Лекция №9
Светоизлучающие диоды
План лекции
1. Принцип работы и особенности конструкции светоизлучающих диодов
2. Преимущества светодиодов
3. Недостатки светодиодов
4. Полупроводниковые блоки питания светодиодов
5. Перспективы внедрения СДС в уличное освещение
6. Функции модернизированной СУО
Светодиоды представляют собой микроминиатюрные полупроводниковые источники света, в которых излучение возникает на p-n переходе в результате рекомбинации электронов и «дырок». В светодиодах используются полупроводниковые материалы высокой чистоты, легированные малым количеством контролируемых примесей, создающих с
одной стороны материал n-типа, а сдругой – материал p-типа. В месте контакта материалов p- и n-типов образуется полупроводниковый p-n
переход. Если к p-n переходу приложить постоянное напряжение в несколько вольт прямой полярности, т.е. к n-области «минус», а к p-области «плюс», то приложенное поле будет заставлять перемещаться электроны и «дырки» навстречу друг другу и они будут рекомбинировать в зоне контакта. Оказывается, что такая рекомбинация может быть как излучательной – при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света – фотона, так и безызлучательной – когда энергия рекомбинирующих носителей заряда расходуется на нагрев кристалла полупроводника. Для большинства полупроводниковых диодов это явление – просто «побочный эффект», не имеющий практического смысла. Для С. же излучательная рекомбинация – физическая основа их работы.
Размеры контакта p-n перехода очень малы, обычно 10-3… 10-4 см2, столь же мала и область свечения. Свечение возникает на границе полупроводников и выходит наружу сквозь один из полупроводниковых материалов и через зазор между двумя материалами.
В отличие от ЛН, С. излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20… 50нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют квазимонохроматическим (т.е. почти монохроматическим).
Световая отдача светодиодов составляет для разных светодиодов от 50 до 100 Лм/Вт.
Методы получения белого цвета:
1. Использование отдельных С. разных цветов или трехкристальных С. красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.
2. Использование структуры InGaN с λ = 470 нм (синий цвет), и нанесенного на нее люминофора с максимумом в желтой части спектра. Человеческий глаз такую комбинацию воспринимает как белый цвет. Такие С. дешевле трехкристальных, обладают хорошей цветопередачей и светоотдачей до 30 Лм/Вт.
3. Возбуждение трехслойного люминофора светодиодом УФ спектра по аналогии с кинескопом цветного телевизора (УФ-светодиод в данном случае «заменяет» электронную пушку кинескопа).
Кристалл С. – практически точечный источник света. Это позволяет делать корпус С. очень малых размеров. Конструкция корпуса должна обеспечивать:
1 – минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду
2 – фокусирование света в заданном телесном угле
3 – эффективный отвод тепла от кристалла.
Для сверхъярких С, рассчитанных на большие токи, предусматривается массивное основание для лучшего теплоотвода (рисунок 4).
|
Рис. 8. Светодиод с массивным основанием
Преимущества светодиодов:
- низкое энергопотребление - не более 10% от потребления при использовании ламп накаливания и не более 50% от потребления люминесцентных ламп;
- долгий срок службы - до 100 000 часов;
- высокий ресурс прочности - ударная и вибрационная устойчивость;
- чистота и разнообразие цветов;
- направленность излучения – нет потери светового потока (у других источников света излучение идет во все стороны, большие потери в рефлекторе, светодиод не освещает пространство сзади себя);
- регулируемая интенсивность;
- низкое рабочее напряжение;
- низкие пусковые токи, отсутствие перенапряжения электросети в момент включения освещения;
- низкие эксплуатационные расходы. Ведь поменять лампу на 8-12 метровой высоте - это дорогое удовольствие ("вышка” плюс зарплата людям). И если менять придётся в 5-10 раз чаще чем светодиодные лампы – каждый задумается;
- экологическая и противопожарная безопасность. Они не содержат в своем составе ртути и почти не нагреваются;
- показатель использования светового потока равен 100%, тогда как у стандартных уличных светильников он составляет 60-75%;
- нет необходимости в специальной утилизации;
- нет пульсаций светового потока, поэтому светодиодное освещение не утомляет глаза;
- не вызывает стробоскопический эффект;
- отсутствие акустических помех;
- работают при низких температурах, там где люминесцентная лампа не загорится, светодиодные будут работать без проблем;
- незначительное снижения светового потока;
- нет ограниченной единичной мощности (можно собрать светодиодный модуль любой мощности);
- отсутствие радиопомех;
- при снижении напряжения сети светодиодные лампы стабильно работают;
- отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучений;
- совместимы с диммерами (регуляторами яркости), выключателями с подсветкой, датчиками движения, фотоэлементами, таймерами и пр.
- максимальное значение светового потока достигается сразу после включения;
- отсутствие чувствительности к частым включениям и выключениям;
- высокий уровень цветопередачи.
Недостатки светодиодов:
- относительно высокая цена (хотя стоит сказать что в любом случае светодиодное освещение окупается благодаря намного более длинному сроку службы, экономию электроэнергии и отсутствию затрат на содержание и замену);
- для мощных светодиодов необходимы радиаторы для рассеивания тепла (дальше – статья о светодиодах).
Применение светодиодов
1. Светофоры, автомобильные стоп-сигналы, поворотные сигналы, габаритные и заградительные огни, дорожные знаки, навигационные знаки водных путей, аварийные указатели.
2. Осветительные приборы – в «мобильных» приложениях: фонари для различных работ, велосипедные фары, карманные фонари.
В традиционном освещении применение С. началось с установок, где не требуется высокий уровень освещенности: дежурное, аварийное, ночное, интерьерное, знаки и таблички, «маркировочное». С ростом светоотдачи и удешевлением приборов светодиодная «экспансия» все больше распространяется не только на локальное, но и на общее освещение.
Динамическая подсветка фонтанов в светодиодном исполнении создает ни с чем не сравнимые «флуоресцирующие» световые картины.
Светодиодный кластер — множество светодиодов в блоке определенного размера, работающие совместно с пропускаемой ими информацией. Светодиодные кластеры, или, как их ещё называют, светодиодные модули, применяются для изготовления наружной рекламы, контражурной и торцевой засветки, для внутренней подсветки объёмных букв. Светодиодные модули получили широкое распространение в интерьерной подсветке домов, зданий и прочих сооружений.
Светодиодные светильники
Конструктивно СДС состоит из двух блоков – светоизлучающей части и полупроводникового блока питания (ППБП), называемого драйвером или управляющим элементом.
Структурная схема ППБП
1 — входной фильтр подавления высокочастотных помех, 2 — выпрямитель, 3 — корректор формы потребляемого от электрической сети тока, 4 — управляющий каскад, 5 — усилитель мощности, 6 — выходной каскад
В настоящее время ассортимент ППБП насчитывает многие десятки типоразмеров, отличающихся количеством и мощностью включаемых с ними ламп, наличием или отсутствием возможности регулирования светового потока, характером включения, наличием функций защиты аппарата и электросети от возможных аварийных ситуаций. При всем кажущемся многообразии схемные решения современных драйверов ведущих мировых производителей, в принципе, одинаковы.
При этом электротехнические возможности драйверов значительно превосходят возможности обыкновенных ЭПРА [6]. Например, драйвер способен поддерживать требуемые параметры тока и напряжения на светодиодной сборке при значительных колебаниях напряжения — от 70 до 150% (154–330 В). При этом отклонение значения напряжения от 220 В никак не сказывается на сроке службы ни самого драйвера, ни, тем более, на сроке службы светодиодной сборки. Следовательно, при реконструкции или проектировании вновь создаваемой ОУ на СДС возникает возможность отойти от указанных в ПУЭ границ допустимых отклонений напряжения ±5% Uном. Это означает, что при проектировании уличной осветительной сети отпадает главный ограничивающий фактор — проверка по падению напряжения. Появляется возможность создавать значительно более длинные осветительные сети. А в условиях модернизации существующих сетей города — просто объединять несколько существующих линий последовательно. Увеличение средней длины групповой линии осветительной сети открывает широкомасштабные перспективы для изменения самой концепции построения осветительной сети города. При сохранении единичной мощности ТП значительно увеличивается площадь их покрытия. А значит, появляется возможность вывода из эксплуатации в сети освещения около трети существующих ТП и РП. А при экономии до 2/3 потребляемой сегодня электроэнергии за счет перехода на более экономичные светодиодные светильники открываются перспективы по снижению затрат по первой ставке двухставочного тарифа на электроэнергию.
Однако основной сложностью с точки зрения электротехники при создании такой системы является расчет электромагнитной обстановки в питающей сети существующего района с точки зрения гармонических составляющих тока, генерируемых полупроводниковыми блоками питания используемых светильников, с одной стороны, и наличием несинусоидальности тока в питающей сети района — с другой.
Для подавления высокочастотных помех, создаваемых ЭПРА в электрической сети тока, используются обычные или двойные П-образные фильтры из индуктивностей в несколько мГн и емкостей до 1000 нФ. Как правило, дополнительно для этой же цели включается емкость порядка единиц нФ между одним из питающих проводников (обычно нейтралью) и заземляющим проводом. В качестве выпрямителя, как правило, используется любой стандартный мостик, рассчитанный на соответствующие токи и напряжения. Для коррекции формы потребляемого тока применяются достаточно мощные полевые транзисторы, управляемые специальными устройствами, отслеживающими форму тока.
Электрические параметры ППБП различных фирм практически одинаковы: КПД — 86–94%; коэффициент мощности — как правило, не ниже 0,95 и в большинстве случаев зависит от используемых емкостных элементов; сетевые ППБП нормально работают в диапазоне напряжений 80–360 В и практически все могут работать от сетей постоянного напряжения с разбросом 170–340 В; содержание высших гармоник в потребляемом токе — обычно не выше 15%.
Поскольку большинство светодиодных осветительных приборов не являются отечественными разработками, то и устройства, управляющие их работой, также поступают из-за рубежа. Преимущества этого состоят в наличии драйверов для их работы, серийного производства изделий и комплектующих, а также в большом разнообразии предлагаемой продукции. Основной же недостаток — в том, что нормы, на которые ориентировались разработчики, зачастую расходятся с российскими аналогами.
В области искажения синусоидальной кривой тока производители ориентируются на общий коэффициент несинусоидальности. Этот фактор показывает степень отклонения реальной формы тока от идеальной синусоиды и измеряется в процентах. Недостатком подобной системы оценки является общность подхода и невозможность оценить эмиссию гармонических составляющих тока по каждой из гармоник.
Модернизированная СУО должна выполнять следующие функции:
1. Обеспечивать постоянство освещенности в условиях плохой погоды, облачности и смога за счет диммирования ИС.
2. Обеспечивать возможность автоматического регулирования в различных точках одной ОУ наиболее приемлемой освещенности.
3. Учитывать присутствие людей и интенсивность потока автотранспорта и отключать в определенные ночные часы часть светильников, расположение которых принципиально не влияет на общий уровень освещенности и уровень безопасности.
4. Учитывать время суток, года, дни недели путем индивидуального регулирования светового потока каждого ИС.
Многие фирмы (Osram, Philips, Tridonic, Helvar, ЭНЭФ и др.) производят готовые СУО для осветительных установок с различными источниками света. Регулирование светового потока в СУО должно быть как автоматическим — от датчиков освещенности, присутствия и времени, так и ручным (непосредственно работающим).
В журнале «Светотехника» (1997. № 1) была подробно описана типовая СУО [4]. Для унификации ее элементов и «понимания» элементами одного производителя команд датчиков других производителей европейские фирмы разработали и внедрили ряд стандартов, которые активно применяются и в России. В настоящее время наиболее широко используемыми стандартами в области освещения зданий являются LON, EIB, KNX. При создании интеллектуальной системы управления уличным освещением можно задействовать любую из указанных систем, либо отдать предпочтение иной системе, разработанной производителем драйверов и СДС.
В системах с аналоговым управлением команды ручного управления или сигналы от датчиков освещенности, присутствия и времени подаются на управляющие входы полупроводникового блока питания (ППБП) в виде постоянного напряжения (в диапазоне 0–10 В), что вызывает соответствующее изменение светового потока управляемых ламп.
В качестве датчика освещенности может использоваться, в принципе, любой светочувствительный прибор; обычно это фотодиод или фоторезистор. Они могут и изменять световой поток ламп в зависимости от уровня естественной освещенности так, чтобы суммарная освещенность оставалась постоянной. Поддерживаемый уровень освещенности задается при установке датчиков. Улучшенные приборы, кроме датчиков освещенности, содержат и датчики присутствия. Значит, существует возможность выключать часть осветительных приборов в ночное время при отсутствии людей.
Программное управление — это осуществление оперативных переключений по таймеру в соответствии с временнóй программой, определенной для каждого дня года.
Ручное управление, как правило, осуществляется дистанционно с помощью пультов с инфракрасными излучателями или с центрального диспетчерского пульта.
В отличие от аналоговых систем, цифровое управление по любому из стандартов позволяет реализовывать программирование освещения и осуществлять адресное управление светильниками. При этом управляющие драйверы сохраняют в памяти заданный уровень мощности ламп и при повторном включении сразу включают светильники с этим уровнем. Кроме того, система может передавать на управляющие блоки сигналы о неисправностях ламп, неподключенных ЭПРА, обрывах проводов питающей сети и т. п. [5].