Эволюция светодиодных ламп прямой замены

науки готовим рекомендации и представления для включения специалистов нашей страны в состав Коллегии национальных экспертов стран СНГ по лазерам и лазерным технологиям.

В связи с вступлением в силу Договора о создании Единого таможенного пространства была начата работа по подготовке единого технического регламента на безопасность лазерной техники. Принятие данного документа создаст благоприятные условия для продвижения объектов лазерно-оптической техники на новые рынки сбыта и будет способствовать поступлению валюты в страну.

В рамках международного сотрудничества НТА принимает активное участие в подготовке и проведении выставок «Фотоника» в Москве, в зарубежных конференциях по лазерной тематике. В 2011 г. в Минске состоялась Белорусско-российская инновационная конференция, на которой обсуждались вопросы мобилизации и консолидации интеллектуальных, технологических и инвестиционных ресурсов на ключевых направлениях развития. На мероприятии был представлен совместный от Лазерной ассоциации и НТА доклад на тему «Лазерно-оптическая отрасль в России и Беларуси: от науки к производству через инновации». С целью координации совместных работ в рамках российской Технологической платформы «Инновационные лазерно-оптические и оптоэлек-тронные технологии - «Фотоника» по инициативе НТА в состав рабочих групп были включены 11 специалистов нашей страны.

НТА «Оптика и лазеры» принимала активное участие в подготовке и заключении трехстороннего Соглашения об образовании Евразийской технологической платформы «Фотоника» (Беларусь, Россия, Казахстан). Документ подписан в мае этого года. СИ

Эволюция

светодиодных

ламп

прямой замены

\

В последние годы на смену ставшим уже привычными лампам накаливания и компактным люминесцентным пришли новые, более экономичные, экологически безопасные и долговечные светодиодные с аналогичным форм-фактором (рис. 1). Предназначенные для непосредственной замены традиционных источников света, в технической литературе они называются светодиодными лампами прямой замены СЛПЗ или LED retrofit lamps.

СЛПЗ обеспечивает полную преемственность установочных, электрических и светотехнических характеристик заменяемой лампы, но отличается более высокой световой эффективностью и сроком службы. Преемственность особенно важна, так как под использование старых типов источников света спроектировано и находится в эксплуатации огромное количество светильников, люстр, бра и т.п.

Выделяются два принципиально отличающихся друг от друга вида или поколения СЛПЗ.

СЛПЗ первого поколения

Данные лампы были созданы приблизительно в 2005 г. Сейчас они достаточно широко распространены, объемы их выпуска и реализации составляют миллионы штук в год, а стоимость - от 1 долл. за единицу

Рис. 1. Источники света бытового назначения

Рис. 2.

Конструкции СЛПЗ

(

Лампа накаливания

Компактная люминесцентная лампа

Светодиодные лампы прямой замены

первого поколения второго поколения

(не самых высоких характеристик производства стран Юго-Восточной Азии). Вместе с тем в их конструкции имеется ряд существенных недостатков, которые в будущем приведут, по-видимому, к отмиранию данной технологии. Рассмотрим вопрос более подробно.

В СЛПЗ первого поколения источником света выступает один или несколько мощных (1-2 Вт) дискретных светодиодов (рис. 2). Их срок службы и надежность существенно зависят от температуры активной области (непосредственного излучателя). Поэтому в СЛПЗ первого поколения для отвода тепла, выделя-

емого мощными светодиодами, используется радиатор. Он изготавливается из таких материалов, как алюминий, теплопроводя-щие керамики или пластмассы, и располагается обычно между цоколем и плафоном (рассеива-телем) лампы. Следует отметить, что для эффективного рассеивания тепла в условиях естественной конвекции радиатор должен иметь достаточно большую поверхность, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы СЛПЗ, а также усложняет достижение требуемых светотехнических характеристик. Дело в том, что компактные люминесцентные, а также тра-

диционные лампы накаливания характеризуются практически равномерным и однородным свечением во всех направлениях. Что же касается СЛПЗ первого поколения, то в силу описанных конструктивных особенностей непрозрачный тепловой радиатор блокирует часть светового потока, излучаемого светодиода-ми. Проблему можно частично решить, расположив источники света на боковых гранях выступающего пьедестала теплового радиатора либо используя специализированные оптические элементы (линзы, рефлекторы, световоды и т.п.). Однако из-за усложнения технологии, а также

Рассеиватель

— Светодиод

Радиатор

Драйвер

Цоколь

Электрод . Изолятор -

Подложка

Светодиодный кристалл

Электрод

Первого поколения

Второго поколения

Светодиодная нить

неизбежных оптических потерь такие лампы характеризуются более высокой стоимостью, небольшим световым потоком и являются менее привлекательными для потребителя.

Следует также отметить, что для электрического питания све-тодиодов в СЛПЗ первого поколения применяются низковольтные преобразователи с высоким выходным током (драйверы), что негативно сказывается на КПД, надежности и стоимости ламп.

СЛПЗ второго поколения

Прототип СЛПЗ второго поколения был впервые создан японской компанией Ushio Lighting в 2008 г. Однако массовое распространение такие лампы получили начиная с 2012-2013 гг. и с тех пор постепенно вытесняют с рынка не только традиционные, но также и СЛПЗ первого поколения.

В СЛПЗ второго поколения в качестве источников света используется несколько светодиодных нитей. На английском языке они именуются LED filament, поэтому их еще называют лампа-ми-филаментами. В общем случае светодиодная нить

в цепочку синих светодиодов добавляют полупроводниковые приборы красного свечения.

Падение напряжения на светодиодной нити составляет около 70 В, а рабочий ток всего 10-20 мА. Это наилучший режим эксплуатации светодиодов как с точки зрения увеличения световой эффективности, которая на малых токах выше, так и с позиции уменьшения нагрева све-тодиодов вследствие снижения выделяемой тепловой энергии и ее равномерного распределения по поверхности подложки. Благодаря этому становится возможным отказаться от использования теплового радиатора. Также немаловажно, что схемотехническая реализация драйвера значительно проще, чем в случае СЛПЗ первого поколения, поэтому он может легко помещаться внутри цоколя лампы.

Важное преимущество СЛПЗ второго поколения - возможность изготовления без существенных изменений конструкции ламп в различных форм-факторах (шар, свеча, декоративные лампы) и с различными цоколями (Е27, Е14 и т.п.). Законченные изделия также имеют небольшой вес и не утяжеляют светильники и люстры, в которые устанавливаются.

Конечно, несмотря на кажущуюся простоту конструкции, СЛПЗ второго поколения - сложные устройства. В частности, к ноу-хау относятся: технология синтеза и равномерного нанесения люминофорных композиций на подложку при соблюдении высокой адгезии люминофора к подложке, повышение механической прочности и устойчивости светодиодных нитей к вибрациям и одиночным ударам, конструктивно-технологические способы получения 360-градусной диаграммы вывода излучения и снижения так называемых утечек синего света через торцы подложки (в случае использования

прозрачных материалов), методы минимизации перегрева и деградации светодиодных кристаллов и нитей и др.

Например, для уменьшения нагрева полупроводников применяют металлические подложки, а внутренний объем стеклянной колбы лампы заполняют смесью инертных газов и заваривают при помощи газовой горелки. Применение таких газов не случайно. Это позволяет, с одной стороны, снизить химическую деградацию люминофора в светодиодных нитях, а с другой - улучшить условия для интенсификации естественной конвекции внутри колбы за счет малой вязкости инертных газов.

Оптимальным считается такое расположение светодиодных нитей внутри лампы, при котором ни одна их пара не располагается в одной плоскости. В этом случае диаграмма вывода света соответствует лампам накаливания и обеспечивает равномерность освещаемой поверхности (рис. 3).

Сравнение

эксплуатационных

характеристик

В табл. 1 представлены основные технические характеристики СЛПЗ первого и второго поколений на основе результатов собственных измерений и литературных данных [1] (результаты измерений других СЛПЗ первого поколения были опубликованы ранее нами в [2, 3]). Исследования были выполнены в оснащенной современным оборудованием аккредитованной испытательной лаборатории Центра светодиодных и опто-электронных технологий НАН Беларуси, в которой регулярно проводится мониторинг светотехнической продукции рынка Таможенного союза.

Из приведенных данных следует, что световая эффективность

Потребляемая „ „ Световая „ - ^

Наименование Световой поток, .. ....,. Срок службы*,

№ Фотография мощность, эффективность, КЦТ, K (CRI) '

лампы „ лм тыс. ч.

Вт лм/Вт

Uniel Sky 7W/E27/3000K

5,3

117,5

2679

Feron LED 7W/E27/2700K

6,2

96,8

2870

Feron LED 7W/E27/4000K

6,4

105,5

4139

Feron LED 5W/E27/4000K

4,0

383

95,8

3825

30

PLED A60 OMNI 8W/E27/2700K

7,6

719

94,6

3051

30

LED Filament lamp A60 6W/E27/warm light

6,2

100,5

2740

LED Filament lamp C35 4W/E14/warm light

4,2

85,2

2712

ASD LED-A60 ПР 6Вт/Е27/3000К

4,8

92,5

3001

ASD LED-A60 ПР 8Вт/Е27/3000К

6,1

565

92,6

2848

30

10

ASD LED-A60 ПР 10Вт/Е27/3000К

7,7

825

107,1

2876

30

Таблица 1. Основные технические характеристики СЛПЗ первого и второго поколений * по данным производителя

30

2

30

3

30

4

5

6

7

8

444

30

9

СЛПЗ первого поколения от ведущих производителей составляет от 60 до 85 лм/Вт. С другой стороны, у образцов СЛПЗ второго поколения, выпущенных даже непередовыми предприятиями, этот показатель лежит в диапазоне от 85 до 115 лм/Вт. Таким образом, уже сейчас СЛПЗ второго поколения являются на 30-40% более эффективными в сравнении с предшественниками.

Такие параметры, как коррелированная цветовая температура (КЦТ) и CRI, характеризующие качество и комфорт освещения для СЛПЗ обоих поколений, в целом находятся в приемлемых диапазонах (КЦТ от 2000 К до 4000 К, CRI - не менее 80).

Итоги и перспективы

Очевидно, что в ближайшее время благодаря внедрению инновационных разработок в области светодиодных ламп прямой замены рынок светотехники будет подвержен существенному форматированию и трансформации. При этом предприятия, выпускающие устаревшую продукцию, будут вынуждены уйти с него или значительно уменьшить объемы собственного производства, а на их место придут новые игроки.

Актуальность и перспективность передовой технологии подталкивает многих производителей традиционных источников света, в том числе и на территории Таможенного союза, к разработке и освоению выпуска СЛПЗ второго поколения. Так, завод «Лисма» (г. Саранск) наладил изготовление СЛПЗ мощностью от 4 до 8 Вт со световой эффективностью около 110 лм/Вт [4]. Томский электроламповый завод (ТЭЛЗ) планирует начать в 2015 г. производство СЛПЗ второго поколения при научно-техническом сопровождении Томского госуниверситета систем управления и радиоэлектроники [5].

«я

Темные пятна

//W

àw I

Wim

В Республике Казахстан выпуск СЛПЗ второго поколения организуется в ТОО «LED Systems» (г. Астана, Казахстан), которое вместе с Физико-техническим институтом (г. Алматы) и Научно-технологическим центром «Парасат» является лидером в области светодиодных технологий в Казахстане. Следует отметить, что часть технологических операций будет выполняться по аутсорсингу.

В Республике Беларусь в рамках светотехнического кластера на базе Брестского электролампового завода также создается производство светодиодных ламп нового поколения. На опытных

See: http://innosfera.by/2015/10/LED_lamps

образцах уже достигнута световая эффективность 145 лм/Вт, что существенно больше значений, указанных в табл. 1. Вместе с тем в планах предприятия - лампы с показателем 170 лм/Вт.

Центр светодиодных и опто-электронных технологий НАН Беларуси активно участвует в работах по СЛПЗ второго поколения в тесном контакте с ОАО «БЭЛЗ» и ТОО «LED Systems». Наша общая задача видится в том,чтобы,используя накопленный опыт, научные знания и имеющиеся разработки, обеспечить в будущем выпуск востребованной рынком новейшей светотехнической продукции. СИ

Юрий Трофимов,

директор Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий НАН Беларуси, кандидат технических наук

Игорь Каледа,

директор ОАО «Брестский электроламповый завод»

Амангельды Таукенов,

генеральный директор ТОО «LED Systems»

Сергей Лишик,

ученый секретарь Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий НАН Беларуси, кандидат технических наук

Литература

1. Электронный ресурс: http://www.ledinside.eom/knowledge/2015/2/the_next_generation_ofJed_filament_bulbs.

2. Лишик С.И., Паутино А.А., Поседько В.С., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. О светодиодных лампах прямой замены // Светотехника. 2010, № 1. С. 48-54.

3. Лишик С.И., Паутино А.А., Поседько В.С., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. Конструктивно-технологические решения светодиодных ламп прямой замены // Светотехника. 2010, № 2. С. 7-12.

4. Электронный ресурс: http://www.lisma-guprm.ru/deyatelnost-predpriyatiya/proehee/filamentnye-lampy.

5. Электронный ресурс: http://www.energosovet.ru/news.phpizagH426061376.

Рис. 3.

Влияние

взаимного

расположения

светодиодных

нитей

на неоднородность освещения поверхности [1]