Для друку

От уже кілька років ведуться дискусії про застосування потужних світлодіодів (світлодіодних ламп) у різних системах загального освітлення, починаючи від внутрішнього (офіси, торгові центри, підземні паркінги й гаражі) і закінчуючи вуличним. Однак всі спроби розробки й впровадження напівпровідникових світильників, що вживаються багатьма компаніями, так і не призвели до масового їхнього впровадження. Причин для цього декілька.

По-перше, з 2003 по 2006 р. ефективність потужних світлодіодних ламп збільшилася хоч і значно (з 20 до 47 Лм/Вт), але не достатньо для конкуренції із традиційними ефективними джерелами світла, застосовуваними в загальному освітленні. Це позбавляло їх основної потенційної переваги для кінцевого споживача – економічності.

По-друге, вартість одного люмена такого джерела залишалася занадто високою, що не могло окупити початкові витрати при широкому впровадженні напівпровідникових світильників через відсутність виграшу в енергоспоживанні. Зниження ж експлуатаційних витрат за рахунок високого ресурсу не було очевидним, оскільки цей ресурс не був підтверджений реальним часом експлуатації.

По-третє, майже всі виробники не прагнули розробляти напівпровідникові лампи, спеціально адаптовані до жорстких умов експлуатації в системах вуличного освітлення, тому розробники світлотехнічних пристроїв зіштовхувалися з додатковими проблемами, пов’язаними з низькою експлуатаційною надійністю напівпровідникових світильників.

Незважаючи на це, багато виробників, продовжують інтенсивні дослідження, спрямовані на збільшення ефективності й надійності напівпровідникових джерел світла. Компанія Cree також робить внесок у вирішення зазначених проблем, що дасть змогу наблизити початок масового переходу в системах вуличного освітлення від традиційних джерел світла до напівпровідникових.

До 2003 року компанія Cree виготовляла винятково кристали світлодіодів, у 2003 році у лабораторіях Cree був розроблений принципово новий тип кристалів з ефективністю понад 100 Лм/Вт (біле світло, колірна температура близько 6000 К). Це змусило компанію переглянути свою ринкову стратегію виробництва виключно матеріалів й кристалів і анонсувати початок розробки потужних світлодіодних ламп. З липня 2004 року почалося масове виробництво двох перших серій ламп – XL7090 і XL4550.

Основною відмінною рисою приладів Cree є корпус. На відміну від інших виробників, Cree уперше для масового продукту застосувала металокерамічний корпус із так званою «плаваючою» лінзою із кварцового скла. Це дало споживачам змогу одержати відразу кілька важливих переваг.

По-перше, електрично ізольована тепловідвідна основа спрощує конструювання кластерів світлодіодних ламп.

По-друге, евтектичне встановлення кристала на металізовану керамічну підкладку усуває проблему механічних напруг, що виникають за рахунок великої різниці в температурних коефіцієнтах об’ємного розширення підкристальної плати й матеріалу основи корпуса, і підвищує надійність експлуатації при від’ємних температурах.

По-третє, корпус не містить жодних пластмасових деталей, не вимагає попереднього приклеювання, що дає можливість використовувати для монтажу стандартні автоматизовані лінії, значно знижуючи собівартість кінцевих виробів. Лінза із кварцового скла стійка до впливу УФ-випромінювання, що гарантує тривалий термін експлуатації в умовах попадання прямого сонячного світла. Рухливість лінзи не тільки захищає від напруг контактну систему, а й дозволяє зберігати фокусування в широкому температурному діапазоні.

Подальше вдосконалення корпуса серії XR7090 торкнулося, в основному, зміни конструкції рефлектора й, найголовніше, зниження теплового опору p-n-перехід – тепловідвідна основа до 8⁰С/Вт.

Нині Cree виготовляє кілька серій напівпровідникових ламп. Серія XL4550 призначена для створення систем підсвічування РК панелей моніторів великої площі та інтер’єрного підсвічування. Серія XR7090 застосовується там, де наголос робиться на колір: архітектурне освітлення, дорожні світлофори, системи світлової сигналізації тощо. Напівпровідникові лампи нової серії XR-C7090 використовують кристал серії EZ700 (700х700 мкм). Ефективність при струмі 350 мА відповідає приблизно приладам серії XR7090 із кристалом попереднього покоління XB900. Однак, завдяки меншій площі кристала, вартість його в масовому виробництві набагато нижча, відповідно й нижча вартість ламп на його основі. Тому XR-C7090 позиціонується виробником як ефективне рішення для бюджетних проектів, коли фактор ціни є визначальним: його ціна нижча на 35% порівняно із XR7090.

Табл. 1. Сімейства напівпровідникових ламп компанії «Cree»

Зупинимося більш докладно на напівпровідникових лампах для систем загального освітлення XR-E7090. Серії напівпровідникових ламп XR-E7090 і XR-C7090 базуються на нових кристалах типу EZBrightTM: EZ1000 і EZ700 відповідно. Цю серію кристалів Cree розробляла з 2004 року, в результаті вдалося домогтися рекордних показників ефективності. Так, кристали типу EZR260 забезпечують квантовий вихід 55…75%, а найбільші кристали EZ1000 мають типовий квантовий вихід 40…55%. Крім того, вдалося одержати пряме спадання напруги при номінальному струмі на 20% нижче, ніж у серії XB900 і кристалів інших виробників.

Інша важлива відмінність полягає в застосуванні нової контактної системи в кристалах EZ1000. Контактна система має дві точки приварювання провідників і виконана таким чином, щоб мінімізувати площу контактів на поверхні кристала, що дозволило збільшити площу поверхні випромінювання до 90%, а паралельне з’єднання перемичок контактів катода додатково вдвічі знизило втрати провідності при струмах понад 350 мА.

Перетерпіла зміну й технологія нанесення люмінофора. У попередніх серіях XL7090 і XR7090 суспензією люмінофора в гелі заповнювався весь простір усередині рефлектора між кристалом і первинною лінзою, технологічний процес був простий, але при цьому виявилися два серйозних недоліки. По-перше, спостерігалася істотна колірна неоднорідність спектра, а по-друге, практично була відсутня можливість створення вторинної оптики прийнятних геометричних розмірів з кутами розсіювання менше ±10⁰ через занадто велику площу випромінювання. У нових серіях люмінофор наносять безпосередньо на кристал, що майже повністю усуває зазначені недоліки.

У результаті вдалося одержати масовий виріб з унікальними експлуатаційними характеристиками, що забезпечує типову ефективність 80 Лм/Вт при струмі 350 мА (у діапазоні колірних температур 5500…6500 К) і споживану потужність 1,07 Вт. Селектовані прилади забезпечують світловий потік до 100,3 Лм при 350 мА й 160 Лм при 700 мА (електрична потужність 2,3 Вт).

Досягнуті компанією Cree показники ефективності дали змогу говорити про конкуренцію напівпровідникових джерел світла з більшістю традиційних ламп. У табл. 2 наведені порівняльні характеристики більшості традиційних джерел світла із двома серіями світлодіодних ламп – XR7090 як представника попередніх поколінь світлодіодів і XR-E7090. Під «реальною» ефективністю в таблиці розуміється та частина світлового потоку джерела, що залишається після розсіювання й втрат у реальних світильниках.

Табл. 2. Порівняльні характеристики джерел світла

Світлодіодні лампи в загальному освітленні: учора, сьогодні…

На початку статті було відзначено, що застосування напівпровідникових джерел світла в системах загального освітлення поки що не є масовим. З відкритої інформації можна скласти лише приблизну картину про впровадження світлодіодів в освітлювальні прилади за кордоном. Так, близько 60% становлять системи освітлення торговельних площ і ресторанів, 30% – частка підземних гаражів, 7% – внутрішнє освітлення офісів і лише близько 3% – одиничні проекти у вуличному освітленні.

В 2007 р. прогнозується початок серйозних проектів із застосування напівпровідникових джерел світла у вуличному освітленні. Так, у лютому 2007 р. був анонсований спільний проект компаній Cree, Lighting Science Group Corporation і уряду штату Північна Кароліна за назвою LED City. Проект передбачає переведення муніципального освітлення столиці штату м. Ролі на напівпровідникове, включаючи вуличне освітлення, освітлення підземних гаражів, пішохідних переходів, парків, архітектурного й акцентного підсвічування. Економічні розрахунки, проведені на замовлення муніципалітету м. Ролі показали, що економія електроенергії після реалізації цього масштабного проекту складе близько 40%, а термін окупності початкових витрат складе близько трьох років. Проект буде виконаний із застосуванням ламп Cree XR-E7090 (у приладах загального освітлення) і XR7090 (у приладах для архітектурного й акцентного освітлення). Крім заміни традиційних світильників на напівпровідникові, буде застосована система інтелектуального керування освітленням ODL^® (Optimized Digital Lighting), що дає змогу керувати споживанням електроенергії залежно від зміни зовнішніх умов (рівня освітленості, наявності людей у зоні освітлення тощо). Уже протягом наступних 18 місяців планується повністю переобладнати систему освітлення ділового центра з населенням понад 350000 чоловік.

Нині випадки впровадження напівпровідникових джерел світла в загальне освітлення є поодинокими й не мають поки масштабної реалізації. На думку фахівців, це пов’язано з незацікавленістю споживачів (міської влади, забудовників, експлуатаційних організацій). Ця незацікавленість, пов’язана з неясністю пропозиції для кінцевого споживача, відсутністю реальних економічних розрахунків, які могли б показати комплексний економічний ефект і терміни окупності. Наведений приклад показує, що коли є чітке обґрунтування пропозиції й ініціатива виходить безпосередньо від замовника, то можна реалізувати навіть найамбіційніший проект. Це вселяє надію на те, що незабаром ситуація почне мінятися.

Поліщук А. Г., Терехов В. Г.