Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2010 №2

Применение светодиодов для общего освещения

Сейкора Глинтер


В начале этого века прогнозировался бурный рост применения светодиодных светильников в качестве источников общего освещения. Подводя итоги десятилетия, приходится отметить, что светодиодам удалось занять лишь определенные ниши, а в большинстве типовых случаев в сфере общего освещения по-прежнему доминируют «старые» технологии — люминесцентные и галогенные лампы, а также лампы накаливания.

Если пристальнее взглянуть на проблему, становятся очевидными несколько причин такого расхождения между прогнозами и реальностью. Первоначально светодиоды использовались в основном для цветного освещения, где для этого существовали хорошие предпосылки: во-первых, это была уникальная технология, открывающая новые области применения, а во-вторых, RGB-освещение оказывает сильное эмоциональное воздействие на людей. Рынок цветных светодиодов быстро рос, чего нельзя сказать о сегменте светодиодов белого света: им приходилось конкурировать с более зрелыми технологиями (высокие КПД и качество, низкая стоимость), что замедляло популяризацию данной технологии. Преградой являлись и технические проблемы: разброс цветности и яркости, сложность оптических систем и трудности в регулировании температурных режимов. Не следует забывать и о том, что для установки светодиодных источников освещения необходимы относительно высокие первоначальные затраты. Светодиоды представляют собой принципиально новую технологию, в которой нет места существующим цепочкам создания стоимости (лампа–стартер–светильник), и поэтому она создает опасность для традиционных бизнес-моделей в индустрии освещения. Соответственно, возникает сопротивление, которое замедляет проникновение светодиодов на данный рынок.

Технические усовершенствования светодиодов за последние годы сводились в основном к увеличению светового выхода. По большому счету они никак не были связаны с требованиями, проистекающими из применения светодиодов в сфере общего освещения. Если задаваться целью ускорить проникновение светодиодов на данный рынок, необходимо сосредоточиться на способах применения источников освещения и, исходя из этого, определить, какого рода реальные потребности может удовлетворить светодиодная технология. Каждый из рассмотренных ниже вариантов применения источников освещения подразумевает свои требования к светодиодам, и в настоящей статье будут описаны важнейшие их них.

Художественная подсветка зданий

Цель художественной подсветки — с помощью света (главным образом, цветного) сделать здание более привлекательным, подчеркивая в нем различные элементы и создавая различные пространственные образы посредством цветовых переходов и/или светотени. Художественная подсветка зданий активно разрабатывалась с применением светодиодных источников света и развивалась по мере их совершенствования (рис.1, 2).


Рис. 1. Проход на стадион Бетценберг в Кайзерслаутерне (Германия)


Рис. 2. Дармштадский Университет (Германия)
Типичная проблема, возникающая в данной сфере, — это разброс цветности и яркости светодиодов. В случае применения одноцветных светодиодов разброс цветности можно ограничить сортировкой, а яркость не так важна ввиду нелинейной характеристики ее восприятия человеческим глазом. Когда же смешивается излучение светодиодов различных цветов (например, красного, зеленого и синего), суперпозиция их цветовых гамм дает итоговый разброс порядка 10 эллипсов МакАдама (менее 1 эллипса не воспринимается глазом, а менее 5 обычно считается приемлемым для ламп). Вдобавок вариации яркости красных, зеленых и синих светодиодов также влияют на цветность, приводя к гораздо большему ее разбросу в диапазоне до 30 эллипсов МакАдама, что, например (рис. 3б), соответствует диапазону цветовых температур от 3500 до 6000 К.


Рис. 3. Типичные характеристики разброса цветности RGB-светодиодов.
а) распределение для красного, зеленого и синего кристаллов показано цветными полосками
в углах диаграммы, значения цветности смешанного белого света (расчетное случайное
распределение от кристаллов равной яркости) показаны красными точками в сравнении с 5 эллипсами МакАдама;
б) типовой разброс цветности и яркости кристаллов RGB-светодиода
дает широкое распределение цветности смешанного белого света (расчетное случайное
распределение показано синими точками)

В высококачественных системах эту проблему приходится решать путем дополнительной сортировки или индивидуальной калибровки белого света для каждого светодиода, что повышает стоимость системы, следовательно, замедляет проникновение ее на рынок.

Освещение жилых помещений

На рынке освещения жилых помещений существует широкое разнообразие светильников для гостиных, кухонь, спален и т. п. Уровни освещенности комнат относительно малы, зачастую ниже 200 лк; однородность не слишком важна, а порой и нежелательна, если требуется создать в помещении различные зоны (рис. 4).


Рис. 4. Светодиодный потолочный светильник из 36 светодиодов (3000 К)
с общей потребляемой мощностью 9 Вт и световым выходом 470 лм,
заменяющий 40-Вт лампу накаливания

Сегодня для освещения жилых помещений применяются лампы со световым потоком в диапазоне от 300 до 3000 лм. Наиболее распространены источники с цветовой температурой 2500–3000 К. Светильники обычно имеют небольшие размеры и разрабатываются как дизайннерские объекты. По этой причине необходимо уделять особое внимание регулированию температурных режимов в них. Для создания надлежащего светового потока в светильнике необходимо использовать несколько светодиодов: меньшее количество при большем рабочем токе и большее — при меньшем рабочем токе. Как показывает следующий пример, потребляемая мощность, а следовательно, и температура светильника сильно зависят от тока светодиода. На базе мощного светодиода с цветовой температурой 3000 К был разработан светодиодный светильник со световым потоком 600 лм,

заменяющий галогенную лампу мощностью 35 Вт. В дальнейших расчетах рабочий ток светодиодов составлял 200, 350 и 700 мА. Во всех вариантах использовался один и тот же корпус с тепловым сопротивлением 4 К/Вт (между печатной платой и окружающей средой). Количество светодиодов n, необходимое для генерации требуемого светового потока Ф, вычисляется по следующей формуле:

n = Ф/(Ф0×fc×fT),

где Ф0 — это световой поток светодиода при номинальных условиях; fc — поправочный коэффициент, зависящий от тока светодиода; fT — поправочный коэффициент, зависящий от температуры p-n-перехода светодиода. fc берется из паспорта светодиода, а для определения fT необходимо рассчитать температуру p-nперехода по тепловым сопротивлениям и рассеиваемую мощность, после чего соответствующий коэффициент берется из паспорта.

С увеличением тока светодиода световая отдача уменьшается, а соответственно, растут потребляемая мощность и температура. Округление количества светодиодов до целых чисел приведет к различиям в значениях суммарного светового потока, и для удобства сравнения округление здесь не выполняется. Этот эффект можно видеть в таблице и на рис. 6.


Рис. 5. Светодиодная настольная лампа


Рис. 6. Температура p-n-перехода и КПД светодиодного светильника со световым потоком 600 лм
как функция тока светодиода

Т а б л и ц а . Количество светодиодов и потребляемая мощность светодиодного
светильника со световым потоком 600 лм при различных значениях тока светодиода
ILED, мА N PLED, Вт Ptot, Вт
200 11,6 0,6 7,2
350 8,5 1,2 9,8
700 5,3 2,5 13,0

Потолочный светильник, показанный на рис. 5, в точности соответствует этим положениям. Тепловыделение 36 светодиодов с потребляемой мощностью по 0,25 Вт создает приемлемую рабочую температуру. Простого металлического диска поверх корпуса из акриловой пластмассы оказывается достаточно для поддержания температуры на уровне около 60 °C, что позволяет монтировать этот светильник даже на деревянном потолке. Световая отдача составляет всего 52 лм/Вт, что говорит о необходимости применения более эффективных светодиодов средней мощности. Сегодня светодиоды оптимизируются с расчетом на высокую мощность. Как показывает приведенный пример, эта цель входит в противоречие с упрощением регулирования температурных режимов и достижением высокой световой отдачи, которая требуется для освещения жилых помещений. Таким образом, существует потребность в ускорении разработки светодиодов средней мощности (около 0,5 Вт) с высокой световой отдачей и низкой стоимостью.

Освещение офисных помещений

В контексте офисного освещения приходится иметь дело с разнотипными помещениями, начиная от небольших «отсеков» на одногодвух человек и заканчивая большими открытыми офисными пространствами на 100 и более рабочих мест. Различаются и функции, выполняемые работниками в этих помещениях: обработка документации, чтение, письмо, работа на компьютере, компьютерное проектирование, проведение совещаний и т. д. Для таких применений необходимы гибкие системы с однородным распределением света, относительно высокими уровнями освещенности и эффективным снижением бликов. Наиболее распространены светильники на базе линейных люминесцентных ламп. Для снижения бликов чаще всего используются алюминиевые решетки или микропризматические структуры. Свет распределяется либо напрямую в рабочее пространство (из нишевых или потолочных светильников), либо напрямую и опосредованно через потолок из подвесных светильников, что обеспечивает больший комфорт для зрения.

Офисное освещение — одна из тех областей, где требования к качеству освещения наиболее высоки. Выполнение их во многих странах обеспечивается стандартами, имеющими законодательную силу. При типичных значениях светового выхода от 2000 до 10 000 лм на один светильник и предельной яркости бликов 1000 кд/м2 применение светодиодных источников света для этих целей чрезвычайно проблематично.

Далее отметим особый характер требований к оптическим системам для освещения офисных помещений. Свет необходимо направлять в рабочее пространство с помощью рефлекторов или линз, чтобы он не распространялся под плоскими углами. Около 1% света, перенаправляемого посредством отражающей поверхности, рассеивается во всех направлениях; под плоскими углами этот рассеянный свет будет восприниматься как отвлекающий блик. Для отражающих поверхностей количество рассеянного света оказывается еще больше ввиду расщепления лучей (3–5%).

Принимая во внимание это поверхностное рассеяние, яркость, создаваемая типовой светодиодной линзой (диаметром 25 мм), будет превышать 2000–3000 кд/м2, что слишком много для обычных офисных применений, где яркость бликов должна быть менее 1000 кд/м2. Чтобы соблюсти это ограничение, линза должна иметь диаметр не менее 40 мм, а производство цельных линз такого размера более не оправдано экономически. Вместо этого можно использовать рефлекторы, микроструктуры или их комбинации. На рынке присутствуют светильники, в которых применяются данные методы, но сегодня отсутствуют стандартные оптические компоненты, оптимизированные для использования со светодиодами. Пример подвесных светодиодных офисных светильников приведен на рис. 7. Свет излучается 11 мощными светодиодами и направляется в рабочее пространство через микроструктурную оптическую крышку.


Рис. 7. Подвесные светодиодные офисные светильники

Микроструктура обеспечивает также снижение бликов. В случае применения светодиодов средней мощности (0,5 Вт) свет снова можно распределять с помощью линз. Для одиночных линз стоимость деталей и сборки окажется неприемлемо высокой. Вместо этого можно использовать линзовые матрицы с шагом, соответствующим расстоянию между светодиодами, но опять-таки на рынке отсутствуют стандартные компоненты для этой цели.

Специально разработанная светодиодная оптика для офисного освещения могла бы также помочь в создании более гладкого распределения света, при котором в рабочее пространство не отбрасывалось бы множество резких теней, как это происходит с сегодняшними светодиодными линзами малого диаметра.

Подсветка объектов (источники направленного света)

Подсветка объектов применяется, например, в магазинах, витринах, музеях, галереях — для выделения объектов с целью привлечь к ним внимание публики. Чаще всего для этого используются лампы высокого давления (недостаток — невозможность регулировки яркости) и галогенные лампы (недостатки — невысокий КПД, только теплый белый свет). Светодиодная технология лишена этих недостатков. Для высококачественной подсветки объекта важно создать на нем однородное, мягкое распределение света. Белый свет, излучаемый светодиодом, представляет собой смесь синего (от кристалла) и желтого (от цветопреобразовательного люминофора). Чтобы получить нейтральный белый, необходимо определенное количество синего преобразовать в желтый. Чем меньше частиц люминофора облучается синим светом кристалла, тем больше в результирующем потоке будет синего оттенка, и наоборот.

В большинстве светодиодов свет, излучаемый под малыми углами к оптической оси, распространяется в люминофоре по более короткому пути. Как следствие, в окрестности оптической оси будет преобладать синий оттенок. В источниках направленного света применяются оптические системы, которые фокусируют свет, излученный под разными углами, в небольшой области. Соответственно, получится сосуществование синеватого и желтоватого, за счет чего подсвеченный объект будет выглядеть неоднородным (рис. 8).


Рис. 8. Форма пучка света из направленного светодиодного источника с синеватыми
и желтоватыми участками, обусловленными различной
длиной пути света через люминофор

Конформное покрытие — это метод, при котором сам светоизлучающий кристалл покрывается равномерным слоем люминофора. В результате цвет становится существенно ровнее, но определенная неоднородность все равно сохраняется. Дополнительное преимущество конформного покрытия состоит в уменьшении площади светоизлучающей поверхности, что создает условия для миниатюризации оптической системы. Вместо этого можно сначала смешивать свет от светодиодов (с помощью рассеивателя, оптического смесителя), а затем создавать направленный пучок. Это дает более однородный цвет, но увеличивается размер оптической системы. Более широкому применению светодиодов для подсветки объектов могла бы способствовать конфигурация, при которой в первичной оптике осуществляется смешивание, а далее используется стандартная вторичная оптика для формирования пучка.

Заключение

Углубленный анализ способов применения источников света помогает понять, что необходимо для ускорения внедрения светодиодов в качестве источников общего освещения. Однако придется преодолеть еще много трудностей, пока светодиоды станут столь же просты в использовании, как обыкновенные лампы. Большой разброс цветности, светового выхода и прямого напряжения часто затрудняют применение светодиодов в ситуациях, когда необходимо соблюсти определенные требования к однородности цвета. Сортировка не всегда эффективна, так как суперпозиция разбросов может давать громадные вариации цветности, как это было показано для случая смешения красного, синего и зеленого цветов. В настоящий момент на рынке отсутствуют простые в использовании стандартизированные системы для эффективного снижения бликов или повышения однородности цвета. Облегчить создание решений на базе светодиодов могли бы матрицы линз или рефлекторов, а также оптические микроструктуры.

Чтобы ускорить внедрение светодиодов в качестве источников общего освещения, важно при разработке не только ориентироваться на большую мощность и высокую эффективность светодиодов, но и уделять внимание вопросам их качества, а также совершенствовать характеристики оптических систем и регулирование температурных режимов.

Примечание. Оригинал статьи опубликован на сайте www.led-professional.com

Скачать статью в формате pdf  Скачать статью в формате pdf


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке