Тё И.Б.
Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати, Казахстан
РАЗРАБОТКА
И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ В СИСТЕМАХ ОСВЕЩЕНИЯ
Светодиодное освещение - одно из многообещающих
направлений технологий искусственного освещения, основанное на применении
светодиодов в виде источника света. Применение светодиодных ламп в освещении
уже занимает существенную долю рынка. Развитие напрямую связано с
технологическим совершенствованием светодиода.
Среди производителей именно светодиодные источники света считаются
наиболее функционально-перспективным направлением как с точки зрения
энергоэффективности, так и затратности и практического применения. В основном
применяются приборы на белых светодиодах.
Главные
проблемы, останавливающие массовое внедрение этих перспективнейших источников
света, на сегодня являются:
Первое это — высокая начальная
стоимостьустройств освещения на светодиодах, но расходы, требуемые при
эксплуатации значительно меньше конкурентных источников освещения и в течение
года окупаются.
Второй проблемой до сих пор остается отвод тепла мощных светодиодов,
только 5% передается в виде теплого излучения в воздух и около 90% переходит в
подложку самого светодиода.
Поэтому исследование отвода тепла в мощных светодиодах является
актуальной задачей и это стало главной целью магистерской работы.
Светодиод (Рис.1) представлен
двумя выводами – анодом и катодом. Катод крепится к алюминиевому
параболическому рефлектору (отражателю). Внешне он представляет собой
чашеобразное углубление. На дне располагают светоизлучающий кристалл.
Рисунок 1. Строение 5мм светодиода
Активный элемент представлен полупроводниковым
монокристаллом (в 5 мм светодиодах он выполнен в виде кубика-чипа). Размеры
небольшие - 0,3*0,3*0,25 мм. Он содержит p-n переход или гетеропереход и
омические контакты.
Кристалл соединяется с анодом перемычкой,
произведенной из золотой проволоки. Полимерный корпус - фокусирующая линза. Она
с рефлектором и определяют угол излучения (диаграмма направленности)
светодиода.
Проведен сравнительный анализ белых светодиодов
повышенной яркости производства ведущих мировых компаний. Обоснованы
рекомендации разработчикам, создающим осветительные системы на основе
полупроводниковых источников света. Представлены основные преимущества
светодиодной техники.
В настоящий момент разработчиков интересует вопрос о максимально
достижимой величине светового потока и получаемой при этом световой
эффективности. По расчетам специалистов в области производства
мощных белых светодиодов, теоретический максимум эффективности
составляет 320±20 лм/Вт. Таким образом, такие компании, как
Cree, Nichia, достигли уровня КПД 50%. Бурное развитие светодиодной
отрасли послужило толчком к созданию энергосберегающих осветительных систем, к
разработке нового оборудования в медицине, в системах скоростной передачи
информации. В мире появляются все новые и новые фирмы по производству
светодиодов.
Рост предложений на рынке светодиодной продукции повышенной яркости
ставит разработчиков осветительных систем при выборе типа светодиодов
перед тяжелой дилеммой.
Главной проблемой светодиодов является отвод тепла выделяемого LED-кристаллом. Большая его часть (>
90%) передается на его металлическую подложку за счет теплопроводности. Лишь 5%
тепла уходят в виде теплового излучения
(Рис. 2).
Рисунок 2. Различие в механизмах тепловыделения при
работе традиционных ламп накаливания и светодиодных(LED)-ламп
С
повышением температуры у мощных светодиодов снижается световая эффективность.
Приведенные в технических характеристиках цифры выходного светового потока
обычно даются только для 25 °С. При 65 °С происходит потеря 10% яркости, а при
100 °С — 20% (Рис. 3).
Чтобы
мощные светодиоды имели время жизни, близкое к указанному в их технических
характеристиках, необходим хороший теплоотвод.
В подавляющем большинстве
случаев для отвода тепла от кристалла и последующего теплорассеяния
используются металлические, как правило, алюминиевые, медные, а также в редких
случаях и радиаторы из теплопроводящих пластмасс, помимо всех вышеперечисленных
способов, возможно и охлаждение при помощи термоэлектрического
модуля.
Один из вариантов теплоотвода – керамические
подложки с предварительно нанесенными токоведущими трассами, непосредственно к
которым подпаиваются светодиоды. Охлаждающие конструкции на базе керамики
отводят примерно в 2 раза больше тепла по сравнению с обычными вариантами
металлических охлаждающих элементов.
В последние годы все больше появляется
информации об альтернативном использовании теплорассеивающих пластмасс в
качестве материала радиаторов. Это объясняется технологическими свойствами и их
более низкой стоимостью по сравнению с широко применяемым для этих целей
алюминием. Теплорассеивающие пластмассы с гораздо более низким коэффициентом
теплопроводности (8 Вт/(м-К)) по сравнению с алюминием или его сплавами
(220-180 Вт/(м-К)) вполне конкурентоспособны и справляются со сбросом тепла в
условиях естественной конвекции. Действительно, в ходе этих экспериментов
наблюдалось возрастание температур в зоне подвода тепла приблизительно на 4-8%
в зависимости от величины тепловой нагрузки при замене алюминиевого радиатора
на радиатор из теплорассеивающей пластмассы (при прочих равных условиях).
Путем решения проблемы
разного прямого напряжения Vf при
одинаковом токе является использование для управления постоянного тока, а не
напряжения. Для поддержания постоянного тока, а, следовательно, и силы света,
драйвер светодиода автоматически подстраивает выходное напряжение. Такой подход
можно использовать в случае единичного твердотельного излучателя или при их
последовательном соединении. Если ток через все светодиоды одинаков, то,
несмотря на различия в Vf,
они будут иметь одинаковую яркость.
Еще одним значительным
преимуществом является то, что источник стабильного тока не позволяет какому-то
отдельному светодиоду в цепи быть перегруженным. Это гарантирует, что все они
будут иметь большой срок службы. Если один из полупроводниковых излучателей
окажется пробитым (накоротко замкнутым), то остальные продолжат функционировать
с корректным рабочим током.
Простейшим источником постоянного
тока является генератор постоянного напряжения, управляющий светодиодом через
резистор. Если падение напряжения на сопротивлении примерно равно прямому
напряжению на светодиоде. Такое решение очень дешево, но обладает плохими
характеристиками регулирования тока и весьма расточительно по мощности. Многие
дешевые светодиодные лампы типа кластера, предлагаемые в качестве замены
низковольтных галогенных ламп, используют этот метод. В случае замыкания в
одном из светодиодов резистор перегорит относительно быстро и таким же
относительно коротким будет время жизни всего кластера.
Другим простейшим
источником постоянного тока является его линейный регулятор. На рынке доступны
несколько дешевых драйверов светодиодов, использующих этот метод. Для этой же цели
могут применяться и линейные стабилизаторы напряжения, работающие в режиме
постоянного тока. Внутренняя обратная связь поддерживает управляемый ток внутри
5%-го коридора, но тепловая мощность выделяется в виде тепла, и для ее
рассеяния требуется хороший теплоотвод. Плохая эффективность этого метода слабо
согласуется с принципом высокой эффективности твердотельного освещения.
Лучшим источником
постоянного тока является импульсный стабилизатор. Цена такого драйвера выше,
чем у других решений, но точность в широком диапазоне нагрузок находится в
пределах 3%, а эффективность преобразования превышает 96%, это означает, что
только 4% энергии растрачивается бесполезно и устройство может работать при
высоких температурах окружающей среды.
Список литературы:
1. Кунгс Я.А., Цугленок
Н.В. Энергосбережение и энергоаудит в
осветительных и облучательных установках.: Учеб.пособие / Краснояр. гос.
аграр. ун-т. - Красноярск, 2004г. - 266 с.
2. Петер Маркс. Технические
особенности применения светодиодов; журнал “Light”, 2009г., №3, С.
184-188.
3. Ю.Н.Давиденко, 500 схем для радиолюбителей.
Современнаясхемотехника в освещении 2008г., С 50-55.