ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Шепелев А.О.¹, Киселев Б.Ю.¹, Лысенко В.С.¹, Бубенчиков А.А.²

¹Магистрант, ²Кандидат технических наук, Омский государственный технический университет

ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Аннотация

В данной статье рассмотрены перспективы применения светодиодной продукции. Указаны основные недостатки и возможные пути технического решения проблем теплопередачи и электромагнитной совместимости. Выделяются некоторые приоритетные направления в решении проблемы эффективной передачи тепла. Особое внимание уделено перспективным решениям в области применения интегральных микросхем со встроенным активным корректором коэффициента мощности для источников вторичного электропитания с импульсным преобразователем.

Ключевые слова: светодиодные источники света, теплопроводность, корректор коэффициента мощности.

Shepelev A. O.¹, Kisselyov B. Yu.¹, Lysenko V.S.¹, Bubenchikov A.A.².

¹Undergraduate student, ²PhD in Technical Sciences, Omsk State Technical University

SOLUTIONS OF A PROBLEM OF APPLICATION OF LED LIGHT SOURCES

Abstract

The article considers of application of led products. The drawbacks and possible technical solutions of problems of heat transfer and electromagnetic compatibility. Some priority directions in a solution of the problem of effective transfer of heat are allocated. The special attention is paid to perspective decisions in a scope of integrated chips with the built-in active proofreader of power factor for sources of secondary power supply with the pulse converter.

Keywords: LED light sources, heat conductivity, proofreader of power factor.

 

В России огромное количество генерируемой электроэнергии, примерно 13%, тратится на освещение [1]. В большинстве своем это освещение улиц населенных пунктов и архитектурных сооружений, промышленных зданий, торговых павильонов и частное потребление для освещения квартир и домов. Такие существенные расходы можно связать с применением ламп накаливания и люминесцентных ламп устаревшей конструкции. Сократить затраты без ущерба для потребителей можно за счет внедрения энергосберегающих технологий и новый технологических решений.

В 2009 году был принят Федеральный закон № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…». В его рамках планировалось к 2014 году отказаться от ламп накаливания, которые 95% потребляемой энергии превращают в тепло, и перейти к более энергоэффективным источникам света. К таким источникам относятся люминесцентные лампы и светодиодные светильники, которые по сравнению с лампой накаливания имеют явные преимущества.

В настоящее время большую популярность получили светодиодные светильники. Именно это направление считается достаточно перспективным. Многие производители, говоря о достоинствах светодиодных светильников, умалчивают о существенных недостатках и считают основной причиной, препятствующей массовому внедрению, лишь высокую стоимость.

Одним из существенных недостатков является излишнее выделение тепла, которое необходимо отводить. При увеличении температуры p-n перехода возникает смещение рабочей длины волны и снижение яркости. А увеличение температуры на поверхности кристалла приводит к сокращению срока службы светодиода. Процесс отвода тепла является достаточно сложным и включает в свою структуру отвод тепла между p-n переходом и корпусом, между корпусом и печатной платой, затем между печатной платой и радиатором, и наконец, между радиатором и окружающей средой.

Проблема эффективного отведения тепла решается несколькими способами. Выбор материала светодиода с низким тепловым сопротивлением. Также в конструкцию диода включают специальный теплоотвод, который снижает тепловое сопротивление. Для отведения тепла используют специальные печатные платы и радиаторы различных конструкций. Для мощных светодиодов требующих рассеивания большого количества тепла, охлаждающие конструкции представляют собой достаточно громоздкую систему. Эти системы не достаточно компактны и создают неудобства в эксплуатации.

Отказ от работы из-за перегрева носит постепенный характер и выражается в уменьшении яркости излучения.

Наибольшее распространение получили следующие технические решения, применяющиеся для отвода излишнего количества тепла от светодиодов.

Печатные платы, обладающие хорошей теплопроводностью, в которых за слоем диэлектрика расположен слой алюминия либо меди, выполняющий функцию радиатора. Для увеличения лучистого и конвекционного обмена между перегревающимся элементом и окружающей средой устанавливают радиаторы. Это эффективные и относительно недорогие способы теплоотвода.

Эффективность теплоотвода напрямую связана с эффективностью передачи тепла в месте соприкосновения двух поверхностей. Поверхность источника тепла, так же как и поверхность теплоприемника имеют неровности. И при контакте поверхностей возникают микрополости, которые заполнены воздухом. Коэффициент теплопроводности воздуха имеет крайне малое значение и значительно усложняет теплопередачу. Для того чтобы увеличить теплопередачу используют материал с большим коэффициентом теплопроводности, который заполняет микрополости. Выбор материала зависит от рассеиваемой мощности и конструктивных особенностей светодиодного источника света. В качестве теплопроводящего материала обычно используют теплопроводящие пасты, клеи, силиконовые компаунды.

Хорошо зарекомендовали себя силиконовые теплопроводящие пасти компании Dow Corning, обладающие коэффициентом теплопроводности 0,8-7 Вт/м∙К. Диапазон рабочих температур составляет 45-200 °С. При необходимости жесткой фиксации применяют силиконовые теплопроводящие клеи, которые прекрасно работают в широком интервале температур. Для защиты светодиодов от воздействия окружающей среды применяют теплопроводящие заливочные компаунды. Они характеризуются теплопроводностью до 0,6 Вт/м∙К и возможностью полимеризации при различной глубине заливки.

Повышения технологичность сборочного процесса можно добиться за счет применения теплопроводных подложек. Этот материал представляет собой уже застывший силиконовый гель, обладающий специфическими свойствами. Коэффициент теплопроводности силиконовых подложек достигает 3,5 Вт/м∙К при толщине всего в 0,25-5 мм [2].

Типовая структура светодиодного источника света включает в себя источник вторичного электропитания с импульсным преобразователем. Наличие такого источника приводит к тому, что ток, потребляемый этими устройствами, носит импульсный характер.

Как известно при потреблении импульсного тока резко возрастает мощность искажения, что может привести к увеличению мощности протекающей через силовой ввод. При этом коэффициент мощности источника вторичного электропитания не превышает значение 0,7 [3].

Импульсный ток имеет достаточно высокое содержание высших гармонических составляющих. В основном в спектральном составе преобладают гармонические составляющие 3-го и 15-го порядка. Наличие этих составляющих сказывается на появлении токов в нулевом проводнике, при условии полностью симметричной нагрузки на фазы. В большинстве зданий проложен нейтральный провод меньшего сечения, чем фазный, и сумма высших гармонических составляющих приводит к перегрузке провода и как следствие его перегоранию.

В ГОСТ Р 51317.3.2 [4] приведены нормы гармонических составляющих тока, которые не должны превышаться при эксплуатации. Но на практике очень часто установленные нормально допустимые значения содержания гармонических составляющих превышаются [5].

Наличие высших гармонических составляющих также приводит к возникновению проблем электромагнитной совместимости.

Как уже упоминалась ранее, светодиодные источники света обладают достаточно высокой стоимостью. Для того чтобы сократить расходы, некоторые производители экономят на элементах драйвера и в результате на кристалл светодиода приходит плохо стабилизированное напряжение. Качество напряжения на прямую отражается на световом потоке, излучаемом светодиодным источником света. Из-за плохой стабилизации напряжения возникают пульсации светового потока, так называемый стробоскопический эффект. Пульсации не всегда соответствуют нормам СНиП 23-05-95 и Сан-ПиН 2.21/2.1.1.1278, а также негативно влияют на зрение и могут привести к травматизму на производстве.

Для уменьшения воздействия импульсного преобразователя на сеть используют активные или пассивные корректоры коэффициента мощности [3].

Их основная задача формирование входного тока пропорционального входному напряжению. Пассивный корректор коэффициента мощности чаще всего представляет коммутируемые конденсаторы или дроссели, и находят применение в устройствах небольшой мощности. Однако, несмотря на, всю простоту реализации, такой корректор обладает достаточно высоким коэффициентом гармонических искажений.

Использование активного корректора коэффициента мощности, является достаточно эффективным решением этой проблемы. Активный корректор отслеживает входное напряжение и при помощи активных ключей совершает внутрисхемные коммутации с целью поддержания пропорциональности входного тока и напряжения. При пропорциональности входного тока и напряжения можно добиться низкого уровня пульсации постоянного выходного напряжения. Реализация такого корректора может быть основана на базе импульсного преобразователя с введением соответствующих обратных связей.

На сегодняшний день ведущими производителями интегральных микросхем активных корректоров коэффициента мощности являются: Texas Instruments, STMicroelectronics, International Rectifier, ON Semiconductor [3].

Активный корректор коэффициента мощности, выполненный на базе указанных выше интегральных схем, включаются между выпрямителем и импульсным преобразователем. В таком случае корректор коэффициента мощности будет играть роль буферного каскада, снижающего взаимное влияние питающей сети и импульсного источника питания [4]. Такое усовершенствование сетевого преобразователя чрезмерно увеличивает стоимость светодиодного источника света.

Большой интерес представляет идея использования в сетевых преобразователях специализированных интегральных схем с встроенным корректором коэффициента мощности. Такие схемы ориентированы на использование в дайверах светодиодных источниках света низкой и средней мощности. Представителем такой схемы является NCL30xxx от компании ON Semiconductor [3].

Несомненно, применение светодиодной продукции является приоритетным. Все достоинства этих светильников перекрывают их недостатки. Проводимые исследования позволяют улучшить энергетические и экологические показатели светодиодной продукции и окончательно вытеснить с рынка люминесцентные светильники и лампы накаливания.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-08-00243 а»

Литература

1. Черемисина И. В., Стариков А. А., Тресков С. В., Зыков С. И. Об экономии электрической энергии за счет внедрения ресурсосберегающих ламп // Вестник Югорского государственного университета . 2012. №2 (25). С.96-99.
2. Евминов Л. И., Кизева В. C. Сравнительный анализ различных источников света и оценка электромагнитной совместимости безэлектродных (индукционных) и светодиодных источников света // Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого . 2013. №1 (52). С.060-067.
3. Марущенко С. Г. Влияние вторичного источника питания светодиодного осветительного прибора на сеть // Современные наукоемкие технологии . 2013. №9. С.103-107.
4. ГОСТ Р 51317.3.2–2006. «Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым то- ком не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний». – М.: Стандартинформ, 2007. – 28 с
5. Боярская Н. П., Темербаев С. А., Довгун В. П., Кабак А. Л., Колмаков В. О. Анализ спектрального состава токов и напряжений светодиодных и газоразрядных источников света // Вестник КрасГАУ. 2013. №8. С.180-184.
6. Электронный каталог продукции компании Dow corning [Электронный ресурс] : база данных содержит сведенья о всех видах продукции. – Электрон. дан. – М., [2016]. – Режим доступа http://www.dowcorning.com. – Загл. с экрана.

References

1. Cheremisina I. V., Starikov A. A., Treskov S. V., Zykov S. I. Ob jekonomii jelektricheskoj jenergii za schet vnedrenija resursosberegajushhih lamp // Vestnik Jugorskogo gosudarstvennogo universiteta . 2012. №2 (25). S.96-99.
2. Evminov L. I., Kizeva V. C. Sravnitel'nyj analiz razlichnyh istochnikov sveta i ocenka jelektromagnitnoj sovmestimosti bezjelektrodnyh (indukcionnyh) i svetodiodnyh istochnikov sveta // Vestnik GGTU im. P.O. Suhogo . 2013. №1 (52). S.060-067.
3. Marushhenko S. G. Vlijanie vtorichnogo istochnika pitanija svetodiodnogo osvetitel'nogo pribora na set' // Sovremennye naukoemkie tehnologii . 2013. №9. S.103-107.
4. GOST R 51317.3.2–2006. «Sovmestimost' tehnicheskih sredstv jelektromagnitnaja. Jemissija garmonicheskih sostavljajushhih toka tehnicheskimi sredstvami s potrebljaemym to- kom ne bolee 16 A (v odnoj faze). Normy i metody ispytanij». – M.: Standartinform, 2007. – 28 s
5. Bojarskaja N. P., Temerbaev S. A., Dovgun V. P., Kabak A. L., Kolmakov V. O. Analiz spektral'nogo sostava tokov i naprjazhenij svetodiodnyh i gazorazrjadnyh istochnikov sveta // Vestnik KrasGAU. 2013. №8. S.180-184.
6. Jelektronnyj katalog produkcii kompanii Dow corning [Jelektronnyj resurs] : baza dannyh soderzhit sveden'ja o vseh vidah produkcii. – Jelektron. dan. – M., [2016]. – Rezhim dostupa http://www.dowcorning.com. – Zagl. s jekrana.