СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ СО СВЕТОДИОДАМИ (СИД)
LIGHTING MODULE WITH LIGHT-EMITTING DIODES (LED)

Предлагаемое изобретение относится к области светотехники и может быть использовано в производстве светодиодных источников света с мощными, сверхъяркими и блочными кристаллами. Известно, что эффективность осветительного прибора в определяющей степени зависит от световой отдачи используемого источника света и его светораспределения. Успехи научных исследований и светодиодных технологий позволили выдвинуться СИД в ряд наиболее перспективных источников света, достигших, в части световой отдачи, значений, соответствующих лучшим в настоящее время разрядным источникам света, а по сроку службы превосходящих их.
Значительные успехи за последнее время достигнуты в части производства светотехнических модулей с мощными, сверхъяркими и блочными кристаллами, обеспечивающими большой световой поток в незначительных по объему и габаритным размерам световых приборах.
Важной задачей при конструировании световых приборов с СИД является создание оптимального температурного режима на «p-n» переходе излучающего кристалла. С увеличением мощности, выделяемой на кристалле, соответственно повышается выделяемая в нем тепловая энергия, растет температура и, как правило, снижается световой поток модуля, сокращается его полезный срок службы, изменяется цветовая температура излучения кристалла. Для обеспечения приемлемых технических параметров модулей используются средства снижения и стабилизации теплового режима на приемлемом уровне. Самым распространенным способом отвода тепловой энергии от «p-n» перехода кристалла является применение радиаторов различного конструктивно-технологического исполнения. Большое распространение получили цельные литые и штампованные многолепестковые сборные конструкции, изготовленные в большинстве случаев из алюминия, обладающего высоким коэффициентом теплопроводности.
Характерным примером светодиодного источника света с литым радиатором является светодиодная лампа формы FHILIPS MASTER LED spot 16W 2700K 230V PAR38 OD (1). Теплорассеивающий радиатор, электромонтажная панель, отражатель и вторичная оптика изготовлены в виде отдельных элементов, объединенных с помощью крепежных элементов и сборочных операций в единый светодиодный модуль. Учитывая многозвенность конструкции, изделие отличается высокой трудоемкостью и большим тепловым сопротивлением на пути теплового потока от кристалла к радиатору. Изделие отличается высокой удельной массой на 1 ватт рассеиваемой мощности; так, при общей мощности модуля 16 ватт, его масса, определяемая главным образом массой радиатора, составляет 600 грамм, при этом несмотря на большую массу полезный срок службы - 22000 тыс. часов, сравнительно невысокий для светодиодного источника света.
Более высокий срок службы - 45000 тыс. часов - достигнут в лампах той же фирмы MASTER LED spot 16W 2700K 230V PAR38 25D (1) за счет применения более эффективного отвода тепла литым из алюминия радиатором с более развитой (увеличенной) теплорассеивающей поверхностью. Однако при этом масса модуля также существенно возросла - до 690 граммов.
Аналогичное решение и с теми же характеристиками принято в известных лампах BARTON LED d122∗136 15W par38 AC220-240V 2700K (2).
Характерным примером радиатора сборной конструкции, состоящего из набора отдельно отштампованных пластин, являются презентованные на конференции Strategies in Light (SIL) в 2013 году радиаторы компании Nuventix, примененные в изделиях серии R150-170 (3). Конструкция обеспечивает необходимый тепловой режим кристалла, однако отличается большой трудоемкостью в изготовлении.
Важную роль в общей цепочке передачи тепла от кристалла светодиода к радиатору, оказывает конструктивное исполнение монтажа кристалла на плату, которая в большинстве случаев устанавливается на радиатор. Из многих известных способов монтажа кристаллов на сегодня наиболее эффективным, с точки зрения эффективности теплопередачи, признан вариант крепления в исполнении СОВ (Chip on Board - «кристалл на плате»), которые припаиваются непосредственно на печатную (монтажную) плату (4).
Другой важнейшей задачей правильно спроектированного модуля является обеспечение заданного эффективного светораспределения для конкретной светотехнической установки. Кривая силы света световых модулей формируется, как правило, тремя путями: за счет вторичной оптики - линзами с использованием законов преломления на границе раздела двух сред, с помощью внешних отражателей на основе законов отражения и рассеивателей из светорассеивающих материалов, например, молочных или опаловых стекол. Последний вариант, основанный на рассеянии светового потока источника света, имеет весьма ограниченные возможности с точки зрения управления световым потоком и отличается большими потерями света в толще светорассеивающего материала.
Использование вторичной оптики для управления световым потоком мощных, сверхъярких и блочных кристаллов имеет определенные ограничения. Так, с повышением мощности кристаллов увеличивается тепловая нагрузка на оптику, изготовляемую, как правило, из светопрозрачных пластмасс с ограниченной теплостойкостью. С ростом температуры и приближением ее к предельно допустимой материал линз подвергается ускоренной деструкции, снижается светопроницаемость линз и сокращается срок службы светового модуля в целом. Снижение температуры на вторичной оптике возможно за счет существенного увеличения ее размеров, что ведет к недопустимому, по экономическим соображениям, увеличению расхода дорогостоящих материалов.
Учитывая изложенное, для работы в модулях с мощными, сверхъяркими и блочными кристаллами наиболее рациональным является использование отражательных систем, с применением для указанных целей алюминия в качестве конструкционного материала, отличающегося более высокой рабочей температурой, хорошей теплопроводностью и высоким коэффициентом отражения - до 98% (5) в пределах всего видимого спектра излучения.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению решением является светодиодная лампа MASTER LEDspot 17-100W 2700K PAR38 OD (6) фирмы FHILIPS. Лампа состоит из блока кристаллов, установленных на монтажной плате, плоского по форме отражателя, смонтированного на внутренней опорной поверхности радиатора. На радиаторе соосно с кристаллами установлена вторичная оптика в виде блочной линзы и защитное стекло со слегка матированной поверхностью. Радиатор изготовлен по технологии литья под давлением, конструктивно выполнен ввиде несущей опоры, окруженной боковыми теплорассеивающими ребрами. Радиатор, отражатель, монтажная плата и вторичная оптика выполнены отдельными конструктивными элементами и объединены соответствующими крепежными элементами в единый светодиодный модуль. Предложенное конструктивное решение позволило несколько улучшить параметры изделия по сравнению с прототипом; так, срок службы увеличен с 22000 тыс. до 25000 тыс. часов. Однако и у последней модели изделия имеются существенные недостатки: масса изделия, по-прежнему остается слишком большой, по сравнению с массой заменяемой галогенной лампы, все элементы изготовлены раздельно, а поэтому, в местах стыковки их в единую конструкцию, имеет место дополнительное сопротивление тепловому потоку, идущему от кристалла к теплорассеивающему радиатору. В связи с тем что вторичная оптика выполнена из пластика, тепловая нагрузка, а значит и мощность устанавливаемого кристалла весьма ограничены из-за возможного перегрева и деструкции материала линзы. Многозвенность конструкции ведет к увеличению трудоемкости, материалоемкости и себестоимости изделия в целом. Широкое бесщелевое кольцо по нижнему контуру радиатора затрудняет свободное течение воздуха в зону ребер охлаждения, снижая тем самым эффективность их теплорассеяния.
С учетом изложенного предлагается конструкция светотехнического модуля с мощными, сверхъяркими и блочными кристаллами, исключающая отмеченные выше недостатки. Модуль фиг.1 состоит из кристалла 1, универсального радиатора 2, объединенного в единый блок с отражателем и монтажной платой 3 с токопроводящими контактами, защитного стекла 4 (в уплотненном варианте модуля) и опорного кольца 5. Универсальный радиатор, монтажная плата и отражатель выполнены как одно целое из единого куска металла с эффективной теплопроводностью и высоким коэффициентом отражения (далее по тексту - радиатор). Радиатор выполнен из плоской заготовки 6, путем продольно-поперечной гибки с минимальной деформацией, излишки металла в процессе формовки сложены вдвое и перетянуты в ребра переменной высоты 7, расположенные радиально по контуру, ребра отводят тепло от универсального радиатора и через него от кристалла СИД в окружающее пространство, одновременно ребра придают необходимую жесткость и формоустойчивость всей системе универсального радиатора; область радиатора между ребрами - фацеты, имеет расчетную форму и обеспечивает заданное светораспределение; в верхней части радиатора выполнена плоская площадка 3 - основа электромонажной платы. Для придания радиатору достаточной формоустойчивости в экваториальном сечении в основании выполнен кольцеобразный рифт 8. В уплотненном исполнении, в варианте с защитным стеклом, для крепления стекла 4 и придания радиатору необходимой формоустойчивости, снизу на него одевается и запрессовывается специальное кольцо 5, которое по контуру охватывает радиатор, а выштампованными цапфами 9 фиг.2, 3 обжимает ребра 7, обеспечивая устойчивость формы и герметичность конструкции. Цапфы 9 кольца фиг.3 выштампованы и отогнуты из основания кольца, образованные при этом в местах выштамповки цапф отверстия 11 фиг.3, обеспечивают беспрепятственное перемещение воздуха на пути его естественного движения, снизу вверх, вдоль наружной поверхности радиатора, обеспечивая его эффективное охлаждение.
Исполнение открытого светодиодного модуля с рифтом жесткости представлен на фиг.4, а общий вид радиатора с регулярным макрорельефом к нему - на фиг.6.
Исполнение светодиодного модуля с защитным стеклом и опорным кольцом представлено на фиг.2, 5, а общий вид радиатора с регулярным макрорельефом к нему - на фиг.7.
Для решения ряда конкретных светотехнических задач требуется высокая равномерность светового пучка и отсутствие пятнистости на освещаемой поверхности. На практике такие задачи решаются использованием пластинчатых отражателей (7), в которых по контуру профиля зеркального отражателя располагаются светоотражающие пластины так, чтобы их средние точки касались остова отражателя по касательной. Практическим примером такого решения предлагается создание на поверхности отражателя нерегулярного макрорельефа с ячейками, расположенными касательно к профилю радиатора и с размерами, многократно превышающими поперечные размеры излучающего свет кристалла. Общий вид радиатора с макрорельефом представлен на фиг.6 - вариант с рифтом, и на фиг.7 - вариант без рифта в экваториальной плоскости. В предлагаемом техническом решении формование макрорельефа, создание отражающей поверхности с высоким коэффициентом отражения и защита отражающей поверхности от воздействия окружающей среды производятся до операции формования радиатора - на плоской заготовке, при этом размеры заготовки и теплорассеивающих ребер жесткости определяются из соотношений:
r
max
2;
S=π*(R+L)
r
max
D=2*(R+L);
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>∗</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mmultiscripts><mo>+</mo><mprescripts /><mi>r</mi><none /></mmultiscripts><mi>L</mi><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>N</mi></mfrac></mrow>
, где
S - расчетная площадь заготовки радиатора;
D - диаметр заготовки;
max
L - максимальная длина дуги профиля радиатора от горловины до основания радиатора;
h - высота ребра в текущей точке рабочего профиля;
r
R - радиус горловины (монтажной платы) радиатора;
L - длина дуги рабочего профиля от горловины до текущей точки рабочего профиля радиатора;
p
R - радиус внутренней окружности рабочего профиля в сечении, перпендикулярном оси радиатора и проходящем через текущую точку рабочего профиля;
N - количество теплорассеивающих ребер.
Источники информации
1. Каталог ламп. FHILIPS. 2010-2011 г.
2. Каталог ламп. OSTEC. 2013 г.
3. Полупроводниковая светотехника. №3, 2013 г., ООО «Акцент групп».
4. Полупроводниковая светотехника. №3, 2010 г., ООО «Акцент групп».
5. Светотехника. №1, 2013 г., ООО «Агентство Море».
6. Каталог фирмы FHILIPS. 2013 г.
7. Световые приборы (теория и расчет). В.В. Трембач, Главполиграфпром, 1972 г.