Основные проблемы разработки светодиодных светильников

Анатолий В. Феопентов, март 2007

Links

---

Lumileds
Nichia
LEDs magazine

1. Введение

В данном обзоре рассматриваются ключевые проблемы разработки светодиодных светильников для производства на предприятиях светодиодной индустрии России.

2. Актуальные проблемы разработки светильников

2.1. Стоимость

На стоимость светодиодного светильника, в сравнении, например, со светильником на люминесцентных лампах (ЛЛ), влияют такие факторы как:

• пока что более высокая стоимость светодиодов в пересчете на значения лм/$;
• необходимость радиатора;
• стоимость блока питания.

Радиатор необходим не для всех применений. В принципе, его наличие определяет только срок службы светодиодов: без радиатора световой поток падает более быстро, соответственно, уменьшается время жизни светодиода, которое можно определить как время, после которого световой поток снижается более, чем на 30 %.

Выгодность применения источников света, таких как светодиоды и ЛЛ, зависит не только от их стоимости, но и от затрат на их периодическую замену при выходе из строя. Радиатор увеличивает стоимость светодиодного светильника, но снижает затраты на его замену, увеличивая срок службы.

Стоимость блока питания является достаточно спорным вопросом. Вероятно, могут быть разработаны или уже существуют блоки питания, не уступающие по экономичности таковым для светильников на ЛЛ.

Основной причиной более высокой стоимости светодиодных светильников представляется стоимость самих светодиодов, которая, как правило, лимитируется стоимостью синеизлучающего чипа. Пока что решение этой проблемы видится в уменьшении себестоимости чипов за счет увеличения производительности установок выращивания. Эта тенденция четко прослеживается, например, в увеличении числа одновременно загружаемых в установку MOCVD и участвующих в технологическом процессе подложек.

2.2. Световая отдача

До 2006 года основная проблема состояла в небольшой светоотдаче светодиодов. Многие производители декларировали для светодиодов с потребляемой мощностью около 1 Вт типичные значения светоотдачи на уровне 30..40 лм/Вт. К настоящему моменту за счет применения наиболее эффективных чипов типоразмера 1х1 мм достигается светоотдача на уровне 60..80 лм/Вт, что уже сравнимо со светоотдачей ЛЛ.

Тем не менее, даже при использовании светодиодов, например, со светоотдачей 60 лм/Вт, светоотдача светильника может составлять не более 45 лм/Вт, что явно недостаточно. Обусловлено это энергетическими потерями в блоке питания, на рассеивателе или частично прозрачном колпаке светильника и при неэффективном отводе тепла от светодиодов.

Потери энергии в блоке питания означают, что его КПД недостаточно высок. Поэтому повышение КПД представляет собой один из наиболее актуальных вопросов разработки блоков питания. Конечно, проблема низкого КПД может быть решена путем использования высокоэффективных, коммерчески доступных блоков питания, однако это известным образом скажется на стоимости светильника.

Потери на рассеивателе или колпаке светильника могут быть уменьшены при улучшении оптических свойств материала, оптимизации формы поверхности, повышения качества ее обработки. Но, как правило этот вопрос является второстепенным, поскольку многое в этом аспекте определяется заданными в начале разработки светильника условиями, например, стоимостью материала, стоимостью изготовления рассматриваемой детали или требованиями необходимости применения хорошо рассеивающих свет материалов.

Необходимость обеспечить эффективный отвод тепла от светодиодов часто выливается в применение в светильнике радиатора. Основные преимущества и недостатки применения радиатора были рассмотрены ранее.

2.3. Надежность

Вопрос надежности имеет смысл рассмотреть в двух приложениях: надежность светодиодов и надежность электронных элементов в блоке питания. Надежность электронных элементов, как правило, связана с их стоимостью. Как следствие, еще одним актуальным вопросом разработки блоков питания оказывается оптимизация блока в целях повышения его надежности при сохранении стоимости на приемлемом уровне.

Надежность светодиода определяется не его временем жизни, которое, скорее, можно рассматривать как постоянную характеристику серийного светодиода, а вероятностью отказа. То есть, до истечения времени жизни, по аналогии со многими другими электронными элементами, существует некоторая вероятность того, что светодиод откажет. Отказ светодиода не обязательно приводит к полной потере его функциональности как источника света. Он может выражаться в обрывах, если в светодиоде используется метод контактирования с чипом при помощи золотых перемычек проволочного типа, в наличии обратного тока или утечки, в отслоении или расслоении в объеме гелевого компаунда и так далее. Вероятность появления подобных отказов, конечно, зависит от условий работы светодиода: наличия вибрации, повышенных температур, влажности.

Для понижения вероятности отказа помимо улучшения качества сборки или применения новых типов конструктивного исполнения необходима разработка соответствующих методов контроля производимых светодиодов, вероятно, более жестких, чем применяемые сейчас.

2.4. Качество

Здесь имеется в виду внешний вид и качество сборки светильника в целом. Во многом это вопрос соответствующего дизайна светильника и организации процесса сборки. Тем не менее, существует и достаточно принципиальный аспект этой проблемы, а именно, взаимодействие производителей разных составляющих светильника.

Качество сборки при налаженном процессе сборки зависит от качества составляющих светильник деталей и их совместимости друг с другом. Поэтому на качество сборки влияют такие факторы как коммерческая доступность материалов и комплектующих, возможность размещения заказов на изготовление деталей, технические возможности предприятий-изготовителей. Таким образом, качество сборки зависит от развитости инфраструктуры светодиодной индустрии и налаженности связей между производителями компонентов светильника.

2.5. Цветопередача и цвет излучения

Современные белые светодиоды, изготовленные в основном по варианту сочетания чипа, излучающего в синей области, и желтоизлучающего люминофора, характеризуются общим индексом цветопередачи (ЦП) в диапазоне 70..80. Этого вполне достаточно для применения в системах освещения рабочих помещений. Для применения в жилых помещениях общий индекс ЦП должен составлять как минимум 80, и в отдельных случаях 90.

Цвет излучения в системах освещения рабочих помещений должен характеризоваться коррелированной цветовой температурой (КЦТ) не выше 5300 К. Для жилых помещений КЦТ не должна превышать 3300 К ¹.

Обычные белые светодиоды с люминофором с желтым или желто-зеленым спектром излучения характеризуются КЦТ, как правило, не ниже 4000 К. Требованиям по качеству света для жилых помещений соответствуют теплые белые светодиоды, но не все. Их КЦТ может быть ниже 3500 К. Однако, это не обязательно сопровождается высоким индексом ЦП. Например, типичный теплый белый светодиод типа NJSL036A производства Nichia, как показывает расчет по спектру, приведенному в ², характеризуется КЦТ около 3400 К, но общим индексом ЦП не более 80.

Хорошим примером светодиода, который удовлетворяет высоким требованиям к качеству света, может служить Luxeon Warm White. Если судить по заявленным характеристикам, то его номинальная КЦТ излучения составляет около 3200 К, а типичный общий индекс ЦП около 90 ³. И действительно, расчет с использованием представленного в ³ типичного спектра излучения светодиода (рис. 1.) дает значение КЦТ на уровне 3300 К, а общего индекса ЦП – на уровне 94.

Достигаются такие значения за счет использования смеси люминофоров, излучающих в желто-зеленой и красной области. Но, как применение смеси, так и использование менее эффективного, чем иттрий-алюминиевый гранат, красноизлучающего люминофора, приводит к резкому падению эффективности светодиода. Так, например, стандартный белый Luxeon характеризуется типичным световым потоком на уровне 45 лм, а Luxeon Warm White – типичным световым потоком на уровне 20 лм ⁴. Поэтому существует необходимость разработки эффективных и устойчивых красноизлучающих люминофоров для создания теплых белых светодиодов, например, нитридного люминофора, легированного европием ⁵.

3. Заключение

Решение всех рассмотренных проблем разработки светодиодных светильников, по-видимому, позволит создавать на их основе системы освещения, которые будут способны конкурировать с системами, построенными с использованием других типов источников света, применяющихся в настоящее время. Можно отметить, что многие из этих проблем имеют значение и для мировой индустрии производства светодиодов и светодиодных систем.

4. Ссылки

¹ ГОСТ ИСО 8995–2002
² Specifications for Nichia chip type warm white LED
http://www.nichia.com/product/led-smd-powerled.html
³ Luxeon warm white emitter and star technical datasheets
http://www.lumileds.com/docs.cfm?docType=3
⁴ Luxeon star
http://www.lumileds.com/products/family.cfm?familyId=2
⁵ Speakers at LEDs 2006 conference search for near-term LED markets // LEDs Magazine Review, I.10, Dec 2006, p.10.