Анализ и пути оптимизации конструкций современных светодиодных ламп-ретрофитов

Анализ и пути оптимизации конструкций современных светодиодных ламп-ретрофитов Пантелеев А.В.

Пантелеев Александр Владимирович /Panteleev Aleksandr Vladimirovich - кандидат технических наук, доцент кафедры

сервиса, светотехнический факультет, ФГБОУ ВПО Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва, г. Саранск

Аннотация: в данной статье рассмотрены особенности конструкции светодиодных ламп, выявлены недостатки и предложены пути повышения эффективности светодиодных ламп-ретрофитов. Abstract: this article describes the design features of LED lamps, revealed shortcomings and suggest ways higher-efficiency of LED bulbs-retrofit.

Ключевые слова: источник света, эффективность, радиатор, светодиод, люминофор. Keywords: light source, efficiency, heat sink, led, phosphor.

Широкое применение ламп накаливания на протяжении долгого времени привело к образованию большого количества использующих их осветительных приборов. Поэтому на современном рынке востребованы лампы, называемые ретрофитами. Под ними чаще всего подразумевают светодиодные лампы, разработанные для смены ламп накаливания, с сохранением стандартных цоколей Е14 и Е27, стеклянной колбы. Чаще всего данные лампы-ретрофиты имеют форму аналогичную лампам накаливания.

Технология удаленного люминофора [1, с.19]

Одним из возможных направлений в совершенствовании ламп-ретрофитов является применение технологии удаленного люминофора (remote phosphor technology). При применении ламп-ретрофитов предназначенных для замены ламп накаливания часто возникают проблемы, связанные с различием кривой распределения излучаемого света ламп и светодиодов. Принципиальное отличие геометрии светодиодного кристалла от нити накала лампы не позволяет создать с помощью светодиодов пространственное распределение, соответствующее светораспределению ламп накаливания. Решение данной проблемы возможно, путем применения технологии удаленного нанесения люминофора.

Существует два варианта расположения люминофора внутри источника: ближнее и удаленное. При ближнем расположении люминофор размещается в непосредственной близости от полупроводникового кристалла или на его поверхности. При удаленном расположении люминофор пространственно отделен от кристалла полупроводника некоторым расстоянием.

Технология ближнего расположения люминофора заключается в том, что частицы люминофора смешиваются с эпоксидной смолой или оптическим гелем на полимерной основе. Затем данной композицией заполняется чашка отражателя, в которую помещен полупроводниковый кристалл. Другим вариантом ближнего расположения люминофора является конформное расположение, которое подразумевает нанесение люминофора тонким слоем непосредственно на кристалл. Источники света с конформным расположением люминофора характеризуются малой площадью излучения и высокой яркостью, что делает их пригодными для использования в различных оптических системах.

Основным недостатком источников света с ближним расположением люминофора является поглощение его излучения кристаллом полупроводника. Излучение люминофора, направленное в сторону полупроводникового кристалла, может быть поглощено, поскольку ни кристалл, ни контакты, как правило, не имеют высокого коэффициента отражения. В случае удаленного расположения люминофора существенно снижается вероятность попадания излучения на полупроводниковый кристалл с низкой отражающей способностью, вследствие того, что первичный источник (полупроводниковый кристалл) пространственно удален от вторичного источника (люминофора). Если расстояние между кристаллом и люминофором превышает поперечные размеры кристалла, то вероятность попадания излучения люминофора на поверхность полупроводника значительно снижается. В результате значительно повышается эффективность источника. Существует достаточно большое количество ламп накаливания, колбы которых имеют матовое покрытие. Для замены таких ламп оптимально подходят лампы с технологией удаленного люминофора.

Возможности повышения эффективности теплоотвода на основе применения теплопроводящей

керамики и полимерных материалов [2, с.30]

Одной из основных проблем при разработке светодиодных источников света и световых приборов на их основе является создание эффективного теплоотвода. Классические лампы-ретрофиты, предназначенные для замены ламп накаливания, как правило, оснащены алюминиевым радиатором, созданным по технологии литья под давлением. Максимальная температура кристалла современных светодиодов лишь незначительно превышает 100°C, следовательно, имеется лишь небольшой перепад температур между температурой кристалла и температурой окружающей среды. В связи с этим необходима большая поверхность и оптимальная система распределения тепла, для того чтобы рассеять тепловую мощность, выделяющуюся в источнике.

Рассматривая путь прохождения потока тепла от кристалла можно выделить 3 группы теплопроводящих элементов. В первую группу входят сами светодиоды. Ее главными элементами являются кристалл и теплоотвод - медная подложка, которая связывает кристалл с нижней стороной светодиода. Ко второй группе относится теплоотвод, который отводит энергию от источника тепла к теплостоку (окружающие элементы/воздух). Третья группа механически объединяет названные модули, электрически изолирует и служит отводу тепла: в большинстве случаев светодиод припаивается на печатную плату, после чего на него приклеивается металлический теплоотвод.

Оптимизация теплоотвода является общепринятой на рынке. Доступны сотни различных конструкций, в основном из алюминия. Но для значительного улучшения работы теплоотвода необходимо оптимизировать третью группу элементов теплоотвода или полностью ее исключить. Электрическая изоляция должна быть создана самим теплоотводом благодаря использованию других материалов. Решением является керамика. Керамика, например рубалит (А1203) или алюнит (АТЫ), объединяет в себе хорошую электрическую изоляцию и высокую теплопроводность. Рубалит обладает меньшей, алюнит приблизительно такой же теплопроводностью, как и алюминий. С другой стороны, рубалит дешевле алюнита. Их термический коэффициент расширения соотнесен с коэффициентом расширения полупроводников, они имеют фиксированную форму, устойчивы к коррозии. Керамический теплоотвод обеспечивает надежный отвод тепла, являясь к тому же электроизолирующим материалом, что позволяет создавать на нем контактные площадки в виде площадок металлизации. Теплоотвод является в таком случае ключевым элементом конструкции модуля, и на нем могут быть монтированы светодиоды или другие компоненты, как и в случае с обычной печатной платой. Система напрямую отводит тепло без каких-либо термических барьеров.

Альтернативой керамическим теплоотводам может быть применение теплорассеивающих пластмасс [3, с.50].

Физика процесса теплорассеяния такова, что количество поглощаемого воздухом тепла определяется параметрами воздуха (температуры, влажности, скорости), а не материала, из которого изготовлена теплорассеивающая поверхность. Именно теплорассеивание в пограничных слоях воздуха является ограничивающей стадией теплообмена в системе «генератор тепла - воздух». Окружающий воздух просто не может рассеять (принять) более 5...10 Вт тепловой энергии с единичной поверхности теплообмена. Следовательно, при выборе материала для теплорассеивающих устройств необходимо принимать во внимание, что теплопроводность материала равная 5.10 Вт/(м-К) необходима и достаточна, чтобы передать на поверхность охлаждения все тепло, которое может быть принято окружающим воздухом, а применение материалов с большей теплопроводностью является технически избыточным. Таким образом, несмотря на значительно более низкую теплопроводность теплопроводящих пластмасс (максимум 40 Вт/(м-К)), возможно их применение при создании конструкций радиаторов для ламп-ретрофитов. Эффективность теплоотвода уменьшается незначительно, при этом стоимость и масса полимерных радиаторов ниже (стоимость ниже в 23 раза, масса ниже в среднем на 40%). Технология теплопроводящих пластмасс аналогична технологии изготовления обычных пластмассовых изделий.

Таким образом, исходя из того, что теплопроводящая способность алюминия реально востребована в системах естественного охлаждения всего лишь на 5%, для снижения стоимости и улучшения массогабаритных показателей возможно применение в качестве материала радиатора теплопроводящих пластмасс.

Дополнительные преимущества теплорассеивающих пластмасс: изделия получаются гораздо точнее, чем детали, отлитые из алюминия; поверхность деталей не шероховатая, а имеет «зеркальное» качество; существует возможность изготовления изделий сложной формы.

Литература

1. Туркин А. Светодиодные источники света на основе технологии удаленного люминофора: теория и реальность // Современные технологии автоматизации. - 2012, №4. - С. 19-24.

2. Армин Ф. Технологии сборки. Эффективный теплоотвод с помощью керамических подложек // Полупроводниковая светотехника. - 2010, №5. - С. 30-32.

3. Криваткин А. Применение теплорассеивающих пластмасс для охлаждения ЬББ-кристаллов // Современная светотехника. - 2010, №4. - С. 50-54.