Светодиоды — ослепляющая темнота
Для чего я это делаю? Я просто хочу комфортный свет в квартире (офисе), я не хочу напрягать глаза, рассматривая мелкие предметы, я хочу, чтобы не уставали глаза от долгой работы за экраном. Многие мои знакомые и родственники сказали мне «большое спасибо!» за то, что «открыл глаза» на альтернативные источники света.
Начало исследования
С того момента, когда полностью перешёл на МГЛ дома, а акцентированный свет заменил на люминесцентные линейные лампы 9xx серии и КЛЛ PL-E 8W — у меня резко уменьшилась толерантность к освещению под светодиодами. Я думал, что это только моё восприятие, но нет — жена, знакомые, которые также убрали почти все светодиоды из дома, говорили тоже самое.
Вместе с моим партнёром по данному проекту было проведено исследование в области искусственного освещения. Свою точку зрения он изложил в видео. Таким образом, предлагаем вам к рассмотрению два взгляда на современное освещение.
Было просмотрено довольно много материала, но почти все общедоступные научные исследования базируются на одно и том же:
группа 50-100 человек и они говорили насколько комфортно в помещении под исследуемым источником света;
считают колбочки и палочки в отрыве от «программной» обработки данных мозгом;
не учитывают инсоляцию региона, время года и образ жизни;
ссылаются на индекс цветопередачи CRI где эталоном являются одновременно лампа накаливания и дневное небо (лампа накаливания слаба в освещении синих тонов, а небо при 7500 К слабо в освещении красных тонов);
не изучали Эффект Пуркине применимо к светодиодному освещению;
основаны на спектральной световой эффективности монохроматического излучения — кто решил что остальной спектр не нужен, загадка:
«функция спектральной эффективности светового потока взвешивает воспринимаемую интенсивность света с разными длинами волн на основании зависимости чувствительности глаза человека от длины волны света. Глаз человека имеет максимальную чувствительность для света с длиной волны 550 нм в зелено-желтой части видимого спектра и менее чувствителен на его красном и синем краях.» *справочник светодиодное освещение
В 1924 году Международная комиссия по освещению (МКО) утвердила этот набор в качестве стандарта, после чего он стал международно признанным и в качестве такового используется вплоть до настоящего времени. В Российской Федерации данный стандарт также является действующим.
Подготовка к исследованию
Собственно возвращаемся к заголовку данной статьи «светодиоды — ослепляющая темнота», это самое полное описание того эффекта, который был обнаружен. Хочу сказать сразу, что это относится только к регионам с низкой инсоляцией и осеннем-зимнем-весенним временем года.
При массовом переходе на светодиоды, в продуктовых магазинах стало сложно отличить немытую зелёную картошку от нормальной. Но понимание того, что не так, пришло именно в метро, где массово начали переходить на светодиодное освещение, а пол и стены облицованы мрамором или гранитом.
Приведу немного измерений, сделанных на «скорую руку» в метро. Я не использовал специализированный люксметр, а ограничился ПО для смартфона Physics Toolbox Sensor Suite, данное ПО на моем смартфоне Xperia 1ii даёт погрешность около 15% в измерении (при сравнении с люксметром Radex Lupin), максимальный уровень яркости 20000лк, но так как для эксперимента важна разница в яркости, а не точность, то данного приложения достаточно.
К большому сожалению, фотокамера видит мир по другому, так что заснять данный эффект не получится. Не забываем про инерционность зрения и адаптацию к освещению, идеальный вариант находиться под источником света не менее 15 минут.
Измерения проводились «с руки», так что не исследуется количество света попадающего на предметы и отражённого от них, но в данном случае это не влияет на результаты. Суть эксперимента доказать, что при одинаковой освещённости <500лк при светодиодном освещении детализация ниже.
Исследование
метро Санкт-Петербурга
Из множества станций была выбрана: Садовая, Сенная площадь и станция Технологический институт.
Станция Садовая освещена люминесцентными лампами t5 (цветовая температура 3000k), освещённость в вестибюле составляет
150лк — смотрим внимательно на мрамор/гранит, текстуры на нем хорошо различимы, видно тонкие прожилки.
пример измерения яркости смартфоном
Теперь переходим на станцию Сенная площадь, от яркого света начинает «резать» глаза (цветовая температура
4000k), освещённость >360лк — смотрим на пол и стены, контрастный рисунок хорошо различим, но мелкие детали и полутона сливаются, и приходится напрягать зрение, при этом поверхность сильно бликует.
Станция Технологический институт (на дату 08.12.2021) — освещена лампами МГЛ (разной степени «усталости»), освещённость
200лк — очень хорошо видно рисунок и мелкие прожилки на мраморе/граните, детализация выше, чем при освещении люминесцентными лампами.
Домашний эксперимент
Для эксперимента дома вам потребуется лампа накаливания, очень советую использовать низковольтные галогенные лампы, толстая спираль и номинальное напряжение даст более приятный спектр, с большим количеством фиолетового и зелёного в спектре, светодиодные лампы лучше использовать тёплые, также для сравнения можно добавить качественную люминесцентную лампу.
Суть эксперимента предельна простая: создать освещённость в 200лк и 800лк, посмотреть, как выглядят под этим светом мелкие предметы и сложные текстуры. Данный эффект будет усиливаться со временем. Данный эксперимент лучше проводить вечером, когда солнце уже сядет за горизонт.
Промежуточный вывод
Для того, чтобы разглядеть мелкие предметы или текстуры поверхности, приходится напрягать зрение или сильно увеличивать яркость освещения светодиодами, что приводит к нежелательным бликам поверхности и напрямую влияет на экономию электроэнергии и энергоэффективность, также сильно возрастает расход витамина A в организме (об этом в следующей статье). И влияет на это фиолетовый, UV-A, ближний инфракрасный. Не забываем про «программную» обработку данных мозгом, видимо края видимого спектра являются неким триггером о том, что солнце в небе.
Хочу привести таблицу эффективности популярных источников света, если честно устал от рекламы светодиодов с КПД в 90%.
*1 данная таблица 2010 года
Учитывая, что новые HiCRI светодиоды делают на синем кристалле 460нм, а не 440нм, как ранее — то имеем ещё более «ужатый» видимый спектр. Кто решил что этого «хватит» человеческому зрению — большая загадка. Именно с самого своего начала человек жил под солнечным светом и глаз адаптировался именно к нему.
Исходя из данных таблицы, можно сделать вывод, что лампой с самым полным спектром, приближенным к солнечному — является лампа МГЛ.
Почему тёплый свет?
Почему лучше лампы тёплые? В интернете гуляет такой график «комфортности» освещения в зависимости от ЦТ — кривая Круитхофа
кривая Круитхофа
Кривая Круитхофа не содержит фактических данных, которые стали основой для её построения, а лишь указывает на приблизительные соотношения освещённости и цветовой температуры для комфортного искусственного освещения. В связи с этим, научная ценность кривой неоднозначна.
С него хорошо видно, что если мы хотим «комфортный» холодный свет, то освещённость должна быть >1000лк в помещении, а это уже затратно. Верить в это или нет, вопрос исключительно личного мнения — например, я с ней согласен, только с одним условием — этот график совершенно не подходит для светодиодного освещения.
Что дальше
Фанатам светодиодного освещения, разочарованным данной статьёй, могу лишь только посоветовать SORAA VIVID стоимостью >2000 руб за 470 люмен, в которой исправлена часть проблем светодиодного освещения ценой уменьшения светоотдачи до <50 люмен на ватт, но проблема быстрой деградации люминофора осталась, а тем, кто хочет получить по-настоящему комфортное освещение, предлагаю немного подождать.
Дополнительная литература
*1 Очень рекомендую к прочтению — справочник светодиодное освещение — 2010 Koninklijke Philips Electronics N.V его составляли на заре светодиодного освещения, с того времени мало чего изменилось.
По желанию можно почитать, но мне понравилась меньше — Элементарная светотехника — 2013 Варфоломеев Л.П.
Soraa LED — новый проект Сюдзи Накамура, изобретателя синего светодиода. Данный проект направлен на устранение текущих проблем светодиодного освещения, на базе синего кристалла и жёлтого люминофора.
Часть 2. Светодиодное освещение, проблема левой стороны (уже скоро)
Часть 3. Светодиодное освещение, проблема правой стороны (уже скоро)
upd 12.2021 Как показала длительная эксплуатация и отзывы людей, участвующих в тестировании данных светильников. Лишь некоторая часть плафонов из массмаркета пригодна для использования вместе с лампами МГЛ, хотя это в той или иной степени относится ко всем источникам света. При высоком световом потоке данных ламп, возникают неприятные артефакты. Свет становится неуютным. Особенно хорошо это заметно при использовании молочных плафонов сделанных по технологии химического метода матирования.
Особенности технологии производства светодиодных светильников
За последние два года производство светодиодов и источников света на их основе прочно укрепилось в числе самых динамично развивающихся отраслей мировой электроники. Специфические технологические особенности производства светодиодных светильников с лихвой окупаются энергоэффективностью последних (см. табл. 1).
Таблица 1. Сравнительные характеристики энергосберегающих ламп согласно данным IESNA
Эффективность светового потока, лм/Вт
Срок работы, ×1000 ч
Световой поток, лм/лампу
Вх. мощность, Вт/лампу
Цена за люмен, долл./клм
Цена лампы, долл./лампу
Коэффициент цветопередачи CRI
Температура кристалла, °C
Плотность вх. энергии, Вт/см2
Коэффициент цветопередачи CRI
Температура кристалла, °C
Плотность вх. энергии, Вт/см2
Ведущие промышленные государства закрепляют светодиодную тематику в списках стратегических и приоритетных направлений. Отечественная промышленность также не остается в стороне: как минимум две крупные организации — «РЖД» и «Ростехнологии» — имеют собственные концепции повышения энергоэффективности за счет перехода на светодиодное освещение.
Вследствие высокого, порой даже ажиотажного, интереса к светодиодной тематике некоторые особенности технологии производства светодиодов бывает трудно прояснить из открытых источников. Большое количество разработок и техпроцессов, конечно же, закрыты, т.к. составляют коммерческую тайну их разработавших предприятий, да и отечественные источники информации зачастую разрозненны и скудны.
В настоящей статье мы подробнее остановимся на некоторых вопросах производства светодиодных светильников, отдельно остановившись на укрупненном типовом технологическом маршруте сборки светодиодов как на наиболее простом с технической точки зрения (запуск производства), так и с точки зрения финансовой (скорость окупаемости и возможность быстрого завоевания позиций на рынке).
Типовая конструкция
светодиодных модулей и
светильников, основные этапы производства
Существует несколько типовых конструкций светодиодных модулей (см. рис. 1—4), которые группируются по:
– исполнению кристалла (планарное, flip-chip, т.н. «сэндвич»);
– интерфейсу кристалл-корпус (с подкристальной платой и без нее);
– исполнению линзы (монтируемая, формованная, без линзы).
Корпуса современных светодиодных модулей, как правило, производятся под технологию поверхностного монтажа и могут быть реализованы в металлопластиковом и металлокерамическом исполнениях. Также существуют конструкции светоизлучающих приборов, в которых светодиодные модули выполнены по технологии CoB (Chip-On-Board, «чип на плате»).
Основными проблемами, которые решают все конструкторы светодиодов и светодиодных светильников, являются организация теплоотвода (светодиод выделяет, но не излучает тепло, поэтому нуждается в эффективном кондуктивном теплоотводе) и суммарная эффективность светового потока. Доступ к конструкциям светильников в настоящее время перестал быть острым вопросом, т.к. на рынке существует определенное количество дизайнов ламп, которые доступны для производства по лицензии. Для потребителя крайне важна стандартизация, поэтому светодиодные светильники для комнатного и общего освещения проектируются с использованием стандартных цоколей и разъемов. Типовые конструкции светодиодных светильников представлены на рисунках 5—6.
Основными этапами производства светодиодных светильников (см. рис. 7) являются:
– производство эпитаксиальных пластин;
– сборка светодиодных модулей;
– сборка и тестирование светильников.
Создание нового светодиодного производства рекомендуют начинать «с конца», т.к. оборудование для сборки модулей и светильников обойдется в разы дешевле, а на оснащение, запуск и выпуск первого изделия производству потребуется немногим больше года. Кроме того, проблема нехватки квалифицированных кадров для сборки стоит не так остро, как, например, для кристального производства и участка роста эпитаксиальных структур.
| Рис. 3. Светодиодный модуль в металлокерамическом корпусе |
Укрупненный технологический маршрут сборки светодиодов
Анализируя различные варианты технологических процессов производства светодиодов, можно прийти к выводу, что определенные операции (монтаж кристаллов, разделение групповых заготовок, герметизация) выполняются при любых конструктивных особенностях продукта, что позволяет применять типовой укрупненный технологический маршрут сборки светодиодов (см. рис. 8).
Операция монтажа кристаллов является критичной для сборки светодиодов. Как правило, монтаж производится на тепло- и токопроводящий клей с последующим отверждением. Затем выполняется визуальный контроль и механический контроль кристаллов на сдвиг. Наиболее технологичным является монтаж перевернутых кристаллов (flip-chip), позволяющий избавиться от операции разварки проволочных выводов. При крупносерийном и массовом производстве кристаллы в виде разрезанных и скрайбированных пластин на липком носителе поступают в кассетах непосредственно на автомат монтажа (см. рис. 9), который получает карту годных кристаллов с участка входного контроля.
Разварка выводов производится при упаковке в корпус кристалла в планарном исполнении. Стандартным методом для разварки выводов светодиодов является метод «шарик-клин» с предварительной установкой шариков под вторую сварку.
Для производства светодиодных светильников используются светодиодные кристаллы высокой мощности, как правило, изготовленные на основе GaN-структур на сапфировых подложках. Свет, испускаемый такими кристаллами, находится в области синего участка спектра, поэтому для получения белого цвета на кристалл наносится слой люминофора. Люминофор может быть как пленочным, предварительно нанесенным на пластину, так и в виде компаунда, в котором основой является оптически прозрачный силиконовый компаунд, а люминофор добавляется в смесь в виде порошка. Люминофорный компаунд полимеризуется в печи, затем формируется линза, либо полость корпуса заливается силиконовым компаундом, аналогичным тому, из которого была приготовлена люминофорная смесь.
Готовые светодиоды отправляют на тестирование и сортируют, после чего они поступают на участок поверхностного монтажа, где светодиоды и элементы схемы управления и электропитания устанавливаются и паяются на плату. Собранная плата устанавливается в светильник, после чего светильники проходят финальные испытания и направляются на склад готовой продукции.
Рис. 9. Автомат монтажа кристаллов и компонентов Datacon 2200 evo
Некоторые способы повышения эффективности светодиодного модуля
Несмотря на непрерывный прогресс светодиодной тематики, потенциал увеличения плотности светового потока для светодиодов все еще остается достаточно высоким. До 95% электронов, проходящих через светодиод, выбивают из возбужденных атомов фотоны, однако кристалл сам по себе является эффективной ловушкой для фотонов и большая часть генерируемого света отражается от внутренних поверхностей кристалла, поглощаясь ими и превращаясь в тепло. Из-за этого явления только порядка 15% света выходит из светодиодной сборки и поэтому так необходимо разрабатывать и применять различные методики увеличения эффективности светодиодов.
Повышение качества ростовых подложек
Качество эпитаксиальных GaN-гетероструктур в большой мере зависит от свойств кристаллической решетки ростовой подложки. В качестве подложек для производства GaN-светодиодов применяются такие материалы как карбид кремния, сапфир, кремний и др. Известно, что чем лучше совпадают кристаллические решетки подложки и выращиваемой GaN-структуры, тем выше качество общей структуры, а, следовательно, и производительность светодиода.
Несомненно, GaN-подложки, с точки зрения качества, наилучшим образом подходят для роста гетероструктур, однако высокая стоимость и ограниченные размеры не позволяют использовать нитрид-галлиевые подложки для крупносерийного производства. Аналогичное правило работает для подложек из нитрида алюминия, чья кристаллическая решетка отличается от решетки нитрида галлия не более чем на 2%.
Использование сапфира в качестве материала ростовых подложек для производства светодиодов высокой яркости заставляет мириться с разницей кристаллических решеток порядка 16%, что приводит к повышенной плотности дислокаций, уменьшающих внутреннюю квантовую эффективность и производительность светодиода.
В качестве решения этой проблемы компания EV Group (Австрия) предлагает два метода:
– структурированных сапфировых подложек.
Метод ростовых шаблонов (Grown Templates) предусматривает перенос тонкого затравочного слоя для эпитаксиального роста на пластину-носитель. Пластина-носитель выбирается путем подбора механических и термических свойств, наилучшим образом подходящих для роста требуемой структуры, а технология прямого монтажа пластин открывает возможности по гетерогенной интеграции двух материалов, различие в структурных решетках которых изначально достаточно велико.
Метод структурированных сапфировых подложек (Patterned Saphire Substrates, PSS) используется для улучшения качества GaN-структур с пониженной плотностью дефектов. Внутренняя квантовая эффективность светодиода напрямую зависит от структурного качества эпитаксиальной гетероструктуры. Микро- и наноструктуры повышают как общее качество гетероструктур, так и КПД сверхъяркого светодиода.
Для формирования PSS-структур используются два способа: плазменное и жидкостное химическое травление. В случае плазменного травления фоторезистивная маска формируется на поверхности сапфировой подложки перед отправкой подложки в травильную установку. В случае жидкостного химического травления на поверхности сапфира предварительно формируется твердая оксидная пленка, т.к. фоторезист недостаточно стоек к жидкостным химическим процессам (см. рис. 10).
Формирование структур на фоторезисте может, в частности, осуществляться посредством наноимпринтной литографии.
Применение плазменной обработки для повышения качества операций сборки
Достаточно широко в качестве дополнительной операции, улучшающей качество светодиодных микросборок (а, следовательно, и эффективности светодиода), используется плазменная обработка, позволяющая модифицировать поверхность выводной рамки и кристалла с целью очистки или активации поверхности (см. табл. 2). Плазменная обработка применяется перед нанесением клея и/или силиконового компаунда, герметизацией, разваркой выводов для очистки и обезжиривания поверхности, создания гидрофильного или гидрофобного эффекта. Для повышения качества операций сборки чаще всего используется ВЧ-плазма на основе аргона и кислорода. В условиях запуска производства, а также отработки технологии изготовления новых изделий, плазменная обработка позволяет ускорить сроки переналадки за счет расширения границ окна допустимых технологических параметров. Другими словами, повышая качество микросборок с помощью плазменной обработки, можно на первых этапах нивелировать негативный эффект от некоторых неоптимально заданных параметров техпроцесса, а также справиться с недостаточным качеством материалов.
Таблица 2. Области применения плазменной обработки при сборке светодиодов
Какие технические проблемы связаны с созданием осветительных приборов на светодиодах
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.
Этим с лихвой пользовались те, кто наоборот, мало что понимал в небольшой науке светотехнике, зато мог часами говорить о плодах светодиодной революции в этой своеобразной прикладной науке. И, поскольку своих передовых разработок светодиодов для освещения в то время мы не имели (как, впрочем, не имеем и сейчас), приезжающие к нам для освоения новых рынков зарубежные менеджеры-проповедники от известных мировых брендов светодиодов, рассказывали нашим докторам наук о том, как работает «их» гетероструктура с тем набором квантовых ям, который последние же и изобрели. Всё это не шло на пользу развитию и внедрению светодиодов в жизнь, поскольку прежние светотехники не верили в серьёзность применения светодиодов, видя замешательство в рядах их создателей и соответствующую незрелость технических решений. Существенную «помощь» в торможении процесса популяризации светодиодной продукции оказывали производители некачественного товара и так называемые «гаражники-наколенники». Сразу после установки на объекте, эта продукция выглядела демотиватором всей идеи внедрения светодиодного освещения и в глазах потребителя надолго её дискредитировала. Плоды этой дискредитации мы наблюдаем и сейчас, усиленно стараясь вернуть доверие к светодиодам в освещении высокими показателями энергоэффективности и основанными на них энергосервисными контрактами.
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.
Как было сказано ранее, откровенное лукавство в параметрах осветительных приборов на основе светодиодов, в последнее время становится достаточно редким явлением. Однако из-за большого количества характеристик, находящихся в тесной зависимости, потребителям важно иметь некий набор или их сочетание, а не отдельные параметры с широким диапазоном значений. Поэтому, искусство трактовки тех или иных характеристик бренд-менеджерами «в нужную сторону», актуально и по сей день. Так, например, большинству современных заказчиков осветительного оборудования для улиц, требуется довольно разносторонний стандартный набор параметров с определёнными значениями. Это и коррелированная цветовая температура (наиболее востребовано значение 2700 К в городских условиях), и пространственное распределение силы света (для формирования оптимального распределения освещённости дорожного полотна, необходим тип «Ш» по ГОСТ Р 54350), и минимальное значение пульсации светового потока, и высокие значения индекса цветопередачи и коэффициента мощности, и температурный диапазон исполнения УХЛ 1 со степенью защиты оболочки IP65, и чтобы световая отдача при этом при всём была не менее 110 лм/Вт…
Далее можно будет заметить, что какие-то 10 — 12 лет назад, все эти показатели были из области далёких перспектив, о которых наиболее продвинутые представители именитых производителей светодиодов сообщали в последних слайдах своих презентаций, не всегда успевая стереть китайские иероглифы с чисто американских названий и удалить их из списков параметров в спецификациях. Но и теперь, обеспечить обозначенное сочетание в полном масштабе оказывается непросто – ведь среди перечисленных выше, отсутствует ещё один очень важный и исключительно светотехнический параметр – «стоимость», который остаётся определяющим в выборе жертвования другими характеристиками в его пользу. Здесь-то и проявляется пресловутая игра цифр и умолчаний о них, которую мастерски проводят опытные менеджеры. Однако наибольшее творчество в составлении списков характеристик в их самой привлекательной комбинации отмечено на гранях упаковок светодиодных ламп, представленных для населения на полках розничных магазинов. Здесь светотехнические характеристики измеряются в «лампах накаливания», а коррелированная цветовая температура может быть тёплой или холодной. При этом срок службы ламп, указанный в соответствующей графе целого списка цифр на упаковке, уже сравним со средней продолжительностью жизни самого покупателя, намекая на то, что это — последняя лампа в его жизни и другой ему уже не понадобится, поэтому к её выбору нужно отнестись со всей серьёзностью.
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.
Представленные далее в этом параграфе материалы основаны на результатах реальных измерений большого количества светотехнической продукции различного назначения в разные годы, выполненных лабораторией «Архилайт». Все данные, безусловно, не имеют привязки к названиям, брендам, маркам изделий, типам светодиодов и пр. Любые совпадения цифр носят лишь предположительный характер и не являются прямым указанием на тот или иной продукт. Для удобства восприятия данных, их представление построено в системе множества отдельных таблиц.
В таблице 1 показана статистика обращения с целью проведения сертификационных или научно-исследовательских испытаний светотехнических устройств. Можно заметить, что за последние 13 лет, доля осветительных приборов на основе ламп накаливания, представляемых для исследований, очень быстро и безвозвратно снизилась до нуля, а ламповых с люминесцентными (газоразрядными) лампами – с 70 до 10 %. Однако в этой зависимости, есть и «обратная» ветвь, которая показывает новое увеличение доли приборов на основе газоразрядных ламп. Это происходит за счёт возврата к использованию натриевых ламп в системах досветки теплиц. В то время как светодиодные устройства уже занимают 90 — 99% спроса на измерения и исследования. Если провести параллели с производством всей светотехнической продукции и привести её в зависимость, пропорциональную этим обращениям, то можно сказать, что в данный момент, лучшие умы от светотехники работают над созданием только светодиодных осветительных приборов. Следует заметить, что Таблица 1 не учитывает программу, по которой проводились измерения предоставленных образцов – речь идёт о статистике самих образцов, отличающихся типом источника света. Необходимо добавить также, что в этот список причислены не только осветительные приборы, но и устройства на основе источников ближнего ИК и УФ излучения (как светодиодные, так и ламповые), как правило, предоставляемые для испытаний на фотобиологическую безопасность по ГОСТ IEC 62471 (ГОСТ Р МЭК 62471).
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.
Можно заметить, что десять лет назад, светодиоды «прибавляли» порядка 30% светового потока и эффективности в год, однако такие значительные достижения в технологии производства в истории развития технических средств практически не встречаются. Соответственно, здесь можно говорить о настоящей светодиодной акселерации. Это было во времена самого пика освоения и современных технологий выращивания гетероструктур (на основе газофазной эпитаксии), и производства светодиодов с применением люминофоров на их основе. К концу второго десятилетия нового века, кардинальных изменений в технологии не происходило – да и раньше было очевидно, что её ресурсы с точки зрения увеличения КПД структур и светодиодов на их основе конечны. Поэтому упор был сделан на разработку высокотехнологичных массовых промышленных вариантов с приемлемыми характеристиками и невысокими ценами. Это позволило снять светодиоды с первых позиций в списке ценообразующих комплектующих осветительных приборов, но при этом, иметь исходный источник света для формирования необходимого пространственного распределения светового потока светильника с эффективностью до 200 лм/Вт.
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).
В таблице 4 приведены те же фотометрические показатели только уже для осветительных приборов (светильников). В скобках в графе 2011 год указаны требуемые к применению приборы с эффективностью «не менее», регламентируемые очень известным и актуальным в то время Постановлением Правительства РФ от 20 июля 2011г №602 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения».
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).
Однако для оценки качественных характеристик излучаемого света и положения колориметрических параметров светодиодных источников для освещения относительно их «конкурентов» удобно воспользоваться наиболее «физическим» смыслом понятия цветности – долей заполненности составляющими спектра излучения кривой спектральной чувствительности глаза V(l). Из этого расчёта будет понятно, какой источник наиболее полно воспроизводит видимый глазным аппаратом диапазон длин волн, отражённый в обозначенной характеристике чувствительности зрительного аппарата. Об этом расскажет таблица 8, а более подробная деталировка представлена в таблице 9.
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.
Рассмотренные в работе реальные значения различных параметров светодиодов и светотехнической продукции на их основе, полученные в ходе исследований промышленных образцов за самый важный в формировании производственных технологий и отечественного светотехнического рынка период с 2007 по 2020 г., указывают на высокий уровень этих источников света с точки зрения их эффективности и «качества» излучаемого света, несмотря на отдельные проблемы с совершенствованием их параметров, могущие относиться к т.н. «болезням роста» [5]. Это позволяет строить на их основе высокоэффективные осветительные приборы, которые к тому же, обладают значительным временем наработки даже по отношению к ламповым «долгожителям», например к лампе ДНаТ с её 20 000 часов заявленного ресурса. Также, интересной с точки зрения оценки тенденций в разработке светотехники, может оказаться статистика тематики публикаций в профильных отраслевых изданиях, приведённая в таблице 10. Она свидетельствует о том, что в основном, публикации касаются уже готовых изделий – модулей, вторичных источников питания, светильников, систем управления. То есть, имеет место некая констатация и описание характеристик уже готового продукта. А то, что приходится на небольшие доли тем публикаций – как раз и является тем, что мы хотели бы видеть в нашем отечестве – собственных разработок, развития технологии, производства, метрологической базы.
В результате представленной оценки очевидными становятся достаточно простые выводы о низкой эффективности «семимильных» шагов в попытке ускорить эволюцию характеристик светильников за счёт применения совокупности уже готовых разработок. Однако ещё остаётся надежда на то, что, как и показала приведённая в этой работе статистика, имея современные функциональные характеристики и параметры, полупроводниковые источники света обязательно вдохновят разработчиков к творчеству в этой области светотехники, что и сделает таблицу 10 гораздо «правильнее» с точки зрения расстановки тематики материалов, а нашу светотехническую промышленность – передовой и современной.
Светодиодные светильники технология твердотельных ламп
Достижения в области полупроводниковых систем привели к созданию меньших по габаритам, но более универсальных и более эффективных диодов. Такого типа электронные приборы помогли преобразовать область архитектурного освещения и дизайна. Фактически светодиоды как электронные приборы появились ещё в 1970-х годах, однако лишь недавно отметились «главными героями» освещения и архитектурного дизайна. И вот теперь, светодиодные светильники прочно укрепились на рынке в качестве энергетически эффективных заменителей ламп накаливания и люминесцентных ламп. Рассмотрим фактор новой технологии света.
Технология приборов твердотельного светодиодного освещения
Достижения в области технологий твердотельного освещения (SSL — Solid-State Lighting) позволяют делать отдельные светильники:
- меньше по размеру,
- ярче по излучению,
- экономичнее по эксплуатации,
- гибче в применении.
Согласно всевозможным прогнозам, переключение продуктов, предназначенных под внутреннее и наружное освещение с традиционных источников света на светодиоды, приведёт к сокращению потребления энергии на 75%. Это колоссальная экономия, позволяющая высвободить огромные финансовые средства.
Прежние достижения технологии SSL, как отмечают учёные и производители, часто сопровождались ошибками. Но исследования в этой категории светильников на данный момент более методичны и целенаправленны. Рассмотрим последние достижения развития технологии твердотельного светодиодного освещения, чтобы ясно представлять картину современности.
Производственный прогресс для светодиодных светильников
Светодиодные светильники прошли долгий путь технологической разработки, связанной:
- производительностью,
- артикуляцией размера,
- формой,
- физическими интерфейсами.
Эффективность твердотельных светодиодов, определяющая работу светильников, измеряемая люменами на ватт, значительно возросла. При этом стоимость приборов освещения снизилась. Между тем возможности для улучшения эффективности такого типа светильника всё еще остаются до конца неисчерпанными.
Если согласно отчётам производителей на момент 2017 года эффективность излучения светодиодных светильников варьировалась от 160 до 170 люмен на ватт, дальнейшее развитие обещает больше.
Прогнозы показывают, что технология архитектуры светильника, где используется преобразование структуры люминофора (pc-LED), обещает повысить эффективность до 255 люменов на ватт.
Развитие технологии светодиодного светильника: 1 – чип-многослойная структура дизайна (CSP — Chip-Scale Package); 2, 3 – плоские без свинца на четыре вывода (QFN – Quad-Flad No-Lead); 4, 5 – пластиковый несущий корпусный чип (PLCC – Plastic Lead Chip Carrier)
Светильники современного образца на светодиодах становятся более компактными. Светодиодные индикаторы чип-многослойного типа (CSP) устраняют необходимость корпуса, где размещается светодиодная микросхема и люминофор.
Кроме того, отметилась замена керамики — широко используемой по причине свойств управления температурой, — на улучшенные полимерные материалы.
Такой подход помогает сделать цену приборов более конкурентоспособной без ущерба для качества и производительности светодиодов.
Производители получили возможность использовать меньшее количество светодиодов для создания того же эффекта. Соответственно, появились возможности:
- добиться более компактного дизайна,
- увеличения визуального комфорта,
- снижения затрат на изготовление приборов.
Неиспользованный потенциал квантовых точек светодиодного светильника
Квантовые точки имеют потенциал для создания более эффективных и доступных систем. Белое освещение светодиодных светильников, в первую очередь, основано на преобразовании люминофора. Несмотря на достижения за последнее десятилетие, разрыв в эффективности остается стабильным.
Структура квантовых точек светодиодной конструкции светильника: 1 – металлический катодный слой; 2 – электронно-транспортный слой; 3 – слой квантовых точек; 4 – дырочно-транспортный слой; 5 – индий / олово оксидный слой; 6 — стекло
Современные разработки технологии за квантовыми точками. Это малые полупроводниковые частицы, способные излучать свет, имея размер всего 10 атомов в диаметре (в 10000 раз меньше диаметра волоса). Использование таких частиц заметно снижает стоимость производства светодиодных систем освещения.
Умные приборы светодиодного освещения
Разработаны так называемые «умные» светодиоды, объединяющие драйвер светодиода с интерфейсом управления в едином пакете. Устройства такого рода способны не просто излучать или воспринимать свет. Интеллектуальные:
- красные,
- зелёные,
- синие
элементы управления в форме «Smart RGBi» способны дополнительно устранить необходимость использования дополнительных компонентов. «Умные» светильники допускают регулировку несколькими способами, от угла луча до направления и освещённости светодиодного источника, без необходимости в сложной оптике.
Так называемые «умные» светильники на светодиодах способны без помощи человека автоматически регулировать интенсивность потока, цветовую отдачу и прочие свойства, создавая комфорт в нужное время
Достижения в области производства способствуют улучшению применения продукции и в конечном итоге улучшают пользовательский опыт.
Такие задачи, как например, передвижение в больничном коридоре с целью поиска нужного кабинета для пациентов, облегчается с помощью настраиваемых сообщений, проецируемых на стены или пол.
Дальнейшие разработки в области цветопередачи для светодиодных источников уменьшают жёлтую и синюю цветовые полосы, что приводит к равномерному цветовому оформлению осветительных приборов.
Светодиодное освещение с ориентацией на человека
Помимо эффективности и результативности, отрасль применяет более целостный подход к освещению. Применительно к светодиодам явно отмечается выгода для производителей в объединении нескольких систем, таких как:
- настройка цвета,
- затемнение,
- циркадный ритм.
Эти нововведения помогли вызвать интерес к освещению, ориентированному на человека (HCL — Human-Centric Lighting) или циркадное освещение. Целью такого освещения является поддержание благосостояния и продуктивности человека с помощью динамических источников света.
Достижения в области светодиодных технологий способствовали созданию настраиваемых систем белого света, имитирующих дневной свет, регулирующих коррелированную цветовую температуру и уровни яркости в течение дня.
Начиная от здравоохранения и заканчивая корпоративной средой, активно изучаются потенциальные преимущества светильников, подходящих к естественным циклам сна и бодрствования человека
Разработчики и производители перешли точку статического освещения люминесцентными лампами в офисных помещениях или лампами накаливания в домах.
Налицо адаптация спектра света ко времени суток, по существу имитация дневного света в помещении. Улучшения качества света или точности цветопередачи светодиодных источников также остаются в центре внимания с использованием новых люминофоров, сохраняя при этом высокую эффективность.
Технологии светодиодных настраиваемых белых систем света
Исследования и технологии для настраиваемых белых систем в настоящее время достаточно развиты. Вместе с тем на рынке появляются более совершенные системы управления и более широкие возможности.
Ценность настраиваемых белых систем в настоящее время заключается в обучении с целью внедрении этой технологии.
Технология квантовых точек способна также улучшить ориентированное на человека освещение, благодаря способности квантовых точек контролировать с высокой точностью и программировать свет.
На выходе получаются правильные насыщенные цвета, имитирующие настоящий солнечный свет. Полученное динамическое освещение способно даже улучшить циркадный ритм жизни человека, согласно результатам некоторых исследований.
Оценки и сертификация характеристик светодиодов светильников
Обеспечение качественным светом и минимальное воздействие на окружающую среду — это две дополнительные области, в которых произошли улучшения. Процесс оценки и сертификации характеристик светодиодов получил преимущества благодаря прогрессу в технологии. Прогресс помог решить вопросы относительно:
- надёжности,
- производительности,
- воздействия на окружающую среду отдельных диодов.
Производимые светодиодные лампы предварительно калибруются с помощью фотометров, — инструментов, измеряющих уровень яркости на всех длинах волн. Также учитывается естественная чувствительность человеческого глаза к ряду цветов.
Под калибровку светодиодных светильников можно использовать не только профессиональные фотометры, но также обычные пользовательские смартфоны, дополненные специальным приложением
Новые светодиодные лампы оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, чем прежние технологии SSL.
Даже по сравнению с обычными технологиями освещения, инновационные светодиодные светильники демонстрируют лучший результат. Более новые светодиодные лампы производятся с меньшим количеством металлов, следовательно, менее опасны для здоровья.
Инновации в области светодиодов продолжают формировать новую границу техники освещения. Новые применения, когда светодиоды подключаются к смартфонам, уже рассматриваются состоявшимся нововведением.
Сложность инновационных продуктов заключается в сложности устройств, что в конечном итоге вызывает озабоченность потребителей.
Это даёт возможность разработчикам светодиодов занять лидирующие позиции в разработке бытовой электроники для переработки и повторного использования.
Светодиодные светильники — развивающиеся рынки и услуги
Доступность и возможности 3D-печати по требованию распространились, кроме всего прочего, на индустрию светодиодных SSL светильников.
Дизайнеры и архитекторы освещения теперь создают светильники на светодиодах с индивидуальными форм-факторами, специфичными для проекта. Есть даже возможность изготавливать светодиодные светильники на месте, сводя к минимуму время выполнения заказа.
Аддитивное производство также позволило интегрировать тепло-отводящие структуры светодиодных светильников, имеющие решающее значение для поглощения и рассеивания избыточного тепла от светодиодной матрицы.
Теперь радиаторы охлаждения встраиваются непосредственно в конструкцию оболочки светодиодного светильника, а не добавляются как вспомогательный компонент.
Эти производственные возможности, в конечном итоге, способствуют уменьшению общего размера и стоимости светодиодных светильников, одновременно увеличивая эстетическую привлекательность, предоставляя более широкий доступ к продуктам под изготовление на заказ.
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Z-Сила — публикации материалов интересных полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мульти-тематическая информация — СМИ .