Кажется, что основные требования к светильнику — давать качественный свет и не ломаться в течении срока своей службы. Все так, это — главное. Но современные модели умеют намного больше.
Например, нужно удаленно изменить световой поток для управления уличным освещением? Или включать светильник по восходу и закату без дополнительных устройств? Без проблем — современные светильники умеют это и многое другое. Для этого в них ставится интеллектуальный драйвер, позволяющий программировать множество функций.
В статье расскажем, как на практике будет полезна одна из функций «умного» светильника» — компенсация деградации светодиодов.
Почему деградируют светодиоды
Чтобы понять физику процесса, сначала посмотрим на устройство типичного светодиода. Можно выделить четыре основных компонента:
- Кристалл — полупроводник, излучающий обычно синий цвет, к которому подводятся тончайшие золотые провода;
- Люминофор — нанесенное сверху кристалла покрытие из фосфора, работающее как фильтр: синий цвет преобразуется в видимый белый определенной цветовой температуры.
- Подложка — алюминиевое или керамическое основание, на котором устанавливается сразу несколько кристаллов.
- Линза — оптическая часть, которая создает световой поток с определенной кривой силы света (КСС).
Электрический ток протекает внутри кристалла, и как и любое устройство, он нагревается. И за счет того, что структура всего светодиода напоминает бутерброд, проявляется это достаточно сильно. На сколько? Если кратко, нагрев зависит от:
- тока потребления, который выдает драйвер;
- степени рассеивания тепла (теплоотвода печатной платы и корпуса);
- температуры окружающего воздуха.
Другими словами, в плохо спроектированном светильнике с точки зрения схемотехники и конструктива, кристалл будет работать при постоянно более высокой температуре, чем рассчитано производителем светодиодов. А это чревато массой проблем.
Во-первых, кристалл светодиода окружен материалами с разными коэффициентами расширения. Например, двухкомпонентный силиконовый компаунд расширяется на 97,5% сильнее, чем корпус. В результате внутри кристалла появляются механические напряжения, приводящие к расслоению самой структуры и ухудшению электрического контакта (деградации припоя и так далее).
Во-вторых, под воздействием высокой температуры люминофор и компаунд тускнеют и пропускают меньше света.
В-третьих, изменяется температура p-n перехода в кристалле — одна из ключевых характеристик полупроводника. Чем выше температура в кристалле, тем больше ток в переходе за счет избыточной термогенерации носителей. И при превышении критической величины, сама структура начинает разрушаться.
Итог этого — быстрое снижение светового потока. Например, при температуре 117 ˚С он падает на 20%, а при 135 ˚С светоотдача снижается быстро и необратимо.
Другими словами, деградация светодиодов проявляется в том, что они начинают давать меньше света. И чем быстрее происходит процесс старения, тем сильнее снижается световой поток.
Как быстро деградируют светодиоды
Основной стандарт, который определяет скорость старения — LM-80 «Измерение светового потока и поддержание цвета светодиодных блоков, матриц и модулей».
Суть заключается в том, что образцовые светодиоды из партии помещаются в испытательную камеру при разных температурах и при разном токе потребления, и выдерживаются заданное время. После чего измеряется световой поток образцов, чтобы понять: как именно условия влияют на скорость деградации кристаллов.
Например, в этом тесте светодиодов Seoul Semiconductor испытания проводили:
- при температурах места контакта кристалла и подложки 55˚С, 85 ˚С и 105 ˚С;
- токах потребления 240 мА, 400 мА и 800 мА;
- с временными интервалами до 9000 часов, с шагом в 1000 часов.
Результаты отразили в виде таких таблиц:
В этом случае, если температура кристалла в процессе эксплуатации не превышала 85˚С, за 9000 часов световой поток снизился на 1,22%. Или если экстраполировать экспериментальные данные (зависимость нелинейная), световой поток снизится до 70% (так называемый «показатель L70») через 54 000 часов.
Однако на практике, скорость деградации может быть намного выше из-за ряда факторов:
- Подобранный драйвер выдает ток, близкий или даже превышающий рабочий ток светодиодных модулей.
- Корпус светильника спроектирован некорректно: не хватает площади ребер охлаждения, слабый тепловой контакт платы с подложкой и так далее.
- Сам светильник установлен в ограниченном пространстве, где выделяющееся тепло плохо рассеивается.
Обычно основная проблема, из-за которой светодиоды быстро деградируют — неправильное проектирование светильника. И чаще всего, из-за недобросовестного удешевления, чтобы по характеристикам прибор соответствовал более дорогим конкурентам.
Где требуется компенсация старения светодиодов
Есть множество применений, в которых снижение светового потока со временем недопустимо. Вот лишь некоторые примеры.
1. Уличное освещение
Обычно уличные светильники имеют высокую мощность относительно габаритов корпуса. С учетом того, что они могут нагреваться летом в солнечный день до высоких температур, кристаллы светодиодов деградируют быстрее обычного. Результат: освещенность снижается, а это — повышенный риск для прохожих и автомобилистов.
Другой момент — требования Постановления Правительства №1356 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения»:
Светильники с электронным источником питания для уличного освещения со светодиодами должны иметь встроенную функцию регулирования светового потока светильника
2. Производства
При работе с мелкими деталями требования к освещению рабочих мест повышаются. Например, согласно СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение», таблица 4.1, при работе с объектом различения размером менее 0,15 мм, требуется освещенность не менее 5000 люкс на темном фоне со слабым контрастом.
С учетом того, что светильники приходится использовать достаточно мощные, расположенные в стесненных условиях, световой поток также может снижаться быстрее, чем можно ожидать. А это негативно повлияет на качество работы сотрудников: при более тусклом свете процент брака возрастет.
3. Промышленные теплицы
При освещении растений снижение светового потока — это прямые убытки. Чем меньше света получает растение, тем медленнее будет развиваться. А помимо деградации самих светодиодов, в промышленных теплицах из-за регулярного опрыскивания светопропускание рассеивателя снижается. Каждый раз очищать его — не очень удобно.
Как работает функция компенсации
В «умных» светильниках используются интеллектуальные драйверы, которые медленно поднимают ток потребления светодиодов при том же рабочем напряжении. Общее энергопотребления возрастает, но зато это позволяет компенсировать деградацию кристаллов — световой поток остается постоянным.
Например, в наших промышленных светильниках мы опционально устанавливаем драйверы Inventronics. Помимо того, что они обладают встроенными защитами (рабочее напряжение от 90 до 305 В), гальванической развязкой и степенью защиты IP67, еще имеют на борту «мозги» — микроконтроллер. И одна из встроенных функций — та самая компенсация деградации, столь важная в разных применениях.
Для настройки вы подключаетесь посредством специального программатора по двум проводам DIM- и DIM+ к компьютеру (подавать питание на светильник не требуется), на котором должно быть установлено ПО Inventronics Multi Programmer, после чего попадаете в окно настройки.
Навигация простая и интуитивно понятная. Функция компенсации деградации находится во вкладке OLC Setup: задаете, насколько с течением времени должен изменяться выходной ток по графику, в соответствии с данными теста LM-80 или собственными измерениями. И на всем протяжении срока службы светильника можете забыть о снижении светового потока.
Что еще умеют «умные» светильники
Конечно, компенсация деградации — далеко не единственная функция, которую поддерживают интеллектуальные драйверы. Вот лишь некоторые, не менее полезные.
Диммирование
Плавное изменение светового потока от минимального порога до 100% пригодится практически в любом применении. Вы можете задать, по какому сигналу будет происходить управление: 0…5 или 0…10 В, ШИМ или переменным резистором.
Например, световой поток будет уменьшаться или увеличиваться:
- автоматически, по сигналу с внешнего контроллера — скажем, в зависимости от показаний датчика освещенности;
- вручную, с пульта управления оператором, который просто будет вращать «крутилку» реостата.
Привязка к реальному времени
В контроллер встроен таймер реального времени. Вы можете настроить точное время включения и выключения в течении года, либо привязать к восходу и закату солнца для вашей местности.
Идеальное решение для уличного освещения — не нужно использовать внешние астротаймеры и переделывать схему подключения.
Информация о светодиодах
Типовая проблема: светильники раскиданы по огромной территории, и невозможно быстро определить, какой вышел из строя. Нужно все время обходить и контролировать визуально.
В драйверах Inventronics есть встроенная функция. Когда ресурс светодиодного модуля подходит к концу (это определяется по току потребления), драйвер отправляет уведомление на пульт управления оператором: «Светильник такой-то рекомендуется заменить». Не нужно ждать, пока кто-то пожалуется или вообще случится беда из-за неработающего освещения.
В итоге
«Умные» светильники уже перестали быть чем-то из разряда: «Да-да, круто — лет через десять попробуем». Они доступны уже сейчас, и для серьезных промышленных объектов не только упрощают жизнь сотрудников и обслуживающего персонала, но и быстро окупаются.
- Диммирование или включение с привязкой к реальному времени — на больших объемах позволяют экономить сотни тысяч рублей в год.
- Компенсация деградации — незаменима для применений на объектах вроде промышленных теплиц или ответственных производств.
- Уведомление об окончании ресурса светодиодных модулей — при интеграции в системах «умного» освещения повышает общую безопасность на предприятии.
Подписывайтесь на наш ТГ-канал для проектировщиков — еще больше интересных технических материалов.