Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский
advertisement
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» На правах рукописи Гурин Сергей Юрьевич Принципы повышения энергоэффективности полупроводниковых световых приборов Специальность 05.09.07 – Светотехника Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель д.т.н., Гриценко Б.П. Томск 2016 2 Оглавление ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 4 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТОВЫХ ПРИБОРОВ .................... 9 1.1. Активное воздушное охлаждение ................................................................ 11 1.2. Активное жидкостное охлаждение ............................................................. 12 1.3. Пассивное охлаждение ................................................................................. 14 1.4. Современные светодиодные светильники .................................................. 19 1.5. Выводы по главе 1 ......................................................................................... 35 2. МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ....................................................................................................... 37 2.1. Методика и результаты измерений световой отдачи светодиода при питании импульсным током при различных температурах ............................. 38 2.2. Методика и результаты измерений спектральных характеристик светодиода при его питании постоянным током ............................................... 44 2.3. Методика и результаты измерений люминесценции люминофора светодиода в зависимости от его температуры .................................................. 48 2.4. Методика и результаты измерений светового потока светильника в зависимости от температуры его корпуса .......................................................... 51 2.5. Методика и результаты расчета температуры корпуса светильника при питании различными токами ............................................................................... 55 2.6. Выводы по главе 2 ......................................................................................... 60 3. ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА СВЕТОВЫХ ПРИБОРОВ ........................ 61 3.1. Разработка оптической системы светодиодного светильника ................. 61 3.1.1. Применение вторичной оптики для светодиодного освещения ..... 62 3.1.2. Применение отражателей для светодиодного освещения ............... 65 3.1.3. Выбор оптической системы ................................................................ 67 3 3.1.4. Исследование формы защитного стекла ........................................... 69 3.2. Исследование и разработка теплоотвода мощного светодиодного светильника ............................................................................................................ 73 3.3. Выводы по главе 3 ......................................................................................... 85 4. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТАННОГО СВЕТОДИОДНОГО СВЕТОВОГО ПРИБОРА ................... 86 4.1. Анализ стоимости светодиодного светильника ......................................... 86 4.1.1. Выбор светодиодов и тока питания .................................................... 85 4.1.2. Выбор источника питания ................................................................... 89 4.2. Сравнительный анализ разработанного светодиодного светильника с аналогами и газоразрядными световыми приборами ........................................ 92 4.3. Использование разработанного светильника для досветки растений ... 101 4.4. Выводы по главе 4 ....................................................................................... 103 Заключение ................................................................................................................. 104 Список сокращений ................................................................................................... 106 Список литературы .................................................................................................... 107 Приложение 1 Средства измерений, вспомогательное оборудование материалы 116 Приложение 2 Копия патента на полезную модель мощной полупроводниковой лампы ............................................................................................................................ 121 Приложение 3 Копия патента на полезную модель осветителя со светодиодами для улиц ....................................................................................................................... 122 Приложение 4 Копия свидетельства к медали «Сибирские Афины» .................... 123 Приложение 5 Копия акта внедрения результатов работы ..................................... 124 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность. Тема энергоэффективности и энергосбережения стала центральной в современной светотехнике. В последнее время большинство индустриально развитых стран мира осуществляют меры по энергосбережению за счет сферы освещения. Создаются, внедряются в практику и дают реальные результаты источников специальные света. программы Процесс по разработке энергоэффективных массового внедрения энергосберегающих светотехнических изделий получил дополнительный стимул для развития, в связи с появлением новых излучателей – светодиодов. С принятием Федерального закона от 23.11.2009 г. № 261 – ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» аналогичные изменения на светотехническом рынке начали осуществляться и в нашей стране. Ставится задача за 10 лет, к 2025 г., за счет регулирования рынка светотехники обеспечить экономию электроэнергии на цели освещения в России на уровне 40%. [1]. На сегодняшний день порядка 80% систем освещения в России неэффективны. Цены на электроэнергию продолжают расти: ожидается, что в ближайшие два года в Томской области рост составит от 15 до 20% [2]. Очевидным решением данного вопроса может стать полный переход на светодиодное освещение, что позволит экономить в России ежегодно более 140 млрд. руб., при этом период окупаемости инвестиций составит всего 8 месяцев [3,4]. Полный переход на светодиодное освещение в России позволит сократить потребление электроэнергии на 53,2 ТВт в год, расходы электроэнергии на освещение на 46,3 %, выбросы углекислого газа на 16,9 млн. тонн в год, что эквивалентно выбросам от 4,2 млн. автомобилей. Не смотря на обилие предлагаемых светодиодных светильников, в большинстве случаев светотехническими они не обладают характеристиками и заявленными не производителями обеспечивают нормируемые показатели. В настоящее время световая отдача светодиодов достигла высоких значений (160 и более лм/Вт), однако при этом в некоторых световых приборах на 5 их основе относительно не высокие КПД (<80%) [5]. Низкий КПД связан с неправильным выбором режимов работы светодиодов, большими потерями в оптической системе. Светораспределение таких светильников, как правило, не соответствует ГОСТу [6–9]. В связи с этим возникла необходимость исследования работы светодиодного светового прибора и его компонентов, для выявления причин влияющих на снижение его КПД, и установления режимов работы обеспечивающих его высокую энергоэффективность. Работа соответствует: – приоритетному направлению развития науки, технологий и техники Российской Федерации («Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика») и Перечню критических технологий Российской Федерации («Технологии создания электронной компонентной базы и энергоэффективных световых устройств»); – технологической платформе «Развитие российских светодиодных технологий». Целью работы является исследование режимов работы светодиодного светового прибора и его компонентов, изучение температурных полей, создаваемых светодиодами в световом приборе, и влияние их на энергоэффективность. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: – исследовать влияние температуры p-n перехода светодиодов на их излучательные свойства; – изучить влияние температуры люминофора светодиодов на его люминесцентные свойства и потери светового потока связанные с нагревом; – исследовать влияние величины тока питающего светодиоды, на энергоэффективность светового прибора; – исследовать температурные поля световых приборов, в зависимости от режимов работы светодиодов; 6 – исследовать влияние конструкции корпуса светового прибора на его температурное поле; – изучить влияние оптической системы светового прибора на световые потери. – апробировать найденные в результате исследований решения на готовом световом приборе Научная новизна 1. Предложены экспериментальные методики и проведены комплексные исследования светодиодов фирмы Cree, в которых установлена степень влияния температуры p-n перехода, температуры люминофора, величины питающего тока на светотехнические характеристики светодиодов. На основе чего определены режимы питания светодиодов, обеспечивающие наилучшие технико-экономические показатели светового прибора. 2. Разработана и обоснована методика расчета распределения температурных полей светодиодных световых приборов с конвективным отводом тепла, позволяющая определять значения температуры p-n перехода светодиодов, и тем самым рассчитывать габаритные размеры корпуса, отличающаяся от известных методик расчета, вычислением теоретической световой эффективности, для конкретного светодиода, позволяющая более точно рассчитывать температуру p-n перехода. 3. На основе использования теоретической световой эффективности светодиодов получено аналитическое выражение для инженерного расчета габаритных размеров корпуса светодиодного светового прибора, с точностью 5%. Полученное выражение достаточно простое и может быть использовано при разработке корпусов световых приборов, не прибегая к сложным расчетам на компьютере. Практическая светодиодный значимость. светильник Разработанный модульного типа внедрен энергоэффективный в производство и выпускается предприятием ООО «Технологии Сибири». Этими световыми 7 приборами освещаются спортивные площадки, спортивные залы и улицы в Томске, Чажемто, Кемерово, Новосибирске и др. городах России. Материалы использованы в образовательном процессе (курсы «Основы светотехники», «Проектирование оптических приборов») направления «Оптотехника». Разработанные методики оценки влияния температуры p-n перехода и люминофора на световой поток светодиода, а также методика оценки влияния силы тока на световую отдачу светодиода, используются при проектировании корпусов световых приборов для ООО «Технологии Сибири». Результаты получены при выполнении проекта, поддержанного грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 16.516.11.6100 от 08.07.2011 «Разработка научно-технических основ повышения надежности и долговечности светодиодных световых приборов повышенной мощности для увеличения освещенности» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2013 годы». Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России: государственное задание в сфере научной деятельности № 8.2500.2014/К. Достоверность полученных результатов приведенных в диссертационной работе определяется: применением современных методов исследования, проведением измерений в соответствии с ГОСТ Р 54350-2011 совпадением тепловых расчетов корпуса светильника с экспериментальными значениями; разработанные теоретические положения и новые технические решения защищены патентами на полезные модели, а также подтверждены практически; экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проведены на экспериментальной базе Национального исследовательского Томского политехнического университета; 8 Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Методика расчета температуры p-n перехода светодиодов в световом приборе, необходимая для определения их режимов работы и габаритных размеров корпуса, основанная на определении температурных полей светового прибора. Методика не требует построения сложной модели p-n перехода светодиода, и позволяет быстро, не теряя точности оценивать температуру p-n перехода для создания эффективного теплоотвода. 2. Аналитическое выражение для расчета габаритных размеров светодиодных световых приборов с конвективным охлаждением корпуса. 3. Результаты исследований эффективности применяемых светодиодов в зависимости от режимов работы, в которых показано, что характеристики заявляемые производителями отличаются от реально измеряемых. Установлено, что в световых приборах, сила тока питающего исследуемые светодиоды, не должна быть более 700 мА, а температура p-n перехода не должна превышать 100°С. 4. Исследования температурных полей и полученное аналитическое выражение, позволяющие создавать энергоэффективные светодиодные световые приборы модульного типа с КПД 90% и осуществлять их производство с разными мощностями от 40 до 240 и более Вт без изменения комплектующих изделий. Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в постановке задач исследования, планировании и проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов. Обсуждение поставленных задач, методов решений и результатов исследований проводилось с научным руководителем и соавторами, указанными в опубликованных работах. Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах в Институте физики высоких технологий Национального исследовательского Томского политехнического университета (Томск), а также на конференциях: XI Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск 2013г.), XII Всероссийская научно- 9 техническая конференция с международным участием «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2015), международная научно-практическая конференция «Зеленая экономика – будущее человечества» (Усть-Каменогорск, 2014). Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 2 работы опубликованы в материалах всероссийских и международных конференций, 2 патента на полезную модель. Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 104 наименования. Работа изложена на 128 страницах, содержит 24 таблицы, 73 рисунка и 5 приложений. 10 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТОВЫХ ПРИБОРОВ Сферы применения светодиодов за последние годы существенно расширились. Если до недавнего времени светодиоды ассоциировались в основном с индикацией в электронных приборах, то сейчас они находят широкое применение в транспорте (светофоры, дорожные знаки, индикация в салонах), а также в автомобильной промышленности, где уже используются светодиоды в габаритных фонарях, головном освещении и сигналах торможения. Прогресс в разработке мощных светодиодов, позволил светодиодам попасть в сферу интересов светотехники, и в скором времени светодиоды полностью вытеснят устаревшие источники света [10]. Примером применения светодиодных изделий может быть освещение коридоров и подъездов в домах с датчиками звука и движения, освещение заводов и рабочих мест на предприятиях, дорожное освещение, освещение складов и хранилищ, освещение витрин в магазинах. Зависимость параметров светодиодов от температуры окружающей среды — предмет изучения многих научных статей, в которых рассматриваются электрические, энергетические и колориметрические характеристики светодиодов, их физический смысл, связи и природа возникновения (см. например, [11–19,]). При увеличении температуры кристалла резко снижается время жизни светодиода, поэтому вопрос об охлаждении светодиодов достаточно актуален [20–28]. Отвод выделяемого кристаллодержатель, паяное светодиодом соединение, тепла печатную происходит плату, через изолирующую теплопроводную прокладку или теплопроводную пасту, корпус-радиатор во внешнюю среду. Такое множество переходных сопротивлений на пути «светодиод — окружающая среда» является основным недостатком конструкций светодиодных светильников [29–31]. Все разработчики световых приборов стараются по мере возможности минимизировать все эти сопротивления [32–35]. Печатная плата 11 изготавливается из материала, представляющего комбинацию из пластины алюминиевого сплава с нанесенным на нее тонким слоем диэлектрика (от 20 до 100 мкм) с теплопроводностью от (2 до 4 Вт/м∙К) и медной фольги [36]. Не маловажную роль играет тепловое сопротивление самого светодиода. Применение керамических корпусов позволили снизить тепловое сопротивление светодиодов с кристаллом размером 1×1 мм2 до 10–17 К/Вт. Тем не менее, это довольно большая величина для применений, которую надо бы уменьшить хотя бы вдвое. В связи с этим сегодня используются корпуса, кристаллодержатель которых, изготовлен из меди. Тепловое сопротивление таких корпусов для кристаллов размером 1×1 мм2 составляет не более 5 К/Вт. Наиболее узким местом является применение изоляционных прокладок или теплопроводных паст между корпусом-радиатором и печатной платой, которые необходимы для заполнения пустот, возникающих из-за шероховатости поверхностей соединения. Основная масса полупроводниковых светильников разрабатывается с применением ребристых радиаторов, расчет которых проводится по известным законам конвективно-лучевого теплообмена [37–46]. При всей своей простоте и наглядности такой подход оправдывает себя только с точки зрения инженерной практики. Давая довольно простые и реальные решения по выбору или разработке конструкции радиатора, такая модель не дает четкого понимания о том, как проходят конвективные потоки, где возникают воздушные пробки, каким образом влияет теплопроводность используемых материалов на растекание теплового потока и пр. Серьезным недостатком светодиодных светильников является большая масса и площадь радиатора. Для уменьшения площади радиатора используют принудительные методы снижения температуры светодиодов. Обычно активное охлаждение разделяют на несколько категорий: –жидкостное охлаждение. Этот метод используют для охлаждения светодиодных светильников мощностью в сотни Ватт; –воздушное принудительное 12 охлаждение. Этот метод применяют для светильников мощностью 20 – 60 Ватт, а также в помещениях с повышенной температурой воздуха. Вне зависимости от того, какой охлаждающий элемент используется в схеме активного охлаждения, в систему управления обычно входит датчик температуры, а также схема, включающая микроконтроллер и управляющая степенью охлаждения. 1.1. Активное воздушное охлаждение На рис. 1.1 показана структурная схема системы активного охлаждения светодиодов. Источник постоянного напряжения подключен к светодиоду (или линейке светодиодов), установленных на печатную плату. В рассматриваемом примере печатная плата физически соединена с радиатором для рассеивания тепла, выделяемого светодиодами. К источнику напряжения подключен также элемент активного охлаждения, в данном случае — вентилятор. Для обеспечения зависимости скорости вращения вентилятора от температуры светодиодов в цепь питания включены последовательно терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Рис.1.1. Структурная схема активного охлаждения светильника Термистор должен находиться вблизи нагреваемого элемента — для более точного определения реальной температуры охлаждаемых светодиодов. В 13 рассматриваемом примере в цепь питания вентилятора последовательно включен резистор. Он необходим для ограничения максимальной скорости вращения вентилятора. Однако в некоторых применениях данный резистор не требуется [38]. Принцип действия системы активного охлаждения прост. При увеличении температуры радиатора увеличивается температура термисторов. При этом сопротивление термисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления уменьшается. За счет уменьшения сопротивления в цепи питания охлаждающего вентилятора его скорость увеличивается, что приводит к уменьшению температуры радиатора и, соответственно, термисторов. Активное охлаждение с использованием термисторов с отрицательным температурным сопротивлением имеет одну из самых простых систем обратной связи, поскольку она построена всего на одном электронном компоненте (терморезисторе с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления). Несмотря на все плюсы активного охлаждения, основными недостатками данной системы является ее ограниченность в использовании, применятся воздушные системы охлаждения, могут только в помещении, либо на улице в условиях теплого климата. Следующий недостаток таких систем это их ограниченное время службы, связано это как с возможностью засорения вентилятора, так и с выходом из строя подшипника на котором вращаются лопасти. Главным же недостатком является удорожание стоимости готового продукта, по сравнению со светильниками с пассивным охлаждением светодиодов. 1.2. Активное жидкостное охлаждение При высокой удельной мощности > 200 Вт воздушное охлаждение не справляется со своими функциями, это означает, что необходимо жидкостное охлаждение. Жидкостное охлаждение — это процесс отвода излишнего тепла выделяемого рабочим телом в результате контакта с циркулирующей охлаждающей жидкостью. Основное преимущество данной схемы по сравнению с 14 воздушным охлаждением является способность отводить большее количество тепла при меньших размерах и более низком уровне шума. Система водяного охлаждения справляется с проблемой отвода тепла гораздо тише и эффективнее, чем традиционные вентиляторы. Водяное охлаждение имеет существенное преимущество — увеличенная тепловая эффективность, обеспечиваемая жидкой средой теплопередачи. Традиционная система охлаждения для отвода тепла мощных светодиодных светильников представлена на рис. 1.2. Рис. 1.2. Водяное охлаждение светодиодного светильника Структура традиционной жидкой системы охлаждения (рис. 1.2) включает: помпу, теплообменник, радиатор, вентилятор, резервуар и соединяющие все эти части, гибкие шланги [40]. При использовании традиционной водяной охлаждающей системы существуют несколько ограничений применения. Стоимость оборудования традиционной системы жидкого охлаждения может привести к 10–кратному увеличению затрат по сравнению с обычным воздушным охлаждением. В процессе работы все вышеупомянутые компоненты должны быть связаны друг с другом шлангами, приводя, как минимум, к 8–ми соединительным узлам. Это 15 означает, что охлаждающаяся жидкость имеет минимум 8 различных мест возможной утечки, не говоря уже об утечке непосредственно в шланге. Также недостатком может являться громоздкость данной системы охлаждения. Использовать системы жидкого охлаждения можно в условиях повышенной температуры окружающей среды при этом она должна находиться в помещении для защиты от окружающей среды, что тоже сужает варианты применения данной системы. Таким образом, стоимость системы вместе с высоким риском отказа из-за утечек и громоздкости препятствующими системы являются распространению существенными технологии факторами, традиционного жидкого охлаждения. 1.3. Пассивное охлаждение Пассивное охлаждение – наиболее распространенный тип охлаждения, используемый охлаждение в при изготовлении конечном итоге высокотеплопроводного светодиодных определяет материала. светильников. радиатор, Теплопроводность Пассивное изготовленный меди из составляет 390 Вт/(м·К), что считается приемлемым значением, но у этого материала два существенных недостатка по сравнению с алюминием — удельный вес меди приблизительно в три раза выше, чем у алюминия, а цена алюминия в пять раз ниже. Алюминий, теплопроводность которого сравнительно невысока и составляет 236 Вт/(м·К), обладает малым удельным весом и стоимостью, что очень важно для многих приложений твердотельного освещения. Радиатор светильника предназначен для удаления и рассеивания тепла от источника света в окружающую среду на максимально удаленное расстояние от электронного устройства. Такое охлаждение основывается на естественной конвекции воздуха. Основная характеристика пассивного радиатора – общая площадь его поверхности. Чем больше площадь, тем эффективнее отвод тепла. Основание радиатора должно быть гладким, для хорошего контакта с печатной платой иначе теплопередача будет нарушена. 16 Известны, например, конструкции корпусов, которые используются при разработке светильников с люминесцентными или другими газоразрядными лампами. Это так называемые «трофферы», в которых воздух входит в светильник через отверстия, со стороны торца его корпуса проходит вдоль ламп и выходит через отверстия вверху корпуса. Поток воздуха осуществляется за счет разности плотностей воздуха внутри светильника и во внешней среде [41]. Это в некотором роде идея, которую можно воплотить в жизнь для полупроводниковых светильников. Существует несколько методов производства радиаторов. Самые распространенные из них: экструзия, литье, штамповка. Проектирование радиатора может быть довольно сложным занятием, в котором необходимо учитывать габаритные ограничения, стоимость, вес, возможность серийного производства. Штампованные радиаторы. Штампованные радиаторы представляют собой основание, перпендикулярно к которому и параллельно друг другу расположены множество пластин, (рис. 1.3). Штамповка является наиболее эффективным методом для формирования сложных форм, а также обладает определенными преимуществами. Основное заключается в том, что процесс происходит под высоким давлением, который управляет структурой зерна, что приводит к увеличению теплопроводности материала радиатора [42]. Рис. 1.3. Штампованный радиатор Процесс штамповки имеет некоторые ограничения к форме и конструкции ребер. Штампованная часть формируется в двух измерениях внутри специального 17 механизма. Для создания сложной формы нет необходимости в дополнительных операциях. Отверстия, фаски, булавки, эллиптические ребра, и т.д. создаются в механизме в одной операции. Штампованные радиаторы имеют несколько важных преимуществ по сравнению с механически обработанными, литыми и экструдированными радиаторами. Повышенная теплопроводность в сочетании с возможностью увеличения площади поверхности без увеличения размера радиатора является уникальным преимуществом. Данный фактор особенно важен в условиях ограниченного пространства и/или где малый вес имеет решающее значение для продукта. Поскольку основной теплоотвод идет с пластин в окружающую среду, желательно чтобы такой радиатор имел воздушное охлаждение. Тем более, что при малых расстояниях между пластинами могут возникать застойные зоны, которые снижают эффективность отвода тепла, не смотря на возможность увеличения общей площади радиатора. Схема с воздушным охлаждением реализована в компьютерных процессорах, рис. 1.4. Рис. 1.4. Радиатор для процессора Применение таких радиаторов, сводится к работе в закрытых помещениях, поскольку на открытом воздухе, контактируя с окружающей средой, пластины достаточно быстро засоряются и радиатор становится малоэффективным при отводе тепла. 18 Также к недостаткам штампованных радиаторов стоит отнести высокую стоимость их оснастки, и ограниченность мощности которую может отвести радиатор. Для светильника другой мощности (скажем более высокой) необходимо будет изготавливать новый штамп, что существенно увеличивает расходы при изготовлении серии светильников разных мощностей. Литые радиаторы. Литые радиаторы изготавливаются методом литья под давлением расплавленного металла в кокиль. Огромным преимуществом литых радиаторов является – минимальная финишная обработка, то есть данным методом можно получить полностью готовый, радиатор-корпус светильника, в котором будут учтены необходимые отверстия, пазы и формы, рис. 1.5 [42]. Радиатор, полученный методом литья под давлением, обладает наименьшей теплопроводностью, чем при изготовлении радиатора методом экструзии или штамповки, так как расплавленный металл охлаждается в матрице, то создается большая пористость. Пористость ослабляет структуру, ингибирует тепловые характеристики. Рис. 1.5. Корпус – радиатор изготовленный литьем под давлением Литые радиаторы также как и штампованные изготавливаются под конкретную рассчитанную мощность светильника. Для производства серии 19 светильников понадобится делать несколько матриц, в результате чего первоначальные затраты возрастают в несколько раз. Радиаторы изготовленные методом экструзии. Прессованные (экструзионные) радиаторы — самые распространенные виды радиаторов на рынке. Экструзия — технология получения изделий путем продавливания вязкого расплава материала или густой пасты через формующее отверстие. Основной материал, используемый для их производства это различные сплавы алюминия. Радиаторы, изготовленные данным методом, могут иметь различный профиль поверхностей ребер и за счет этого достигать требуемых теплоотводящих свойств, рис.1.6. Рис. 1.6. Радиатор полученный методом экструзии Изготовление радиаторов методом экструзии имеет только один существенный недостаток, линейность. Поскольку радиатор вытягивается по одной оси, то отверстия и пазы можно предусмотреть только в этой оси, сбоку и сверху отверстия придется сверлить отдельно в отличие, от производства радиатора методом литья. Дополнительные операции соответственно принесут дополнительные расходы. Однако радиаторы получаемые таким способом, имеют один большой плюс по сравнению с другими видами производства, они могут быть любой длины. Это качество позволяет, имея один профиль, изготавливать светильников разной мощности, изменяя только длину профиля. радиаторы для 20 1.4. Современные светодиодные светильники В настоящее время на рынке имеется огромное количество различных светодиодных светильников. Изготовлением светильников занимаются как большие, именитые фирмы, так и малоизвестные, небольшие компании, покупающие отдельные компоненты светильника и организующие их сборку небольшими объемами. Одной из сфер применения таких светильников является дорожное освещение. Освещение дорог позволяет водителям и пешеходам ориентироваться в текущей дорожной ситуации и должно быть не только ярким в допустимых пределах, но и целенаправленным. Основными требованиями к современному дорожному освещению являются его энергоэффективность, безопасность и удобство технического обслуживания [43]. Светодиодные светильники для уличного и магистрального освещения – оптимальное решение с точки зрения экономии средств и электроэнергии. Современный светодиодный уличный светильник изготавливается из различных деталей: радиатора (корпуса), печатной платы, светодиодов или матриц, линз для формирования кривой силы света или зеркальных отражателей, рассеивателей либо их отсутствие, элементов преобразователя напряжения или стабилизаторов тока (драйверов) разнообразных форм и размеров. Такое большое разнообразие деталей привело к тому, что на рынке светотехники имеется большое количество уличных светодиодных светильников, разных форм, размеров. Рассмотрим наиболее распространенные модели, представленные на сегодняшний день и оценим их с точки зрения соотношения цена качество. Светильник GALAD Волна LED-200-ШО/У Светодиодный светильник предназначенный для освещения: улиц, дорог, площадей, парков, бульваров, коттеджных посёлков, железнодорожных платформ, дворовых территорий, рис. 1.7 [44]. автостоянок, 21 Рис. 1.7. Светильник GALAD Волна LED-200 Первое на что стоит обратить внимание это дизайн светильника, поскольку многие производители уделяет этому параметру мало внимания, считая, что светильник должен в первую очередь светить, а на столбе его рассматривать никто не будет. Однако прежде чем светильник попадет на столб его необходимо продать, и эстетичный внешний вид будет огромным преимуществом перед серым, угловатым светильником. В данном случае светильник фирмы Galad имеет привлекательный дизайн, чему способствует яркий оранжевый цвет и плавность линий корпуса. Также стоит отметить наличие поворотного кронштейна, что позволяет устанавливать светильник под различными углами к поверхности освещения. Конструкция светильника состоит из литого корпуса, выполненного из алюминия, при этом для различных вариантов мощностей используется один размер корпуса, рис. 1.8. С одной стороны использование одного размера корпуса при литье обосновано снижением затрат на оснастку, с другой стороны используя светильник с наименьшей мощностью производителем затрачено материала столько же, сколько и для самого мощного светильника в линейке, а учитывая вес корпуса в 13 кг можно было бы экономить на алюминии. Габаритные размеры светильника достаточно велики для модели 100 Вт, на фоне конкурентов. Такое решение говорит о том, что светильник создавался на потребляемую мощность 200 Вт, а остальные светильники в линейке (100 Вт, 150 Вт) сделаны в том же корпусе, путем уменьшения количества светодиодов. 22 Рис. 1.8. Размеры светильника GALAD Волна LED-200 Драйвер светильника помещен в специальный отсек радиатора светильника и закрыт крышкой. Такое расположение драйвера удачно, с точки зрения отвода тепла и ремонта светильника, поскольку выделяемое драйвером тепло (до 20% от подводимой мощности) отводится по другому каналу, чем тепло от светодиодов, а сам преобразователь напряжения, как наиболее ненадежный элемент светильника, может быть заменен прямо на столбе. Печатная плата со светодиодами установлена на корпусе светильника. На печатной плате располагаются светодиоды, причем группы по бокам имеют вторичную оптику в виде линз, а группа в середине без линз, рис. 1.9. Такое решение позволяет получить широкую диаграмму КСС, и исключить провал освещенности под светильником. Рис. 1.9. Оптика светодиодного светильника GALAD Волна 23 Защитное стекло изготовлено из ударопрочного матированного поликарбоната, его использование снижает световой поток светодиодов на 10%. Основные характеристики данного светильника представлены в таблице 1.1. Как видно из таблицы 1.1, светильник имеет достаточно невысокую световую отдачу 97 лм/Вт, несмотря на то, что в нем используются светодиоды фирмы Cree XM-L2. При токе 350 мА по данным фирмы, эти светодиоды имеют Таблица 1.1. Потребляемая мощность, Вт 200 Световой поток, лм 21250 Световая отдача лм/Вт 97 Ток питания светодиодов, мА 1750 Цветовая передача, Ra 71 Масса, кг 13 Средняя цена, руб. 29000 световую отдачу 160 лм/Вт. В светильнике светодиоды работают при токе 1750 мА при котором максимальная световая отдача светодиода 116 лм/Вт, допустимый максимальный ток 3 А. Учитывая потери в светильнике на стекле и вторичной оптике имеем 97 лм/Вт, то есть потери в оптической части составляют 17%. Светильник Super Street 250 Светодиодный светильник Super Street 250 предназначен для освещения широких автомагистралей, многополосных городских дорог, а также площадей. Светодиодный светильник Super Street 250 имеет привлекательный дизайн, рис. 1.10. Литой корпус светильника выполнен из сплава алюминия. Инновационная система теплоотвода, позволила создать светильник с высоким световым потоком при минимальных габаритах и массе. Корпус обеспечивает оптимальный температурный режим работы светодиодов и электронных компонентов, и, как 24 Рис. 1.10. Светильник Super Street 250 следствие, режим работы в 100 000 часов (22 года) [45]. Светильник Super Street имеет линейку разных мощностей (110, 150, 250, 340 Вт), при этом корпус всех светильников одинаковый, связано это с тем, что оснастка для данного светильника достаточно дорогая, поскольку радиатор имеет сложную трехмерную форму. Благодаря обильному количеству ребер радиатор позволяет отвести тепло от светодиодов и драйвера, общей мощностью 340 Вт. Габаритные размеры светильника небольшие по сравнению со светильником Galad Волна LED 200, рис. 1.11. Рис. 1.11. Габаритные размеры светильника Super Street 250 Производитель (Ledel) утверждает, что корпус Super street полностью исключает образование наледи и сосулек, а специальное пыле- и 25 грязеотталкивающее покрытие защищает светильник от засоров, однако форма радиатора имеет узкие щели, в которых могут застревать листья и др. грязь, забивая воздушные каналы. Охлаждение светильника может значительно снизиться, нарушая тем самых режим работы светодиодов. Драйвер светильника помещен в специальный отсек радиатора светильника и закрыт крышкой, следовательно, тепло, выделяемое драйвером также как и светодиоды, нагревает корпус. Оптическая система светильника представляет собой печатную плату со светодиодами, утопленными в основание корпуса, рис. 1.12. Сверху светодиоды прикрыты линзами для получения необходимой кривой силы света, при этом светильник не имеет защитного стекла. Такое решение позволяет снизить оптические потери и получить высокий КПД оптической системы свыше 93%. Рис. 1.12. Оптическая система светильника Super Street 250 Основные характеристики светильника представлены в таблице 1.2. Таблица 1.2. Потребляемая мощность, Вт 250 Световой поток, лм 25700 Световая отдача лм/Вт 102,8 Ток питания светодиодов, мА 1000 Цветовая передача, Ra 72 Масса, кг 8,6 Средняя цена, руб. 29900 Светодиоды, применяемые в светильнике, производит фирма Oslon Square. При токе 1000 мА, на котором работают светодиоды, один светодиод потребляет 26 до 3.05 Вт электрической мощности. Поскольку производитель умолчал о световой отдаче, рассчитаем ее сами. Поделим световой поток светильника на потребляемую мощность от светодиодов, в результате получим световую отдачу 102 лм/Вт, что для современного светильника считается не очень много. Учитывая все вышесказанное и стоимость светильника около 30000 рублей, данный светильник является достаточно хорошим решением, однако если сравнивать с предыдущим светильником Galad Волна LED 200, то данный светильник имеет одинаковую цену и количество светового потока, однако потребляет данный светильник на 50 Вт больше, что говорит о меньшей энергоэффективности. Светильник УСС Эксперт 200 Светодиодный светильник магистральный УСС 200 Эксперт фирмы «ФОКУС», применяется для подсветки дорог и магистралей категории «А», мостов, тоннелей и трасс общего пользования [46]. Рис. 1.13. Светодиодный светильник УСС Эксперт 200 Корпус светильника, в отличие от рассмотренных выше, представляет собой экструзионный профиль треугольной формы. Такой метод производства радиатора, позволяет иметь линейку светильников разной мощности (100, 130, 200, 260 Вт), изменяя при этом длину светильника. В свою очередь от длины зависит количество алюминия используемого для изготовления радиатора, что напрямую влияет на цену готового светильника. В отличие от литого корпуса, использование экструзионного корпуса является более рациональным и менее затратным. 27 Габаритные размеры светильника достаточно большие, в длину светильник составляет почти 1 метр и 26 см в ширину, это означает, что светильник будет испытывать большие ветровые нагрузки, рис. 1.14, к тому же смотрится данная конструкция на столбе очень громоздко. Однако при достаточно больших габаритах светильник получился не очень тяжелым не более 11 кг. Рис. 1.14. Габариты светодиодного светильника УСС Эксперт 200 Большим плюсом по сравнению со светильниками фирмы Galad и Ledel, является универсальность крепления данного светильника, он может крепиться как на консоли к столбу, так и на подвесах или скобах. Поворотного кронштейна в конструкции не предусмотрено. Оптическая система светильника представляет собой печатную плату со светодиодами, светодиоды накрыты линзовой системой LIQUOS, в которой линзы совмещены в монолинзу рис. 1.15 [46]. Светильник оснащен светодиодами фирмы Cree, которая является одним из лидеров по производству светодиодов. В данном светильнике также отсутствует защитное стекло, что позволяет избежать оптических потерь порядка 10%, однако использование монолинзы, также как и обычной вторичной оптики приводит к оптическим потерям около 8–10%. 28 Рис. 1.15. Оптическая система светильника УСС Эксперт 200 Основные характеристики светильника представлены в таблице 1.3. Таблица 1.3. Потребляемая мощность, Вт 200 Световой поток, лм 26000 Световая отдача лм/Вт 130 Ток питания светодиодов, мА 1200 Цветовая передача, Ra 75 Масса, кг 10,8 Средняя цена, руб. 49700 Оценивая характеристики данного светильника можно отметить высокую световую отдачу, причем светодиоды работают при токе питания 1200 мА, у обычных мощных светодиодов при токе >1000 мА, световая отдача составляет около 105 лм/Вт, однако в данном светильнике установлены светодиоды марки Cree XM-L2 [47]. Серия XM-L2 имеет множество бинов светодиодов распределенных по эффективности, в данном случае, скорее всего, установлены XM-L2 T6, которые имеют световую отдачу 139 лм/Вт. При этом средняя стоимость 1-го такого светодиода составляет около 280 руб./шт. что достаточно дорого. В результате этого – высокая стоимость данного светильника порядка 50 000 руб. что в 1,7 раз дороже светильников описанных выше. Такая высокая 29 стоимость перечеркивает все достоинства данного светильника, при том, что почти по всем характеристикам светильник идентичен светильникам фирм Galad и Ledel. Светильник светодиодный DIORA-180 street Уличный светодиодный светильник Диора 180 street-2 (арт. D180S-Ш) предназначен для освещения улиц, дорог класса А-Б, площадей, а также незаменим в местах, где требуется экономия электроэнергии и очень высокая надежность и является прямой заменой светильников с лампами ДРЛ 400/ДНаТ 400. Данный уличный светодиодный светильник также может использоваться в качестве встраиваемого светильника на автозаправочных станциях (светильник для АЗС), в комплектации с поворотной лирой - в качестве светодиодного прожектора, а также в качестве промышленного светильника для освещения складов, промышленных цехов [6]. Корпус изготовлен из сплава алюминия с анодированным защитным покрытием. Метод изготовления профиля светильника – экструзия. Благодаря такому корпусу светильник может иметь различную мощность (60, 90, 120 и 180 Вт) за счет изменения длины корпуса. Дизайн светильника достаточно прост, поскольку корпус-радиатор представляет собой пластину, на которой имеется некоторое количество ребер, рис. 1.16. Габаритные размеры светильника не очень большие, рис. 1.17. Оптическая система светильника представляет собой две печатные платы со светодиодами расположенными на основании радиатора, рис. 1.18. Светодиоды прикрыты линзами для формирования кривой силы света. Линзы закрыты защитным стеклом. Стекло изготовлено из стабилизированного оптического поликарбоната. Использование линзовой оптики в совокупности с защитным стеклом приводит к потерям светового потока около 15–20%. Светильник имеет 80 светодиодов фирмы Cree. Из наиболее важных характеристик производитель указывает только мощность светильника 170 Вт и световой поток 17000 лм. 30 Рис. 1.16. Светильник светодиодный DIORA-180 street Рис. 1.17. Габаритные размеры светильника DIORA-180 street Рис. 1.18. Оптическая система светильника DIORA-180 street 31 Рассчитаем приблизительную мощность одного светодиода, получается около 2,1 Вт. Такое значение соответствует току питания 700 мА. Световая отдача данного светильника около 100 лм/Вт, что для современного светильника средний показатель. В результате анализа представленных производителем данных [6], получаем основные характеристики светильника, которые представлены в таблице 1.4. Таблица 1.4. Потребляемая мощность, Вт 170 Световой поток, лм 17000 Световая отдача лм/Вт 100 Ток питания светодиодов, мА 700 Цветовая передача, Ra 80 Масса, кг 6 Средняя цена, руб. 22900 Таким образом, светильник DIORA-180 street не выделяется какими-либо характеристиками на фоне других конкурентов. Если добавить в него еще 5000 лм, светильник будет стоить около 28000 рублей, однако в плане дизайна и энергоэффективности светильник уступает моделям рассмотренным выше. Также настораживает тот факт, что производитель не указывает важные характеристики светильника, а именно марку светодиодов, ток питания, световую отдачу, все это вызывает вопросы к производителю. Светильник светодиодный AtomSvet Road 220 Светильник AtomSvet Road 220 предназначен для освещения шоссе, магистральных улиц и дорог общегородского и районного значения (категории А, Б и В), могут использоваться для освещения дворов, парков, пешеходных дорожек, остановок общественного транспорта и др. 32 При внешней оценке светильника, первое, на что следует обратить внимание – это большие габаритные размеры и неприметный дизайн. Корпус светильника изготовлен методом литья под давлением из алюминия, рис. 1.19. Рис. 1.19. Светильник светодиодный AtomSvet Road 200 Светильник Road 220 состоит из корпуса, 4–х оптических модулей со светодиодами и вынесенным в отдельное пространство корпуса драйвером. Оптическая система представляет собой печатную плату квадратной формы, рис. 1.20, на которой размещено 25 светодиодов фирмы Nichia со световой отдачей не менее 150 лм/Вт, [48]. Оптическая система светильника включает в себя 100 светодиодов питающихся током 700 мА, при этом один светодиод выдает около 220–240 лм, тогда суммарный поток соответствует заявленному производителем 22000 лм, учитывая потери на вторичной оптике около 10 %. Рис. 1.20. Оптическая система светильника AtomSvet Road 220 Однако стоит подвергнуть сомнению световую отдачу в 150 лм/Вт, поскольку светодиод при токе 0,7 А не может давать такого результата. 33 Рассчитаем примерную световую отдачу светильника. Разделим световой поток светильника, на мощность, идущую на питание светодиодов. В данном случае имеем 22000 лм светового потока и около 210 Вт мощности потребляемой светодиодами, получаем реальную световую отдачу около 105 лм/Вт. Как было сказано выше габаритные размеры светильника достаточно большие, рис. 1.21, при этом вес составляет 14 кг, что является средним показателем. Рис. 1.21. Габаритные размеры светильника AtomSvet Road 220 Характеристики светильника представлены в таблице 1.5. Таким образом, светильник AtomSvet Road 220 по своим характеристикам очень схож с другими рассмотренными моделями, незначительные отличия лишь в марке светодиодов, из недостатков стоит отметить большие размеры. Таблица 1.5. Потребляемая мощность, Вт 220 Световой поток, лм 22000 Световая отдача лм/Вт 105 Ток питания светодиодов, мА 700 Цветовая передача, Ra >80 Масса, кг 14 Средняя цена, руб. 29000 Рынок уличных светодиодных светильников только начинает развиваться, поэтому еще не определены наиболее подходящие для повсеместного применения 34 решения в их дизайне. На сегодняшний день появилось множество вариантов их исполнения, большое количество различных конструкций, но время еще не показало все их преимущества и недостатки. Преобладают простые прямоугольные формы, часто обусловленные повсеместным применением радиаторов, изготовленных методом экструзии или литья под давлением. Особенно это заметно на примере российского рынка светодиодных светильников. Намечается тенденция сделать светильник модульным. Это позволяет выпускать светильники, как малой, так и большой мощности просто меняя количество модулей в сборке. Отвод тепла от кристалла светодиода происходит за счёт распайки светодиодов на печатную плату с алюминиевым основанием и изолирующим диэлектрическим слоем, с высокой теплопроводностью (свыше 1 Вт/(м·К)). Тепло от светодиодов распределяется по всей площади алюминиевого основания платы и далее, передаётся на корпус светильника, при этом эффективность теплопередачи прямо пропорциональна площади платы. Плата должна плотно прилегать к поверхности радиатора-корпуса, например, по периметру жёстко скреплена с корпусом шурупами. На поверхности корпуса могут находиться рёбра, рассевающие тепло конвекцией и излучением. При этом высота рёбер и частота их следования (малая высота рёбер и большое расстояние между соседними рёбрами) должны быть подобраны для максимального уровня конвекции без принудительного обдува. Массивный игольчато-ребристый радиатор светодиодному светильнику вовсе необязателен. Светодиоды не должены выходить за границы допустимого температурного диапазона, а для этого радиатор должен иметь достаточную обтянутую площадь. Радиатор может быть легким и иметь простую форму. А если плотность выделения мощности невелика, радиатор и вовсе необязателен светодиодный модуль сможет работать и на печатной плате и даже в пластиковом корпусе. Развитая площадь радиатора полезна только при наличии принудительной вентиляции. Образ сложного ребристого радиатора для охлаждения 35 компьютерного процессора не должен воодушевлять на создание радиатора светодиодного светильника без вентилятора. Экономические особенности массового производства вынуждают критически относиться к заведомо избыточным радиаторам и искать решения с максимальной теплорассеивающей способностью на один килограмм веса и рубль стоимости. Светодиодная светотехника имеет широкие перспективы, поскольку способна решить не только проблемы энергоэфективности, но, главное, создать принципиально новую световую среду, которая по комфортности, эстетике, многообразию возможных решений, намного выше существующей. В уличном освещении светодиодные осветительные приборы заменят существующие для освещения улиц, площадей, тротуаров и т.д. В настоящее время световые приборы на светодиодной базе в основном разрабатываются для замены существующих решений с лампами накаливания и с газоразрядными лампами. В большинстве своем имеющаяся в литературе и на сайтах производителей информация о светодиодах и светотехнических изделиях носит в основном рекламный характер. Заявляемые технические характеристики часто недостаточно обоснованы или представляются в виде недостаточном для заключения специалистов, но в достаточном, для неподготовленных потребителей. Например, световая отдача приводится для начального периода включения прибора, которая на четверть выше стационарной, также неправильный выбор режимов работы светодиодов является причиной низкой световой отдачи и перегрева самих светодиодов, что сокращает продолжительность их работы [49]. 36 1.5. Выводы по главе 1 Представленная в предлагаемом обзоре информация позволяет сделать следующие выводы. 1. Исследование режимов работы светодиодного светового прибора и его компонентов является актуальной задачей, в связи с широким применением светодиодных светильников, как наиболее энергоэффективных световых приборов. 2. Основным фактором, ограничивающим заметное повышение световой отдачи светодиода или светового прибора, является нагрев излучателя и, как следствие, снижение световой отдачи. Нужен комплексный подход к разрешению этой проблемы. Тепло нужно отводить от излучающего кристалла, светодиода, светового прибора с системой светодиодов в целом. Отвод тепла от прибора можно обеспечить путем выбора оптимальных конструктивных решений, поэтому необходимо провести исследования влияния конструкции светового прибора на его температурное поле. 3. Мощность светодиодов, световой поток и световая отдача постоянно увеличиваются, при этом размер светодиодов остается прежним, что еще больше усложняет процесс отвода большого количество тепла, с малой поверхности светодиода. 4. Для создания энергоэффективного освещения необходимо обеспечивать правильный режим работы светодиодов, а именно организовывать хороший теплоотвод, при котором светодиод не будет перегреваться. Организация хорошего теплоотвода в мощных светодиодных светильниках является главной проблемой при проектировании мощного светодиодного светильника, над изучением которой работают многие конструкторские бюро и производители светодиодной техники. 5. Светодиодные световые приборы могут быть изготовлены любой мощности. Очевидно, разумным представляется модульное исполнение световых приборов, что позволит получать нужный световой поток путем сборки стандартных 37 излучающих модулей в конструкции приборов разного дизайна и разной мощности. 6. Не существует единой методики, которая позволила бы производителям светодиодных светильников под заданную мощность светильника получить необходимый корпус светового прибора. Таким образом, основной целью настоящей работы является: исследование режимов работы светодиодного светового прибора и его компонентов, изучение температурных полей, создаваемых светодиодами в световом приборе, и влияние их на светотехнические характеристики светодиодов. Для достижения данной цели необходимо: – исследовать влияние режимов работы светодиодов на энергоэффективность светового прибора; – исследовать влияние конструкции светового прибора на его температурное поле; – исследовать температурные поля световых приборов, на основе которых получить аналитическое выражение, позволяющее проводить оценку габаритных размеров корпуса светового прибора. 38 2. МЕТОДИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В светодиодном светильнике световой поток и световая отдача зависят от режимов работы светодиодов. [50]. Значения данных параметров определяют энергоэффективность светодиодного светильника [41, 51]. Обычно производители светодиодов в паспортных данных приводят зависимость относительного светового потока от температуры при конкретном заданном токе, и отдельно приводится зависимость от величины питающего светодиоды тока при фиксированной температуре p-n перехода. Однако каждый из таких параметров как: температура p-n перехода, плотность протекающего через p-n переход тока, а так же температура люминофора, по-разному оказывают свое влияние на световой поток светильника. Для исследования влияния параметров работы светодиода (независимо друг от друга), на его световой поток, были разработаны специальные методики: 1. Методика для изучения зависимости светового потока от температуры p-n перехода, которая основана на измерении светового потока светодиода при его работе в импульсном режиме с однократным импульсом 500 мкс (для исключения явления саморазогрева светодиода), измерения светового потока проводились в диапазоне температур от комнатной 27 °С до 160 °С с шагом в 10 °С. Сила тока светодиода регулировалась от 200 мА до 1000 мА с шагом 100 мА. 2. Методика измерения зависимости спектральных характеристик светодиода при различных температурах печатной платы светодиода и при различной силе тока протекающей через p-n переход; 3. Методика измерения фотолюминесценции люминофора светодиода при изменении его температуры. Комплексный подход, позволил исследовать влияние температуры p-n перехода, температуры люминофора, силы тока, независимо друг от друга, на работу светодиодов в световом приборе и на основе этого определить оптимальные режимы работы светодиодов. 39 2.1. Методика и результаты измерений световой отдачи светодиода при питании импульсным током при различных температурах При проведении измерений световой отдачи светодиода рис. 2.1, необходимо оценить степень влияния температуры p-n перехода светодиода, и плотности тока на световой поток, при импульсном питании. При выполнении измерений соблюдались следующие условия: Рис. 2.1. Блок схема установки для измерения световых характеристик светодиода Исследуемый источник света – светодиод 1 помещался в термостат с оптическим окном 2. От источника питания 3 на светодиод подавались одиночные импульсы 500 мкс. Излучение светодиода 1 через оптическое окно термостата 2 и через комплект нейтральных фильтров 4 попадало на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 5. Сигнал от ФЭУ попадал в осциллограф 6, где выдавались значения интенсивности излучения в вольтах. Измерения светового потока проводились в диапазоне температур от комнатной 27 °С до 160 °С с шагом в 10 °С. Температура регулировалась термостатом, а ее значения фиксировались измерителем температуры 7. Кроме температуры регулировалась сила тока светодиода от 200 мА до 1000 мА с шагом 100 мА. Поскольку источник питания 3 (генератор импульсов Г5-54) не позволял получить силу тока на светодиоде более 350 мА, то дополнительно использовался усилитель, который позволял получать ток до 1 А. При нагреве светодиода, значительно снижается прямое падение напряжения на нем, а соответственно, увеличивается ток потребляемый светодиодом согласно 40 вольт-амперным характеристикам. Рост тока потребляемого светодиодом ведет к еще большему нагреву светодиода и т.д. В конце этого "лавинного нагрева" светодиод или перегорает или полностью деградирует [41]. Для того чтобы оценить при какой длительности импульса напряжение будет расти, была измерена зависимость светового потока светодиода при длительности импульса 10 мкс, 100 мкс, 500 мкс, 1 с. При длительности импульса 10 мкс, сигнал получался с длинными фронтами, отчего вместо прямоугольного импульса получалась “парабола”. При длительности импульса 10 мкс сигнал был искажен. При длительности импульса 500 мкс, сигнал имел короткие фронты <1 мкс, также при такой длительности импульса отсутствовал эффект саморазогрева светодиода рис. 2.2. Напряжение, В 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 200 400 600 800 1000 Время, мкс Рис. 2.2. Изменение напряжения на светодиоде от времени при температуре p-n перехода 85 °С, и токе 350 мА Анализируя зависимость, можно сделать вывод о неизменности температуры p-n перехода во время импульса, поскольку напряжение в импульсе не изменяется, следовательно, и температура p-n перехода не меняется. Зависимость, представленная на рис. 2.2 сохраняется для всех диапазонов измеряемых температур и токов, при длительности импульса в 500 мкс. На рис. 2.3 представлена зависимость напряжения светодиода от времени, откуда видно, что при увеличении длительности импульса до 1 с, напряжение светодиода падает, что говорит о явлении саморазогрева p-n перехода. Напряжение, В 41 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00 Время, мс Рис. 2.3. Изменение напряжения на светодиоде от времени при температуре p-n перехода 85 °С, и токе 700 мА Поэтому была выбрана расчетная длительность импульса 500 мкс. Обработка результатов измерений светового потока светодиода Для оценки степени влияния температуры p-n перехода на световой поток светодиода, были измерены значения светового потока светодиода в импульсе, при различных значениях температур и токов [52]. На рис. 2.4 представлена зависимость интенсивности излучения светодиода в импульсе, при различной температуре p-n перехода. Световой поток. отн. ед. 3 2,5 2 200мА 350 мА 1,5 500мА 1 600мА 700 мА 0,5 1000мА 0 0 25 50 75 100 125 150 175 Температура p-n перехода, °С Рис. 2.4. Зависимость светового потока от температуры p-n перехода при токах от 200 мА до 1000 мА На рис. 2.5 представлена зависимость светового потока светодиода в импульсе, от величины силы тока, при температуре p-n перехода 85 °С. Световой поток. отн. ед. 42 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 200 400 600 800 1000 Сила тока, мА Рис. 2.5. График зависимости светового потока от силы тока при температуре p-n перехода 85 °С В таблице 2.1 представлены результаты, изображенные на рис. 2.4, и по ним рассчитаны, на сколько процентов падает световой поток для всех токов с изменением температуры p-n перехода. Таблица 2.1. Значения светового потока светодиода при температуре p-n перехода 27 °С, 100 °С, 160 °С и токах от 0,2 А до 1 А Ф27, Ф100, Ф160, отн. ед. отн. ед. 200 0,78 350 отн. ед. Снижении светового потока при 100 °С (относительно 27 °С) Снижении светового потока при 160 °С (относительно 27 °С) 0,76 0,74 2,56% 5,12% 2,24 2,13 1,87 4,91% 16,5% 500 2,83 2,63 2,34 7,06% 17,3% 600 2,6 2,43 2,13 6,53% 18% 700 2,37 2,21 1,96 6,75% 17,3% 1000 1,13 1,08 1,01 4,42% 10,6% I, мА По таблице 2.1 можно сделать следующий вывод, если в работе светодиода учитывать непосредственно температуру p-n перехода, то ее рост от комнатной 27 °С до рабочей 100 °С, приводит к снижению светового потока в среднем на 6% 43 для всех измеренных токов за исключением 200 мА, поскольку замечено, что на данном токе с ростом температуры относительный световой поток изменяется незначительно. При росте температуры p-n перехода от комнатной 27 °С до 160 °С, то есть когда светодиод сильно перегрет, значения светового потока снижаются в среднем на 17%. Из этого следует что, для получения энергоэффективного светильника следует разрабатывать теплоотвод таким образом, чтобы при эксплуатации его в жарком климате, температура p-n перехода не превышала значения 100 °С, поскольку при этом потери от тепла минимальны. Анализируя рис. 2.5 можно сделать вывод о том, что при питании импульсным током световой поток зависит в основном от силы тока питающего светодиод. Для расчета потребляемой светодиодом мощности, используются значения напряжения на светодиоде, которые также регистрируются осциллографом при различных значениях тока. Получив значения потребляемой мощности светодиода, можно вычислить световую отдачу светодиода в импульсе. На рис. 2.6 представлен график зависимости световой отдачи от температуры Световая отдача, отн. ед./Вт p-n перехода при питании светодиода импульсным током. 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Температура p-n перехода, °С 200 мА 350мА 500мА 600мА 700мА 1000мА Рис. 2.6. Зависимость световой отдачи от температуры p-n перехода при разных токах 44 Зависимость световой отдачи светодиода в импульсе от силы питающего его тока при температурах p-n перехода 27 °С, 100 °С, 160 °С, представлена на рис. 2.7. Световая отдача, отн. ед. 2,5 2 1,5 27°C 100°C 1 160°C 0,5 0 0 200 400 600 800 1000 Сила тока, мА Рис. 2.7. Зависимость световой отдачи от силы тока при различной температуре p-n перехода Анализируя зависимость световой отдачи светодиода от температуры p-n перехода, рис. 2.6, можно сделать вывод, что световая отдача зависит исключительно от силы тока питающего светодиод. От 200 мА до 350 мА световая отдача растет, после 350 мА снижается. При токе 200 мА значение световой отдачи светодиода практически совпадает со значениями при токе 600 мА, при этом значение светового потока при токе 600 мА в 3,25 раза выше, чем при 200 мА (рис. 2.5). При изменении температуры p-n перехода от 27 °С до 100 °С, световая отдача практически не изменяется, рис. 2.7. Если нагреть p-n переход до температуры 160 °С, световая отдача светодиода снизится в среднем на 8%. 45 2.2. Методика и результаты измерений спектральных характеристик светодиода при его питании постоянным током Методика измерения спектральных характеристик излучения светодиода и светотехнических изделий устанавливает процедуру (порядок) проведения измерений спектрального распределения энергии электрических источников света, светоизлучающих диодов в диапазоне длин волн от 250 до 1100 нм. Измерение спектральных характеристик светодиода производилось по схеме, показанной на рис. 2.8. Рис. 2.8. Блок схема установки для измерения спектральных характеристик светодиода Исследуемый источник света – светодиод 1 помещался в светонепроницаемый кожух 2, вместе со спектрофотометром 3. На светодиод от источника питания 4, подавался ток. Температура подложки светодиода регистрировалась термопарой 5. Кривые спектрального распределения выводились на компьютер 6. Подаваемый на светодиод ток, изменяли в диапазоне от 200 мА до 1 А. Фиксирование результатов, осуществлялось следующим образом: На источнике питания выставлялось необходимое значение силы тока, и после подачи питания регистрировались – температура подложки светодиода, спектральное распределение интенсивности излучения, напряжение на светодиоде. Выбранное значение силы тока регистрировалось до тех пор, пока температура подложки светодиода и напряжение светодиода не достигали 46 фиксированных значений. После того как значения температуры подложки светодиода и его напряжение становились константой, спектральное распределение фиксировалось, затем значение силы тока изменялись и измерения повторялись. На рис. 2.9 показано спектральное распределение интенсивности излучения Интенсивность излучения, мВт/см2 светодиода Cree XTE-R4. 1,6 T1=130°C T0.8=107°C T0.7=97°C 1,4 1,2 1 T0.6=86°C 0,8 T0.5=76°C 0,6 T0.35=61°C 0,4 T0.2=47°C 0,2 0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 Длина волны, нм 200 мА 350 мА 500 мА 600 мА 700 мА 800 мА 900 мА 1000 мА Рис. 2.9. Спектральное распределение интенсивности излучения в зависимости от силы тока Из рис. 2.9 видно, что при изменении силы тока от 200 мА до 1 А, максимум излучения в синей области смещается в более длинноволновую область. На рис. 2.10 представлено изменение положения максимума интенсивности излучения в синей области от тока от. Смещение максимума составило 6 нм. 47 451 Длина волны, нм 450 449 448 447 446 445 444 443 0 200 400 600 800 1000 Сила тока, мА Рис. 2.10. Зависимость максимума излучения в синей области от силы тока По рис. 2.9 оценивалось относительное излучение светодиода от кристалла (брался диапазон длин волн от 400 нм до 485 нм) и излучаемое люминофором (брался диапазон от 485 нм до 780 нм). Результаты измерений спектральных характеристик светодиода На основе анализа кривых спектрального распределения энергии светодиода при изменении силы тока, а также температуры, рассчитывались значения интенсивностей излучения кристалла светодиода и люминофора. Интенсивность излучения светодиода рассчитывалась по формуле: 780 Фe Фe ( ) d , (2) 380 где Фe ( ) – спектральная плотность лучистого потока на длине волны λ. На рис. 2.11 представлена зависимость изменения интенсивности излучения кристаллом светодиода от силы тока. Из рисунка видно, что с ростом силы тока интенсивность излучения кристалла светодиода растет нелинейно. Интенсивность излучения, отн. ед. 48 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 Сила тока, мА Рис.2.11. Зависимость интенсивности излучения кристалла светодиода от силы тока питающего светодиоды На рис. 2.12 представлена зависимость интенсивности излучения Интенсивность излучения, отн. ед. люминофора светодиода от силы тока. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 Сила тока, мА Рис. 2.12. Зависимость интенсивности излучения люминофора светодиода от силы тока Зависимость интенсивности излучения люминофора от силы тока, отличается от зависимости излучения кристалла от силы тока тем, что насыщение более выражено. 49 2.3. Методика и результаты измерений люминесценции люминофора светодиода в зависимости от его температуры Методика измерения люминесценции люминофора светодиода, устанавливает процедуру (порядок) проведения измерения люминесценции люминофора светоизлучающих диодов, в диапазоне длин волн от 250 до 1100 нм. Измерения люминесценции светодиода производились по схеме, показанной на рис. 2.13. Рис. 2.13. Блок схема установки для измерения спектральных характеристик излучения светодиода Исследуемый источник света светодиод 1 (с желтым люминофором) помещался в светонепроницаемый кожух 2 в термостате 3. На светодиод 4 с источника питания 5, подавалось питание постоянным током. Возбуждение свечения люминофора светодиода 1 осуществлялось излучением синего светодиода 4 (λmax=445 нм, полуширина 30 нм). Светодиод 1 плавно, с интервалом 10 °С нагревался в диапазоне температур от 27 °С до 160 °С. Интенсивность излучения люминофора светодиода 1 регистрировалась с помощью спектрофотометра 6. Кривые спектрального распределения энергии излучения люминофора светодиода выводились на компьютер 7. Температура люминофора регистрировалась термопарой 8. 50 Результаты измерений люминесценции люминофора Фиксирование результатов, осуществлялось следующим образом: при каждом значении температуры с помощью спектрофотометра снималась кривая спектрального распределения энергии излучения люминофора светодиода. Затем рассчитывались значения интенсивностей излучения люминофора светодиода. 780 Ф I d , (2) 380 где Iλ – спектральная плотность излучения на длине волны λ. На рис. 2.14 представлено спектральное распределение излучения люминофора от его температуры. Из рис. 2.14 видно, что график зависимости имеет два максимума в синей и желто-зеленой области. Синяя область от 400 нм до 480 нм это излучение синего светодиода, который возбуждал люминофор белого светодиода. Рис. 2.14. Спектральное распределение излучения люминофора светодиода при различных значениях температуры 51 Излучение люминофора приходится на длины волн от 480 нм до 780 нм. Значения интенсивности излучения люминофора белого светодиода снижались с ростом температуры. На рис. 2.15 представлен график изменения интенсивности излучения Интенсивность излучения, отн. ед. люминофора от температуры. 140 137,5 135 132,5 130 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Температура люминофора, °С Рис. 2.15. Зависимость интенсивности излучения люминофора от температуры Анализируя график на рис. 2.15 видно, что с ростом температуры интенсивность излучения люминофора падает. При нагреве люминофора от комнатной температуры до 100 °С, интенсивность излучения снижается на 2,12%, если разогреть 160 °С, то интенсивность излучения снижается на 6%. Отсюда следует вывод, что температура люминофора светодиода, практически не влияет на его интенсивность излучения при нагреве до рабочей температуры 100 °С. 52 2.4. Методика и результаты измерений светового потока светильника в зависимости от температуры его корпуса Методика измерения светового потока светильника, устанавливает процедуру (порядок) проведения измерения освещенности площадки под светильником и пересчет полученных результатов в световой поток. Измерения проводились по схеме, показанной на рисунке 2.16. Рис. 2.16. Блок схема измерения светового потока светильника. Исследуемый световой прибор – светодиодный светильник 1, располагался в темной комнате 2, с источника питания 3 на светильник подавался постоянный ток, освещенность светильника измерялась с помощью люксметра 4, который находился на расстоянии r от светильника, температура корпуса печатной платы регистрировалась с помощью термопары 5. Световой поток оценивался по освещенности площадки. Подаваемый на светильник ток, изменяли в диапазоне от 350 мА до 1 А. Фиксирование результатов, осуществлялось следующим образом: На светильник подавался постоянный ток 350 мА, каждые 5 минут фиксировались – температура печатной платы, освещенность, напряжение, измерения продолжались до тех пор, пока светильник не выходил на режим (освещенность и температура печатной платы становились постоянными). 53 Результаты измерений освещенности Все характеристики светодиодов используемых в светильнике представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2. Ток, I, А Световой Суммарный Световая Напряже Потребляем Излучае Кол-во, поток световой отдача ние ая мая шт. светодиода, поток светодиодов питания, мощность мощнос лм* светодиодов , В* светодиода, ть , лм Вт светоди лм/Вт* ода, Вт** 0.35 130 4940 130 2.85 1 0.47 38 0.5 176 5280 120 2.91 1.47 0.6 30 0.7 231 5082 109 3.05 2.13 0.78 22 1 302 5430 95 3.18 3.18 1.03 18 1.5 401 4812 80 3.37 5.07 1.37 12 *Данные взяты из [53], при температуре активной области 85 °С **Мощность, излучаемая в виде световой энергии Pc=ηс/ηтеор. Теоретическая световая эффективность спектра выбранных светодиодов, ηтеор.=277 лм/Вт, ηс – световая отдача светодиода. Особенностью данного эксперимента была величина получаемого суммарного светового потока. За основу было взято значение полученное при токе питания I=0,35 А, световой поток при этом составил Ф=4940 лм. Для остальных значений силы тока, количество светодиодов подбиралось таким образом, чтобы итоговое значение было четным, а суммарный световой поток приблизительно равнялся 5000 лм. В связи с этим, чем больше выставлялся ток, тем меньше светодиодов требовалось для создания необходимого светового потока. Всего использовалось 5 штук различных печатных плат, с равномерным распределением светодиодов на плате. На рис. 2.17 представлен график зависимости освещенности люксметра при различной силе тока питания. Из результатов измерений можно сделать вывод, что световой поток светильника, зависит от силы питающего светодиоды тока. С момента включения и до момента выхода на режим (≈100 мин.), освещенность 54 регистрируемая люксметром падала в среднем на 7%, по сравнению с моментом включения. 160 Освещенность, лк 157,5 155 152,5 150 350 мА 147,5 500 мА 145 700 мА 142,5 1000 мА 140 137,5 135 0 20 40 60 80 100 120 Время, мин. Рис. 2.17. Зависимости светового потока светильника при различных значениях питающего тока. Вместе с изменением освещенности регистрировалось и изменение температуры печатной платы светильника, рис. 2.18. 80 75 Температура, °С 70 65 60 55 350 мА 50 500 мА 45 40 700 мА 35 1000 мА 30 25 20 0 20 40 60 80 100 120 Время, мин. Рис.2.18. Зависимости температуры печатной платы от времени, при разных значениях силы тока. 55 Из рис. 2.18 и 2.17следует, что чем выше температура печатной платы, тем более резко и сильнее снижается световой поток светильника. На рис. 2.19 представлены зависимости световой отдачи светильника от времени при различных токах светодиодов. Световая отдача, лм/Вт 150 140 130 120 110 100 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Время, мин. Рис. 2.19. Зависимости световой отдачи светильников от времени при разных значениях токов светодиодов Из рисунка 2.19 видно, что световая отдача зависит от силы тока, питающего светодиоды и со временем меняется не значительно, снижаясь на 4% при значениях тока 0,35, 0,5, 0,7 А, и при токе 1 А на 10%. Оценивая численные значения тока полученные в результате эксперимента можно сделать вывод, что для токов 0,35 А, 0,5 А, 0,7 А корпус светильника отводит тепло достаточно хорошо, на токе 1 А идет перегрев. На рисунке 2.20 представлена зависимость световой отдачи от силы тока при выходе светильника на режим (t=100 мин.). Как видно из графика световая отдача с ростом тока падает линейно. Таким образом, показано, что световая отдача зависит от плотности тока и слабо зависит от изменения температуры. 56 Световая отдача, лм/Вт 160 150 140 130 120 110 100 90 80 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Сила тока, А Рис. 2.20. Зависимость световой отдачи светильника от силы тока 2.5. Методика и результаты расчета температуры корпуса светильника при питании различными токами Методика расчета температуры корпуса светильника, устанавливает порядок проведения расчетов температуры корпуса светильника, и получения наглядной картины распределения тепла в сечении [54]. Расчет проводился моделирования SolidWorks тепловых Flow с использованием режимов Simulation. программного различных Данный комплекса электронных программный устройств комплекс для – позволяет моделировать геометрию будущего изделия и выполнять все необходимые расчеты и анализы [55]. В проведенном исследовании была спроектирована и проанализирована – модель светодиодного светильника, представляющая собой корпус 1, с расположенной на нем печатной платой со светодиодами 2. Так же в модели присутствуют защитное стекло 3 удерживаемое скобами 4 (рис.2.21). Источник питания располагался вне корпуса светильника, и не влиял на температуру активной области светодиодов, поэтому тепло выделяемое им не учитывалось в расчетах. 57 1 4 2 3 Рис. 2.21. Модель светильника (вертикальное сечение) После разработки 3D модели светильника были заданы материалы его основных деталей. Для каждого материала задавались физические характеристики необходимые для дальнейших расчетов. Характеристики, используемых при расчете светодиодов марки Cree XT–E R4 6000 K, представлены в таблице 2.2. В расчете учитывались условия работы светильника: окружающая среда – воздух, давление 101,3 кПа; влажность 50 %; температура окружающей среды 25 °С; скорость ветра 0 м/с. Рассчитаны излучаемые мощности светильников, при различных токах питания. Излучаемая мощность светильника это та часть потребляемой мощности, которая преобразуется непосредственно в свет, остальная часть соответственно преобразуется в тепло. Мощность, преобразуемая в тепло, является главным параметром, задаваемым при расчете тепловых режимов светодиодного светового прибора. Она определяется разностью потребляемой электрической мощности светового прибора и мощности преобразуемой в свет или по формуле (1). PТ (1 c ) P теор. (1) где Р – мощность, потребляемая системой светодиодов белого излучения, ηс – световая отдача светодиодов, ηтеор. – световая эффективность излучения выбранного светодиода. 58 Значение световой эффективности излучения ηтеор. может быть рассчитано из спектрального распределения излучения светодиода рис.6, таким образом, в расчетах мощности преобразуемой в тепло учитывается спектральное распределение излучения конкретного светодиода. Корректный расчет данной мощности, позволяет более точно рассчитать температуру корпуса, а соответственно и p-n перехода. Мощность, преобразуемая в тепло, в литературе оценивается в пределах 40% – 75% [53,56]. Зачастую этой величиной и вовсе Относительная мощность излучения пренебрегают [57,58]. Длина волны, нм Рис. 2.22. Относительное спектральное распределение излучения светодиода Cree XTE, Tцв= 6000K. Нами рассчитаны значения световой эффективности излучений светодиодов со спектрами излучения, представленными на рис.6 теор. 683 ( ) ( ) d 0 0 ( ) d (2) где φ(λ) – спектральная плотность излучения, ν(λ) – функция спектральной световой эффективности. Значение световой эффективности излучения является предельной величиной световой отдачи источника излучения . Значения световой эффективности для источников излучения со спектрами, представленными на рис. 6, приведены в таблице 2.3. 59 На основании уравнения (1) были вычислены доли тепловых потерь Pт приведенных в таблице 2.3. Таблица 2.3. Относительные значения потерь энергии на нагрев и предельные значения световой отдачи (световой эффективности) при токе 0,35 А. Светодиод Cree XTE (Tцв= 6000K), 0,35 А 0,5 А 0,53 0,56 0,7 А 1А 1,5 А ηтеор=277 лм/Вт Pт , отн. ед. 0,6 0,65 0,71 Расчет потерь на нагрев осуществлялся при условии, что квантовый выход преобразования на люминофоре равен 1. Достигнутый к настоящему времени квантовый выход преобразования на люминофоре имеет величину 0,75…0,9. Заметим также, что квантовый выход преобразования зависит от длины волны возбуждающего и излучающего света. По таблице 2.3 построена зависимость мощности идущей на тепло от силы тока питающего светодиоды, рис. 2.23. Мощность идущая в тепло, PТ 0,8 0,7 0,6 0,5 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 Сила тока, А Рис. 2.23 Зависимость мощности идущей на тепло от силы тока 60 Количество светодиодов определялось из условия четности (симметрии) и суммарного светового потока ≈ 5000 лм при температуре активной области 85 °С. Таким образом, при потреблении светодиодом одного ватта мощности, только 0,4 Вт преобразуется в световое излучение, а 0,6 Вт идет на нагрев светодиода. Обработка расчетов температуры корпуса светильника Расчеты показали, что качественное распределение тепловых полей в сечении светильников, во всех пяти вариантах были идентичными. Различались только максимальные значения температур. На рис. 2.24 а) приведено тепловое поле исследуемых моделей светильников. На рис. 2.24 б) представлены распределения температур печатных плат, для различных вариантов рабочего тока светодиодов [59]. а) б) 0,35 А 0,5 А 0,7 А 1А 1,5 А Рис. 2.24. Результаты тепловых расчетов: а) тепловые поля конструкции светильника, б) шкалы температур при различных токах светодиодов 61 Для проверки расчетов температуры корпуса светодиодного светильника был спроектирован макет, который полностью соответствовал рассчитываемой модели по материалам, габаритам и свето–электрическим характеристикам, рис. 2.25. Рис. 2.25. Макет светодиодного светильника Разработанный макет исследовался при тех же условиях, что и в таблице 2.3 [60]. Температура корпуса регистрировалась термопарой, а также с помощью тепловизора. Результат эксперимента показал, что максимальная температура корпуса светильника при измерении с помощью тепловизора – составила 51,7 °С, температура измеренная термопарой составила 52,3 °С, в отличии от расчетной 53,2 °С (при токе 0,35 А). Таким образом, погрешность расчетов составила около 2%, что является приемлемым результатом. Исходя из данной погрешности, методика расчета температуры корпуса светильника признана пригодной для разработки световых приборов. Для расчета температуры p-n перехода использовалась методика, основанная на компьютерном расчете температурных полей светодиодного светильника и использовании формулы (3). Тем самым, не теряя точности расчета, была существенно упрощена методика определения температуры p-n перехода, без построения сложных моделей строения светодиода. Значение теплового 5 C / W , взято из J SP сопротивления между p-n переходом и точкой пайки технической документации светодиода Cree XT–E, тепловое сопротивление между точкой пайки и печатной платой зависит от качества спаиваемых 62 поверхностей и пайки и составляет (1–4 C/W) [15], в нашем случае при самых неблагоприятных обстоятельствах выбиралось значение SPPCB 4 C / W . Схема тепловых сопротивлений печатная плата–p-n переход представлена на рис. 2.26. Рис. 2.26. Схема тепловых сопротивлений печатная плата – p-n переход По формуле найдем температуру в точке пайки [61]. TSP SP PCB Pt TPCB n (3) где TSP – температура точки пайки (°С); TPCB – температура печатной платы (°С) в месте расположения светодиода; Pt – потребляемая светодиодами мощность, n – количество светодиодов. Рассчитанные значения температуры точки пайки от тока светодиодов представлены в таблице 2.4. Таблица 2.4. Сила тока, I 0,35 А 0,5 А 0,7 А 1А 1,5 А TSP 55,7 °С 61 °С 69,8 °С 82,8 °С 85,2 Рассчитанные значения температуры активной области от тока светодиодов представлены в таблице 2.5. Таблица 2.5. Сила тока, I 0,35 А 0,5 А 0,7 А 1А 1,5 А 63 58,8 °С TJ 65,9 °С 76,7 °С 94,3 °С 106,2 °С Из результатов представленных в таблице 2.5 следует, что при токах 1 А и 1,5 А, температура p-n перехода светодиода превышает рекомендуемую производителем (85 °С), при этом сильно снижается световая отдача (таблица 2.2). Таким образом, разработанный корпус светильника наиболее эффективен при токах питания светодиодов от 0,35 А до 0,7 А, при данных значениях тока световая отдача исследуемых светодиодов будет наибольшей 115– 138 лм/Вт, что является хорошим результатом для современных световых приборов. 2.6. Выводы по главе 2 1. Исследования p-n перехода светодиода показали, что при нагреве от 25 °С до 100 °С, интенсивность излучения снижается на 6%, а при нагреве от 25 °С до 160 °С на 17 %, то есть с увеличением температуры интенсивность излучения изменяется нелинейно. Таким образом следует считать температуру p-n перехода светодиода до 100 °С оптимальной для достижения наибольшей энергоэффективности светового прибора. 2. Эффективность излучения светодиода зависит от силы тока питающего его, поэтому для получения наиболее энергоэффективного светового прибора следует применять ток питания светодиодов 350–700 мА, при более высоких токах применение светодиодов становиться нерациональным, ввиду небольшой энергоэффективности. 3. Температура люминофора светодиода незначительно влияет на его интенсивность излучения, при нагреве светодиода от 25 °С до 100 °С показатели интенсивности излучения снижаются на 2%, при нагреве от 25 °С до 160 °С на 6%. 4. Разработанные методики позволяют оценивать тепловые режимы работы светодиодов, и выбирать наиболее подходящие, для создания энергоэффективного светового прибора. Методика расчета температуры корпуса светильника позволяет оценить, как выбранные режимы работы светодиодов будут влиять на температуру светильника и соответственно, какая при этом будет температура p-n перехода. 64 3. ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА СВЕТОВЫХ ПРИБОРОВ Разработка светодиодного светильника состоит из двух основных этапов. На первом этапе проектирования проводился оптико–светотехнический расчёт ОП. На этом этапе выбирался тип СД, оптика, наиболее подходящая под задачу освещения и определялся необходимый световой поток ОП [62]. На втором этапе проектирования – исследовался и разрабатывался корпус светильника. На этом этапе оценивается способность спроектированного корпуса отвести тепло, выделяемое светодиодными ИС, вносятся коррекции в конструктив корпуса, или, при необходимости, разрабатывается новый корпус, обеспечивающий необходимый температурный режим и удовлетворяющий эстетическим запросам, выбирается наиболее удачный вариант и с точки зрения эстетического восприятия, светильника [63]. 3.1. Разработка оптической системы светодиодного светильника Проектирование любого светового прибора ставит перед разработчиком вопрос о его светотехнических характеристиках, важнейшей из которых является светораспределение [64]. Оно обусловлено формой фотометрического тела и описывается кривыми силы света. Для получения необходимого светораспределения необходимо выполнить светотехнический расчет. Светотехнический оптической системы, расчет а позволяет также определить источников параметры излучения будущей светильника, обеспечивающих необходимые фотометрические характеристики. Как правило, в зависимости от области применения светового прибора определяются фотометрические характеристики. Светотехнический расчет условно можно разделить на два вида: прямой расчет и обратный. Прямой расчет заключается в определении фотометрических параметров светового прибора, таких как кривая силы света и распределение освещенности на плоскости. Обратный метод заключается в определении геометрических параметров оптической системы необходимых для получения заданных фотометрических характеристик. В данной работе при разработке светодиодного светильника использовался обратный 65 метод, когда был задан тип кривой силы света – Ш (широкая) и общий световой поток одного модуля около 8000 лм. Для того чтобы получить необходимый тип кривой силы света применяют различные системы конструктивно светораспределения. совмещенные с Это корпусом могут прибора, быть отражатели, или специальные дополнительные оптические элементы. Для светодиодов этими дополнительными элементами является вторичная оптика [65]. 3.1.1 Применение вторичной оптики для светодиодного освещения Вторичная оптика представляет собой линзу или мультилинзу, которая крепится на светодиод, изменяя его светораспределение, рис. 3.1. а) б) Рис. 3.1. Вторичная оптика а) дискретная линза, б) мультилинза Дискретные линзы довольно широко распространены и выпускаются разных серий, в больших количествах и почти для всех мощных светодиодов известных брендов. Некоторые линзы изготавливаются сразу для нескольких типов светодиодов. Установить их можно, либо приклеив линзу к корпусу светодиода, либо используя держатель («холдер») специально для нужного типа светодиода. Мультилинзы позволили создать на основе многодиодных плат сложное световое оборудование, используемое в архитектурном и общем освещении, уличном освещении и т. д. Одной из важнейших задач при проектировании оптических систем является уменьшение себестоимости сборки изделия с сохранением 66 точности расстановки элементов. Но простота сборки никогда не должна обеспечиваться за счет снижения точности позиционирования. В качестве крепления сборок используют клей либо установочный штифт, также возможно использование клейкой ленты или крючков с предохранителем, которые пропускаются через печатную плату и пристегивают к ней оптический элемент. Немаловажной эффективность, то характеристикой вторичной есть трансформировать способность оптики является световой ее пучок светодиода с как можно меньшими потерями при его пространственном преобразовании. Одним из критериев, влияющих на эффективность оптики и, в частности, линзы, является соотношение между размером линзы и излучающей поверхностью светодиода. Но далеко не последнюю роль в борьбе за увеличение коэффициента пропускания играет материал, из которого изготовлена оптика. Он не должен мутнеть со временем и под действием окружающих факторов или излучения. В настоящее время линзы для светодиодов изготавливаются в основном из полиметилметакрилата (ПММА). Он показателями преломления и поглощения, которые обладает невысокими в первую очередь обуславливают снижение светового потока при использовании линзовой оптики. Это проявляется потерями излучения на отражение при переходе границ раздела двух сред и поглощением в толще материала линзы. Так, при нормальном падении излучения на материал линзы потери на френелевское отражение могут быть оценены по формуле: 2 n n1 , R 2 n 2 n1 4) где n2 - показатель преломления ПММА, равный 1,49; n1-показатель преломления воздуха. Подставив значения, получим потери на отражение на одной границе 3,9%. Соответсвенно, потери на двух границах раздела сред составят 7,8% без учета рассеяния и поглощения светового потока [66]. Поглощение излучения в толще материала линзы следует из закона Бугера: A 1 e l , 5) 67 где α – коэффициент поглощения ПММА, равный 0,03 см–1; l – толщина материала линзы. Отсюда следует, что при прохождении слоя ПММА толщиной 1 см будет поглощено 3% светового потока. Таким образом, в общем случае оптическая эффективность линз для светодиодов не превышает 89–90%. Однако применение вторичной оптики может негативно влиять на характеристики светодиодов и на их срок службы. В литературе имеются сведения о снижении срока службы светодиодов за счет применения вторичной оптики [67]. Это возможно из-за наличия таких отрицательных физических факторов, воздействующих на кристалл, как повышенная температура, механические напряжения, действия различных химически активных сред и т.д. Все они могут оказать влияние на качество последующего эксплуатационного периода светодиода и, следовательно, светового прибора в целом. Как правило, потери на вторичной оптике в большинстве случаев несколько меньше потерь на плоских стёклах, т.к. использование линз значительно увеличивает вероятность падения лучей светодиода по нормали к поверхности, т.е. с наименьшими по Френелю потерями. Тем не менее, к использованию вторичной оптики с широким углом пространственного распределения силы света совместно с плоским защитным стеклом следует относиться крайне осторожно (такие конструкции часто встречаются в проектах уличных светильников). В них большая часть излучения падает на плоское стекло под сравнительно большими к нормали его поверхности углами, в результате чего возникают большие потери при отражении. Оценивать эти потери следует в каждом конкретном случае отдельно. Однако, учитывая, что потери на вторичной оптике в среднем составляют от 10 до 12%, значение эффективности такой системы не превышает 70%. Если учесть падение эффективности на рассеиваемом тепле и питании, то такой светильник едва ли сможет претендовать на звание энергоэффективного. 68 3.1.2 Применение отражателей для светодиодного освещения В состав оптического блока светодиодного светильника на отражателях, обычно, входит источник света, отражатели и защитное стекло, которое может быть просто плоским и прозрачным, защищая оптический отсек от внешних воздействий, а при его правильном проектировании может быть одновременно частью оптической системы. Для целей наружного освещения особенно важны именно зеркальные отражатели, т.к. по сравнению с диффузными и матированными их КПД значительно выше [68]. Форма отражателя может быть различной – от простых зеркальных вставок Существенной до цельнотянутой особенностью зеркальных пластины специальной оптических систем формы. является возможность достаточно гибко управлять перераспределением светового потока источника, создавая значительную его концентрацию в нужных направлениях. Светильники на светодиодах состоят из множества точечных излучателей, поэтому управлять световым потоком в них проще: больше вариантов геометрии расположения источников и отражателей. А чем проще управление световым потоком, тем увереннее можно говорить о создании экономичной осветительной установки. Современные производители предлагают весьма широкий выбор подобных приспособлений. В основном отражатели в светодиодных светильниках применяют для узконаправленного излучения, например в прожекторах, рис. 3.2 [69]. Рис. 3.2. Рефлектор на прожекторе 69 Отражательные элементы в уличном освещении применяются гораздо реже линзовой оптики. Популярность линз объясняется большим удобством и относительной простотой формирования требуемого светового пучка, так как управление излучением осуществляется тремя плоскостями: двумя преломляющими поверхностями на входе и выходе излучения и одной отражающей поверхностью внутри линзы в общем случае на образующей ее боковой поверхности. Рефлекторы имеют лишь одну отражающую поверхность, задача которой — сформировать требующийся световой пучок, и чаще применяются совместно со светодиодами, имеющими излучающую поверхность увеличенного размера, или с группой СИД. Применение отражателей исключают прямое воздействие на светодиоды, и тем самым не влияет на их срок службы. Отражательная способность лучших материалов рефлекторов >98%, что несколько выше, чем при использовании дорогой вторичной оптики [68]. Таким образом, распределение светового потока в светодиодном светильнике может быть получено исходя из задачи, под которую проектируется светильник. Рефлекторы с простым зеркалом или в комбинации первичного и вторичного зеркал для светодиодной группы с рефлекторной системой позволяют получать: высокую эффективность; отсутствие видимых точечных источников света; лучшее распределение света; устранение слепящего действия; хорошее «смешение цветов». Основные минусы рефлекторов: чувствительность к геометрии; сложность с изготовлением 3D зеркал. Основные плюсы от использования вторичной оптики: готовые светодиодные модули (печатная плата и мультилинза), получение любого необходимого светораспределения путем использования дискретных линз. Недостатков у линзовой оптики сравнительно больше, в первую очередь это более высокая цена, возможна термо- и фото- деструкция (пожелтение линзы), что приводит к существенному снижению световой эффективности. 70 Также к недостаткам стоит отнести высокие механические напряжения в тепловом поле светильника, что может привести к разрушению линзы или к изменению расчетной кривой силы света. На основе сделанных выше выводов, в данной работе для получения требуемой для уличных светильников диаграммы направленности (типа Ш или Л, ГОСТ 17677-82) использовались отражатели, изготовленные из алюминия MIRO SILVER фирмы ALANOD, имеющие отражающую способность не хуже 98% в спектральной области излучения «белого» светодиода рис. 3.3[68]. Рис. 3.3. – Спектральное отражение алюминия MIRO 3.1.3 Выбор оптической системы При разработке оптического блока, были проанализированы три варианта оптической системы (светодиод+отражатель+защитное стекло) (рис. 3.4, рис. 3.5, рис. 3.6). Отражатели Светодиоды Стекло Рисунок 3.4. Вариант оптической системы, СИДы в центре 71 На рис. 3.4 показана оптическая система традиционного светодиодного светильника, которую предлагают большинство производителей на сегодняшний день. Такая оптическая система формирует широкую КСС, которая обеспечивает хорошие показатели равномерности яркости. На рис. 3.5 полуограниченную показана КСС, оптическая которая система, обеспечивает позволяющая следующие создать нормируемые показатели: равномерность распределения яркости и показатель ослепленности. Но для обеспечения этих норм, в данной оптической системе, необходимо использовать стекло сложной формы. Стекло Лучи светового потока Светодиоды Отражатели Рисунок 3.5. Вариант оптической системы, СИДы по краям Стекло Светодиоды Отражатели Рисунок 3.6. Варианты оптической системы, СИДы в центре перпендикулярно оси СП На рис. 3.6 показана оптическая система, обеспечивающая необходимое нормирование по яркости и ослепленности. Такая оптическая система формирует широкую, полуограниченную КСС, которая обеспечивает равномерность распределения яркости и защитный угол. При этом стекло имеет простую обтекаемую форму. Однако расположение светодиодов перпендикулярно корпусу светильника навстречу друг другу приводит к проблеме отвода тепла от них. При 72 таком варианте оптической системы необходимо значительно увеличивать габариты корпуса светильника. На основе анализа оптических систем была выбрана система, показанная на рис. 3.4 как оптимальная с точки зрения получения необходимых световых характеристик и отвода тепла от излучающих элементов. 3.1.4. Исследование формы защитного стекла Защитное стекло характеризуется оптическими и механическими свойствами оптического материала, кроме того форма его поверхности также влияет на эффективность светильника. При расчете оптической системы светильника и проектировании защитного стекла необходимо учитывать закон ослабления излучения за счет отражения Френеля [70]. В светотехнике используется расчет ослабления энергии излучения при прохождении раздела двух оптических сред, который оперирует только угловыми значениями и коэффициентами преломления сред. Физический смысл этого метода состоит в том, что на ослабление световой энергии влияют два основных фактора – разница коэффициентов преломления двух оптических сред и угол падения лучей на границу перехода светового потока из одной среды в другую. Из формулы (6) потерь по Френелю следует, что разница между коэффициентами преломления и углы падения лучей к нормали, проведённой к границе раздела сред, должны быть минимальны. На рисунке 3.7 наглядно отображён этот принцип. Выбор материалов, из которых изготавливается большинство защитных стекол входящих в оптическую систему светильника, не так велик – это несколько разновидностей поликарбоната и полиметилметакрилат. Данные материалы обладают разнонаправленными качественно- экономическими характеристиками, поэтому необходимо учитывать множество факторов, никак не связанных с их оптическими характеристиками, а именно: прочность, горючесть, устойчивость к воздействию ультрафиолета и, конечно, цену. 73 Рис. 3.7. Потери при переходе излучения через границу раздела оптических сред n1 sin n 2 sin (6) где n1 — показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела; n2 — показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу раздела; α — угол падения; β — угол преломления. Например, поликарбонат обеспечивает максимальную защиту изделия (его трудно сломать, разбить, он не воспламеняется), однако имеет больший по сравнению с полиметилметакрилатом коэффициент преломления света. В свою очередь, полиметилметакрилат очень хорош по оптическим показателям, но горюч и имеет меньшую прочность [71]. При использовании поликарбоната, в качестве защитного стекла, при прохождении плоской пластины из этого материала теряется 14 – 16% излучения. В большей степени потери обусловлены сравнительно высоким значением коэффициента преломления поликарбоната (1,58 – 1,585), из-за чего большее количество энергии отразится от первой грани в обратном направлении, а впоследствии и от второй при выходе из толщи материала [72, 73]. Использование листа прозрачного полиметилметакрилата, в качестве защитного стекла, обеспечит около 11 – 13% потерь светового излучения. Как и в предыдущем со 74 значением полиметилметакрилата равного 1,49. полиметилметакрилата приходится случае, это связано коэффициента Однако мириться с при его преломления использовании эксплуатационными недостатками. В случае, когда светодиодному световому прибору необходимо защитное стекло, целесообразно согласовать его профиль с КСС светодиодного модуля. Это достаточно технологичный и недорогой метод позволяет сократить суммарные потери светового излучения в пределах 25%. Для сохранения светораспределения и уровня светового потока (исключая потери на прозрачность стекла) необходимо, чтобы все лучи выходили перпендикулярно к стеклу. Этому требованию удовлетворяет рассчитанная и экспериментально проверенная форма стекла, приведенная на рис. 3.8 Рис. 3.8. Форма защитного стекла Для изготовления защитного стекла в разработанном светильнике использовался поликарбонат, как материал с более приемлемыми свойствами: легкость, прозрачность и прочность. Изготовление объемных изделий из полимерных пластиков осуществлялось методом термовакуумной формовки [74]. Формовка происходит под действием перепада давлений, создающегося между внутренней и внешней поверхностями листа. При вакуумном формировании – под действием разности давлении окружающего воздуха и остаточного давления в форме. К заготовкам из термопластов, подлежащих формованию, предъявлялись следующие требования: 75 а) однородность – без посторонних включений и изъянов; б) разнотолщинность заготовок не должна превышать 10% по отношению к номинальной толщине; в) для листовых заготовок вязкость расплава материалов должна обеспечивать возможность нагревания в закреплённой раме и не давать большого провисания листа; г) термическая усадка материала не должна превышать 3-5% [75]. Таким образом, в результате светотехнических расчетов была получена оптическая система, представленная на рис. 3.9. Система состоит из печатной платы со светодиодами 1, отражателей внутренних и внешних 2 используемых для формирования необходимой КСС и защитного стекла 3. 3 2 1 Рис. 3.9. Оптическая система модульного светильника Было изучено светораспределение макета светодиодного светильника с оптической системой, представленной на рис. 3.9. Измерения проводились на гониофотометрической установке методом измерения освещенности на фиксированном расстоянии от излучателя с помощью фотометра «ТКА-ЛюксЭталон». Результаты измерения представлены на рис. 3.10 а). Полученный тип кривой силы света обеспечивает снижение потерь светового потока при отражении на защитном стекле, поскольку в поперечном сечении светового прибора световые лучи нормальны к поверхности. Как видно из рисунка 8, диаграмма направленности, требуемая для уличных светильников, соответствует ГОСТ 54350-2011 [76]. 76 а) б) Рис. 3.10. Пространственное распределение силы света светильника в полярных координатах в главных меридиональных плоскостях а) спроектированная КСС, б) рекомендуемая КСС (по ГОСТ 54350-2011) 3.2 Исследование и разработка теплоотвода мощного светодиодного светильника По оценкам международных и отечественных экспертов, обеспечение эффективного отвода тепла в светодиодной светотехнике — одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед разработчиками и производителями данной продукции. Данный параграф посвящен расчетам и исследованиям оптимальной формы и массы корпуса светодиодного светильника для наружного освещения. Использование светодиодов в освещении изменило конструкцию осветительных приборов и их внешний вид. С точки зрения конструктора, появились как новые свободы, так и характерные только при использовании светодиодов ограничения. Следует отметить то, что основа стала более компактной, чем у светильников с газовыми лампами и лампами накаливания. Сами же светодиоды и их вспомогательное оборудование (например, драйверы) не занимают много места, так же различными могут быть и варианты их размещения. При работе светодиода не вся подводимая к нему электрическая энергия расходуется на излучение. Значительная ее часть (50–70%) выделяется в виде тепла. Температура p-n перехода, соответствующая температуре активной 77 области кристаллической решетки, является весьма важным параметром светодиода, т.к. от нее зависит внутренний квантовый выход излучения [41,77,78]. Конструкции светодиодов высокой мощности ≥1 Вт, предусматривают применение корпуса (радиатора) — металлического основания, на котором размещаются светодиоды. От светодиода тепло отводится путём теплопереноса через слои печатной платы, далее попадает на радиатор и рассеивается с него путём конвекции в окружающий воздух (рис. 3.11) [79]. Работа светодиода при повышенных температурах приводит к значительному снижению срока его службы [80]. Очевидно, если не принять должных мер по отводу тепла, светодиод будет работать ненадежно или выйдет из строя. Рис. 3.11. Схема отвода тепла от светодиода: 1— светодиод, 2 — печатная плата, 3 —радиатор Расчет теплового режима работы конструкции прибора начинается с определения таких данных, как внешние условия эксплуатации и тепловой режим работы светодиодов. На этом этапе задаются основные параметры устройства в части, отвечающей за отвод тепла от его источников (светодиодов). В такой модели представлены сам светодиод, печатная плата и корпус. Данные расчеты были выполнены, с помощью специального программного приложения Flow Simulation в составе SolidWorks. Современный светодиодный светильник должен обладать высокой энергоэффективностью и небольшой ценой. Характеристики светильника указаны в таблице 3.1. 78 Таблица 3.1 Потребляемая мощность, Вт 76 Световой поток, лм 8400 Световая отдача, лм/Вт 111 Вес не более, кг 6 Нами было установлено, что для обеспечения заданного светового потока необходимо 76 светодиодов. Наилучшим вариантом на момент разработки светильника являлся светодиод американской фирмы CREE. Характеристики данного светодиода приведены в таблице 2.2. Корпус светильника решено было изготавливать методом экструзии, в расчетной программе проектировался профиль будущего светильника. Метод экструзии был выбран с целью, производить серию светильников, различной мощности, изменяя лишь длину радиатора и количество светодиодов. Источник питания располагался внутри корпуса, чтобы защитить его от влаги. Использование источника питания предназначенного для помещений, дешевле защищенных от влаги. Первая модель светильника, представленная на рис. 3.12 имела внутреннюю герметичную полость, в которой располагался источник питания в небольшом углублении, по бокам корпуса имелись ребра охлаждения. Также ребра были расположены под углублением для источника питания. Снаружи корпуса по бокам от углубления располагались 2 линейки со светодиодами. Тепловой расчет светильника показал, что максимальная температура была на источнике питания, а корпус светильника нагрелся до 46 С, что является хорошим показателем, однако данный корпус не позволял получить правильное распределение кривой силы света и от данного варианта было решено отказаться. 79 Рис. 3.12. Тепловое поле радиатора №1 Также в первой модели радиатора не было предусмотрено отверстие для крепления на столб, поэтому во второй модели было решено использовать это отверстие непосредственно в радиаторе, рис. 3.13. Во втором варианте радиатор представлял собой трубу диаметром 52 мм, по бокам располагались длинные ребра, на нижних ребрах были установлены печатные платы, драйвер располагался внутри трубы. Рис. 3.13. Тепловое поле радиатора №2 Теоретические исследования показали, что основные минусы данного варианта заключались в том, что рассчитываемый корпус был мал для большинства источников питания, и заменить его не представлялось возможным, поскольку размеры полости радиатора были фиксированными. Несмотря на то, что данный корпус лучше отводил тепло, ребра светильника практически не выполняли свою роль, не охлаждали корпус. Третий вариант радиатора имел существенные отличия от первых двух вариантов. Нижняя часть светильника, на которой располагалась оптическая система, была ровной плоскостью, рис. 3.14. Крепление светильника теперь предполагалось через дополнительную деталь, кронштейн. Кронштейн по 80 направляющим соединялся с радиатором и жестко фиксировался. Это позволило сделать светильник более универсальным, а так же располагать внутри корпуса любые существующие на тот момент драйвера. Корпус светильника имел форму прямоугольной трубы, по бокам которой имелось 3 ребра. Нижние ребра плавно переходили в нижнюю плоскость, на которой были расположены печатные платы с отражателями и защитное стекло. Поскольку светильник рассчитывался комплексно вместе с оптической системой, было также замечено, что удерживающие стекло скобы, изготовленные также из алюминия, отводят некоторую часть тепла от радиатора. В радиаторе были предусмотрены отверстия для крепления боковой крышки, это позволяло экономить на операции сверловки. Рис. 3.14. Тепловые поля светильника №3 Добавление кронштейна и удерживающих стекло скоб показало, что эти детали также помогают отводить тепло и максимальная температура корпуса снизилась до 47°С, однако при этом масса одного светильника мощностью 100 Вт, составляла порядка 7 кг. Было решено сокращать длину светильника. Следующий вариант радиатора был немного видоизменен ввиду ограничений связанных с технологией производства корпуса методом экструзии. На рис. 3.15 представлен чертеж светодиодного светильника. Светодиодный светильник состоял из корпуса, кронштейна, боковых прищепок и стекла. Под защитным стеклом располагалась оптическая система, включающая в себя 81 печатную плату, с расположенными на ней отражателями для формирования широкой диаграммы кривой силы света. Длина корпуса светильника составляла 330 мм, без учета боковых крышек, которые завершали дизайн. Тепловой расчет светильника показал, что максимальная температура корпуса составляла 62 °С, что являлось приемлемым значением для работы светодиодов без снижения их эффективности рис. 3.16. Светильник получился достаточно удачным, однако и в нем имелись определенные недостатки. Одним из недостатков явились габариты для мощного светильника (200 Вт), в длину составлявшего 850 мм. К тому же каждый корпус получался достаточно дорогим ввиду большой металлоемкости. Рис.3.15. Окончательный вариант светильника получившего название «Трасса» Анализ вариантов показанных выше позволил создать максимально компактный светильник, мощность в котором можно было бы повышать за счет изменения количества модулей. Рис. 3.16. Тепловое поле светильника «Трасса» 82 Такое решение должно было снизить стоимость корпуса светильника и уменьшить его вес. Для начала был рассчитан светильник без охлаждающих ребер, поскольку на тепловых полях видно, что ребра не работают на продув, а габаритный размер они существенно увеличивают. На рис. 3.17 представлено тепловое поле светильника «Трасса» рассчитанного без боковых ребер. Сравнивая вариант с ребрами и без ребер видно, что температура светильника без ребер повысилась на 5 градусов, критичным данное повышение назвать нельзя, тем более, если немного увеличить толщину основания или стенок радиатора, температура немного снизится, поэтому в дальнейшем было решено проектировать светильник без ребер охлаждения. Рис. 3.17. Тепловое поле светильника «Трасса» без ребер Новый вариант светильника претерпел ряд изменений, которые позволили производить светильник с меньшей себестоимостью, чем предыдущие модели. Главным отличием стало использование модульности светильника. Был спроектирован и реализован светодиодный модуль, представляющий собой корпус-радиатор с кронштейном и оптическую систему, включающую в себя пару печатных плат со светодиодами, отражатели и защитное стекло [81]. Модульность светильника позволяет изготавливать световые приборы разных мощностей (40, 80, 120, 150, 230 Вт) из одних и тех же деталей, рис. 3.18. 83 2 1 3 4 Рис. 3.18. Детали светильника, полученные методом экструзии 1 – кронштейн, 2 – соединитель, 3 – корпус, 4 – скоба За счет уменьшения ширины корпуса стало возможным объединять модули между собой, с помощью новой детали соединителя, повышая тем самым мощность светильника. Один метр профиля рассеивает не менее 100 Вт тепловой энергии. Один модуль имеет 76 Вт мощности, при этом, световой поток составляет 8400 лм. На рис. 3.19 представлено тепловое поле модульного светильника. Рис. 3.19. Тепловое поле модульного светильника Конструкция модульного светильника позволяет решить проблему отвода тепла за счёт более равномерного распределения светодиодов по площади модуля, и возможного вынесения блока управления питания светового модуля на корпус светильника. Это позволяет снизить температуру корпуса светильника и в результате повысить световую эффективность модуля. 84 Расчет длины профиля светильника определялся по рассчитанной формуле, используя уравнения тепловых сопротивлений. Тепловое сопротивление определяет разность температур, возникающую между тепловыделяющим элементом или системой тепловыделяющих элементов (в нашем случае системой светодиодов): RТ=ΔТ/РВ, (7) где ΔТ – разность температур окружающей среды и средней, температуры радиатора ΔТ=(Трад-Тсреды); РВ – выделяемая системой тепловыделяющих элементов мощность. С другой стороны тепловое сопротивление при конвективном теплообмене определяется выражением RТ= 1/(αSР), (8) где α – коэффициент теплоотдачи, выраженный в единицах Вт/(м2К), SР – площадь теплового обмена радиатора, выраженная в м2. Таким образом, из выражений (1) и (2) ΔТ/РВ=1/(αSР). Отсюда SР=РВ/(αΔТ) (9) Пусть Р – мощность, потребляемая системой светодиодов белого излучения. Тогда Р=РВ+РИЗ, где РИЗ – мощность светового излучения. В зависимости от световой отдачи ηс=Ф/Р (лм/Вт), где Ф – световой поток, излучаемой системой светодиодов, мощность РВ=(1-ηс/ηтеор.)Р, где ηтеор. – предельно возможная (теоретически обоснованная) световая отдача светодиода, равная 277 лм/Вт. Тогда SР= (1-ηс /277) Р/(αΔТ) (10) Типовое значение ΔТ не должно превышать 35 °С. При естественной конвекции коэффициент теплоотдачи α находится в пределах от 6 до 10 Вт/(м2К) [54]. Обычно при предварительных расчетах выбирается α=10 Вт/(м2К). В соответствии осуществляется с рис. конвективный 3.20 поверхность теплообмен, корпуса, можно полуцилиндрической поверхностью с радиусом R=0.051м. через которую аппроксимировать 85 Рис. 3.20. Схематичное изображение поперечного сечения модульного светильника. Площадь полуцилиндрической поверхности приблизительно равна: Sр=πRL, (11) где R– радиус трубы, L– длина трубы. Из выражений (4) и (5) получаем πRL=(1-ηс /ηтеор.) Р/(αΔТ); где ηс – световая отдача светодиодов равная 130лм/Вт. Таким образом, габариты разработанного корпуса светильника в зависимости от мощности потребляемой светильником будут определяться соотношением: c )P теор. T , (1 LR (12) Если необходимо учесть мощность выделяемую пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) (драйвером) в случае его расположения внутри корпуса, необходимо добавить к мощности, потребляемой световой частью светильника, величину, равную (1-ηПРА)Р, где ηПРА – КПД пускорегулирующей аппаратуры равную 0.9. Тогда ((1 LR c ) (1 пра. )) P теор. T (13) Рассчитаем длину корпуса светильника с потребляемой мощностью 75 Вт, с драйвером, установленным над корпусом, по формуле (6): 86 130 ) 75 277 L 642,3 мм, 10 30 3,14 0,051 (1 Таким образом, для светодиодного светильника с потребляемой мощностью 75 Вт и драйвером, установленным над корпусом, необходим корпус длиной 650мм. По формуле (6) были рассчитаны габариты корпусов светильников с различными мощностями, рис. 3.21. Оптимизация конструкции корпуса-радиатора, с точки зрения эффективного рассеивания тепла, позволила увеличить световую отдачу светильника при той же потребляемой мощности электрической энергии, что в конечном итоге приводит к её значительной экономии. Рис. 3.21. Габаритные размеры: а) одномодульного светильника б) двухмодульного светильника в) трехмодульного светильника В отличии от других вариантов модульных светильников, которые объединяются в модули путем соединения двух корпусов боковыми торцами, в нашем светильнике используется дополнительная деталь – соединитель, изготавливаемая также методом экструзии. Основная задача данной детали соединять модули между собой при этом образуется некоторый зазор между модулями, через который воздух снимает тепло идущее от стенок корпуса, в то время как при соединении двух корпусов они нагревают друг друга, повышая общую температуру светильника. 87 В таблице 3.2 приведены характеристики модульного светильника. Таблица 3.2 Значения параметра Параметры светильника Напряжение питания, В Ток, А Эл. мощность, Вт Световой поток, лм Световая отдача, лм/Вт Вес не более, кг Sunrays 40 Sunrays 80 Sunrays 160 Sunrays 250 180-260 0.35 38 76 152 228 4170 8340 16650 25000 10 15 110 3 5 88 1.3 Выводы по главе 3 1. Всесторонний анализ проектируемого светодиодного светильника имеет огромное значение, поскольку позволяет получить наиболее близкий вариант готового изделия соответствующий заданным требованиям с наименьшими затратами. 2. Применение зеркальных отражательных элементов повышает энергоэффективность светильника, поскольку в сравнении со вторичной оптикой зеркальные элементы не подвержены деградации, а значит со временем световой поток не будет снижаться из за оптической системы. 3. Исследование и разработка корпуса для светодиодного светильника – является одной из главных задач, поскольку корпус отвечает за режимы работы светодиодов, тогда как температура светодиодов напрямую влияет на продолжительность жизни светодиода и его качественные характеристики. 4. Использование охлаждающих ребер у корпуса светодиодного светильника оказалось неэффективным, ввиду наличия застойных зон между ребрами, гораздо эффективнее увеличивать площадь рассеивания тепла. 5. Модульность светильника сокращает количество используемых деталей для производства светильника, что в свою очередь снижает себестоимость готового изделия. 6. Предложено аналитическое выражение для расчета габаритных размеров корпуса светильника в зависимости от потребляемой мощности. 7. Конструкция светильника с отражателями из алюминия марки MIRO SILVERR фирмы ALANOD по сравнению даже с дорогой вторичной оптикой уменьшает потери светового потока. 8. Защитное стекло из монолитного поликарбоната по ТУ 2246-008-810571572008 фирмы «СафПласт», полученное методом вакуумной формовки снижает величину светового потока не более, чем на 6%. 89 4. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТАННОГО СВЕТОДИОДНОГО СВЕТОВОГО ПРИБОРА 4.1 Анализ стоимости светодиодного светильника Основным параметром энергоэффективности осветительного прибора является световая отдача. Она выражается отношением светового потока к потребляемой устройством мощности (лм/вт). Этот параметр есть как у лампы или светодиода, так и у всего светильника, и значительно разнится у этих объектов. У целого прибора этот параметр скорректирован потерями по оптическому и электрическому каналам [82]. Значение световой отдачи для светодиодных уличных светильников должно быть не менее 65 лм/Вт [83]. Световая отдача в большей степени зависит от качества выбранных светодиодов и оптической системы светового прибора, именно поэтому их выбору стоит уделить особенное внимание. 4.1.1. Выбор светодиодов и тока питания На сегодняшний день развитие светодиодного освещения шагнуло далеко вперед, хотя еще 5 лет назад для разработчиков светодиодных светильников было большой проблемой выбрать наиболее энергоэффективные светодиоды. Для светодиодов требовалось детально продумать оптическую систему для формирования необходимой КСС и спроектировать для этой системы теплоотвод. На данный момент некоторые производители светодиодов объединились с производителями линзовой оптики и предлагают готовые оптические модули. Такие модули включают в себя мультилинзу, которая может иметь различные углы светораспределения в результате чего становится возможным подобрать практически любую КСС. В свою очередь производители светодиодов все больше унифицируют свою продукцию. У разных фирм можно встретить светодиоды с одинаковыми геометрическими размерами, которые подходят для определенных мультилинз. Также оптические модули помимо мультилинз и светодиодов включают в себя готовые печатные платы, на которых располагаются светодиоды 90 и специальные уплотнительные резинки для герметизации светильника. В результате таких проектировать подобрана решений светильники, модульно, разработчикам поскольку причем светильников оптическая светораспределение намного система по может умолчанию проще быть будет соответствовать требованиям ГОСТ. Единственное что остается для выбора светильника это марка светодиодов и источников питания. Кажущаяся простота разработки и изготовления светильника осложняется тем, что вторичная оптика обладает целым рядом недостатков, таких как повышение температуры кристалла светодиода, механические напряжения, помутнения линзы и др. снижающие качество светильника (см. пункт 3.1.1 диссертации). На рынке светотехники присутствует огромное количество производителей светодиодов. Основными являются фирмы: Cree, Nichia, Osram, Seoul Semiconductors и др. [84–87]. Каждая фирма имеет свои линейки светодиодов, однако характеристики лучших светодиодов очень схожи. В данной работе использовались светодиоды Cree, поскольку фирма зарекомендовала себя на рынке, светодиоды этой марки обладают передовыми характеристиками, производитель указывает полную информацию о своих продуктах, что упрощает выбор для разработчика. Для оценки энергоэффективности светильника был проанализирован установленный в светильнике светодиод серии XTE–R4 при питании различными токами. Оценка экономической эффективности светодиодов при питании их разным током представлена в таблице 4.1. При питании разным током для получения одного и того же светового потока, количество светодиодов будет меняться, различными будут суммарная стоимость светодиодов. Расчет производился для уличного светодиодного светильника с суммарным световым потоком примерно равным 5000 лм. Данный поток обеспечивался различным количеством светодиодов, поскольку повышая ток питания светодиодов, световой поток светодиода увеличивается, вместе с ростом светового потока растет мощность потребляемая светодиодом, снижается световая отдача, поэтому расход электроэнергии тоже будет разным, рис.4.1. 91 Таблица 4.1 Ток, I, А Световой поток светодиода, лм* Суммарный световой поток светодиодов, лм 0.35 0.5 0.7 1 1.5 130 176 231 302 401 4940 5104 5082 5128 4812 Световая отдача светодиод ов, лм/Вт* Потребля емая мощност ь светодио да, Вт Кол-во, шт. Цена, руб. 130 120 109 95 80 1 1.47 2.13 3.18 5.07 38 29 22 17 12 1900 1450 1100 850 600 Рис. 4.1. Зависимость стоимости светодиодов и потребленной электроэнергии от количества используемых светодиодов в светильнике за год При расчете экономической энергоэффективности светильников использовались значения стоимости электроэнергии 3 руб./кВт·ч [88]. Как видно из рисунка 4.1, при использовании светодиодов на повышенном токе можно экономить на количестве и стоимости светодиодов, получая одинаковые значения светового потока, однако рост потребляемой мощности светодиодов приводит к тому, что меньшее количество светодиодов будет потреблять больше электроэнергии, что менее энергоэффективно, рис. 4.2. Стоимость электроэнергии растет на 15% в год [89]. Поэтому использование светодиодов CREE–XTE–R4 наиболее эффективно при токах от 0,35 до 0,7 А. 92 Рис.4.2. Стоимость электроэнергии за период 11 лет при разном количестве светодиодов в светильнике Снижение цены за счет повышения рабочего тока светодиода приводит к существенному снижению световой отдачи. В связи с этим существует оптимальное соотношение между затратами на светодиоды для светильника и световой отдачей определяющей расходы на электроэнергию. Это соотношение будет зависеть от условий эксплуатации и цены за электроэнергию. При использовании источника питания с током 350 мА в отличии от 700 мА возможна экономия на электроэнергии порядка 17% за 11 лет. При высокой стоимости электроэнергии и относительно не высокой стоимости светодиодов целесообразно использовать малые токи на светодиодах (350 мА), а при малой стоимости электроэнергии имеет смысл питать светодиоды большими токами и выигрывать в стоимости светильников. 93 4.1.2 Выбор источника питания В светодиодном светильнике наиболее важным компонентом после светодиодов и оптической системы является источник питания, он также влияет на энергоэффективность светильника. Именно источник питания определяет продолжительность работы светильника. По данным консорциума надежности светодиодных систем (LSRC) департамента энергетики США основное количество выхода из строя светодиодных светильников связанно именно с Причины выхода из строя светильников выходом из строя источника питания рис. 4.3 [21]. Датчики света Скачки электроэнергии Попадание влаги Светодиоды (качество пайки) Источник питания 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Количество респондентов указавших данные причины Рис. 4.3. Причины выхода из строя светодиодных светильников Источники питания для светильников наружного освещения – это достаточно мощные изделия от нескольких десятков до нескольких сотен ватт [104]. Источники питания в обязательном порядке должны иметь коррекцию коэффициента мощности. Условия эксплуатации являются достаточно жесткими (температурный диапазон – от –40 °С до +55 °С) и требуется повышенная защита от внешних воздействующих факторов (IP65/67). При изготовлении источника должны применяться материалы, стойкие к ультрафиолетовому излучению солнца. Поскольку речь идет о больших потребляемых мощностях, то желательно иметь источники с КПД более 90%. Также предъявляются особые требования по устойчивости изделий к импульсным помехам повышенной энергии. Изделия 94 должны обладать хорошей надежностью, так как ремонт или замена уличного светильника связаны с большими затратами. И, конечно же, источники питания должны иметь адекватную стоимость. В настоящее время имеется широкий спектр известных и малоизвестных производителей источников питания. В наружном и промышленном освещении хорошо известны зарубежные производители Mean Well и Inventronics, Yesok и отечественные производители Аргос и Ирбис [90–94]. Основные характеристики источников питания светодиодных светильников с потребляемой мощностью 100 Вт и выходным током 350 мА представлены в таблице 4.2. Таблица 4.2 Выход ВыходНаименова Производиние HVGC-100 EUC100S035ST YSSC А220Т035 С290К ИПС100700ТУ Диапазон ная ной мощно ток, сть, Вт мА Mean Well 100 350 91 –40°С…+70°С 5 90…305 6000 Inventronics 100 350 92 –35°С…+70°С 2 90...305 5200 Yesok 100 350 90 –40°С…+70°С 5 90...264 3500 Ирбис 100 350 89 –40°С…+50°С 2 170…280 1680 Аргос 100 350 92 –40°С…+60°С 3 176…264 2045 тель КПД, Температурны Срок % й диапазон, °С гарантии , лет входного Цена, напряжени руб. я, В Анализируя данные таблицы 4.2 видно, что светодиодный драйвер в среднем имеет КПД 90%, это означает, что около 10% потребляемой мощности будет выделяться в виде тепла. В целом характеристики рассмотренных драйверов достаточно схожи между собой, однако основное различие заключается в цене и гарантийном сроке работы устройства. В разработанном модульном светильнике используется источник питания фирмы Аргос имеющий высокий КПД 92% и конкурентную цену по сравнению с зарубежными фирмами. 95 4.2 Сравнительный анализ разработанного светодиодного светильника с аналогами и газоразрядными световыми приборами На сегодняшний день светодиодный уличный светильник является самым энергоэффективным световым прибором в сравнении с другими осветительными приборами. Однако светодиодный светильник значительно дороже светильников с дуговыми лампами, его окупаемость обоснована постоянным ростом цен на электроэнергию (при существующем темпе роста в 10–15% ежегодно) [89]. Основные преимущества светодиодов: механическая и температурная устойчивость, устойчивость к перепадам напряжения, продолжительный срок службы, отличная контрастность и цветопередача, экологичность, отсутствие мерцаний. До изобретения синего светодиода и получения на их основе светодиодов излучающих белый свет, в уличном освещении использовались газоразрядные источники света. Два основных источника ламп высокого давления, применяемых в светильниках – это лампы ДРЛ и ДНаТ [93, 94]. Для расчета экономической эффективности разработанного уличного светодиодного светильника Sunrays, проведем сравнение этого светильника с газоразрядными источниками света и светильниками на их основе. Для сравнения выберем светильники с одинаковыми значениями светового потока Sunrays–160 и Galad РКУ–400, Sunrays–240 и Galad ЖКУ–250. Сравнительные характеристики используемых в настоящее время источников света и светильников на их основе представлены в таблице 4.3. Из таблицы 4.3 видно, что светодиодные светильники обладают более продолжительным сроком службы. Стоит отметить, что помимо световой отдачи и светового потока в уличном освещении необходимо учитывать и другие немаловажные характеристики, представленные в таблице 4.4 [95]. 96 Таблица 4.3 Модель Потребляемая активная мощность, Вт Среднее время работы, ч ДРЛ-125 135 12000 Световой поток светильника, Лм 5400 ДРЛ-250 270 12000 11000 ДРЛ-400 425 12000 16720 Светильник консольный ЖКУ-ДНаТ (Galad) ДНаТ-100 ДНаТ-150 ДНаТ-250 ДНаТ-400 116 170 274 431 15000 15000 15000 15000 8132 13300 25232 43500 Модульный светодиодный Sunrays-80 76 50000 8340 светильник Sunrays-160 Sunrays-240 152 228 50000 50000 16650 25000 Тип Светильник консольный РКУ-ДРЛ (Galad) Таблица 4.4 Тип светильника На ДРЛ-400 Sunrays-160 На ДНаТ-250 Sunrays-240 Мощность, Вт 425 152 274 228 16720 16650 25232 25000 Срок службы, ч 12000 50000 15000 50000 Цветопередача 50 80 20 80 35 % <5 % 35 % <5 % низкая не более +/-15% высокая в интервале 85-265В очень низкая не более +/-5% высокая в интервале 85265В 7-10 минут мгновенно 10-15 минут мгновенно низкая высокая очень низкая высокая абсолютно безвредна лампа содержит натриевортутную амальгаму абсолютно безвредна Световой поток, лм Коэф. пульсации света Устойчивость к перепадам напряжения Время выхода на рабочий режим Температурная устойчивость Экологическая лампа содержит безопасность до 100 мг ртути Таким образом, принимая во внимание все вышеуказанные характеристики, светильники на основе светодиодов являются лучшим решением, чем 97 светильники на основе газоразрядных ламп, поскольку обладают большим сроком службы и являются более энергоэффективными и безопасными источниками света. На момент разработки светодиодного светильника наиболее эффективным был светодиод Cree XTEAWT-R4BGE3, однако прогресс не стоит на месте и сейчас продается светодиод той же серии XTE однако бин S3BKE3. Светодиод имеет те же размеры и полностью совместим с прежним. Характеристики светодиода представлены в таблице 4.5. Таблица 4.5. Характеристики светодиода XTEAWT-S3BKE3. Ток, I, А Световой Световая Напряжен Потребляемая поток отдача ие мощность светодиода, светодиодов, питания, светодиода, Вт лм* В* лм/Вт* Излучаемая Колмощность во, светодиода, шт. Вт** 0.35 156 156.5 2.85 1 0.47 38 0.5 211 143.7 2.94 1.47 0.6 30 0.7 277 130 3.05 2.13 0.78 22 Таким образом, разработанный световой прибор с использованием новых светодиодов будет еще более энергоэффективным. Основные характеристики светового прибора представлены в таблице 4.6. Таблица 4.6. Характеристики разработанного светового прибора Значения параметра Параметры светильника Напряжение питания, В Ток, А Эл. мощность, Вт Световой поток, лм Световая отдача, лм/Вт Вес не более, кг Цена, руб. Sunrays 40 Sunrays 80 Sunrays 160 Sunrays 240 180-260 0.35 38 76 152 228 5335 10670 21340 32011 10 18500 15 27200 140 3 6100 5 12100 98 Рассчитаем экономическую эффективность светодиодного светильника Sunrays–160 в сравнении со светодиодным светильником Galad Волна 200, основные характеристики которого приведены в таблице 1.1. Сравниваемые модели имеют практически одинаковый световой поток 21340 лм и 21250 лм соответственно. Различаются же модели по потребляемой мощности 160 Вт у Sunrays и 200 Вт у Galad, при этом стоимость светильников составляет 18500 руб. и 29000 руб. соответственно. Экономическая эффективность уличного светодиодного светильника Sunrays –160, таблица 4.7. Потребление электроэнергии в год рассчитывается при 12 часовом режиме работы в сутки. Стоимость одного кВт в год растет на 15% [89]. Таблица 4.7 Общая Годы Потребление в год, кВт Цена 1 кВт, руб. Стоимость Стоимость потребления за светильника, год, руб. руб. Стоимос cтоимость ть ламп, использования руб. светильника, Sunrays–160 2015 700 3 2100 2016 700 3,45 2017 700 2018 17000 - 19100 2415 - 21515 3,96 2772 - 24287 700 4,56 3192 - 27479 2019 700 5,24 3668 - 31147 2020 700 6,03 4220 - 35367 2021 700 6,93 4851 - 40218 2022 700 7,98 5586 - 45804 2023 700 9,17 6420 - 52224 2024 700 10,55 7385 - 59609 2025 700 12,13 8491 - Итого за 10 лет: 68100 Экономическая эффективность уличного светодиодного светильника Galad Волна 200, таблица 4.8. 99 Таблица 4.8 Общая Годы Потребление в год, кВт Цена 1 кВт, руб. Стоимость Стоимость потребления за светильника, год, руб. руб. Стоимос cтоимость ть ламп, использования руб. светильника, Galad Волна–200 2015 876 3 2628 2016 876 3,45 2017 876 2018 29000 - 31628 3022 - 34650 3,96 3468 - 38118 876 4,56 3995 - 42113 2019 876 5,24 4590 - 46703 2020 876 6,03 5282 - 51985 2021 876 6,93 6070 - 58055 2022 876 7,98 6990 - 65045 2023 876 9,17 8032 - 73077 2024 876 10,55 9242 - 82319 2025 876 12,13 10599 - Итого за 10 лет: 92918 Расчет экономической эффективности светодиодного светильника «Sunrays 160» показал, что экономия за 10 лет использования составила 24818 руб., или светильник Sunrays 160 экономнее в 1,36 раза, чем светильник «Galad Волна 200». Рассчитаем экономическую эффективность светодиодного светильника «Sunrays–240» в сравнении со светильником Фокус «УСС Эксперт 200», характеристики которого представлены в таблице 1.3. Световой поток светильника фирмы Фокус составляет 26000 лм, световая отдача 130 лм/Вт, что является хорошим показателем, однако цена данного светового прибора самая высокая среди всех изученных образцов – 49700руб. Экономическая эффективность уличного светильника «УСС Эксперт 200», таблица 4.9. 100 Таблица 4.9 Годы Потребление в год, кВт Цена Стоимость Стоимость 1 кВт, потребления светильника, руб. за год, руб. руб. 49700 2015 876 3 2628 2016 876 3,45 2017 876 2018 Общая cтоимость Стоимость использования ламп, руб. светильника, УСС Эксперт 200 - 52328 3022 - 55350 3,96 3468 - 58818 876 4,56 3994 - 62812 2019 876 5,24 4590 - 67402 2020 876 6,03 5256 - 72658 2021 876 6,93 6070 - 78728 2022 876 7,98 6990 - 85718 2023 876 9,17 8032 - 93750 2024 876 10,55 9241 - 102991 2025 876 12,13 10512 - Итого за 10 лет: 113503 Расчет экономической эффективности светодиодного светильника «Sunrays 240» показал, что экономия за 10 лет использования составила 16213 руб., или светильник Sunrays 240 экономнее в 1,16 раза, чем светильник «УСС Эксперт 200», при этом световой поток светильника Sunrays 240 больше на 6000 лм. Рассчитаем экономическую эффективность светодиодного светильника Sunrays–160 в сравнении со светильником Galad РКУ – 400 и Sunrays – 240 в сравнении со светильником Galad ЖКУ–250 выбранных в таблице 4.4, за 10 лет использования [96, 97]. 101 Экономическая эффективность уличного светильника РКУ ДРЛ–400, таблица 4.7. Срок работы лампы 12000 часов или 3 года, в стоимость лампы закладывается стоимость работы автовышки 1200 руб/ч для замены лампы и стоимость самой лампы 130 руб. Таблица 4.10 Общая Годы Потребление в год, кВт Цена 1 Стоимость Стоимость Стоимост cтоимость кВт, потребления светильника, ь ламп, использования руб. за год, руб. руб. руб. светильника, РКУ ДРЛ-250 2015 1861 3 5583 2016 1861 3,45 2017 1861 2018 3500 - 9083 6420 - 15503 3,96 7370 - 22873 1861 4,56 8486 1330 32689 2019 1861 5,24 9751 - 42440 2020 1861 6,03 11166 - 53606 2021 1861 6,93 12897 1330 67833 2022 1861 7,98 14850 - 82683 2023 1861 9,17 17065 - 99748 2024 1861 10,55 19633 1330 120711 2025 1861 12,13 22574 - Итого за 10 лет: 143285 Экономическая эффективность уличного светильника ЖКУ ДНаТ-250, таблица 4.11. Срок работы лампы 15000 часов или 3,4 года, в стоимость лампы закладывается стоимость работы автовышки 1200 руб/ч для замены лампы и стоимость самой лампы 330 руб. Таблица 4.11 Годы Потребление в год, кВт Цена 1 Стоимость Стоимость кВт, потребления светильника, руб. за год, руб. руб. Стоимость ламп, руб. Общая cтоимость использования 102 светильника, ЖКУ ДНаТ-150 2015 1200 3 3600 2016 1200 3,45 2017 1200 2018 - 8400 4140 - 12540 3,96 4752 - 17292 1200 4,56 5472 1630 24394 2019 1200 5,24 6288 - 30682 2020 1200 6,03 7236 - 37918 2021 1200 6,93 8316 1630 47864 2022 1200 7,98 9576 - 57440 2023 1200 9,17 11004 - 68444 2024 1200 10,55 12660 1630 82734 2025 1200 12,13 14556 - Экономическая эффективность 4800 уличного Итого за 10 лет: 97290 светодиодного светильника Sunrays–240, таблица 4.12. Таблица 4.12 Годы Потребление в год, кВт Цена Стоимость Стоимость 1 кВт, потребления светильника, руб. за год, руб. руб. 25000 2015 998 3 2994 2016 998 3,45 2017 998 3,96 Общая cтоимость Стоимость использования ламп, руб. светильника, Sunrays–240 - 27994 3443 - 31437 3952 - 35389 103 2018 998 4,56 4551 - 39940 2019 998 5,24 5229 - 45169 2020 998 6,03 6018 - 51187 2021 998 6,93 6916 - 58103 2022 998 7,98 7964 - 66067 2023 998 9,17 9152 - 75219 2024 998 10,55 10529 - 85748 2025 998 12,13 12106 - Итого за 10 лет: 97854 Расчет экономической эффективности светодиодного светильника Sunrays 160 показал, что экономия за 10 лет использования составила 75185 руб. в сравнении со светильникам Galad РКУ-400. Модель Sunrays–240 и светильник Galad ЖКУ–250 имеют одинаковую экономическую эффективность. Таким образом, использование светодиодного светильника Sunrays в течении 10 лет, позволит получить экономию в 2.1 раза по сравнению со светильниками на основе ламп ДРЛ. В сравнении с лампой ДНаТ экономическая эффективность одинакова, однако стоит учитывать недостатки, указанные в таблице 4.4, к тому же с каждым годом светодиоды дешевеют, а их световая отдача возрастает. Замена светодиодов установленных в разработанном светильнике на новые позволит еще больше экономить на потреблении электроэнергии, в сравнении со светильниками на основе газоразрядных ламп. 104 4.3. Использование разработанного светильника для досветки растений Выращивание растений в теплице невозможно без искусственного освещения, поскольку половину года световой день слишком короток, чтобы обеспечить нормальный рост сельскохозяйственных культур. В основном в теплицах используются газоразрядные лампы с определенным и трудно варьируемым светодиодов, позволяет спектральным изменять составом спектральный излучения. состав и Применение интенсивность излучения. На определенных стадиях роста и развития растениям требуются различные участки видимого света в диапазоне 400-700 нм, но с преобладанием красных и синих лучей. Рис. 4.4. Относительная спектральная эффективность излучения для растений по Свентицкому [98–100] Светильники, изготовленные на основе светодиодов, могут перекрывать весь солнечный спектр и быть оптимизированы по спектру фото активной радиации (ФАР) и интенсивности излучения с применением соответствующих электронных устройств. Огромный вклад в изучение влияния отдельных участков солнечного спектра на рост растений еще полвека назад внесла известный светофизиолог Н.Н. Протасова. В ее работах даны четкие указания, какие длины волн, в каких 105 пропорциях, с какой энергией и какое количество фотонов дают максимальный результат — гармонично развитое растение и большой урожай. Согласно Н.Н. Протасовой, по спектру ФАР в растениеводческих лампах желательно иметь следующее соотношение: 25-30% – в синей, 20% – в зеленой, 50% – в красной области [101]. Высокая биологическая и энергетическая эффективность источников искусственного света в конечном счете определит экономический эффект светокультуры растений и возможность более широкого ее использования в тепличных хозяйствах [102]. На основе модульного светильника Sunrays разработан световой прибор для досветки растений в теплицах. В нем использовались белые и красные светодиоды для формирования необходимого спектра, согласно [101]. Спектральное распределение излучения светильника представлено на рис. 4.5. Рис. 4.5. Спектр излучения модульного светильника для досветки растений В настоящее время светильники проходят испытания в теплицах ООО «Кисловское» в деревне Кисловка Томской области. Светодиодными светильниками заменены светильники с лампами ДНаТ. Первые эксперименты показали, что затраты электроэнергии в два раза ниже при той же урожайности. 106 В настоящее время в России и за рубежом проведены исследования, показавшие преимущества светодиодного тепличного освещения. Наибольшие успехи во внедрении светодиодного освещения достигнуты в Европе, Японии и других развитых странах, являющихся крупными сельхозпроизводителями, и именно в этих странах начал осуществляться выпуск специализированных светодиодов, предназначенных для облучения растений. 4.4. Выводы по главе 4 1. При высокой стоимости электроэнергии и относительно не высокой стоимости светодиодов целесообразно использовать малые токи на светодиодах (0,35 А), а при малой стоимости электроэнергии имеет смысл питать светодиоды большими токами и выигрывать в стоимости светильников. 2. Показано что использование светодиодного светильника Sunrays позволяет экономить на электроэнергии в 2.2 раза больше, чем при использовании светильников на основе ламп ДРЛ. Если сравнивать светильник на основе лампы ДНаТ со светильником Sunrays, то экономическая эффективность практически одинакова, однако стоит учитывать недостатки, указанные в таблице 4.4, к тому же с каждым годом светодиоды дешевеют, а их световая отдача возрастает [103]. В сравнении со светодиодными аналогами светильник Sunrays позволяет экономить на электроэнергии минимум в 1.2 раза больше. 3. Показано что разработанный светильник может эффективно использоваться для досветки растений в теплицах. 107 Заключение Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. На основе теоретических и экспериментальных исследований выработан комплексный подход к изучению параметров светодиодных светильников, который позволяет оперативно анализировать рабочие параметры светильника и его энергоэффективность. 2. Предложена и обоснована методика расчета распределения тепловых полей светодиодных световых приборов с конвективным отводом тепла и показано, что необходимый отвод тепла обеспечивается корпусом определенной формы и размера. 3. Предложены методики и проведены исследования влияния температуры p-n перехода и люминофора, силы тока, на основе которых установлены закономерности изменения излучения светодиода и оптимальные токи питания для различных условий эксплуатации световых приборов. Показано, что эффективность излучения определяется, главным образом, рабочим током светодиодов и для получения энергоэффективного светового прибора следует применять токи питания светодиодов 350–700 мА. 4. Температура люминофора светодиода незначительно влияет на интенсивность излучения, при нагреве светодиода от 25 °С до 100 °С показатели интенсивности излучения снижаются на 2%. 5. Разработана методика расчета корпуса светодиодного светильника с оптимальными тепловыми характеристиками. Проведенные расчеты и экспериментальные исследования теплового режима работы светодиодов, смонтированных в предложенном корпусе светильника, показывают, что по отводу тепла корпус удовлетворяет требованиям стабильной работы светодиодов с уменьшением их светового потока не более, чем на 6 %, что соответствует температуре p-n перехода около 70 °С при мощности 75 Вт. 108 6. Получено аналитическое выражение для расчета геометрических размеров корпуса светильника с конвективным отводом тепла в зависимости от мощности потребляемой светильником без громоздких и неэстетичных радиаторов [16]. 7. Показано, что использование корпусов-радиаторов с ребрами для расширения площади охлаждения светодиодов малоэффективно, ввиду наличия застойных зон между ребрами. 8. Модульность светильника сокращает количество используемых деталей для производства светильника, что в свою очередь снижает себестоимость готового изделия. Разработанный энергоэффективный светодиодный светильник модульного типа Sunrays внедрен в производство. 9. Показано что использование светодиодного модульного светильника Sunrays дает экономию по электроэнергии в 2.1 раза по сравнению со светильниками на основе ламп ДРЛ. 10. Разработанный светильник может эффективно использоваться для досветки растений в теплицах. 109 Список сокращений УНО – утилитарное наружное освещение ОП – осветительный прибор ТП – температурное поле ОУ – осветительная установка ИИ – источник излучения ИС – источник света ПИС – полупроводниковые источники света СД – светодиод СИД – светодиод ЛН – лампа накаливания ДРЛ – дуговая ртутная люминесцентная ДНаТ – дуговая натриевая трубчатая 110 Список литературы 1. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [Электронный ресурс]. URL: http://www.rg.ru/2009/11/27/energodok.html (дата обращения: 24.09.2015). 2. Проект бюджета Томской области на 2015-2017 годы [Электронный ресурс] // URL: (дата http://duma.tomsk.ru/files2/28276_Budget2015_2017_1.pdf обращения: 24.09.2015). 3. Экономия при использовании светодиодного освещения [Электронный ресурс] // URL: http://www.newscenter.philips.com/ru_ru/ standard/news/ publications/2013/20131108-ria-novosti.wpd#.VgrHjX1kDfY (дата обращения: 24.09.2015). 4. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [Электронный ресурс]. URL: http://www.rg.ru/2009/11/27/energodok.html (дата обращения: 24.09.2015). 5. Каталог компании «Galad» [Электронный ресурс]. URL http://www.bridgelux.com/resources/bridgelux-announces-market-leading-efficacycob-offering-155-lumens-watt-performance (дата обращения: 15.02.2016). 6. Каталог компании «Diora» [Электронный ресурс]. a.ru/production/street-svetodiodnye-svetilnik/123.html URL: (дата http://diorобращения: 24.09.2015). 7. Каталог компании НПФ «Рубикон» [Электронный ресурс]. URL: http://led22.ru/ledcat/street/c70-led-street-light.html (дата обращения: 21.01.2016). 8. Каталог компании «Промэнергосервис» [Электронный ресурс]. URL: http://spbled.ru/led/2009-11-05-04-46-37/svetovod/ulichnye-svetilniki/ulichnyjsvetodiodnyj-svetilnik-ad-060pw-120.html (дата обращения: 21.01.2016). 111 9. Каталог компании «SunShines» [Электронный ресурс]. URL: http://sun- shines.ru/shop/svetodiod/optica-linza/ (дата обращения: 21.01.2016). 10. Светодиоды и их применение для освещения. Под общей редакцией ак. АЭН РФ Ю. Б. Айзенберга. М.: Знак, 2012. 11. Ноэль Лотар / Охлаждение и регулирование температурных режимов светодиодов // Полупроводниковая светотехника. – 2010. – № 3. – С. 13 12. Выбор оптимального режима работы светодиодных излучателей / Т.А. Барбасова, Е.В. Вставская, В.И. Константинов, В.О. Волков // Вестник ЮУрГУ. – 2010. – №2. – С. 48-51 13. Особенность эксплуатации светодиода / В. Константинов, Е. Вставкая, А. Вставский, М. Пожидай // Полупроводниковая светотехника. – 2011. – №5. – С. 56-57. 14. Приказчик С.П. Исследование светотехнических параметров светодиодов // Светотехника. – 2008. – №4. – С. 24-30. 15. Вайман Д.А., Данилов В.С. Исследование способов эффективного отвода тепла в светодиодах поверхностного монтажа // Сб. науч. тр. НГТУ. – 2013. – №4. – С. 72-81. 16. Луценко Е.В. Температура перегрева активной области коммерческих светодиодов // Полупроводниковая светотехника. – 2011. – № 2. – С. 26–29. 17. K.C. Yung, H. Liem, H.S. Choy, Heat transfer analysis of a high-brightness LED array on PCB under different placement configurations, International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 53, April 2014, Pages 79–86. 18. Asiri Jayawardena, Yi-wei Liu, Nadarajah Narendran, Analysis of three different junction temperature estimation methods for AC LEDs, Solid-State Electronics, volume 86 (2013) Pages 11–16. 19. Young-Pil Kim, Young-Shin Kim, Seok-Cheol Ko, Thermal characteristics and fabrication of silicon sub-mount based LED package, Microelectronics Reliability, volume 56 (2016) pages 53–60. 112 20. Туркин А.Н. Мощные светодиоды CREE преимущества и перспективы для освещения: основные применения // Полупроводниковая светотехника. – 2009. – №2. – С. 14 - 17. 21. Отчет компании «LSRC» Led luminaire lifetime [Электронный ресурс] URL: http://www1.eere.energy.gov/buildings/ssl/pdfs/led_luminaire_ lifetime_ guide_sept2014.pdf (дата обращения: 24.09.2015). 22. Сощин Н.П. Современные фотолюминофоры для эффективных приборов твердотельного освещения: тезисы докладов 7 всероссийской конференции / Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы / СПб.:2010. С.80. 23. Полищук А. Обеспечение теплового режима мощных светодиодных ламп при разработке светотехнических устройств/ А. Полищук // Современная электроника. – 2006. – №3.– С. 42-45. 24. U.S. Department of Energy. Lifetime of White LEDs. Building Technologies Program, Publication PNNL-SA-50957, April 2007. 25. LED Life for General Lighting: Recommendations for the Definition and Specification of Useful Life for Light-emitting Diode Light Sources. ASSIST recommends, Volume 1, Issue 7. Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST), 2006. 26. Sung Ho Parka, Jae Hoon Kim. Lifetime estimation of LED lamp using gamma process model // Microelectronics Reliability, Volume 57, February 2016, Pages 71–78. 27. IES LM-79-08. Approved Method: Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products. Illuminating Engineering Society of North America, 2008. 28. Chang MH, Das D, Varde PV, Pecht M. Light emitting diodes reliability review. Microelectron Reliab 2012; Volume 52:762–82. 29. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды / Л.М. Коган. М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1983. – 208 с. 113 30. Особенность эксплуатации светодиода / В. Константинов, Е. Вставкая, А. Вставский, М. Пожидай // Полупроводниковая светотехника. – 2011. – №5. – С. 56-57. 31. Выбор оптимального режима работы светодиодных излучателей / Т.А. Барбасова, Е.В. Вставская, В.И. Константинов, В.О. Волков // Вестник ЮУрГУ. – 2010. – №2. – С. 48-51. 32. Бабушкина Л.Г. Решение проблемы тепловода в светодиодной технике // Пермский национальный исследовательский политехнический университет. – 2012. – С. 271-274. 33. Феопентов А., Николаев Д. Основы теплового менеджмента при конструировании ПСП // Полупроводниковая светотехника. – 2010. – №1. – С. 44-47. 34. Moo Whan Shin, Sun Ho Jang, Thermal analysis of high power LED packages under the alternating current operation, Solid-State Electronics, volume 68 (2012) Pages 48–50. 35. Minseok Ha, Samuel Graham, Development of a thermal resistance model for chipon-board packaging of high power LED arrays, Microelectronics Reliability, volume 52 (2012) pages 836–844. 36. K.C. Yung, H. Liem, H.S. Choy, Z.X. Cai, Thermal investigation of a high brightness LED array package assembly for various placement algorithms, Applied Thermal Engineering, volume 63, (2014) Pages 105–118. 37. Бородин С.М. Обеспечение тепловых режимов в конструкциях радиоэлектронных схем. Ульяновск, 2007. 38. Дульнеев Г.Н., Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. -М. Высш. шк., 1984. 39. Найвельт Г.С. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1985. 40. Исакеев, А.И., Киселев И.Г., Филатов В.В. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов: Энергоиздат, 1982. – 136 с. 114 41. Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. Под ред. А.Э. Юновича – 2-е издание. М. ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 496с. 42. Скрипников Ю.Ф. Радиаторы для полупроводниковых приборов: Энергия, 1973. – 48 с. 43. Федорищев А.Ю. Состояние и перспективы развития системы наружного освещения России // Светотехника. – 2010. –№ 3. – С. 4–6. 44. Каталог компании «Galad» [Электронный ресурс]. URL: http://galad.ru/catalog/289/07053 (дата обращения: 24.09.2015). 45. Каталог компании «Ledel» [Электронный http://ledel.ru/products/street-light/superstreet-250.html ресурс]. (дата URL: обращения: 24.09.2015. 46. Каталог компании «Фокус» [Электронный ресурс]. URL: http://www.ledsvet.ru/uss-200-expert (дата обращения: 24.09.2015) 47. Мирнов С. Новые светодиоды CREE: высокая эффективность и низкая стоимость // Светотехника. – 2012. – №4. – С. 161-164. 48. Каталог компании «Atom svet» [Электронный ресурс]. URL: http://www.atomsvet.ru/production/street/road (дата обращения: 24.09.2015). 49. Архипов А. Проектирование и разработка энергосберезающих современных систем освещения // Полупроводниковая светотехника. – 2012. – №2. – С. 4245. 50. Выбор оптимального режима работы светодиодных излучателей / Т.А. Барбасова, Е.В. Вставская, В.И. Константинов, В.О. Волков // Вестник ЮУрГУ. – 2010. – №2. – С. 48-51. 51. Маняхин Ф.И., Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э. // Физика и техника полупроводников. - 1999. - Том 33. - Вып. 2. - С.224-232. 52. ГОСТ Р 8.749-2011– 2010 Светодиоды. Методы измерения фотометрических характеристик. 53. Каталог компании «Cree» [Электронный ресурс]. http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED-Components-and- URL: 115 Modules/XLamp/XLamp-Application-Notes/XLampThermalManagement.pdf (дата обращения: 24.09.2015). 54. Бородин С.М., Обеспечение тепловых режимов в конструкциях радиоэлектронных средств. - Ульяновск: Ул. ГТУ, 2008. – 52. 55. Алямовский А.А. Инженерные расчёты в Solidworks Simulation. – ДМК-Пресс, 2010. – 235 с. 56. M. Cai, D. Yang, K. Tian, W. Chen, X. Chen, P. Zhang, X. Fan, G. Zhang, A hybrid prediction method on luminous flux maintenance of high-power LED lamps, Appl. Therm. Eng. 95 (2016) 482–490. 57. K. Furkan Sökmena, E. Yürüklü, N. Yamankaradeniz, Computational thermal analysis of cylindrical fin design parameters and a new methodology for defining fin structure in LED automobile headlamp cooling applications, Appl. Therm. Eng. 94 (2016) 534–542. 58. А. Полищук, Обеспечение теплового режима мощных светодиодных ламп при разработке светотехнических устройств // Современная электроника. 2006, №3, стр. 52-56. 59. Гурин С.Ю., Гриценко Б.П., Влияние тока светодиодов на температурные режимы светильника // Известия ВУЗов. Физика. – 2014 Т.57. – № 9/3. – С. 25 – 28. 60. Гурин С.Ю., Гриценко Б.П., Акимов Б.В., Лукаш В.С. Исследование влияния конструкции светодиодного светильника на его тепловые поля // Известия ВУЗов. Физика. – 2013. – Т.56. – № 12/2. – С. 11-16. 61. Каталог компании «Cree» [Электронный ресурс]. URL: http://cree.com/LEDComponents-and-Modules/Products/XLamp/Discrete-Directional/XLamp-XTEWhite (дата обращения: 24.09.2015). 62. Проектирование светильников [Электронный ресурс] // Rainbow Electronics. URL: http://light.rtcs.ru/articles/detail.php?ID=379463 24.09.2015). (дата обращения: 116 63. S.Y. Gurin, B.V. Akimov, B.P. Gritsenko, Theoretical and experimental investigations of LED luminaire // Applied Mechanics and Materials Vol. 756, pp. 453-458, Apr. 2015. 64. Баранов Л.А., Захаров В.А. Светотехника и электротехнология //М.: КолосС, 2006. — 344 с: ил. — (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений). ISBN 5-9532-0373-Х. 65. Кунтце Т. Выбор оптики для светодиодов // Современная светотехника, 2009. №1. С. 18. 66. Балашов А. Вторичная оптика Carclo для мощных светодиодов // Полупроводниковая светотехника. – 2011. – №6. – С. 14 – 16. 67. Байнева И.И., Байнев В.В. Программная модель для оценки эффективности и надежности светодиодных источников света и приборов // Полупроводниковая светотехника. – 2011.– №3.– С. 40-42. 68. Каталог фирмы Alonod [Электронный ресурс] URL: http://alanod.de (дата обращения: 28.04.2013). 69. Фокусирующая оптика из поликарбоната для светоизлучающих диодов. Fokussieroptiken aus Polycarbonat fur LEDs // Galvanotechnik. 2008. № 3. C. 717718. 70. Каталог компании «Osram» Лампа ДНаТ-150 [Электронный ресурс]. URL: http://www.osram.ru/osram_ru/products/lamps/high-intensity-discharge-lamps/highpressure-sodium-vapor-lamps-for-open-and-enclosed-luminaires/vialox-nav-t-super6y/index.jsp (дата обращения: 24.09.2015). 71. Каталог компании «Galad» Светильник ЖКУ16-150 [Электронный ресурс]. URL: http://galad.ru/catalog/53/00109/ (дата обращения: 24.09.2015). 72. Шнелл Г. Химия и физика поликарбонатов. Под. ред. Колесникова Г.С. М.: Химия, 1967.232 с. 73. Снесаревский П.В. Светлая дорога поликарбоната // Пластикс. 2007. № 6. С. 37-38. 74. Шварцманн, П. Термоформование. Практическое руководство/ П. Шварцманн; под ред. А. Иллига. – СПб.: Профессия, 2007. – 288 с. 117 75. Макаров, В.Г. Промышленные термопласты: справочник/ В. Г. Макаров, В. Б. Коптенармусов. – М.: Химия, 2003. − С. 120–133. 76. ГОСТ 17677-82 Светильники. Общие технические условия. 77. Поль А. Особенности расчета систем отвода тепла. // Полупроводниковая светотехника. 2010, №5, стр. 13-15. 78. Joe-Air Jiang, Jen-Cheng Wang, Kun-Chang Kuo, Yu-Li Su, Jyh-Cherng Shieh, JuiJen Chou, Analysis of the junction temperature and thermal characteristics of photovoltaic modules under various operation conditions, Energy, volume 44 (2012), Pages 292–301. 79. Han-Kuei Fu, Chien-Ping Wang, Hsin-Chien Chiang, Tzung-Te Chen, Chiu-Ling Chen, Pei-Ting Chou, Evaluation of temperature distribution of LED module, Microelectronics Reliability, volume 53 (2013) pages 554–559. 80. Luqiao Yin, Lianqiao Yang, Weiqiao Yang, Yansheng Guo, Kejun Ma, Shuzhi Li, Jianhua Zhang, Thermal design and analysis of multi-chip LED module with ceramic substrate, Solid-State Electronics, volume 54 (2010) pages 1520–1524. 81. Осветитель со светодиодами для улиц: пат. 130041 Рос. Федерация: МПК F21S13/10 / Гурин С.Ю., Лукаш В.С., Акимов Б.В., Сорокин В.Т., Гриценко Б.П., Лисицын В.М. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО НИТПУ. № 2012146039; заявл. 29.10.2012; опубл. 10.07.2013. 82. Романовский А.Н. Энергоэффективность светодиодного светильника [Электронный ресурс] URL: http://www.ledsvet.ru/articles/ energoeffektivnostsvetodiodnogo-svetilnika/ (дата обращения: 24.09.2015). 83. Приборы осветительные, Светотехнические требования и методы испытаний, ГОСТ Р 54350-2011. 84. Каталог компании «Cree» [Электронный ресурс]. URL: http://cree.com/LEDComponents-and-Modules/Products/XLamp/Discrete-Directional/XLamp-XHP35HI (дата обращения: 24.09.2015). 85. Каталог компании «Nichia» [Электронный ресурс]. URL: http://www.nichia.co.jp/ru/product/led_product_data.html?type=%27NF2W757GR %27 (дата обращения: 24.09.2015). 86. Каталог 118 «Osram» [Электронный компании ресурс]. URL: http://www.osram.ru/osram_ru/products/led-technology/light-engines-andmodules/spot-%2c-down-and-wallmount-light-engines-and-modules/index.jsp (дата обращения: 24.09.2015). 87. Каталог компании «Seoul Semiconductor» [Электронный ресурс]. URL: http://www.seoulsemicon.com/en/html/product/product_view.asp?catecode=200403 1 (дата обращения: 24.09.2015). 88. Тариф на электрическую энергию (мощность) в Томской области [Электронный ресурс] // http://energybase.ru/tariff/tomsk/2015?Tariff[type _id]=1 (дата обращения: 24.09.2015). 89. Прогноз розничных цен на электроэнергию в субъектах Российской Федерации на период до 2020 года [Электронный ресурс] URL: http://www.hse.ru/data/2015/04/06/1096300601/Региональный прогноз цен на электроэнергию.pdf (дата обращения: 24.09.2015). 90. Каталог компании «Mean Well» [Электронный ресурс]. http://www.mean-well.ru/category/led/metal/seriaCLG/fixclg/ URL: (дата обращения: 24.09.2015). 91. Каталог компании «Inventronics» [Электронный ресурс]. http://www.inventronics-co.com/zxcp.aspx?c_kind=2&c_kind2=27 URL: (дата обращения: 24.09.2015). 92. Каталог компании «Yesok» [Электронный ресурс]. URL: http://www.yyoss.cn/?products/EconomicalConstantCurrentYSC.html (дата обращения: 24.09.2015). 93. Каталог компании «Osram» Лампа ДРЛ-250 [Электронный ресурс]. URL: http://www.osram.ru/osram_ru/products/lamps/high-intensity-dischargelamps/mercury-vapor-lamps-for-open-and-enclosed-luminaires/hql-deluxe/index.jsp (дата обращения: 24.09.2015). 94. Каталог компании «Osram» Лампа ДНаТ-150 [Электронный ресурс]. URL: http://www.osram.ru/osram_ru/products/lamps/high-intensity-discharge-lamps/high- 119 pressure-sodium-vapor-lamps-for-open-and-enclosed-luminaires/vialox-nav-t-super6y/index.jsp (дата обращения: 24.09.2015). 95. Ефимкина В. Ф., Софронов Н.Н. Светильники с газоразрядными лампами высокого давления. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 104с, ил. – (Б-ка светотехника, Вып.8). 96. Каталог компании «Galad» Светильник ЖКУ16-150 [Электронный ресурс]. URL: http://galad.ru/catalog/53/00109/ (дата обращения: 24.09.2015). 97. Каталог компании «Galad» РКУ16-250 [Электронный ресурс]. URL: http://galad.ru/catalog/53/00210/ (дата обращения: 24.09.2015). 98. Свентицкий И.И. Измерение оптического излучения при выращивании растений // Светотехника. – 1965. – №4. – С. 19–23. 99. Свентицкий И.И. Оценка фотосинтетической эффективности оптического излучения// Светотехника. – 1972. – № 4 – С. 23–25. 100. Свентицкий И.И. Методика измерения оптического излучения при выращивании растений // Всесоюз. ордена Ленина акад. с.-х. наук им. В. И. Ленина. Всесоюз. науч.-исслед. ин-т электрификации сел. хоз-ва. - Москва: Отд. внедрения и информации, 1968. - 27 с. : ил. 101. Протасова Н.Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений / Н.Н. Протасова // Физиология растений - 1987. - т. 34, № 4 - С. 812-822. 102. Протасова Н. Н., Кефели В. И. Фотосинтез и рост высших растений, их взаимосвязь и корреляции. Физиология фотосинтеза. М.: Наука, 1982. С. 251. 103. Берно Рам Светодиодная революция в России // Полупроводниковая светотехника. – 2014. – № 1. – С. 22–25. 104. Шустов М.А. Источники питания и схемотехника. Альтекс-А. Москва 2002. 190с. стабилизаторы. Практическая 120 Приложение 1 Таблица 1 Наименование Технические характеристики Фотоприемные устройства ФПУ с Спектральный диапазон 190…850 нм; ФЭУ Hamamatsu H5773-04 Максимум интенсивности 400нм; Временное разрешение ≥1нс Измеритель температуры Center 306 Диапазон измерений -200…1370 °С Погрешность ± (0,2 % + 1 °С); Максимальное разрешение 0,1 °С; Комплект нейтральных светофильтров Приспособления образцовых источников для и установки исследуемых излучения и светотехнических изделий Источник света светодиод Cree XTE Спектральный диапазон 380…780 нм R4 Минимальный рабочий ток – 50мА Максимальный рабочий ток – 1,5А Рабочее напряжение 2,85-3,4В Генератор импульсов Г5-54 Длительность импульсов 0,1-1000 мкс Частота (период) повторения 0,01 Гц100 кГц Максимальная амплитуда импульса 50 В (при нагрузке 500 Ом) Источник питания постоянного тока 2 независимых регулируемых канала GW INSTEAK GPD-733035 30 В / 3 А 121 Максимальное разрешение 1 мВ/ 1 мА Осцилограф LeCroy wavejet 314 Число каналов – 4 Полоса пропускания 100 МГц, Частота дискретизации 1 ГГц, Коэф. Отклонения 2 мВ/дел…10 В/дел Входной импеданс 1 МОм/16 пФ Макс. входное напряжение 400 В при 1 МОм Коэф. развертки (Кразв.) 5 нс-50 с/дел 122 Таблица 2 Наименование Технические характеристики Оптоволоконный спектрометр Спектральный диапазон 200…1100 нм; AvaSpec 3648-USB2 Точность воспроизведения длины волны ± 0,02 нм. Измеритель температуры Center 306 Диапазон измерений - 200…1370 °С Погрешность ± (0,2 % + 1 °С); Максимальное разрешение 0,1 °С; Приспособления образцовых источников для и установки исследуемых излучения и светотехнических изделий Источник света светодиод Cree XTE Спектральный диапазон 380…780 нм R4 Минимальный рабочий ток – 50мА Максимальный рабочий ток – 1,5А Рабочее напряжение 2,85-3,4В Источник питания постоянного тока 2 независимых регулируемых канала GW INSTEAK GPD-733035 30 В / 3 А Максимальное разрешение 1 мВ/ 1 мА 123 Таблица 3 Наименование Технические характеристики Оптоволоконный спектрометр Спектральный диапазон 200…1100 нм; AvaSpec 3648-USB2 Точность воспроизведения длины волны ± 0,02 нм. Измеритель температуры Center 306 Диапазон измерений - 200…1370 °С Погрешность ± (0,2 % + 1 °С); Максимальное разрешение 0,1 °С; Приспособления образцовых для и источников установки исследуемых излучения и светотехнических изделий Источник света светодиод Cree XTE Спектральный диапазон 380…780 нм R4 Минимальный рабочий ток – 50мА Максимальный рабочий ток – 1,5А Рабочее напряжение 2,85-3,4В Источник света светодиод XTEARY Cree Длина волны 452.5… 457.5 нм Номинальный ток — 350 мА Падение напряжения — 2.85 В Падение напряжения — 3.5 В Цвет свечения — синий Источник питания постоянного тока 2 независимых регулируемых канала GW INSTEAK GPD-733035 30 В / 3 А Максимальное разрешение 1 мВ/ 1 мА 124 Таблица 4 Наименование Технические характеристики Люксметр ТКА-ЛЮКС Диапазон измерений 1…200000 лк; Основная относительная погрешность измерений освещённости (не более) 6% Измеритель температуры Center 306 Диапазон измерений – 200…1370 °С Погрешность ± (0,2 % + 1 °С); Максимальное разрешение 0,1 °С; Приспособления исследуемых для установки светотехнических изделий Источник света светильник на базе Спектральный диапазон 380…780 нм светодиодов Cree XTE R4 Минимальный рабочий ток – 50мА Максимальный рабочий ток – 1,5А Рабочее напряжение 2,85-3,4В Источник питания постоянного тока 2 независимых регулируемых канала GW INSTEAK GPD-733035 30 В / 3 А Максимальное разрешение 1 мВ/ 1 мА 125 Приложение 2 Копия патента на полезную модель мощной полупроводниковой лампы 126 Приложение 3 Копия патента на полезную модель светодиодного светильника 127 Приложение 4 Копия свидетельства к медали «Сибирские Афины» 128 Приложение 5 Копия акта внедрения результатов работы
