Силиконовая оптика для светодиодных матриц COB – решение, вышедшее на уровень серийных поставок совсем недавно – в конце 2012 года. Пока эта новая технология представлена изделиями Osram (в виде первичной оптики), Khatod и Ledil (вторичные линзы/модули). Сфера применений новых линз – светодиодные светильники высокого класса. Здесь новые линзы могут существенно сэкономить затраты на производство.
Развитие светодиодных технологий требует создания принципиально новой оптики для светильников. Дело в том, что энергоэффективность светодиодов и качество спектра уже находятся на уровне, обеспечивающем конкурентоспособность светодиодных светильников, по сравнению с оборудованием на традиционных источниках света. Но «узким местом» является оптика. Ее совершенствование должно улучшить параметры светильников и упростить их конструкцию. Один из предлагаемых путей решения проблемы - использование силикона в качестве материала для изготовления линз.
На бытовом уровне мы привыкли считать, что линзы из стекла всегда лучше, чем линзы из пластмассы. Не зря производители качественных фотоаппаратов подчеркивают, что у их продукции, в отличие от дешевых изделий конкурентов, используются объективы с линзами из стекла. Но, когда мы говорим о линзах для светильников, линзы из пластмассы имеют определенные преимущества, причем - не только в цене.
Для линз из стекла при использовании в светодиодных светильниках характерен так называемый эффект «желтого кольца». Он заключается в возникновении вокруг светового пятна, создаваемого светильником, кольца желтого цвета. Эта проблема связана со спектром, характерным для светодиодов. У ламп накаливания и галогенных ламп, например, она не наблюдается, поэтому совместно с ними стеклянные линзы могут применяться без проблем. У пластмассовых линз эффект желтого кольца наблюдается в меньшей степени. Данное обстоятельство сочетается с большей технологичностью производства, поэтому они наиболее часто используются в светодиодных светильниках. Основным материалом для изготовления линз является полиметилметакрилат (ПММА), главным образом - благодаря своей высокой прозрачности (92%).
Когда в светотехнике господствовали светодиоды мощностью порядка 1 Вт, нагрев линзы из ПММА не оказывал значительного влияния на ее оптические свойства. Но все изменилось с появлением светодиодных матриц Chip-on-Board (COB), мощность которых достигает 100 Вт. Светодиодная светотехника уже подошла к тому, что термическое воздействие светодиодов на оптику приводит к быстрой оптической деградации ПММА. Поэтому мощные светильники на COB с направленным световым потоком сейчас изготавливают исключительно с металлическими отражателями. В то же время, есть формы КСС, которые могут быть практически реализованы лишь при использовании линз.
Отсюда следует вывод: нужен новый материал для линз, термоустойчивый, но при этом не дающий эффекта «желтого кольца». Таким материалом является силикон. Напомним, что силикон представляет собой пластик, в котором цепочки углерода полностью или частично заменены на цепочки кремния. Благодаря этому, силикон способен выдерживать нагрев до 300°С, при этом - не терять прозрачности и не деформироваться. Силикон очень прозрачен - КПД линзы, изготовленной из него, может достигать 90%, что соответствует лучшим изделиям из ПММА.
Другая особенность силикона - эластичность. Сразу скажем, что силиконовая линза для светодиодного светильника достаточно твердая, чтобы держать форму и обеспечивать нужное распределение света в разнообразных условиях. Но, тем не менее, благодаря эластичности материала, можно обеспечить полную герметичность сочленения светодиода и линзы. Благодаря этому в герметичном светильнике (со степенью IP54 и выше) не требуется защитный плафон. При этом упрощается конструкция светильника и увеличивается его светоотдача, так как даже полностью прозрачный плафон может давать уменьшение светового потока до 10%.
Есть еще одно упрощение технологического процесса, которое может привести к снижению стоимости светильников и увеличению объема их выпуска. ПММА поставляется в виде порошка, который нагревается и в нагретом виде впрыскивается в форму. Линзу можно вынуть из формы только когда она охладится. Силикон заливается в форму холодным и потом происходит его затвердевание, для чего не требуется ждать, пока материал остынет. В итоге на изготовление силиконовой линзы тратится намного меньше времени, чем на производство линз из ПММА. А ведь эффективность использования оборудования, в том числе и литейных форм, в конечном счете, и определяет цену изделия, а также - возможность для предприятия быстро изготовить большую партию линз.
К недостаткам силиконовых линз можно отнести отсутствие на данный момент эффективных химических средств для их чистки. Обычно для чистки таких линз применяется мыльный раствор.
Первопроходцем в деле использования силиконовых линз стала компания Osram. Еще в 2009 году ею был начат выпуск светодиодов Golden Dragon Oval Plus (рисунок 1). Более правильным было бы назвать эти продукты светодиодными модулями, так как они объединяют в одном устройстве как источник света, так и полноценную асимметричную оптику для уличного светильника. Максимальная мощность светодиода составляла 3,5 Вт, а максимально допустимая температура перехода была равна 125°C. При этом, линза непосредственно прилегала к кристаллу светодиода, что обуславливало возможность ее перегрева при использовании ПММА. Вместо этого в Dragon Oval Plus был использован силикон.
В настоящее время первичная оптика (т.е. встроенные линзы) используется во многих светодиодах от Osram, Cree и других производителей.
Линза для вторичной оптики, т.е. не встроенная в светодиод, а дополнительно устанавливаемая, имеет большие размеры и, как правило, более сложную конструкцию. Серийный выпуск таких линз из силикона был начат в 2012 году.
Первопроходцем стала компания Khatod. На выставке Light+Building-2012, проходившей во Франкфурте-на-Майне, она представила линзу из силикона PL50SIL (рисунок 2). Эта линза диаметром 50 мм предназначена для использования совместно с COB-матрицами. Угол распределения света у линзы равен 27°. Диапазон рабочих температур линзы: -40...200°C.
В качестве одного из примеров использования новой линзы называют светодиодные лампы MR16, что обусловлено ее диаметром. К тому же, светодиодные лампы MR16 являются массовым продуктом и любое способ снижения стоимости для них важен. Тем не менее, возможности PL50SIL значительно шире, она может использоваться и в других лампах и светильниках.
До конца 2012 года компания Khatod оставалась единственным серийным производителем силиконовых линз для вторичной оптики светодиодных светильников. В 2012 году Ledil представила экспериментальный светодиодный модуль SLM_STRADA-FT-TPHS с силиконовыми линзами, обозначив тем самым свое отношение к данной технологии, как к весьма перспективной для компании. А в 2013 году приступила к выпуску силиконовых линз для сборок FN13323_STELLA-A. Эти линзы предназначены для уличного освещения (рисунок 3). Применение силиконовых линз в уличных светильниках является весьма перспективным направлением, так как в нем ставятся задачи как повышения светоотдачи, так и обеспечения высокой степени герметичности конструкции. Обе задачи силиконовые линзы решают с минимальными затратами. В дальнейших планах Ledil - освоение выпуска силиконовых линз для промышленных
Во многом малая распространенность вторичной силиконовой оптики связана с новизной технологии, которую пока не смогли воспроизвести другие компании. Кроме этого, массовые поставки силиконовых линз начались только в конце 2012 года, и пока рано делать какие-либо выводы.
Тем не менее, общие тенденции развития светодиодной светотехники позволяют сделать некоторые прогнозы. Все большее распространение получают светодиодные COB-матрицы. Для недорогих светильников на их основе уже сейчас широко используются металлические отражатели, линзы с ними не могут конкурировать по цене. А вот в светильниках высокого класса силиконовые линзы окажутся очень кстати. Использование силиконовых линз позволит сделать светильники высокого класса более доступными по цене. То есть силиконовые линзы в ближайшем будущем смогут занять относительно узкий сегмент рынка, оставаясь «нишевым» решением, но для определенного круга применений они окажутся вне конкуренции, при условии, что не появятся более совершенные материалы.
Источник: Новости электроники" 2013, №С1 Автор: Алексей Васильев
