Сколь верёвочка ни вейся — всё равно совьёшься в плеть
О том, что времена постоянных споров о преимуществах светодиодного освещения канули в лету, теперь можно говорить вполне уверенно. Однако не столь далёкое прошлое, отделяемое от обозначенной уверенности всего лишь десятью годами, было наполнено слухами, домыслами и спекуляциями цифрами в основных параметрах светодиодов и устройств на их основе. И причин тому было немало, но основная – плохое знание истины в отношении физики работы излучающих структур теми, кто прежде имел дело только с иными источниками света.
Этим с лихвой пользовались те, кто наоборот, мало что понимал в небольшой науке светотехнике, зато мог часами говорить о плодах светодиодной революции в этой своеобразной прикладной науке. И, поскольку своих передовых разработок светодиодов для освещения в то время мы не имели (как, впрочем, не имеем и сейчас), приезжающие к нам для освоения новых рынков зарубежные менеджеры-проповедники от известных мировых брендов светодиодов, рассказывали нашим докторам наук о том, как работает «их» гетероструктура с тем набором квантовых ям, который последние же и изобрели. Всё это не шло на пользу развитию и внедрению светодиодов в жизнь, поскольку прежние светотехники не верили в серьёзность применения светодиодов, видя замешательство в рядах их создателей и соответствующую незрелость технических решений. Существенную «помощь» в торможении процесса популяризации светодиодной продукции оказывали производители некачественного товара и так называемые «гаражники-наколенники». Сразу после установки на объекте, эта продукция выглядела демотиватором всей идеи внедрения светодиодного освещения и в глазах потребителя надолго её дискредитировала. Плоды этой дискредитации мы наблюдаем и сейчас, усиленно стараясь вернуть доверие к светодиодам в освещении высокими показателями энергоэффективности и основанными на них энергосервисными контрактами.
Однако ещё несколько лет назад было отмечено, и, тем более, утверждается сейчас, что общий фон правды в технических данных, помещаемых в спецификации, существенно вырос. Это можно подтвердить и с точки зрения физики работы излучающих гетероструктур, и с точки зрения реальных измерений, проводимых при сертификационных или научно-исследовательских испытаниях светотехнических устройств. Существенно выросла и техническая грамотность потребителя, которая теперь, может даже превосходить осведомлённость производителей о своей же продукции, некоторые из которых, порой, не в состоянии объяснить суть и причины применённых в собственном изделии разработок.
Попытаться разобраться в реалиях цифр и параметров мы попробуем с помощью некоторых статистических данных, взятых за последние 10 — 13 лет из опыта проведённых за это время десятков тысяч реальных измерений и исследований светодиодов и осветительных приборов на их основе, так или иначе, оказавшихся на отечественном рынке. Таким образом, мы не дадим родиться суждениям и слухам и нарисуем общую картину состояния значений различных параметров светотехнических устройств и источников света, что также можно рассматривать как табло достижений полупроводниковой светотехники.
Вы не имеете право хранить молчание. Всё, что вы скажете, может и будет использовано против Вас.
Как было сказано ранее, откровенное лукавство в параметрах осветительных приборов на основе светодиодов, в последнее время становится достаточно редким явлением. Однако из-за большого количества характеристик, находящихся в тесной зависимости, потребителям важно иметь некий набор или их сочетание, а не отдельные параметры с широким диапазоном значений. Поэтому, искусство трактовки тех или иных характеристик бренд-менеджерами «в нужную сторону», актуально и по сей день. Так, например, большинству современных заказчиков осветительного оборудования для улиц, требуется довольно разносторонний стандартный набор параметров с определёнными значениями. Это и коррелированная цветовая температура (наиболее востребовано значение 2700 К в городских условиях), и пространственное распределение силы света (для формирования оптимального распределения освещённости дорожного полотна, необходим тип «Ш» по ГОСТ Р 54350), и минимальное значение пульсации светового потока, и высокие значения индекса цветопередачи и коэффициента мощности, и температурный диапазон исполнения УХЛ 1 со степенью защиты оболочки IP65, и чтобы световая отдача при этом при всём была не менее 110 лм/Вт…
Далее можно будет заметить, что какие-то 10 — 12 лет назад, все эти показатели были из области далёких перспектив, о которых наиболее продвинутые представители именитых производителей светодиодов сообщали в последних слайдах своих презентаций, не всегда успевая стереть китайские иероглифы с чисто американских названий и удалить их из списков параметров в спецификациях. Но и теперь, обеспечить обозначенное сочетание в полном масштабе оказывается непросто – ведь среди перечисленных выше, отсутствует ещё один очень важный и исключительно светотехнический параметр – «стоимость», который остаётся определяющим в выборе жертвования другими характеристиками в его пользу. Здесь-то и проявляется пресловутая игра цифр и умолчаний о них, которую мастерски проводят опытные менеджеры. Однако наибольшее творчество в составлении списков характеристик в их самой привлекательной комбинации отмечено на гранях упаковок светодиодных ламп, представленных для населения на полках розничных магазинов. Здесь светотехнические характеристики измеряются в «лампах накаливания», а коррелированная цветовая температура может быть тёплой или холодной. При этом срок службы ламп, указанный в соответствующей графе целого списка цифр на упаковке, уже сравним со средней продолжительностью жизни самого покупателя, намекая на то, что это — последняя лампа в его жизни и другой ему уже не понадобится, поэтому к её выбору нужно отнестись со всей серьёзностью.
Стоит отметить, что при качественно произведённом изделии и корректно обеспеченном электрическом и температурном режиме, последнее может действительно оказаться совершенной правдой, поскольку, теоретически, современные полупроводниковые структуры могут работать десятилетиями и не иметь значимых изменений в параметрах. Но, как показали приведённые ниже результаты лабораторных исследований некоторых светотехнических изделий на предмет ресурса их наработки, их десятилетия спрессованы в месяцы. Вероятно, таким образом, производители оптимизируют затраты на комплектующие ламп в связи с недавним изменением пенсионного возраста потенциальных покупателей, не рассчитывая на то, что лампы из-за их долгого срока службы могут передаваться по наследству.
Представленные далее в этом параграфе материалы основаны на результатах реальных измерений большого количества светотехнической продукции различного назначения в разные годы, выполненных лабораторией «Архилайт». Все данные, безусловно, не имеют привязки к названиям, брендам, маркам изделий, типам светодиодов и пр. Любые совпадения цифр носят лишь предположительный характер и не являются прямым указанием на тот или иной продукт. Для удобства восприятия данных, их представление построено в системе множества отдельных таблиц.
В таблице 1 показана статистика обращения с целью проведения сертификационных или научно-исследовательских испытаний светотехнических устройств. Можно заметить, что за последние 13 лет, доля осветительных приборов на основе ламп накаливания, представляемых для исследований, очень быстро и безвозвратно снизилась до нуля, а ламповых с люминесцентными (газоразрядными) лампами – с 70 до 10 %. Однако в этой зависимости, есть и «обратная» ветвь, которая показывает новое увеличение доли приборов на основе газоразрядных ламп. Это происходит за счёт возврата к использованию натриевых ламп в системах досветки теплиц. В то время как светодиодные устройства уже занимают 90 — 99% спроса на измерения и исследования. Если провести параллели с производством всей светотехнической продукции и привести её в зависимость, пропорциональную этим обращениям, то можно сказать, что в данный момент, лучшие умы от светотехники работают над созданием только светодиодных осветительных приборов. Следует заметить, что Таблица 1 не учитывает программу, по которой проводились измерения предоставленных образцов – речь идёт о статистике самих образцов, отличающихся типом источника света. Необходимо добавить также, что в этот список причислены не только осветительные приборы, но и устройства на основе источников ближнего ИК и УФ излучения (как светодиодные, так и ламповые), как правило, предоставляемые для испытаний на фотобиологическую безопасность по ГОСТ IEC 62471 (ГОСТ Р МЭК 62471).
Далее в таблицы помещены ключевые параметры, прежде всего, помещаемые в спецификации. Систематизация данных организована таким образом, что в таблицу попали максимальные значения параметров, когда-либо полученные при измерениях в соответствующий период времени, независимо от типа или марки прибора. Это также касается всех помещённых ниже таблиц с параметрами. В таблице 2 приведены световой поток и световая отдача светодиодов, построенных по системе синий кристалл – люминофор, потребляемая мощность которых составляет около 1Вт, соответственно, плотность тока через кристалл – 35-40 А/см2 . Здесь речь не идёт о каких-либо отдельных типах светодиодов или приборах от конкретного производителя (очевидно, что не от отечественного) — приведены значения параметров, вполне могущие фигурировать в осветительных приборах отечественных производителей, которые используют любые доступные для них светодиоды.
Можно заметить, что десять лет назад, светодиоды «прибавляли» порядка 30% светового потока и эффективности в год, однако такие значительные достижения в технологии производства в истории развития технических средств практически не встречаются. Соответственно, здесь можно говорить о настоящей светодиодной акселерации. Это было во времена самого пика освоения и современных технологий выращивания гетероструктур (на основе газофазной эпитаксии), и производства светодиодов с применением люминофоров на их основе. К концу второго десятилетия нового века, кардинальных изменений в технологии не происходило – да и раньше было очевидно, что её ресурсы с точки зрения увеличения КПД структур и светодиодов на их основе конечны. Поэтому упор был сделан на разработку высокотехнологичных массовых промышленных вариантов с приемлемыми характеристиками и невысокими ценами. Это позволило снять светодиоды с первых позиций в списке ценообразующих комплектующих осветительных приборов, но при этом, иметь исходный источник света для формирования необходимого пространственного распределения светового потока светильника с эффективностью до 200 лм/Вт.
Таблица 3 рассказывает о достижениях эпитаксии и технологии нанесения люминофора на синий излучающий кристалл за последнее десятилетие, сообщая о существенном росте коэффициента преобразования электрической энергии в свет системой излучающий кристалл InGaN – люминифор в промышленно производимых светодиодах.
Стоит заметить, что значение КПД светодиодов уже уверенно сравнялось с основным их уличным конкурентом — лампой ДНаТ, но, ввиду существенного превосходства по цветности излучения, при таком равенстве имеет значительно более высокие качественные позиции как источника света для осветительных устройств (Таблицы 7, 8).
В таблице 4 приведены те же фотометрические показатели только уже для осветительных приборов (светильников). В скобках в графе 2011 год указаны требуемые к применению приборы с эффективностью «не менее», регламентируемые очень известным и актуальным в то время Постановлением Правительства РФ от 20 июля 2011г №602 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения».
Из таблицы 4 можно сделать вывод о том, что за полгода существования упомянутого Постановления, светодиоды уже тогда обеспечили двукратное превышение установленных норм, и соответственно могут применяться с большим запасом, даже, если спад светового потока, установленный данным Постановлением будет более, чем в его п. 6. С одной стороны, это обстоятельство позволило применять более дешёвые светодиоды (с меньшим значением световой отдачи), но с другой — не стимулировало производителя к достижению более высоких характеристик его устройств. Но, как говорилось ранее, сейчас в индустрии светодиодных светильников имеются другие тренды, основанные на применении большего количества светодиодов в одном устройстве (поскольку они стали явно дешевле), работающих на пониженных токах. При этом их световая отдача имеет ощутимо большее значение, чем при питании со штатной плотностью тока. Это позволяет уже в составе осветительного прибора (со вторичной оптикой и блоком питания) достигать световой отдачи, сравнимой с исходным источником света, компенсируя потери на указанные выше составляющие светильников.
Это же обстоятельство (при условии незначительных уменьшений плотностей тока через кристалл светодиода), положительно влияет и на ресурсные параметры наработки всего устройства, поскольку деградационные характеристики фотометрических параметров существенно зависят от плотности тока через кристалл [3]. Однако такое применение светодиодов не является революционным изобретением инженеров-проектировщиков осветительных приборов, поскольку и производители светодиодов не так давно прошли подобный путь в конструкциях своих изделий. В частности, активно развиваемая 5-7 лет назад концепция производства мощных светодиодов как раз имела совершенно иной посыл – во что бы то ни стало увеличить плотность излучаемой оптической мощности с единицы площади излучающего кристалла. А это как раз, совершенно обратное направление – увеличение плотности тока и попытка уменьшения влияния такого увеличения на световую эффективность, что, по предположению разработчиков, должно было снизить стоимость люмена. Однако чуда не произошло, и в светодиодных тенденциях сейчас также просматривается направление не на максимальную выжимку квантов из гетероструктур, а разумную оптимизацию плотности тока с сохранением высокой квантовой эффективности, например, применяя кристаллы с увеличенной площадью.
В таблице 5 приведены данные по результатам исследований деградационных характеристик осветительных приборов за обозначенный период. Показанные выше рассуждения хорошо поясняют картину распределения ресурсных возможностей осветительных приборов разных лет.
В таблице 6 приведено распределение значений коэффициента мощности (КМ или PF) по осветительным устройствам, предоставляемым для исследований в 2019 – 2020 г. Здесь нет привязки к номинальной потребляемой мощности этих устройств по причине малой доли приборов с мощностью менее 20 Вт, у которых в современном аналоге известного Постановления № 602 (Постановление №1356 от 10.11.2017.), регламентировано значение не менее 0,85. Так или иначе, но тот факт, что более 90% устройств имеют КМ более 0,85 говорит о том, что разработчики уделяют этому параметру большое внимание, а продукции с нерегламентированным значением КМ становится всё меньше.
О колориметрических характеристиках в спецификациях также немало говорилось в прессе [1, 4] и на различных конференциях. Тем не менее, споры о методах определения коррелированной цветовой температуры (КЦТ) и её трактовке у светодиодов и в устройствах на их основе, так и не привели к некому конструктивному и единому мнению. Поэтому, порой, результаты измерений её значений у одних и тех же источников, могут отличаться. Как известно, вся проблема с этим решением основана на существенной неравномерности спектрального состава излучения светодиода (светодиодного светильника) в зависимости от угла излучения. Основная (из ряда других) причина тому – несовершенство методов нанесения люминофорного покрытия на поверхность излучающего кристалла светодиода, построенного по системе синий кристалл — люминофор, первичная и вторичная оптика, а также имеющаяся неравномерность плотности светового потока по площади кристалла. С одной стороны, очевидно, что обладая узким (в 1 град) полем зрения, наш глаз не может интегрировать световой поток не только от всей, но и даже от небольшой доли пространственной диаграммы излучения осветительного прибора, поэтому важно, чтобы обозначенное значение КЦТ было одинаково по всей диаграмме (иначе оно не будет соответствовать спецификации).
Однако для оценки качественных характеристик излучаемого света и положения колориметрических параметров светодиодных источников для освещения относительно их «конкурентов» удобно воспользоваться наиболее «физическим» смыслом понятия цветности – долей заполненности составляющими спектра излучения кривой спектральной чувствительности глаза V(l). Из этого расчёта будет понятно, какой источник наиболее полно воспроизводит видимый глазным аппаратом диапазон длин волн, отражённый в обозначенной характеристике чувствительности зрительного аппарата. Об этом расскажет таблица 8, а более подробная деталировка представлена в таблице 9.
Анализируя эти таблицы можно сделать вывод, что светодиоды даже с высокими коррелированными цветовыми температурами с точки зрения заполнения кривой видности V(l) своими составляющими спектра излучения выглядят, по крайней мере, не хуже ламп накаливания, а если говорить о коррелированных цветовых температурах, близких к ним, то явно превосходят все существующие искусственные источники света. Следует отметить, что в эти расчёты не вошли самые современные светодиоды, близость заполнения спектра излучения которых относительно естественного (Солнца в средних фазах относительно горизонта), составляет до 90 %. Это позволяет предположить, что построение осветительных приборов на основе таких источников обеспечит высокие качественные характеристики (индекс цветопередачи) формируемого освещения.
Лучше меньше, да лучше.
Рассмотренные в работе реальные значения различных параметров светодиодов и светотехнической продукции на их основе, полученные в ходе исследований промышленных образцов за самый важный в формировании производственных технологий и отечественного светотехнического рынка период с 2007 по 2020 г., указывают на высокий уровень этих источников света с точки зрения их эффективности и «качества» излучаемого света, несмотря на отдельные проблемы с совершенствованием их параметров, могущие относиться к т.н. «болезням роста» [5]. Это позволяет строить на их основе высокоэффективные осветительные приборы, которые к тому же, обладают значительным временем наработки даже по отношению к ламповым «долгожителям», например к лампе ДНаТ с её 20 000 часов заявленного ресурса. Также, интересной с точки зрения оценки тенденций в разработке светотехники, может оказаться статистика тематики публикаций в профильных отраслевых изданиях, приведённая в таблице 10. Она свидетельствует о том, что в основном, публикации касаются уже готовых изделий – модулей, вторичных источников питания, светильников, систем управления. То есть, имеет место некая констатация и описание характеристик уже готового продукта. А то, что приходится на небольшие доли тем публикаций – как раз и является тем, что мы хотели бы видеть в нашем отечестве – собственных разработок, развития технологии, производства, метрологической базы.
В результате представленной оценки очевидными становятся достаточно простые выводы о низкой эффективности «семимильных» шагов в попытке ускорить эволюцию характеристик светильников за счёт применения совокупности уже готовых разработок. Однако ещё остаётся надежда на то, что, как и показала приведённая в этой работе статистика, имея современные функциональные характеристики и параметры, полупроводниковые источники света обязательно вдохновят разработчиков к творчеству в этой области светотехники, что и сделает таблицу 10 гораздо «правильнее» с точки зрения расстановки тематики материалов, а нашу светотехническую промышленность – передовой и современной.
Источники.
- С. Г. Никифоров. Реальный цвет и виртуальный индекс его передачи. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2, 2010, стр. 18 — 24.
- С. Г. Никифоров. Умом Россию не понять: в России можно только мерить. Или физические аспекты восприятия полупроводникового света человеческим глазом. // «Компоненты и технологии» №12, 2008г, стр. 84
- С.Г. Никифоров. Фотометрический метод исследования полупроводниковых излучающих гетероструктур. // «Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 1, 2010, том 76, стр. 28- 33.
- С.Г. Никифоров, А.Л. Архипов. Неабсолютно чёрное тело белого светодиода// «Полупроводниковая Светотехника» № 4, 2019, стр. 80-87.
- С.Г. Никифоров. Современное состояние реальных параметров светодиодов. Опыт и эволюция исследований. // LED форум в рамках выставки «Интерлайт-2011», доклад ноябрь 2011
Другие материалы, обзоры, статьи, отраслевые базы компаний в ежегоднике «Живая электроника России-2020»: https://mediagruppa-elektronika.timepad.ru/event/904309/
