, что Tj не должна превышать некоторого максимума, равного 120-185°С (в зависимости от типа СД).

Так как чаще всего СД выбирают исходя из световых характеристик, а не их теплового сопротивления (Rled), то для уменьшения Tj необходимо минимизировать составляющую Rled – тепловое сопротивление участка корпус СД – окружающая среда, которое слагается из тепловых сопротивлений «посадки» СД на печатную плату (Rint), собственно печатной платы (Rpcb) и радиатора (Rhs).

Для уменьшения Rint применяют специальные адгезивы, пасты, гели, пленки и другие интерфейсные материалы. Rint зависит от теплопроводности интерфейсного материала (λ), его толщины (h) и площади контакта (Sc):

Как правило, на рынке предлагаются интерфейсные материалы низкой теплопроводности (λ < 2 Вт/°C). Материалы с большей теплопроводностью менее доступны и дороги. Это, например, материалы таких фирм как Loctite, Thermagon, Lord Corporation, Epoxy Technologies и Warth International.

Для минимизации Rpcb целесообразно устанавливать СД на металлические печатные платы на основе алюминия или меди (например, производства фирм Bergquist или Fela). Опыт использования таких плат подтверждает их эффективность. На рис. 2 представлены разработанные нами СДМ на алюминиевой печатной плате диаметром 32 мм, содержащие 6 СД серии Jupiter (фирма Nichia) или 3 СД серии Luxeon emitter (фирма Philips/Lumileds). Напряжение питания этих СДМ – 12 В, а входная мощность – не более 3,5 Вт. Цвета излучения – красный, зелёный, синий, жёлтый или белый.

Рис. 2. Светодиодные модули с алюминиевой печатной платой, разработанные авторами статьи

 
В свою очередь, Rhs обратно пропорционально площади S теплорассеивающей поверхности (Sd):

где α – коэффициент теплоотдачи, зависящий от условий отвода тепла (при естественной конвекции α = 5-25 Вт/(м²*°C)). Таким образом, для минимизации Rhs теплорассеивающая поверхность радиатора (корпуса) должна быть максимальной.

Кроме вышеуказанных, ставших уже классическими, интерфейсных материалов в последнее время всё шире используются анизотропный графит, искусственный (осаждённый из паровой фазы) алмаз и др.

О цветности излучения. Как правило, световая отдача СД «тёпло-белого света» в среднем на 50% ниже, чем у СД «холодно-белых». Альтернативой «тёпло-белым» СД может служить использование «холодно-белых» СД в сочетании с корректирующими светофильтрами. Это может иметь смысл, если при заданной Тц результирующий световой поток больше, чем у «тёпло-белых» СД. На рис. 3, а представлены результаты измерений Тц двух традиционных (2, 4) и трёх ИС на основе белых СД фирмы Nichia, а также одного из последних ИС с Тц = 4800 K в комбинации со светофильтрами фирмы LEE Filters. Измерения проводились с помощью яркомера-колориметра CS-100 A и процессора данных DP-101 (фирма Minolta). Для комбинированного ИС №8 получена Тц порядка 2800 К, при этом коэффициент направленного пропускания соответствующего светофильтра составлял около 63%. Результаты определения цветового различия между рассматриваемыми ИС и абсолютно чёрным телом (при температуре нити накала ЛН) в колориметрическом пространстве МКО 1976 показывают, что применение корректирующих светофильтров позволяет достигать минимума цветового различия между комбинированными ИС такого рода и ЛН. Причём комбинированный ИС 11, на наш взгляд, – наиболее оптимален.

Рис. 3. Результаты измерений коррелированной цветовой температуры (Тц) источника света (ИС) на основе «холодно-белых» светодиодов типа NCCW022 (1), компактной люминесцентной лампы «тёпло-белого света» фирмы Megaman с цоколем GU10 (2); ИС на основе «тёпло-белых» светодиодов типа NCCL022 E (3); лампы накаливания (4); ИС на основе «белых» светодиодов типа NFSW036 L (5) и последнего из указанных ИС в комбинации со светофильтрами LEE №444, 443, 441, 285, 205 и 442 (6-11)

 
О гигиенических и биологических аспектах применения светодиодов. С одной стороны, СД – яркий точечный и, как правило, узкополосный ИС. Поэтому по стандарту IEC 60825-1 (стандарт МЭК), СД приравниваются к лазерным ИС при средней энергетической яркости свыше 1 Вт/(см²*ср), т. е. их излучение признаётся потенциально опасным для глаз и кожи человека, особенно при использовании коллимирующих линз и линзовых систем.

С другой стороны, известно, что дозированное по интенсивности и спектральному составу излучение СД может оказывать цветотерапевтическое действие на живые организмы. Институтом электроники НАН Беларуси совместно с центром «ТЕТТА» ведутся работы по созданию облучателей с СД для групповой и индивидуальной цветотерапии (рис. 4, а). Они позволят корректировать функцию макулы сетчатки глаза, улучшать зрительные функции, корректировать состояние функциональных систем организма (эндокринной, ВНС, ЦНС и др.). Не менее интересно и одновременно малоизученно – использование облучателей с СД для выращивания растений (рис. 4, б), о чём говорит резко возросшее число публикаций по данной тематике.

Рис. 4. Макетные образцы облучателей со светодиодами: а – для цветотерапии; б – для космической оранжереи

 
Критерии качества светодиодов. Как известно, параметры СД (падение напряжения, яркость, цвет, Тц и др.), даже содержащих кристаллы, выращенные на одной подложке, часто различны, что обусловлено технологией производства СД. В связи с этим, производители СД проводят их рассортировку (иначе, «разбиновку» или «биннирование»), должную гарантировать, что значение данного параметра данного СД лежит в определённых границах (принадлежит данной группе качества («бину»)).

Как правило, чем больше производитель заботится о качестве своей продукции, тем большее число «бинов» он использует 5.

К сожалению, каталожная принадлежность СД к тем или иным «бинам» не гарантирует того же при эксплутации СД. В первую очередь это необходимо учитывать при разработке устройств с СД с высокими требованиями к яркостной однородности светящих зон (информационные экраны, светящие панели, светильники типа показанного на рис. 1 и др.). Одно из возможных решений этой проблемы видится в проведении дополнительной рассортировки СД с учётом конкретных условий эксплуатации.

Учёт вышеназванных особенностей необходим и при разработке устройств с СД повышенной надежности для работы в тяжёлых условиях эксплуатации. В качестве примеров таких устройств рассмотрим разработанные нами осветительные и сигнальные устройства с СД для транспортных средств и систем безопасности дорожного движения.

На рис. 5, а приведены фото дорожного знака с СД «Пешеходный переход» (с эффектом анимации) и линейного светильника с СД, установленных над зоной пешеходного перехода. Значения мощности дорожного знака и светильника не более 10 и 60 Вт соответственно. Светильник имеет фотометрическое тело, обеспечивающее равномерность освещения зоны пешеходного перехода (2,5х6 м). Освещенность на оптической оси светильника на расстоянии 5 м от него составляет 200 лк.

Рис. 5. Устройства со светодиодами: а – дорожный знак и уличный светильник (в едином блоке); б – габаритные и сигнальные фонари для специального автотранспорта

 
На рис. 5, б приведены фото габаритных и сигнальных фонарей с СД для специальной снегоуборочной дорожной техники. Габаритные фонари устанавливаются на «ноже» снегоуборочной машины, а сигнальные – на бункере автомашины. Каждое изделие работоспособно при повышенной вибрации, влажности и зимней температуре до –40°C, а также устойчиво к воздействию песчано-солевых смесей, используемых автодорожными службами для предотвращения обледенения дороги. Габаритные фонари характеризуются высокой яркостью при малой мощности (8 Вт), что важно для рационального использования энергии аккумуляторов машин.

Кроме того, Институтом электроники НАН Беларуси совместно с российскими фирмами, разработан ряд светильников и осветительных систем с СД для салонов самолётов и пассажирских вагонов повышенной комфортности (рис. 6) для общего, местного, дежурного, аварийного и декоративного освещения, а также информационные табло.

Рис. 6. Светильники со светодиодами для салонов самолётов (а) и пассажирских вагонов повышенной комфортности (б)

 
И в заключение: расхожая фраза «сегодня мир – свидетель «светодиодной революции» справедлива, но требует уточнения. Мы призываем наших читателей быть не только свидетелями «светодиодной революции», но и активно в ней участвовать.