1. Постановка задачі
2. Вибір конструктивних елементів
3. Визначення оптимальних параметрів
4. Опис пропонованої конструкції
5. література
6. Інші статті на цю тему:

2011

Поштовхом до написання цієї статті стало враження від XVI Міжнародної спеціалізованої виставки «Енергетика Уралу - 2010», яка проходила в Уфі в жовтні 2010 р [1]. Основною метою її відвідування було знайомство з останніми конструкціями світлодіодних ламп, які ось-ось повинні будуть замінити енергопрожорлівую «лампочку Ілліча».

На жаль, світлодіодні експонати виставки, призначені для освітлення житлових приміщень, мене не порадували. Нових конструкцій я так і не побачив. У кращому випадку це були все ті ж лампи розжарювання з колбою і гвинтовим цоколем, тільки ускладнені сучасною начинкою і обтяжені зовнішнім радіатором. А в гіршому випадку - «гранати» або «цибулини», з тим же гвинтовим цоколем і обвішані гронами маленьких колб.

Що стосується світлодіодних аналогів газорозрядних ламп, то тут результати «заміни» виглядали значно краще. Серед них мені навіть вдалося знайти не обтяжені додатковими елементами світлодіодні лінійки. Вони виглядали досить просто і функціонально. І хоча конструкція освітлювального приладу для цього джерела світла в цілому залишилася незмінною, зовні він ні в чому не поступався існуючим світильників з лампами денного світла. Та й свої прямі функції світильник виконував справно. Однак для житлових приміщень ці громіздкі пристрої, як відомо, мало підходять.

Що ж мені сподобалося в світлодіодних лінійках? Перш за все, відсутність додаткового радіатора і колби. Вийшла досить проста і, на мій погляд, більш практична і надійна конструкція. Можливо, відмовитися від цих конструктивних елементів дозволили відносно великі розміри аналога лампи денного світла. Але, в будь-якому випадку, виходить, що в певних умовах необхідності і в радіаторі, і в колбі немає. Ось в цих «певних умовах» я вирішив розібратися, і якщо вийде, то запропонувати аналогічну конструкцію для заміни лампи розжарювання.

Але спочатку докладніше розглянемо існуючі конструкції світлодіодних ламп і на основі їх аналізу проведемо подальші дослідження. Для цього звернемося до результатів тематичного патентного пошуку, проведеного мною з метою визначення дійсного рівня розвитку світлодіодних освітлювальних пристроїв, а не його зовнішніх проявів, як мені могло здатися на виставці. Заодно розберемося і в тенденції розвитку даних пристроїв.

Постановка задачі

Треба відразу зазначити, що результати патентного пошуку тільки посилили моє перше враження. Конструкції світлодіодних ламп змінювалися з розвитком елементної бази випромінювачів - світлодіодів. Від слабких, розрахованих на струми в соті частки ампера, придатних для використання в освітлювальних приладах тільки в великих кількостях [2, 3], ці напівпровідникові елементи «виросли» до потужних світлодіодів з робочим струмом в одиниці ампер, спеціально призначених для освітлювальних приладів [4 , 5]. Світлового випромінювання декількох штук таких потужних джерел вже досить для однієї лампи. Аналіз патентів останніх років дозволив мені виявити деякі тенденції розвитку конструкцій світлодіодних ламп [6, 7], яким явно слідували автори побачених мною виставкових зразків. У всіх пристроях конструктори намагаються мінімізувати кількість світлодіодів. В ідеальному варіанті, напевно, вони прагнуть до одного суперпотужний светодиоду. Значить, для забезпечення необхідної величини світлового потоку в сучасних світильниках повинні використовуватися найбільш потужні з доступних світло-діодів.

Однак, незважаючи на збільшення потужності освітлювальних світлодіодів, їх розміри залишаються незмінно малими. У сукупності з низькою робочою температурою світлодіодів це сильно ускладнює організацію їх допустимого теплового режиму всередині освітлювального приладу [8]. І чим більше споживана светодиодом потужність, тим складніше і більше в розмірах повинна бути його охолоджуюча система, інакше світлодіод починає перегріватися. При такому режимі роботи різко знижується світловіддача і зменшується термін служби. Ситуація ускладнюється в світильнику закритого типу, в обмеженому колбою і корпусом просторі. Це основне завдання, яке вирішують конструктори при розробці світлодіодної лампи.

Друга за значимістю завдання, яке вирішується ними, теж пов'язана з тим, що світлодіоди мають маленькі розміри. Вони є ще й зосередженими джерелами світла. Коли, у міру збільшення потужності, світлодіодів в лампі стає менше, то зменшується і площа світіння, що, додатково до вищесказаного, підвищує небезпеку засліплення і, як наслідок, погіршує умови видимості. Це необхідно враховувати при проектуванні освітлювальних пристроїв та відповідної освітлювальної арматури [9].

Отже, ми знаємо, які технічні завдання стоять перед конструкторами світлодіодних ламп і в якій послідовності вони їх вирішують. При розробці освітлювальних пристроїв на потужних світлодіодах виникає необхідність в додаткових елементах для відводу теплового потоку і розсіювання світлового випромінювання. Але такі елементи значно ускладнюють існуючі конструкції світлодіодних ламп і, звичайно, здорожують їх. Значить, є необхідність у спрощенні конструкцій цих ламп. Спробуємо поглянути на проблему створення світлодіодної лампи з цієї точки зору. Звичайно, вплинути на вартість світлодіодів, які використовуються в освітлювальних приладах, у мене не вийде, але здешевити пристрій за рахунок спрощення його конструкції варто спробувати. Для цього спробуємо вирішити наступне завдання: домогтися нормального температурного режиму роботи світлодіодів в світлодіодним лампі і прийнятною яскравості її світіння без додаткових конструктивних елементів тепло-відводу та светорассеивания. А це означає, що зараз саме час трохи заглибитися в фізичні процеси, що протікають в світлодіодним лампі.

Вибір конструктивних елементів

Нагадаю, що з-за несприятливого співвідношення своїх розмірів до споживаної потужності світлодіод є зосередженим джерелом світла і тепла. Як відомо, передача тепла від нагрітого тіла здійснюється за рахунок трьох фізичних процесів [10]:

• Випромінювання. Поверхня освітлювального приладу, на якій монтується світлодіод або модуль з декількома світлодіодами, не повинна бути з дуже низьким коефіцієнтом випромінювання.
• Конвекція. Бажано мати спеціальні охолоджуючі елементи або досить велику площу поверхні корпусу світильника для безперешкодного контакту з потоками навколишнього повітря (спеціальні охолоджуючі ребра, шорстка структура і т. Д.).
• Теплопровідність. Через дуже невеликій площі поверхні і об'єму світлодіодів охолодження за рахунок випромінювання і конвекції мало. Тому одна з основних завдань при конструюванні світлодіодних світильників - забезпечити відведення тепла за рахунок теплопровідності спеціальних охолоджуючих елементів або конструкції корпусу.

Слід звернути увагу і на те, що занадто велика яскравість світіння потужних світлодіодів негативно впливає на зір спостерігача. При великій яскравості має місце дуже інтенсивна засвічення сітківки очей, і розкладається світлочутливий пігмент не встигає відновлюватися, т. Е. Виникає явище ослепленности. Це відбувається, коли в поле зору знаходиться яскравий джерело світла. Результатом засліплення є зменшення здатності розрізняти предмети. Внаслідок вищевикладеного можна зробити висновок про те, що піддавати людини засліплення надзвичайно небезпечно, так як це може привести до очного напрузі і функціональних розладів [13]. Тому для кожного світлодіода в лампі:

• необхідно створити ефективний тепло-відвід з метою забезпечення необхідної виробником температури р-п-переходу світлодіода, перевищення якої різко знижує його термін життя;
• бажано забезпечити ефективне світло-розсіювання з метою зменшення ефекту засліплення через надмірну яскравості світіння світлодіода, ця проблема посилюється прагненням виробників збільшити їх світловіддачу.

Чому в першому випадку «необхідно», а в другому «бажано»? Тому, що све-торассеіваніе не вимагає обов'язкового контакту светорассеивающих елементів зі світло-діодом. Таким чином, вирішувати цю проблему можна не в лампі, а за допомогою освітлювальної арматури світильника, як це досить часто робиться. А ось організувати відведення надлишків тепла від світлодіода можна тільки безпосередньо в лампі. Значить, для спрощення завдання спочатку виберемо «теплове» напрям її вирішення. Але в подальшому його результати по можливості скорегуємо з урахуванням умов «світлового» напряму. Так які ж елементи лампи впливають на теплові процеси в ній?

З точки зору максимального наближення р-п-переходу світлодіода до теплопроводящей поверхні для застосування в освітлювальних приладах особливий інтерес представляють SMD- світлодіоди. Їх корпус має спеціальну площадку для кріплення до тепловідводної поверхні, в якості якої можна використовувати існуючу друковану плату з будь-яким теплопровідність підставою без додаткового радіатора. Зручний і автоматизований монтаж SMD-світлодіодів, хороша теплопровідність корпусу і висока світловіддача дозволяють вибрати оптимальні і цікаві рішення для створення систем освітлення [11]. Існуючі SMD-світлодіоди бувають малопотужні (до 0,1 Вт), середньої потужності (0,1-1 Вт) і потужні (понад 1,0 Вт).

Як теплопроводящей поверхні спільно з SMD-світлодіодами можна використовувати плати з підставами, матеріали яких відрізняються по теплопровідності. Друковані плати з металевою основою в порівнянні зі звичайними платами з текстоліту [12] мають такі плюси:

• розсіюють тепло без використання додаткових радіаторів і спеціальних теплопровідних паст;
• додають механічну жорсткість всьому виробу;
• дозволяють значно простіше організувати відведення тепла від нагріваються компонентів за рахунок своїх охолоджуючих властивостей;
• мають відмінні характеристиками щодо електромагнітної сумісності та захисту.

Можливість об'єднання на одній такій друкованій платі безлічі світлодіодів, монтаж компонентів за допомогою стандартних автоматизованих технологій пайки, використання її в якості радіатора охолодження - все це в комплексі дозволяє створювати компактні високоефективні освітлювальні прилади.

Один з кращих за паливною ефективністю варіантів відводу тепла - керамічні підстави з попередньо нанесеними токоведущими трасами, безпосередньо до яких підпоюють світлодіоди. Охолоджуючі конструкції на базі кераміки відводять за одне і те ж час приблизно в два рази більше тепла в порівнянні зі звичайними варіантами металевих охолоджуючих елементів [10].

Таким чином, ми виділили в світлодіодним лампі тільки два елементи, які, на мій погляд, важливі для вирішення поставленого завдання. І будемо вважати, що інші елементи конструкції лампи, необхідні для її функціонування, наприклад засіб приєднання до електричної мережі і джерело вторинного живлення, незримо присутні і будуть враховані в описі запропонованої конструкції. А серед варіантів світлодіодів, що відрізняються по потужності, і друкованих плат з підставами, матеріали яких відрізняються по тепловому опору, ми і зробимо свій вибір.

Визначення оптимальних параметрів

Вихідні умови для вирішення цього завдання залежать то того, що розробляється лампа пропонується для заміни лампи розжарювання, типорозміри і параметри якої склалися історично, а також від показників світлодіодів, які характеризують їх ефективність. Хоча ефективність світлодіодів стає дедалі більше, зараз найбільш поширені SMD-світлодіоди мають світловіддачу 100 лм / Вт і ККД перетворення електроенергії у світ 25-40%. Тому подальші міркування стосуватимуться світлодіодів саме з цими показниками. Тоді сумарна потужність всіх світлодіодів в одній світлодіодним лампі при таких обмеженнях відповідно до таблиці повинна бути в діапазоні 2,5-13,5 Вт [14].

Таблиця. Відповідність потужностей існуючих ламп розжарювання і перспективних світлодіодних ламп

Лампа розжарювання

Лампа світлодіодна

Потужність, Вт Світловий потік, лм Потужність, Вт Світловий потік, лм 25 220 2,5 250 40 415 4,0 400 60 715 7,0 700 75 950 9,5 950 100 1350 13,5 1350

При використанні в конструкції лампи малопотужних світлодіодів їх кількість було б невиправдано великим - 25-135 шт., Що не влаштовує нас з-за високої вартості такого їх кількості. Застосування ж потужних світлодіодів, незалежно від їх кількості, передбачає при відмові від додаткових радіаторів використання друкованих плат з максимально можливою теплопровідністю, тобто з керамічним підставою, що також неприйнятно з фінансових міркувань. Отже, залишилося розглянути два варіанти лампи зі світлодіодами середньої потужності: на текстолітової друкованій платі або на друкованій платі з металевою основою.

Якщо використовувати світлодіоди потужністю менше 0,5 Вт, то цілком прийнятним буде їх монтаж на звичайні друковані плати з текстоліту, що переважно і по вартості. Однак при розсіюванні тепла від світлодіодів більш високих потужностей буде потрібно використання і більш дорогих спеціальних друкованих плат з теплопроводящим підставою [12]. Але це виправдано, так як при розсіюванні тепла від світлодіодів потужністю 0,5-1 Вт краще використовувати друковану плату з алюмінієвою основою [15]. Значить, як це часто буває, оптимальним варіантом виявляється «золота середина»: друкована плата з металевою основою, зокрема з алюмінієвим, і встановленими на ній SMD-світлодіодами потужністю не більше 1 Вт. Наступне питання, на який необхідно дати відповідь: з якою щільністю необхідно встановити світлодіоди на поверхні друкованої плати, щоб уникнути їх перегріву?

За одними даними, оптимальною площею радіатора з алюмінію (яким є наша друкована плата) для розсіювання надлишків тепла від світлодіодів потужністю 1 Вт вважається 15-20 кв. см для світильників відкритих типів і 20-25 кв. см для закритих [16, 17]. Але так як у друкарської плати дві поверхні і з обох однаково йде відтік тепла у відкритий простір, то таку площу радіатора матиме друкована плата з алюмінієвою основою площею 8-10 кв. см для відкритих типів світильників.

За іншими ж даними, для світлодіода з споживаної потужністю 1 Вт за умови природної незатрудненное конвекції при +25 ° C потрібна плата з алюмінієвою основою площею не менше 6,5 кв. см. [11]. Якщо площа друкованої плати під светодиодом приблизно відповідає даному значенню, то такий пристрій при роботі в номінальному режимі не потребує додаткового тепло-відвід. При роботі в закритому корпусі, а також в умовах підвищеної температури навколишнього середовища без застосування додаткового охолодження потрібен або додатковий тепловідвід, або збільшення площі плати.

Дані з різних джерел дуже близькі за значенням, тому їм цілком можна довіряти. Для надійності виберемо більше з них - 8 кв. см при розсіюванні надлишків тепла від світлодіода потужністю 1 Вт. Тим більше що на умови охолодження друкованої плати впливають температура навколишнього середовища і розташування друкованої плати в просторі [18]:

• При збільшенні температури навколишнього середовища збільшується і температура друкованої плати з встановленим на ній світлодіодом. Щоб компенсувати нагрів корпусу світлодіода, необхідно збільшити розмір друкованої плати та / або розмір радіатора, що часто буває важко через обмеження на розмір готового пристрою.
• При вертикальному розміщенні друкованої плати відведення тепла від неї в умовах природної конвекції буде краще, ніж при її горизонтальному розміщенні.

Додатково приймемо до уваги, що з сліпучим дією можна боротися тільки розподілом випромінюваного світла по більшій площі [19]. Тому кілька скорегуємо результати «теплового» напрямки вирішення завдання шляхом збільшення кількості світлодіодів з одночасним зменшенням їх потужності. Зрозуміло, що при такій коригуванню сумарна потужність всіх світлодіодів і розмір друкованої плати в лампі залишаться незмінними і різниця в теплових умовах роботи світлодіодів буде практично непомітна. В результаті зупиняємося на наступних параметрах світлодіодного модуля: потужність кожного світлодіода повинна бути не більше 0,5 Вт. Внаслідок того що розподілені вони повинні бути рівномірно, так, щоб на кожен 1 Вт їх сумарної потужності припадало не менше 8 кв. см друкованої плати, то на один світлодіод потужністю 0,5 Вт необхідно не менше 4 кв. см друкованої плати з алюмінієвою основою. Таким чином, вибір оптимальних параметрів світлодіодного модуля дозволяє спростити конструкцію світлодіодного світильника. Що ж у нас в підсумку вийшло?

Опис пропонованої конструкції

Пропоноване Пристрій зображено на рис. 1. Воно складається з світлодіодного модуля (1), виконаного у вигляді друкованої плати (3) з алюмінієвою основою (4), на якій методом автоматичного поверхневого монтажу встановлені SMD-світлодіоди (5) із заданою сумарною потужністю, і прикріпленою до світлодіодному модулю ( 1) освітлювальної арматури (2), виконаної у вигляді гвинтового цоколя (6) з вбудованим блоком живлення (7). Світлодіоди (5) встановлені на друкованій платі (3) рівномірно, кожен з них має потужність не більше 0,5 Вт, а друкована плата (3) містить місце для кріплення (8) освітлювальної арматури (2) і має площу не менше 4 кв . см на кожен світлодіод.

Мал. 1. Конструкція світлодіодного світильника: 1 - світлодіодний модуль; 2 - освітлювальна арматура; 3 - друкована плата; 4 - алюмінієве підставу; 5 - світлодіод; 6 - гвинтовий цоколь; 7 - блок живлення; 8 - місце кріплення

Відкрита, без корпусу і плафона, конструкція світлодіодного світильника дозволяє алюмінієвому основи (4) друкованої плати (3) рекомендованих розмірів ефективно відводити тепло від рівномірно розосереджених по всій її площі світлодіодів (5) потужністю не більше 0,5 Вт, зберігаючи їх температурний режим в діапазоні, рекомендованому виробником, що позитивно впливає на термін їх служби. Освітлювальна арматура (2), прикріплена до світлодіодному модулю (1) в місці для кріплення (8) на друкованій платі (3), не нагрівається сама і не заважає теплоотводу від алюмінієвої основи (4) друкованої плати (3).

В якості практичного застосування наведемо кілька варіантів пропонованого пристрою, призначених для прямої заміни деяких ламп розжарювання. Вони зображені на рис. 2, накладені один на одного. З метою зменшення відходів при виробництві друкованої плати виберемо для неї форму плоского прямокутника. Так як традиційні лампи розжарювання потужністю 40, 60 і 100 Вт мають світловий потік відповідно 415, 715 і 1350 лм, то сумарна потужність подібних їм світлодіодних світильників повинна, хоча б приблизно, відповідати 4, 7 і 13,5 Вт (див. Табл. ). Тоді при використанні світлодіодів, потужність кожного з яких буде максимально можливою за нашими розрахунками, т. Е. Рівний 0,5 Вт, їх кількість в світлодіодному модулі виявиться по 8, 14 і 24 шт. зі світловими потоками 400, 700 і 1200 лм відповідно. При цьому друковані плати для таких світлодіодних модулів можна виготовити наступних розмірів (см * см = кв. См): 6 * 6 = 36; 6 * 10 = 60; 10 * 10 = 100, що цілком прийнятно.

Мал. 2. Варіанти пристрою: 1 - світлодіодний модуль; 2 - освітлювальна арматура; 3 - друкована плата; 5 - світлодіод; 8 - місце кріплення

Отримані результати можна звести до наступних висновків:

• Аналіз результатів патентного пошуку вказав на те, що спрощення конструкції світлодіодної лампи можливо шляхом вирішення завдання ефективного теплоотво-да без додаткових конструктивних елементів.
• Узагальнення даних, отриманих при дослідженні теплових процесів, що протікають в світлових приладах, дозволило при прийнятих обмеженнях визначити оптимальні параметри світлодіодного модуля - для кожного SMD-світлодіоди потужністю 0,5 Вт необхідно 4 кв. см друкованої плати з алюмінієвою основою.
• Запропоновані варіанти світлодіодних ламп для прямої заміни ламп розжарювання потужністю 40, 60 і 100 Вт виявилися прості за конструкцією і забезпечують необхідний тепловий режим роботи світлодіодів.

Таким чином, використовуючи техніко-експлуатаційні характеристики основних елементів світлодіодних джерел світла, різних видів світлодіодів і друкованих плат, цілком можна знайти оптимальний варіант їх взаємного використання для створення конструкції лампи з необхідними параметрами без використання дорогих допоміжних елементів і навіть без колби. Що ж ще залишилося в цій конструкції від старої лампи розжарювання? Ах да, гвинтовий цоколь! Так званий гвинт Едісона. Хоча багато хто вважає Едісона винахідником лампи розжарювання, це не зовсім так. Ним було винайдено саме цоколь - хоча і важливу частину лампи, але все-таки не її саму. До відкриття лампи розжарювання більше причетні німецький годинникар Г. Гебель і російські винахідники П. Н. Яблочков і А. Н. Лодигін [20]. Але, напевно, за давністю років вже не так важливо, хто з них вніс більший вклад в це відкриття. Головне, що вони зробили його при їх рівні техніки, можна сказати, голими руками. А ми зі своїми синхрофазотрон і космічними ракетами навіть закрити-то його до ладу до цих пір не можемо. Хоча ... Але це вже зовсім інша історія.

література

1. http://energyexpert.ru/content/view/810/1/
2. Патент RU63490 (U1).
3. Патент GB2098714 (A).
4. Патент RU96696 (U1).
5. Патент RU97566 (ш).
6. Патент EP2083210 (A).
7. Патент RU2399833 (C2).
8. http://www.innokor.ru/publ/32-svetlamp.html
9. http://www.ra-electric.ru/publication/technique and technology / tec9.htm
10. http://www.k-to.ru/ru/interesting/obor/detail.php?ID=436
11. http://www.compeljournal.ru/enews/2009/9/4
12. http://www.pselectro.ru/article/7/78
13. http://otherreferats.allbest.ru/life/00051014_0.html
14. Кухлінг Х. Довідник з фізики / Пер. з нім. М .: Мир. +1982.
15. http://www.rlocman.ru/review/article.html?di=52377
16. Миколаїв Д., Феопентов А. Основи теплового менеджменту при конструюванні ПСП // Напівпровідникова світлотехніка. 2010. № 1.
17. http://chip-led27.ru/site/16
18. Винокуров А. Теплові режими потужних світлодіодів DORADO // Компоненти та технології. 2006. № 5.
19. http://tehnologiya.pulscen.ru/articles
20. http://articles.gazeta.kz/art.asp?aid=79692

Інші статті на цю тему:

повідоміті про помилки