Разработка светотехнической части светового прибора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Характеристики светодиодов

1.1 Литературный обзор на тему световых приборов для теплиц

1.2 Современные разработки светодиодов

1.2.1 Конструкция керамической подложки

1.2.2 Конструкция алюминиевой печатной платы

1.3 Фирмы по разработке светодиодов и основные характеристики современных светодиодов

2. Светодиоды как источники света их конструкции, светотехнические и энергетические характеристики. Существующие светодиоды СП

2.1 Конструкция светодиодного чипа

2.2 Источник питания к светодиодному источнику света

2.3 Диммирование светодиодов

3. Особенности использования светодиодов как источников света

3.1 Основные элементы светодиодного СП

3.2 Спектры излучения светодиодных светильников

4. Выбор и обоснование светотехнической части СП

4.1 Оптическая система светодиодного СП

4.2 Отражатель светодиодного СП

4.3 Рассеиватель светодиодного СП

5. Разработка конструкции СП

5.1 Обеспечение теплового режима светодиодного светильника

5.2 Тепловой расчет СП

5.3 Моделирование тепловых режимов работы светильника в программном комплексе «Solid works 3D CAD /Solid works Flow simulation

6. Светотехнические и энергетические расчеты СП

6.1 Требования, предъявляемые к искусственному освещению помещений

6.2 Выбор светового прибора (светильника)

6.3 Выбор нормированного значения освещенности

6.4 Определение количества и размещение светильников

Заключение

Список используемых источников

Приложение 1



Введение

светодиодный свет освещение светильник

После разработки светодиодных источников света, которые по светотехнической эффективности в 10 раз выше, чем лампы накаливания и 2-3 раза эффективней люминесцентных ламп, экологически безопасны, не чувствительны к изменению питающего напряжения, и имеют в 50 раз более высокий срок службы чем лампы накаливания и в 5 раз более высокий срок чем люминесцентные лампы появилась необходимость разработки светового прибора (СП) на светодиодной основе. Требования к температурным режимам работы светодиодов, геометрии расположения в световых приборах, цветопередаче иные, чем у ранее используемых источников света. Поэтому просто заменить одни источники света на другие в СП не представляется возможным. Из этого следует простой вывод, что все существующие СП необходимо разрабатывать по-новому.

Важным фактором, во многом определяющим экономическую эффективность применения осветительных устройств на основе светодиодов, является их долговечность. Время жизни светодиодов превышает время жизни люминесцентных ламп в несколько раз, а ламп накаливания - в десятки раз. Кроме того, светодиоды в отличие от ламп не являются хрупкими, поэтому для устройств на их основе характерна высокая вандалостойкость. Возможность низковольтного питания делает их также безопасными, то есть не являющимися потенциальными источниками возникновения пожара или взрыва, а отсутствие в составе светодиодов вредных веществ существенно упрощает и удешевляет их утилизацию. Благодаря всем этим факторам, а также увеличившейся за последние годы световой отдаче светодиоды стали востребованными источниками света уже сейчас и должны завоевать новые сферы применения в самом ближайшем будущем.

Одной из таких новых сфер применения светодиодных светильников может стать растениеводство. Оптическое излучение является источником энергии для фотосинтеза, причём преимущественно поглощается длинноволновая часть спектра (красные лучи), а влияние коротковолновой части (сине-зелёной) менее существенно [1]. Исследования воздействий излучения видимого спектрального диапазона на растения, например на эффективность фотосинтеза и продуктивность различных растений, ведутся уже достаточно давно. В процессе исследований установлено, что свет, полученный разными пигментами, расходуется на разные цели: пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений; пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за увеличение зелёной массы; зелёная часть спектра излучения полезна для фотосинтеза оптически плотных листьев и листьев нижних ярусов, куда синие и красные лучи почти не проникают. Остальные части спектра растениями практически не используются [1].

Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области спектра составляет от 620 до 635 нм, в оранжевой - от 610 до 620 нм, в жёлтой - от 585 до 595 нм, в зелёной - от 520 до 535 нм, в голубой - от 465 до 475 нм и в синей - от 450 до 465 нм. Таким образом, составляя комбинации из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне [2]. Кроме того, можно подобрать спектральные линии светодиодного светильника так, чтобы они с достаточно высокой степенью совпадали с пиками кривой спектральной эффективности фотосинтеза, что может улучшить эффективность усваивания света растениями, а возможность управления интенсивностью излучения светодиодов с помощью изменения тока может позволить изменять интенсивность той или иной спектральной составляющей в зависимости от вегетационного периода растений. Осуществлять такое регулирование величины тока вполне по силам автоматизированным системам, которые управляют современными теплицами [3].

В принципе, возможность управлять интенсивностью светодиодов с помощью современных систем управления является очень важным их преимуществом при использовании в промышленном освещении, уличном освещении и освещении внутри зданий.

Задача по разработке СП существенно облегчается тем, что сейчас существует много разнообразных программ позволяющих разрабатывать конструкции СП, их светотехнические части, производить тепловые расчеты. Такими программами являются, например, Light Tools, SolidWorks с ее приложениями.

Целью курсовой работы является: разработать конструкцию и светотехническую часть светового прибора с учетом требования для освещения теплиц.

В ходе выполнения курсовой работы необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ объекта с точки зрения его освещения.

2. Установить необходимые уровни освещения, цветопередачу, световую отдачу, мощность и габариты светового прибора.

3. Определить температурные режимы светового прибора.

4. Разработать конструкцию светового прибора.

5. Определить конструкцию и рассчитать светотехническую часть светового прибора.

6. Рассчитать степень неравномерности освещенности освещаемого объекта, световую отдачу и КПД светового прибора.

7. Подготовить отчет и презентацию по разработанному световому прибору.



1. Характеристики светодиодов

1.1 Литературный обзор на тему световых приборов для теплиц

Обеспечение помещения достаточным количеством солнечного света - одно из основных условий успешного выращивания растений в закрытом грунте. В периоды времен года, когда натурального солнечного света не хватает, необходимое количество жизненной энергии для посевов восполняется за счет системы искусственного дополнительного освещения, досвечивания [4].

На сегодняшний день для дополнительного освещения используются:

· Лампы накаливания;

· Инфракрасные лампы;

· Газоразрядные лампы;

· Люминесцентные лампы;

· Натриевые лампы;

· Светодиодные лампы (LED).

Лампы накаливания

Освещение в теплице может быть выполнено посредством обычных ламп накаливания (рис. 1). Однако следует учитывать, что освещение в теплице или парнике из поликарбоната с использованием таких ламп нецелесообразно [3].

Плюсы ламп накаливания:

· тепличные светильники на основе ламп накаливания неплохо освещают и подогревают всю площадь;

· характеризуются довольно высоким потреблением энергии и наличием светового спектра на уровне 600 номиналов;

· излучают значительное количество оранжевых, красных и инфракрасных лучей.

Минусы ламп накаливания:

· Лампа накаливания для выращивания рассады непригодна, так как способствует разрастанию стеблей и деформации листьев;

· Ставить такие осветительные приборы следует на определённом расстоянии от растений, что позволит защитить тепличные культуры от получения ожогов;

· Освещение для теплиц с использованием такого типа ламп является оптимальным вариантом при выращивании лука, сельдерея и петрушки, а вот освещение для любой рассады посредством ламп накаливания недопустимо [4].

Рисунок 1 Тепличные светильники на основе ламп накаливания

Инфракрасные лампы

Очень популярно освещение в парнике или теплице при помощи инфракрасных светильников (рис. 2)[4].

Плюсы инфракрасных ламп:

· освещение в зимней теплице инфракрасными лампами способствует прогреву почвы и самих растений;

· освещение ИК-лампами в теплице может быть оснащено терморегуляторами, посредством которых будет осуществляться равномерное освещение и обогрев;

· ИК-системы экономичны и потребляют на пятьдесят процентов меньше электрической энергии;

· освещение такими лампами в теплице способствует быстрому прогреву воздушных масс;

· освещение для теплиц посредством ИК-ламп не наносит вреда растениям и людям;

· ИК-лампы не способствуют высушиванию воздуха и не требуют установки дополнительного увлажняющего воздух оборудования;

· освещение для парников и теплиц на основе таких ламп абсолютно бесшумно;

· современное ИК-освещение в теплице позволяет создавать зонирование.

Рисунок 2 Тепличный светильник на основе инфракрасной лампы

Газоразрядные лампы

Относительным новшеством, позволяющим устроить освещение в парнике или теплице, являются газоразрядные лампы (рис.30. Такие осветительные элементы отличаются компактностью и могут осуществлять освещение не только тепличных растений, но и рассады [3].

Плюсы газоразрядных ламп:

· Высокий уровень компактности, позволяющий выполнить освещение в маленькой теплице;

· Высочайший уровень светоотдачи;

· Освещение газоразрядными лампами для теплиц характеризуется оптимальным для роста и развития растений спектром излучения;

· Освещение такими лампами идеально подходит для выращивания рассады любых растений.

Минусы газоразрядных ламп:

· Освещение газоразрядными лампами для теплиц отличается высокой стоимостью;

· Присутствует определённая сложность, не позволяющая быстро выполнить расчёт и монтаж электропроводки;

· Требуется знание и умение установки пусковорегулирующих аппаратов и импульснозажигающих устройств.



Рисунок 3 Модели газоразрядных ламп

Люминесцентные лампы

Качественное освещение для парников и теплиц может быть основано на использовании люминесцентных осветительных приборов (рис. 4). Их расчёт не представляет сложности, а освещение теплицы получается достаточно надёжным. Люминесцентные лампы выгодно отличаются универсальностью и подходят практически для любых тепличных сооружений [4].

Наилучший эффект наблюдается при комбинировании ламп тёплого и холодного цвета. Средний срок службы оборудования, основой которого являются люминесцентные лампы, составляет порядка двух тысяч часов. Ультрафиолетовые лампы, предупреждающие поражение растений болезнетворными микроорганизмами, очень часто дополняют освещение люминесцентными лампами [4].

Плюсы люминесцентных ламп:

· Люминесцентные лампы имеют высокий уровень экономичности;

· Такие осветительные приборы отличаются прекрасным сочетанием цены и качества;

· Люминесцентные лампы характеризуются излучением практически полного светового спектра, что делает незаменимым их использование на всех этапах развития тепличной культуры;

· Люминесцентные лампы очень незначительно нагреваются и не способствуют нарушению микроклиматических условий в тепличном пространстве;

· Расчёт осветительной мощности и установка оборудования могут быть выполнены самостоятельно.

Минусы люминесцентных ламп:

· Люминесцентные светильники обладают достаточно большими габаритами и при неправильном расчёте количества и безграмотном монтаже могут снизить показатели естественного освещения тепличного пространства;

· Такой тип ламп имеет недостаточную для многих тепличных растений светоотдачу;

· Люминесцентные осветительные приборы очень чувствительны к изменению температурного режима, а нормальная работа приборов требует показателей на уровне от восемнадцати до двадцати пяти градусов тепла;

· Немаловажным фактором для корректной работы ламп является уровень влажности в теплице, который не должен превышать семидесяти процентов [4].



Рисунок 4 Люминесцентные лампы

Натриевые лампы

Достоинство и преимущество данного вида ламп состоит в прекрасной светоотдаче (рис. 5). Спектр, излучаемый натриевыми лампами, неприятен для человеческих глаз, но максимально полезен для рассады, поэтому данные световые приборы нашли широкое применение для дополнительной подсветки растений в парниках [4].

Плюсы натриевых ламп

· Недорогая цена;

· Окупаемость 3-5 лет;

· Обладают прекрасной свето- и теплоотдачей, поэтому можно значительно сэкономить на обогреве теплицы в холодное время года;

· Излучают полезный для роста, укрепления и плодоношения растений красно-оранжевый спектр;

· КПД такого светильника порядка 30%.

Минусы натриевых ламп

· Перегрев, из-за которого лампы размещаются на определенной высоте от монтажных лотков (в результате поток света становится более рассеянным и, опять же, снижает фотосинтетические свойства органики) [3].

Рисунок 5 Тепличные светильники на основе натриевые ламп

Светодиодные лампы (LED)

Данный вид светильников отлично подходит для освещения теплиц и рассады (рис.6). Использующее светодиодные источники приспособление обойдется дороже при покупке, однако сэкономит электричество в процессе использования за счет высокого КПД на уровне 95% и эксплуатационного срока не менее 50 тысяч часов [3].

Плюсы светодиодных ламп:

· Срок службы (при выборе гарантированного производителя гарантированный срок службы, более 20 лет);

· Сэкономить потребление электроэнергии (в среднем на 40%) и перегрев помещения в случае “рядового освещения”;

· Добиться высокой эффективности при производстве различных культур, создавая необходимые условия для получения качественных плодов;

· Создание или, скорее, двухточечная настройка наиболее подходящего спектра для роста растения в течение определенного периода роста и вегетации;

· Обладают повышенной устойчивостью к перепадам температур и высокой влажности;

· Светодиодные лампы не требуют, в отличие от газоразрядных источников, дополнительных систем охлаждения и пускорегулирующей аппаратуры и даже при близком расположении к растениям не нагревает их листья и стебли.

Минусы светодиодных ламп:

· Высокая цена;

· Окупаемость минимум 8-10 лет [3].

Рисунок 6 Тепличные светильники на основе LED ламп

1.2 Современные разработки светодиодов

Светодиод - полупроводниковый источник некогерентного оптического излучения, принцип действия которого основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеро- p-n переход. В настоящее время производятся светодиоды видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов [6].

Современные светодиоды, в том числе применяемые для освещения и подсветки, являются светодиодами высокой яркости (high bright LED, HB LED), сила света от них превышает 3000 мкд. Некоторые из них относятся к светодиодам высокой мощности (high power LED, HP LED); это означает, что их электрическая мощность превышает 1 Вт.

Рисунок 7 Основные элементы конструкции мощного светодиода

Светодиод состоит из полупроводникового светоизлучающего чипа, корпуса, проволочных выводов, соединяющих электрически светодиодный чип и электрическую разводку корпуса, материала-фиксатора чипа в корпусе - клея или адгезива, или материала припоя в случае использования flip-чипов, оптического полимера или компаунда. Конструкция мощных светодиодов (рис. 1) дополнительно содержит диод, защищающий светодиод от электростатического разряда.

Конструкция мощных светодиодов типа «чип на плате» (chip on board) представляет собой набор чипов, установленных на подложку (часто -- на печатную плату с металлическим основанием) из металла с прослойками диэлектрика или из керамики AlN или Al₂О₃.



1.2.1 Конструкция керамической подложки

Керамические подложки из Al₂О₃ и AlN делают из низкотемпературной и высокотемпературной керамик. Положительные аспекты использования керамических подложек сводятся к следующему:

- керамические подложки являются изоляторами;

- у них высокая теплопроводность, особенно у AlN;

- по коэффициенту термического расширения они близки к кремниевым и сапфировым подложкам;

- они подходят для высокомощных светодиодов и используются при высоких температурах.

К недостатками керамических подложек можно отнести то, что:

- форма корпуса должна выбираться с учётом процесса изготовления керамики, и при этом возникает необходимость в дополнительной оптике;

- стоимость изготовления керамических подложек относительно высока: подложка из AlN в 3 раза дороже подложки из Al₂O₃.

Одним из вариантов корпуса светодиода является керамический DBCкорпус, представляющий собой основание из керамики Al₂O₃ или AlN, на котором методом прямого диффузионного сращивания закреплены тонкие слои меди. В англоязычной литературе эти корпуса называются direct bonded copper board, сокращенно -- DBC. Часто нижняя поверхность корпуса полностью покрыта медью, в то время как на верхней поверхности из меди сделана электрическая разводка, обеспечивающая электрическое соединение силовых ключей, силовых и управляющих выводов. DBCкерамический светодиод припаивается на металлический радиатор, который в процессе работы служит теплоотводом для полупроводниковых элементов.

Другим вариантом керамического корпуса светодиода является подложка на основе нанопористого слоя Al₂O₃, изготовленного методом анодирования на алюминиевой пластине толщиной 0.1-0.3 мм (рис. 8).

Локальные участки этой пластины окисляются и превращаются в пористый оксид алюминия, поры в котором заполняются диэлектрическим материалом. На поверхности из медного слоя создаётся рельеф для монтажа. В итоге получается изделие с теплопроводностью керамики, но за счет отсутствия операции формирования отверстий его стоимость получается значительно ниже.

Рисунок 8 Керамическая подложка ALOX, полученная анодированием алюминия

Лучшие светодиоды в керамических корпусах обладают тепловым сопротивлением 8-15 К/Вт. На рис. 9 приведён способ разделения существующих видов конструкций мощных светодиодов и их внешний вид.

Рисунок 9 Примеры высокомощных светодиодов



1.2.2 Конструкция алюминиевой печатной платы

С помощью платы обеспечивается подвод электроэнергии и передача тепловой энергии корпусу или радиатору (первичный элемент отвода тепла от чипа). Одним из простейших типов печатной платы, предназначенных для поверхностного монтажа светодиодов является однослойная печатная плата с металлическим основанием (metal core printed circuit board, MCPCB).

Плата (рис. 10) представляет собой пластину из теплопроводящего материала (обычно алюминия толщиной 0,5…3,2 мм), на которую с помощью стеклоткани пропитанной смолой (препрег), наклеены один или несколько проводящих слоев медной фольги.

Рисунок 10 Структура печатной платы

Данный тип плат применяют в изделиях, где имеют место повышенные локальные или распределённые по площади тепловые нагрузки. Генерируемое тепло, легко проходя через диэлектрик, быстро распространяется по всему объему алюминиевой подложки и далее передается радиатору светового прибора. Материалы печатных плат:

Медная фольга - используется стандартная для производства печатных плат медная фольга толщиной 35-350 мкм;

Диэлектрик (препрег) - стеклоткань, пропитанная эпоксидными смолами толщиной 50-150 мкм. В качестве препрега может использоваться как обычная эпоксидная стеклоткань FR-4, так и специальный теплопроводящий состав (Т-preg), который обладает лучшими теплопроводными и электроизоляционными свойствами. Он представляет собой специальную химически стойкую структуру с высокой теплопроводностью толщиной 75-200 мкм, изготовленного из особого диэлектрика - смеси полимера со специальной керамикой.

Основные параметры наиболее часто используемых диэлектриков приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры используемых диэлектриков

Параметр	FR-4	T-preg
Теплопроводность, Вт/м • К	0,3	1-5
Диэлектрическая прочность, кВ/мм	20	24-31

В конструкции плат с металлическим основанием важную роль играет коэффициент температурного расширения (КТР) материалов подложки. Использование материалов с большим КТР при высоких температурах приводит к возникновению внутренних механических напряжений. Поэтому для высокотемпературных применений, где данный параметр критичен, используют материалы с подложкой из низкоуглеродистой стали (толщиной 1 и 2,3 мм) с малым КТР.

1.3 Фирмы по разработке светодиодов и основные характеристики современных светодиодов

Рынок светодиодов расценивается как исключительно важный всеми производителями электронных компонентов, включая светотехническую индустрию. В течение последних лет светодиодный рынок устойчиво развивается, достигая величины прироста товарной массы до 78%. Чтобы изготавливать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей - электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. Количество заключенных стратегических альянсов, а также возникновение новых компаний, особенно тайваньских, специализирующихся на выпуске светодиодов, явно рекордное в последние годы, косвенно свидетельствует о серьезном движении капиталов:

- General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core;

- Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создалипредприятие LumiLeds.

- Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens.

Лидерами на мировом рынке светодиодов являются следующие компании:

* Nichia Chemical, Япония. Специализируется на выпуске кристаллов для создания светодиодов и самих диодов. На основе нитрида индия-галлия (InGaN) компанией впервые разработаны сверхъяркие синие и белые светодиоды;

* Agilent Technologies, США. Специализируется в области разработки сверхъярких светодиодов;

* Lumileds Lighting, США. Специализируется в области разработки и производства сверхъярких светодиодов с повышенным током накачки, светодиодных сборок и модулей очень высокой яркости, например Barracuda и Luxeon, а также светодиодных элементов и систем подсветки ЖКД;

* Osram Optosemiconductors (немецкая компания с предприятиями в США и Малайзии), бывшее совместное предприятие компаний Osram и Infineon Technologies. Специализируется в области разработки и производства сверхъяркихсветодиодов.

Среди других важных производителей светодиодов и кристаллов надо отметить такие компании, как Сrее, KingbrightElectronics, Ligitek Electronics, Para Light Electronics, GEL Core, Vishay Semiconductors (табл.1).

Таблица 2

Основные характеристики современных светодиодов

В России светодиоды и устройства на их основе разрабатывают и производят «Корвет-лайтс», «Транс-Лед», ОПТЭЛ, НПЦ ОЭП, «Оптоника» (Москва), «Светлана-Оптоэлектроника» (Санкт-Петербург), «Протон» (Орел). Усилия отечественных производителей, так же как и зарубежных, направлены на увеличение светового потока и световой эффективности диодов. С этой целью ведущие компании, такие как Lumileds, Nichia Chemical идругие выпускают многокристальные светодиоды в виде микросхемы на подложке (chip-on-board, или СoВ). Аналогичные работы ведут и российские фирмы Оптэл и Корвет Лайтс. Среди зарубежных достижений наиболее известны разработки компаний Tridonic Atco и Vossloh Optoelectronic, которая достигла плотности 70 кристаллов/см². У российских компаний имеются запатентованные решения на конструкции с теплоотводом, обеспечивающие ток 350 мА при световом потоке до 100 лм.

Интерес представляет и разработка компании «Корвет Лайтс", обеспечивающая равномерность яркости и цвета излучения светодиодов. Согласно предложенной компанией технологии, люминофор наносится на полусферическую полость в прозрачной пластиковой оболочке, сформированной вокруг кристалла.

Высокая концентрация излучения (до 80%) в заданном телесном угле и удовлетворительная световая эффективность (8 лм/Вт) достигнуты в белых светодиодах, изготавливаемых компанией "Светлана-Оптоэлектроника". Одна из последних ее разработок - белые светодиоды с эффективностью 15 лм/Вт при токе 100 мА. Компания также осваивает технологию производства светодиодов, монтируемых методом перевернутого кристалла flip-chip.



2. Светодиоды как источники света их конструкции, светотехнические и энергетические характеристики. Существующие светодиодные СП

2.1 Конструкция светодиодного чипа

Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, англ. Light-emitting diode, LED) представляет из себя полупроводниковый прибор с электроннодырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Вследствие строения зонной структуры полупроводниковых материалов СД излучают свет в относительно узкой полосе частот (например, для синих светодиодов на основе InGaN ширина спектра на полувысоте составляет порядка 20 нм).

В зависимости от технологии сборки в настоящее время различают 4 типа светодиодов:

1. DIP-светодиоды (рисунок 11). Первые светодиоды массового применения появились именно в таком формате. Кристалл помещен в корпуслинзу, которая формирует кривую силы излучения светодиода. Светодиод имеет 2 вывода, короткий вывод «-», длинный вывод «+».

Рисунок 11 Конструкция DIP светодиодов

На сегодняшний день DIP-светодиоды наиболее широко распространены. Однако такой тип светодиодов практически не используется при разработке и конструирование светодиодных светильников. В основном такие источники света находят широкое применение в различных световых табло, подсветках, праздничных световых украшениях.

2. LED - светодиоды или светодиоды типа «пиранья» (рисунок 12).

Рисунок 12 Конструкция светодиодного типа LED

Имеют конструкцию аналогичную DIP-светодиодам, но их отличие состоит в наличии 4-х выводов вместо 2-х. Это улучшает теплоотвод и дает большую надежность при монтаже. Данный тип светодиодов широко распространен в автомобильной промышленности. В освещении такие светодиоды сегодня практически не используется вследствие больших габаритных размеров и неудобства монтажа по сравнению с более современными типами конструкций.

3. SMD-светодиоды (рисунок 13).



Рисунок 13 SMD-светодиоды

Светодиоды этого типа изготовлены по технологии поверхностного монтажа (SMT - surface mount technology). Аббревиатура SMD расшифроваться как surface mounted device, т.е. устройства монтируемое на поверхность. Основным отличием этой технологии от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность платы. Это обеспечивает меньшие габариты конструкции, лучший теплоотвод, вариативность исполнения. Данная конструкция активно применяется при конструирование самых различных световых приборов, предназначенных как для общего, так и для местного освещения.

4. COB-технология (рисунок 14). COB (Chip-On-Board -- чип на плате) -- технология, при которой чип кристалла монтируется (прикрепляется, впаивается) в плату, и обеспечиваются высочайшие: надёжность (защищённость контакта от окисления), миниатюрность и теплоотвод. Зачастую на плате монтируется сразу несколько чипов, формируя так называемую матрицу светодиодов. COB технология впервые была продемонстрирована в Японии в конце 2000-х годов компаниями Citizen и Sharp.



Рисунок 14 Конструкция СОВ-светодиода

2.2 Источник питания к светодиодному источнику света

На практике падение напряжения на светодиоде синего цвета свечения является небольшим и составляет 3-4 В. При этом работа светодиода обеспечивается постоянным электрическим током в 20-350 мА в зависимости от размера чипа. Это обстоятельство лишает возможности подключить светодиод напрямую к розетке электропитающей сети бытового назначения с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Устройство, при помощи которого можно подсоединять светодиодный излучатель, рассчитанный на потребление постоянного тока, к сети переменного тока, называется источником питания. В литературе источник питания для светодиодного источника света обычно называют «драйвером».

При подключении драйвера к сети переменного напряжения он преобразует переменное напряжение в постоянное, уменьшая при этом ток до рабочего уровня. Драйвер может совершать и другую конвертацию сигнала в зависимости от цели его применения.

Современные «умные» светильники (smart luminary) представляют собой систему устройств, которые позволяют изменять уровень светового потока, уменьшая или увеличивая его, имеют датчики перегрева, присутствия и освещённости. Такие светильники оснащены пультом управления и дают возможность управлять характеристиками светильника дистанционно. Для изготовления умного светильника помимо драйвера применяются системы управления. Одним из наиболее распространённых каналов коммуникации между управляемыми элементами является цифровой канал DALI -- Digital Addressable Lighting Interface.

На рис. 15 для сравнения приведены принципиальные схемы электрической цепи питания лампы накаливания, люминесцентной лампы и светодиодной ламп.

Рисунок 15 Принципиальная схема электрической цепи питания для тех видов ламп: лампы накаливания (а), люминесцентной лампы (б), светодиодной лампы (в)

Лампа накаливания - это электрический источник света, в котором тело накала нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока. В результате нить накала излучает видимый свет. Такие лампы имеют низкую эффективность преобразования потребляемого излучения в видимый свет, то есть низкую световую эффективность, всего лишь 14 лм/Вт. Люминесцентные лампы более энергоэффективны, чем лампы накаливания. Принцип работы люминесцентных ламп сложнее, хотя требует источника «зажигания» и драйвера. Важным компонентом люминесцентной лампы является балласт. Конструкция балласта варьируется в зависимости от типа входного напряжения (переменного или постоянного), значения входного напряжения, длины трубки лампы, целевой стоимости и от других факторов. Сложность схемы балласта создаёт определённые трудности для конструирования изделия: снижение коэффициента мощности, слышимый шум. Решения вышеупомянутых проблем достигаются стандартными способами.

Светодиодные лампы эффективнее, чем люминесцентные лампы. Однако для них требуются специальные источники питания, которые должны быть разработаны под конкретную сферу применения светодиодного светильника. При разработке электроники необходимо учитывать повышенную чувствительность всей цепи к изменениям линейного напряжения, возможные неисправности светодиодов, износ, а также чувствительность светодиодов к изменению температуры. Светодиодные светильники - относительно новый продукт на рынке освещения, и светодиодные изделия сейчас активно стандартизуются. Поскольку для каждой области применения светодиодного источника света требуется определённая конструкция светодиодного модуля, разрабатываются и различные конструкции драйверов.

Драйвер светодиодного источника света - это электрическая часть светодиодного изделия, за исключением светодиодов, функция которой состоит в создании определённых, необходимых светодиодному модулю, электрических характеристик в (или вне) зависимости от условий подачи электрического питания сторонним источником. От конструктивного исполнения драйвера зависит производительность, в том числе эффективность, срок службы, качество света и общая стоимость светодиодного светильника. В конечном изделии твердотельного освещения светоизлучающие диоды и конструкция драйвера неразделимы.



2.3 Получение белого света светодиодами различных цветов

В общем случае существует несколько способов получения белого света среди которых самым эффективным и экономичным является способ получения белого света с помощью кристалла синего СД и желтого (желтозелёного) люминофора. Кристалл синего светодиода (на основе InGaN) или, другими словами, «чип» покрывают слоем геля на основе силикона с порошком люминофора так чтобы часть его излучения поглощалась в веществе люминофора и возбуждала его, а часть проходила сквозь люминофор свободно. В результате смешения исходного синего свечения нитрида галлия с желтым свечением люминофора получается белый свет. Сам светодиод при этом изготовлен на базе данного кристалла

На рис. 16 показано получение белого света путем смешивания в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов.

Основой более дешевого и распространенного способа получения светодиода белого света является полупроводниковый кристалл структуры InGaN, излучающий на длине волны 460-470 нм (синий цвет) и нанесенный сверху на поверхность кристалла люминофор на основе YAG (иттрий-гадолиниевых гранатов, активизированный Се3+), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части спектра.



Рисунок 16 Получение белого света путём смешивания излучения красного, зелёного и синего светодиодов

Рисунок 17 Получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесённого на него слоя жёлтого люминофора

На рис. 17 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.

Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Такие светодиоды намного дешевле 3-кристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по светоотдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания (7-10 лм/Вт).



Рисунок 18 Строение 5 мм светодиода, излучающего белый свет

Рисунок 19 Получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофор

На рис. 18 показано строение 5-миллиметрового светодиода, излучающего белый свет.

Еще один метод получения белого света - возбуждение 3-слойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра (УФ-СИД).

На рис. 19 показано получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах.

Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения - суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать. Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0,33; 0,33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и, наконец, в-третьих - люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Промышленность на данный момент выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы -- у них разные области применения.

2.3 Диммирование светодиодов

Диммеры позволяют переключать и контролировать электрический ток, чтобы установить яркость света именно на тот уровень, который вам нужен. Диммеры работает по принципу фазорегулирующего или фазового управления. Оба эти метода представляют собой способы управления электрическими устройствами, работающими на переменном токе. Диммерные переключатели автоматически включают и отключают подачу тока к лампочке несколько раз за очень короткие промежутки времени; в сети 50 Гц ток включается и выключается 100 раз в секунду. В зависимости от времени задержки это позволяет бесконечно регулировать яркость света.

Важно выбирать лампы, совместимые с технологией диммирования. Люминесцентные лампы и энергосберегающие лампы обычно не подходят, Светодиодное освещение также можно приглушить, если же лампа обозначена как «регулируемая (dimmable)».

Диммирование светодиодного освещения, включая светодиодные ленты и светильники, предоставляет ряд значимых преимуществ:

1. Регулирование освещенности. Диммирование позволяет регулировать уровень освещенности в соответствии с текущими потребностями и настроением. Это особенно полезно в помещениях, где требуется разное освещение в разное время суток.

2. Экономия энергии. Диммирование позволяет уменьшить потребление энергии, так как можно использовать только необходимое количество освещения в каждый момент времени. Это способствует экономии электроэнергии и снижению затрат на освещение.

3. Увеличение срока службы: Плавное изменение яркости освещение при диммировании помогает снизить износ светодиодных лент или светильников и продлить их срок службы, что в свою очередь снижает необходимость в их замене и обслуживании.



3. Особенности использования светодиодов как источников света

3.1 Основные элементы светодиодного СП

При создании светодиодного СП на первое место выходит информация о его функциональном назначении (подсветка, освещение жилых домов или офисов, декоративное освещение, уличное или туннельное освещение или что-то другое), месте нахождения (внутри помещения или снаружи) и о наличии сторонних факторов (воздействие прямых солнечных лучей, влаги, ветра, дождя, загрязнений, химических паров, высокой или низкой температуры и проч.). При разработке нового светотехнического светодиодного устройства должны учитываться его эстетика, эргономичность при производстве и существующие стандарты.

На рис. 20 представлены основные факторы, влияющие на конструкцию светодиодного светильника. Основные элементы светильника показаны на рис. 20. Составными элементами светодиодного светильника являются:

- корпус;

- светоизлучающий модуль на светодиодах большой мощности;

- источник питания и управляющая электроника - для обеспечения светодиодов рабочим током и его управлением;

- оптическая система - конструктивный элемент, состоящий из отражателя и рассеивателя света для создания необходимого распределения света в пространстве, диаграммы направленности светового излучения;

- радиатор и прочие элементы конструкции, участвующие в организации теплового режима; они обеспечивают отвод тепла, создаваемого в ходе работы источников света, источника питания и управляющей электроники.



Рисунок 20 Факторы, влияющие на характеристики светодиодного светильника и его основные элементы

В светодиодном светильнике под светодиодным модулем понимается группа светодиодов или мощный светодиод и устройство (драйвер), которое в общем случае преобразует переменный ток от сети электропитания в постоянный ток, необходимый для работы светодиодов. Иногда под светодиодным модулем понимают только светодиодный источник света без драйвера; в представленном на рис. 21 конструктивном разделении элементов светильника на составляющие имеется в виду именно это определение.

Стоимость светодиодного светильника обычно высока; она фигурирует в качестве параметра при его разработке и выражается в единицах стоимости на люмен. Эффективность и стоимость одного люмена являются одними из ключевых показателей для представления светодиодного изделия рынку.

Эти два параметра учитывают все перечисленные выше особенности светодиодного светильника, поскольку, например, организация теплового режима, стоимость которого в собранном светильнике играет немаловажную роль, может увеличить световую эффективность и продлить срок эксплуатации устройства. В свою очередь, с помощью оптической системы светильника можно повысить световой поток и при этом создать незначительную добавку к стоимости. В зависимости от сферы применения светильника инженерыразработчики находят баланс между стоимостью единицы светового потока и эффективностью устройства. Безусловно, без качественных элементов, включающих светодиоды, драйвер и оптическую систему, создать высокоэффективный светильник будет невозможно. В этой связи, организации теплового режима светодиодного светильника отводится важная роль, так как надёжность, срок службы и характеристики светодиода сильно зависят от температуры.

Рисунок 21 Элементы светодиодного светильника

Технические решения светодиодных светильников часто бывают нетрадиционными. Необходимость совместить в едином исполнении описанные выше конструктивные элементы создаёт огромное пространство для творчества разработчиков.

Рисунок 22 Светодиодный светильник CR22 производства компании Cree

На рис. 22 представлены основные элементы светодиодного светильника CR22 производства компании Cree, в котором белый свет формируют светодиоды белого света, созданные на основе системы «синий чип» - «жёлто-зелёный люминофор» и светодиоды, излучающие в красной области спектра. Красные и белые светодиоды установлены в один ряд в центре светильника на радиатор, воспринимаемый как элемент дизайна. Ребра радиатора обращены в помещение, обеспечивая доступ к свободной развитой поверхности радиатора. Свет от светодиодов поступает вверх в смешивающую камеру, отражается от рефлектора и рассеивается по обе стороны от стенок светильника.

3.2 Спектры излучения светодиодных светильников

Как известно, спектр излучения по-разному влияет на организм человека [10]. Например, присутствие красного цвета в спектре белого света создаёт тёплый белый свет -- приятный, жизнерадостный и притягивающий внимание; акцент на синий цвет в спектре стимулирует работоспособность. Именно поэтому при создании светильника для определённого применения особое внимание уделяется его спектру. Так, в спектры излучения белого света светодиодных светильников, устанавливаемых в магазинах и торговых центрах, добавляют красную составляющую. Качество цвета характеризуется индексом цветопередачи [11]. Для лампы накаливания он принят равным максимально возможному значению 100. Для люминесцентных ламп этот показатель не оценивается ввиду линейчатости спектра. Индекс цветопередачи рассчитывается на основе цветовых различий между эталонным и тестируемым источниками света.

Рисунок 23 Спектры излучения светодиодной лампы белого света, лампы накаливания и люминесцентной лампы

Рисунок 24 Спектры нескольких контрольных цветов

На рис. 23 представлены спектры излучения всем известной лампы накаливания и люминесцентной лампы, а также спектр излучения светодиодной лампы. Как видите, спектр лампы накаливания непрерывный, спектр люминесцентной лампы линейчатый, а спектр светодиодной лампы также сплошной, но имеет небольшой «провал». Его «заполнение» способствует повышению индекса цветопередачи источника света на основе светодиодов. Напомним, что для люминесцентной лампы CRI не оценивается. На рис. 24 представлены спектры некоторых контрольных цветов, по которым производится сравнение спектра источника света для определения индекса цветопередачи. В случае отсутствия красной линии в спектре излучения светодиодного источника света качество света снижается. В таких светодиодах индекс цветопередачи не превышает 70.

Компания Osram OptoSemiconductors предложила концепцию смешивания светодиодов, которая заключается в сочетании белых и красных светодиодов для достижения высокоэффективного тёплого белого света с эффективностью 110 лм/Вт и с высоким (>90) индексом цветопередачи. Производитель называет эту концепцию «Brilliant-Mix». Она используется при изготовлении светильников и ламп, заменяющих традиционные (см. рис. 25 (а)). В этом подходе используется два вида светодиодов -- тёплые белые (EQ-White LED) и оранжевые (Amber LED) версии светодиодов Oslon мощностью 1 Вт с размерами 33 мм², что делает их удобными для кластеризации, облегчает смешивание излучения и улучшает оптический дизайн на уровне светодиодов. Данный подход реализован в лампах Parathorm Pro Classic 80 и в модуле Preva LED производства компании OSRAM для получения высокого индекса цветопередачи белого света с цветовой температурой (ССТ) от 2700 до 4000 К.

Рисунок 25 Светодиодная лампа производства компании OSRAM, цвет излучения которой построен на использовании белых и красных светодиодов (а). Светильник CR14, CR22, CR24 производства компании Cree, излучение в котором организовано по той же концепции (б)

В светильниках CR24 и CR22 уникального дизайна компании Cree, предназначенные для офисов и школ, также используется технология смешивания белых и красных светодиодов; она называется производителем «True-White». Эффективность этих светильников составляет 90-110 лм/Вт.

Стадии роста растений также зависят от спектра получаемого ими света [14]. В результате процесса фотосинтеза растение поглощает углекислый газ и выделает кислород. Свет поглощается различными пигментами в растении, в основном, хлорофиллом. Этот пигмент поглощает свет в синем и красном участках спектра. Помимо фотосинтеза существуют и другие процессы в растениях, на которые свет различных участков спектра оказывает своё влияние (см. рис. 26). Подбором спектра, чередованием длительности светлого и тёмного периодов можно ускорять или замедлять развитие растения, сокращать вегетационный период и другие стадии роста.

Рисунок 26 Спектр поглощения хлорофилла

Например, пигменты растений с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений. Для воздействия на скорость этих процессов в теплицах используются натриевые лампы, большая часть излучения которых приходится на красную область спектра. Пигменты растений с пиком поглощения в синей области спектра отвечают за развитие листьев и рост растения. Причём наибольшее значение имеют красные (720-600 нм) и оранжевые лучи (620-595 нм). Именно они являются основными поставщиками энергии для фотосинтеза и влияют на процессы, связанные с изменением скорости развития растения: избыток красной и оранжевой составляющей спектра задерживает переход растения к цветению. На рис. 27 представлен внешний вид светодиодных светильников два освещения растений.

Рисунок 27 Внешний вид светодиодных светильников для освещения растений

Синие и фиолетовые (490-380 нм) лучи, кроме непосредственного участия в фотосинтезе, стимулируют образование белков и регулируют скорость развития растения. У растений, живущих в природе в условиях короткого дня, эти лучи ускоряют наступление периода цветения. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 315-380 нм задерживают «вытягивание» растений и стимулируют синтез некоторых витаминов, а ультрафиолетовые лучи с длиной волны 280-315 нм повышают холодостойкость. Лишь жёлтые (595-565 нм) и зелёные (565-490 нм) длины волн не играют особой роли в жизни растений. В настоящее время в теплицах, парниках и оранжереях используют светодиодные светильники с специально подобранным спектром излучения. В этих светильниках элементами, излучающими свет, являются синие и красные чипы с пиковой длиной волны излучения 445-450 нм и 645-660 нм. Такие системы позволяют управлять спектром излучения, регулируя его под стадию роста растений. Светодиодные тепличные системы также используют и излучение синих чипов и красного люминофора.



4. Выбор и обоснование светотехнической части СП

Технические трудности использования светодиодов в светильниках заключаются в том, что необходимо решить задачу правильного распределения света в нужном направлении. Большинство отечественных производителей в области светодиодного освещения, пытаются использовать существующие корпуса светильников, предназначенные под лампы. Этот путь не совсем верный.

Светильник с традиционной лампой годами приобретал своё конструкторское решение, основываясь на конструкции и характеристиках конкретных источников света - ламп. Светодиоды изначально отличаются от ламп по конструкции, поэтому и подход к конструкции светодиодного светильника должен быть иным. В частности, для получения нужной кривой силы света (КСС) необходимо либо применение вторичной оптики (линз), меняющей направление светового потока, либо расположение источников (светодиодных модулей) на криволинейной поверхности, рассчитанной с учётом светотехнических характеристик светодиодов.

Светодиодные лампы представляют собой технические устройства, состоящие из следующих основных конструктивных элементов (рис. 28): оптической системы из отражателя и рассеивателя, светодиодного модуля, радиатора и источника питания (драйвера). Дополнительным элементом является цоколь, при помощи которого лампа соединяется в светильнике с патроном. К отличительным особенностям такого светодиодного источника света относятся: форма рассеивателя, отражателя и радиатора, а также устройство светодиодного модуля.



Рисунок 28 Основные компоненты светодиодной лампы

По виду рассеивателя светодиодные лампы подразделяются на:

- светодиодные лампы с полупрозрачным рассеивателем. В таких лампах используются белые светодиоды или СОВ, свет которых отражается от внутренних стенок рассеивателя и перемешивается, что особенно важно при использовании в одном светодиодном модуле светодиодов белого и красного цвета излучения; в этом случае рассеиватель служит смешивающей камерой;

- светодиодные лампы с рассеивателем из пластика с включёнными частицами люминофора. Теоретически такая система может обеспечить лучшую эффективность лампы за счет отсутствия рассеивателя и термических потерь в люминофоре.

Рисунок 29 Светодиодные лампы, в которых используется технология удаленного люминофора для получения белого света, производства компаний Philips (а), Cree (б), Lighting Science Group и Light Prescriptions Innovators (в)

На рис. 29 представлено несколько моделей светодиодных ламп, выполненных с использованием технологии удалённого люминофора. На рис. 30 показано внутреннее устройство подобной лампы, производства компании Cree.

Рисунок 30 Устройство светодиодной лампы производства компании Cree, в которой использована технология удаленного люминофора

4.1 Оптическая система светодиодного светильника

Основное назначение оптической системы -- формирование определённого распространения света в пространстве при одновременном сохранении светового потока, поступающего от единичных светодиодов. Кроме того, в зависимости от места применения будущего светильника и его функциональных качеств, оптическая система отвечает за однородность освещённости, восприятие света с единого светового пространства или поточечно, наличие или отсутствие бликов. Основными элементами оптической системы являются отражатель и рассеиватель. Эти конструктивные элементы могут присутствовать в светильнике одновременно или по отдельности (рис. 31).

...