Светодиодная экспертиза

В середине 90х годов прошлого века о светодиодах впервые заговорили как об источниках света, которые могут быть не только индикаторами в радиоприемниках, но и использоваться в ответственной светосигнальной технике и устройствах освещения, где имеют большие перспективы. Светодиоды в этой роли обладают рядом неоспоримых преимуществ перед другими источниками света, и сегодня они стоят на пороге массового вторжения на рынок общего освещения. По данным аналитиков, к 2010 году объем потребления светодиодов в мировых масштабах может вырасти до $10 млрд. Но, несмотря на столь радужные перспективы, в России рынок полупроводниковых источников света пока еще не слишком развит. Одной из проблем, которые возникают перед пользователями и производителями светотехнических устройств на основе светодиодов, является отсутствие объективной технической информации об этих приборах среди потребителей, разработчиков и проектировщиков. Это связано с особенностью исследований и измерений характеристик светодиодов по сравнению с традиционными лампами и нехваткой требуемых технических средств для получения необходимых параметров и, как следствие, отсутствием института сертификации и нормирования полупроводникового освещения. Однако с недавних пор этот дефицит был устранен: в нашей стране появился центр по исследованиям физики излучающих полупроводниковых структур, изучению и измерению параметров светодиодов, разработке и реализации методик, программ и проектов по применению твердотельных источников света и сертификации светотехники, в том числе полупроводниковой. Его руководитель Сергей Никифоров в беседе с главным редактором журнала «Компоненты и технологии» Павлом Правосудовым рассказал о причинах создания и особенностях деятельности этого центра.

— Чем занимается созданная вами структура?

— В рамках ООО «Л.И.С.Т. — лаборатория исследований световых технологий» мы организовали фотометрическую лабораторию, которая будет заниматься измерением параметров светотехники, светодиодов, полупроводниковых источников света. Прежде всего, наша задача — это измерения. Этот рынок не заполнен, а потребность в точных измерениях велика.

— Но раньше такой лаборатории не было. Светодиоды производят уже не одно десятилетие, рынок в России существует уже лет восемнадцать, а поставки из Китая благополучно производились и без лаборатории. Почему именно сейчас возникла потребность в ней?

— Дело в том, что раньше действительно было так: раз на изделии написано «светодиод» — надо брать. Все знали, что он вечный, и ни у кого это не вызывало сомнений. Но в последнее время существенно увеличился объем и светодиодов, и вообще светотехники, на них основанной. Они стали использоваться в серьезных устройствах — светофорах, сигнальной технике, информационных экранах. После этого вопрос качества возник сам собой. Кроме того, пропорционально общему количеству растет и количество брака, например, светодиодов, которые выходят из строя в процессе работы или настолько изменяют свои параметры, что это эквивалентно выходу из строя.

И те люди, которые стали заниматься разработкой устройств на светодиодах, озадачились проблемой качества. Как проверить, соответствуют ли параметры тому, что заявляют производители? Проверяется же все, что угодно. В созданной нами лаборатории можно не просто проверить или сопоставить полученные и заявленные данные, но и измерить любые необходимые характеристики применительно к нужным заказчику изделиям. В общем, иметь перед собой картину параметров. Это в большинстве случаев необходимо, но людям, фактически, обратиться с этой проблемой некуда, потому что практически и комплексно решить ее не может никто. Лаборатории, занимавшиеся этим ранее, уже не могут удовлетворить существующие запросы и сами это признают. Отчасти из-за отсутствия компетентности, отчасти — от отсутствия необходимых технических средств, но они не берутся за эти работы.

Вторая проблема в том, что светодиоды уже не воспринимаются исключительно как сырье. Сейчас интереснее поставлять готовую продукцию — светодиодные лампы, фонари, прожектора, все, что угодно, — спектр широкий. И это уже изделия светотехники, к которым предъявляются определенные требования. Это и сертификация, нормирование параметров. С одной стороны, мы готовы отвечать на вопросы по качеству, а с другой — интерпретировать светодиоды и изделия на них уже в русле классической светотехники. Идея нашей лаборатории состоит именно в том, чтобы объединить полупроводниковую светотехнику с той классической светотехникой, которая была раньше, и синтегрировать таким образом в одном месте две науки: фотометрию и физику полупроводника. Параллельно этому мы будем заниматься измерениями и исследованиями обычной светотехники.

— Вы считаете, что это необходимо?

— А как же! В связи с тем, что повысился интеллектуальный уровень строительных работ, растет и наукообразность проектов. Люди не просто вкручивают лампочку в патрон, а задумываются, что именно они вкручивают. Появилось понятие энергосбережения. Люди начали считать и освещенность, которую создают светотехнические устройства, и потребляемую энергию. И проектировщики, особенно в крупных центрах, стараются подогнать параметры своей светотехники под нужные требования. Это важно, потому что, в основном, все изделия — импортные, все делается по западным стандартам. Большинство предприятий — тоже иностранные, и там, в отличие от наших, подобные требования всегда соблюдались. Следовательно, и от нас потребуют их соблюдения, поэтому подход должен быть соответствующим. Отсюда еще одно направление нашей деятельности: мы будем заниматься точными, прецизионными измерениями, измерять сразу комплекс характеристик. Это позволит предоставить любую информацию для проектировщиков световых решений, поможет рассчитать проект и с точки зрения светотехники, и энергетически.

— Ваша лаборатория имеет сертификат на свою деятельность?

— Да, мы в настоящее время легализуем свою деятельность, и сейчас идет процесс сертификации средств измерений и аккредитации лаборатории. Мы считаем, что это необходимо для того, чтобы быть уверенными в правильности своих измерений и находиться в пределах федерального закона «Об обеспечении единства измерений», а также постоянно контролировать свои средства измерений, сверяя их с эталоном соответствующей единицы. Таким образцом обладает российский институт, держатель эталона канделы федерального значения, — ВНИИОФИ (Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений). Естественно, все средства измерения, которые проходят там поверку, калибровку, будут наиболее точны. Наши средства измерения мы будем обслуживать именно там, непосредственно у держателей эталона. Этот институт уважаем во всем мире, поэтому все выданные во ВНИИОФИ документы станут официальным признанием нашей деятельности с точки зрения компетентности и точности измерений.

К этому надо добавить и то, что не так давно мы стали объектом внимания Балтийского отделения морского и речного регистров. В этих ведомствах появилась необходимость в сертификации устройств освещения, световой сигнализации применяемых в навигации, на кораблях и в судостроении. Возрождение судостроения и связанных с ним производственных предприятий требует неформального подхода к сертификации по причине большого числа их собственных разработок и создавшемуся вакууму в области технической информации о комплектующих. В настоящее время готовится пакет документов для официального признания компетентности нашей лаборатории этими регистрами.

— Нужны какие-либо отдельные сертификаты?

— Да, средства измерения должны быть занесены в Государственный реестр средств измерений.

— А на деятельность лаборатории в целом, на то, чтобы она имела право выдавать свои сертификаты?

— Да, аккредитация лаборатории на проведение испытаний в центре сертификации требует аттестата. Работа в этом направлении ведется. Областью аккредитации лаборатории будут светотехнические измерения, измерения полупроводниковых излучателей и расчеты в ближнем инфракрасном диапазоне до 1100 нм (инфракрасные прожекторы, подсветки камер ночного видения). Последнее актуально для, например, домофонов, подъездных камер наблюдения, также подсвечивающихся светодиодами на инфракрасных лучах.

Мы можем проводить измерения и в области ультрафиолета до 185 нм. Он часто применяется в медицине, в той же стоматологии. Есть целый ряд ламп специального назначения — бактерицидные, например, — которые используются исключительно в ультрафиолетовой области. Наше лабораторное оборудование позволяет измерять фотометрические характеристики от ближнего ультрафиолета до ближнего ИК, измерять и рассчитывать на основе измерений любые фотометрические единицы. В нашем распоряжении есть двухкоординатные гониометры с угловым разрешением в одну угловую минуту. С помощью диаграмм углового распределения силы света (энергетической силы света) в нескольких плоскостях можно будет производить расчет светового потока, оптической мощности и основных единиц — силы света, диаграмм пространственного распределения силы света. Эти расчеты будут востребованы, к примеру, при создании ТУ на изделия. И делать мы это будем с максимальной точностью.

Помимо этого у нас есть стенд для измерения спектральных характеристик излучения: мы сможем измерять не только спектральное распределение, рассчитывать координаты цветности и параметры спектра, но и измерять стекла, светофильтры, или те же плафоны на прозрачность в проходящем свете в упомянутом диапазоне длин волн. Конечно же, и для исследования электрических характеристик у нас есть необходимое оборудование. Фактически, наш комплекс состоит из двух лабораторий. Одна предназначена для мощных светильников вплоть до измерения самых больших ГОСТированных в России светотехнических величин у тепловозных прожекторов, например 1 000 000 кд, а также углового распределения силы света до 10 000 000 кд. А вторая — более прецизионная, там установлены датчики и фотометры с меньшей погрешностью, которые будут производить измерения полупроводниковых излучателей. Динамический диапазон стендов рассчитан так, что мы можем измерять параметры от излучающего кристалла до самых мощных светодиодных устройств, которые появляются сейчас — это, к примеру, железнодорожные светофоры. Ну, и, конечно, в этой лаборатории мы разворачиваем исследования по физике полупроводника, по деградации. Наработки есть, и мы их обязательно продолжим.

— Но все же ваша светотехническая лаборатория не уникальна для России?

— В части некоторых измерений, может быть, и не уникальна. Предприятия, выпускающие светотехнику, имеют свои лаборатории, хотя бы для того, чтобы обеспечить производство продукции. Лаборатория может входить даже в отдел технического контроля. Но наша организация существует как отдельная структура, осуществляющая независимую сертификацию. И, конечно, точность наших измерений не сравнить с существующими на предприятиях. У нас есть коллеги: лаборатория «Светос» во ВНИСИ (Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский светотехнический институт им. С. И. Вавилова), лаборатория на предприятии «Лисма-ВНИИИС» (Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский институт источников света им. А. Н. Лодыгина), несколько структур по линии морского и речного флота, лаборатория Института строительной физики. Но, как показывает анализ, они не обладают необходимыми техническими характеристиками, и такого комплекса, как мы создали, у них нет. Ведь комплексность — это тоже наша оригинальная разработка.

— Но то, что касается полупроводников, вообще уникально.

— Однозначно. Наряду с техникой, которая у нас используется. Идеология и методики измерения еще даже не утверждены международной комиссией по освещению. Мы, конечно, базируемся на существующих, но у нас много своих наработок. Они получены на основе прошлых исследований, и мы будем развивать их в дальнейшем. Мы поднялись до такого уровня, что нам требуются новые инструменты. Вот сейчас мы их создали (поскольку на данный момент нет производителей такого оборудования) и будем совершенствоваться дальше.

— Большой ли у вас коллектив?

— Нет, пока небольшой, но он, опять-таки, комплексный. Мы включили в нашу организацию не только саму лабораторию, но и проектное бюро. На основе наших измерений мы можем предоставлять технический расчет-проект. Соответственно, мы можем работать с заинтересованными людьми на всех уровнях. Планируется иметь коллектив 6–10 человек. Надо признать, что в последнее время далеко не все выпускники вузов, например, великого МЭИ, обладают должным уровнем знаний. Так что, разумеется, мы будем искать новых людей, продолжим набор сотрудников.

— Как вы оцениваете рынок этих услуг? Готовы ли производители отдавать свои изделия в вашу лабораторию?

— Обрисую стандартную ситуацию, чтобы ответить на эти вопросы. Кто-то приобрел большую партию светодиодов, поставил в устройство, люди рассчитались, заказчик получил товар. Через некоторое время светодиоды начали выходить из строя, и в таком количестве, что изделие стало непригодно для использования. Начинается разрешение споров. Один говорит — вы сделали плохие светодиоды, другой — вы неправильно эксплуатировали. На этот случай и нужно заключение независимой лаборатории. Мы проведем анализ светодиодов и режимов, в которых эксплуатировалось устройство, мы можем даже дойти до анализа всего производства и «отмотать» назад большинство производственных операций, приведших к неисправности. Думаю, что в таком случае и производители, и потребители принесут к нам свои изделия, хотя бы для того, чтобы этот момент больше не повторился.

— Были реальные случаи?

— Да. И это оказывалось неоспоримым аргументом в пользу невиновного.

— Светофоры на железной дороге тоже должны сертифицироваться, но пока та же Октябрьская ж/д благополучно их ставит.

— У железнодорожников есть свой институт ВНИИЖТ (Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта), есть своя лаборатория для собственных нужд. Но она крайне узко специализирована и, конечно же, не готова в полном масштабе производить именно светодиодные измерения. У нас был опыт работы с ней, мы знакомы с руководителями и сотрудниками этой лаборатории. Возможно, что мы для них будем интересны только как субподрядчик, который поможет сделать измерения в той области, которой они не занимаются. Поэтому опытные испытания светофоров на Октябрьской ж/д в данном случае было кому сопровождать метрологически.

Однако бывают варианты, когда люди просто приходят определить, что они купили — светодиоды или нет, и если да, то какие. Не обязательно же всем быть специалистами.

Мы можем аргументированно сказать, почему светодиод чему-либо не соответствует, и мы это сделаем объективно, поскольку не заинтересованы ни в продажах, ни в покупках. То же самое касается и светотехники в целом. Сейчас могут целый контейнер прислать того, что вообще не светится, или не соответствует ничему. Раньше была лампочка в 60 Вт, вы ее вкрутили и больше ни о чем не думаете. А сейчас в характеристиках пишут и цветовую температуру, и координаты цветности, и световой поток, и сколько его останется через 1000 часов, и диаграмму углового распределения силы света, а некоторые еще и индекс цветопередачи и стабильность работы. И все это надо проверять, потому что когда люди делают серьезные проекты, они должны быть уверены, что купили нужное. И это не обычная проверка «горит — не горит», хотя в обывательских умах это так. Пример: в большом торговом комплексе, таком как, например, «Ашан», все металлогалогеновые лампы, на которых построено основное освещение зала, обязательно должны быть подобраны по цвету. А если обратить внимание, то можно зачастую заметить, что одна белая, одна желтая. Значит, проект уже не годится, точнее, должен быть переделан на нормальный. А это уже прецедент.

— А на что это реально влияет?

— Вот в этом вопросе и состоит «обывательность». Все проектируется исходя из требований. Например, у вас есть магазин, в котором вы продаете мясо, и если вы заложите в светильники не тот спектр (цветовую температуру), подсвечивая прилавок, то на вид вы получите мясо, которое пролежало тут две недели без охлаждения, хотя в действительности оно свежее. Или цвет рекламных надписей, оберток и упаковки товара — он разрабатывается целыми институтами, а если он будет неправильно подсвечен, вы не получите нужного эффекта от рекламы. В этом соединяется субъективизм восприятия света и объективность параметров устройств освещения.

— Как вы оцениваете размеры рынка полупроводниковой светотехники? Он сейчас растет. Но насколько он велик?

— Кто-то говорит, что это развитие по спирали, кто-то говорит, что количество перерастает в качество. На мой взгляд, — а я этой темой занимаюсь уже десяток лет, и все происходит на моих глазах, — сейчас производитель затаился перед каким-то серьезным прыжком. Я имею в виду абстрактного производителя, самые крупные фирмы, лидеров. Вообще, мне кажется, что диодный полупроводниковый свет уже готов к тому, чтобы началось его массовое использование. Его эффективность достигла ламповой, цены подтягиваются, потому что технологии совершенствуются, и, конечно, уже заканчиваются все проверки надежности и совместимости. И, может быть, как раз нехватка базы и технической информации об этом тормозит замену ламп накаливания.

— Светодиоды уже экономичнее и долговечнее ламп накаливания, но при этом дороже как изделие. Пока они менее эффективны, чем галогеновые и металлогалогеновые, но у них нет таких проблем с нагревом.

— Надо сказать, светодиоды существенно превосходят лампы накаливания и по параметрам экономии энергии, и по долговечности, но никто почему-то не вспоминает, что первая лампочка была в тысячу раз дороже, чем керосиновый фонарь, как никто и не сомневался тогда, что она вскоре его заменит. Так что ту ситуацию можно сравнить с нынешней. Но речь идет о том, что сейчас, к сожалению, нельзя создать в том объеме, который занимает лампа и ее светящееся тело, такой же мощный полупроводниковый источник.

— Разве? Мне казалось, есть по форм-фактору лампы, вполне сравнимые по мощности.

— Конечно, но лампы накаливания вообще сняты с производства во многих странах, и они производятся только из-за того, что 60% домашних светильников, и в России тоже, предназначены для этих ламп. Но век энергосберегающих компактных люминесцентных ламп не долог. Все уже поняли, что этот апгрейд ламп накаливания не оправдал себя ни по светотехническим характеристикам (которые оказались, кстати сказать, значительно хуже, чем ожидалось), ни по ценовым, и нет у них даже тех 3000 часов наработки, что представлялось как их важное преимущество в виде долговечности и надежности. И главное, что их спектр излучения, возможно, вообще для чтения неприемлем. Лампа накаливания — это самый удачный источник света для глаз, поэтому она всегда будет существовать, и настольная лампа всегда будет лампой накаливания, пусть галогеновой. Иначе мы все ослепнем.

— Но можно сделать лампу на светодиодах с таким же спектром, только ее эффективность будет соответствующей. Нужно ставить матовый рассеиватель, фильтр.

— Наверно, тут уместно говорить не о фильтре, а о том, что может сформировать подобные лампе характеристики. Чтобы был фильтр, нужно, чтобы светодиод излучал в этой области спектра. Это квазимонохроматический источник излучения, уподобить его спектр лампе может только люминофор. Такая ситуация с различием в спектрах излучения источников в светотехнике оценивается коэффициентом цветопередачи, он характеризует свет с точки зрения цвета при восприятии отражения. Суть его (в неточном представлении) в том, что чем больше интеграл спектрального распределения излучения, тем больше в нем присутствует составляющих, приближенных к стандартным источникам, например к солнцу. Как раз этот коэффициент у светодиодов выше, чем у многих люминесцентных ламп, так что здесь они даже выгоднее. Мало того, у светодиодов есть большие перспективы по люминофору. И вообще, можно создать довольно совершенный источник света на светодиодах с точки зрения коэффициента цветопередачи, использовав, например, матрицу из набора излучающих кристаллов с различными спектрами излучения в комплексе с люминофором.

— Вопрос в стоимости и в том, какая в результате будет эффективность…

— Естественно. Я сказал просто, что есть над чем работать. Если в лампе накаливания исчерпано практически 99% ее возможностей, то здесь поле деятельности очень большое. В полупроводниковом освещении это можно сравнить с тем, что излучающие кристаллы, выращенные на подложке из карбида кремния, намного перспективнее тех, которые производит, например, фирма Nichia на подложках из сапфира, где ресурс потенциальных возможностей системы «гетероструктура — подложка» почти исчерпан.

— Вернемся к теме лаборатории. Как этот процесс организован в других странах? Есть там отдельные независимые структуры?

— Да. Их немного. Мы уже выяснили, что, во-первых, в них нет такой огромной потребности, а во-вторых, государство не может себе позволить «плодить» лаборатории даже с точки зрения регулирования документооборота. Просто 2–3 лаборатории, компетентных и оснащенных, могут и справиться с объемом работы, и сделать независимое заключение.

— Как они создаются? При компаниях или при исследовательских институтах?

— Как правило, такая лаборатория появляется только потому, что та организация, которая ее создает, или люди, которые собрались этим заниматься, компетентны в этом вопросе и видят дальнейшие направления развития этой деятельности. Как показывает история, наоборот, подобные лаборатории, работающие в различных сферах науки во всем мире, и являлись основой для создания на их базе исследовательских институтов. В идеале, конечно, это отдельная фирма, независимый орган, не при институте, не так, как, например, лаборатория «Светос» при ВНИСИ. Объективно у нее есть свои интересы. Однако мировая практика знает и большую интеграцию в метрологии, такую, как, например, в американском институте NIST, где сосредоточены большие мощности не только по законодательной метрологии, но и по исследованиям и измерениям в широком спектре научных направлений. Конечно, по этим критериям нам трудно сравнивать нашу лабораторию с подобными. Но уверен в том, что в сфере исследований полупроводниковых источников излучения, различных светотехнических устройств и разработки методик измерений их характеристик мы не уступим нашим коллегам и сделаем знаменитую российскую особенность развития отечественной науки ее уникальностью.

Интервью провел Павел ПРАВОСУДОВ