Недостатки светодиодных матриц сов. СОВ светодиоды

Современная светотехника все больше тяготеет к применению светодиодов. Но чем новее технология, тем больше вопросов она вызывает. Какие типы светодиодов бывают? Какой тип светодиодов выбрать? Какая технология самая надежная? На эти и другие вопросы Вы найдете ответы в этой статье.

Светодиод — это полупроводниковый прибор, который преобразует энергию электрического тока в свет. Светящимся элементом светодиода является полупроводниковый кристалл, имеющий многослойную структуру из тонких пленок полупроводников с разными типами проводимости - дырочной и электронной.

Дырочная проводимость связана с переходом электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

В зонах контакта разных типов проводимости образуются p-n-переходы. Такие многослойные конструкции называются гетероструктурами.

При прохождении электрического тока в области p-n-переходов происходит рекомбинация дырок и электронов (электроны занимают вакантные места - дырки), сопровождаемая излучением света. Это излучение может быть красным, желтым, зеленым или синим - в зависимости от состава полупроводников в гетероструктуре. Гетероструктуры, состоящие из слоев нитрида галлия (GaN) с определенными примесями, излучают синий свет.

Излучающий кристалл нитрида галлия с площадками для контактных проводов в светотехнике принято называть чипом. Чип является ключевым компонентом, на базе которого собирается собственно светодиод.

Чтобы получить белый свет, на чип наносят люминофор - химическое вещество, которое возбуждается излучением, исходящим от кристалла, и испускает собственное излучение. Это объединяет светодиоды с компактными люминесцентными лампами - внутри трубки также имеется люминофор.

Чип покрывают слоем геля на основе силикона с порошком люминофора так, чтобы часть его излучения поглощалась в веществе люминофора и возбуждала его, а часть проходила сквозь люминофор свободно. В результате смешение исходного синего свечения нитрида галлия с желтым свечением люминофора дает белый свет. С помощью разных люминофоров достигается любое значение цветовой температуры излучаемого света.

На базе излучающего кристалла, покрытого люминофором и снабженного электрическими контактами, изготавливают сами светодиоды.

В зависимости от технологии сборки в настоящее время различают 4 типа светодиодов.

1. DIP-светодиоды.

Первые светодиоды массового применения появились именно в таком формате. Кристалл помещен в корпус со встроенной оптической системой - специальной линзой, которая формирует нужный световой пучок.

На сегодня это самый массовый тип светодиодов, но он практически не используется в современных высокотехнологичных источниках света. В основном он находит применение в световых табло, подсветках, различных праздничных световых украшениях.

2. Светодиоды типа «пиранья», Superflux LED или Spider LED.

Имеют конструкцию аналогичную предшественнику, но их отличие состоит в том, что вывода не 2, а 4. Это улучшает теплоотвод и дает большую надежность при монтаже. Из-за этого данный тип светодиодов распространен в автомобильной промышленности.

В освещении сегодня практически не используется из-за своих габаритов и сложности монтажа по сравнению с более современными типами конструкций светодиодов.

3. SMD-светодиоды.

Светодиоды этого типа изготовлены по технологии поверхностного монтажа ТМП (технология монтажа на поверхность) или SMT (surface mount technology). Отсюда его название SMD - surface mounted device - прибор, монтируемый на поверхность.

Основным отличием этой технологии от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность платы. Это обеспечивает меньшие габариты конструкции, лучший теплоотвод, вариативность исполнения.

Данная конструкция на сегодня является самой распространенной в освещении и используется в источниках света практически всех типов.

4. COB-технология.

COB (Chip-On-Board - чип на плате) - технология, при которой чип кристалла монтируется (прикрепляется, впаивается) в плату, и обеспечиваются высочайшие: надёжность (защищёность контакта от окисления), миниатюрность и теплоотвод. Помимо этого, стоимость производства таких светодиодов ниже по сравнению с SMD-светодиодами.

COB технология впервые была применена в Японии в конце 2000-х годов компаниями Citizen и Sharp. Они же первыми использовали в качестве монтажной платы для светодиода керамическую пластину с низким тепловым сопротивлением. В настоящее время используются как алюминиевые, так и керамические платы, а объем производства светодиодов по этой технологии составляет порядка 20% от всех выпускаемых светодиодов и постоянно растет.

Тот факт, что все больше производителей светодиодов во всем мире начинают выпускать COB-светодиоды, говорит о хороших перспективах этой технологии вскоре занять лидирующие позиции в коммерческом и бытовом освещении на многие годы. Но, тем не менее, стоит отметить, что COB-технология не может полностью вытеснить SMD, в силу ряда технических ограничений и недостатков. Например, для профессионального освещения с заданной кривой силы света (для уличного или узконаправленного освещения) технология COB неприменима. Кроме того, если необходим равномерно светящийся источник света (например, потолочный светильник большой площади), лучше использовать много небольших SMD-светодиодов.

В заключение стоит отметить, что светодиодное освещение сегодня становится все более популярным. Высокие темпы роста этого рынка способствуют развитию новых технологий производства светодиодов, и расширяют границы их использования. В современных офисных и жилых помещениях, а также в наружном освещении, многие области применения раньше казались прочно закрепленными за классическими типами источников света. Сегодня эти постулаты подлежат пересмотру: светодиоды обеспечивают не только экономию затрат, но и широкие возможности создать высококлассное освещение для жизни, работы и творчества.

Технология COB (Chip On Board) добралась и до светодиодов. Метод, при котором чип монтируют непосредственно на плате, давно используется в штамповке унифицированных электронных плат и зарекомендовал себя чрезвычайной надёжностью и миниатюрностью. Его появление внесло новизну в развивающийся светодиодный мир, позволило заглянуть за горизонт возможностей полупроводниковых компонентов.

Суть технологии

Идея размещения множества кристаллов светодиодов на плате в одном корпусе, возникла в результате неудачных попыток повысить светоотдачу и одновременно получить рассеянный свет от группы мощных светоизлучающих SMD элементов. Мощные SMD светодиоды нуждаются в сложной системе охлаждения, что влечет за собой значительное повышение стоимости конечного изделия.

Ученые отказались от увеличения мощности одного кристалла и начать эксперименты по увеличению и минимизации чипов светодиодов в одном корпусе. Результатом опытов стала технология COB, которая подразумевает монтаж множества мельчайших чипов, включенных последовательно-параллельно, на общее основание. Печатная плата, как правило, изготавливается на металлической основе (Metal Core Printed Circuit Board, MCPCB) и состоит из трех основных слоев – самой металлической основы, диэлектрика и токопроводящего слоя. Основу изготавливают из металлических сплавов с высокой теплопроводностью. Таким образом MCPCB выполняет роль не только материнской платы, но и является хорошим теплопроводом. На MCPCB чипы светодиодов крепятся при помощи адгезива, затем соединяются между собой и покрывают единым слоем люминофора.

Полученная COB матрица испускает равномерно рассеянный свет, не перегревается (при должном теплоотводе) и не требует сложных оптических систем. С помощью COB технологии можно изготавливать матрицы абсолютно любой геометрической формы с малой себестоимостью, чего нельзя было достичь ранее известными способами.

Еще пару слов о производстве

Изготовление COB матрицы начинается с подготовки подложки, на рабочую поверхность которой наносят тонкий слой адгезива. Требования к толщине слоя адгезива очень высокие. С одной стороны он должен обеспечить надёжный контакт с LED кристаллами микроскопических размеров, а с другой – гарантировать равномерный отвод тепла.

Ученым удалось достичь равномерного распределения вещества с высокой адгезией по поверхности основания, применив метод магнетронного распыления. В результате тепловой контакт между чипом и основанием стал более совершенным, а технологию стали именовать MCOB (Multi Chip-on-Board).

В научной литературе понятия COB и MCOB зачастую имеют один общий смысл.

На подготовленную основу будущего COB светодиода устанавливают чипы и методом плазменной очистки удаляют мельчайшие частички мусора. Затем производят электрическое соединение светодиодов и, в конце, наносят слой жидкого люминофора. После затвердевания он не только не пропускает ультрафиолет, но и защищает элементы платы от внешнего воздействия.

Отличительные характеристики COB

Наравне с другими типами светодиодов, COB матрицы имеют свои «светлые и темные стороны», о которых стоит упомянуть. Первый плюс в пользу COB – это форма матрицы, которую можно изготовить круглой, квадратной, с технологическими отверстиями… В общем, любой. Это позволяет дублировать размеры практически любого источника искусственного света и подстраиваться под нужную форму. Второй положительный аспект – качество излучаемого света. Предметы, освещаемые COB светильниками, имеют чёткую теневую границу за счет равномерного распределения светового потока. Лампы на SMD светодиодах не могут похвастаться такой контрастностью из-за отдельно расположенных кристаллов и отражателей.

Нельзя пройти мимо энергетических показателей. Мощность одной COB матрицы зависит от её геометрии, количества кристаллов и совершенства применяемой технологии изготовления. Стоит отметить высокую светоотдачу COB матриц. Например, наиболее технологически совершенная, массово производимая COB матрица CXB1820 от компании Cree, имеет светоотдачу в 166 лм/Вт.

Недостатком COB технологии можно назвать не ремонтопригодность матрицы в случае частичного или полного выхода из строя отдельных чипов.

О продукции

В экономически развитых странах COB светильники уже доказывают своё превосходство на практике. Не дожидаясь совершенствования технологического процесса и снижения себестоимости COB матриц, швейцарцы активно переоборудуют уличные фонари и рекламные вывески под новую технологию. В крупных универмагах и мелких магазинах на смену люминесцентным лампам пришли светодиоды. Такое активное внедрение энергосберегающих технологий объясняется желанием богатой Швейцарии в ближайшие 20 лет полностью отказаться от атомных электростанций.

В других странах Еврозоны светодиодные источники света также превалируют над люминесцентными, за счет государственной поддержки и рекламных акций. На российском рынке выпуск мощных светоизлучающих диодов COB наладила компания «Оптоган». Сегодня компанией «Оптоган» наиболее совершенная линейка COB светодиодных матриц представлена серией OCC. Каждая COB матрица может иметь определённую температуру цвета (тёплую, нормальную, дневную или холодную) с четким указанием бина яркости. Более подробную информацию можно найти в спецификации.

Filament LED и лампы на их основе

Светодиодные нити (filament LED) являются модифицированной версией COB матриц. Несмотря на то что COB и filament основаны на общей технологической базе, они имеют явные конструктивные отличия. В светодиодных нитях кристаллы наносят не на металлическую пластину, а, как правило, по окружности стеклянного стержня. Поэтому технологию часто называют сокращенно COG (Chip-on-Glass).

Практическое применение светодиодных нитей продиктовано необходимостью создания экономичных осветительных приборов, максимально схожих с лампами накаливания. Вместо нити накала в стандартный корпус Е14, Е27 со стеклянной колбой встраивают несколько filament стержней, а в цоколе монтируют миниатюрный драйвер. Функцию радиатора выполняет тонкое стекло колбы и газ, которым она заполнена. Конечно, конусное расположение филаментов внутри колбы не позволяет полностью имитировать нить накала, но вся конструкция в целом сохраняет эстетические свойства своего предшественника. Кроме этого, такая разновидность COB технологии дала жизнь новому подвиду светодиодных ламп.

Готовые светодиодные светильники, прожекторы и просто лампы, сконструированные по COB технологии, только берут разбег в гонке, в то время, когда аналогичная SMD продукция уже мчится на большой скорости. Этот факт хорошо заметен в розничной торговле, где по-прежнему преобладают дешёвые лампочки на SMD светодиодах. Но это только начало. Пройдет немного времени и люди достойно оценят преимущества COB технологии, что непременно отразится на спросе продукции на основе технологии Chip On Board.

Читайте так же

COB светодиоды – это обычно конструкции в виде матрицы, содержащей от нескольких десятков до нескольких сотен светоизлучающих кристаллов. Примером светодиода, собранного по технологии COB является популярный светодиод типа SMD 2835, о котором есть информация в статье .

Развитие светодиодных устройств идет по пути увеличения их яркости, точнее получения всё большего светового потока. Поток можно увеличить несколькими способами:

• увеличить мощность единичного светодиода;
• скомбинировать в одном корпусе светодиода несколько десятков или сотен маломощных светоизлучающих кристаллов.

Первые попытки были в виде светодиодов типа «Пиранья». В них в один корпус помещали три или четыре кристалла небольшой мощности. Еще одним примером такого подхода стал трех-кристальный светодиод SMD 5050.

В «Пиранье» кристаллы припаиваются на торец проволочного вывода, который является пассивным теплоотводом, отводящим тепло на плату и токопроводящие медные дорожки.

В SMD корпусах кристалл(ы) устанавливаются на тонкое дно корпуса или керамические подложки. Тепло отводится через несколько тепловых контактов-переходов: кристалл – подложка – внутреннее дно корпуса, наружное дно корпуса – печатная плата или поверхность радиатора. Эти переходы имеют солидные тепловые сопротивления, не дающие теплу уходить от кристалла. Поэтому кристаллы в таких корпусах охлаждается не очень хорошо.

SMD-корпуса при установке большого количества светодиодов занимают немало места, «раздвигая» светящиеся точки светодиодов. Поэтому для выравнивания плотности свечения светильника в его конструкцию вводятся матовые или микропризматические светорассеиватели. Таким решением уменьшается световой поток. Даже прозрачные «экраны» поглощают до 10 % потока. А матовые – до 20 – 25 %.

Отличное решение этой проблемы нашли в начале этого столетия. Инженеры предложили размещать LED-кристаллы на подложке больших размеров. Если в SMD диоде ее размеры составляют от 1,4 до 6 мм, то новые подложки были диаметром 10 – 30 мм или прямоугольные – до 120 × 30 мм. Подложки изготавливают из теплопроводящей керамики, искусственного сапфира или просто из полупроводникового кремния. Кристаллы вначале приклеивали, но толщина клея была большая и его тепловое сопротивление тоже велико.

Приклеенные кристаллы соединяли в последовательные цепочки, работавшие от напряжения 9, 12, 24 В или более. Цепочки соединяли параллельно для набора нужной мощности и/или светового потока. Соединенные и проверенные цепочки покрывали люминофором на основе силикона или эпоксидных смол. Такой способ изготовления светодиодных матриц назвали COB-технологий. COB – это Chip-on-Board или «кристаллы на плате».

В 2009 г. в китайской Академии Наук придумали способ напыления тончайшего слоя адгезива («клея»). Технология получила имя Multi Chip on Board или МСОВ.

В СОВ-матрицах стоимость одного люмена светового потока колеблется от 0,07 руб. до 0,2 руб. При этом плотность кристаллов достигает 70 на кв. см. Светящиеся точки в матрице расположены намного плотнее, чем на плате с SMD-диодами. Люминофор может быть выполнен в виде линзы, которая сформирует нужную диаграмму светового потока. Так размеры COB-матрицы стали много меньше аналогичной по потоку SMD-«матрицы».

Мощность COB-матрицы может достигать сотен ватт, светоотдача – 120 – 160 Лм/Вт. Срок службы – до 50 – 60 тыс. часов. Высокая степень автоматизации производства довела среднюю стоимость не очень мощной COB-матрицы до эквивалента нескольких долларов. Поэтому ремонт светильника заменой матрицы может быть дешевле покупки нового светильника.

В чем разница между COB и SMD светодиодами?

SMD – это способ монтажа электронных элементов на печатной плате. В SMD-корпусах размещают резисторы, конденсаторы, транзисторы, катушки индуктивности и пр.

Светодиоды типа COB – это технология изготовления обычно мощного или очень мощного светодиода. Светодиоды COB могут размещаться в корпусе типа SMD. Пример, SMD 2835 изготавливается по технологии COB.

Отличие светодиода типа SMD от COB состоит в том, что SMD – это вид корпуса светодиода, предназначенного для монтажа на поверхности платы, а COB – это технология изготовления светодиода или ценой матрицы.

В 2014 году в продаже появились светодиодные лампы на COB. Выполнены по новой технологии, позволяющей в теле одного светодиода размещать и питать множество кристаллов. В дальнейшем новая технология заменит существующие SMD элементы.

На общей подложке размещают кристаллы, что позволяет отводить больше тепла и получать больше люменов с квадратного сантиметра площади. По не проверенной информации от китайцев, один кристалл на подложке дает 5 Лм, то есть по яркости такой же как у SMD3528, у 5050 стоят 3 таких кристалла. Так как по сути это один большой светодиод, и для его внутренних кристаллов не требуются корпуса, то это удешевляет стоимость 1 Люмена примерно в 2 раза, по сравнению со старой технологией. Матрица COB покрывается слоем люминофора, благодаря ему он светится единым целым, а не точечно. Еще не требуется пайки многочисленных SMD диодов, припаял пару проводов и осветительный прибор готов. Это тоже влияет на цену бюджетных ламп из Китая, потому что некоторые безымянные китайские производители умудряются производить пайку вручную.

• 1. Недостатки КОБ лампы
• 2. Как выбрать COB LED лампочку
• 3. Тест светодиодной кукурузы на КОБ
• 4. Итоги

Недостатки КОБ лампы

COB диод обладает всеми характеристиками обычных предыдущего поколения. Технология позволяет производить их любой формы: квадратной, овальной, круглой, с дырочкой посередине, что позволяет вписать его в любой осветительный прибор или просто модернизировать имеющийся.

Чем больше площадь – там выше его мощность, размером 12 на 3 см. можно уже применять для уличного освещения. Но в любом случае не забываем о хорошем теплоотводе, нагрев никто не отменял.

Новая технология принесла и новые проблемы в эксплуатацию светодиодных ламп для дома. Все знают, насколько ремонтопригодны изделия на SMD светодиодах, ремонт делается за 5 минут. Теперь выход из строя COB требуется замены всего светоизлучающего элемента, например, а не, одного из 42, как было раньше. Со временем этот недостаток не будет большим, так как стоимость должна значительно снизится на такие диоды. Сейчас цены завышены, потому что новинка, и можно неплохо приврать про характеристики. Кода все начнут разбираться в этой технологии, то ажиотаж снизится до нормального уровня.

Как выбрать COB LED лампочку

Новая технология усложняет выбор изделий неизвестного производства, особенно китайских. При покупке лампочек на SMD диодах можно было видеть маркировку, подсчитать количество и затем вычислить мощность, независимо от того что написано в характеристиках.

В нашем случае по фото и конструкции будет не узнать её мощность, так как невозможно установить потреблеиен COB светодиода по его внешнему виду. Количество, мощность и плотность кристаллов может быть абсолютно любым.

Вероятно, ситуация с китайскими COB будет такая же, как из SMD. Недорогие светодиоды китайцы включают на треть от номинала для длительной службы. В случае с КОБ, наверное, будет тоже самое, бюджетные COB тоже будут включать на 30% мощности. Если у СМД режим работы можно было определить по количеству элементов, то в нашем случаем площадь не будет привязана к характеристикам светодиода. Китайские интернет-магазины вероятно будут этим пользоваться, ненавязчиво завышая световой поток продукции. Ведь обычный покупатель в большинстве случаев не сможет узнать, продали ему лампу на фирменных диодах или бюджетных китайских.

Тест светодиодной кукурузы на КОБ

Размеры и конструкция схожи с кукурузой на 60 штук , только вместо паяных установлены COB пластины. Точно таких же габаритов выпускаются лампы для дома на .

Стоили 9$ за штуку, цена конечно завышена, похожая на SMD 5730 стоит 6$, аналогичная на немного подешевле, но ради интереса пришлось купить. Продавец пообещал:

• цоколь Е27;
• питание 220В;
• ток потребления 32 мА;
• теплый белый;
• мощность 9 Вт;
• световой поток 800-900 Лм.

Яркость сравнивал с новой энергосберегающей Филипс на 800 Лм, одинаковая яркость, свет и оттенок. В люстре на фото стоит две новых и две люминесцентных. Яркость китайских COB составляет до 100 Лм на Ватт, как в нашем случае.

Внутренности COB кукурузы

Питание сделано на балластном конденсаторе, но впаян дополнительный конденсатор для . Мерцание присутствует, но оно не такое сильное, как у других недорогих, то есть в пределах нормы. Лампочка греется, но не перегревается, площадь боковой окружности все таки немалая, температура в пределах допустимого.

Тестирование показало, что она соответствует заявленным характеристикам, качество достаточное хорошее, в сборке дефектов не нашел.

Итоги

Новая технология показывает неплохие характеристики, яркость уже до 120 Лм на ватт, вместо прежних 80 Лм на Ватт. Но не торопитесь покупать, цены завышены на них, типа используются нанотехнологии и андронный коллайдер. Их цена должна опуститься ниже стоимости ламп на СМД элементах.

За время своего существования с 2009 года технология производства светодиодных матриц Chip-on-Board (COB) прошла путь от создания источников света для бюджетного осветительного оборудования до мощного инструмента решения задач повышения энергоэффективности и качества освещения. Новые сферы применения COB влекут за собой новые подходы к конструированию компонентов светильника, в частности, оптических систем.

Световой поток одного светодиода недостаточен для большинства практических применений. Кроме этого, нередко с точки зрения стоимости и достижения определенных технических параметров лучше использовать большое количество маломощных светодиодов, чем малое количество светодиодов повышенной мощности. В осветительных приборах нередко используется несколько светодиодов, объединенных в матричную структуру. Близкое расположение светодиодов позволяет более точно направлять свет в нужную сторону, что, в итоге, повышает эффективность светильника.

Раньше светодиодные матрицы создавались, в основном, на основе SMD-светодиодов, реже — на основе мощных светодиодов (Power LED). Недостатком такого подхода является высокая стоимость светодиодной матрицы. Ведь каждый из светодиодов имеет свой отдельный корпус, эти корпуса монтируются на плату зачастую с применением ручного труда.

Поэтому возникла необходимость в создании недорогих светодиодных матриц, производимых в полностью автоматическом режиме. При выходе из строя такой матрицы ее просто заменяют на другую.

Для упрощения и удешевления производства следует устанавливать кристаллы без корпусов на единую подложку и потом покрывать их единым слоем люминофора (рисунок 1).

Рис. 1. В COB-матрице кристаллы покрыты единым слоем люминофора

При этом нет затрат на корпусирование отдельных кристаллов, а производство полностью автоматизировано. Такой принцип производства был хорошо известен в электронике еще с 50 гг. XX века. Но применительно к светодиодным матрицам возникли проблемы с передачей тепла от отдельных кристаллов к подложке. Основная проблема была связана с клеевым соединением между кристаллом и подложкой, теплопроводность которого была недостаточна. Проблема была решена в 2009 году китайскими учеными, которые создали специальный клей и разработали способ его нанесения на подложку, благодаря чему удалось достичь высокой теплопроводности. В результате технология COB начала массово применяться в светодиодном освещении.

Использование COB позволяет выйти на рынок светодиодного освещения компаниям, не имеющим мощностей по разработке и изготовлению печатных монтажных плат на алюминиевой основе, а также по установке на них светодиодов. На протяжении многих десятилетий производство светильников могло осуществляться в условиях малой компании и даже индивидуального предпринимательства. Требовалось приобрести готовые патрон, провод и выключатель и установить их в дизайнерский светильник. Появление люминесцентных ламп добавило в этот обязательный набор еще ПРА. Переход же к светодиодному освещению «загнал» производство осветительных приборов на крупные высокотехнологичные предприятия, что обусловило недостаточно разнообразный ассортимент светодиодных светильников.

Применение COB позволяет вернуться к ситуации, когда на предприятие по сборке светильников источник света поступает как единый модуль, для установки которого даже не требуется пайка, достаточно лишь завернуть винты в клеммах, с помощью которых провода питания крепятся к матрице. Естественно, потребуется еще блок питания (драйвер).

Также при использовании COB значительно упрощается оптическая система осветительного прибора. Для мощных светодиодов обычно используются индивидуальные линзы или рефлекторы. Для матрицы COB используется только одна линза или отражатель, что, помимо всего прочего, снижает стоимость осветительного прибора.

Эволюция применения COB

Первоначально технология COB воспринималась только как способ удешевления продукции. В 2010 году появляются светильники заливающего освещения на основе COB-матриц, которые предлагаются как замена недорогим светильникам на основе галогенных ламп с цоколем R7s. Естественно, главным здесь был фактор цены, и COB прекрасно для этого подходила. В том же году создаются первые лампы-ретрофиты и прожекторы на основе COB. При использовании в прожекторах важную роль играет то преимущество, что технология COB позволяет получить источник света с большим световым потоком и малыми размерами. Это позволило светодиодам успешно конкурировать с металлогалогенными лампами.

Начиная с 2012 года производители осветительного оборудования поняли, что COB позволяет не только удешевить осветительное оборудование, но и решить проблемы, которые не решаются при использовании традиционных подходов. К этому моменту COB-матрицы значительно усовершенствовались. Появились матрицы с потребляемой мощностью до 500 Вт, что соответствует световому потоку 50000…60000 лм. Расчетный срок службы наиболее современных матриц COB практически не уступает сроку службы мощных одиночных светодиодов.

Важным преимуществом COB является возможность получения высокого значения индекса цветопередачи. На момент написания статьи уже производились серийно COB-матрицы с CRI, равным 98. Для матрицы специально подбирается набор кристаллов с определенными значениями рабочих длин волн; в сумме их излучения и излучение общего слоя люминофора дают спектр, обеспечивающий наиболее естественную цветопередачу.

Матрица, созданная на основе технологии COB, является светящимся телом с равномерным распределением яркости по поверхности и правильной геометрической формой (обычно круг или прямоугольник). Благодаря этому оптическая система, по сравнению с использованием матрицы из отдельных светодиодов, значительно упрощается, и повышается ее КПД. Поэтому светильники с COB-матрицами имеют высокую светоотдачу.

Развитие технологии COB позволило использовать ее в мощных прожекторах, уличных светильниках, даунлайтах, а также промышленных светильниках для помещений с высокими потолками — так называемых «хайбеях». При внедрении COB в перечисленные виды осветительных приборов пришлось создавать новую оптику для светильников.

Температурный режим

Несмотря на высокий КПД светодиодов, все равно не менее 60% подводимой к COB-матрице энергии уходит на нагрев. Это подразумевает значительное тепловыделение. Но кристаллы в COB-матрице непосредственно прикреплены к теплоотводящей подложке клеем с хорошей теплопроводностью. В то же время в матрицах на основе SMD-светодиодов каждый кристалл прикреплен к своей подложке, а потом эти подложки соприкасаются с теплоотводящей монтажной платой. То есть количество «стыков» на пути тепла в системе на COB-матрице оказывается в два раза меньше, чем в системе на основе SMD-светодиодов. Благодаря этому при грамотном проектировании удается обеспечить хороший теплоотвод, что обуславливает нередко более высокую светоотдачу осветительного прибора по сравнению с аналогами на SMD-светодиодах.

Параметры современных COB-матриц, как и многих современных мощных светодиодов, нормируются при температуре перехода 85°С или при близкой к этому значению величине. В качестве примера можно привести матрицы SOLERIQ E производства компании OSRAM и CXA производства CREE. На поверхности COB-матрицы температура достигает 65°C и более. Максимально допустимая температура корпуса СОВ-матрицы зависит от рабочего тока. Эта зависимость приводится в документации на источник света.

Тип оптической системы

Высокая температура поверхности делает невозможным применение совместно с COB линз из обычного ПММА, максимально допустимая температура эксплуатации для которого составляет 80°C. В процессе эксплуатации при температуре, близкой к предельной, ПММА быстро деформируется и трескается. Правда, сейчас существуют и улучшенные модификации ПММА с предельной температурой 100…120°C.

Ранее приходилось выбирать между отражателем и линзой из минерального стекла. Высокая стоимость и хрупкость стеклянных линз сдерживали их применение в световом оборудовании. Поэтому до недавнего времени в светильниках и прожекторах с COB-матрицами использовались, главным образом, отражатели. Недостатком рефлекторов являются большие габариты и более скромный набор вариантов кривых силы света по сравнению с линзами.

На момент написания статьи развитие оптических систем для COB идет по следующим направлениям:

• совершенствование отражателей, в частности, применение новых материалов для них;
• использование для производства линз новых материалов, устойчивых к высоким температурам (особые сорта ПММА, силикон);
• совершенствование технологии производства линз из высокопрочного боросиликатного стекла с целью снижения их стоимости;
• внедрение линз Френеля.

Прожектора

Для мощного прожектора, дающего узконаправленный пучок света, COB дает наилучшее соотношение цена/качество. Размеры матрицы на SMD-светодиодах слишком велики, чтобы сфокусировать одной линзой или одним отражателем свет в узконаправленный пучок, поэтому на каждый отдельный светодиод ставится своя линза. Изготовление прожектора такой конструкции требует очень высокой точности производства, не говоря о том, что используется большое количество дорогостоящих линз. И хотя прожекторы с углом распределения света менее 13° по-прежнему делают на дискретных светодиодах, наиболее распространенные осветительные приборы с углом распределения свыше 13…15° изготавливаются преимущественно на основе COB-матриц.

Для фокусирования пучка света в прожекторах на основе COB обычно используются отражатели из металлизированного поликарбоната. Причина выбора именно такого материала связана не только со стремлением уменьшить себестоимость светильника, но и с особенностями конструкции прожектора с COB-матрицей. Отражатель крепится на монтажную поверхность с помощью клея, как, например, отражатели серий , и производства компании Ledil. В отражателях и того же производителя применено крепление с помощью специального держателя. Отражатели производства компании Ledil серии могут крепиться одним из двух указанных способов.

Способы крепления отражателя ограничивают его вес. При этом перед разработчиками встает проблема выбора материала для отражателя — тонкий алюминиевый лист или пластик. Тонкий алюминиевый лист деформируется, и после этого не всегда возможно полноценно восстановить отражатель.

Поликарбонат прочен, имеет малую массу и отлично восстанавливает форму после сжатия. Поэтому отражатели из него нашли широкое применение в прожекторах. Правда, с металлизацией возникают проблемы: она недостаточно прочна и меняет свои свойства со временем.

Выходом является использование поликарбоната с повышенными отражающими свойствами, который не требует металлизации. Такой карбонат имеет белый цвет, но изготовленные из него рефлекторы не только не уступают, но даже немного превосходят аналоги с металлизацией. Например, асимметричный отражатель Ledil LENA-X-WAS (рисунок 2) из отражающего поликарбоната имеет КПД, равный 81%, а аналогичный отражатель Ledil LENA-WAS из металлизированного поликарбоната — 80%.

Рис. 2. Асимметричный отражатель Ledil LENA-X-WAS из поликарбоната

Уличные светильники

Использование COB в уличном освещении позволяет повысить конкурентоспособность светодиодов на данном сегменте рынка. На светодиодные светильники на основе COB-матриц целесообразно заменять уличные светильники не с натриевыми, а с металлогалогенными лампами. Применение светильников с металлогалогенными лампами обусловлено необходимостью обеспечить высокую цветопередачу (CRI > 80). Но при высоком качестве спектра для металлогалогенных ламп характерно изменение спектра во время срока службы. COB-матрицы дают CRI до 98, при этом обеспечивается намного более высокая стабильность оттенка свечения.

Но для получения светового потока хотя бы на уровне МГЛ мощностью 150 Вт нужно иметь СОВ-матрицу мощностью 80 Вт. Линзы даже из сортов ПММА с повышенной термоустойчивостью здесь уже не подходят.

Если речь идет о создании светильника на основе COB для освещения садов и парков, то достаточно простейшего отражателя из металла. Но для освещения автомобильных дорог требуются уже более сложные оптические системы.

Для светильников, устанавливаемых в городах, подойдут линзы из боросиликатного стекла (рисуок 3). Оно более устойчиво к действию агрессивных веществ, чем пластмасса.

Рис. 3. Уличный светильник производства российской компании «Револайт» с линзой из боросиликатного стекла

Широкое распространение получили линзы из боросиликатного стекла DG-ST55, DG-ST57, DG-ST66, DG-HB78, DG-ST107 и DG-HB127 китайского производства в различных модификациях. Их диаметр, соответственно, 55; 57; 66; 78; 107 и 127 мм. Эти линзы разработаны специально для работы с COB-матрицами. Совместно с линзой диаметром 127 мм мощность COB-матрицы может превысить 100 Вт.

Эффективным способом обеспечения защиты светильника от влаги и действия вредных веществ при снижении цены является использование силиконовых линз. Силикон — вещество, стойкое к химическим воздействиям. К тому же, он эластичен, что позволяет обеспечить герметизацию только за счет плотного прилегания фланца линзы к монтажной поверхности. Силикон устойчив к высоким температурам (вплоть до 300°C), поэтому нагрев до температуры порядка 100…120°C не приводит к разрушению или быстрой деградации силиконовой линзы.

У современных силиконовых линз КПД достигает 92%, т.е. он такой же, как у линз из ПММА или боросиликатного стекла. Выпускаются как обычные, так и асимметричные силиконовые линзы. Первые образцы силиконовых линз предназначались для уличных светильников, устанавливаемых на второстепенных дорогах, но технология быстро развивается, и теперь силиконовые линзы можно устанавливать в светильники для оживленных магистралей федерального значения.

Для того, чтобы продемонстрировать возможности современных силиконовых линз, проведем моделирование в программе Dialux. Рассмотрим освещение четырехполосной магистрали уличными светильниками, в которых оптическая система выполнена на основе силиконовой линзы Ledil Stella-A, а источником света является COB-матрица Cree (рисунок 4). Предположим, что в нашем воображаемом светильнике установлена матрица указанной мощностью 68 Вт и силиконовая линза. Светильники установлены на мачты высотой 8 м, расположенные по обе стороны дороги на расстоянии 15 м друг от друга со сдвигом относительно противоположной стороны на 7,5 м. Дорога четырехполосная.

Рис. 4. Силиконовая линза Ledil Stella-A для COB-матрицы Cree CXA25

На визуализации хорошо заметна высокая равномерность освещения дороги. И это при высоте мачты 8 м, в то время как существующие модели светодиодных светильников с линзами традиционной конструкции нередко приходится устанавливать на мачты высотой 10…12 м.

Средняя яркость дорожного покрытия составляет 1,7 кд/м 2 , освещенность — не менее 25 лк. Это соответствует дорогам класса A2 согласно СП 52.13330.2011, показатели неравномерности яркости и освещенности также соответствуют указанному классу (рисунок 5).

Рис. 5. Визуализация в фиктивных цветах дороги, освещенной светильниками с линзами Ledil Stella-A

Правда, поскольку мы осветили только четырехполосную магистраль, то по существующей классификации она относится лишь к классу A4. Осветить шестиполосную магистраль нашему простейшему светильнику оказалось не под силу, но при разработке более сложных конструкций на основе силиконовых линз это вполне реально.

Даунлайты малой толщины

Даунлайты толщиной около 4 см, дающие направленный свет, можно создать и на основе COB-матриц. Для этого нужно использовать линзы Френеля. Напомним, что линза Френеля является плоским предметом, а ее оптические свойства обусловлены нанесенными на ней концентрическими кольцевыми бороздками.

Линзу Френеля изготавливают из ПММА. Использование специального сорта ПММА, выдерживающего до 100°C, а также выбор COB-матрицы с потребляемой мощностью не более 50 Вт, что вполне естественно для даунлайта, позволяет избежать появления трещин и деформаций в линзе. Примерами таких линз являются Helena-A и Helena-В производства компании Ledil (рисунок 6), отличающиеся углом распределения света. Толщина линзы — 11 мм, ее можно располагать в непосредственной близости от матрицы. Благодаря этому толщина светильника может составить всего 20…30 мм. Правда, в реальности толщина светильника составит около 40 мм, так как потребуется эффективный теплоотвод.

Рис. 6.

Тем не менее, линзам Френеля свойственны и недостатки. Во-первых, высокая цена, поскольку для их создания используется высокоточное производство. Во-вторых — сравнительно низкий КПД, составляющий 68% у Helena-A и 74% у Helena-В.

Но сам по себе КПД линзы еще ничего не значит, нужно рассматривать в комплексе со светоотдачей современных COB-матриц. Конечным же показателем, демонстрирующим энергоэффективность, является удельная потребляемая мощность на единицу площади. Для ее оценки было смоделировано в программе Dialux освещение торгового помещения размерами 5×10 м с высотой потолков 2,7 м даунлайтами, источником света в которых являются COB-матрицы мощностью 8,5 Вт, а оптическая система представлена линзами Ledil Helena-A. Для достижения освещенности в 500 лк потребовалось 56 даунлайтов. С учетом потерь в блоках питания, удельная потребляемая мощность решения составила всего 11 Вт/кв. м, что является отличным показателем для торгового помещения. Дополнительным бонусом станет стильный внешний вид даунлайтов с линзами Френеля, который привлечет покупателей.

В том случае, если нужен угол распределения света в пределах 58…70°, для тонкого даунлайта подойдет — более дешевый вариант оптической системы с КПД, равным 92%. В нем используются как силиконовая линза, так и рефлектор из отражающей пластмассы. Высота оптической системы — всего 12 мм (рисунок 7).

Рис. 7. Ledil SAGA — комбинация из силиконовой линзы и отражателя

Как показывают расчеты в Dialux, применение оптической системы Ledil SAGA в сочетании с COB-матрицей Cree позволяет достигать в офисных помещениях, при освещенности 500 лк, значения удельной потребляемой мощности до 7,1 Вт/м 2 .

Сочетание в одном светильнике трех современных светотехнических технологий, а именно — COB-матрицы, рефлектора из отражающего пластика и силиконовой линзы является перспективным для многих типов осветительного оборудования. Дальнейшее же совершенствование оптических систем светильников позволит найти для технологии COB новые применения.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: