Главная/ Статьи/ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ОБЪЕМНЫЕ СВЕТОДИОДНЫЕ МОДУЛИ

Статьи

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ОБЪЕМНЫЕ СВЕТОДИОДНЫЕ МОДУЛИ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для бытового и промышленного освещения разработаны лампы-ретрофиты, в которых в качестве излучателей малой и средней мощности применяются многокристальные модули (МСОВ модули) и светодиодные модули на основе технологии поверхностного монтажа (SMD модули).

Модули, как правило, выполняются в виде плоских круглых, кольцевых или многоугольных печатных плат с металлизированным или выполненным на основе теплопроводной керамики основанием с установленными светодиодами, оптические оси которых однонаправлены.

Плоские светодиодные модули (СДМ) устанавливаются в защитной светорассеивающей колбе (диаметром 60–75 мм) в тепловом контакте с примыкающим к плате и вынесенным из колбы в окружающее пространство радиатором охлаждения. В лампах с цоколем Е27 электронные системы управления (драйверы) встроены в цокольную часть в отсеке радиатора, который является общим для светодиодного модуля и электронных элементов драйвера.

Такой конструктивно-технологический подход приводит к тому, что при использовании в лампах СДМ со светоотдачей светодиодов 160–170 лм/Вт и сроком их службы 60–100 тыс. часов, светоотдача и срок службы ламп значительно меньшие из-за существенных потерь оптического излучения на светорассеивающих элементах, потери мощности на драйверах, а также за счет снижения светоотдачи из-за повышения температуры кристаллов светодиодов (при неэффективной системе охлаждения светодиодов). Больше всего снижение светоотдачи проявляется при создании компактных ламп с мощностью, превышающей 10 Вт при неоптимально выбранных условиях обеспечения нормального теплового режима светодиодного излучателя света.

Решение проблемы повышения эффективности и мощности светодиодных ламп не ограничивается лишь применением новейших эффективных светодиодов, оно включает в себя и разработку схемотехнических и конструктивных решений светодиодных излучателей и непосредственно ламп, позволяющих минимизировать перечисленные недостатки.

Увеличение температуры p-n перехода светодиода приводит к снижению светоотдачи и срока службы осветительного прибора в целом.

На температуру перехода светодиода влияют три фактора: ток возбуждения, теплоотвод и окружающая температура. Как правило, чем выше ток возбуждения, тем выше температура перехода. Количество тепла, которое может быть отведено, зависит от окружающей температуры и конструкции устройства отвода тепла от светодиода в среду, окружающую световой прибор.

Различают естественные и принудительные системы охлаждения. Естественные системы охлаждения, такие как радиатор (heat sink), не потребляют электрическую мощность при охлаждении источника света. Такие системы являются пассивными.

Силовые или принудительные системы охлаждения, такие как вентилятор (fan), синтетические струи (synthetic jet), пельтье-элементы, потребляют электрическую мощность для того, чтобы отводить тепло, охлаждая источник света. Использование тепловых труб для охлаждения кристаллов приводит к резкому удорожанию светодиодного осветительного прибора. Активное охлаждение необходимо источникам света, мощность которых превышает 50 Вт. При этом, источники активного охлаждения достаточно массивные и дорогостоящие, и срок их службы часто значительно меньше 50 000 ч, требуемых для светодиодов и светодиодных модулей.

Поэтому в правильно сконструированных коммерчески приемлемых светодиодных приборах повышенной мощности стараются применять эффективные радиаторы и другие пассивные теплоотводящие и конвекционные устройства, эффективно удаляющие тепло от светодиодных источников света и рассеивающие его в окружающем пространстве.

Производители измеряют световой поток выпускаемых ими светодиодов, используя импульс тока длительностью 15–20 мс при фиксированной температуре перехода, равной 25 °C. Температура перехода светодиода в правильно сконструированном светодиодном световом приборе при нормальной работе с установленными теплоотводящими устройствами обычно находится в диапазоне 60–90 °C или даже может превышать это значение. Так как рабочая температура перехода почти всегда больше 25 °C, то установленные в излучателе светодиоды белого света излучают свет как минимум на 10% меньше, чем указывают их производители, если дополнительно не предоставлены данные для более высоких температур перехода.

Непрерывная работа светодиода при высокой температуре перехода также значительно сокращает полезный срок службы светодиодного светового прибора. При повышении температуры перехода более чем на 10 °C относительно регламентированной температуры оценочное значение его полезного срока службы уменьшается более чем на 50%.

Для повышения конкурентоспособности светодиодных ламп-ретрофитов должны выполняться условия соответствия размеров и электрической совместимости ламп с лампами накаливания. Сравнительно малогабаритный корпус ламп накаливания создает ряд проблем в светодиодных лампах-ретрофитах, связанных с отводом тепла, светорассеиванием и светопропусканием. Применяемые в лампах для отвода тепла радиаторы охлаждения громоздки, затрудняют получение требуемого светораспределения лампы (многие типы ламп с плоскими светодиодными модулями не обеспечивают угол рассеивания светового потока более 120–160 градусов на уровне І = 0,5Imax). Они требуют в ряде случаев использования дополнительной светорассеивающей оптики, что снижает светоотдачу лампы и повышает ее стоимость.

 

НОВЫЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ СВЕТОДИОДНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ЛАМП-РЕТРОФИТОВ

Одним из путей решения этих проблем является применение в лампах объемных светодиодных модулей. Новые технические решения компактных объемных модулей, разработанных в компании ООО «Светодиодные технологии Украина» (СТУ), позволили применить их в разработанных в Институте физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины (ИФП НАНУ) лампах-ретрофитах мощностью от 10 до 15 Вт и существенно улучшить энергетическую и световую эффективность, а также расширить угол рассеивания светового потока.

В качестве светодиодных источников света были выбраны высокоэффективные МCOB светодиоды производства компании CREE Inc. (США) типа МНВАWТ-0000-000C0D440Е, а также нашедшие широкое применение высокоэффективные коммерческие SMD светодиоды компании Seoul Semiconductor (Корея) типа E2-STW8Q14D U0 в корпусе 5630. В излучателях СДМ применялись серийные светодиоды третьего поколения, которые имеют повышенные световые потоки и световую эффективность не менее 160–170 лм/Вт при температуре р-n перехода Tj= 85 °C.

Держатели-теплоотводы светодиодного излучателя выполнялись в виде единого формообразующего объемного теплопроводного элемента из медной фольги или алюминиевого объемного зеркализированного элемента, основание которого механически удерживают три или более радиатора заданной формы, расположенных на заданном удалении друг от друга и изогнутых под требуемым углом к продольной оси рассеивающей колбы лампы. Сформированные на фронтальных поверхностях теплопроводных отражателей-радиаторов зеркальные покрытия с общим коэффициентом отражения до 98% обеспечивают увеличение световой эффективности светодиодного излучателя в составе светодиодной лампы, а также несколько улучшают условия отвода тепла от светодиодных источников света.

Положительный технический результат достигается за счет увеличения площади отвода тепла от светодиодов кондукцией и излучением в 4–6 раз по сравнению с СДМ плоского типа, а также за счет увеличения световой эффективности излучателя в составе светодиодной лампы из-за дополнительного переотражения в случае использования высокоэффективных зеркализированных отражателей-радиаторов в колбе рассеивателя света. Равномерность распределения светового потока и снижения блескости излучателя лампы обеспечивается за счет разнонаправленной ориентации в пространстве оптических осей светодиодов (рис. 1).

Расположение светоизлучающих полупроводниковых приборов равномерно в тепловом контакте на фронтальной стороне каждого отражателя-радиатора и соединение их в электрическую схему с помощью теплопроводной гибкой медной или алюминиевой коммутирующей платы, приклеенной высокотеплопроводным клеем к радиаторам, обеспечивает возможность дополнительного увеличения светового потока СДМ.

объемный светодиод

а)                                                                                                 б)

Рис. 1. Экспериментальные образцы объемных зеркализированных светодиодных модулей мощностью 10 Вт (а) и 15 Вт (б).

В настоящее время производством ламп-ретрофитов во всем мире занимается множество компаний. Тем не менее, в рейтинге производителей светодиодных ламп для бытового применения в странах СНГ на первых позициях по качеству находятся европейские компании-разработчики, такие как OSRAM и PHILIPS. При этом наилучшие технические характеристики при тестировании стабильно показывают серийно выпускаемые лампы-ретрофитытипаOSRAM LED Superstar Classic A75 E27 мощностью10 Вт и PHILIPS LED А60 E27 мощностью 9 Вт на основе плоских светодиодных модулей. 

В свою очередь, в разработанных лампах-ретрофитах номинальной мощностью 15 Вт световой поток был увеличен до 1390–1442 лм при светоотдаче 93–96 лм/Вт. При этом максимальная температура СДМ не превышала 62 °С в колбе в рабочем режиме. Также был увеличен угол рассеивания света ламп с колбой А60 до 270 градусов для ламп мощностью 10 Вт и до 280 градусов для ламп с колбой А95 мощностью 15 Вт.

Внешний вид разработанных ламп-ретрофитов мощностью 10 и 15 Вт показан на рис. 2. Анализ представленной выше информации позволяет сделать вывод о том, что дальнейшее повышение мощности (и, как следствие, светового потока) ламп-ретрофитов без существенной потери светоотдачи возможно лишь при решении проблемы оптимального охлаждения светоизлучающих структур и оптимизации их температуры (для нормальной работы светодиодов желательно поддерживать температуру кристаллов на уровне, не превышающем 90–110 °С). Так, например, для модулей мощностью 10 Вт уменьшение светоотдачи при работе модуля с колбой составило 18%, а для модулей мощностью 15 Вт – более 31%. Поэтому дальнейшее усовершенствование конструкций СДМ с целью уменьшения рабочей температуры светодиодов позволит увеличить мощность ламп-ретрофитов до 30–40 Вт при неизменном форм-факторе.

светодиодная лампа

а)                                                                                                               б)

Рис. 2. Внешний вид ламп-ретрофитов мощностью 10 Вт (а) и 15 Вт (б).

 

МОЩНЫЕ И СВЕРХМОЩНЫЕ ЛАМПЫ НА ОБЪЕМНЫХ СВЕТОДИОДНЫХ МОДУЛЯХ

На основании полученных результатов авторами было предложено новое техническое решение по созданию улучшенной конструкции мощного объемного светодиодного модуля, а именно: держатель-теплоотвод светодиодного излучателя также выполнялся в виде единого формообразующего объемного теплопроводного светоотражающего зеркализированного элемента. Однако, держатель- теплоотвод механически удерживает несколько отражателей-радиаторов, установленных на опорах на круглом основании держателя-теплоотвода с диаметром не менее 80 мм на расстоянии, обеспечивающем совпадение оптических центров светодиодного излучателя и сферы рассеивающей колбы в лампе. На фронтальных поверхностях опор теплопроводных отражателей-радиаторов, расположенных напротив поверхности светорассеивающей колбы, сформированы теплоизлучающие покрытия со степенью черноты не менее 0,8–0,9.

Разработанная технология позволила улучшить тепловые и оптические параметры СДМ для новых прототипов отечественных сверхмощных ламп с цоколем Е27, работающих в диапазоне мощностей от 15 до 30 Вт в колбах с типоразмерами А95 и А105.

Положительный технический результат был обеспечен за счет увеличения площади держателей-теплоотводов для отвода тепла кондукцией (более чем в 2,5–3 раза по сравнению с СДМ плоского типа с диаметром радиатора 80 мм) и дополнительного теплового излучения фронтальной поверхностью опор объемного теплоотвода на внутреннюю поверхность рассеивающей колбы лампы. При этом увеличение световой эффективности светодиодной лампы обеспечивалось за счет дополнительного переотражения зеркализированными отражателями-радиаторами светового излучения. В качестве светодиодных источников света использовались высокоэффективные МCOB светодиоды типа МНВАWТ-0000-000C0BD440Е производства компании CREE Inc. (США) и высокоэффективные коммерческие SMD светодиоды типа E2-STW8Q14D U0 в корпусе 5630 компании Seoul Semiconductor (Корея).

Указанные светодиоды имеют повышенные световые потоки и световую эффективность не менее 160–170 лм/Вт при температуре р-n перехода Tj= 85°C. Кроме того, конструкция мощного СДМ позволяет применить высокоэффективные мощные светодиоды нового поколения компании Seoul Semiconductor (Корея) типа SZ8-Y22-WN-C7-W7 в корпусе размером 2,21×2,21 мм, которые имеют еще более высокие световые потоки и световую эффективность не менее 170–175 лм/Вт при температуре р-n перехода Tj= 85°C.

На рис. 3 представлены образцы усовершенствованных объемных СДМ мощностью 30 и 40 Вт. Для эффективного охлаждения модули устанавливались на специальные радиаторы. Конструкция модуля с радиатором показана на рис. 4.

Для оптимизации процесса конструирования объемных СДМ с различными мощностями и конфигурациями было проведено моделирование динамики изменения температуры светодиодов с момента их включения до момента стабилизации температуры, выявлены установившиеся температуры в разных областях светодиодного модуля, а также проведено сравнение с экспериментальными результатами измерений температур этих же областей, полученными тепловизионным методом (измерительная установка на основе тепловизора FLIR SC305).

При моделировании использовался модуль Simulation программного комплекса САПР Solidworks. Входными данными для моделирования были геометрические размеры, соответствующие экспериментальному образцу (рис. 4), а также справочные параметры используемых материалов. 

лед модули

Рис. 3. Экспериментальные образцы объемных зеркализированных светодиодных модулей мощностью 30 Вт (а) и 40 Вт (б) и объемных светодиодных модулей на медном держателе мощностью 30 Вт (в) и 40 Вт (г)

.led lamp

Рис. 4. Внешний вид экспериментальных образцов модулей с радиатором типа 1 (а) и типа 2 (б). Модель объемного СДМ с радиатором типа 2 с обозначенными особыми точками, в которых рассчитывалась установившаяся температура (в).
 
Экспериментальные исследования зависимостей светоотдачи и температуры особой точки Sp1 (точка с максимальной температурой) от электрической мощности модуля типа 2 (рис. 4б), проведенные с целью определения предельных тепловых нагрузок модуля, представлены на рис. 5. Исследования проводились с использованием метрологического оборудования Научно-исследовательской лаборатории «Центр испытаний и диагностики полупроводниковых источников света и осветительных систем на их основе» ИФП НАНУ. Оборудование включало интегрирующую фотометрическую сферу диаметром 1,0 м и высокоточный матричный спектрорадиометр «HAAS-2000» производства компании «EVERFINE», источник питания HAMEG HMP4040, тепловизионную установку на основе тепловизора FLIR SC305. Полученные характеристики позволили определить зависимость светоотдачи модуля от температуры, представленную на рис. 6.

Поскольку температура светоизлучающего элемента существенно влияет на светоотдачу, для анализа возможности дальнейшего увеличения мощности светодиодных ламп для бытового и промышленного применения при сохранении рассмотренной конструкции (форм-фактора) модуля были проведены аналитические исследования светоотдачи и доли мощности, рассеиваемой в виде тепла, для светодиодов Bridgelux (США) типа WL-5W-FD номинальной мощностью 5 Вт при работе светодиодов с потребляемой мощностью 30–40% от номинальной. 

зависимость теплоотдачи и температуры

а)                                                                     б)

Рис. 5. Зависимости светоотдачи (а) и температуры ( б) особой точки Sp1 (точка с максимальной температурой) от электрической мощности модуля типа 2 (рис. 4б)

светоотдача и температура

Рис. 6. Зависимость светоотдачи от температуры точки Sp1 для светодиодного модуля типа 2 (рис. 4б).

график светоотдачи

Рис. 7. Аналитические зависимости температуры особых точек модуля (рис. 4в) от мощности, подаваемой на модуль, при использовании (а) светодиодов E2-STW8Q14D U0, работающих на предельной максимальной мощности, и (б) светодиодов WL-5W-FD, работающих на уровне 40% от номинальной.

На основе данных табл. 5 было проведено аналитическое моделирование зависимостей температур особых точек СДМ, состоящего из 20 светодиодов Bridgelux (США) типа WL-5W-FD, от мощности, подаваемой на модуль. Результаты моделирования (рис. 7б) представлены в сравнении с аналогичными результатами для модуля на основе светодиодов E2-STW8Q14D U0 (рис. 7а).

Сравнение приведенных на рис. 7 максимальных температур особых точек двух модулей показывает возможность увеличения мощности модуля до 40 Вт (и вполне реально до 50 Вт) при использовании современных высокоэффективных светодиодов, работающих на половинной мощности. При этом повышается светоотдача и уменьшается тепловая нагрузка на светоизлучающие кристаллы.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований получен патент Украины на полезную модель и подана заявка на изобретение Украины.

 

ВЫВОДЫ

Усовершенствованная конструкция объемных СДМ на основе светодиодов третьего поколения с увеличенной площадью держателей-теплоотводов позволяет увеличить световой поток в экспериментальных лампах-ретрофитах мощностью 15 и 20 Вт до 1545– 1800 лм при светоотдаче 103–90 лм/Вт. При этом максимальная температура светодиодов модулей в рабочем режиме не превышает 65 °С в колбе А95.

В свою очередь, в лампах-ретрофитах мощностью 30 Вт при использовании в данной конструкции современных высокоэффективных светодиодов, работающих на уровне 40% от номинальной мощности, световой поток может быть увеличен до 3889 лм при светоотдаче 130 лм/Вт (а в лампах-ретрофитах мощностью 15 и 20 Вт до 2145–2780 лм при светоотдаче 143–139 лм/Вт соответственно). При этом максимальная температура светодиодов модуля не превышает 97 °С в колбе А105 в рабочем режиме. Также существенно увеличивается угол рассеивания света ламп с колбой А95 и А105 (до 290 градусов).

Применение в объемных СДМ мощных светодиодов, работающих не на полную нагрузку, позволяет увеличить светоотдачу лампы, снизить температуру светоизлучающих кристаллов и, как следствие, повысить номинальную мощность лампы до 40–50 Вт. Дальнейшие исследования будут посвящены вопросам увеличения мощности лампы.

Таким образом, выполненная разработка светодиодных объемных модулей и ламп на их основе позволяет обеспечить хорошие конкурентные условия для внедрения в производство отечественными производителями мощных и сверхмощных светодиодных ламп-ретрофито с цоколем Е27 как бытового, так и промышленного применения.

 

Полная версия статьи, авторы, список литературы.