Применение мощных светодиодов в освещении

Авторы: Андрей Туркин, компания «ПРОСОФТ»;
Евгений Аверин, Инженерная компания «ПРОСОФТ-СИСТЕМЫ»

Вот уже несколько лет идут дискуссии о применении мощных светодиодов (СД) в освещении. Однако все попытки разработки и внедрения светильников с СД, предпринимаемые многими ведущими компаниями мира, пока так и не привели к их массовому внедрению. Это происхо- дит по нескольким причинам.

Во-первых, с 2003 по 2006 год световая отдача мощных СД возросла хоть и значительно (с 20 до 47 лм / Вт), но недостаточно для конкуренции с традиционными эффективными источниками света (ИС), применяемыми в освещении. Это лишало их основного преимущества — низкого потребления электроэнергии.

Во-вторых, стоимость одного люмена такого ИС оставалась слишком высокой, что не позволяло окупать капитальные затраты при широком внедрении светильников на основе СД. Снижение же эксплуатационных расходов за счет высокого заявленного ресурса было неочевидным, поскольку данный ресурс не был подтвержден практикой эксплуатации.

В-третьих, почти все производители не стремились разрабатывать СД, специально адаптированные к жестким условиям эксплуатации, например, в системах уличного освещения, что создавало дополнительные трудности для разработчиков светотехнических устройств, связанные с низкой эксплуатационной надежностью светильников на основе СД.

Несмотря на это, многие ведущие производители продолжают интенсивные исследования, направленные на повышение эффективности и надежности полупроводниковых ИС.

Светодиоды компании Cree

Компания Cree, основанная в 1987 году как производитель полупроводниковых материалов на основе карбида кремния (SiC), начала активные исследования по разработке светоизлучающих структур нитрида галлия (GaN) и его твердых растворов на SiC подложках в начале 90-х годов прошлого века. С 2005 года две компании — Nichia Corporation и Cree — обеспечивают более 80% мирового производства кристаллов синего и зеленого излучений. При этом Cree традиционно использует технологию эпитаксиального выращивания GaN на SiC подложках, а Nichia Corporation — на подложках из сапфира. Технология выращивания GaN на SiC обладает рядом принципиальных преимуществ перед технологией InGaN на сапфире. Во-первых, SiC обладает на порядок большей теплопроводностью (3,8 Вт/см x Ку SiC против 0,3Вт/см x Ку сапфира). Это упрощает решение проблемы отвода тепла от активной области кристалла (p-n—перехода), являющейся ключевой для кристаллов с токами более 100 мА. Во-вторых, кристаллическая решетка 6H-SiC обладает лучшим, по сравнению с сапфиром, сродством с GaN, что принципиально снижает концентрацию дефектов и дислокаций в структуре GaN и повышает квантовый выход кристаллов.

Рис. 1. Схема кристалла Cree EZ1000 семейства EZBrightTM

Основной отличительной особенностью СД производства компании Cree явился корпус (рис. 1). Впервые в массовом производстве СД применяется металлокерамический корпус с плавающей линзой из кварцевого стекла, что позволяет получить сразу несколько важных преимуществ.

Во-первых, электрически изолированное теплоотводящее основание упрощает конструирование кластеров на основе СД.

Во-вторых, эвтектическая посадка кристалла на металлизированную керамическую подложку снимает проблему механических напряжений, возникающих за счет большой разницы в температурных коэффициентах расширения при эксплуатации СД в широком диапазоне температур, и особенно при отрицательных температурах [1]­.

В-третьих, корпус не содержит никаких пластмассовых деталей, не требует предварительного приклеивания, что позволяет использовать для монтажа стандартные автоматизированные линии, значительно снижая себестоимость конечных изделий. Линза из кварцевого стекла устойчива к воздействию УФ излучения, что гарантирует длительный срок эксплуатации СД при прямом солнечном свете. Подвижность линзы не только защищает от напряжений контактную систему, но и позволяет сохранять фокусировку в широком температурном диапазоне.

Рис. 2. Внешний вид белого СД Cree семейства XL7090

Дальнейшее усовершенствование корпуса СД, воплощенное в семействе XR7090 (рис. 2), в основном коснулось конструкции отражателя и, самое главное, снижения теплового сопротивления «p-n — переход — теплоотводящее основание» до 8º С / Вт.

СД нового семейства XR-C7090 используют кристалл серии EZ700 (700 х 700 мкм). Световая отдача таких СД при токе 350 мА соответствует приблизительно СД семейства XR7090 (с кристаллом предыдущего поколения XB900). Однако из-за меньшей площади кристалла стоимость его в массовом производстве намного ниже, соответственно ниже и стоимость СД на его основе. Поэтому СД семейства XR-C7090 позиционируется Cree как эффективное решение для бюджетных приложений, когда фактор цены — определяющий: цена этих СД на 35% ниже даже по сравнению с СД семейства XR7090.

И, наконец, более подробно коснемся СД семейства XR-E7090– для систем общего освещения.

Семейство XR-E7090

Семейства СД XR-E7090 и XR-C7090 изготавливаются на основе новых кристаллов EZ1000 (рис. 3) и EZ700 семейства EZBrightTM соответственно. Это семейство кристаллов компания Cree разрабатывала с 2004 года, а для их массового производства потребовалось строительство новой фабрики, переход на SiC подложки диаметром 100 мм со сверхнизкой плотностью дефектов, разработка новых технологических процессов.

Рис. 3. Внешний вид белого СД Cree семейства XR7090

В результате удалось добиться рекордных показателей эффективности. Так, кристаллы типа EZR260 обеспечивают квантовый выход 55 … 75%, а у самых больших кристаллов (EZ1000) типичный квантовый выход равен 40 … 55%. Кроме того, за счет улучшения контактной системы удалось получить прямое падение напряжения на кристалле при номинальном токе на 20% ниже, чем у семейства кристаллов XB900 и кристаллов других производителей.

Семейство кристаллов EZBright^TM имеет ряд принципиальных технологических отличий. Как и раньше, используется процесс эпитаксиального выращивания слоев GaN и его твердых растворов на SiC подложке толщиной 100 мкм. Однако после формирования излучающей структуры SiC подложка стравливается через маску до 35 мкм с образованием линзовой системы, которая обеспечивает собирание светового потока с поверхности структуры и формирует стандартную кривую силы света.

Это позволяет упростить решение проблемы однородности нанесения люминофора на кристалл при производстве СД белого цвета свечения.

Второе важное отличие заключается в применении новой контактной системы в кристаллах EZ1000. Она имеет две контактные площадки для приваривания проводников и выполнена таким образом, чтобы минимизировать площадь контактов на поверхности кристалла. Это позволило увеличить площадь поверхности излучения до 90%, а параллельное соединение перемычек контактов катода дополнительно вдвое снизило потери проводимости при токах свыше 350 мА.

Претерпела изменение и технология нанесения люминофора. В предыдущих семействах XL7090 и XR7090 весь объем внутри отражателя между кристаллом и первичной линзой заполнялся взвесью люминофора в геле (см. рис. 2). Это упрощало технологический процесс, но при этом обнаруживались два серьезных недостатка. Во-первых, наблюдалась существенная цветовая неоднородность свечения, а во-вторых, практически отсутствовала возможность создания вторичной оптики с углами излучения менее 20º из-за слишком большой площади излучателя. В новых семействах СД люминофор наносится непосредственно на кристалл (рис. 4), что позволяет практически полностью устранить указанные недостатки.

Рис. 4. Внешний вид белого СД семейства XR-E7090

В результате компании Cree удалось получить изделие, среднее значение световой отдачи которого превышает 90 лм / Вт при токе 350 мА в диапазоне цветовых температур 5500 … 6500 К, а средняя потребляемая мощность в этом режиме составляет 1,07Вт [1]. Отдельные приборы обеспечивают световой поток до 120 лм при 350 мА.

Достигнутые компанией Cree показатели эффективности впервые позволили говорить о конкуренции полупроводниковых ИС с большинством традиционных ламп. В таблице приведено сравнение характеристик большинства традиционных ИС с двумя семействами СД — XR7090, как представителя предыдущих поколений СД, и XR-E7090. Под реальной световой отдачей в таблице понимается отношение светового потока светильника к суммарной мощности ИС в нем. Из таблицы видно, что белые СД семейства XR-E7090 уже превосходят многие традиционные ИС.

В конце 2008 года компания Cree выпустила новые семейства СД — XP-E и XP-C. СД отличаются от XR-E и XR-C соответственно меньшими габаритными размерами, симметричным корпусом и большим значением угла распределения света. Основное его назначение — создание компактных эффективных источников света для разных видов освещения [6].

Применение светодиодов в освещении

Рис. 5. Освещение подземного гаража светильниками на основе СД

Несмотря на все успехи технологии разработки и производства СД в последнее время, применение полупроводниковых ИС в освещении пока что не носит массового характера. Из открытых источников информации можно получить лишь примерную картину внедрения СД в освещение за рубежом. Так, около 60% проектов освещения с СД касаются освещения торговых площадей и ресторанов, 30% — частных подземных гаражей (рис. 5), 7% — освещения офисов (рис. 6) и лишь около 3% (единичные проекты) — уличного освещения (рис. 7) [1]­.

Рис. 6. Применения светильников с белыми СД в офисном освещении

В 2007 году был начат ряд серьезных проектов по применению полупроводниковых ИС в уличном освещении. Тогда в феврале был анонсирован совместный проект компаний Cree, Lighting Science Group Corporation и правительства штата Северная Каролина под названием «LED City» (Светодиодный город). Проект предусматривает перевод муниципального освещения столицы штата г. Роли на полупроводниковое, включая уличное освещение, освещение подземных гаражей, пешеходных переходов, парков, архитектурной и акцентной подсветки. Экономические расчеты, проведенные по заказу муниципалитета г. Роли, показали, что экономия электроэнергии после реализации этого масштабного проекта составит около 40%, а срок окупаемости капитальных затрат составит около 3-х лет. Проект будет выполнен полностью на белых СД семейства XR-E7090 (в светильниках общего освещения) и XR7090 (в светильниках архитектурного и акцентного освещения).

Таблица. Сравнение характеристик большинства традиционных ИС с двумя семействами СД — XR7090 и XR-E7090

Помимо замены традиционных светильников на светильники с СД, будет применена система интеллектуального управления освещением ODL® (Optimized Digital Lighting), позволяющая управлять потреблением электроэнергии в зависимости от изменения внешних условий (уровня освещенности, наличия людей в зоне освещения и т. п.). Уже в течение последующих 18 месяцев планируется полностью переоборудовать систему освещения делового центра с населением более 350 тыс. человек. Сказанное выше показывает, что когда есть четкое обоснование предложения и инициатива исходит непосредственно от заказчика, находятся компании, готовые реализовать проект любой степени сложности.

Рис. 7. Использование белых СД в уличном освещении

В нашей стране попытки внедрения полупроводниковых ИС в освещение также предпринимаются, хотя носят пока еще нерегулярный характер. Работу в этом направлении ведут несколько компаний. Одним из лидеров здесь выступает компания «ПРОСОФТ». В Москве уже выполнен ряд проектов установки светодиодных светильников: подсветка здания Газпрома на ул. Наметкина (рис. 8), где разработчиком и производителем светотехнических изделий на основе светодиодных ламп Cree Xlamp выступила компания XLight, подсветка жилого комплекса «Кутузовская Ривьера», который является совместной разработкой компаний XLight и Центр Светодизайна, установка светильников ДВУ-25 для освещения подземного перехода около станции метро «Рижская», разработанная совместно компаниями XLight и «Светосервис».

Поставщиком полупроводниковых изделий для всех проектов, а также готовых светотехнических решений торговой марки XLight является компания «ПРОСОФТ».

Рис. 8. Подсветка здания Газпрома в Москве светильниками на основе СД

В последнее время некоторые российские производители традиционного осветительного оборудования для освещения начали осознавать, что СД для них не конкуренты, а возможность выведения своей продукции на новый технологический уровень и тем самым получения значительного конкурентного преимущества на рынке. Кроме производителей светотехнических изделий, также во внедрении светильников на основе СД в освещение могут быть заинтересованы энергетики. Ведь экономия электроэнергии при замене ламп накаливания на СД составляет до 80%, а люминесцентных ламп — свыше 40% [4, 5]­. Ряд успешных внедрений позволил российской компании Xlight запустить в серию некоторые линейки осветительных приборов на базе описанных СД. Популярны вандалостойкие ДБО для общего освещения, линейные XLD-Line, прожекторы XLD-FL12. Проходят пробные испытания на улицах наших городов уличные светильники СКАТ, призванные дополнить и заменить традиционные ртутные и натриевые лампы [7].

Помимо экономической эффективности, осветительные устройства на основе СД являются долговечными, их время жизни превышает время жизни люминесцентных ламп в несколько раз, а ламп накаливания — в десятки раз. Кроме того, светодиоды не являются хрупкими, в отличие от ламп, поэтому устройства на их основе вандалостойки. Возможность низковольтного питания делает их безопасными, т. е. не являющимися потенциальными источниками возникновения пожара или взрыва. Не вызывает сомнений и безопасность полупроводниковых источников света для здоровья человека и безвредность для окружающей среды.

Благодаря этим факторам, а также увеличившейся в последние годы энергоэффективности, СД стали весьма перспективными источниками света уже сейчас и завоевывают все большие сферы применения. Это вселяет уверенность в скором изменении ситуации в нашей стране, и мы не отстанем в применении полупроводникового освещения от передовых зарубежных стран.

Литература

1. Полищук А. Новая серия светодиодов XR-E7090 компании Cree для общего освещения / / Светотехника. 2007, № 3­.

2. Полищук А., Туркин А. Концепция применения светильников со светодиодами в целях реализации программы энергосберегающего освещения/ / Компоненты и технологии. № 11, 2007. С. 92–95

3. Гужов С., Полищук А., Туркин А. Концепция применения светильников со светодиодами совместно с традиционными источниками света / / СТА. № 1. 2008. С. 14–18.

4. Полищук А., Туркин А. Перспективы применения светильников со светодиодами для энергосберегающего освещения / / Энергосбережение. № 2. 2008. С. 8.

5. Полищук А., Туркин А. Светодиодные светильники — эффективный метод решения проблемы энергосбережения / / Энергосбережение. № 3 . 2008. С. 30 – 31.

6. Мощные светодиоды и вторичная оптика. Каталог продукции. — М.: Prosoft, 2009

7. Полупроводниковое освещение. Решения на основе мощных светодиодов. Каталог продукции. — М.: XLight, 2008.

Статья опубликована в журнале «ЭнергоStyle» («Энергетика и промышленность России») № 1/2009

Источник: www.xlight.ru