Ваш заказ пустой!
В настоящее время существует несколько способов получения белого света от неорганических светодиодов – смешивание красного, зеленого и синего излучений, и более распространенный - взаимодействие синего кристалла с желтым люминофором. Сам люминофор (рис. 1) либо подмешивается в силикон, герметизирующий корпус светодиода (а), либо наносится непосредственно на кристалл (б). Не так давно был разработан метод, предполагающий наличие некой дистанции между кристаллом и люминофором (в), получивший название «remote phosphor». На русский язык можно перевести как «дистанцированный» (удаленный) люминофор, далее по тексту ДиЛюм.
Рис. 1. Схематичное представление расположения люминофора внутри источника света: а–люминофор в силиконовом геле; б–люминофор, нанесенный на кристалл; в-дистанцированное расположение люминофора.
Технологии ДиЛюм разрабатываются несколькими компаниями в мире, в том числе Philips, OSRAM, CREE, INTEMATIX, ЛЮМЕН и др. Между всеми вышеперечисленными компаниями идут патентные споры, заключаются кросс-патентные соглашения.
НЕОН-ЭК – компания, специализирующаяся на светодиодном освещении, начинает продвигать на российском рынке пластины и объемные элементы от американской компании INTEMATIX (торговая марка ChromaLit), получив на это официальное разрешение.
Тема ДиЛюм для многих специалистов не очень известна, и мы решили рассказать о некоторых важных аспектах дизайна светильников с использованием компонентов ChromaLit.
Поскольку между синим светодиодом и ChromaLit существует свободное пространство в корпусе светильника, следует рассматривать это пространство как некую камеру, где происходит излучение синего света, попадание и прохождение его через ChromaLit, а также частичное переотражение синего света от ДиЛюм и стенок камеры, в результате чего получается белый свет на выходе светильника. Поэтому смесительные камеры являются важными составляющими светильника, наряду с высокоэффективными синими светодиодами с длиной волны 450-455 нм, и самими компонентами ДиЛюм.
При правильно спроектированной смесительной камере мы получим высокоэффективный светильник с малыми бликами и равномерным светом. Экспериментально доказано, что благодаря применению ДиЛюм общая эффективность светильника может быть увеличена до 30% по сравнению с обычными белыми светодиодами. Одним из объяснений этого факта является почти обязательное наличие диффузного рассеивателя в светильнике с белыми дискретными светодиодами.
Как правило, типовые потери в таких рассеивателях достигают 8-10% или более, в зависимости от требований к равномерности свечения. Герметизация светильника с применением компонента ChromaLit (рис. 2) позволяет избежать подобных потерь.
Рис. 2. Излучение светодиодов отображено синим цветом, излучение от ChromaLit – желтым.
При конструировании смесительной камеры требуется использовать материалы с высокой отражательной способностью, это поможет получить после пластины с ДиЛюм равномерный по яркости и по цвету световой пучок. Безусловно, от этого зависит и общая эффективность всего светильника.
Данные в табл. 1 показывают примерное улучшение эффективности системы с ДиЛюм по сравнению со светильником, источником света которого являются белые светодиоды. Видно, что при использовании идеальной камеры возможно получить до 30% прироста выхода белого света при одной и той же подводимой электрической мощности.
С теоретическими основами взаимодействия синего света и люминофора можно ознакомиться в других материалах - см. «ЛИТЕРАТУРА».
Смесительную камеру желательно спроектировать таким образом, чтобы размер апертуры ее выходного отверстия и ее форма соотносились с соответствующими параметрами ChromaLit. При использовании печатных плат с большими массивами светодиодов, настоятельно рекомендуется покрывать все возможные зазоры и участки таких плат светоотражающими материалами.
На рисунке 3 показан разрез смесительной камеры с одним светодиодом.
Рис. 3. Сечение смесительной камеры
На верхнем примере можно видеть, что типовой угол раскрытия светодиодной линзы не позволяет полностью осветить синим светом пластину с ДиЛюм. Нижний рисунок демонстрирует, что увеличение высоты смесительной камеры приведет к нужному результату. Для ориентира можно считать, что примерные отношения сторон высота-ширина смесительной камеры должны находиться в соотношении 1:3. Более глубокие стенки камеры приведут к потерям синего света из-за лишнего переотражения. К примеру, при использовании круглой пластины ChromaLit диаметром 61.5 мм увеличение высоты стенки смесительной камеры с 10 до 20 мм приведет к падению выхода белого света на 3,5%.
Рис. 4. Зависимость светового потока от высоты смесительной камеры.
На графике (рис. 4) показана зависимость выходного светового потока белого света от высоты смесительной камеры. Надо заметить, что при любой высоте смена цветовой температуры получаемого белого света будет практически без изменений.
На рисунке 5 показан пример спроектированной смесительной камеры с платой, на которой запаяно 6 светодиодов. Нижняя часть камеры изготовлена из отражающего материала MC-PET производства Furukawa. Отверстия под светодиоды могут быть выполнены перфорированием или лазерной резкой. Необходимо использовать толщину листа, не превышающую высоту светодиода. Будет полезно сделать фаску на отверстиях для светодиодов - чтобы весь синий световой поток устремился к пластине ChromaLit.
Рис. 5.
Даже такие мелочи, как покрытие головки винта белой краской, поможет общей цели - увеличению эффективности светового прибора.
Для эксперимента мы оставили только нижнюю часть смесительной камеры, и демонтировали конус боковых стенок. В таблице 2 показаны результаты измерений выходного потока нижней части смесительной камеры с боковыми отражающими стенками и без них.
Таблица 2. Результаты измерений
Видно, что без боковых отражающих стенок выходной поток белого света упал почти на 20 %.
На рис. 6 показана монолитная смесительная камера, изготовленная на термопласт-автомате.
Рис. 6. Пластмассовая камера
Здесь предусмотрены минимально возможные отверстия для посадки на плату со светодиодами, полное соответствие камеры размеру и форме пластины ДиЛюм; края отверстия для светодиодов выполнены с хорошо заметной фаской. Необходимо подчеркнуть, что имеющиеся на сегодняшний день недорогие пластмассы имеют относительно небольшую термостойкость и не могут быть рекомендованы для светильников с большой мощностью.
При конструировании прямоугольных светильников общие принципы проектирования смесительных камер остаются неизменными - необходимо рассчитать и изготовить нижний и боковые отражатели.
Конструкция также может быть монолитной, с отверстиями под светодиоды (рис 7). Показанный корпус имеет в разрезе U- образную структуру, и с целью понижения издержек может быть изготовлен из нескольких коротких отрезков. Если рассеиваемая электрическая мощность небольшая, вполне возможно применять обычный пластик для изготовления таких корпусов.
Рис. 7. Линейный светильник на ДилЮм
Рис. 8. Расчет плотности светодиодов
При расчете линейных светильников необходимо больше внимания уделять равномерности расположения синих светодиодов, и расчетам высоты смесительной камеры. Впрочем, применение ДиЛюм всегда дает возможность уменьшить количество «мультитеней» на освещаемых поверхностях.
При расчете высоты смесительной камеры линейного светильника можно принять для ориентира следующее: расстояние между светодиодами должно соответствовать тангенсу половинного угла излучения светодиода.
Используя этот алгоритм, можно рассчитать, что при высоте смесительной камеры 12 мм и использовании светодиода с полушириной (FWHM) 120 градусов, рекомендуемое расстояние между светодиодами должно быть порядка 21 мм (рис 8). Безусловно, эти теоретические выкладки должны подтверждаться экспериментальным путем.
Крайние светодиоды нужно расположить достаточно близко к боковым стенкам камеры, для того, чтобы не образовались незасвеченные концы пластины с ДиЛюм (рис 9).
Рис. 9. Рекомендуемое расположение светодиодов
Необходимо подчеркнуть, что даже если между светодиодом и ДиЛюм будет совсем небольшое пространство < 1см., все равно, его следует рассматривать как камеру с нижней и боковыми стенками, и пытаться улучшить ее отражающие свойства.
INTEMATIX производит также компоненты серии ChromaLit XT- это стеклянные пластины с приклеенной пленкой ДиЛюм, выдерживающие более высокие температуры, и позволяющие получать большую плотность светового потока с апертур компактных размеров. При проектировании мощных светильников возрастает важность расчета температуры в смесительной камере. Дело в том, что в процессе прохождения синих фотонов через люминофор также происходит выделение тепла, и чем выше плотность синего света, тем больше выделяется тепла из компонентов с люминофором. Здесь уже невозможно применять пластмассу, хотя, как исключение, можно рассматривать материалы на тефлоновой основе.
С другой стороны, удаленность ДиЛюм облегчает тепловой режим светодиодных кристаллов, что приводит к более стабильной цветовой температуре и повышает надежность светильника в целом.
Инженеры INTEMATIX исследовали образцы материалов различных фирм, и рекомендуют следующие материалы для изготовления камер:
Полиэтилентерефталат (MC-PET) пр-ва Furukawa с эффективностью 96-99%, работающий при максимальной температуре 177 °С.
Материал White97 американской фирмы WhiteOptics работает при температурах до 124°С, и имеет отражательную способность более 95%.
Светоотражающие материалы Vega98 производства Almeco , и Silver производства Alanod были протестированы в Intematix и показали неплохие результаты.
Если при измерении изготовленного прототипа светильника вы получаете более холодные цветовые температуры, отличающиеся от расчетных, вполне возможно, что допущена ошибка при расчете смесительной камеры, и синий свет светодиодов выходит, не смешиваясь с люминофором, т.е люминофор не возбуждается. Бывали случаи, когда измеренная цветовая температура была выше требуемой более чем на 800 К. Необходимо еще раз посмотреть и оценить всю конструкцию светильника.
Все вышеперечисленные выкладки были приведены для использования плоских пластин производства Intematix - круги, полоски. В случае применения в ваших светильниках объемных 3D компонентов ChromaLit – сфер, эллипсоидов, куполов (рис 10).
Рис. 10. Внешний вид колпаков ChromaLit
Уже не потребуется рассчитывать камеру, будет достаточно улучшить отражающие способности печатной платы, на которой будут расположены синие светодиоды.
Рекомендуется использовать качественные материалы, так как белая маска печатной платы может пожелтеть со временем. Если покрыть печатную плату под колпачком зеркальным отражателем, то можно рассчитывать на увеличение светового потока на 4-6%.
В заключении хочется заметить, что светильники с применением ДиЛюм имеют только один недостаток - желтый цвет излучающей апертуры, видимый только тогда, когда светильник не работает. Но включенный светильник излучает белый свет с небольшой габаритной яркостью, обладает равномерностью свечения и хорошим индексом цветопередачи. Инженеры НЕОН-ЭК в лабораторных условиях достигли уровня CRI=97, причем, спектр излучения ДиЛюм оказался очень сходным со спектром дневного света (рис 11).
Рис. 11. Измерение спектра и CRI колпачка с ДиЛюм
Технологии ДиЛюм развиваются, и вскоре желтый цвет колпачков светильников станет для нас таким же привычным, как стеклянные колбы устаревших ламп накаливания.
http://www.nanomarkets.net/Downloads/LEDPhosphors.pdf
http://lumeon.ru/index.php?route=information/spec
А. Туркин. Светодиодные источники света на основе технологии удаленного фосфора. Современные технологии автоматизации № 4 2012 г.
* Remote phosphor -Дистанцированный люминофор
