CC BY
23
ОБЧИСЛЮВАЛЬШ СИСТЕМИ
УДК 620.9.004.18
а.о. морозов , в.п. клименко , |в.б. корбут |, м.г. тевлев*, В.Г. БУТКО*
ЕНЕРГОЗБЕР1ГАЮЧ1 СИСТЕМИ СВ1ТЛОД1ОДНОГО ОСВ1ТЛЕННЯ
1нститут проблем математичних машин i систем НАН Украши, м. Ки!в, Украша
Анотаця. Стаття присвячена анал1зу енергозбер1гаючих систем св1тлод1одного осв1тлення. Розглянуто св1тлод1оди як джерело св1тла, принцип гх роботи 7 конструкщю. Наведен7 основм характеристики свтлод1од1в, методи гх вим1рювання. Представлен7 тепловий розрахунок св1т-лодюда, схеми 7 джерела живлення свтлод1одних осв1тлювальних пристрогв, методи обчислення осв1тленост1 об'ект1в. У статт1 такожрозглянут1 основт результати розробки 7 впровадження енергозбер1гаючих свтлод1одних систем осв1тлення, одержан71нститутом проблем математичних машин 7 систем НАН Украгни за останм 7 роюв.
Ключов1 слова: енергозбереження, свтлод1од, освтлювальт системи, освтлювальт пристрог, осв1тлетсть.
Аннотация. Статья посвящена анализу энергосберегающих систем светодиодного освещения. Рассмотрены светодиоды как источник света, принцип их работы и конструкция. Приведены основные характеристики светодиодов, методы их измерения. Представлены тепловой расчет светодиода, схемы и источники питания светодиодных осветительных устройств, методы вычисления освещенности объектов. В статье также рассмотрены основные результаты разработки и внедрения энергосберегающих светодиодных систем освещения, полученные Институтом проблем математических машин и систем НАН Украины за последние 7 лет. Ключевые слова: энергосбережение, светодиод, осветительные системы, осветительные устройства, освещенность.
Abstract. The article is devoted to the analysis of energy saving LED lighting systems. The LEDs are considered as a source of light, the principle of their operation and design. The main characteristics of LEDs and methods of their measurement are given. The thermal calculation of the LED, circuits and power supplies of LED lighting devices, methods of calculating the illumination of objects are presented. The main results of the development and implementation of energy saving LED lighting systems, obtained by the Institute of Mathematical Machines and Systems of NAS of Ukraine for the last 7 years are regarded in the paper.
Keywords: energy saving, LED, lighting systems, lighting devices, illumination. 1. Вступ
Енергозбереження - прюритетний напрям державно! пол^ики Украши. Основи пол^ики енергозбереження викладеш в закош «Про енергозбереження» вщ 01.07.1994 № 74/94-ВР, Комплекснш державнш програмi «Енергозбереження в Укршш на 2005-2020 рр.» та Державнш цшьовш науково-техшчнш програмi «Розробка i впровадження енергозбер^аючих св^лодюдних джерел св^ла та осв^лювальних систем на 'х основЬ»
Одним iз суттевих напрямiв енергозбер^аючо'' пол^ики Украши е економiя елект-роенерги, яка витрачаеться на осв^лення. 1з вае! електроенергл на осв^лення в Укрш'ш витрачаеться близько 30%.
За останш роки досягнення в галузях фiзики i оптоелектрошки сприяли створенню св^лодюдних джерел св^ла з енергоефектившстю, що в 8-12 разiв перевищуе енергоефе-ктившсть ламп розжарювання та в 3-4 рази енергоефективнють газорозрядних ламп.
Зпдно з прогнозами закордонних експертсв, вже в найближчi роки св^лодюди у значнш мiрi витиснуть звичайш лампи, використання яких буде заборонено законодавст-
© Морозов А.О., Клименко В.П., |Корбут В.Б.|, 1евлев М.Г., Бутко В.Г., 2017 ISSN 1028-9763. Математичш машини i системи, 2017, № 4
вом. Впровадження в Укршш св^лодюдних джерел св^ла дозволить значно зменшити витрати на осв^лення (до 10-15% вщ загальних витрат електроенерги).
Таким чином, впровадження св^лодюдних систем освiтлення е актуальною задачею. Свiтлодiоднi системи у порiвняннi з традицiйними системами дозволяють суттево зменшити витрати електроенерги, зменшити витрати на обслуговування за рахунок значно бшьшо! надiйностi та термшу експлуатаци свiтлодiодних джерел св^ла, забезпечити висо-ку якiсть осв^лення.
2. Анал1з енергозбер1гаючих систем свгглодюдного осв1тлення
2.1. Св1тлод1оди як джерело свггла. Принцип роботи 1 конструкщя
Свiтлодiод - це напiвпровiдниковий прилад некогерентного випромшювання в оптичному дiапазонi довжин хвиль, принцип ди якого грунтуеться на явищi електролюмшесценци в натвпровщниках i призначений для роботи в осв^лювальних пристроях, пристроях воображения шформацп, оптопарах та волоконно-оптичних лш1ях зв'язку [1-3].
Св!тлодюди можна створювати на основ! р-п переход!в, переход!в метал-нашвпровщник 1 гетеропереход! в. Електролюмшесценщя у св!тлодюдах може спричиня-тися збудженням унаслщок лавинного помноження носив у р-п переход!! унаслщок ту-нелювання носив через р-п перехщ при прямому ! зворотному змщеннях. Однак у св1т-л од ¡одах використовуеться шжекцшне збудження люмшесценцп. При прямому змщенш р-п переходу в облает! р ! п шжектуеться велика кшьюсть неосновних носив, яю вияв-ляються у збудженому сташ й iнтенсивно рекомбiнують.
Оскшьки око людини чутливе до випромшювання в дiапазонi довжин хвиль 0,780,38 мкм, то напiвпровiдниковi матерiали для свiтлодiодiв повиннi мати ширину заборонено! зони в межах 1,58-3,2 еВ.
Найбшьш iмовiрна випромшювальна рекомбiнацiя у прямозонних натвпровщни-ках, в яких вщбуваються переходи типу зона-зона. До таких матерiалiв належать, напри-клад, ОаЛБ, 1пР. У непрямозонних напiвпровiдниках iмовiрнiсть випромшювально! реком-бшаци нехтовно мала.
Найбiльший штерес для утворення свiтлодiодiв становить сполука ОаЛв1-хРх. Це зумовлено тим, що ширина заборонено! зони цього матерiалу змiнюеться залежно вiд х. У раз! змшювання х вщ нуля до одинищ ширина заборонено! зони збшыпуеться вщ 1,4 до 2,7 еВ. Однак, коли х > 0,48, цей матер1ал стае непрямозонним ! внутр!шшй квантовий вихщ
рiзко зменшуеться.
Для збшьшення внутрiшнього квантового виходу в непрямозонних натвпровщниках ОаР, ОаА81_хРх (якщо х > 045 ) уводять азот, унаслщок чого утворюються iзоелектроннi ексiтоннi центри (уловлювачi), через яю вщбува-еться випромiнювальна рекомбшащя. При цьому енергiя кванта випромшювання вiдрiзняеться вiд ширини заборонено'1 зони на енергiю зв'язку екситону.
У найпроепшому випадку св1т-лодюд (рис. 1) - це плоский р-п перехщ з омiчними контактами вщ бази й емiтера. Ем^ером е сильнолегована область п, а базою - слабколегована
\ ! I \ \ ! /
Рис. 1. Випромшювальний р — п перехщ. Втрати оптичного випромшювання: 1 - на власне погли-нання; 2 - на повне внутршне вщбивання; 3 - на зворотне 1 торцеве випромшювання
область р .
При прямому змщенш р-п переходу в базу шжектуються електрони, нер1вноваж-на концентрацiя яких визначасться величиною прямого струму. Випромшювальна реком-бiнацiя вiдбуваeться, переважно, в базi бiля дiлянки об'емного заряду.
Ефектившсть роботи свiтлодiода характеризуеться зовшшшм квантовим виходом Пзов, пiд яким розум^ть вiдношення кiлькостi фотонiв, що вийшли за меж випромiнювача, до загально'1 кiлькостi носив, якi беруть участь у рекомбшацп. Зовнiшнiй квантовий вихщ Пзов завжди менший вщ внутрiшнього виходу Пвнт.
Зменшення кшькосп фотонiв, що вийшли в зовшшне середовище, порiвняно з кшь-кютю, яка генеруеться в активнiй дшянщ дiода, зумовлено втратами на поглинання, втра-тами на повне внутршне вiдбивання i втратами на зворотне i торцеве випромiнювання (рис. 1).
Поглинання фотошв у напiвпровiднику може бути зумовлено рiзними видами взае-
моди.
Енергiя фотона може витрачатися на переведення електрошв валентно! зони на ви-щi енергетичнi рiвнi зони провiдностi, на збудження домшкових рiвнiв (домiшкове поглинання), на на^вання кристалiчноi гратки та на iншi види взаемоди.
Втрати на повне внутршне вiдбивання зумовленi заломленням св^ла на меж двох середовищ. У разi попадання випромiнювання на межу натвпровщник-пов^ря пiд кутом, бшьшим вiд критичного, вiдбуваеться повне внутршне вiдбивання i його самопоглинання. Критичний кут для ОяЛб становить 16°, а для ОаР - 17°.
Фотони, що генеруються в активнш частинi бази, випромiнюються рiвноймовiрно у вах напрямах, у тому чист в бiк пiдкладки та через боковi межi (рис. 1). Вибiр матерiалу пiдкладки принципово важливий для конструювання свiтлодiодiв. У випадку, якщо пщк-ладка непрозора, тодi в нш може поглинатися до 85% випромшювання. Якщо ж пiдкладка оптично прозора для випромшювання, то фотони, проходячи ^зь не'1, вiдбиваються вщ тильного контакту i, багаторазово заломлюючись, можуть вийти через випромiнювальну поверхню. Це може суттево пiдвищити зовшшнш квантовий вихiд дiода. Випромiнювання через торцевi гранi у звичайних св^лодюдах некорисне i знижуе пзов-
У св^лодюдах для узгодження з волоконними оптичними лшями зв'язку необхiдно застосовувати спещальш заходи для посилення торцевого випромшювання. Для цього омiчний контакт, який прилягае до торцево'1 граш, виготовляють у виглядi вузько'1' смужки, шд якою локал1зуеться шжекщя носив заряду 1 випромшювальна рекомбшащя. У цьому випадку в мющ виходу р — п переходу на торцеву грань буде переважати торцеве випромшювання.
Плоска конструкщя св^лодюда вирiзняеться простотою виготовлення i малою вар-тютю, завдяки чому вони набули широкого використання в оптоелектрошщ. Однак така конструкщя мае незначний коефщент пзов. Для збiльшення зовнiшнього квантового виходу розроблено складн^ конструкци у виглядi пiвсфери, зрiзаноi сфери i параболоща (рис. 2). У таких конструкщях кут падiння випромiнювання завжди менший вщ критичного, тому в них майже немае втрат на повне внутршне вiдбивання. Недолiками конструкцш е складшсть 1х виготовлення 1 дороговизна.
а б в
Рис. 2. Р1зновиди конструкцш св1тлодюд1в: а - площина з прозорим нашвсферичним покриттям; б - нашвсферична; в - парабол1чна
Проспший cnociô пiдвищення зовнiшнього квантового виходу - нанесення покрит-TiB з оптично прозорих матерiалiв з необхщною геометрieю, яка мае великий коефщент заломлення.
Тепер випускаються свiтлодiоди, яю перекривають весь спектр довжин хвиль видимого дiапазону. Окрiм свiтлодiодiв, якi випромiнюють у видимому дiапазонi довжин хвиль, промисловiстю випускаються дюди iнфрачервоного випромiнювання - 1Ч дюди, якi утворюють на основi натвпровщникових матерiалiв з шириною заборонено'1 зони, мен-шою за 1,5 еВ. Найбшьш придатш для цього GaAs, а також сполука Ga1-xAlxAs. Дюди шф-рачервоного випромiнювання призначенi передуам для випромiнювачiв в оптронах та у волоконно-оптичних лшях зв'язку.
У св^лодюдних системах освiтлення використовуються в основному бш св^лодю-ди, яю швидко розвивалися i досягли ефективносп стандартних систем освiтлення.
1снують два способи отримання бiлого свiтла високо'1 iнтенсивностi у свiтлодiодах. Перший споаб - використання окремих свiтлодiодiв, яю випромiнюють три первиннi ко-льори, що змiшуються: червоний, зелений i синш (RGB системи). Такi св^лодюди нази-вають рiзноколiрними бiлими, або RGB св^лодюдами. Оскiльки управлiння змшуванням рiзних кольорiв i 1'х розповсюдженням пов'язане зi складними електрооптичними процеса-ми, цей спосiб рiдко використовуеться у промисловосп для отримання бших свiтлодiодiв. Проте даний метод особливо щкавий дослiдникам i вченим завдяки гнучкосп змiшування рiзних кольорiв.
Другий споаб - використання люмiнесцентного матерiалу для перетворення моно-хроматичного свггла з синього або ультрафiолетового в широкий спектр бшого (схожим чином працюе люмiнесцентна лампа). Щоб отримати бiле свiтло, цей спосiб використовуе покриття свiтлодiодiв одного кольору (головним чином сишх свiтлодiодiв, зроблених з InGaN) з фосфором рiзних кольорiв. У цьому випадку свiтлодiоди називають фосфороба-зованими бiлими свiтлодiодами. Залежно вщ кольору оригiналу може використовуватися фосфор рiзних кольорiв. При цьому при застосуванш декiлькох люмiнесцентних шарiв рiзних кольорiв спектр, що випромшюеться, розширюеться, ефективно збiльшуючи iндекс надання кольору (CRI) даного свiтлодiода.
Фосфорш свiтлодiоди мають нижчу ефективнiсть, шж звичайнi свiтлодiоди, через високу температуру i проблеми деградацп, пов'язанi з фосфором. Проте люмшесцентний метод - все ще найпопулярнiша технiка для виробництва бших над'яскравих свiтлодiодiв. Проектування i виробництво джерел св^ла або осв^лювальних арматур, що використову-ють одноколiрнi емiтенти з люмiнесцентним перетворенням, простiшi i дешевшi, нiж скла-днi системи RGB. Тому бшьшють бiлих свiтлодiодiв високо'1 iнтенсивностi на ринку вико-нанi з використанням люмшесцентного перетворення свiтла.
Бiлий свгглодюд також може бути отриманий при покритп ультрафiолетових св№ лодiодiв високоефективною сумшшю, яка створена на червоному i синьому фосфорi з добавкою зелено'1 мiдi та алюмшш, лакованого сульфiдом цинку (ZnS:Cu, Al). Також вщо-мий метод отримання бшого св^ла, який не використовуе фосфору взагалi i заснований на вирощеному цинковому селенiдi (ZnSe). Ця композицiя одночасно випромiнюе сине св^ло вiд активно!' областi i жовте св^ло вiд основи.
Розглянемо переваги свiтлодiодiв у порiвняннi з шшими джерелами свiтла.
• Ефективнiсть: св^ловидатнють свiтлодiодiв на один ват вища, нiж у ламп розжа-рювання i люмшесцентних ламп.
• Колiр: свiтлодiоди випромiнюють свiтло потрiбного кольору без використання ко-льорових фшк^в, потрiбних для традицiйних методiв осв^лення. Це ефективнiше i може знизити початковi витрати.
• Розмiр: св^лодюди можуть бути дуже маленькими (менше, нiж 2 мм) i легко на-носяться на друкованi плати.
• Час реакци: св^лодюди перемикаються дуже швидко. Типовий червоний шдика-тор LED досягае повно! яскравостi в мшросекунди. У свiтлодiодiв, якi використовуються у пристроях комунiкацiй, можуть бути ще швидшi вiдповiдi в чаа.
• Затемнення: яскравiсть свiтлодiода можна дуже легко зменшити простим знижен-ням рiвня прямого струму.
• «Прохолодне» свiтло: на вiдмiну вщ бiльшостi джерел свiтла, свiтлодiоди випро-мiнюють дуже малу кiлькiсть тепла. Енерпя, витрачена на нагрiв, розаюеться через тепло-вiдводи свiтлодiода.
• Повшьна вiдмова: свiтлодiоди виходять з ладу поступово, блякнучи протягом дов-гого часу, на вщмшу вщ ламп розжарювання, якi перегоряють рiзко.
• Довгий термiн експлуатаци: у свiтлодiодiв вiдносно довгий термiн корисного використання. Його оцшюють в 35 000-50 000 годин, хоча час служби може бути i довшим. Час служби люмшесцентних ламп оцшюеться приблизно в 10 000-15 000 годин залежно вщ умов використання, а ламп розжарювання - 1 000-2 000 годин.
• Отр удару: св^лодюди, яю е твердотшьними приладами, важко пошкодити ударивши ïx, на вiдмiну вiд люмiнесцентних i ламп розжарювання, яю достатньо крихкi.
• Токсичнiсть: св^лодюди не мiстять ртутi, на вщмшу вщ люмiнесцентниx ламп.
Розглянемо недолши свiтлодiодiв.
• Висока початкова цша: свiтлодiоди в даний час дорожчь Цiна люмена на початко-вш стади витрат вища, нiж у бшьшосп iншиx джерел освiтлення. Проте за загальною вар-тiстю використання (включаючи витрати на електроенергiю i витрати обслуговування) св^лодюди мають перевагу перед лампами розжарювання та галогеновими i, навт, ком-пактними люмшесцентними лампами.
• Температурна залежнiсть: робота свiтлодiодiв у значнiй мiрi залежить вщ темпе-ратури навколишнього середовища. Перегрiв свiтлодiодiв при високих навколишшх температурах може призвести до вщмови пристрою. Адекватне зниження високо! температу-ри збiльшить термiн експлуатаци. Це особливо важливо при розглядi автомобiльного, ме-дичного i вшськового застосування, де пристрiй повинен працювати у великому дiапазонi температур i обов'язково мати низький ступшь вщмови.
• Чутливють до змiни напруги: св^лодюди повиннi живитися напругою вище поро-гово'' i струмом, нижчим за межу. Це вимагае додаткових резисторiв або керованих джерел електроживлення.
• Небезпека ультрафюлету: випромшювання сишх i прохолодно-бших свiтлодiодiв при збоях в устаткуванш може перевищити безпечнi межi у специфiкацiяx безпеки зору.
2.2. Основш характеристики св1тлод1од1в. Методи ïx вимпрювання
Випромшювальна характеристика Фе = f(I ) - залежшсть потоку випромшювання вщ
прямого струму св^лодюда (рис. 3). У широкому дiапазонi змiнювання струму характеристика лшшна. Низька ефективнiсть випромiнювання за малих прямих струмiв пояснюеться переважним внеском безвипромшювально'1 рекомбшацп на поверхш та дшянщ об'емного заряду р-п переходу. 1з зростанням струму вщбуваеться заповнення цешрйв безвипромь нювально'' рекомбшацп i ix роль послаблюеться. У дiапазонi великих струмiв характеристика стае сублшшною, вiдбуваеться насичення iнтенсивностi випромшювання. Це зумов-лено тим, що за великих струмiв вiдбуваеться заповнення цен^в випромшювально! рекомбшацп [4, 5].
Особливою випромшювальною характеристикою iз суперлiнiйною дiлянкою у разi великих струмiв вирiзняеться суперлюмiнесцентний свiтлодiод. У такому дiодi вщбуваеть-ся стимульоване випромшювання i в дiапазонi великих струмiв його характеристика на-ближена до експоненщально!. Для дiодiв видимого дiапазону на практицi частiше викори-
стовують яскравюну характеристику Л, = /(I)- Характер ще! залежносп такий самий, як \ залежносп Фе = /(I пр).
Сиектральна характеристика - Фе = /О.) - залежшсть св1тлового потоку вщ довжи-ни хвилi випромшювання. Спектральна характеристика визначае колiр свтння св^лодю-да. Спектральнi характеристики свiтлодiодiв на основi рiзних матерiалiв зображено на рис. 4.
Рис. 3. Випромшювальна характеристика св1тлодюда
0,7 0,8 X, мкм
Рис. 4. Спектри випромшювання св1тлодюд1в на
основ1 р1зних матер1ал1в: фюлетовий (GaN), блакитний (ZnS, SiC), зелений (GaP:N), червоний (GaP:ZnO), шфрачервоний (GaAs)
Розроблено конструкцп свiтлодiодiв, у яких можна керувати кольором свтння. На рис. 5 зображено двоперехщну структуру дюда з керованим свтнням. У кристал1 ОаР утворено два р — п переходи. Нашвпровщники пщбрано таким чином, що один перехщ випромiнюе червоний колiр, а другий - зелений. У разi змшування цих кольорiв утворю-еться жовтий колiр. Регулюючи величину струму через кожний перехщ, можна змшювати колiр свiтiння вiд жовто-зеленого до жовто-червоного, а також отримувати чистi (зелений i червоний)кольори.
Другою принциповою можливiстю керувати кольором свiтiння е пiдбiр таких домь шок, яю утворювали б iзоелектроннi центри свтння рiзних рiвнiв. Довжина хвилi випромшювання залежить вiд глибини залягання цих цеп^в, а iнтенсивнiсть випромшювання -вщ величини прямого струму. Керуванням прямим струмом можна домогтися вщповщно-го кольору свтння дюда.
Д1аграма напрямленосп - /, - /(&) - залежшсть сили св1тла вщ напряму випромь нювання. Форма дiаграми напрямленостi залежить вiд геометрп випромiнювача. Дiаграми напрямленосп для р1зних конструкщй св1тлодюд1в зображено на рис. 6.
Вольт-амперна характеристика - / = /(17) - залежшсть струму через св1тлодюд вщ прикладно'! напруги. Пряме падшня напруги визначаеться шириною заборонено'! зони по-чаткового матерiалу (рис. 7). Св^лодюди утворюються на основi сильнолегованих матерь алiв, тому мають малу допустиму зворотну напругу. Однак це не принципово, тому що св^лодюди працюють при прямому змщенш.
До специс]мчних параметр! в св1тлодюд1в належать:
- довжина хвиш випромшювання - Яшах(мкм) - це довжина хвиш, яка вщповщае максимуму спектрально'!' характеристики св^лодюда;
- сила св^ла - /у (Кд) - густина свiтлового потоку на одиницю тiлесного кута;
- кут випромшювання - ср (град) - плоский кут, у межах якого сила св1тла дюда /,
становить не менше 50% 1утах;
- пороговий струм - 1пор (мА) - прямий струм дюда, при якому починаеться помiтне свтння свiтлодiода. Його величина дорiвнюе струму, який вщакаеться прямою апрокси-мащею ват-амперно'1 (яскравюно!) характеристики на ос струмiв (рис. 3).
Рис. 5. Структура св^лодюда з керованим ко- Рис. 6. Д1аграма напрямленост р1зних
льором свтння (а) ! його схема замщення (б): конструкцш св1тлодюд1в: 1 - плоско^ 2 -1, 2 - емггерш електроди; 3 - базовий електрод нашвсферичноц 3 - параболiчноi геометрii
Електричнi параметри св^лодюда - це також пряме падшня напруги ипр, допусти-мий прямий струм 1пр.доп, допустима зворотна напруга изв.доп, час вмикання Твм i час вими-
кання Твим-
Час вмикання i час вимикання (твм i твим ) характеризують швидкод^ свiтлодiода, яка визначаеться iнерцiйнiстю процесу початку i закiнчення випромiнювання у разi подачi на дiод прямокутного iмпульсу струму. Iнерцiйнiсть зумовлена часом нагромадження i розсмоктування неосновних носив у базi дiода.
Для свiтлодiодiв, призначених для вiзуального вiдображення шформаци, швидкодiя не мае принципового значення, оскiльки iнерцiйнiсть людського ока значно перевищуе iнерцiйнiсть дiодiв. Для роботи дiодiв в оптопарах та волоконно-оптичних лш1ях зв'язку 1'х швидкодiя мае бути якомога вищою.
Параметри свiтлодiодiв залежать вiд температури. 1з пщвищенням температури зменшуеться ширина заборонено'1 зони натвпровщника, отже, буде збiльшуватися довжи-на хвилi випромiнювання i зменшуватися потiк випромiнювання Фе.
Недолшами свiтлодiодiв на основi гомопереходiв е малий зовшшнш квантовий ви-хщ i низька швидкодiя. Цих недолшв можна уникнути у свiтлодiодах на основi гетерост-руктур. Як вщомо, у разi контакту двох натвпровщниюв з рiзною шириною заборонено'1 зони утворюеться електричний перехiд, який мае рiзнi висоти потенцiального бар'ера для електрошв 1 д1рок (рис. 8). Можуть бути пвдбраш таю пари иашвпровщииюв, що шжекщя носив заряду через перехщ буде одиостороииьою, тобто коефщ1еит шжекцп у = 1. Причо-му значення коефiцiента шжекци не залежить вщ концентраци носив у сусщшх дiлянках, тобто не залежить вщ ступеня легування емiтера i бази. А це означае, що значення коефщь ента шжекци не залежить i вiд рiвня шжекци в широких межах змiнювання прямого стру-
му. Ц дoзвoляe варiювати кoнцeнтрацiю дoмiшoк в eмiтeрi i базi, те пoбoюючиcь пoгiр-шeння iнжeкцiйнoï здатнocтi гeтeрoпeрexoдy. Емiтeр i база гeтeрocтрyктyри мають рiзнi oптичнi влаcтивocтi. Стектральна xарактeриcтика вyзькoзoннoï бази виявляеться зсунутою в бiк дoвгиx хвиль вiднocнo cпeктральнoï xарактeриcтики пoглинання eмiтeра (рис. 9). To-му з вивeдeнням випрoмiнювання чeрeз eмiтeр фoтoни майжe нe пoглинаютьcя.
Рис. 7. Вoльт-ампeрнi xарактeриcтики cвiтлoдioдiв на ocнoвi р1зних матeрiалiв
Рис. 8. Енeргeтична д1аграма випрoмiнювальнoï гeтeрocтрyктyри
Рис. 9. Cпeктральна xарактeриcтика бази та eмiтeра гeтeрocтрyктyри
Рис. 10. Енeргeтична д1аграма випрoмiнювальнoï пoдвiйнoï гeтeрocтрyктyри
Гeтeрocтрyктyри, щo yтвoрюютьcя при кoнтактi двox напiвпрoвiдникiв, називають-ся oдинарними. Дoдаткoвi мoжливocтi мають пoдвiйнi гeтeрocтрyктyри на ocнoвi трьox напiвпрoвiдникiв (рис. 10). У таких структурах yтвoрюютьcя два eлeктричнi пeрexoди: oc-нoвний пeрexiд мiж ширoкoзoнним напiвпрoвiдникoм n i вyзькoзoнним p2 та дoдаткoвий пeрexiд мiж вyзькoзoнним напiвпрoвiдникoм p2 i ширoкoзoнним p3. Пoтeнцiальний бар'ер дoдаткoвoгo пeрexoдy пeрeшкoджаe виxoдy iнжeктoваниx eмiтeрoм n eлeктрoнiв, i вoни нагрoмаджyютьcя в базi p2. Таким чинoм, yтвoрюeтьcя вeлика надмiрна кoнцeнтра-щя eлeктрoнiв в активнiй базi, щo рiзкo пiдвищye внyтрiшнiй квантoвий вихщ гeтeрocтрy-ктури. Активну дiлянкy бази вишнують якoмoга тoншoю (дeкiлька мiкрoмeтрiв), щo дo-звoляe збiльшити швидщдш вдвiчi пoрiвнянo зi швидкoдieю oдинарниx гeтeрocтрyктyр
без зменшення потужносп випромшювання. Недолiком гетероструктур е складнiсть конс-трукци Г висок1 вимоги до технологи виготовлення.
Сучасний ринок оптоелектронних компонентiв вимагае розум1ння не т1льки оптич-них властивостей свгглодюд1в, але i метод1в 1'х вимiрювання.
Перелiк характеристик св1тлодюд1в, що пiдлягають вимiрюванню, наведений ниж-
че:
• фотометричнi (св1тлов1) характеристики;
• радюметричш (енергетичнi) характеристики;
• калориметричш (спектральнi) характеристики;
• гонюметричш (кутов1) характеристики.
Фотометрiя - це вим1рювання свiтла в видимому спектра Це та частина св1тлового
спектра, яка приблизно вщповщае довжинам хвиль 380-770 нм Г 11 видно неозброеним •2 2 • • 2** оком (1 шт = 1 кд/м або 1 стильб = 1 кд/см ), осв1тленють (1 люкс = 1 лм/м ) та ш. Вс1 вони засноваш на двох основних фотометричних стандартах: св1тловий пот1к i сила свГтла.
Св1тловий пот1к вимiрюеться в люменах. 1 люмен визначаеться як св1тловий пот1к, що випускаеться точковим джерелом з силою св1тла 1 кандела усередиш тiлесного кута 1 стерад1ан (1 лм = 1 кд/ср). Важливо розум1ти визначення стерадiана, що е тшесним кутом (конусом) з центром у сфер! рад1уса г, який вир1зуе з1 сфери поверхню площею г2 (рис. 11). Площа поверхнi сфери рiвна 4пг , тому повний св1тловий пот1к, що створюеться точковим джерелом з силою св1тла одна кандела, р1вний 4п люменам.
Ще зовс1м недавно св1тлодюди, як1 випускаються промислов1стю, виконували в основному шдикаторш функци, i 1'х головною споживчою характеристикою була сила свiтла (у мiлiканделах). Проте така характеристика виявилася малокорисною при по6удов1 систем освГтлен-ня: св1тлодюд з силою свiтла 2000 мкд г кутом випромь нювання 30° забезпечуе такий же св1тловий пот1к, як Г св1тлод1од з параметрами 8000 мкд / 15°. Тому завдяки збшьшенню попиту на потужнг св1тлодюди, як1 е альтернативою лампам розжарювання, зараз все частгше ро-Рис. 11. Визначення стерадгана биться акцент саме на величин! св1тлового потоку.
Тобто саме люмен е бшьш в1дпов1дною м1рою оцшки проведеного свiтла при пор1внянн1 м1ж р1зними джерелами свiтла г при виконанш розрахункiв.
Для перерахунку кандел в люмени використовують такий метод: 1. Знаючи плоский кут випромшювання св1тлодюда О (подвшний кут половинно! яскравостi), вказаний виробником, обчислюеться тглесний кут:
П = 2л(1-с оя(у2
2. Обчислюемо св1тловий пот1к:
F = / П
V
(1)
(2)
де 1У - сила св1тла свiтлодiода.
Проте фактично вим1ряне значення може в1др1знятися в1д розрахунково'1 величини Гз-за вар1ац1й просторового розподшу випром1нювання св1тлод1ода. Це особливо пом1тно при перерахунку несиметричних д1аграм спрямованост1 випром1нювання (наприклад, св1тлод1-од1в з овальною оптикою) Г шдикатрис вузьконаправлених св1тлод1од1в. Р1ч у тому, що не юнуе н1якого однозначного методу перерахунку сили св1тла для визначення точного св1т-лового потоку. Тшьки безпосередн1м вим1рюванням ще'1 величини можна з високою точнь стю визначити и значення в люменах.
Í о
_. -UX)
г (Я)
у(Л) —,(Х)
Радiометрiя займаеться вимiрюваннями повного свiтлового випромiнювання в ycix оптичних дiапазонах (видимому, iнфрачервономy i ультрафюлетовому). Основна одиниця радюметрично'' оптично'' потyжностi - ват (Вт). Ват - абсолютна величина, незалежна вщ довжини хвиш. Один ват шфрачервоного свiтла несе таку ж потужшсть, як один ват видимого св1тла. Ihiiií вим1рюваш радюметричш величини - енергетична сила випромшювання (Вт/ср), енергетична освгглешсть (Вт/м2) i енергетична яскравють (Вт/ср-м2).
Основний метод вимiрювання повно'' оптично'' потyжностi заснований на викорис-таннi сферичного iнтегратора. Сферичний штегратор вимiрюе свiтло, яке випромшюеться свiтлодiодом в yсiх напрямках. Ц вимiри не залежать вiд кута випромшювання свггла i не мають кутових похибок, характерних для фотометричного тестування.
Колориметрiя - наукове вимiрювання i визначення кольорових характеристик св^-лодiодiв. Колориметричнi параметри свiтлодiодiв зазвичай виражеш в координатах кольо-
ровосп або в довжинах хвиль. Колiрне сприй-няття людини надто складне, оскшьки воно залежить не тшьки вiд рiзних фiзичних власти-востей св^ла, а також i вщ навколишнiх об'ектiв, механiчних властивостей випромшю-вача, фiзiологiчного вiдгyкy ока спостер^ача i його психологiчного стану.
У 1931 рощ CIE були вимiрянi реакцп на колiр декiлькох тисяч людей i введено по-няття «Стандартного спостер^ача». Реакцiю такого абстрактного спостер^ача на кольори рiзного спектра описали через tristimulus - три крив^ названi X, Y i Z (рис. 12).
Система tristimulus базуеться на умов1, що кожен тшр - це комбiнацiя трьох первин-них кольорiв: червоного, зеленого i синього. Д^аграма кольоровостi CIE (рис. 13) отримана iз значень tristimulus таким чином:
X=X / (X+Y+Z) або Х=Червоний / (Червоний + Зелений + Синш).
Y=Y / (X+Y+Z) або Y=Зелений / (Червоний + Зелений + Синш).
Оскшьки (X+Y+Z) = 1, третя вюь Z=1 (X+Y).
Зазвичай координати кольоровостi визна-чаються тiльки осями X i Y. Але якщо св^лодюд не мае «бшого» свiчення, бiльшiсть специфiкацiй, що надаються виробниками, мютять не координати кольоровосп, а швидше пiковy i домшуючу довжини хвиль. Домiнyюча довжина хвиш вико-ристовуеться для позначення кольору в координатах CIE i вимiрюеться в нанометрах (нм). Це, по суп, тшр, що фактично сприймаеться людсь-ким оком. Пшова довжина хвилi - це довжина хвиш максимально'' спектрально'' штенсивносп. Шкове значення легко визначити i тому воно е найбшьш частим параметром, що вказуеться виробниками свiтлодiодiв. Проте ткова довжина хвилi, яка сприймаеться людським зором, мае менше практичне значення для застосувань в об-ласп спектра: два свiтлодiоди можуть мати одна-кову пiковy довжину хвиш, але будуть ощнеш людиною як таю, що мають рiзнi кольори.
v» x(nm> мю
Рис. 12. Крив1 X, Y, Z
зеленни
червоннн
синш
ОН №1 02 0J 04 0D 0.6 ®7 01
Рис. 13. Д1аграма кольоровосп CIE
У даний час юнуе найточшший метод вим1рювання кольору з використанням спект-рорад1ометра. Даний пристр1й рееструе Г вим1рюе спектральний розпод1л потужност1 дже-рела св1тла, п1сля чого можуть бути математично обчислеш вс1 фотометричш, радюметри-чн1 Г колориметричн1 параметри. Точшсть визначення устаткуванням довжини хвил1 повинна бути не менше, шж 0,5 нм (бажано 0,1 нм). 1снують р1зн1 чинники, як1 впливають на отриманий результат. Одним Гз них е температура. З тдвищенням температури навколиш-нього середовища збшьшуеться Г температура активно'1 област1 св1тлод1ода, в1дпов1дно збь льшуеться довжина хвил1 випром1нювання св1тлод1ода. Це збшьшення зазвичай мае зна-чення в межах 0,1-0,2 нм/°С залежно в1д типу використовуваного кристала. Деяк1 св1тло-д1оди, наприклад, червоного св1чення, можуть демонструвати Г негативну температурну залежнють довжини хвил1.
Гон1ометр1я займаеться вим1рюван-ням кутових характеристик св1тлод1од1в. Гонюметр - пристр1й, який вим1рюе просто-ровий розпод1л сили св1тла св1тлодюда (рис. 14). Суть цього методу заснована на покро-ков1й ф1ксацп значень сили св1тла св1тлодю-да при його поворот! на вщомий кут, що може бути реал1зоване перем1щенням датчика навколо свгглодюда або нахилами св1т-лод1ода в1дносно нерухомого датчика. Декь лька вим1рювань виходу св1тла робляться для кожного кута при виконанш обертання в1д 0° до 180°. В результат! ми отримуемо профшь випромшювання в одн1й площинг
Оск1льки б1льш1сть св1тлод1одГв мають круглу форму лшзи, то найчаст1ше д1аграма спрямованост1 випром1нювання (Гндикатриса) е симетричною.
Багато виробник1в представляють таку д1аграму як граф1чне представлення кута випромшювання св1тлодюда. Але р1зна геометр1я та похибки, внесен! у ход1 виробництва, можуть суттево зм1нити 1'х оптичн1 показники. Щоб компенсувати щ похибки, треба роби-ти вим1ри у дек1лькох площинах. Особливо потребують таких вим1р1в св1тлод1оди специ-ф1чних форм (овально'1 або елштично'), як1 мають дв1 д1аграми випром1нювання.
Так1 твердот1льн1 пристро', як св1тлод1оди, практично не зношуються, якщо через них пропускаеться номшальний струм Г експлуатащя ведеться при низьких температурах. Багато св1тлодюд1в, виготовлених ще у 70-х - 80-х рр., сьогодш все ще працюють. Типов1 значення термшу служби складають 25000-100000 годин, але висока температура кристала Г вщхилення величини струму живлення можуть значно скоротити цей термш. Найзагаль-шша ознака в1дмови - поступове зниження свггловидатносп Г пад1ння ефективност1. Також можуть вщбуватися раптов1 в1дмови св1тлодюд1в, хоча Г р1дко.
Величина Г нестабшьшсть струму сильно впливають на термш служби св1тлодюд1в. Ще одним чинником довгов1чност1 можуть бути умови експлуатацп. Зараз, на жаль, немае загальних стандарт1в, як1 визначали б термш служби Г параметри надшно' роботи для св1т-лод1од1в. Для визначення термшу служби св1тлодюд1в, як правило, береться за основу час, протягом якого св1тловий пот1к знижуеться до певного значення (наприклад, 75% чи 50% в1д початково'1 величини).
2.3. Управлшня тепловим режимом свгглодюда
Майже 3/4 електроенергл, споживано'1 св1тлодюдом, перетворюеться в тепло Г лише 1/4 - у св1тло. Тому при конструюванш св1тлод1одних св1тильник1в вир1шальну роль у забезпе-ченн1 1'х максимально' ефективност1 грае оптим1зац1я теплового режиму св1тлодюд1в, прос-т1ше кажучи, Гнтенсивне охолоджування [6].
Як вщомо, передача тепла в1д нагрГтого т1ла зд1йснюеться за рахунок трьох ф1зич-них процес1в: випром1нювання, конвекцп, теплопров1дност1.
При дизайн! св1тлод1одних св1тильник1в необх1дно прийняти вс1 можлив1 заходи для полегшення теплового режиму св1тлодюд1в за рахунок збшьшення випром1нювання, конвекцп Г теплопровщносп.
Поверхня осв1тлювального приладу, на як1й вмонтовуеться св1тлодюд або модуль з дек1лькома св1тлодюдами, не повинна бути металевою, оскшьки метали мають дуже низь-кий коефщ1ент випром1нювання. Поверхн1 св1тильник1в, як1 контактують Гз св1тлод1одами, повинн1, по можливосп, мати високий спектральний коефщ1ент випром1нювання.
Для ефективного використання конвекцп бажано мати достатньо велику площу по-верхш корпусу св1тильника для безперешкодного контакту з потоками навколишнього по-в1тря (спец1альн1 ребра, що охолоджують, жорстка структура Г т.д.). Додаткове вщведення тепла можуть забезпечити примусов! заходи: мш1вентилятори або в1бруюч1 мембрани.
Через дуже невелик! площ1 поверхш Г об'ем св1тлод1одГв необхщне для них охоло-дження за рахунок випромшювання Г конвенци не досягаеться. Тому першочергове за-вдання при конструюванш св1тлод1одних св1тильник1в - забезпечити вщведення тепла за рахунок теплопровщносп спещальних елемент1в, як1 охолоджують, або конструкци корпусу. Тод1 ц1 елементи будуть в1дводити тепло випромшюванням Г конвекц1ею. Матер1али тепловщвщних елемент1в, по можливост1, повинн1 мати мш1мальний тепловий оп1р.
Позитивн1 результати були отримаш з теплов1дв1дними вузлами типу «Heatpipes», що мають екстремально висок1 теплопров1дн1 властивост1. Один Гз кращих вар1ант1в тепло-в1дводу - керам1чш п1дкладки Гз заздалег1дь нанесеними струмоведучими трасами, безпо-середньо до яких пщпаюються св1тлод1оди. Теплов1дводи на баз1 керам1ки в1дводять приб-лизно в 2 рази бшьше тепла в пор1внянш Гз звичайними вар1антами металевих елемент1в, що охолоджують.
Основним та визначальним параметром при теплових розрахунках е температура р-п переходу св1тлодюда Т перех^, яку вим1рюють в лабораторних умовах в1домими
методами. Ця температура не може перевищувати максимально допустиму Тмакс, К, бо
нав1ть при короткочасному и перевищенн1 в нап1впров1днику в1дбуваються процеси, як1 ведуть до неправильного функцюнування, а надал1 Г до виходу з ладу св1тлодюда. Температура Тр_пперех1д зв'язана з температурою навколишнього середовища Тсередовище вира-зом
Т =Т + Р-Я , (3)
р-п перех1д середовище 2
де Р - споживана потужнють св1тлод1ода, Вт;
- тепловий отр м1ж переходом 1 середовищем, °С/Вт.
З наведено'1 формули видно, що пщвищення Т та Р призводить до збшь-
шення, а низький тепловий отр до зменшення температури переходу при заданих умовах роботи. Тому розвиток технологи виготовлення св1тлодюд1в, з яким пов'язаш про-блеми як пщвищення свггловщдач1, так Г вщводу тепла, обумовлюеться використанням матер1ал1в з низькими тепловими опорами та використанням вщповщних конструктивних р1шень.
Тепловий розрахунок св1тлодюда (або пристрою на 1'х основ1 - св1тлод1одного пристрою) е чи не найважлив1шим етапом проектування Г неможливий без наявност ви-значених теплових параметр1в, що встановлюють взаемозв'язок м1ж потужн1стю, яка розс1юеться конструкц1ею, та температурою вщповщних частин пристрою. Для анал1зу теплового режиму з урахуванням (по можливосп) бшьшосп теплоф1зичних процес1в, що протшають у св1тлод1одГ, використаемо метод теплових опор1в, для чого побудовано в1-
дповщну електротеплову модель у виглядi наведено! на рис. 15 (а, б) схеми. Модель характеризуе найбшьш поширену конструкцiю свiтлодiодного пристрою, де тепло розсь юеться в навколишне середовище, проходячи вiд переходу через друковану плату до рад1атора. Видно, що свшюдюд представлений чотирма дшянками, кожна з яких характер изуеться сво!м тепловим опором. Яп_к- тепловий отр м1ж р-п переходом 1 корпусом свгглодюда (вказуеться в документацп на св^лодюд) i визначаеться внутрiшньою конструкцiею та матерiалом напiвпровiдникового пристрою, °С/Вт (для свiтлодiодiв рiз-них виробниюв ця величина коливаеться вщ 6°С Вт до 12°С Вт). Як_п - тепловий отр мiж корпусом i платою, визначаеться якiстю теплового контакту мiж ними (пайка, теп-лопровщш кле!, пасти тощо); К„.,ити !Ш1Яитор ~ тепловий отр м1ж платою 1 рад1атором 1
визначаеться способом контакту !х мiж собою. Хороший тепловий контакт забезпечуеться теплопровiдними клеями, пастами чи прокладками з бшьш високою теплопровiднiстю, шжу повггря.
б
Рис. 15. Схематичне зображення свгглодюда (а) \ його теплова схема (б)
Я - тепловий отр м1ж рад1атором та навколишшм середовищем 1 залежить вщ
спроектованого конструктором радiатора, °С/Вт.
Для вщведення тепла вiд активно! област потужного свiтлодiода та розаювання його в навколишне середовище використано друковану плату з нас^зними металiзова-ними отворами та радiатор (рис. 16 а). Двостороння друкована плата з текстол^у мае металiзовану мщну площадку для пайки та нас^зш отвори дiаметром 0,5 мм, яю переда-ють теплову енергiю вщ верхньо! (де саме i встановлено свгглодюд) до нижньо! сторони плати, що з'еднуеться з радiатором. Плата з нас^зними отворами потребуе бшьш товс-того шару металiзащi, а саме 70 мкм замiсть широковживаних 35 мкм. Монтаж радiатора виконувався за допомогою теплопровiдного клею з додатковим кршленням гвинтами.
Як показали проведет дослiдження, ефективним та чи не найпроспшим розв'язанням задачi вщведення тепла е застосування структури, подано! на рис. 16 б. Плата являе собою алюмжеву пластину товщиною вщ 1,5 до 2 мм з шаром дiелектрика
(75...300) мкм (теплопровщнють коливаеться вiд 0,5 до 5 Вт/(мК)), що являе собою скло-тканину, просочену епоксидними смолами, на яку нанесений шар мщно! фольги товщи-ною 35 мкм (виключно для утворення струмоведучих дорiжок). Вiд плати тепло пере-даеться через шар теплопровiдного матерiалу радiатору, розмiри якого вiдповiдають розмь ру метал1чно'1 пластини.
а б
Рис. 16. Схематичне зображення друковано! плати з наскрiзними отворами (а) та
фольговано! алюмтево! плати (б)
Дослщжувались потужнi свiтлодiоди DORADO з представленими видами монтажу. Метою експерименту було вимiрювання температури плати при тривалш робот св^-лодюда. Отриманi такi значення температури:
76,6 °С - металiзована друкована плата;
75,5°С - друкована плата з нас^зними отворами;
84,8°С - плата з фольгованого алюмжю.
Встановлено, що за рахунок наявносп та збшьшення металiзованих отворiв мо-жна суттево зменшити тепловий опiр мiж платою i навколишшм середовищем, але не суттево покращити тепловiдвiд у порiвняннi з платою з фольгованого алюмшш.
Конструювання чи вибiр iз стандартного ряду радiаторiв, що пропонуються на ринку, можна здшснити на пiдставi вiдомих емпiричних методiв розрахунку за умов максимально! теплово! ефективностi, технолопчних, вартiсних та iнших показникiв. При цьому ефективним е використання спещальних програм, наприклад, QLED, за до-помогою яких можна проаналiзувати та ощнити ефективнiсть прийнятих рiшень щодо за-безпечення теплового режиму пристроив. На сьогоднi широко використовують алюмiнiевi (голчастi i ребристi) та керамiчнi радiатори для дiодiв потужнiстю до 15 Вт. Для бшьш потужних свiтлодiодiв (15...30 Вт) додатково використовують вентилятори чи струмин-ну технолопю обдування радiатора (наприклад, такi, що розроблеш i впровадженi компа-шею Nuventix). Для найбiльш потужних свiтлодiодiв (десятки i сотнi ват) застосовують рщинну систему охолодження. Свiтлодiоди потужнютю менше 0,5 Вт монтують просто на текстштову друковану плату.
Розглянемо порядок i приклад розрахунку теплового режиму потужних св^лодю-
дiв.
1. Умови роботи:
- максимальна робоча температура середовища - Т ^^, °С;
- потужнiсть, що розаюеться на свiтлодiодному пристро!, Вт:
P = I-U,
де I - струм, що проходить через свгглодюд, А;
U - напруга на св^лодюднш структура В.
Для групи свiтлодiодiв:
P = n-I-U,
де п - кшькють свiтлодiодiв.
2. Теплов1 дат свгглодюда:
-максимальна допустима температура р-п переходу - Тмакс,°С\
- тепловий отр Яперех1д_середовище (заданий у документацп на свгглодюд).
3. Визначимо температуру р-п переходу Т треходу , виходячи з умов роботитате-плових даних свiтлодiода, за формулою
Т =Т + Р Я
р-п перехгд середовище перех!д-середовище '
4. Робимо висновок про дощльшсть застосування тепловщводу в заданих умовах:
1) Тр-п переходу > Тмакс- пОТр^но використати PаДiатор;
2) Т переходу < Тмакс - пристрiй працюе в заданих умовах без застосування радiатора.
5. Проектуемо радiатор згщно з вiдомими емпiричними формулами, виходячи iз максимально допустимого теплового опору рад1атор-середовище Яр_сдоп. Крадштор-середовище визначаеться з формули температури р-п переходу (3), де - сумарний тепловий отр, що визначаеться вже як = Яп_к + Як_р + Яр_с. Тод1 шукана величина:
п _ ((гг _ 'г \ / р\ _ п _ п
р-с доп. \\ р-п переходу середовище / / п-к к-р'
Для групи свiтлодiодiв:
Хр-с доп. ^/^р п переходу ^середовище ) ^ ^ Я) Япк / П Якр / П.
Рад1атор проектуеться згщно з умовою Яр_сдоп_ <Яр_спроект, де Яр_спроект - тепловий
отр спроектованого радiатора.
При виборi того чи iншого радiатора необхiдно враховувати i його масогабаритш ро-
змiри.
Як правило, виробники потужних свiтлодiодiв монтують !х спочатку на друковану плату (наприклад, фольгована алюмЫева) i при необхiдностi встановлюють на додатковий тепловщвщ (наприклад, алюмшевий радiатор). При такiй комбшацп можливо пщвищити струм через св1тлодюдну структуру.
6. Перераховуемо температуру р-п переходу. При цьому нове значения температури Трп розрах. мае задовольняти умовi
Т <Т ■
р-п розрах. макс
Свгглодюдний пристрш готовий до роботи в заданих умовах.
Звичайно, дат розрахунки мають вщповщати реальному макету, вимiрявши температуру переходу, щоб розробник впевнився у правильносп застосування варiанта охоло-дження пристрою.
Для прикладу визначимо тепловий режим св^лодюда з приведеними нижче даними.
1. Умови роботи: Ц=3,6 В, 1=700 мА, Р=2,52 Вт.
2. Теплов1 дат свгглодюда: Тсередовт=40°С, Тмакс=125°С, Яшрех1д_середошще =45 К/Вт.
3 т =Т +Р-Я =40 + 2,52-45-153
р-п перехгд середовище перехгд-середовигце
4. Так як Т переходу > Тмакс, 153°С > 125°С, то робимо висновок про необхщшсть використати радiатор. У нашому випадку свгглодюд монтуеться на фольговану алюмiнiеву плату зi стандартним тепловим опором - 1,5 К/Вт, тепловий отр «корпус - плата» (площа контакту ~32 мм2, теплопровщшсть контактного матер1алу =2,6 Вт/(м-К)) Як_п = \ ,2 К/Вт.
5. Як радiатор скористаемося найпростiшим варiантом: пластинчастим радiатором iз
алюлишю. Визначимо допустимий тепловий onip рад1атор-середовище при заданих Rn_k =15 К/Вт, R . =1,5 К/Вт:
п-р
d _ /у _у Л / Р_ /? _ /? _ /?
р-с доп. V р-п переходу середовище) п-к к-п \г-р
Rp сдоп = (125 - 40)/2,52 - 15 - 1,2- 1,5- 16 К/Вт.
Площа такого радiатора S = 500/14 ~ 36 см .
Габаритнi розмiри тако! пластини: 6 x 6 см, товщина алюмiнiю - 2 мм. Бачимо, що для зменшення температури переходу св^лодюда необхiдно збiльшувати розмiр пластини. Звичайно, розмiри радiатора треба мiнiмiзувати в силу зменшення вартостi та масогабарит-них параметрiв конструкци, але сам радiатор не може бути менший за габаритнi розмiри св^лодюда чи !х групи. Тому вибираемо радiатор виробника Aavid Thermalloy i3 алюмiнiю розмiром 26,97x26,97x31,75 мм з потужшстю розсiювання 3 Вт та тепловим опором 9,4 К/Вт.
6. Перерахована температура:
Тр.п =40 + 2,52 (15 + 1,2 + 1,5 + 9,4)-108°С.
Перевфяем° умову: Тр_п ртрх < Тмакс .
108°С <125°С - свiтлодiод задовольняе задаш умови, i розрахунок закшчено.
Подальшi ди можуть бути спрямоваш тiльки на зменшення температури переходу: проектування чи вибiр iз каталогу радiатора з меншим тепловим опором чи застосування комбiнованого методу iз наявних способiв тепловiдведення (наприклад, алюмЫевий радiа-тор i вентилятор).
Вище розглянутi основнi моменти забезпечення вщведення тепла вiд активно! обла-ст потужних свiтлодiодiв. Складений порядок i проведений розрахунок теплового режиму (як важливий етап проектування свгглодюдно! конструкци) за допомогою методу теплових опорiв дае можливiсть правильно вибрати тепловий режим натвпровщнико-вих св^ловипромшюючих структур. Результати проведеного аналiзу слугуватимуть основою для дослщження теплових режимiв як окремих свiтлодiодiв рiзного конструктивного виконання, так i свiтлодiодних пристро!в, до складу яких входять десятки та сотш св^-лодiодiв.
2.4. Класифiкацiя осв1тлювальни\ пристроУв
Освiтлювальнi пристро! (ОП) - це пристро!, якi необхiдним чином перерозподшяють св^-ловий потiк джерел св^ла у просторi. За загально прийнятою класифiкацieю всi ОП дь ляться на три класи: проектори, св^ильники i прожектори [7].
Проектори - це ОП, що концентрують св^ловий потiк джерела свiтла на визначе-нiй, чiтко обмеженiй площi або в певному об'емь Найпоширенiший приклад таких ОП - це кшопроектори, що створюють задану освiтленiсть тшьки на певнiй площi екрана.
Прожектори i свiтильники - це свiтловi пристро!, призначенi для освiтлення певних об'екпв як усерединi, так i поза примiщеннями.
Свiтильники - це ОП, в яких св^ловий потш джерел свiтла розподiляeться усереди-ш великих тiлесних кутiв. Як правило, св^ильники освiтлюють поверхнi або предмети, що знаходяться вiд них на достатньо близьких вiдстанях, сумiрних з розмiрами самих св^иль-никiв.
Прожекторами зазвичай називаються ОП, що зосереджують свiтловий потiк джерел свiтла в достатньо малих тшесних кутах i освiтлюють об'екти, якi знаходяться вщ ОП на вiдстанях, що значно перевищують розмiри самих ОП.
За призначенням ОП дшяться на ряд груп:
• ОП для освгглення виробничих примщень;
• ОП для освгглення адмшютративних, офiсних, культурно-просвiтницьких та ш-ших примiщень суспiльного призначення;
• ОП для освгглення побутових примщень;
• ОП для освгглення сшьськогосподарських примщень;
• ОП для освгглення спортивних споруд;
• ОП для функщонального зовшшнього освiтлення;
• ОП для декоративного зовшшнього осв^лення;
• ОП для внутршнього осв^лення засобiв транспорту;
• ОП для арх^ектурно-художнього освiтлення будiвель, пам'ятникiв, фонташв та
i^;
• ОП аваршного освiтлення.
Кожна з цих груп у свою чергу дшиться на дрiбнiшi пiдгрупи. Так, у груш ОП для осв^лення виробничих примщень можна видшити:
• ОП для освгтлення примiщень з нормальним середовищем;
• ОП для освiтлення примщень з важким середовищем (запорошених, вологих, з агресивними парами);
• ОП для освгтлення вибухонебезпечних примiщень;
• ОП для освгтлення пожежонебезпечних примщень.
1снуе мiжнародна система класифшацп i позначення ОП та iншого електротехшчно-го устаткування за ступенем ix захищеностi вiд дп вологи (води) i твердих частинок (пилу). Ступшь захисту позначаеться буквами IP (Ingress Protection - захист вщ проникнення) i двома цифрами.
Перша цифра показуе ступшь захищеност ОП вiд проникнення в нього пилу i сто-роншх тiл i може приймати значення вщ 2 до 6:
2 - оптимальний третш варiант з використанням перетворювачiв iз стабiлiзованим вихщним струмом означае, що спецiального захисту вщ пилу немае; забезпечений захист вщ проникнення твердих тiл з максимальним розмiром у поперечному перетиш бiльше 12 мм, що виключае можливiсть доторкання пальцями до струмоведучих елемешив;
3 - захисту вщ пилу також немае, але виключена можливiсть дотику до струмоведучих елемешив твердим тiлом з максимальним розмiром у поперечному перетинi бшьше 2,5 мм (наприклад, викруткою);
4 - захисту вщ пилу немае, виключена можливють дотику до струмоведучих елеме-нтiв твердими тiлами з максимальним розмiром у поперечному перетиш 1 мм (наприклад, дротом дiаметром 1 мм);
5 - забезпечений захист вщ попадання порошi на струмоведучi елементи i колби ламп. Повний захист вщ зiткнення зi струмоведучими деталями;
6 - повний захист вщ попадання пилу у внутршнш об'ем ОП (пиленепроникнi при-лади) i вiд зiткнень зi струмоведучими деталями.
Друга цифра в позначенш показуе ступiнь захисту вщ проникнення води в середину ОП. Ця цифра може бути вщ 0 до 8 i означае:
0 - шякого захисту вщ попадання води немае;
1 - у класифшацп ступеня захищеностi не використовуеться;
2 - забезпечений захист вщ крапель води, яю падають зверху пiд кутом не бшьше 15° до вертикалi (краплезахищенi ОП);
3 - захист вщ крапель i бризок, якi падають зверху пщ кутом до вертикалi до 60° (дощезахищеш);
4 - захист вщ крапель i бризок, що потрапляють на прилад з будь-якого напряму (бризкозахищеш);
5 - захист вщ водяних струмешв, яю падають з будь-якого напряму;
6 - захист вщ проникнення води при непостшному попаданнi на ОП великих ïï мас;
7 - захист вщ проникнення води в середину ОП при зануренш його на певну глиби-ну i заданий час (водонепроникш);
8 - захист вщ проникнення води при зануренш ОП у воду на необмежений час (ге-рметичш).
Електробезпека ОП повинна забезпечувати захист людей вщ удару електричним струмом. Ступшь безпеки визначасться наявнiстю та яюстю електрично'1' iзоляцiï струмоведучих елементв (проводiв, клемних колодок, патрошв), наявнiстю заземлення та величиною електрично'1' напруги, в яку включений ОП.
При робот вс джерела св^ла нагрiваються до певно'1' температури, залежно'1', перш за все, вщ типу, потужностi i умов охолоджування. Температура на^ву може бути достатньо високою: наприклад, зовнiшня поверхня галогенних ламп розжарювання може нагрь ватися вище 400°С, поверхня ламп розжарювання загального призначення - вище 200°С, МГЛ i НЛВД - вище 300°С. Тому ОП е приладами, що створюють небезпеку виникнення пожеж в мiсцях ïx установки. З шшого боку, небезпека виникнення пожежi залежить i вiд умов експлуатацп ОП - типу матерiалу, на якому встановлюеться ОП, наявносп в осв^-люваному примiщеннi легкозаймистих речовин, запорошеностi примiщень. Для виклю-чення ймовiрностi виникнення пожежонебезпечних ситуацш необxiдно знати ступiнь по-жежонебезпечносп як самих ОП, так i примщень, в яких вони працюють. На ОП вбудова-ного, стельового, настшного, настшьного i пiдлогового виконання наносяться спещальш знаки, що характеризують ïx пожежонебезпечнiсть.
При освiтленнi пiдприемств xiмiчноï, нафтово'1', газово'1' i деяких шших галузей про-мисловостi необхщно враховувати, що в таких мюцях можуть утворюватися вибухонебез-печнi сумiшi i свiтильники нi в якому разi не повиннi бути джерелами виникнення вибухо-небезпечних ситуацiй. Для осв^лення таких пiдприемств можуть застосовуватися тшьки спецiальнi свiтильники, конструкцiя яких повинна перешкоджати виникненню небезпеч-них ситуацш. При освггленш примiщень, де небезпека вибуав особливо велика, св^иль-ники встановлюються поза примiщеннями, а св^ло вводиться через спецiальнi свiтловi отвори або за допомогою порожнистих щшинних свiтлопроводiв.
При виборi свггильниюв i систем освiтлення в першу чергу необхщно керуватися критерiями якост освiтлення, якими можна вважати:
- забезпечення нормованих кiлькiсниx параметрiв осв^леносп;
- комфортнiсть;
- безпека;
- надiйнiсть;
- економiчнiсть;
- легкiсть експлуатацп;
- естетичшсть.
Цi критерп тiсно зв'язаш мiж собою. Важливiсть кожного з них визначаеться видом осв^люваного примщення або об'екта i характером виконувано'1' роботи.
Свiтлодiоднi освiтлювальнi пристро'1' (СОП) найбшьше вiдповiдають усiм зазначе-ним вище критерiям. Вони безпечнi, оскшьки живляться низькою напругою i видшяють, у порiвняннi з iншими джерелами св^ла, дуже мало тепла. При використанш свiтлодiодiв дуже легко забезпечити нормоваш кiлькiснi параметри освiтленостi, вибираючи потрiбну кiлькiсть свiтлодiодiв з необхщними свiтлотеxнiчними характеристиками. Комфортнiсть освiтлення легко забезпечити, використовуючи потужш бiлi св^лодюди з потрiбним спектром випромшювання (тепло-бiлi, нейтрально-бiлi, «денного» спектра або холодно-бш). Крiм того, свiтлодiоди фiрми Cree можуть вiдбиратися ще й у середиш цих чотирьох груп з меншою або бiльшою кольоровою температурою.
Про надшшсть i eK0H0Mi4HiCTb свiтлодiодних осв^лювальних пристро1в широко Bi-домо. Зараз строк безвщмовно! роботи СОП залежить не вщ строку служби свiтлодiодiв, а вiд надiйностi !'х джерел живлення.
Естетичшсть свiтлодiодних освiтлювальних пристро1в досягаеться використанням конструктивiв свiтильникiв, призначених для шших джерел свiтла. Зазвичай бшьшють цих конструктивiв дозволяе розмютити в них достатню кiлькiсть свiтлодiодiв i вiдповiдне дже-рело живлення.
2.5. Схеми i джерела живлення св1тлод1одних освгглювальних пристроУв
Кристал свiтлодiода починае випромiнювати, коли в ньому протiкае струм у прямому на-прямку. Св^лодюди мають експоненцiально зростаючу вольт-амперну характеристику. Зазвичай вони живляться постшним стабшзованим струмом або постiйною напругою з послщовно включеним обмежуючим опором. Це запобюае небажаним змiнам номшально-го струму, яю впливають на стабшьшсть свiтлового потоку, а у пршому разi можуть навiть призвести до пошкодження свiтлодiода.
При невеликих потужностях викори-стовуються аналоговi лшшш регулятори, для живлення потужних дiодiв - мережевi блоки iз стабшзованим струмом або напругою на виходг Зазвичай св^лодюди вклю-чаються послiдовно, паралельно або в пос-лiдовно-паралельнi ланцюжки (рис. 17).
На рис. 17 варiант А показуе пщклю-чення однiеi ланки послщовно з'еднаних свiтлодiодiв до одного джерела живлення, варiант Б - вже двi послiдовнi ланки св^ло-дiодiв, пiдключених до одного джерела живлення через роздшьник струму, i, нарештi, варiант В - кожна з двох ланок свiтлодiодiв пщключена до свого джерела струму.
Плавне зниження яскравостi («dimming») свiтлодiодiв здшснюеться регуляторами з широтно-iмпульсною модуля-цiею (Ш1М) або зменшенням прямого струму. За допомогою стохастичноi Ш1М можна добитися мiнiмiзацii спектра перешкод (проблема електромагштно'1' сумiсностi). Але в да-ному випадку при Ш1М може спостерiгатися пульсацiя випромшювання свiтлодiода.
Величина прямого струму вар^еться залежно вiд моделi: наприклад, 2 мА - в мшь атюрних св^лодюдах площинного монтажу (SMD-LED), 20 мА - у св^лодюдах дiаметром 5 мм з двома зовшшшми виводами i до 1-3 А - в потужних св^лодюдах, що використову-ються з метою осв^лення.
Пряма напруга Uр зазвичай лежить у межах вщ 1,3 В (Ж-ДЮДИ) до 4 В (св^лодь оди на базi нiтриду шд^-гал^ - бiлi, блакитнi, зеленi, УФ).
Вже створеш схеми живлення, яю дозволяють пiдключати свiтлодiоди безпосеред-ньо до мереж змiнного струму 230 В. Для цього двi гшки свiтлодiодiв включаються анти-паралельно i пiдключаються до стандартно'!' мереж через омiчний опiр. У 2008 р. проф. П. Маркс отримав патент на схему регулювання яскравосп свiтлодiодiв, якi живляться стабiлiзованим змiнним струмом (рис. 18).
Посл1довне ищключення
Посл1довно-паралельне тдключення
\77> \7f* \7? \7?
■4
4
■4
,4
\7
\7
4
4
■ 4
■ 4
■ 4
4
4
¥7 47 V7 47 V7
А Б В
Рис. 17. Схеми тдключення свгглодюд1в до джерел живлення
Швденнокорейська фiрма Seoul Semiconductors iнтегрувала цю схему з двома анти-паралельними ланцюжками (у кожному з яких велика кшьюсть свiтлодiодiв) безпосеред-ньо в одному чЫ («ACRICHE-LED»). Прямий струм свiтлодiодiв (20 мА) обмежуеться омiчним опором, пiдключеним послiдовно до антипаралельно'1' схеми. Пряма напруга на кожному iз свiтлодiодiв складае 3,5 В. Така схема тдключення мае ряд недолшв, голов-ним з яких е вщсуттсть гальвашчно'1' розв'язки вщ мережi змiнного струму. Крiм того, такi свiтлодiоди мають низьку ефектившсть: при споживанiй потужностi майже 4,5 Вт ix св^-ловидатнiсть не перевищуе свiтловидатностi двох сучасних свiтлодiодiв iз споживаною потужнiстю 1 Вт кожен.
Рис. 18. Схема включения св1тлодюд1в для живлення стабшзованим змшним струмом
Свiтлодiоди - це низьковольтш напiвпровiдниковi прилади. До того ж, для !х живлення, яке забезпечуе тривалий термiн служби, необхщно стабiлiзувати струм, що протшае через них. Справа в тому, що незначш змiни прямо! напруги на свiтлодiодi викликають рiзкi скачки струму через св^лодюд.
Ще одна дуже важлива причина, яка примушуе живити свiтлодiоди стабiлiзованим струмом, це залежшсть свiтлового потоку вiд струму, який протшае через свiтлодiод. Цю залежшсть використовують при необхiдностi регулювання сили св^ла свiтлодiодного свь тильника або для отримання рiзних тшрних вiдтiнкiв свiчення в повнокольорових RGBW-свiтлодiодах. Проте в бiльшостi випадюв потрiбне стабiльне рiвномiрне свiчення джерела св^ла.
Особливостi пiдключення свiтлодiодiв до джерел живлення iз стабiлiзованою вихь дною напругою або стабiлiзованим вихщним струмом показанi в табл. 1.
У першому випадку застосовують звичайш джерела живлення iз стабiлiзованою ви-хiдною напругою, включивши послiдовно резистор для обмеження струму через свгглодь оди.
Цей варiант вiдрiзняеться низькою ефективнютю i поганою стабiлiзацiею струму, що небажано при використанш потужних свiтлодiодiв.
Другий варiант - пiдключення штегрально! схеми драйвера свiтлодiодiв до виходу такого ж джерела живлення (табл. 1). Цей варiант, поза сумшвом, краще першого, але ви-магае застосування i установки додаткового драйвера свiтлодiодiв, що ускладнюе констру-кщю i пiдвищуе цiну.
Для живлення потужних свiтлодiодiв оптимальний третiй варiант з використанням перетворювачiв iз стабшзованим вихiдним струмом (табл. 1), що дозволяе вщмовитися вiд зовнiшнiх компоненпв (резистора або iнтегрально! схеми драйвера свiтлодiодiв) i добити-ся простоти тдключення свiтлодiодiв, зручностi експлуатацi! i зниження вартостi всiе! системи. Проте i цей варiант мае недолши через обмеженiсть вибору потужностi джерел живлення зi струмовим виходом.
Стабштрон ^ ^ ^ ^ ^ ^
г-^-И-й--^----------ЁИ-И--^
я* я* я* www
I = const
Таблиця 1. Особливосп тдключення свiтлодiодiв
Схема тдключення свiтлодiодiв
U
Перетворювач
+ U
R
I
Ж
-Ê4
—И-
ж
—и-
ж
-N-
UFi
UF,
UF,
(n-1)
UFn
Опис
R= [U - (UF • n)]/I
Перетворювач з виходом «стабшьна напруга»; U - вихщна напруга;
UF - пряме падшня напруги на свiтлодiодi; I - прямий струм через св^лодюди_
Переваги
низька вартють; простота схеми
Недолiки
нестабiльнiсть яскравосп; низький ККД
Схема пiдключення свiтлодiодiв
- U
Перетворювач
+ U
G
—и-И-
ж
-и-
ж
-й-
I
UFi
UF2
UF(n-
(n-1)
UFn
Опис
Перетворювач з виходом «стабшьна напруга»; G - iмпульсний драйвер з Ш1М_
Переваги
високий ККД;
довгий строк служби свiтлодiодiв
Недолiки
висока вартють; складнiсть схеми
Схема пiдключення свiтлодiодiв
U
Перетворювач
+ U
Ж
-Ê4
—И-
—И-
ж
UFi
UF2
UF
(n-1)
UFn
Опис
Перетворювач з виходом «стабшьний струм»
Переваги
Недолiки
високий ККД;
довгий строк служби свiтлодiодiв; простота схеми_
I
Необхщно вiдмiтити, що для живлення свiтлодiодiв можуть використовуватись пе-ретворювачi рiзниx типiв, як DC/DC, так i AC/DC. Використовуючи m типи перетворюва-чiв, можна при необхщносп реалiзувати кожний варiант схем тдключення, представлених в табл. 1.
Найпростiшим перетворювачем для живлення свiтлодiодiв е аналоговий стабшза-тор струму, який може бути виконаний як на дискретних елементах, так i на базi штегра-льного стабшзатора напруги. Останнiй варiант потребуе пiдключення тiльки одного рези-
стора, який задае вихщний струм. Однак такий перетворювач мае багато недолтв, голов-ним з яких е низький ККД.
Зараз на ринку Украши доступш перетворювачi для живлення свiтлодiодiв ycix ти-шв багатьох фiрм як вiдомих (MeanWell, Recom та iн.), так i маловщомих (Eagle, Power Light). Першi вiдомi якiстю i широкою номенклатурою сво!х виробiв при розумних цiнах, друп - «сiрi конячки». Фiрма Recom вщома як виробник DC/DC-перетворювачiв високо! якостi, у тому числi i для живлення свiтлодiодiв.
2.6. Методи обчислення освггленост1 об'ект1в
Розглянемо основш принципи розрахунку освiтлення об'ектiв [8].
Звичайним завданням розрахунку осв^леносп е визначення кшькосп та потyжностi св^ильниюв, необхiдних для забезпечення заданого значення осв^леносп. Значно рiдше виконуються перевiрочнi розрахунки, тобто визначення очшувано! осв^леносп при зада-них параметрах установки.
При освiтленнi об'екпв «точковими» джерелами свiтла, тобто лампами розжарю-вання, свiтлодiодами, а також газорозрядними лампами титв ДРЛ, ДР1 та ДНаТ, спочатку плануються кшьюсть i розмiщення свiтильникiв, у процес ж розрахунку визначаеться не-обхщна !х потyжнiсть. При виборi джерела св^ла за стандартами допускаеться вщхилення номiнального свiтлового потоку ламп вщ запланованого розрахунком у межах вщ -10% до +20%. При неможливосп вибрати джерело свiтла, потiк якого лежить у зазначених межах, змшюеться кшькють свiтильникiв.
При освiтленнi трубчастими люмшесцентними лампами плануються кiлькiсть i роз-ташування рядiв свiтильникiв, за результатами розрахунку здшснюеться «компонування рядiв», тобто визначення кiлькостi та потужносп свiтильникiв, якi встановлюються в кожному ряду. При цьому вщхилення очшувано! осв^леносп вiд задано! не повинно переви-щувати вищевказаних меж.
Вс приклади розрахунку засноваш на двох формулах, що пов'язують освiтленiсть з характеристиками св^ильниюв i ламп:
Е = (4)
S
де E - освiтленiсть, лк;
F - св^ловий потiк, лм;
S - площа осв^лювально! поверхш, м2.
E = I-C0Sa, (5)
г2
дel- сила св1тла у напрямку вщ джерела на дану точку освклювальноТ поверхш, кд;
сс - кут падшня св1тлового потоку Mi ж променем i перпендикуляром до осв1тлювальноТ поверхнi;
r - вiдстань вiд джерела свiтла до осв^лювально! поверхнi, м.
Принципова рiзниця мiж цими формулами полягае в тому, що перша з них, написана в недиференщальному вигляд^ визначае середню осв^лешсть поверхнi, а друга - осв^-ленiсть конкретно! точки на поверхш.
Метод, заснований на першш формуш, носить назву методу коефщента викорис-тання. У сво!х звичайних формах вiн дозволяе забезпечувати середню осв^лешсть горизонтально! поверхш з урахуванням уах падаючих на не! потоюв, як прямих, так i вщображе-них. Перехiд вщ середньо! освiтленостi до мшмально! у цьому випадку може здшснюва-тися лише приблизно. Метод, заснований на другш формуш, - точковий метод, який до-
зволяе забезпечувати заданий розподш осв^леносп на розташованих як завгодно поверх-нях, але лише приблизно врахувати св^ло, вщбите поверхнями примiщення.
Вiдповiдно до цих особливостей, метод коефщента використання застосовуеться для розрахунку загального рiвномiрного осв^лення горизонтальних поверхонь, а також для розрахунку зовшшнього освiтлення у випадках, коли нормована середня осв^лешсть.
Точковий метод застосовуеться для розрахунку загального рiвномiрного i локалiзо-ваного осв^лення примiщень i вiдкритих просторiв та для розрахунку мiсцевого осв^лен-ня при будь-якому розташуваннi осв^люваних поверхонь. Його область застосування для розрахунку внутршнього освiтлення обмежена випадками, коли досить наближено можна облшовувати св^ло, вiдбите поверхнями примiщення.
Област застосування обох методiв частково перекривають одна одну, але бувають випадки, в яких, здавалося б, не може застосовуватися жоден iз методiв.
Дшсно, загальне рiвномiрне освiтлення горизонтально! поверхнi без точного облiку вщбитого свiтла може бути розраховане будь-яким iз методiв. Зазвичай у цих випадках краще користуватися бiльш простим методом - методом коефщента використання. Але для великих вщповщальних примщень бажано користуватися точковим методом, що до-зволяе не тiльки забезпечити задану найменшу освгглешсть, а й проаналiзувати розподiл освiтленостi по всш освiтлюванiй поверхнi.
З вищесказаного випливае, що для розрахунку локалiзованого осв^лення або освт лення негоризонтальних поверхонь у випадках, коли вщбите св^ло ввдграе значну роль, безпосередньо не може бути застосований жоден метод. У цих випадках доводиться засто-совувати обидва методи, тобто комбшувати !х.
Але треба вщмггити, що вс описанi методи заснованi на використанш тiльки тра-дицiйних джерел свггла, таких як лампи розжарювання, люмшесцентш, галогеновi та iн. Для розрахунюв освiтленостi рiзних об'ектiв при використанш св^лодюдних осв^люва-льних приладiв найкраще користуватись програмними пакетами розрахунку.
В останш десятирiччя XX столбя з'явився цiлий ряд спецiалiзованих св^лотехшч-них програм, призначених полегшити роботу проектувальниюв при розрахунку осв^лен-ня. В даний час юнуе достатня кшьюсть свiтлотехнiчних програм, якi надшно закрiпилися на ринку програмного забезпечення. З !х числа можна видшити такi: Europic, DIALux, Calculux, OxyTech, Brilux, Tulight, Ekalux, LightScape та im Ринок свiтлотехнiчного програмного забезпечення (ПЗ) склався таким чином, що лiдируючi виробники свiтлотехнiч-ного устаткування е одночасно розробниками програм автоматизованого проектування осв^лення. Серед них можна видiлити фiрми Osram, GE (Europic), Philips (Calculux). Не-зважаючи на загальнi завдання, розв'язуванi в САПР свiтлотехнiчних систем, кожна з пе-рерахованих програм мае сво! вiдмiнностi, i вибiр проектувальника буде залежати вiд таких факторiв, як рiд розв'язуваного завдання, характер одержаних характеристик на виходi програми, лщензшшсть ПЗ та im Тому свiтлотехнiку корисно ознайомитися як можна з бшьшою кшьюстю програм, що дозволить полегшити завдання ухвалення ршення на пе-редпроектному етат.
Свiтлотехнiчнi програми дозволяють проектувати освiтлення як внутрiшнiх, так i зовнiшнiх об'ектiв. Вбудованi у програми каталоги св^лотехшчного устаткування найчас-пше прив'язанi до продукцii фiрми-виробника, i використання устаткування iнших вироб-ниюв не доступне. Ця обставина обмежуе використання багатьох св^лотехшчних програм.
У бшьшосп випадкiв САПР мае ряд переваг перед шшими засобами проектування:
• точшсть;
• ощадлива витрата часу при виконанш повторюваних операщй;
• можливiсть використання файла САПР шшими програмами.
Для розрахунку осв^лення юнуе багато комп'ютерних програм як безкоштовних, так i лiцензованих.
До безкоштовних вщносяться програми: «DIALux», «Light-in-Night», «Формула Света», «Ulysse», «Faellite».
Програма «DIALux» - безумовний лiдер за сво'1'ми можливостями серед ycix безкоштовних програм. Ця якiсна й популярна серед свiтлодизайнерiв програма призначена для проектування як внутршнього, так i зовшшнього осв^лення. G можливють тривимiрноï вiзyалiзащï, причому все виглядае досить якiсно. Дуже простий штерфейс. В середньому, без сторонньо'1' допомоги на освоення навичок роботи iз програмою (при базовому знаннi св^лотехшки) йде пiвгодини.
Бiльшiсть виробникiв св^лотехшчно'1' продукцп в усьому свiтi мають сво'1' бази да-них св^ильниюв для роботи з цiею програмою.
DIALux - програма для розрахунку i дизайну осв^лення розробляеться з 1994 року DIAL GMBH (DeutcheInstitutfur Angewandte Lichttechnik) - Имецьким 1нститутом Прикла-дно'1' Свiтлотехнiки. Програма розповсюджуеться безкоштовно i може використовувати даш освiтлювального устаткування будь-яких виробникiв, у яких е електронш бази св^и-льникiв у форматi, пiдтримyваномy програмою. Вона безперервно вдосконалюеться сво'1'ми розробниками i мае найбшьшу базу даних св^ильниюв багатьох свiтових брендiв.
DIALux - одна з кращих програм для розрахунку осв^лення на ринку програмного забезпечення. Вона враховуе вс сучасш вимоги до дизайну i розрахунку осв^лення. Програма пщтримуе мiжнароднi i нацiональнi стандарти европейських краш.
DIALux пiдтримyе багато мов: шмецьку, англiйськy, iталiйськy, iспанськy, порту-гальську, французьку, фламандську, голландську, шведську, норвезьку, данську, фiнськy, грецьку, польську, росшську i китайську мови штерфейсу. Програма працюе на всiх пото-чних платформах Windows i постшно поновлюеться квалiфiкованою групою розробникiв.
DIALux призначений для вах, хто мае вщношення до розрахунку освiтлення. Для тих, хто проводить розрахунок осв^лення лише шод^ призначаеться Асистент DIALux Light, який забезпечуе розрахунок осв^леносп всього за декшька крокiв. Професшний проектувальник за допомогою програми може виршити будь-яку задачу: розрахувати осв^лення в повнiй вiдповiдностi з нормами осв^леносп як внyтрiшнiх, так i зовшшшх сцен, вуличне освiтлення, зовшшне освiтлення i навiть отримати фотореалютичну вiзyалi-зацiю проекту. Електрики, дизайнери i проектувальники осв^лення вважають, що DIALux - шструмент, який робить ïx роботу набагато простiшою.
Фiрми-виробники свiтильникiв (у даний час ïx 47, але кiлькiсть ïx постiйно зростае) фiнансyють проект впродовж останшх 11 рокiв. Вони забезпечують так зваш DIALux PlugIns(каталоги свiтильникiв) для використання у программ Цi електронш каталоги запу-скаються з програми i вщкривають проектyвальниковi широкий вибiр виробiв. Таким чином, для виробниюв DIALux е iнстрyментом маркетингу, шшими словами, можливютю презентацп свое продукцп з метою ïï просування на ринку. Успix буде забезпечений, якщо проектувальники почнуть використовувати вироби фiрми для сво'1'х розробок. Саме тому користувач може розраховувати на безперервний розвиток програми i ïï постшну адапта-щю до потреб проектувальника.
3. Досвщ 1нституту проблем математичних машин i систем (1ПММС) НАН Украши у проектуванн1 та впровадженш систем свiтлодiодного освiтлення
Роботи зi створення i впровадження в народне господарство енергозбер^аючих св^лодю-дних систем освiтлення розпочалися в 1ПММС НАН Украши в 2007 рощ. За час, що минув з 2007 року, ствроб^никами 1ПММС було розроблено та впроваджено декшька проекпв св^лодюдного освiтлення й декоративного пiдсвiчyвання. Були розробленi зразки св^ло-дюдних освiтлювальниx приладiв, призначених для рiзниx сфер вжитку. До перелiкy вхо-дять свiтильники для потреб житлово-комунального господарства, побуту, декоративного садово-паркового та архитектурного пiдсвiчyвання та багато шших [9-11].
Один iз перших проекпв використання св^лодюдних свiтильникiв, розроблених в 1ПММС, був проект для осв^лення примiщень лабораторного корпусу 1нституту нейрохь рургл iм. академiка А.П. Ромоданова АМН Украши, впроваджений у 2010 рощ.
1ПММС розробив енергозберiгаючi свiтлодiоднi системи салонного осв^лення ва-гонiв метро моделей 81-714, 81-717 та ïx модифшащй. Цими системами в 2012 рощ перео-бладнанi 50 вагонiв Курешвсько-Червоноармшсько'1 лшп Кшвського метрополiтену, якi безвщмовно працюють бiльше п'яти рокiв. Детально ця робота описана в [12]. Розроблена в 1ПММС система св^лодюдного осв^лення вагонiв метро сери 81-717, 81-714 у порiв-няннi зi стандартною системою освiтлення на люмшесцентних лампах забезпечуе еконо-мiю електроенергл в 3 рази, збiльшення осв^леносп вагонiв бiльше, нiж у 1,5 рази, змен-шення витрат на обслуговування системи осв^лення за рахунок значно бшьшо'! надiйностi i термшу експлуатацл свiтлодiодниx джерел свiтла.
Наступним проектом, який виконав у 2012 рощ 1ПММС, було декоративно-архггектурне пiдсвiчування будiвлi Мiнiстерства освiти та науки Украши. Розроблена система св^лодюдного декоративного пiдсвiчування будiвлi Мшютерства освiти i науки Украши у порiвняннi з традицiйними системами пiдсвiчування на галогенових лампах до-зволяе ютотно (в 12-15 разiв) зменшити витрати електроенергл на пiдсвiчування будiвлi, забезпечити високу якiсть пiдсвiчування i надшшсть системи, зменшити витрати на обслуговування електромереж, знизити рiвень забруднення навколишнього природного середо-вища.
У кшщ 2012 року 1ПММС реалiзував проект системи свiтлодiодного освiтлення внутршнього двору Президл Нащонально'1 академл наук Украши. У 2013 рощ розроблено проект художнього осв^лення фасаду будiвлi Державно'1 служби Украши з надзвичайних ситуацiй.
У 2013-2014 роках розроблеш i впровадженi системи свiтлодiодного осв^лення ко-ридорiв головного корпусу 1ПММС. Системи управляються вiд контролера, що забезпечуе три режими осв^леносп: максимальний, робочий, черговий. Максимальний режим вклю-чаеться примусово (вручну), робочий режим включаеться автоматично з 8 до 17 години в робочi дш, а черговий режим включаеться автоматично з 17 до 8 годин i у вихщш дш. У результат випробувань системи св^лодюдного осв^лення були отриманi таю результати по споживанш потужностi: максимальний режим - 373 Вт, робочий - 124 Вт, черговий -23 Вт. Таким чином, споживання електроенергл при використанш робочого режиму зни-зилося майже в 6 разiв, а при переxодi в режим чергового осв^лення - бшьш, шж в 30 ра-зiв.
1ПММС НАНУ продовжуе роботи по створенню енергозбер^аючих свiтлодiодниx систем освгглення для рiзниx об'ектiв народного господарства (кшька таких робiт викона-но у 2016-2017 роках), а також роботи в напрямi розробки нових приладiв для формування свiтловиx потоюв рiзноï потужностi з заданою дiаграмою спрямованостi, розробку методiв та мшроконтролерних пристро'1'в керування потужнiстю, дiаграмою спрямованосп, кольо-ром, розробку ряду приладiв - вимикачiв, що реагують на зовшшню освiтленiсть, рух та iншi фактори, а також розробку систем живлення освгглювальних приладiв.
Розробленi в 1ПММС свiтлодiоднi пристро'1 для осв^лення вагонiв рухомого складу залiзницi, у тому чист для освiтлення вагошв метрополiтену, свiтлодiоднi системи освiт-лення примщень, свiтлодiоднi свiтильники рiзного призначення захищеш Патентами Укра'1'ни [13-22].
4. Висновки
Розглянуто фiзичнi процеси у свгглодюдах, способи отримання бiлого св^ла високо! ште-нсивностi у св^лодюдах. Описанi переваги свiтлодiодiв у порiвняннi з iншими джерелами свiтла. Наведеш основнi характеристики свiтлодiодiв i методи !х вимiрювання. Показано, що при конструюванш свiтлодiодних свiтильникiв вирiшальну роль у забезпеченш !х максимально! ефективност грае оптимiзацiя теплового режиму свiтлодiодiв. Розглянуто порядок i приклад розрахунку теплового режиму потужних свiтлодiодiв.
Представлена класифiкацiя освiтлювальних пристро!в за !х призначенням, ступенем !х захищеностi вiд рiзних негативных факторiв, критерп якостi освiтления.
Виконано аналiз схем пiдключення свiтлодiодiв до джерел живлення, показано, що оптимальним е варiант з використанням перетворювачiв iз стабiлiзованим вихiдним стру-мом.
Розглянутi основш принципи розрахунку освiтлення об'ектiв та спецiалiзованi св1т-лотехнiчнi програми, яю призначенi полегшити роботу проектувальникiв при розрахунку осв^лення. З уае! рiзноманiтностi свiтлотехнiчних програм БГЛЬих - одна з кращих про-грам для розрахунку осв^лення на ринку програмного забезпечення. Вона враховуе ва сучасш вимоги до дизайну i розрахунку осв^лення. Програма пiдтримуе мiжнароднi i на-цiональнi стандарти европейських кра!н.
Висококвалiфiкованi фахiвцi 1ПММС постiйно працюють над удосконаленням схе-мотехнiки та конструкцп свiтлодiодних освiтлювальних приладiв. Нашi розробки викону-ються з використанням сучасних електронних компоненпв i конструкцшних матерiалiв. Це дозволяе досягти високого ступеня енергоекономiчностi i надiйностi наших виробiв. Ми пропонуемо клiентам широкий спектр осв^лювально! апаратури. Це можуть бути як ексклюзивш свiтильники нашого виробництва, так i свiтильники шших виробникiв, адап-тованi для використання свiтлодiодiв.
1нститут здiйснюе розробку дизайн-проекпв за всiма видами освiтлення, вщ штер'е-рiв до архiтектурних i ландшафтних; комп'ютерне моделювання освiтлення рiзних об'ектiв; вибiр освiтлювального i електротехшчного устаткування; розробку проектiв внутрiшнiх i зовнiшнiх мереж освiтлення; авторський супровщ реалiзованих проектiв на всiх етапах; гарантшне, пiслягарантiйне i сервiсне обслуговування сво!х проектiв.
1ПММС мае можливють органiзувати на базi iнституту виробництво дослщних зра-зкiв освiтлювальних св^лодюдних систем, розроблених ним, а в подальшому - !х серiйне виробництво.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Борисов О.В., Основи твердотшьно! електрон1ки. Напiвпровiдииковi д1оди / Борисов О.В., Гусев В О., Родионов М.К. - К.: НТУУ «КП1», 2006. - 212 с.
2. Чадюк В.О. Оптоелектрошка: вiд макро до нано. Геиерацiя оптичного випромшювання / Чадюк В О. - К.: НТУУ «КП1», 2012. - Кн. 1. - 380 с.
3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники / Степаненко И.П. - М.: Сов. радио, 1980. - 423 с.
4. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света / Гуторов М.М. - М.: Энергоиздат, 1983.
- 384 с.
5. Щепина Н.С. Основы светотехники / Щепина Н.С. - М.: Энергоиздат, 1985. - 341 с.
6. Руденко Н.М. Анатз та розрахунок теплового режиму потужних свiтлодiодiв / Н.М. Руденко, О.В. Гурба // Вюник Нацюнального техшчного ушверситету «КП1». - (Серiя «Радiотехиiка. Радiоа-паратобудування»). - 2010. - № 41. - С. 16 - 21.
7. Мешков В.В. Осветительные установки / В.В. Мешков, М.М. Епанешников. - М.: Энергия, 1972.
- 372 с.
8. Клюев С.Л. Как рассчитать электрическое освещение производственного помещения / Клюев С.Л. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - 48 с.
9.Корбут В.Б. Енергозберiгаючi свiтлодiоднi системи освгглення / В.Б. Корбут, М.Г. 1евлев, В.Г. Бутко //Науково-технiчна iнформацiя. - 2013. - № 2. - С. 42 - 49.
10. Опыт разработки и внедрения систем светодиодного освещения / А.А. Морозов, В.П. Клименко, В.Б. Корбут [и др.] // Промислова електроенергетика та електротехшка. - 2014. - № 2. - С. 30 -36.
11. Енергозберiгаючi засоби автоматизаци i свилодюдш системи освнлення в промисловосп, на транспорт^ в бущвнищга та комунальнш сферi / В.П. Клименко, С.Д. Лутов, В.Б. Корбут [и др.] // Наука та шноваци. - 2013. - № 5. - С. 19 - 26.
12.Корбут В.Б. Енергозберiгаючi свнлодюдш системи освнлення вагошв метро / В.Б. Корбут, М.Г. 1евлев, В.Г. Бутко // Науково-техшчна шформащя. - 2013. - № 4. - С. 44 - 49.
13. Пат. Укра!ни на корисну модель № 71804. Пристрш для освгглення вагошв рухомого складу / Морозов А О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 14, 25.07.2012.
14. Пат. Украши на корисну модель № 82193. Свгтлодюдна система освгтлення примщень / Морозов А О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 14, 25.07.2013.
15. Пат. Украши на винахщ № 106806. Свгтлодюдна система освгтлення примщень / Морозов А О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 19, 10.10.2014.
16. Пат. Украши на корисну модель № 90085. Автомобшьна лампа на основi над'яскравого свнло-дюда / Морозов А.О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 9, 12.05.2014.
17. Пат. Украши на корисну модель № 90086. Свгшльник свгтлодюдний / Морозов А.О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 9, 12.05.2014.
18. Пат. Украши на корисну модель № 90085. Лiхтар аваршно! зупинки / Морозов А.О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 9, 12.05.2014.
19. Пат. Укра!ни на корисну модель № 91104. Свгтлодюдна лампа для зовшшнього освгтлення / Морозов А О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 12, 25.06.2014.
20. Пат. Укра!ни на корисну модель № 91105. Свгшодюдний прожектор / Морозов А.О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 12, 25.06.2014.
21. Пат. Укра!ни на корисну модель № 91106. Свгшльник аваршного (евакуацшного) освгтлення / Морозов А О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 12, 25.06.2014.
22. Пат. Украши на винахщ № 106578. Свнильник аваршного (евакуацшного) освгшення /Морозов А О., Клименко В.П., Корбут В.Б., 1евлев М.Г., Бутко В.Г.; Бюл. № 17, 10.09.2014.
Стаття над1йшла до редакцп 15.11.2017
