CC BY
17
директор Центра светодиодных и оптоэлектронных технологии HAH Беларуси, кандидат технических наук
ученый секретарь Центра светодиодных и оптоэлектронных технологии HAH Беларуси, кандидат технических наук
начальник конструкторско-технологического бюро «ЦКБ» HAH Беларуси
Юрий Трофимов Сергей Лишик Георгий Соловей
Светодиодное солнце
Освещение — одна из областей, где находят применение ресурсо-и энергосберегающие технологии. Самая известная из них—высокоэффективные твердотельные источники света — светодиоды.
О потенциале энергосбережения, скрытом в осветительной технике, можно судить по объемам потребляемой электроэнергии и финансовым затратам на освещение в масштабах страны. В Беларуси доля электроэнергии, идущей на эти нужды, составляет около 18%. Учитывая, что республика ежегодно потребляет около 35 млрд кВт-ч, получим, что на эти цели расходуется около 6 млрд кВт-ч. С финансовой точки зрения это означает, что в свет ежегодно «превращается» около 600 млн долл.
Такой гигантский объем финансовых средств и электроэнергии отчасти обусловлен низкой эффективностью используемых в настоящее время источников света (ламп накаливания, галогенных и люминесцентных ламп). Недостатком ламп накаливания является то, что только 5% потребляемой ими электроэнергии преобразуется в свет, а оставшиеся 95% — в тепло. Кроме того, срок их службы не превышает 1—2 тыс. часов. Люминесцентные почти в 6 раз эффективнее и в 10—20 раз долговечнее,
однако из-за содержания ртути их применение в будущем может быть ограниченно. Недостаток натриевых ламп — низкий коэффициент цветопередачи и желтый цвет свечения, что негативно сказывается на зрении человека. Таким образом, все они либо неэффективны и недолговечны, либо экологически небезопасны и вредны для зрения человека.
какие же источники света в ближайшей перспективе станут альтернативой стандартным лампам? Большинство экспертов предсказывают, что это будут полупроводниковые светоизлучающие диоды. Они были изобретены сравнительно недавно — во второй половине XX в. Поначалу из-за небольшой эффективности их применяли исключительно в индикаторной технике. Однако в дальнейшем, по мере роста качественных показателей, области их применения стали расширяться. В настоящее время в лабораториях ведущих производителей светодиодов на экспериментальных образцах достигнута световая эффективность порядка 208 лм/Вт. Кроме это-
го светодиоды характеризуются большим сроком службы — от 50 до 100 тыс. часов (5—11 лет непрерывной работы), не содержат вредных веществ, виброустойчивы, а также электро- и взрывобе-зопасны.
Применение светодиодов позволит нашей стране существенно уменьшить расходы на освещение, а также улучшить экологическую обстановку в регионе. При этом возникает вопрос: нужно ли создавать отечественное производство светодиодной техники и светодиодов или достаточно ограничиться простым импортом соответствующей продукции? Принимая во внимание потенциальный объем белорусского рынка светодиодов — более 1,5 млрд долл., ответ очевиден: необходима своя производственная база. Учитывая это, руководство страны поддержало инициативу Hациональной академии наук Беларуси по созданию в республике современного производства светодиодной техники. Реализация проекта возложена на Центр светодиодных и оптоэлектронных технологий (ЦСОТ) HAH Беларуси и Центрального конструкторского бюро. При этом ЦСОТ разрабатывает и осуществляет мелкосерийное производство светодиодной продукции,
12
HAYKA И ИHHОBAЦИИ №11(93)_2010
научно-техническое сопровождение проекта, а ЦКБ — крупносерийное производство.
Определены три этапа реализации проекта. На первом будет создано производство на основе импортной светодиодной элементной базы с максимальной степенью локализации выпуска остальных компонентов. В случае коммерческого успеха будет принято решение о целесообразности перехода на второй этап, который предусматривает организацию сборки (корпусирования) светоди-одов на основе импортных кристаллов и материалов.
На третьем этапе появится собственное производство светодиодов по полному технологическому циклу, включая выращивание гетероструктур, резку пластин и т.д.
Реализация первого этапа, стартовавшего в 2009 г., подразумевает организацию выпуска светодиодных уличных светильников и светильников для жилищно-коммунального хозяйства (рис. 1а, б). Уже разработана конструкторская и технологическая документация, изготовлены опытные образцы, проведены лабораторные и натурные (рис. 2а, б) испытания, исследованы их эксплуатационные характеристики, приобретено и введено в эксплуатацию необходимое контрольно-измерительное и технологическое оборудование, создана производственная инфраструктура, проведены ремонт и оснащение помещений (рис. 3).
Выпуск опытной партии 120 уличных и 1 тыс. светильников для нужд ЖКХ намечен на 4-й квартал 2010 г. Проектная мощность производства рассчитана на выпуск 5 тыс. уличных светильников в 2011 г. и 30 тыс. — в 2013 г.
Кроме этого на предприятии разрабатываются светодиодные тепличные облучатели (рис. 2в), офисные светильники и прожекторы (рис. 1в). Использование тепличных облучателей позволяет су-
а) б) О* в)
Рис. 1. Светодиодные светильники: уличный (а), для нужд ЖКХ (б), светодиодный прожектор (в)
ический комплекс домащивания то,
КХ (б), ьис
О Центре светодиодных и оптоэлектронных технологий НАН Беларуси
История государственного предприятия «ЦСОТ НАН Беларуси» началась еще в 1977 г., когда в академическом Институте электроники начали проводиться разработки в области измерительных оптоэлектронных преобразователей с использованием GaAlAs-светодиодов. К тому же времени относятся и первые исследования в области светодиодных мнемонических индикаторов и дисплеев. В 1993 г. начались разработки светодиодных подсветок для жидкокристаллических индикаторов, а в 1999 г. появились первые светодиодные осветительные устройства. В 2001 г. совместно с российской компанией «Лайтмастер» были разработаны первые в СНГ светодиодные RGB-прожекторы с управлением по протоколу DMХ512. В 2003 г. совместно с российской компанией «Кванд» был реализован первый в мире проект полностью светодиодного освещения У1Р-са-лонов самолетов. тогда в салоне самолета было установлено несколько типов светодиодной осветительной и декоративной техники, включая основное освещение, общей мощностью 2 кВт. В 2004 г. был создан первый осветительный прибор на светодиодах для наружного освещения — 60-ваттный осветитель пешеходной зоны, совмещенный с дорожным знаком «Пешеходный переход» с эффектом анимации. Все пешеходные переходы от Орши до Бреста были оснащены такими осветителями, и они работают до сих пор. В 2006—2007 гг., опять же впервые в мире, был реализован проект полностью светодиодного освещения У1Р-вагона железнодорожного транспорта.
Первые светодиодные уличные светильники, разработанные в центре, были установлены в Минске возле Центрального конструкторского бюро НАН Беларуси в июле этого года. Корпуса фонарей защищены специальной нанокраской, поэтому они не загрязняются. До конца года в столице планируется установить около ста таких светильников.
Рис. 3. Рабочие места сборщиков светодиодной техники
Рис. 5. Фотография гониофотометра SMS 10C (а) и измеренные с его помощью кривые силы света (б, в) для светильников, используемых в ЖКХ, отличающихся конструкцией плафона
— f *
■ *
W 1* i:: "Т*" \ ■ 1: я »■
а) б) в)
Рис. 6 Фотография многокристального светодиодного модуля (а), термограмма его поверхности (б) и кинетика нагрева в различных точках поверхности образца (в)
Факты и прогнозы
В ряде стран и регионов приняты законы, запрещающие или ограничивающие применение ламп накаливания: Великобритания (2009 г.), Украина (2009 г.), Австралия (2010 г.), Калифорния, Канада и Евросоюз (2012 г.). При этом запрет на продажу классических источников света мощностью от 25 до 100 Вт позволит Евросоюзу сэкономить электроэнергию, достаточную, чтобы осветить такую страну, как Румыния.
Европейские производители осветительного оборудования выступили с инициативой о свертывании в Европе производства низкоэффективных ламп накаливания к 2015 г.
В Беларуси замена 50% используемых источников света на светодиодные позволит сберечь свыше 125 млн долл. При этом выбросы углекислого газа в атмосферу уменьшатся на 0,8 млн т в год.
щественно увеличить продуктивность выращивания растений экологически чистым методом, уменьшив при этом энергопотребление.
При разработке и производстве любой инновационной продукции первостепенное внимание должно уделяться ее качеству и техническим характеристикам. Применительно к светодиодным светильникам основным техническим параметром, определяющим конкурентоспособность изделия, является световая эффективность. Он показывает, насколько результативно генерируется, перераспределяется и выводится наружу излучение. Для максимизации световой эффективности требуется снижать потери в оптической системе, уменьшать тепловое сопротивление между кристаллами светодиодов и окружающей средой, повышать КПД схем электрического питания. Рассмотрим, как решаются данные задачи.
Элементная база
Известно, что в большинстве случаев даже у брендовых производителей све-тодиодов (Cree, Osram, Philips Lumileds, Nichia, Seoul Semiconductors) измеряемый световой поток не соответствует номинальному паспортному значению [1, 2]. Причина кроется как в маркетинговой политике, так и в методиках раз-биновки светодиодов. В связи с этим на нашем предприятии создана система
в)
14
НАУКА И ИННОВАЦИИ №11(93)_2010
Рис. 7. Типичная осциллограмма напряжения при выключении электропитания в производственном цеху с мощным силовым оборудованием
входного контроля параметров светодиодной элементной базы, светодиодных модулей и дисплеев, основанная на использовании комплекса прецизионного измерительного оборудования немецкой компании Instument Systems (рис. 4). Кроме того, предприятие оснащено калибровочной лабораторией. Совместно с Госстандартом проводится работа по аккредитации лаборатории и включении оборудования в Единый реестр средств измерения Республики Беларусь.
Оптическая система
Благодаря уникальному технологическому и измерительному оборудованию на создаваемом производстве имеется возможность оперативного прототипи-рования и исследования оптических элементов для светодиодной техники. На рис. 5 представлены измеренные с помощью гониофотометра SMS 10C кривые силы света светильников для нужд ЖКХ с различными вариантами плафонов. Последние отличаются текстурой поверхности и изготавливаются на собственном технологическом оборудовании методом 3D-фрезерования и вакуумной формовки. Анализ полученных данных позволяет рассчитать оптические потери в плафоне и принять решение о целесообразности его использования в серийно выпускаемом изделии.
Тепловая система
Обеспечение оптимальных тепловых режимов работы светодиодов — первостепенная задача, от решения которой зависят надежность и срок службы изделия. На рис. 6 показаны многокристальный светодиодный модуль, термограмма его поверхности и кинетика нагрева в различных точках поверхности образца: кристалл (SP01), плата (SP02), резистор (SP03). Контроль локальных мест перегрева позволяет определять слабые места в конструкции и своевременно (на этапе макетного образца) их устранять.
Электрическая система
Основные требования к блокам питания светодиодных уличных светильников — высокий КПД, расширенный диапазон рабочих напряжений, встроенные функции защиты от перенапряжений и перегрева, гальваническая развязка, высокая надежность, пылевлагозащи-щенность и грозозащита. Как правило, в светодиодной технике применяются покупные блоки питания. Однако практика показывает, что даже качественный и сертифицированный блок не гарантирует отсутствия проблем со светильником после его включения в сеть. Так, например, при подключении уличного светильника монтажник может перепутать фазы в момент включения/выключения электрического питания в производственных цехах, в которых установлено силовое оборудование (станки, машины). Нано-секундные броски сетевого напряжения (рис. 7) могут вывести из строя блок питания, светодиодные модули и др.
При разработке светильников необходимо учитывать и такие нюансы, как устойчивость защитных покрытий к долговременному воздействию иУ-из-лучения, влаги, температуры и других факторов окружающей среды. Светильники, особенно наружного применения, должны быть самоочищающимися, так как накопление на них грязи и пыли сни-
жает эффективность теплорассеяния и, как следствие, надежность изделий. Для решения вышеуказанных задач корпусные детали покрываются защитным на-нопокрытием на основе флуорокарбона, установка по нанесению которых также имеется в распоряжении создаваемого производства.
Несмотря на сравнительно небольшой срок реализации проекта, предприятие существенно продвинулась в разработке и создании производства светодиодов. Имеющееся контрольно-измерительное и технологическое оборудование, наработки и опыт позволяют нам достичь высоких технико-экономических показателей светодиодной продукции.
Литература
1. Ю.В. Трофимов, С.И. Лишик, В.И. Цвирко, В.С. Поседько, В.В. Докторов, В.В. Мазюк. Эффективность излучения различных типов мощных белых светодиодов. Полупроводниковые лазеры и системы на их основе. / Сборник статей 7-го Белорусско-российского семинара // Под ред. Зубеле-вича В.З., Кононенко В.К., Яблонского Г.П. — Мн., 2009. С. 141—144.
2. Ю.В. Трофимов. Как занять место под светодиодным солнцем? // Современная светотехника. №1, 2010. С. 14—17.
