Линзы из силикона: «нишевая» технология или будущее оптики для светодиодов?

23 апреля 2013

CreeLEDILOSRAMKhatodстатьяLED

Развитие светодиодных технологий требует создания принципиально новой оптики для светильников. Дело в том, что энергоэффективность светодиодов и качество спектра уже находятся на уровне, обеспечивающем конкурентоспособность светодиодных светильников, по сравнению с оборудованием на традиционных источниках света. Но «узким местом» является оптика. Ее совершенствование должно улучшить параметры светильников и упростить их конструкцию. Один из предлагаемых путей решения проблемы — использование силикона в качестве материала для изготовления линз.

На бытовом уровне мы привыкли считать, что линзы из стекла всегда лучше, чем линзы из пластмассы. Не зря производители качественных фотоаппаратов подчеркивают, что у их продукции, в отличие от дешевых изделий конкурентов, используются объективы с линзами из стекла. Но, когда мы говорим о линзах для светильников, линзы из пластмассы имеют определенные преимущества, причем — не только в цене.

Для линз из стекла при использовании в светодиодных светильниках характерен так называемый эффект «желтого кольца». Он заключается в возникновении вокруг светового пятна, создаваемого светильником, кольца желтого цвета. Эта проблема связана со спектром, характерным для светодиодов. У ламп накаливания и галогенных ламп, например, она не наблюдается, поэтому совместно с ними стеклянные линзы могут применяться без проблем. У пластмассовых линз эффект желтого кольца наблюдается в меньшей степени. Данное обстоятельство сочетается с большей технологичностью производства, поэтому они наиболее часто используются в светодиодных светильниках. Основным материалом для изготовления линз является полиметилметакрилат (ПММА), главным образом — благодаря своей высокой прозрачности (92%).

Когда в светотехнике господствовали светодиоды мощностью порядка 1 Вт, нагрев линзы из ПММА не оказывал значительного влияния на ее оптические свойства. Но все изменилось с появлением светодиодных матриц Chip-on-Board (COB), мощность которых достигает 100 Вт. Светодиодная светотехника уже подошла к тому, что термическое воздействие светодиодов на оптику приводит к быстрой оптической деградации ПММА. Поэтому мощные светильники на COB с направленным световым потоком сейчас изготавливают исключительно с металлическими отражателями. В то же время, есть формы КСС, которые могут быть практически реализованы лишь при использовании линз.

Отсюда следует вывод: нужен новый материал для линз, термоустойчивый, но при этом не дающий эффекта «желтого кольца». Таким материалом является силикон. Напомним, что силикон представляет собой пластик, в котором цепочки углерода полностью или частично заменены на цепочки кремния. Благодаря этому, силикон способен выдерживать нагрев до 300°С, при этом — не терять прозрачности и не деформироваться. Силикон очень прозрачен — КПД линзы, изготовленной из него, может достигать 90%, что соответствует лучшим изделиям из ПММА.

Другая особенность силикона — эластичность. Сразу скажем, что силиконовая линза для светодиодного светильника достаточно твердая, чтобы держать форму и обеспечивать нужное распределение света в разнообразных условиях. Но, тем не менее, благодаря эластичности материала, можно обеспечить полную герметичность сочленения светодиода и линзы. Благодаря этому в герметичном светильнике (со степенью IP54 и выше) не требуется защитный плафон. При этом упрощается конструкция светильника и увеличивается его светоотдача, так как даже полностью прозрачный плафон может давать уменьшение светового потока до 10%.

Есть еще одно упрощение технологического процесса, которое может привести к снижению стоимости светильников и увеличению объема их выпуска. ПММА поставляется в виде порошка, который нагревается и в нагретом виде впрыскивается в форму. Линзу можно вынуть из формы только когда она охладится. Силикон заливается в форму холодным и потом происходит его затвердевание, для чего не требуется ждать, пока материал остынет. В итоге на изготовление силиконовой линзы тратится намного меньше времени, чем на производство линз из ПММА. А ведь эффективность использования оборудования, в том числе и литейных форм, в конечном счете, и определяет цену изделия, а также — возможность для предприятия быстро изготовить большую партию линз.

К недостаткам силиконовых линз можно отнести отсутствие на данный момент эффективных химических средств для их чистки. Обычно для чистки таких линз применяется мыльный раствор.

Первопроходцем в деле использования силиконовых линз стала компания Osram. Еще в 2009 году ею был начат выпуск светодиодов Golden Dragon Oval Plus (рисунок 1). Более правильным было бы назвать эти продукты светодиодными модулями, так как они объединяют в одном устройстве как источник света, так и полноценную асимметричную оптику для уличного светильника. Максимальная мощность светодиода составляла 3,5 Вт, а максимально допустимая температура перехода была равна 125°C. При этом, линза непосредственно прилегала к кристаллу светодиода, что обуславливало возможность ее перегрева при использовании ПММА. Вместо этого в Dragon Oval Plus был использован силикон.

Светодиод Golden Dragon Oval Plus от Osram

 

Рис. 1. Светодиод Golden Dragon Oval Plus от Osram

В настоящее время первичная оптика (т.е. встроенные линзы) используется во многих светодиодах от Osram, Cree и других производителей.

Линза для вторичной оптики, т.е. не встроенная в светодиод, а дополнительно устанавливаемая, имеет большие размеры и, как правило, более сложную конструкцию. Серийный выпуск таких линз из силикона был начат в 2012 году.

Первопроходцем стала компания Khatod. На выставке Light+Building-2012, проходившей во Франкфурте-на-Майне, она представила линзу из силикона PL50SIL (рисунок 2). Эта линза диаметром 50 мм предназначена для использования совместно с COB-матрицами. Угол распределения света у линзы равен 27°. Диапазон рабочих температур линзы: -40…200°C.

Силиконовая линза PL50SIL от Khatod

 

Рис. 2. Силиконовая линза PL50SIL от Khatod

В качестве одного из примеров использования новой линзы называют светодиодные лампы MR16, что обусловлено ее диаметром. К тому же, светодиодные лампы MR16 являются массовым продуктом и любое способ снижения стоимости для них важен. Тем не менее, возможности PL50SIL значительно шире, она может использоваться и в других лампах и светильниках.

До конца 2012 года компания Khatod оставалась единственным серийным производителем силиконовых линз для вторичной оптики светодиодных светильников. В 2012 году Ledil представила экспериментальный светодиодный модуль SLM_STRADA-FT-TPHS с силиконовыми линзами, обозначив тем самым свое отношение к данной технологии, как к весьма перспективной для компании. А в 2013 году приступила к выпуску силиконовых линз для сборок FN13323_STELLA-A. Эти линзы предназначены для уличного освещения (рисунок 3). Применение силиконовых линз в уличных светильниках является весьма перспективным направлением, так как в нем ставятся задачи как повышения светоотдачи, так и обеспечения высокой степени герметичности конструкции. Обе задачи силиконовые линзы решают с минимальными затратами. В дальнейших планах Ledil — освоение выпуска силиконовых линз для промышленных светильников.

Опытные образцы силиконовых линз Ledil и аппаратура для их демонстрации

 

Рис. 3. Опытные образцы силиконовых линз Ledil и аппаратура для их демонстрации

Во многом малая распространенность вторичной силиконовой оптики связана с новизной технологии, которую пока не смогли воспроизвести другие компании. Кроме этого, массовые поставки силиконовых линз начались только в конце 2012 года, и пока рано делать какие-либо выводы.

Тем не менее, общие тенденции развития светодиодной светотехники позволяют сделать некоторые прогнозы. Все большее распространение получают светодиодные COB-матрицы. Для недорогих светильников на их основе уже сейчас широко используются металлические отражатели, линзы с ними не могут конкурировать по цене. А вот в светильниках высокого класса силиконовые линзы окажутся очень кстати. Использование силиконовых линз позволит сделать светильники высокого класса более доступными по цене. То есть силиконовые линзы в ближайшем будущем смогут занять относительно узкий сегмент рынка, оставаясь «нишевым» решением, но для определенного круга применений они окажутся вне конкуренции, при условии, что не появятся более совершенные материалы.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: lighting.vesti@compel.ru

•••

Наши информационные каналы