Какие технические проблемы связаны с созданием осветительных приборов на светодиодах кратко
Обновлено: 08.07.2024
Светодиодное освещение все больше проникает в нашу жизнь. Светодиодные светильники и светодиодные лампы уже не являются диковинкой. Появились первые положительные примеры использования светодиодных светильников и светодиодных ламп. У многих участников светотехнического рынка и потребителей светотехники сложилось свое мнение о светодиодном освещении.
Множество таких мнений довелось услышать на выставке "Энергетика и электротехника 2010", прошежшей недавно в Ленэкспо. Надо сказать, что экспозиции участников представлявших светодиодное освещение вызвали большой интерес посетителей. Были среди подходивших и скептики-теоретики, и желающие получить первичную информацию о том, что за чудо такое "светодиодное освещение". Были и профессионалы-специалисты в области светотехники, делившиеся своим опытом применения светодиодных технологий в освещении.
Среди основных негативных моментов светодиодов в освещении были озвучены следующие: нужен теплоотвод, яркость в одном месте нет рассеянного света, невозможно проверить так ли они долго и хорошо работают светодиодные светильники и лампы, как об этом заявляет производитель.
При всем при этом мнение профессионалов было однозначным - за светодиодами будущее. Да, эту технологию освещения необходимо совершенствовать, дорабатывать, решать еще многие вопросы технического плана. Но альтернативы нет. Светодиодное освещение - самый экономичный и перспективный вид освещения на многие годы вперед.
Были разговоры и о проблемах современного этапа перехода на светодиодное освещение промышленных предприятий в России. Практически все единодушно отмечали, что в России пока еще не умеют считать деньги. Один из примеров, который запомнился, это опыт главного энергетика одного из нефтеперерабатывающих заводов. "Работяги меняют лампы накаливания очень часто, а во взрывозащищенных уличных светильниках это сложно и долго. Поэтому, они не закручивают до конца винты в светильниках, а чуть-чуть "наживят" и дальше пошли. Ведь, завтра опять раскручивать для замены лампы. В итоге, взрывозащищенный, пыле и влагозащещенный светильник превращается в "бомбу замедленного действия". Поэтому, где полыхнет неизвестно. А сам в каждый светильник не полезешь". - сетовал гл.энергетик.
По другим свидетельствам тех, кто "в процессе перехода на светодиодное освещение" в основном мнеие главных энергетиков и инженеров такое - "у меня есть бригада, и мне все равно сколько они там за смену ламп поменяют. Это их работа. Скажу делать - и будут делать. А светодиодное освещение тускловато. А мне нужно люменов много."
Про позицию финансистов говорить тоже приходится с сожалением. "Дорого" - это единственное, что можно услышать. Конечно, обычная лампа 100 руб., а светодиодная лампа 10000.
С,Исполатов
Компания "СТК Системы освещения"
Сколь верёвочка ни вейся — всё равно совьёшься в плеть
О том, что времена постоянных споров о преимуществах светодиодного освещения канули в лету, теперь можно говорить вполне уверенно. Однако не столь далёкое прошлое, отделяемое от обозначенной уверенности всего лишь десятью годами, было наполнено слухами, домыслами и спекуляциями цифрами в основных параметрах светодиодов и устройств на их основе. И причин тому было немало, но основная – плохое знание истины в отношении физики работы излучающих структур теми, кто прежде имел дело только с иными источниками света.
Однако ещё несколько лет назад было отмечено, и, тем более, утверждается сейчас, что общий фон правды в технических данных, помещаемых в спецификации, существенно вырос. Это можно подтвердить и с точки зрения физики работы излучающих гетероструктур, и с точки зрения реальных измерений, проводимых при сертификационных или научно-исследовательских испытаниях светотехнических устройств. Существенно выросла и техническая грамотность потребителя, которая теперь, может даже превосходить осведомлённость производителей о своей же продукции, некоторые из которых, порой, не в состоянии объяснить суть и причины применённых в собственном изделии разработок.
Попытаться разобраться в реалиях цифр и параметров мы попробуем с помощью некоторых статистических данных, взятых за последние 10 — 13 лет из опыта проведённых за это время десятков тысяч реальных измерений и исследований светодиодов и осветительных приборов на их основе, так или иначе, оказавшихся на отечественном рынке. Таким образом, мы не дадим родиться суждениям и слухам и нарисуем общую картину состояния значений различных параметров светотехнических устройств и источников света, что также можно рассматривать как табло достижений полупроводниковой светотехники.
Вы не имеете право хранить молчание. Всё, что вы скажете, может и будет использовано против Вас.
Стоит отметить, что при качественно произведённом изделии и корректно обеспеченном электрическом и температурном режиме, последнее может действительно оказаться совершенной правдой, поскольку, теоретически, современные полупроводниковые структуры могут работать десятилетиями и не иметь значимых изменений в параметрах. Но, как показали приведённые ниже результаты лабораторных исследований некоторых светотехнических изделий на предмет ресурса их наработки, их десятилетия спрессованы в месяцы. Вероятно, таким образом, производители оптимизируют затраты на комплектующие ламп в связи с недавним изменением пенсионного возраста потенциальных покупателей, не рассчитывая на то, что лампы из-за их долгого срока службы могут передаваться по наследству.
Далее в таблицы помещены ключевые параметры, прежде всего, помещаемые в спецификации. Систематизация данных организована таким образом, что в таблицу попали максимальные значения параметров, когда-либо полученные при измерениях в соответствующий период времени, независимо от типа или марки прибора. Это также касается всех помещённых ниже таблиц с параметрами. В таблице 2 приведены световой поток и световая отдача светодиодов, построенных по системе синий кристалл – люминофор, потребляемая мощность которых составляет около 1Вт, соответственно, плотность тока через кристалл – 35-40 А/см 2 . Здесь речь не идёт о каких-либо отдельных типах светодиодов или приборах от конкретного производителя (очевидно, что не от отечественного) — приведены значения параметров, вполне могущие фигурировать в осветительных приборах отечественных производителей, которые используют любые доступные для них светодиоды.
Таблица 3 рассказывает о достижениях эпитаксии и технологии нанесения люминофора на синий излучающий кристалл за последнее десятилетие, сообщая о существенном росте коэффициента преобразования электрической энергии в свет системой излучающий кристалл InGaN – люминифор в промышленно производимых светодиодах.
Стоит заметить, что значение КПД светодиодов уже уверенно сравнялось с основным их уличным конкурентом — лампой ДНаТ, но, ввиду существенного превосходства по цветности излучения, при таком равенстве имеет значительно более высокие качественные позиции как источника света для осветительных устройств (Таблицы 7, 8).
Из таблицы 4 можно сделать вывод о том, что за полгода существования упомянутого Постановления, светодиоды уже тогда обеспечили двукратное превышение установленных норм, и соответственно могут применяться с большим запасом, даже, если спад светового потока, установленный данным Постановлением будет более, чем в его п. 6. С одной стороны, это обстоятельство позволило применять более дешёвые светодиоды (с меньшим значением световой отдачи), но с другой — не стимулировало производителя к достижению более высоких характеристик его устройств. Но, как говорилось ранее, сейчас в индустрии светодиодных светильников имеются другие тренды, основанные на применении большего количества светодиодов в одном устройстве (поскольку они стали явно дешевле), работающих на пониженных токах. При этом их световая отдача имеет ощутимо большее значение, чем при питании со штатной плотностью тока. Это позволяет уже в составе осветительного прибора (со вторичной оптикой и блоком питания) достигать световой отдачи, сравнимой с исходным источником света, компенсируя потери на указанные выше составляющие светильников.
Это же обстоятельство (при условии незначительных уменьшений плотностей тока через кристалл светодиода), положительно влияет и на ресурсные параметры наработки всего устройства, поскольку деградационные характеристики фотометрических параметров существенно зависят от плотности тока через кристалл [3]. Однако такое применение светодиодов не является революционным изобретением инженеров-проектировщиков осветительных приборов, поскольку и производители светодиодов не так давно прошли подобный путь в конструкциях своих изделий. В частности, активно развиваемая 5-7 лет назад концепция производства мощных светодиодов как раз имела совершенно иной посыл – во что бы то ни стало увеличить плотность излучаемой оптической мощности с единицы площади излучающего кристалла. А это как раз, совершенно обратное направление – увеличение плотности тока и попытка уменьшения влияния такого увеличения на световую эффективность, что, по предположению разработчиков, должно было снизить стоимость люмена. Однако чуда не произошло, и в светодиодных тенденциях сейчас также просматривается направление не на максимальную выжимку квантов из гетероструктур, а разумную оптимизацию плотности тока с сохранением высокой квантовой эффективности, например, применяя кристаллы с увеличенной площадью.
В таблице 5 приведены данные по результатам исследований деградационных характеристик осветительных приборов за обозначенный период. Показанные выше рассуждения хорошо поясняют картину распределения ресурсных возможностей осветительных приборов разных лет.
В таблице 6 приведено распределение значений коэффициента мощности (КМ или PF) по осветительным устройствам, предоставляемым для исследований в 2019 – 2020 г. Здесь нет привязки к номинальной потребляемой мощности этих устройств по причине малой доли приборов с мощностью менее 20 Вт, у которых в современном аналоге известного Постановления № 602 (Постановление №1356 от 10.11.2017.), регламентировано значение не менее 0,85. Так или иначе, но тот факт, что более 90% устройств имеют КМ более 0,85 говорит о том, что разработчики уделяют этому параметру большое внимание, а продукции с нерегламентированным значением КМ становится всё меньше.
О колориметрических характеристиках в спецификациях также немало говорилось в прессе [1, 4] и на различных конференциях. Тем не менее, споры о методах определения коррелированной цветовой температуры (КЦТ) и её трактовке у светодиодов и в устройствах на их основе, так и не привели к некому конструктивному и единому мнению. Поэтому, порой, результаты измерений её значений у одних и тех же источников, могут отличаться. Как известно, вся проблема с этим решением основана на существенной неравномерности спектрального состава излучения светодиода (светодиодного светильника) в зависимости от угла излучения. Основная (из ряда других) причина тому – несовершенство методов нанесения люминофорного покрытия на поверхность излучающего кристалла светодиода, построенного по системе синий кристалл — люминофор, первичная и вторичная оптика, а также имеющаяся неравномерность плотности светового потока по площади кристалла. С одной стороны, очевидно, что обладая узким (в 1 град) полем зрения, наш глаз не может интегрировать световой поток не только от всей, но и даже от небольшой доли пространственной диаграммы излучения осветительного прибора, поэтому важно, чтобы обозначенное значение КЦТ было одинаково по всей диаграмме (иначе оно не будет соответствовать спецификации).
Анализируя эти таблицы можно сделать вывод, что светодиоды даже с высокими коррелированными цветовыми температурами с точки зрения заполнения кривой видности V(l) своими составляющими спектра излучения выглядят, по крайней мере, не хуже ламп накаливания, а если говорить о коррелированных цветовых температурах, близких к ним, то явно превосходят все существующие искусственные источники света. Следует отметить, что в эти расчёты не вошли самые современные светодиоды, близость заполнения спектра излучения которых относительно естественного (Солнца в средних фазах относительно горизонта), составляет до 90 %. Это позволяет предположить, что построение осветительных приборов на основе таких источников обеспечит высокие качественные характеристики (индекс цветопередачи) формируемого освещения.
Лучше меньше, да лучше.
Проблемы реализации диммирования и подавления мерцания. Это навскидку.
Ты как-то не по той тематике зашёл.
Судя по тому, как часто выходят из строя эти лампочки, проблему тепловыделения и теплоотдачи всё никак не могут решить.
А вообще рекомендую посмотреть вот эти три видео. Там рукастый мужик берёт и сам создаёт (или модифицирует) осветитльные приборы на светодиодах:
Деградация кристалла.
Одна из причин деградации кристалла светодиода является рост дефектости кристаллической решетки. Причём области кристалла, где появляются дефекты, продолжают потреблять энергию и генерировать тепло без излучения.
Другой причиной деградации является электрическая миграция в кристалл материалов, из которых сделаны электроды. В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру, образуя каналы утечки, в результате чего многократно возрастает ток утечки. Значительная часть тока начинает проходить через металлические включения кристалла, которые не излучают свет. В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода и уменьшается световой поток.
Этот процесс протекает гораздо быстрее при высоких рабочих температурах и работе светодиодов на токах, превышающих номинальные значения. Зависимость показателей деградации кристаллов от выбранного значения рабочего тока представлена на рисунке 1.
Деградация люминофора.
Деградация люминофора является основной причиной снижения светового потока светодиодов. Большинство люминофоров постепенно теряют свою эффективность, что может быть связанно как с изменением валентности активаторов за счёт окисления, так и деградацией кристаллической решётки, когда атомы диффундируют через материал и химически реагируют с окружающей средой. Эти процессы протекают из-за большой удельной лучистой нагрузки и высоких температур, так как люминофор наносится непосредственно на кристалл, который нагревается и имеет большую плотность излучения. Высокая температура люминофора может быть причиной безызлучательных переходов и обратимого снижения квантового выхода люминесценции и светового потока светодиода. Совместное воздействие высокой удельной нагрузки оптического излучения и высокой температуры способны спровоцировать кооперативные процессы, приводящие к перестройке структуры излучающих центров и явиться причиной необратимого снижения квантового выхода люминесценции и старения светодиода. В результате деградации происходит не только снижение квантового выхода люминофора, но и изменение спектральных характеристик его свечения. Например, при старении люминофора заметно проявляется синий оттенок свечения светодиода, что связано как с изменением свойств самого люминофора, так и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение кристалла.
В связи с тем, что для определения фотостойкости светодиодных люминофоров не разработаны методы и ГОСТы контроля, целесообразно применять методику оценки показателей долговечности люминофоров люминесцентных ламп, рекомендуемую ГОСТ 6825-91. Согласно этой методики, качество люминофорных покрытий определяется по данным стендовых испытаний контрольных ламп, изготовленных из текущих партий люминофоров. Лампы испытывают в номинальном режиме эксплуатации в течении не менее 100 часов, производя измерения светового потока ламп. По данным измерений строят график спада светового потока, экстраполируя данные на весь срок службы, и определяют качество люминофорных покрытий. Низкая производительность, большие материальные и энергетические затраты этой методики обусловливают актуальность разработки ускоренного способа контроля. Светотехническое производство нуждается в способах и средствах оперативного текущего контроля люминофоров на любой стадии изготовления источников света: от входного контроля поступающих в производство партий люминофора до промежуточных, на любой стадии изготовления, создающих предпосылки совершенствования технологии и повышения качества источников света и самих люминофоров.
Методологически проблема разработки эффективного способа контроля фотостойкости люминофорного покрытия предполагает решение двух основных задач:
1. Выявление механизмов старения люминофорного слоя светодиодов в условиях совместного воздействия высокой удельной нагрузки оптического излучения и высокой температуры.
2. Соблюдение условий автомодельности в способе экспресс - контроля.
Деградация первичной оптики.
Первичная оптика светодиодов чаще всего изготавливается из пластмассы или силикона. В светодиодах белого свечения, построенных на базе ультрафиолетовых светодиодов, покрытых трехцветным люминофором, помутнение этих материалов может быть обусловлено действием большой удельной лучистой нагрузки и высоких температур, поэтому предложенную нами методику можно перенести на контроль деградации оптических материалов.
Длительное воздействие оптического излучения кристалла большой удельной нагрузки на органические и неорганические материалы сопровождается снижением прозрачности оптических элементов конструкции светодиодов, что, в конечном счете, приводит к снижению световой эффективности и световой отдачи светодиодных изделий.
Читайте также: