Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2013 №6

Состояние разработок компактных светодиодных излучателей и ламп с удаленным люминофором

Сысун Виктор


В статье обсуждаются технические решения, на которых основаны и совершенствуются светодиодные лампы прямой замены ламп накаливания и некоторых газоразрядных ламп. Анализируются успехи и проблемы создания компактных излучателей и ламп белого свечения с удаленным люминофором увеличенной мощности и минимизированных габаритов. Рассматриваются возможности использования обратного рассеяния люминофоров и преимущества применения объемных светодиодных модулей в производстве ламп повышенной эффективности.

Прогресс разработок, технологии и производства светодиодов повышенной мощности в последние годы способствовал созданию сначала светосигнальных, а затем и осветительных приборов для специальной, общепромышленной и бытовой светотехники.

Важным продуктом в этом сегменте являются светодиодные излучатели (компактные оптические модули, кластеры), эксплуатируемые в открытом исполнении в защищенных световых приборах специальной светотехники [1], а также лампы с подобными излучателями, заключенными в прозрачные или светорассеивающие колбы со стандартными и специальными цоколями.

Компактные светодиодные излучатели и лампы открытого исполнения представляют собой плоские платы [23], совокупности плат, формирующие компактные светящие тела [45], предназначенные для эксплуатации преимущественно в световых приборах с достаточно высокой степенью защиты от воздействия окружающей среды IP54-IP67 по ГОСТ 14254, например во взрывозащищенных световых приборах [67], в защищенных от действия аммиака светильниках для сельского хозяйства [8], а также объемные светодиодные модули [910], применяемые наряду с названными направлениями в защищенных подводных световых приборах, светосигнальных огнях и т. п.

Названные излучатели могут эксплуатироваться в световых приборах с отделенными, вынесенными в изолированный отсек [67] преобразователями питающей сети (AC/DC вторичными источниками питания (ИП)), со встроенными ИП в отсек лампы, как это применяют в коммерческой продукции, например в изделиях [11], или с ИП, собранным в отсеке автономного патрона [12], для подключения светодиодного излучателя к питающей сети.

В настоящее время для бытового и общепромышленного освещения разработаны лампы-ретрофиты с излучателями малой и средней мощности в виде плоских модулей (кластеров) на светодиодах с параллельными оптическими осями, установленных в оптически прозрачных, матированных или выполненных из глушенных силикатных стекол или из оптического проликарбоната колбах в форме сферы диаметром 40-150 мм, а также колбах куполообразной формы [13-15] с интегрированным в поликарбонатные стенки люминофором.

В этих лампах для эксплуатации в бытовой сети ИП встроены в цокольную часть в отсеке радиатора охлаждения, который является общим для светодиодного модуля излучателя и электронных элементов преобразователя питающей сети.

Конструкторские решения

В статье мы ограничимся обсуждением излучателей и ламп на светодиодах мощностью 0,5-3 Вт с компактными светящими телами в конструктивном исполнении с форм-фактором традиционных ЛН, то есть изделий для их прямой замены.

Такие лампы на светодиодах (СД) преимущественно белого свечения или глубокого синего или голубого излучения (λmax ~ 450-470 нм) с переизлучением большей его части в белое свечение (λmax ~ 570-580 нм) за счет применения в лампе удаленного, то есть располагаемого на удалении от светодиодов, фотолюминофора разработаны на основе трех разновидностей излучателей СД-модулей:

  • плоских (кластеров) в виде круглых, кольцевых или многоугольных печатных плат с металлизированным или выполненных на основе теплопроводной керамики основанием на светодиодах с параллельными оптическими осями, установленных в защитной светорассеивающей колбе в форме полусферы, части сферы или купола и в тепловом контакте с примыкающим к плате и вынесенным из колбы в окружающее пространство радиатором охлаждения;
  • объемных в виде коротких светодиодных линеек [16] или теплопроводных лепестков — индивидуальных радиаторов охлаждения [17] со светодиодами, установленных в тепловом контакте на несущем теплопроводном держателе — радиаторе кондуктивного теплоотвода, выступающем из колбы в цокольную часть лампы и/или в окружающее пространство для конвективного охлаждения;
  • объемных в виде полых или цельных выпуклых или вогнутых многогранников из теплопроводного материала, в частности, усеченных правильных многогранников, например икосаэдра [18, 19], усеченных пирамид [1820-22], выполняющих функции держателей светодиодов, или СД-минимодулей, формирующих пространственное свето-распределение и одновременно являющихся радиаторами кондуктивного теплоотвода, в том числе за счет теплового контакта с выступающим из колбы в окружающее пространство оребренным радиатором охлаждения.

Коммерческое распространение получили главным образом светодиодные лампы с плоскими модулями с равномерно распределенными на них светодиодами преимущественно на периферии платы с параллельными оптическими осями, ориентированными на стенку колбы вдоль продольной оси лампы.

Повсеместное освоение этих ламп обусловлено простотой конструкции плоского модуля, средств крепления его на радиаторе охлаждения, а также доступной технологией производства лампы.

Вместе с тем остается неясным то, что, используя в лампах современные светодиоды со светоотдачей 120-160 лм/Вт и сроком службы 60-100 тыс. ч, потребителю предлагают СД-лампы невысокой эффективности, в частности, со светоотдачей в два-три раза меньшей и со сроком службы в три-четыре раза ниже, чем у светодиодов с неудовлетворительными цветовыми параметрами, низким коэффициентом использования питающей сети и т. п. Это больше всего проявляется при создании компактных ламп с мощностью, превышающей 8-9 Вт.

Реальность подтверждает невозможность организации серийного производства высокоэффективных компактных (диаметром 45-50 мм) светодиодных ламп-ретрофитов с излучателями на плоских модулях со светоотдачей 80-90 лм/Вт, с цветовой температурой 2700-3000 К, индексом цветопередачи 80-90 и увеличенной мощности 9-20 Вт в упомянутых габаритах светорассеивающей колбы, удовлетворяющей требованиям по блескости, имеющих срок службы 40-60 тыс. ч и обладающих удовлетворительным коэффициентом мощности, превышающим 0,7.

Эти трудности, прежде всего, связаны с проблемами охлаждения и оптическими потерями мощных светодиодов, собираемых на плоских модулях, из-за необходимости близкого расположения их между собой в колбах минимизированных габаритов, затрудняющих кондуктивный теплоотвод на сопряженный с платой модуля, выступающий из колбы лампы в окружающее пространство радиатор охлаждения, а также связаны с потерями светового потока в стенках колб, создающих удовлетворительное качество света.

Эти трудности, прежде всего, связаны с проблемами охлаждения и оптическими потерями мощных светодиодов, монтируемых на плоских модулях из-за необходимости близкого их расположения между собой в колбах минимизированных габаритов, которые затрудняют кондуктивный теплоотвод на сопряженный с платой модуля и выступающий из колбы лампы в окружающее пространство радиатор охлаждения. Также, указанные проблемы связаны с потерями светового потока в стенках колб, создающих удовлетворительное качество света.

В этой связи, например, согласно [23], допустимый тепловой режим светодиодов (температура кристалла не более +85 °С) при выделяемой тепловой мощности 0,1-0,16 Вт на 1 см2 основания радиатора, на котором установлен в тепловом контакте плоский СД-модуль, обеспечивается заданными размерами этого радиатора и мощностью светодиодов. В частности, для СД-модуля мощностью 15 Вт размеры основания радиатора охлаждения при равномерном размещении светодиодов должны быть не менее 75 см2, что достигается за счет увеличения диаметра колбы лампы до 100 мм при монтаже модуля в плоскости полусферы. Пример такой светодиодной лампы типа BR-LED-CD/E27/15W/28 мощностью 15 Вт, со светоотдачей 53 лм/Вт, с неизвестным сроком службы, в габаритах ∅100×175 мм, заменяющей ЛН 75 Вт, предлагает фирма Briaton [11].

Может ли такой продукт удовлетворить потребителя? Из анализа изделий этой фирмы следует также, что увеличение мощности ламп в ряду 6, 10, 15 Вт на светодиодах фирмы OSRAM светоотдача ламп снижается с 69 до 53 лм/Вт, а диаметр колбы возрастает с 60 до 100 мм.

Куда девается световой поток светодиодов? Как уменьшить габариты ламп? В работе [24] сделана попытка выяснить причины подобного состояния разработок. Здесь светоотдача лампы с учетом потерь представлена в виде:

где: ηLED — светоотдача одиночного СД при заданной температуре корпуса; nop и nel — коэффициенты эффективности оптической и электрической подсистем лампы; nth — коэффициент эффективности теплоотвода, характеризующий снижение светового потока при повышении температуры корпуса СД от T0 до температуры работающей внутри его корпуса лампы.

Названные коэффициенты зависят от конструкторских решений, заложенных в лампу. Значения этих коэффициентов авторы [24] выбрали в пределах nel = 0,75-0,8; nop = 0,5-0,95 и nth = 0,85-0,98 и, таким образом, для ламп, собранных на СД с ηLED = 100 лм/Вт, светоотдача должна быть в пределах 32-74 лм/Вт. При этом авторы делают пессимистическое заключение, что разработки подобных ламп мощностью более 10 Вт при использовании методов отвода тепла неперспективны.

Поскольку светоотдача светодиодной лампы определяется, наряду с эффективностью СД, совокупностью потерь излучения этих СД за счет повышения температуры, оптических потерь, в том числе связанных с решением проблемы блескости, КПД преобразования питающей сети, конструктивных особенностей излучателя лампы и средств охлаждения, представляется важным обсудить влияние основных факторов с учетом новых инженерных решений.

Теплообмен в лампах

Потери, связанные с этим фактором, зависят от конструктивных особенностей лампы, качества светодиодов и СД-модуля на их основе, то есть теплового сопротивления р-n-структуры, контактных элементов и средств монтажа модуля на держателе, организации кондуктивного теплоотвода на радиатор, радиационного теплорассеивания, конвективного охлаждения радиатора с правильно рассчитанной поверхностью теплообмена внутри лампы и в окружающей среде.

Мощные СД синего и голубого излучения имеют эффективность 27-45% [1322]. Например, для СД синего излучения мощностью 1 Вт около 550-700 мВт подводимой мощности расходуется на нагрев кристалла (чипа), держателя или платы модуля с этим чипом. При этом основным механизмом отвода тепла от чипа на плату или держатель является кондуктивная теплопередача (90%).

Согласно [25], падение мощности одиночного синего СД при изменении температуры от +25 до +125 °С составляет ~7%, а измерения потерь подобных девяти светодиодов XLamp XT-E Cree размером 3,45×3,45 мм, плотно установленных на плоском модуле, в указанном интервале температур составляют 14%.

При этом для ламп с белыми светодиодами тепловые потери возрастают, причем выделяемое тепло, аккумулируемое в кристалле СД, покрытом люминофором, способствует деградации люминофора быстрее, чем p-n-структуры кристалла [13]. Согласно [2226], около 20% генерируемой световой энергии расходуется на нагревание фотолюминофора, и в интервале температур +25...+ 125 °С падение мощности белых светодиодов достигает указанной величины, что несколько отличается от результата 16,1%, полученного в эксперименте [25].

Причины деградации люминофора связаны с перегревом и влиянием окружающей среды, в том числе за счет окисления. Перегрев приводит к потере квантовой эффективности люминофора YAG:Ce+3 примерно на 20% при Т = +125 °С, а окисление может способствовать изменению валентности активатора [27].

На рис. 1а-в показаны схемы организации охлаждения в коммерческих лампах одинаковой мощности (8 Вт) с плоскими СД-модулями на примере лампы GI091 E26 LED BnIb (Китай) с белыми светодиодами (6 шт.) и светорассеивающей поликарбонатной колбой (рис. 1а) и лампы серии LL-D-220-08-T-001 E27 [15] с синими СД (7 шт.) и удаленным люминофором, интегрированным в стенки поликарбонатной колбы (рис. 1б), в сравнении с экспериментальной лампой СДЛ (рис. 1в) с объемным СД-модулем в форме усеченного икосаэдра со светодиодами серии XLamp XT-E фирмы Cree (10 и 15 шт.), подключенными в режиме прямого тока 350 мА [28], заключенными в колбу из силикатного стекла в форме усеченной сферы с удаленным люминофором на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного церием (YAG:Ce+3), нанесенным на внутренние стенки колбы в слое силикона [19].

Фрагменты меридионального сечения ламп со схемами хода лучей и отмеченными зонами теплообмена

Рис. 1. Фрагменты меридионального сечения ламп со схемами хода лучей и отмеченными зонами теплообмена (1 — СД-модуль; 2 — радиатор; 3 — колба; 4 — отсек ИП; цветом выделены зоны теплообмена)

Синим цветом на рис. 1 выделены эффективно работающие зоны кондуктивного теплоотвода от кристаллов СД и СД-модулей с вынесенным из колбы кольцевым радиатором охлаждения лампы. Красным цветом показаны эффективно работающие зоны кондуктивно-конвективного теплоотвода в окружающую среду примыкающего к СД-модулю радиатора охлаждения. Зеленым — зоны кондуктивно-конвективного теплообмена отсека электронного преобразователя (ЭПР) лампы с окружающей средой. Желтым — отмечена зона радиационного воздействия излучения светодиодов на удаленный люминофор, то есть зона радиационного теплообмена СД-модуля на стенках колбы, в том числе на стенках с введенными в них светорассеивающими компонентами или с люминофором, нанесенным в составе смеси с силиконом или эпоксидной смолой или введенным в поликарбонат.

Радиационный теплообмен определяется испусканием электромагнитных волн с энергией излучения, пропорциональной площади поверхности СД-модуля и излучательной способности материала, из которого он изготовлен, в частности, из алюминия с Е = 0,02, которая может быть повышена, например за счет анодирования поверхности до 0,8 и выше [29]. Ожидаемое улучшение теплообмена является, реальным.

В таблице 1 приведены основные параметры сравниваемых ламп. Несмотря на недостатки оптической системы, о которых пойдет речь ниже, лампы серии LL-D-220-08-T с удаленным люминофором имеют светоотдачу примерно на 30% выше, чем лампы GI091. Однако эффективность сравниваемых ламп ощутимо ниже, чем экспериментальных ламп СДЛ с объемным СД-модулем и удаленным люминофором.

Таблица 1. Основные параметры сравниваемых светодиодных ламп

Тип лампы Мощность СД, Вт (количество) Фv, лм η, лм/Вт Тцв, К (Ra) Габариты Тип модуля/площадь, см2 Колба, материал Зоны теплоотвода (сечение), см2
лампы, см радиатора, см СД-модуля синие ЭПР зеленые
GI091 8 (6, белые) 480 57,5 3000 (80) ∅6×11,5 ∅6×4,4 Плоский/18,8 Полусфера, ПК + рассеивающий 11,7 41,4
LL-D-220-08-T-001 8 (7, белые) 600 75 3000 (80) ∅6,3×14,8 ∅63×3,2 Плоский/22,9 Купол, ПК + люминофор 14,8 32,1
ЛСД-1 16 (15 ХТ-Е 350 мА, синие) 1700 106 3000 05,5×12,5 ∅5,5×6 Усеченный икосаэдр/26 Усеченная сфера, силикатное стекло + люминофор 18 65,3
ЛСД-2 8 (7 ХТ-Е 700 мА, синие) 1200 150 3000 ∅5,5×11 ∅5,5×5 (отделен) Усеченная пирамида/18,8 Полусфера, силикатное стекло + люминофор 30,6 -
ЛСД-3 9 (15 ML-E 150 мА, 8000 К, белые) 900 100 3000 ∅4,5×11,5 ∅4,5×5 Усеченный икосаэдр/26 Усеченная сфера, силикатное стекло + люминофор 14,7 40,1

В коммерческих лампах с плоскими модулями площадью 18,8 и 22,9 см2 соответственно площади эффективно работающих, несущих светодиоды кольцевых зон кондуктивного теплоотвода, сопряженных с оребренной частью радиаторов охлаждения, находятся в пределах 1,2-1,5 см2, что более чем на 30% меньше, чем площадь зоны кондуктивного теплоотвода на радиатор охлаждения объемного СД-модуля СДЛ. Последний выполнен с отверстиями, через которые обеспечивается конвективный теплообмен (показан стрелками на рис. 1) внутри колбы лампы и СД-модуля.

Следует ожидать значительного повышения эффективности охлаждения СДЛ с учетом конвективного и радиационного теплообмена между стенками объемного СД-модуля — икосаэдра площадью 26 см2 и стенками колбы лампы (желтая зона на рис. 1) из силикатного стекла площадью 48 см2, имеющей теплопроводность, в пять раз превышающую теплопроводность поликарбонатной колбы.

Таким образом, в рассматриваемых коммерческих лампах плоский СД-модуль (рис. 1а, б) установлен на кольцевом оребренном радиаторе охлаждения, то есть на радиаторе, снабженном аксиально сопряженным с ним цилиндрическим отсеком для размещения электронного преобразователя питающей сети.

Площадь эффективно работающей зоны кондуктивной передачи тепла от кольцевой части модуля с установленными на ней светодиодами составляет 11,7 см2 (для шести белых СД лампы GI091), то есть эффективно используется примерно 42% плоской части радиатора 06 см, примыкающей к стенкам колбы. Центральная зона плоской части радиатора площадью 16,5 см2 (58%), отделяющая отсек преобразователя от СД-модуля и внутреннего объема колбы, является источником тепла, выделяемого преобразователем, а не теплоотводом радиатора охлаждения указанного модуля, и поэтому нуждается в теплоизоляции.

Для обсуждаемых ламп одинаковой мощности площади эффективно работающих цилиндрических зон отсеков преобразователей составляют примерно 32 и 41 см2 и сопряжены с ребрами охлаждения, общими для отсека преобразователя и кольцевой части СД-модуля. Причем сечение зоны кондуктивного теплоотвода от цилиндрической оребренной части отсека преобразователя в 2,2 и 3,5 раза превышает сечение зоны эффективного теплоотвода от модулей светодиодов. При этом от модуля лампы GI091 с учетом КПД на радиатор отводится примерно 2,9 Вт подводимой мощности, а из отсека ИП рассеивается 1,6 Вт тепла при потерях преобразователя ~20%, светодиодов ~55%. Это одна из причин низкой светоотдачи коммерческих СД-ламп.

Анализ показывает, что для эффективного охлаждения компактных плоских и объемных СД-модулей в лампах требуется не просто большая поверхность теплообмена. В первую очередь модуль излучателя лампы и отсек преобразователя должны иметь эффективно работающие зоны кондуктивного отвода тепла и зоны рассеяния тепла радиатором охлаждения, а также организованную архитектуру самоподдерживающейся циркуляции холодного водуха как внутри лампы, так и в зонах кондуктивно-конвективного теплообмена на ребрах радиатора в окружающей среде с минимизированным количеством застойных воздушных зон при любой ориентации лампы в пространстве.

Важным является также выполнение конструкции лампы с теплоизолирующим экраном, отделяющим отсек с выделяющим тепло преобразователем от зоны кондуктивного теплоотвода СД-модуля, либо применение конструкторских решений [1218]. В этой связи отметим, что при конструировании ламп предпочтение следует отдавать применению радиаторов с игольчатыми элементами охлаждения, эффективность которых согласно [23] возрастает почти в два раза при близких габаритах к ребристым радиаторам. Кроме того, при этом обеспечивается произвольная ориентация при эксплуатации ламп в пространстве без образования застойных зон в примыкающим к зонам эффективного охлаждения СД-модулей областях.

Оптические потери в лампах

Серьезные недостатки светодиодных ламп повышенной мощности с плоскими модулями и светодиодами с параллельными оптическими осями обусловлены оптическими потерями светового потока в светорассеивающей защитной колбе полусферической или куполообразной формы.

Рассредоточение светодиодов на плате модуля, связанное с необходимостью монтажа их на периферии, то есть на удалении от центральной зоны платы, подогреваемой торцевой стенкой отсека преобразователя — ИП, как это показано на рис. 1а, б, для организации более эффективного кондуктивного теплоотвода на вынесенный из колбы в окружающее пространство кольцевой радиатор охлаждения, вынуждает разработчиков приближать свето-диоды к стенкам колбы лампы с нанесенным или интегрированным в стенки удаленным люминофором и/или светорассеивающими включениями для преобразования излучения и/или снижения блескости.

Колбы ламп выполняют из оптического поликарбоната с введенными в стенки светорассеивающими компонентами, например модифицированным оксидом алюминия Aeroxide AIuC (показатель преломления ne = 1,54), или воска гомогенизированного неокисленного марки А-С617 (ne = 1,51) [14] или люминофора на основе YAG:Ce+3. Используют также колбы из силикатного стекла с введенными в стенки светорассеивающими компонентами или с нанесенным на внутренние стенки вышеуказанным люминофором, размешанным в оптическом силиконе или в кремнийорганической смоле [19].

Преимущества применения стеклянных колб в сравнении с поликарбонатными, в том числе при использовании удаленного люминофора, как видно из таблицы 2, обусловлены более высоким и стабильным при длительной эксплуатации светопропусканием силикатного стекла на длинах волн ~500 и 600 нм (на 12-18%), более высокой теплопроводностью стекла (в пять раз), меньшими потерями на отражение падающих под острыми углами световых лучей СД на стенки колбы, большей твердостью, а значит — увеличенной абразивостойкостью стекла (в 30 раз), более высокой стойкостью к воздействию УФ-излучения и др., обеспечивающими высокие эксплуатационные характеристики ламп в течение более чем 10 лет.

Таблица 2. Параметры материалов, применяемых для изготовления колб, несущих удаленный люминофор СД-излучателей и ламп

Параметры Материалы
Силикатное стекло Оптический ПК Силикон LSR9618-30 Люминофор YAG:Ce+3
Теплопроводность, Вт/м·К1 0,2 0,2  
Допустимая температура длительной эксплуатации, °С-60...+400 120 150 100-125
Светопропускание слоя толщиной 3 мм на длинах волнλ=500 нм 88 70 97  
λ = 650 нм 92 80 97  
Рекомендуемая толщина слоя, мм0,5-1 1,5-2,5 0,5-0,8 0,5-0,8 / 0,1-0,5
Показатель преломления относительно воздуха1,55-1,57 1,58-1,6 1,57 1,8
Угол внутреннего отражения, град.40-41 38-39 38,5 34
Плотность, г/см32,5-3 1,2    
Абразивостойкость (твердость по Бринелю) 500 НВ 78-79 НВ    

Вместе с тем в [14] указывается на возможности повышения коэффициента преобразования синего излучения СД люминофором YAG:Ce+3 в белое свечение при добавлении в композицию ПК+люминофор воска в качестве светорассеивающего компонента, что не исключает перспективу продолжения исследований использования этого материала для колб, несущих удаленный люминофор.

На рис. 1-3 показаны схемы хода лучей и расположения светодиодов синего и белого свечения, имеющих косинусное светораспределение, в стенках колб ламп полусферической или куполообразной формы диаметром 6 и 10 см в сечении меридиональной (главной) плоскости, в том числе ход падающих, отраженных, преломленных на границы раздела сред и частично рассеянных в этих средах лучей, иллюстрирующие причины оптических потерь светового потока светодиодов в лампах.

Потери излучения светодиодов зависят от формы и габаритов колбы (рис. 1, 2), расположения их в СД-модуле и существенно возрастают при удалении их оптических осей от продольной оси OZ колбы лампы, то есть при приближении СД к стенкам.

Схема хода осевых лучей СД и потери рассеянного света в стенках колб 6-10 см из ПК+люминофор (красным цветом отмечены зоны потерянного света)

Рис. 2. Схема хода осевых лучей СД и потери рассеянного света в стенках колб 6-10 см из ПК+люминофор (красным цветом отмечены зоны потерянного света)

Осевые лучи А и В светодиодов, установленных на периферии модулей (рис. 1а, б; рис. 2), например на удалении 5-6 мм от стенок колб, в обсуждаемых лампах GI091 и LL-D-220-08-T-E27 падают на стенки колбы радиусом R = 3 см под углом к перпендикуляру ON i = 55°, а на стенку R = 5 см под углом к перпендикуляру ON i = 65° (показаны стрелками). Часть синего излучения, например для луча А, и светового потока для луча В отражается под такими же углами i и i внутрь колбы, создавая потери ~10-20% световой энергии только на внутренних стенках колбы. При этом потери на стенках куполообразной колбы еще выше — за счет того, что значительная часть потока излучения каждого синего СД падает на боковые стенки под углами 60-82° (рис. 1а) и доля отраженной энергии на границе воздух-поликарбонат составляет 15-40% [3]. Этим можно объяснить причины невысокой эффективности обсуждаемой лампы, несмотря на известные [25] преимущества применения удаленного люминофора.

Наряду с потерями на отражение, значительные потери сопровождают прохождение луча в стенках колбы на границах раздела сред, отличающихся оптической плотностью, коэффициентами преломления, а также влиянием рассеяния света.

Согласно закону преломления света Снелля [30]:

где: η1, η2 — показатели преломления сопряженных сред; i, r — падающий в среде 1 и преломленный в среде 2 световые лучи соответственно.

На рис. 3 показан ход лучей в стенке стеклянной колбы, покрытой слоем удаленного люминофора, размешанного в оптическом силиконе, с рассчитанными по формуле (1) углами преломления.

Схема прохождения, отражения, преломления и рассеяния света в слоях колбы СД-лампы

Рис. 3. Схема прохождения, отражения, преломления и рассеяния света в слоях колбы СД-лампы с удаленным люминофором (i0 — падающие синие лучи; i' и i'' — отраженные от силиконового слоя с люминофором синие и желтые лучи; i1', i2' и i3' — прошедшие, преломленные и рассеянные на зернах люминофора лучи в силиконе и стекле)

С учетом изменения интенсивности отраженных и преломленных волн по формулам Френеля [31], пренебрегая светопоглощением в слоях, как незначительным по сравнению с отражением на разделяющих границах, могут быть рассчитаны потери излучения в рассматриваемых колбах. Здесь анализ потерь может быть выполнен без учета поляризации света, то есть полагая, что p-n-переход кристалла светодиода и люминофор являются источниками неполяризованного (естественного) света. Это подтверждено [32], где обсуждаются потери света в стеклянных экранах выпуклой формы.

Для ламп со стеклянными колбами доля потерянной за счет отражения световой энергии внутри лампы на границе «воздух-стекло» (ne = 1,55, таблица 2) при углах падения лучей к нормали 50-60° составляет 6,6-9,8%; при 60-70° — от 9,8 до 18%; при 70-80° — от 18 до 39% [30].

При распространении света из более плотной среды в менее плотную (например, из стекла или поликарбоната в воздух) углы падения лучей на границу раздела сред ограничены предельным (критическим) углом полного внутреннего отражения (ПВО), который может быть рассчитан из соотношения:

где η — показатель преломления плотной среды. Для силикатных стекол iПВО составляет 40°, а для поликарбоната оптического — 38-39°.

При выходе из колбы, то есть на границе «стекло-воздух», при углах падения лучей 30-38° потери (доля отраженной световой энергии) составляют 6,8-23%, а при углах падения лучей 38-40° — 23-100%.

При нанесении на внутренние стенки колбы фотолюминофора, зерна которого имеют увеличенный показатель преломления (η = 1,8) по сравнению с силиконом, силикатным стеклом или поликарбонатом, потери возрастают еще больше за счет рассеяния излучения, так как для зерен люминофора предельный угол ПВО составляет 34° — значительно меньше, чем у несущей матрицы.

Подобные явления наблюдаются также при нанесении на стенки или введении в стекло или поликарбонат для снижения блескости лампы светорассеивающих компонентов, в том числе в смеси с люминофором с показателем преломления, отличающимся от того же параметра матрицы.

Для рассмотренных случаев телесный угол преломленного светового пучка будет значительно шире падающего в зависимости от характеристики люминофорного слоя или от типа и концентрации рассеивающих компонентов, толщины слоев и т. п.

Пример экспериментальной оценки потерь, обусловленных описанными выше явлениями, приведен на рис. 4, где показано пространственное распределение силы света (сплошная кривая) исследуемой лампы GI091 Е26 в главной плоскости со светорассеивающей колбой из оптического поликарбоната (толщина стенки 2,5 мм) с интегрированными в стенки светорассеивающими компонентами, а также светораспределение лампы без упомянутой колбы (пунктирная линия).

Диаграмма распределения силы света лампы GI091

Рис. 4. Диаграмма распределения силы света лампы GI091 в главной плоскости СД-модуля (излучателя без колбы) и лампы

Осевая сила света шести светодиодов белого свечения, собранных на плоском модуле с параллельными оптическими осями и лучами, падающими на стенки колбы под углами 55° к перпендикуляру, снижается от 128 (без колбы) до 86 кд. При этом совокупные потери светового потока в стенке колбы составляют 45%, что трудно признать удовлетворительным, несмотря на то, что индикатриса светораспре-деления близка к ламбертовской. Эти потери включают главным образом френелевские потери на границах раздела сред и связаны с потерями на рассеяние введенными в стенку колбы компонентами за счет полного внутреннего отражения части рассеянных лучей.

Для лампы с удаленным люминофором в колбе со структурой, показанной на рис. 3, и синими светодиодами с параллельными оптическими осями, установленными на периферии плоского модуля на удалении 5-6 мм от стенки колбы, падающий луч i под углом 55° к перпендикуляру ON — радиус колбы на силиконовый слой с показателем преломления η1 = 1,56-1,6, близким к показателю преломления η2 = 1,555 стекла колбы, частично отразится на границе раздела сред «воздух-силикон» (~9%), а преломленный луч r1 = 31° в силиконе, рассчитанный по формуле (1), не взаимодействующий с зерном люминофора, войдет в стекло с углом преломления r2 = 32°.

На границе раздела сред «силикатное стекло-воздух» потери составят ~10%, если синий луч светодиода не встретит светорассеивающих компонентов в силиконе или стекле.

Вышедший из колбы при этом синий луч с углом преломления в воздухе i3' = 55° к перпендикуляру N3 — радиус наружной стенки колбы будет равен падающему углу i0.

Если падающий на стенку колбы синий луч i = 55° к перпендикуляру N1 взаимодействует с зерном люминофора, размешанного в силиконе, происходит преобразование синего излучения в желтый световой поток с максимумом на длинах волн λ = 580 нм и одновременно отражение и рассеяние как первичного, так и преобразованного излучения.

При этом отраженное и направленно-рассеянное прошедшее и преломленное излучение в зерне люминофора с показателем преломления η = 1,8 формирует в силиконе и стекле колбы диаграмму светораспределения (пунктир на рис. 3) за счет разнонаправленных углов преломления, с превалирующим углом преломления на границе «силикон-стекло» i3' = 32° к перпендикуляру N3.

Степень рассеяния (телесный угол), то есть ширина диаграммы преобразованного люминофором излучения, зависит от размеров зерен (дисперсности порошка), толщины люмино-форного слоя, равномерности распределения в силиконе с образованием гетерогенной структуры и других факторов. Тем не менее углы рассеяния и преломления преобразованных лучей существенно превышают не только превалирующий угол (ось телесного угла i3' = 32°), но и углы полного внутреннего отражения для силикона (iПВО' = 38,5°) и силикатного стекла (iПВО' = 40°), рассчитанные по формуле (2). При высокой плотности люминофорного слоя диаграмма светораспределения может иметь косинусную форму, увеличивая тем самым потери лампы.

На рассматриваемой диаграмме хода преломленных лучей в стекле красным цветом обозначена критическая зона для лучей, распространяемых в стекле и падающих на границу раздела сред под углами, превышающими угол полного внутреннего отражения (iПВО' = 40°). При этом значительная часть рассеянных лучей в стекле не выйдет из колбы лампы в окружающее пространство, то есть часть излучения, принесенного на границу раздела «стекло-воздух» падающей световой волной, уносится отраженной волной за счет полного внутреннего отражения и расходуется на нагрев колбы.

Подобные процессы сопутствуют прохождению таких же лучей в поликарбонатных колбах с интегрированным люминофором и/или со светорассеивающими компонентами, только проявляются большими потерями из-за меньшего iПВО' в сравнении с силикатными стеклами.

Потери светового потока в лампах на плоских модулях с рассмотренными оптическими системами только на рассеяние света в стенках стеклянной колбы достигают 40%, а в колбах из оптического поликарбоната могут превышать 50%.

Подобные потери могут быть существенно уменьшены, если перестроить оптические системы современных компактных светодиодных излучателей и ламп, реализуя резервы их совершенствования, частично рассмотренные здесь и накопленные за последнее десятилетие.

Резервы совершенствования компактных излучателей и ламп с удаленным люминофором

Описанные в работах [13-15192233-39] исследования и разработки СД-излучателей и ламп со светодиодами коротковолнового излучения преимущественно глубокого синего (λmax = 450-470 нм) спектра излучения с преобразованием большей его части в световой поток с максимумом излучения в желтой области спектра, с использованием удаленного люминофора с образованием белого свечения требуемой цветовой температуры при смешении преобразованных потоков с первичным излучением светодиодов, раскрыли возможности значительного повышения их эффективности.

Люминофоры, располагаемые на некотором расстоянии от светодиодов, то есть удаленные от них, наносят на стенки колб ламп в виде тонких слоев непосредственно, преимущественно в составе оптически прозрачных компаундов, или интегрируют (вводят) в стенки колбы.

В любом случае исключается взаимный кондуктивный и радиационный теплообмен p-n-структуры кристалла (чипа) светодиода с люминофором, снижающий возможности их взаимного влияния, которое приводит к деградации за счет теплового воздействия, вызывающего уменьшение квантового выхода люминесценции, изменение валентности активатора и т. п.

Первые попытки полезного использования удаленного люминофора были сделаны компанией Cree LED lighting [33], где излучение светодиодов с λ = 420-450 нм преобразовали в белое свечение рассеивателем в форме сферической линзы, покрытой люминофором. А в патенте фирмы Advanced Technology Materials [34] предложена лампа с синим светодиодом, установленным в куполообразной колбе с интегрированным в стенки или покрытым изнутри люминофором, преобразующим синее излучение светодиода в белое.

Позже в работах [1335] были описаны светоизлучающий узел с плоским СД-модулем и лампа с куполообразной колбой и аналогичным модулем на голубых (λ = 455 нм) светодиодах с параллельными оптическими осями, в которых удаленный люминофор нанесен на внутренние стенки упомянутого узла или колбы лампы. Подобное применение удаленного люминофора в трубчатых лампах с форм-фактором ЛЛ описано в работах [1336].

Однако авторы перечисленных работ не рассмотрели возможности использования двустороннего излучения люминофора, дистанцированного от источника излучения, а также пути проектирования компактных СД-ламп повышенной эффективности.

Вместе с тем в работах [37-39] в 2002-2006 гг. подтверждена эффективность преобразования синего излучения светодиодов с λ = 470 нм в световой поток желтого диапазона длин волн спектра удаленным люминофором на основе YAG:Ce+3 с установлением количественных характеристик исходного (испускаемого синим СД), преобразованного и прошедшего вперед (по направлению синих лучей), отраженного и испускаемого зернами люминофора, направленного обратно (возвращенного к источнику) излучения.

Соотношение долей излучения при этом составляет 47 и 53% прошедшего слой люминофора и возвращенного от него назад к источнику возбуждения соответственно для суммарного (смешанного) излучения, а так — 45 и 55% соответственно только для желтого (преобразованного) излучения.

Эти результаты получены согласно [39] для YAG:Ce+3 с показателем преломления η = 1,8 люминофора, замешанного в эпоксидной смоле с η = 1,6 при плотности 8 мг/см3, обеспечивающего сбалансированный белый свет. Таким образом, очевидны перспективы использования двухстороннего излучения удаленных люминофоров в лампах и светильниках для повышения их эффективности.

Эти исследования инициировали поиски путей использования обратно-рассеянного излучения удаленного люминофора в светодиодных излучателях и разработки реальных конструкций светодиодных ламп с форм-фактором ламп накаливания и линейных ЛЛ.

На рис. 5 показано осветительное устройство — излучатель [40] с удаленным люминофором, расположенным на отражателе света, облучаемом синим светодиодом, с боковым выводом преобразованного люминофором свечения, смешанного с отраженным первичным синим излучением. Излучатель снабжен отражателями, один из которых покрыт слоем люминофора, защищенным оптически прозрачной пленкой, и установлен перпендикулярно оптической оси синего светодиода. Другие отражатели (боковые) расположены на несущем основании в плоскости светодиода, обеспечивая вторичное отражение преобразованных и первично отраженных синих лучей светодиода в сторону выводной апертуры, перекрытой защитным стеклом, установленным в корпусе с прозрачными или светорассеивающими стенками.

Излучатель с дистанцированным люминофором и боковым выводом света

Рис. 5. Излучатель с дистанцированным люминофором и боковым выводом света (1 — люминофор; 2 — отражатель света; 3 — синий светодиод; 4 — боковые отражатели; 5 — защитная пленка; 6 — основание-радиатор; 7 — выводная апертура, 8 — защитное стекло)

Поскольку преобразованный люминофором световой поток является в лучшем случае направленно рассеянным, который собрать в кольцевую или протяженную щелевую апертуру непросто, целесообразность реализации такого излучателя сомнительна, в том числе с учетом значительных апертурных потерь.

Еще один вариант использования двухстороннего излучения удаленного люминофора в компактных светодиодных лампах предложен в патенте РФ [22].

На рис. 6 показано сечение излучателя лампы, содержащей синие светодиоды, установленные на периферии кольцевого теплоотводящего основания с осевым круглым апертурным отверстием для вывода части преобразованного излучения, сопряженного с полусферической оптически прозрачной колбой, на внутренние стенки которой нанесен удаленный люминофор, преобразующий часть синего излучения светодиодов в желтое свечение, которое, смешиваясь с первичным излучением, образует белое свечение, выходящее из колбы одновременно по ходу первичных лучей через ее стенки, и возвращается назад через апертурное отверстие кольцевого основания — держателя светодиодов, перекрытого защитным стеклом.

Сечение излучателя СД-лампы

Рис. 6. Сечение излучателя СД-лампы с прямым и обратным рассеянием удаленного люминофора (1 — синие СД; 2 — кольцевой держатель-радиатор СД с круглым апертурным отверстием (3); 4 — держатель колбы; 5 — люминофор; 6 — синие лучи; 7 — преобразованные желтые лучи; 8 — колба)

Внутренние стенки кольцевого основания выполнены наклонными, и оптические оси установленных на них светодиодов с углами рассеяния ≤90° ориентированы на ось симметрии колбы лампы, пересекаясь с нею под углом β ≥ 90°-θ/2, где θ — полуугол рассеяния излучения СД. Таким образом, в излучателе использован вогнутый объемный (кольцевой) СД-модуль с внутренним кольцевым выступом, экранирующим прямое излучение синих светодиодов от поступления в апертурное окно — отверстие основания лампы.

Кольцевой СД-модуль, выполненный с некоторым количеством теплорассеивающих ребер, располагаемых на наружной части колбы, образует окна для вывода излучения. Эти ребра служат также для размещения средств токоподвода к СД-модулю от оребренного отсека с размещенными в нем ИП и цоколем лампы, как показано на рис. 7.

СД-лампа с двусторонним выводом преобразованного излучения удаленным люминофором

Рис. 7. СД-лампа с двусторонним выводом преобразованного излучения удаленным люминофором (1 — кольцевой держатель-радиатор СД; 2 — удаленный люминофор; 3 — апертурное отверстие; 4 — ребра охлаждения; 5 — радиатор отсека ИП; 6 — цоколь)

Отсек с источником питания аксиально с апертурным окном сопряжен с тыльной частью колбы с удаленным люминофором, экранируя, наряду с ребрами охлаждения СД-модуля, выход значительной части светового потока лампы в окружающее пространство. Сложность конструкции лампы обусловлена прежде всего трудностями охлаждения кольцевого СД-модуля, отделенного от радиатора охлаждения ИП.

Эффективность этой лампы неизвестна, однако выполненные изобретателем с использованием этой интересной идеи линейные полуцилиндрические излучатели с применением чипов СД типа SL-V-B35AK фирмы SemiLEDs с использованием обратно рассеянного излучения удаленного люминофора обеспечили рекордную светоотдачу 160-200 лм/Вт. Предложенные нами лампы [19] и излучатели [18] с выпуклыми объемными СД-модулями, обеспечивающими возможности использования прямого и обратно рассеянного излучения удаленного люминофора, показаны на рис. 1а, 8, 9.

СД-лампа с удаленным люминофором и объемным СД-модулем

Рис. 8. СД-лампа с удаленным люминофором и объемным СД-модулем в виде усеченного икосаэдра (1 — СД-модуль; 2 — колба с люминофором; 3 — радиатор и держатель СД-модуля; 4 — отсек источника питания; 5 — цоколь)


СД-модуль лампы, показанной на рис. 8 (вид сверху)

Рис. 9. СД-модуль лампы, показанной на рис. 8 (вид сверху)

В варианте исполнения, показанном на рис. 1в и 8, лампа выполнена с СД-модулем в виде усеченного правильного многогранника — в частности, усеченного икосаэдра со светоотражающими, например зеркализованными, стенками-гранями и установленными на них светодиодами коротковолнового излучения (синего, голубого, фиолетового) или белого свечения с высокой цветовой температурой с оптическими осями, преимущественно перпендикулярными стенкам колбы в форме усеченной сферы или купола, на внутреннюю поверхность которой нанесен или введен в стенки удаленный люминофор, преобразующий часть излучения светодиодов в световой поток более длинноволновой части спектра и одновременно рассеивающий его.

Колбы выполняют из оптически прозрачного силикатного или халькогенидного стекла или из оптического поликарбоната. В качестве удаленного люминофора используют иттрий-алюминиевый гранат, активированный церием YAG:Ce+3; гадолиний-алюминиевый гранат GaAG:Ce+3; их смеси, в том числе с добавками других люминофоров, наносимых на внутренние стенки колбы, например в составе силиконового адгезива из жидкой суспензии и т. п. Для поликарбонатных колб предпочтительно равномерное распределение люминофора в исходном материале перед формованием изделия.

Объемный СД-модуль излучателя в виде полого усеченного икосаэдра с кольцевой от-бортовкой коаксиально установлен в тепловом контакте на кольцевом оребренном радиаторе охлаждения и механически прижат к нему винтами или заклепками. Указанный радиатор имеет цилиндрический отсек для ИП модуля и кольцевой фланец, на котором установлена охватывающая СД-модуль колба лампы с возможностью герметизации внутренней полости. Выступающие внутрь модуля цилиндрические стенки радиатора и его плоская кольцевая часть определяют тепловой контакт за счет плотной посадки или соединения по резьбе, увеличивая поверхность кондуктивного теплоотвода.

Кроме того, усеченный икосаэдр и кольцевой радиатор охлаждения могут быть изготовлены в виде единой детали, например методом литья под давлением. Внутренняя полость икосаэдра отделена от отсека с ИП лампы теплоизолирующим экраном и соединена каналами с образованным стенками колбы пространством для обеспечения циркуляции воздуха в зоне излучателя (стрелки на рис. 1в) для интенсификации конвективного теплообмена внутри колбы и исключения образования застойных зон.

15 треугольных зеркализованных граней усеченного икосаэдра ориентированы в пространстве колбы лампы таким образом, чтобы их центры с установленными светодиодами, например серии XT-E компании Cree, обеспечили ориентацию оптических осей СД перпендикулярно стенкам колбы сферической формы с радиусом шара, превышающим радиус сферы, описывающей икосаэдр из общего центра.

На гранях икосаэдра-держателя могут быть установлены в тепловом контакте плоские треугольные светодиодные мини-модули со светоотражающей поверхностью, например компании Rainbow Technologies [41], в том числе с упомянутыми выше синими светодиодами.

В качестве светодиодов используют глубоко синие светодиоды (λ ~ 460-470 нм) мощностью 0,5-3 Вт с углом излучения 2θ = 120-140° в комбинации с удаленным люминофором ранее упомянутых типов.

Габариты граней усеченного икосаэдра или СД-минимодулей выбирают в зависимости от мощности и углов излучения применяемых СД, а размеры шаровой колбы должны быть такими, чтобы крайние боковые лучи светодиодов прилегающих граней пересекались в полости, образованной объемным модулем и использованным люминофором.

В таблице 3 приведены основные параметры излучателя в зависимости от величины ребра грани икосаэдра «а», которые могут быть использованы разработчиками лампы. Например, для лампы, показанной на рис. 8, с колбой диаметром 4,5-5,5 см со светодиодами XT-E с 2θ = 140° или ML-E с 2θ = 120° компании Cree, треугольные грани икосаэдра проектируют с ребром а = 20-24 мм, что достаточно для режимов эксплуатации указанных светодиодов мощностью 0,5-1 Вт в допустимом тепловом режиме.

Таблица 3. Основные параметры СД-модуля излучателя лампы серии ЛСД, выраженные через длину (а) ребра икосаэдра

Тип модуля Радиус модуля R = f(a), см Площадь грани модуля SΔ = f(a), см2 Высота усеченной части модуля h = f(a), см Площадь поверхности модуля Sm = f(a), см2 Угол между гранями, примыкающими по ребру, град. Угол наклона граней к оси модуля ZZ, град. Угол наклона боковых граней модуля к оси ZZ, град.
Усеченный икосаэдр 0,951а 0,433а2 0,5225а 6,495а2 138 52,5 10,5

Для этого примера расстояние от каждого светодиода толщиной 1,2-2,5 мм удаленного люминофора, размещенного в слое силикона или эпоксидной смолы толщиной 0,8-1 мм, должно быть в пределах не менее 6-10 мм, подразумевая косинусную кривую распределения излучения СД.

Для уменьшения габаритов колбы, а значит уменьшения расхода люминофора, на гранях икосаэдра могут быть выполнены углубления (гнезда) для монтажа светодиодов, что реализуемо в производстве объемных модулей, например методом литья под давлением. Наружная рабочая поверхность объемного модуля — усеченного икосаэдра, выполняющая также функцию зеркализованного отражателя обратно рассеянного излучения удаленного люминофора, наряду с отводом тепла от установленных на ней светодиодов, имеет суммарную площадь 26-37,4 см2, а поверхность светоотражающей части этого модуля, возвращающая большую часть обратно-рассеянного излучения на стенки колбы, составит 24,2-35,6 см2 (за вычетом площади, занимаемой светодиодами XT-E).

Объемный модуль лампы на основе икосаэдра, который можно рассматривать как две правильные пятиугольные пирамиды, соосно сопряженные между собой с азимутальным поворотом одной относительно другой по оси ZZ на угол 36° и разделенные кольцевым поясом, составленным из 10 граней (рис. 9), половина из которых примыкает по ребрам к граням одной пирамиды, а вторая половина аналогично примыкает ко второй пирамиде, представляет собой усеченный плоскостью по основанию одной из пирамид икосаэдр.

Углы наклона граней с установленными на них светодиодами, сопрягаемых между собой по ребру икосаэдра, а также углы наклона граней к его продольной оси ZZ, перпендикулярной плоскости сечения (продольной оси лампы), приведены в таблице 3 и использованы для расчета ширины полости, разделяющей светодиоды и стенку колбы с удаленным люминофором.

Крайние лучи каждого из упомянутых выше светодиодов в рассматриваемой конфигурации оптической системы поступают на стенки колбы диаметром 4,5-6 см под углами 40-48° к перпендикуляру, обеспечивая потери на отражение от стекла, силикона или поликарбоната, не превышающие 5-7%, а также уменьшенные потери за счет полного внутреннего отражения при выходе из колбы светового потока. При этом осевые примыкающие к ним лучи светодиодов, поступающие на стенки под углами, близкими к перпендикуляру, имеют минимальные потери.

Наряду с минимальными оптическими потерями предложенная схема применения объемного модуля со светоотражающими стенками в комбинации с дистанцированным люминофором существенно улучшает оптические характеристики лампы за счет высокой равномерности светораспределения и как следствие уменьшенной блескости.

Успешно могут быть использованы также объемные модули другой конфигурации, обеспечивающие близкую к нормальной ориентацию оптических осей светодиодов на стенки колбы лампы.

В случае СД-излучателя с объемным модулем в виде правильно усеченной шестиугольной пирамиды с установленными на гранях в верхнем основании синими светодиодами в комбинации с нанесенным или интегрированным в стенки окружающей модуль полусферической колбы удаленным люминофором эффективность их применения обоснована в изделиях ЗОД-1П [4243] и ЗОД-3П [8].

Очевидно, что лампы с такими СД-модулями могут быть разработаны также на основе светодиодов не только коротковолнового излучения в комбинации с удаленным люминофором, но и на мощных светодиодах белого свечения, в том числе с использованием светорассеивающих колб (таблица 1).

Важным резервом совершенствования компактных излучателей и ламп высокой эффективности является реализация идеи проектирования разъемных конструкций [18] корпуса СД-излучателя с радиатором охлаждения и корпуса ИП (преобразователя питающей сети), собранного в индивидуальном или в унифицированном патроне, в том числе с радиатором охлаждения [12], в который пользователь подключает излучатель с предусмотренной тепловой изоляцией их между собой.

Показанный на рис. 9 излучатель выполнен с секцией микроразъема, ответная часть которого установлена в корпусе ИП со стандартным цоколем или в светодиодном патроне [12].

Однако СД-излучатель может быть выполнен с традиционным стандартным резьбовым (или другого типа) цоколем и эксплуатироваться в упомянутом выше светодиодном патроне с резьбовыми контактными элементами и собранным в нем преобразователем питающей сети, как это показано на рис. 10.

Патрон с источником питания СД-излучателя

Рис. 10. Патрон с источником питания СД-излучателя с резьбовым цоколем

В рассмотренных вариантах исполнения ламп исключаются возможности взаимного теплообмена СД-модуля с выделяющим тепло ИП (20-25% от подводимой мощности) за счет применения индивидуальных радиаторов охлаждения.

Еще более важным является то, что появляется возможность минимизации габаритов излучателя, а значит — светодиодной лампы, при одновременном повышении эффективности его охлаждения за счет увеличения площади кондуктивно-конвективного теплоотвода, то есть увеличения рассеивающей тепло поверхности оребрения, поскольку габариты теплоизолирующей секции микроразъема (или стандартного цоколя с изолятором) существенно меньше сечения корпуса ИП.

В этом случае СД-модуль излучателя охлаждается индивидуально почти по всей поверхности его теплового контакта с радиатором. Еще одно преимущество обсуждаемой разъемной лампы заключается в том, что СД-излучатель, являющийся более дорогостоящим элементом конструкции лампы и имеющий срок службы в два-три раза больший, чем у ИП, выполненного на доступных электронных компонентах, может эксплуатироваться у потребителя со сменными преобразователями в условиях налаженной системы унификации и взаимозаменяемости, как это достигнуто с традиционными лампами накаливания и некоторыми ГРЛ в быту и в промышленной эксплуатации.

Выводы

Несмотря на высокую эффективность современных светодиодов, сегодня не решена проблема создания компактных СД-излучателей и ламп в габаритах 4,5-6 см сечения колбы мощностью 9-20 Вт с адекватной светоотдачей, сроком службы и требуемым качеством света на основе плоских СД-модулей, в том числе в колбах с удаленным люминофором. Это означает, что рекламные заявления некоторых фирм о создании СД-ламп прямой замены ЛН мощностью 75, 100 Вт и более остаются не подтвержденными на практике.

На основе анализа исследований и разработок патентного фонда сделана попытка выявления невостребованных резервов совершенствования светодиодных ламп для замены ЛН и рядя ГРЛ преимущественно с позиций тепловых и оптических проблем, в том числе решения задач нетрадиционными методами.

В работе рассматриваются решения тепловых задач за счет:

  • применения в лампах объемных СД-модулей, выполняющих функции держателей светодиодов или минимодулей с этими СД и одновременно радиаторов кондуктивного теплоотвода, позволяющих, сохранив или уменьшив размеры колбы излучателя или лампы, увеличить суммарную площадь монтажа светодиодов и компактно рассредоточить их на радиаторе, увеличив тем самым площадь кондуктивного теплоотвода на вынесенную из колбы часть указанного радиатора или на сопряженную со СД-модулем часть дополнительного радиатора кондуктивно-конвекторного охлаждения;
  • выполнения колбы лампы из силикатного стекла, в том числе несущего удаленный люминофор, имеющего в пять раз более высокую теплопроводность по сравнению с органическими оптическими материалами, улучшающего условия его эксплуатации;
  • организации конвективного теплопере-носа внутри колбы лампы и СД-модуля, исключающего образование застойных зон горячего воздуха при любой ориентации лампы в пространстве;
  • использования для охлаждения СД-модуля радиационной теплопередачи в окружающую среду за счет увеличенной его поверхности;
  • полной или частичной теплоизоляции СД-модуля и средств управления светом между собой и с выделяющим тепло при эксплуатации преобразователем питающей сети.

В работе обсуждаются резервы улучшения оптических характеристик и качества света за счет проектирования излучателей и ламп на светодиодах коротковолнового излучения с преобразованием его удаленным люминофором в комбинации с объемным СД-модулем, в том числе:

  • Использование двухстороннего, включая обратно направленное, преобразованного удаленным люминофором излучения, а также отраженного излучения с применением объемного модуля со светоотражающими, например зеркализованными, стенками.
  • Применение объемных СД-модулей, обеспечивающих разнонаправленную ориентацию в пространстве оптических осей светодиодов для улучшения светораспределения и снижения блескости излучателя.
  • Выполнение СД-излучателей с максимальным приближением к нормальной, то есть перпендикулярной ориентации оптических осей светодиодов к стенкам колбы, в том числе к слою удаленного люминофора, интегрированного или нанесенного на стенку колбы, например в составе оптически прозрачных композиций.
  • Применение менее мощных светодиодов за счет увеличения их количества в объемных СД-модулях с разнонаправленной ориентацией их оптических осей в пространстве.
  • Выполнение колб ламп из силикатного стекла, имеющего более высокое пропускание излучения в спектральном интервале 450-600 нм и гарантированную стабильность светопропускания в течение срока службы по сравнению с оптическим поликарбонатом.

Важным резервом совершенствования устройств является также улучшение их эксплуатационных свойств за счет:

  • разъемного исполнения СД-излучателя и ИП с возможностью взаимозаменяемости при эксплуатации и индивидуального охлаждения для улучшения тепловых режимов;
  • организации производства защищенных СД-модулей для экплуатации в автономных СД-патронах со встроенными источниками питания;
  • повышения срока службы ламп за счет применения съемных ИП, обладающих меньшей долговечностью.

Литература

  1. Басов Ю. Г., Равиашвили А. Г., Сысун В. В. Специальная светотехника. Минск. ИЦ БГУ. 2008.
  2. Пат. № 2244870 (РФ) Лампа на светодиодах / В. В. Сысун // Бюл. 2005. № 2.
  3. Глухов А. Конструкция светодиодной лампы для прямой замены ЛН общего назначения // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 2.
  4. Пат. № 2227245 (РФ) Лампа на светодиодах / Н. И. Середа, В. В. Сысун // Бюл. 2004. № 11.
  5. Пат. № 2245489 (РФ) Компактная лампа на светодиодах / В. В. Сысун // Бюл. 2005. № 3.
  6. Пат. № 2251050 (РФ) Взрывозащищенный световой прибор на светодиодах / В. В. Сысун // Бюл. 2005. № 12.
  7. Пат. № 2392538 (РФ) Защищенный световой прибор на мощных светодиодах / В. В. Сысун // Бюл. 2010. № 17.
  8. Пат. № 2248499 (РФ) Герметичный световой прибор на светодиодах / А. Н. Сысун, А. Н. Степанов // Бюл. 2005. № 8.
  9. Пат. № 2158876 (РФ) Лампа на светоизлучающих диодах / И. И. Середа, В. В. Сысун // Бюл. 2000. № 31.
  10. Пат. № 2488739 (РФ) Светодиодный модуль (линейка) и лампа на его основе / В. В. Сысун // Бюл. 2007. № 21.
  11. Компания Briaton. Каталог продукции «Светодиодные лампы и светильники». 2012.
  12. Пат. № 2464682 (РФ) Патрон для светодиодной лампы / В. В. Сысун // Бюл. 2012. № 29.
  13. Митрофанов А. В., Орловский В. Н., Холодилов В. И. Световые приборы с голубыми светодиодами и люминофором на защитном стекле // Светотехника. 2008. № 4.
  14. Лазарева Т. К. Композиционные люминесцентные материалы с улучшенными светотехническими характеристиками на основе поликарбоната. Автореф. дис. на соискание степени канд. технических наук. Москва, 2011.
  15. Компания «Лидер Лайт». Каталог продукции «Светодиодное освещение». 2013.
  16. Пат. № 2446346 (РФ) Лампа на светоизлучающих диодах / Л. А. Борыняк, Ю. К. Непочатов // Бюл. 2012. № 9.
  17. Пат. № 2347975 (РФ) Лампа на мощных светодиодах / В. В. Сысун // Бюл. 2009. № 6.
  18. Пат. № 2464488 (РФ) Светодиодная лампа / В. В. Сысун // Бюл. 2012. № 29.
  19. Пат. № 2408816 (РФ) Светодиодная лампа белого свечения / Г. С. Сарычев, В. В. Сысун // Бюл. 2011. № 1.
  20. Patent CN 101307887 20081119 (EN) LED lighting bulb / Xueli Mu (CN) // Publ. 19.11.2008.
  21. Patent CN 2010332073 20080305 (EN). High-power LED cup lamp / Jianping Zhu // Publ. 2010.
  22. Пат. № 2457393 (РФ) Светодиодный источник белого света с удаленным фотолюминесцентным конвертером / В. Н. Уласюк // Бюл. 2012. № 21.
  23. Сакуненко Ю. Проектирование системы охлаждения полупроводникового светильника // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 3.
  24. Лишик С. И., Паутино А. А., Трофимов Ю. В., Цвирко В. И. О светодиодных лампах прямой замены // Светотехника. 2010. № 1.
  25. Люн М. Объективное сравнение белых светодиодов и решений с дистанцированным люминофором // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 4.
  26. Дохтуров В., Смирнов С., Гочарова Ю. Влияние локализации тепловыделения на тепловое сопротивление мощных полупроводниковых источников света // Полупроводниковая светотехника. 2013. № 3.
  27. Рыжков М. В. О деградации и отказах белых светодиодов // Светотехника. 2010. № 3.
  28. Каталог фирмы «Компэл». Мощные светодиоды Cree. 2013.
  29. Мотоя А., Каи М., Манабе Й., Шида С. Управление тепловым режимом светодиодных ламп // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 4.
  30. Ландсберг Г. С. Оптика. 5-е изд. М. Физ-малит. 1976.
  31. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Пер. с англ., 2-е изд. М. Наука. 1973.
  32. Ильина Е., Лукин П. Влияние защитного экрана на светораспределение светильника // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 4.
  33. Пат. № 6350041 (США). Опубл. 26.02.03. Cree Lighting Co.
  34. Пат. № 6600175 BI (США). Опубл. 29.07.03. Advanced Technology Materials, Inc.
  35. Пат. № 2301475 (РФ). Светоизлучающий узел, способ создания свечения светоизлучающего узла и устройство / В. И. Холодилов, В. Н. Орловский, В. Л. Кирьянов, В. М. Красовский. Опубл. 20.06.07.
  36. Пат. № 7618157 BI (США). Опубл. 17.11.09. Osram Sylvania Inc.
  37. Yamada K., Imai Y., Ishii K. Optical Simulation of Light Sourse Devices Composed of blue LEDs and YAG Phosphor // J. Light & Vis. Env. 27(2). 2003.
  38. Narendran N., Gu Y., Freyssinier J., Zhu Y. Extracting Phodphos — scatterea Photons to Improve white LED Efficiency // Phys. Syay Sol. (a)202(b). 2005.
  39. Zhu Y., Narendran N. N., Gu Y. Inverstigation of the optical properties of YAG:Ce photor // 6th International Conference on Solid State Lighting. Proccedings of SPIE. 6337, 633705. 2006.
  40. Пат. № 7293908 В2 (США). Опубл. 13.11.07. Golaeneye, Inc.
  41. Каталог компании Rainbow Technologies. «Компоненты и модули светодиодных светильников». 2012.
  42. Басов Ю. Г. Заградительные огни со светодиодами // Светотехника. 2003. № 3.
  43. Басов Ю. Г., Сысун В. В. Заградительные авиационные огни на светоизлучающих диодах // Оптический журнал. 2003. № 5.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке