Светодиодное освещение

Оглавление

1.Введение……………………………………………………………………………....3

2.Обзор рынка  светодиодного освещения…………………………………………….4

3.Эффективность  светодиодных светильников………………………………………6

4.Светильник  СППО220-60……………………………………………………………7

   4.1 Назначение………………………………………………………………………..7

   4.2 Технические  характеристики……………………………………………………7

   4.3 Условия  эксплуатации…………………………………………………………...8

5.Мощные светодиоды компании CREE……………………………………………...9  

   5.1 Выбор светодиодов……………………………………………………………...11

   5.2 Технические  параметры………………………………………………………...11

6. Преимущество применения драйвера……………………………………………..12

7.Универсальный  драйвер для светодиодов высокой  яркости компании                      Supertex.………………………………………………………………………………..14

    7.1.Выбор драйвера для светодиодов высокой яркости………………….............14

    7.2. Краткое описание ……………………………………………………………..14

    7.3.Основные свойства……………………………………………………………..15

8.Заключение…………………………………………………………………………..16

9.Список использованной литературы………………………………………………17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Введение.  

    Явление электролюминесценции, заключающееся  в излучении фотонов твердым  телом под воздействием электрического тока, было открыто в начале ХХ века. В том, что электролюминесценция может происходить при комнатной температуре, и заключается ее главное отличие от теплового свечения. В 1907 году английский инженер Х. Д. Раунд случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же заинтересовался этим физическим явлением и его практическим применением Олег Владимирович Лосев. Обнаружив в 1922 году свечение кристаллического детектора, он перешел к экспериментам. Стремясь получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт диодного детектора ток от батарейки. В 1928 году Лосев опубликовал результаты своих исследований. Он установил, что излучение света в одних диодах возникает только при их смещении в обратном направлении, а в других — как в прямом направлении, так и в обратном. Первые светодиоды были изготовлены из SiC, а в 1936 г. появилась публикация о создании Ж. Дестрио светодиодов на основе кристаллов цинка ZnS. В 1961 году экспериментаторы Роберт Биард и Гари Питтмэн обнаружили, что GaAs испускал инфракрасную радиацию при прохождении электрического тока. Первый светодиод видимого спектра (красный) был разработан в 1962 году Ником Холоньяком-младшим, когда он работал в компании «Дженерал Электрик». Холоньяк был назван отцом светодиодов. Джордж Крэфорд, прежний аспирант Холоньяка, изобрел первый светодиод желтого цвета и улучшил яркость красного и красно-оранжевого светодиодов в десятки раз в 1972 году. В 1976 г. T. P. Пирсал получил первые светодиоды высокой яркости и производительности для волокон оптических телекоммуникаций, изобретая новые материалы полупроводников, приспособленные к оптическим длинам волн

передачи  оптики. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Обзор рынка светодиодного освещения. 

    Прогнозируется, что данный рынок будет расти в 2010–2013 гг. со средними годовыми темпами в 35% и к 2013 г. достигнет объема в $1,5 млрд. В целом рынок светодиодного освещения растет значительно быстрее, чем его отдельно взятые сектора цветных или изменяющих цвет светодиодов. Это время станет

лишь  началом процесса полной замены традиционных источников света, в том числе энерго-эффективных флуоресцентных и HID-ламп. Как показала рограмма, осуществленная DOE’s CALiPER, светодиоды применимы в самых разных формах освещения и помогают решать недоступные прежде задачи. Сегмент светодиодного освещения сильно фрагментирован и нацелен на удовлетворение

самых разнообразных потребностей. Стоимость качественных и высокоэффективных осветительных приборов по-прежнему высока.

    Как и прежде, велик спрос на цветные светодиоды. Однако неожиданно возросла потребность в системах с белым светом — например в секторе наружного освещения. Остро обозначилась актуальная для производителей, продавцов и потребителей светодиодов проблема отсутствия разработанных стандартов. Сформулированные организацией Energy Star требования к осветительным системам, построенным на базе светодиодных источников света, описывают производительность, электрические параметры, степень рассеивания света, «температурные» особенности цветности, безопасность и многие другие характеристики. Основным, но не единственным фактором продвижения светодиодов на рынок систем освещения станет их эффективность: использование изделий также должно быть выгодным. На раннем этапе развития рынка важную роль играют государственные субсидирование и регулирование — до тех пор, пока светодиоды не докажут свою эффективность и надежность, завоевав доверие

потребителей. Уже видны объективные изменения таких показателей, как высокая

себестоимость и насыщенность цветом. Но необходимо развивать экономичность и дизайн. Как уже говорилось, нас ждет активный рост мирового рынка светильников на основе светодиодов — более чем на 30% в год. Вероятно, это

произойдет  благодаря появлению светодиодов для общего освещения. Ожидается, что спрос на них вырастет с 700 млн в 2007 г. до 1,5 млрд в 2010-м, а к 2016 г. светодиодные устройства будут занимать более трети рынка общего освещения (рис. 2.1).  

Рис. 2.1 Прогноз состояния мирового рынка общего освещения.

Выводы:

    Светодиодные  светильники за счет низких эксплуатационных расходов в течение рабочего периода, длительного жизненного цикла, высокой яркости, отсутствия инфракрасного и УФ-излучения, являются лидерами в рейтинге прочих источников освещения. Относительно высокая цена пока еще является основным недостатком светодиодов, но постепенно она снижается, и светодиоды становятся все более конкурентоспособными.

    Благодаря государственной поддержке производства светодиодов и запрету на использование  ламп накаливания в ближайшие  годы усилится конкуренция между производителями светодиодной продукции, увеличится светоотдача твердотельных источников света и ожидается почти 30%-ное снижение цен

на светодиодные светильники и лампы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Преимущества светодиодных светильников. 

    Самым важным преимуществом светодиодных светильников является их экономичность. Они расходуют в два раза меньше электроэнергии по сравнению с люминесцентными лампами! А если сравнивать с лампами накаливания, то экономия получится примерно в 10 раз! Такая экономия стала возможна благодаря значительно меньшему расходу энергии на выделение тепла светодиодных светильников.

    Вторым  не менее важным достоинством светодиодов  является их очень долгий срок эксплуатации. Если обычная лампа накаливания работает всего 1500-2000 часов, люминесцентная порядка 7000 часов, то светодиодная около 50000 часов! Таким образом, 25 ламп накаливания или 7 люминесцентных ламп может заменить один светодиодный светильник.

    Люминесцентные лампы, в отличие от светодиодов, после отработки положенного срока службы нуждаются в специализированной утилизации, так как содержат до 100 мг ртути, опасной для человека и окружающей среды. Именно поэтому безопасность — важное преимущество светодиодных светильников.

    Качество освещения очень важно для любой деятельности человека. Свет, исходящий от светодиодов, максимально приближен к спектру солнечного света, а значит более естественен. К тому же, обычные лампы создают невидимое мерцание (около 100-120 вспышек/сек), что не очень полезно для глаз. Светодиодные светильники лишены этого недостатка.

    Важным  достоинством, особенно в теплые периоды  года, светодиодных светильников является отсутствие ультрафиолетового излучения, которое не только привлекает насекомых, но и не всегда полезно для человеческого организма.

Экономичность, долгий срок эксплуатации, безопасность для человека и окружающей среды  — вот те преимущества, благодаря которым будущее осветительных приборов будет принадлежать светодиодам. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Светильник  СППО220-60.

    4.1 Назначение.

    Светильник  полупроводниковый потолочный офисный (СППО220-60) встраиваемый  предназначен для освещения жилых и общественных помещений: офисов, кабинетов и т.п. Общий вид светильника приведен на рис. 4.1.1

Рис.4.1.1.  Общий  вид светильника СППО220-60 

     4.2 Технические характеристики. 

Дополнительные характеристики

- При высоте  подвеса 2 м осевая освещенность — 375 лк,  диаметр  пятна по уровню 0,5 от осевой силы света — 6,5 м. 
- При высоте подвеса 2,5 м осевая освещенность — 250 лк, диаметр пятна по уровню 0,5 от осевой силы света — 8,5 м. 
 
 
 

Рис.4.2.1. Кривая силы света светильника. 

      4.3 Условия эксплуатации.

- степень защиты (по ГОСТ 14254-96) IP20

- температура  воздуха - от -40°С до +50°С;

- относительная влажность воздуха до 98% при температуре +25°С;

- атмосферное  давление - (750±30) мм. рт. ст.;

- напряжение  сети питания ~ 220В;  частота сети – 50Гц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Мощные светодиоды компании CREE. 

    Основная  особенность СД производства компании CREE — корпус (рис. 5.1). Впервые в массовом производстве СД применяется металлокерамический корпус с плавающей линзой из кварцевого стекла, что дает возможность 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].

Рис.5.1.Внешний вид белого СД CREE

семейства XL.

    В-третьих, корпус не содержит пластмассовых деталей, не требует предварительного приклеивания, что позволяет использовать для монтажа стандартные автоматизированные линии, а это приводит к значительному снижению себестоимости конечных изделий. Линза из кварцевого стекла устойчива к воздействию УФ-излучения, это 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. Дальнейшее усовершенствование корпуса СД, воплощенное в семействе XRE (рис.5.2.), в основном коснулось конструкции отражателя и, самое главное, снижения теплового сопротивления «p-n-переход — теплоотводящее основание» до 8 °С/Вт.

Рис.5.2.Внешний  вид СД CREE семейства XR. 
 
 

    Светодиоды, входящие в семейства СД XRE и XRC, изготавливаются на основе новых кристаллов EZ1000 (рис. 5.3) и EZ700 семейства EZBright соответственно. Эти кристаллы компания CREE разрабатывала с 2004 г., а для их массового производства потребовалось строительство новой фабрики, переход на SiC-подложки диаметром 100 мм со сверхнизкой плотностью дефектов и разработка новых технологических процессов. 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.

    Рис.5.3. Схема кристалла CREE EZ1000 семейства EZBright

    Семейство кристаллов EZBright 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 сбор 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 (XL и XR) весь объем внутри отражателя между кристаллом и первичной линзой заполнялся взвесью люминофора в геле (рис. 5.2). 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 20° из-за слишком большой площади

излучателя. В новых семействах СД люминофор наносится непосредственно на кристалл (рис. 5.4), что позволяет практически полностью

устранить указанные недостатки.

Рис.5.4.Внешний вид белого светодиода

семейства XRE

    5.1.Выбор  светодиода.

    В светильнике СППО220-60 применяем СД марки XREWHT-L1-0000-007F6 внешний вид изображен на рис. 5.5.

Рис5.5.Внешний  вид СД марки XREWHT-L1-0000-007F6. 

    5.2.Технические  параметры. 

    Цветовая  температура: 3500…4000 К

    Цвет  свечения: нейтральный белый

    Угол  излучения: 90 °

    Световой  поток: 67.2…73.9 лм

    Размер: 9.0x7.0x4.4 мм

6.Преимущество применения драйвера.

      В качестве источника питания  можно выбрать готовое решение  в виде модульного источника  тока. Производителей подобных изделий  много: Mean Well, Inventronics, Philips Advance и др. Преимущество  такого выбора очевидно - нужно  только подобрать по требуемым параметрам модуль, который имеет вход и выход, встроить его в светильник и выполнить необходимые электрические подключения. При таком подходе обеспечивается максимально быстрый выход разрабатываемого изделия на рынок, так как не требуется дополнительной разработки и проведения испытаний, связанных с источником питания.

    Однако  не всегда можно использовать готовый  модуль. Например, если при расчете  светильника требуется «нестандартное»  значение тока через светодиоды, или  напряжение питания отличается от сетевого. Дело в том, что за редким исключением модульные источники имеют значение выходного тока, кратное 350 мА (700, 1050 мА и т.д.) и, как правило, рассчитаны на сеть 220 В и 50 Гц. Популярные (ввиду невысокой цены и хорошей эффективности) мощные светодиоды XRE компании CREE имеют номинальный ток 300 мА, что несколько ниже «стандартного» значения силы тока. На рынке представлены модульные источники и с подобными характеристиками (300...310 мА), но они встречаются нечасто (например, компании Soaring). Также модули не подходят, если требуется в разрабатываемом изделии реализовать функцию автоматического управления яркостью в зависимости от каких-либо условий. Несомненно, на рынке присутствуют модульные источники с функцией управления, но их номенклатура ограничена, и не всегда можно подобрать подходящий по всем параметрам модуль. Бывают ситуации, когда габаритные размеры или конструкция модульного источника не подходят под разрабатываемое устройство. Например, светильник имеет круглый форм-фактор, а выбранный по электрическим параметрам модуль - прямоугольную форму и большие габаритные размеры, и это препятствие никак не обойти. Также надо учитывать и экономический фактор. При серийном производстве разработанный источник питания под свои конкретные цели и задачи будет иметь меньшую себестоимость по сравнению с покупным.

    Во  всех этих случаях выходом из положения  будет применение в разрабатываемом  светодиодном светильнике интегральных драйверов, которые обеспечивают большую  свободу выбора электрических и конструктивных параметров устройства питания светильника и часто оказываются просто незаменимыми. Используя интегральные драйверы, можно построить схему питания непосредственно на светодиодном модуле. Если в светильнике используются несколько светодиодных линеек, то достаточно просто организовать их питание так, что каждая линейка будет питаться от своего драйвера с точно заданным значением тока. Применяя в этом случае модульные источники, мы должны или выбирать многоканальные (дорогостоящий вариант), или мириться с некоторым перераспределением тока через цепочки при выборе одноканального.

    Так как светодиодное освещение относится  к энергосберегающему, то одним из основных параметров источника питания  является его коэффициент полезного  действия (КПД). Именно здесь, правильно выбрав используемые комплектующие и построение схемы, можно существенно поднять общую эффективность осветительного прибора.

    Номенклатура  выпускаемых интегральных драйверов  по способу стабилизации делится  на две большие группы: линейные и импульсные стабилизаторы тока (рис. 1). Ввиду больших значений токов в осветительных приборах линейные стабилизаторы не нашли в них применения из-за низкой эффективности. Они в основном применяются для питания сверхъярких светодиодов, например, в экранах, табло, для подсветки различных устройств. В осветительных приборах применяются исключительно импульсные стабилизаторы, использование которых позволяет достичь КПД 95...98% в широком диапазоне входных/выходных напряжений.

Рис. 1. Классификация драйверов в интегральном исполнении 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7.Универсальный  драйвер для светодиодов  высокой яркости  компании                      Supertex.

    Микросхемы, изготовленные по технологии Supertex HVCMOS, отличаются низким электропотреблением и имеют свойства структур CMOS, сочетающиеся с высоковольтными качествами DMOSFET выходных структур. Именно это достоинство HVCMOS-микросхем Supertex дает возможность создавать компактные конкурентоспособные изделия в областях, где требуется управление высоковольтными высокочастотными нагрузками и низковольтными сигналами или преобразование напряжения высоковольтных источников в низковольтные управляющие сигналы.

    7.1.Выбор  драйвера для светодиодов высокой яркости.

    В светильнике СППО220-60 применяем драйвер марки HV9910BNG с напряжением питания от 8В до 450В и выходным током более 1А, обеспечивает максимальную гибкость и великолепные параметры конструкции.

7.2. Краткое описание. 

    HV9910B – высокоэффективный очень недорогой  ШИМ-стабилизатор тока светодиодов.  Отличительная особенность – возможность работы как в низковольтных приложениях, например в блоках управления автомобильными светодиодными фарами с питанием от 12 В, так и в приложениях декоративного освещения улиц и помещений, получающих напряжение от электрических сетей 220В.

    В основе конструкции микросхемы заложены собственные технологии Supertex обеспечивающие прочную изоляцию полупроводниковых  структур при входных напряжениях  до 450В. Постоянство яркости цепочки  светодиодов осуществляется за счёт стабилизации выходного тока, при этом значения этого тока легко программируются от нуля до максимума, как с помощью навесного резистора, так и с помощью внешних низкочастотных ШИМ импульсов в диапазоне до нескольких килогерц. 
        Выходная мощность нагрузки управляется внешним MOSFET транзистором на фиксированной частоте до 300 КГц. Использование HV9910 обеспечивает гибкость управления светодиодами и увеличивает срок их службы. Диапазон рабочих температур от -40С до +85С.

    Микросхемы  выпускаются в двух разновидностях корпусов: для приложений с напряжениями до 250 В достаточно HV9910BLG (корпус 8-SO), для приложений до 450 В HV9910BNG (корпус SO-16).Используем корпус SO-16. 
 Схема включения HV9910B указана в приложении 1. 
 
 
 
 

    7.3.Основные свойства.  

Более 90% эффективность. 
От 8 В до 450 В – диапазон напряжения питания. 
Обеспечивает стабилизированный ток через светодиоды. 
Обеспечивает стабилизированный ток через светодиоды от нескольких мА до 1 А и более.. 
Возможность управления как одним светодиодом, так и цепочкой из сотен светодиодов, соединённых последовательно или параллельно-последовательно. 
ШИМ регулятор выходного тока через специальный вывод. 

Вывод:

    Источник  питания является одним из основных составляющих светодиодного прибора  и обеспечивает качественные характеристики светильника на протяжении всего срока службы. Основными задачами разработчика являются правильный выбор драйвера и построение схемы питания с учетом многих, часто противоречащих друг другу, требований. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8.Заключение.  

    В ходе данной работы была проведена  стандартизация и унификация принципиальной электрической схемы драйвера и составлен перечень элементов. Результатом данной работы явился ряд документов, таких как: Электрическая принципиальная схема драйвера (ПРИЛОЖЕНИЕ 1), Перечень элементов (ПРИЛОЖЕНИЕ 2).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

9.Список использованной литературы. 

1. Полищук  А. Г., Туркин А. Н. Светодиодные  светильники — эффективный метод решения проблемы энергосбережения //Энергосбережение. 2008. № 3.

2. Р. Василенко, А. Кожемяка, А. Турчин. Микросхема управления

светодиодами MLX10801 // Chip News. Инженерная микроэлектроника.

№ 9, 2004 г., С58-61.

3. Universal High Brightness LED Drivers HV9910B. Supertex inc. Doc.# DSFPHV9910B

A031808, 2008.

4. IC specification MLX10803. High power LED driver. Melexis. Data Sheet, 2,

October, 2007.