№2 / 2013 / статья 2

Матрица. Перезагрузка: светодиодные матрицы в современных осветительных системах

Алексей Васильев (г. Москва)

За время своего существования с 2009 года технология производства светодиодных матриц Chip-on-Board (COB) прошла путь от создания источников света для бюджетного осветительного оборудования до мощного инструмента решения задач повышения энергоэффективности и качества освещения. Новые сферы применения COB влекут за собой новые подходы к конструированию компонентов светильника, в частности, оптических систем.

Световой поток одного светодиода недостаточен для большинства практических применений. Кроме этого, нередко с точки зрения стоимости и достижения определенных технических параметров лучше использовать большое количество маломощных светодиодов, чем малое количество светодиодов повышенной мощности. В осветительных приборах нередко используется несколько светодиодов, объединенных в матричную структуру. Близкое расположение светодиодов позволяет более точно направлять свет в нужную сторону, что, в итоге, повышает эффективность светильника.

Раньше светодиодные матрицы создавались, в основном, на основе SMD-светодиодов, реже — на основе мощных светодиодов (Power LED). Недостатком такого подхода является высокая стоимость светодиодной матрицы. Ведь каждый из светодиодов имеет свой отдельный корпус, эти корпуса монтируются на плату зачастую с применением ручного труда.

Поэтому возникла необходимость в создании недорогих светодиодных матриц, производимых в полностью автоматическом режиме. При выходе из строя такой матрицы ее просто заменяют на другую.

Для упрощения и удешевления производства следует устанавливать кристаллы без корпусов на единую подложку и потом покрывать их единым слоем люминофора (рисунок 1).

 

Рис. 1. В COB-матрице кристаллы покрыты единым слоем люминофора

 

При этом нет затрат на корпусирование отдельных кристаллов, а производство полностью автоматизировано. Такой принцип производства был хорошо известен в электронике еще с 50 гг. XX века. Но применительно к светодиодным матрицам возникли проблемы с передачей тепла от отдельных кристаллов к подложке. Основная проблема была связана с клеевым соединением между кристаллом и подложкой, теплопроводность которого была недостаточна. Проблема была решена в 2009 году китайскими учеными, которые создали специальный клей и разработали способ его нанесения на подложку, благодаря чему удалось достичь высокой теплопроводности. В результате технология COB начала массово применяться в светодиодном освещении.

Использование COB позволяет выйти на рынок светодиодного освещения компаниям, не имеющим мощностей по разработке и изготовлению печатных монтажных плат на алюминиевой основе, а также по установке на них светодиодов. На протяжении многих десятилетий производство светильников могло осуществляться в условиях малой компании и даже индивидуального предпринимательства. Требовалось приобрести готовые патрон, провод и выключатель и установить их в дизайнерский светильник. Появление люминесцентных ламп добавило в этот обязательный набор еще ПРА. Переход же к светодиодному освещению «загнал» производство осветительных приборов на крупные высокотехнологичные предприятия, что обусловило недостаточно разнообразный ассортимент светодиодных светильников.

Применение COB позволяет вернуться к ситуации, когда на предприятие по сборке светильников источник света поступает как единый модуль, для установки которого даже не требуется пайка, достаточно лишь завернуть винты в клеммах, с помощью которых провода питания крепятся к матрице. Естественно, потребуется еще блок питания (драйвер).

Также при использовании COB значительно упрощается оптическая система осветительного прибора. Для мощных светодиодов обычно используются индивидуальные линзы или рефлекторы. Для матрицы COB используется только одна линза или отражатель, что, помимо всего прочего, снижает стоимость осветительного прибора.

Эволюция применения COB

Первоначально технология COB воспринималась только как способ удешевления продукции. В 2010 году появляются светильники заливающего освещения на основе COB-матриц, которые предлагаются как замена недорогим светильникам на основе галогенных ламп с цоколем R7s. Естественно, главным здесь был фактор цены, и COB прекрасно для этого подходила. В том же году создаются первые лампы-ретрофиты и прожекторы на основе COB. При использовании в прожекторах важную роль играет то преимущество, что технология COB позволяет получить источник света с большим световым потоком и малыми размерами. Это позволило светодиодам успешно конкурировать с металлогалогенными лампами.

Начиная с 2012 года производители осветительного оборудования поняли, что COB позволяет не только удешевить осветительное оборудование, но и решить проблемы, которые не решаются при использовании традиционных подходов. К этому моменту COB-матрицы значительно усовершенствовались. Появились матрицы с потребляемой мощностью до 500 Вт, что соответствует световому потоку 50000…60000 лм. Расчетный срок службы наиболее современных матриц COB практически не уступает сроку службы мощных одиночных светодиодов.

Важным преимуществом COB является возможность получения высокого значения индекса цветопередачи. На момент написания статьи уже производились серийно COB-матрицы с CRI, равным 98. Для матрицы специально подбирается набор кристаллов с определенными значениями рабочих длин волн; в сумме их излучения и излучение общего слоя люминофора дают спектр, обеспечивающий наиболее естественную цветопередачу.

Матрица, созданная на основе технологии COB, является светящимся телом с равномерным распределением яркости по поверхности и правильной геометрической формой (обычно круг или прямоугольник). Благодаря этому оптическая система, по сравнению с использованием матрицы из отдельных светодиодов, значительно упрощается, и повышается ее КПД. Поэтому светильники с COB-матрицами имеют высокую светоотдачу.

Развитие технологии COB позволило использовать ее в мощных прожекторах, уличных светильниках, даунлайтах, а также промышленных светильниках для помещений с высокими потолками — так называемых «хайбеях». При внедрении COB в перечисленные виды осветительных приборов пришлось создавать новую оптику для светильников.

Температурный режим

Несмотря на высокий КПД светодиодов, все равно не менее 60% подводимой к COB-матрице энергии уходит на нагрев. Это подразумевает значительное тепловыделение. Но кристаллы в COB-матрице непосредственно прикреплены к теплоотводящей подложке клеем с хорошей теплопроводностью. В то же время в матрицах на основе SMD-светодиодов каждый кристалл прикреплен к своей подложке, а потом эти подложки соприкасаются с теплоотводящей монтажной платой. То есть количество «стыков» на пути тепла в системе на COB-матрице оказывается в два раза меньше, чем в системе на основе SMD-светодиодов. Благодаря этому при грамотном проектировании удается обеспечить хороший теплоотвод, что обуславливает нередко более высокую светоотдачу осветительного прибора по сравнению с аналогами на SMD-светодиодах.

Параметры современных COB-матриц, как и многих современных мощных светодиодов, нормируются при температуре перехода 85°С или при близкой к этому значению величине. В качестве примера можно привести матрицы SOLERIQ E производства компании OSRAM и CXA производства CREE. На поверхности COB-матрицы температура достигает 65°C и более. Максимально допустимая температура корпуса СОВ-матрицы зависит от рабочего тока. Эта зависимость приводится в документации на источник света.

Тип оптической системы

Высокая температура поверхности делает невозможным применение совместно с COB линз из обычного ПММА, максимально допустимая температура эксплуатации для которого составляет 80°C. В процессе эксплуатации при температуре, близкой к предельной, ПММА быстро деформируется и трескается. Правда, сейчас существуют и улучшенные модификации ПММА с предельной температурой 100…120°C.

Ранее приходилось выбирать между отражателем и линзой из минерального стекла. Высокая стоимость и хрупкость стеклянных линз сдерживали их применение в световом оборудовании. Поэтому до недавнего времени в светильниках и прожекторах с COB-матрицами использовались, главным образом, отражатели. Недостатком рефлекторов являются большие габариты и более скромный набор вариантов кривых силы света по сравнению с линзами.

На момент написания статьи развитие оптических систем для COB идет по следующим направлениям:

  • совершенствование отражателей, в частности, применение новых материалов для них;
  • использование для производства линз новых материалов, устойчивых к высоким температурам (особые сорта ПММА, силикон);
  • совершенствование технологии производства линз из высокопрочного боросиликатного стекла с целью снижения их стоимости;
  • внедрение линз Френеля.

Прожектора

Для мощного прожектора, дающего узконаправленный пучок света, COB дает наилучшее соотношение цена/качество. Размеры матрицы на SMD-светодиодах слишком велики, чтобы сфокусировать одной линзой или одним отражателем свет в узконаправленный пучок, поэтому на каждый отдельный светодиод ставится своя линза. Изготовление прожектора такой конструкции требует очень высокой точности производства, не говоря о том, что используется большое количество дорогостоящих линз. И хотя прожекторы с углом распределения света менее 13° по-прежнему делают на дискретных светодиодах, наиболее распространенные осветительные приборы с углом распределения свыше 13…15° изготавливаются преимущественно на основе COB-матриц.

Для фокусирования пучка света в прожекторах на основе COB обычно используются отражатели из металлизированного поликарбоната. Причина выбора именно такого материала связана не только со стремлением уменьшить себестоимость светильника, но и с особенностями конструкции прожектора с COB-матрицей. Отражатель крепится на монтажную поверхность с помощью клея, как, например, отражатели серий BARBARA, BRIDGET и BROOKE производства компании Ledil. В отражателях LENA и LENINA того же производителя применено крепление с помощью специального держателя. Отражатели производства компании Ledil серии MIRELLA могут крепиться одним из двух указанных способов.

Способы крепления отражателя ограничивают его вес. При этом перед разработчиками встает проблема выбора материала для отражателя — тонкий алюминиевый лист или пластик. Тонкий алюминиевый лист деформируется, и после этого не всегда возможно полноценно восстановить отражатель.

Поликарбонат прочен, имеет малую массу и отлично восстанавливает форму после сжатия. Поэтому отражатели из него нашли широкое применение в прожекторах. Правда, с металлизацией возникают проблемы: она недостаточно прочна и меняет свои свойства со временем.

Выходом является использование поликарбоната с повышенными отражающими свойствами, который не требует металлизации. Такой карбонат имеет белый цвет, но изготовленные из него рефлекторы не только не уступают, но даже немного превосходят аналоги с металлизацией. Например, асимметричный отражатель Ledil LENA-X-WAS (рисунок 2) из отражающего поликарбоната имеет КПД, равный 81%, а аналогичный отражатель Ledil LENA-WAS из металлизированного поликарбоната — 80%.

 

Рис. 2. Асимметричный отражатель Ledil LENA-X-WAS из поликарбоната

Уличные светильники

Использование COB в уличном освещении позволяет повысить конкурентоспособность светодиодов на данном сегменте рынка. На светодиодные светильники на основе COB-матриц целесообразно заменять уличные светильники не с натриевыми, а с металлогалогенными лампами. Применение светильников с металлогалогенными лампами обусловлено необходимостью обеспечить высокую цветопередачу (CRI > 80). Но при высоком качестве спектра для металлогалогенных ламп характерно изменение спектра во время срока службы. COB-матрицы дают CRI до 98, при этом обеспечивается намного более высокая стабильность оттенка свечения.

Но для получения светового потока хотя бы на уровне МГЛ мощностью 150 Вт нужно иметь СОВ-матрицу мощностью 80 Вт. Линзы даже из сортов ПММА с повышенной термоустойчивостью здесь уже не подходят.

Если речь идет о создании светильника на основе COB для освещения садов и парков, то достаточно простейшего отражателя из металла. Но для освещения автомобильных дорог требуются уже более сложные оптические системы.

Для светильников, устанавливаемых в городах, подойдут линзы из боросиликатного стекла (рисуок 3). Оно более устойчиво к действию агрессивных веществ, чем пластмасса.

 

Рис. 3. Уличный светильник производства российской компании «Револайт» с линзой из боросиликатного стекла

Широкое распространение получили линзы из боросиликатного стекла DG-ST55, DG-ST57, DG-ST66, DG-HB78, DG-ST107 и DG-HB127 китайского производства в различных модификациях. Их диаметр, соответственно, 55; 57; 66; 78; 107 и 127 мм. Эти линзы разработаны специально для работы с COB-матрицами. Совместно с линзой диаметром 127 мм мощность COB-матрицы может превысить 100 Вт.

Эффективным способом обеспечения защиты светильника от влаги и действия вредных веществ при снижении цены является использование силиконовых линз. Силикон — вещество, стойкое к химическим воздействиям. К тому же, он эластичен, что позволяет обеспечить герметизацию только за счет плотного прилегания фланца линзы к монтажной поверхности. Силикон устойчив к высоким температурам (вплоть до 300°C), поэтому нагрев до температуры порядка 100…120°C не приводит к разрушению или быстрой деградации силиконовой линзы.

У современных силиконовых линз КПД достигает 92%, т.е. он такой же, как у линз из ПММА или боросиликатного стекла. Выпускаются как обычные, так и асимметричные силиконовые линзы. Первые образцы силиконовых линз предназначались для уличных светильников, устанавливаемых на второстепенных дорогах, но технология быстро развивается, и теперь силиконовые линзы можно устанавливать в светильники для оживленных магистралей федерального значения.

Для того, чтобы продемонстрировать возможности современных силиконовых линз, проведем моделирование в программе Dialux. Рассмотрим освещение четырехполосной магистрали уличными светильниками, в которых оптическая система выполнена на основе силиконовой линзы Ledil Stella-A, а источником света является COB-матрица Cree CXA25 (рисунок 4). Предположим, что в нашем воображаемом светильнике установлена матрица указанной мощностью 68 Вт и силиконовая линза. Светильники установлены на мачты высотой 8 м, расположенные по обе стороны дороги на расстоянии 15 м друг от друга со сдвигом относительно противоположной стороны на 7,5 м. Дорога четырехполосная.

 

Рис. 4. Силиконовая линза Ledil Stella-A для COB-матрицы Cree CXA25

На визуализации хорошо заметна высокая равномерность освещения дороги. И это при высоте мачты 8 м, в то время как существующие модели светодиодных светильников с линзами традиционной конструкции нередко приходится устанавливать на мачты высотой 10…12 м.

Средняя яркость дорожного покрытия составляет 1,7 кд/м2, освещенность — не менее 25 лк. Это соответствует дорогам класса A2 согласно СП 52.13330.2011, показатели неравномерности яркости и освещенности также соответствуют указанному классу (рисунок 5).

 

Рис. 5. Визуализация в фиктивных цветах дороги, освещенной светильниками с линзами Ledil Stella-A

 

Правда, поскольку мы осветили только четырехполосную магистраль, то по существующей классификации она относится лишь к классу A4. Осветить шестиполосную магистраль нашему простейшему светильнику оказалось не под силу, но при разработке более сложных конструкций на основе силиконовых линз это вполне реально.

Даунлайты малой толщины

Даунлайты толщиной около 4 см, дающие направленный свет, можно создать и на основе COB-матриц. Для этого нужно использовать линзы Френеля. Напомним, что линза Френеля является плоским предметом, а ее оптические свойства обусловлены нанесенными на ней концентрическими кольцевыми бороздками.

Линзу Френеля изготавливают из ПММА. Использование специального сорта ПММА, выдерживающего до 100°C, а также выбор COB-матрицы с потребляемой мощностью не более 50 Вт, что вполне естественно для даунлайта, позволяет избежать появления трещин и деформаций в линзе. Примерами таких линз являются Helena-A и Helena-В производства компании Ledil (рисунок 6), отличающиеся углом распределения света. Толщина линзы — 11 мм, ее можно располагать в непосредственной близости от матрицы. Благодаря этому толщина светильника может составить всего 20…30 мм. Правда, в реальности толщина светильника составит около 40 мм, так как потребуется эффективный теплоотвод.

Линза Френеля Ledil Helena-A

 

Рис. 6. Линза Френеля Ledil Helena-A

Тем не менее, линзам Френеля свойственны и недостатки. Во-первых, высокая цена, поскольку для их создания используется высокоточное производство. Во-вторых — сравнительно низкий КПД, составляющий 68% у Helena-A и 74% у Helena-В.

Но сам по себе КПД линзы еще ничего не значит, нужно рассматривать в комплексе со светоотдачей современных COB-матриц. Конечным же показателем, демонстрирующим энергоэффективность, является удельная потребляемая мощность на единицу площади. Для ее оценки было смоделировано в программе Dialux освещение торгового помещения размерами 5×10 м с высотой потолков 2,7 м даунлайтами, источником света в которых являются COB-матрицы мощностью 8,5 Вт, а оптическая система представлена линзами Ledil Helena-A. Для достижения освещенности в 500 лк потребовалось 56 даунлайтов. С учетом потерь в блоках питания, удельная потребляемая мощность решения составила всего 11 Вт/кв. м, что является отличным показателем для торгового помещения. Дополнительным бонусом станет стильный внешний вид даунлайтов с линзами Френеля, который привлечет покупателей.

В том случае, если нужен угол распределения света в пределах 58…70°, для тонкого даунлайта подойдет SAGAболее дешевый вариант оптической системы с КПД, равным 92%. В нем используются как силиконовая линза, так и рефлектор из отражающей пластмассы. Высота оптической системы — всего 12 мм (рисунок 7).

Ledil SAGA - комбинация из силиконовой линзы и отражателя

 

Рис. 7. Ledil SAGA — комбинация из силиконовой линзы и отражателя

Как показывают расчеты в Dialux, применение оптической системы Ledil SAGA в сочетании с COB-матрицей Cree CXA 1304 позволяет достигать в офисных помещениях, при освещенности 500 лк, значения удельной потребляемой мощности до 7,1 Вт/м2.

Сочетание в одном светильнике трех современных светотехнических технологий, а именно — COB-матрицы, рефлектора из отражающего пластика и силиконовой линзы является перспективным для многих типов осветительного оборудования. Дальнейшее же совершенствование оптических систем светильников позволит найти для технологии COB новые применения.

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

 

 

Наши информационные каналы