Мощные светодиоды и изделия на их основе в свете актуальных областей их применения

Введение

В настоящее время светодиоды (СД) стали применяться практически повсеместно в различных областях. Основные их преимущества, такие как высокая световая отдача, компактные размеры, надёжность и возможность выбора необходимого оттенка света, привлекают разработчиков, что приводит к активному использованию СД в их решениях. Рынок светотехнических изделий на основе СД постоянно развивается, появляются новые приборы. Это связано как с новыми поколениями существующих серий СД и изделий на их основе, так и с освоением компаниями-производителями новых типов продукции.

Основное преимущество СД, малая потребляемая электрическая мощность и, как следствие, низкое потребление электроэнергии устройствами на их основе, позволяет решать ключевую для нашего времени проблему – экономию электроэнергии. Учитывая направленное излучение СД, можно эффективнее использовать источники света на их основе. Необходимо принимать во внимание и тот факт, что время жизни светодиодов превышает аналогичный параметр традиционных ламп накаливания минимум в несколько раз, что делает применение их крайне эффективным в экономическом плане.

Существующие тенденции свидетельствуют о том, что в последнее время СД стали рассматриваться как самые перспективные источники света для осветительных приборов и останутся таковыми в ближайшем будущем. В данной статье рассматриваются новинки компаний Cree и SemiLEDs через призму актуальных областей применения светодиодных светотехнических изделий.

Основные области применения СД

Внедрение осветительных устройств на основе СД в настоящее время уже охватило многие области. СД можно встретить повсеместно – от бегущих строк и рекламных табло до автомобильной светотехники и осветительных устройств. СД и устройствами на их основе сегодня уже трудно удивить потребителей, которые к ним начинают привыкать, разработчики же стараются обосновать преимущества разрабатываемых ими изделий для того или иного применения, а также разъяснить, как лучше и как правильнее сконструировать устройство.

В последние годы применение СД в новых областях активно расширяется, постепенно вытесняя традиционные лампы (как накаливания, так и разрядные). Если до 90-х годов XX века СД ассоциировались в основном с индикацией в электронных приборах, то к началу XXI века они уже широко использовались на транспорте, в светофорах, дорожных знаках, на панели управления в кабинах и салонах транспортных средств, в автомобильной промышленности [1, 2].

В настоящее время СД уже достаточно широко вошли в системы освещения, начиная от архитектурно-художественного, где основным используемым преимуществом является наличие в линейке практически всех цветов видимого спектра, а также возможность управления цветом свечения путём варьирования интенсивности свечения за счёт изменения рабочего тока, заканчивая достаточно специфическими видами общего освещения, например уличного, где требуются сложные светотехнические решения.

Открываются и другие перспективные области применения СД. Одной из них, безусловно, является (и в ближайшем будущем обещает бурно расти) применение СД в растениеводстве [1–6].

Рассмотрим указанные области подробнее, с приведением краткого анализа новых моделей СД ведущих мировых производителей, которые находят применение в светотехнических изделиях для данных областей.

Применение СД в освещении

Одной из основных областей применения СД является освещение. Потребность человечества в обеспечении источниками света сопровождает его изначально с момента зарождения. Невозможно представить существование современного общества без использования искусственного освещения. Осветительные приборы и используемые в них источники света постоянно совершенствуются по мере развития науки и техники. Основными стимулами для развития являются увеличение светового потока источника света, т.е. величины, характеризующей мощность его оптического излучения, воспринимаемую человеческим глазом, уменьшение затрат электроэнергии на освещение и экологическая чистота светотехнических устройств.

Появление в середине 90-х годов XX века СД белого цвета свечения породило первые предположения о возможности в будущем использовать их для искусственного освещения. К этой идее вернулись в начале 2000-х годов, когда были разработаны первые мощные СД [1, 2, 7]. Проблема экономии электроэнергии в наше время приобретает особую актуальность, а по световой отдаче первые мощные СД превосходили лампы накаливая (самые распространённые на тот момент источники света) примерно в два раза.

На сегодняшний день СД уже стали хорошей заменой практически для всех типов ламп – от накаливания до газоразрядных. Их основные преимущества – высокая световая отдача, компактные размеры, надёжность и возможность выбора необходимого оттенка света – повсеместно используются разработчиками в различных отраслях. Разнообразие применений обусловлено, прежде всего, много­образием типов и моделей СД различных цветов, размеров, форм и параметров.

В настоящее время рынок светотехнических изделий поступательно развивается благодаря постоянному появлению новых светодиодных продуктов. Хотя круг основных типов светодиодных изделий, можно сказать, практически сформировался, новые приборы продолжают появляться. Связано это как с новыми поколениями существующих серий СД и изделий на их основе, так и с освоением производителями новых типов продукции.

В качестве примера рассмотрим продукты семейства XHP компании Cree, разработанные на основе технологической платформы SC5, которая определяет принципиально новый класс мощности для дискретных СД [8]. Их даже можно назвать сверхмощными СД (Extreme High Power LEDs).

Семейство сверхмощных СД состоит из трёх серий – XHP70 (см. рис. 1), XHP50 (см. рис. 2) и XHP35 (см. рис. 3). Светодиоды серии XHP70 [8, 9] выполнены в корпусе с размерами основания 7,0 × 7,0 мм. Значение их светового потока может достигать 4022 лм при потребляемой мощности 32 Вт. Светодиоды серии XHP50 [8, 9] имеют размеры основания корпуса 5,0 × 5,0 мм. Их световой поток может достигать 2546 лм при потребляемой мощности 19 Вт. Базовая конфигурация СД данных серий предполагает работу при постоянном напряжении 12 В, что является номинальным режимом. Значение тока при этом для СД серии XHP70 составляет 1050 мА, а у СД серии XHP50 – 700 мА. Максимальное значение рабочего тока в данной конфигурации для СД серии XHP70 составит 2400 мА, для СД серии XHP50 – 1500 мА.

Также возможно реализовать для данных серий СД рабочую конфигурацию с напряжением 6 В. В этом случае значение тока для XHP70 составит 2100 мА, а для XHP50 – 1400 мА. Максимальное значение тока в такой конфигурации для серии XHP70 составит 4800 мА, а для серии XHP50 – 3000 мА. Характеристики светодиодов серии XHP50 и XHP70 представлены в таблице 1.

* Номинальный режим: XHP50 – для конфигурации 12 В при токе 700 мА (указанные в таблице значения можно использовать как ориентировочные для конфигурации 6 В при токе 1400 мА); XHP70 – для конфигурации 12 В при токе 1050 мА (указанные в таблице значения можно использовать как ориентировочные для конфигурации 6 В при токе 2100 мА);
**Tj – температура активной области кристалла.

Размеры основания корпуса СД серии XHP35 [9] составляют 3,45 × 3,45 мм. Максимальный световой поток данных СД достигает 1833 лм при потребляемой мощности 13 Вт.

С целью получения большей силы света была разработана серия СД XHP35HI. В конструкции корпуса СД данной серии отсутствует первичная линза. Это сделано для того, чтобы обеспечить более эффективное использование вторичной оптики, особенно с узкими углами кривой силы света (КСС). В результате применения данной серии СД удаётся получить большую осевую силу света в осветительных устройствах с узкой КСС, к которым в основном относятся прожекторы. СД серии XHP35HI, как и светодиоды XHP35, имеют корпус с размерами основания 3,45 × 3,45 мм. Максимальный световой поток данных СД достигает 1483 лм при потребляемой мощности 13 Вт.

Номинальный ток для обеих указанных серий СД составляет 350 мА, типовое значение напряжения при этом токе – 11,3 В. Максимальное значение тока для этих серий составляет 1050 мА. Характеристики светодиодов серии XHP35 и XHP35HI представлены в таблице 2.

* Номинальный режим: 11,3 В при токе 350 мА; 
**Tj – температура активной области кристалла.

Применение СД серии XHP позволит разработчикам и производителям светотехнических изделий и систем на основе светодиодов существенно уменьшить размеры источника света и, как следствие, самого изделия, сохранив при этом аналогичные значения светового потока.

Также путём применения светодиодов семейства XHP можно достичь увеличения значения светового потока светотехнических изделий без изменения их габаритов, что позволит использовать меньшее число светильников на объекте и при этом не снижать значения освещённости и соответствовать необходимым требованиям. В результате это приводит к снижению затрат на светильники при подготовке объекта.

В конечном итоге, в обоих случаях потребители получат снижение затрат на светотехническую составляющую проекта, что является достаточно существенным преимуществом применения СД.

СД в автомобильной светотехнике

Стоит отдельно сказать о возможности применения СД в автомобильной светотехнике. Одними из первых приборов в автомобиле, где стали применять СД, были дополнительные сигналы торможения (ДСТ). Постепенно СД стали использоваться и в обычных сигналах торможения, а также в указателях поворота, заднего хода, на панели приборов и для освещения салона. В последние годы область применения СД в автомобиле распространилась на габаритные и ходовые огни, а также на освещение номерного знака.

Неохваченными до недавнего времени оставались только фары ближнего и дальнего света. Связано это было со специфической КСС фар ближнего света, которая должна обеспечивать соответствие достаточно строгим требованиям. Получение требуемой КСС возможно только при применении специальной оптики, разработка которой является достаточно сложной, что сказывается на её себестоимости. Как следствие, разработкой светодиодных фар занимались только самые известные бренды и, в основном, на своих топовых моделях.

Впрочем, ситуация изменилась, и сегодня многие автомобильные производители заинтересовались возможностями СД-продуктов. Существенный рост рынка ожидается в ближайшие несколько лет, что может быть связано с появлением новых интересных инновационных решений.

Одним из таких решений является светодиодная лампа H4/H7 (см. рис. 4), разработанная компанией SemiLEDs [10]. Данная лампа предназначена для фары головного света автомобиля и мотоцикла. Компания разработала эту новинку на основе собственного патента и представила её на рынок в феврале 2015 года. Массовое производство было запущено в конце первого квартала 2015 года.

Ключевой особенностью новой светодиодной лампы H4/H7 является конструкция излучателя на основе множества светодиодных кристаллов [10, 11]. Такой излучатель (см. рис. 5) обеспечивает светораспределение, аналогичное тому, что даёт нить накала галогенной лампы, при этом его световая отдача существенно выше. Благодаря этому КСС светодиодной лампы H4/H7 и стандартной галогенной лампы практически одинаковые, однако световые характеристики фары при использовании светодиодной лампы H4/H7 возрастают примерено на 35% по сравнению с использованием стандартной галогенной лампы [10, 11]. Стоит отметить, что светодиодную лампу H4/H7 легче монтировать в корпус фары, чем стандартную галогенную.

Светодиодная фара на базе лампы H4/H7 соответствует требованиям регламентирующих документов дорожного движения, предъявляемым к головному свету. Оптическая система данной фары позволяет получить равномерное светораспределение при меньшей яркости, и таким образом значительно снизить эффект ослепления водителей встречного транспорта. Свет новой светодиодной фары является более комфортным для глаз водителя, он делает лучше освещение дорожного покрытия и обзор дороги в ночное время, и, как следствие, улучшает состояние водителя – снижает утомляемость и увеличивает работоспособность. Система отвода тепла от светодиодного кристалла, разработанная компанией SemiLEDs для светодиодной лампы H4/H7, гарантирует ей долгий срок службы (до 30 000 часов) по сравнению с аналогичными галогенными лампами [11].

СД в растениеводстве

Как уже было сказано выше, одной из интересных и перспективных областей применения СД является растениеводство.

Главным процессом жизнедеятельности растений, отвечающим за их рост и развитие, является фотосинтез. Более 95% сухого вещества растений создаётся в результате этого процесса, и управление им является наиболее эффективным путём воздействия на продуктивность и урожайность растений [3–6]. Источником энергии для фотосинтеза служит преимущественно длинноволновая часть спектра (красные лучи), а влияние коротковолновой части (сине-зелёной) менее существенно. В то же время проводились и другие исследования воздействий излучения видимой части спектрального диапазона на растения, которые показали, что у растений за поглощение света отвечают специальные пигменты, основными из которых являются хлорофиллы a и b и каротиноиды [3–6]. Хлорофиллы поглощают свет синего и красного диапазонов, а каротиноиды – синего диапазона. В результате исследований было установлено, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растений являются интенсивности в пределах 150–220 Вт/м² [3, 4, 11], а оптимальный состав излучения имеет следующее соотношение энергий по спектру: 30% – в синей области (380–490 нм), 20% – в зелёной (490–590 нм) и 50% – в красной области (600–700 нм) [3–6].

В настоящее время можно утверждать, что СД способны обеспечить хорошее соответствие спектра излучения аграрного светильника спектру эффективности фотосинтеза, в отличие от используемых в большинстве тепличных осветительных систем адаптированных для растениеводства натриевых ламп высокого давления. На графиках (см. рис. 6) представлены типичные спектральные кривые основных цветов существующих моделей СД основных производителей, рекомендуемых для использования в растениеводстве. Типовые значения мощности излучения и светового потока таких СД на примере изделий производства компании Cree для соответствующих диапазонов длин волн представлены в таблице 3.

Приведённые данные указывают на возможность применения светодиодных светильников для использования в растениеводстве. Современные СД перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от тёмно-красного до фиолетового цвета. Составляя комбинации из СД разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне.

Следует также отметить, что все СД имеют стандартные версии с белым светом в диапазоне цветовых температур 2700…8000 K. В некоторых случаях для оптимизации формы спектра излучения светильника для подсветки растений применяются комбинации синего, белого и тёмно-красного цвета [6].

Современные теплицы представляют собой сложные технические комплексы, в большей части роботизированные. Управление ими осуществляется при помощи автоматизированных систем, в которые достаточно органично можно добавить и управление освещением, причём как по интенсивности, так и по спектральному составу излучения. Настроенная система позволит производить управляющие операции по программам, учитывающим фазу развития растений. Предлагаемая система позволит уменьшить время полного цикла развития растения и увеличить количество периодов плодоношения только благодаря подбору спектрального состава СД-освещения. Если учесть экономию электроэнергии и возможность управления интенсивностью и спектральным составом излучения в зависимости от фазы развития растения, то экономический эффект от внедрения таких светильников может быть очень существенным.

Всё вышеперечисленное делает СД-светильники крайне привлекательными для использования в тепличном освещении.

Заключение

Описанные в статье факты свидетельствуют о продолжающемся развитии использования СД в осветительных приборах. СД осваивают новые ниши и открывают для себя новые области применения, которые до недавнего времени потребителями не просто не осваивались, а даже не рассматривались. Компании – производители СД не только следят за тенденциями рынка, но и стараются предугадывать его нюансы, выпуская новые интересные продукты.

В связи со сказанным выше, особое значение приобретает прорыв в физике и технологии полупроводников, произошедший в середине 90-х годов ХХ века благодаря созданию гетероструктур на основе нитрида галлия (GaN) и его твёрдых растворов, отмеченный в 2014 году Нобелевской премией по физике японским учёным Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуре [12]. Очевидно, что это исследование на стыке фундаментальной науки, описывающей рекомбинацию носителей в полупроводниковых структурах, и прикладной науки позволяет достичь существенного эффекта в разных областях светотехники. Можно смело утверждать, что в данном случае наука является двигателем прогресса.

Литература

1. Туркин А.Н. Применение светодиодов в светотехнических решениях: история, реальность и перспективы. Современные технологии автоматизации. 2011. №2.
2. Туркин А.Н. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы. Полупроводниковая светотехника. 2011. №5.
3. Бахарев И., Прокофьев А., Туркин А., Яковлев А. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы. Современные технологии автоматизации. 2010. №2.
4. Прокофьев А.Ю., Туркин А.Н., Яковлев А.А. Перспективы применения светодиодов в растениеводстве. Полупроводниковая светотехника. 2010. №5.
5. Сарычев Г., Гаврилкина Г., Туркин А., Репин Ю. Светодиоды и интенсивная светокультура растений. Полупроводниковая светотехника. 2014. №1.
6. Туркин А., Червинский М. Новые цветные светодиоды компании Cree: особенности и перспективы использования. Полупроводниковая светотехника. 2015. №6.
7. Туркин А.Н. Светодиоды Lumileds: прошлое, настоящее, будущее. Полупроводниковая светотехника. 2012. №2.
8. Туркин А., Червинский М. Новые серии светодиодов компании Cree на основе улучшенной технологической платформы. Полупроводниковая светотехника. 2015. №1.
9. Червинский М., Музалевский И., Юсупов С. Новые технологии для нового поколения светильников. Полупроводниковая светотехника. 2015. №4.
10. Матешев И., Туркин А. Светодиоды SemiLEDs – новые технологии, новые возможности. Полупроводниковая светотехника. 2014. №3.
11. Туркин А.Н. Новинки на рынке светодиодной продукции от компании Semi­LEDs. Полупроводниковая светотехника. 2015. №3.
12. Туркин А.Н., Юнович А.Э. Лауреаты Нобелевской премии 2014 года: по физике – И. Акасаки, Х. Амано, С. Накамура. Природа. 2015. №1.