Полупроводниковые источники света совершают революцию в светотехнике. В отличие от ламп накаливания и газоразрядных источников света, рабочая температура светодиодов невысока, что, с одной стороны, является преимуществом, но, с другой, затрудняет отвод тепла. В зависимости от эффективности светодиода, только 20–40% электрической энергии излучается в виде света, а остальная часть превращается в тепло. Повышение температуры светодиода ведет к уменьшению его светового потока и снижению срока службы.

Конструктивное противодействие нагреву светодиода, как правило, приводит к увеличению массы, габаритов и повышению металлоемкости светильников.

Значительные габариты и масса светодиодных светильников препятствуют или осложняют освещение жилья, образовательных учреждений, производственных, общественных помещений. Массивные устройства создают множество эксплуатационных проблем. Наряду с естественным постепенным ростом мощности новых светодиодов и их светоотдачи проблемы усугубляются. Наиболее ощутимо это проявляется в прожекторах средней и большой мощности.

Задача миниатюризации светодиодных светильников актуальна – без ее решения устаревшие средства освещения еще долго будут иметь преимущества по массогабаритным и ценовым характеристикам. Решение этой задачи связано с эффективным отводом тепла. Набор средств охлаждения, который можно использовать в светодиодных прожекторах, невелик. К этим средствам относятся традиционные радиаторы с воздушным конвективным охлаждением, активное воздушное и жидкостное охлаждение, специальные вентиляторы [1], в т.ч. струйные (SynJet) [2], тепловые трубки, в которых для передачи тепла к радиатору используется испарение и конденсация подходящей по температуре парообразования жидкости.

В светодиодных прожекторах, как правило, применяются радиаторы с массивным основанием и множеством радиаторных пластин, предназначенных для конвекционной передачи тепла в окружающее пространство. Такие радиаторы можно отнести к средствам пассивного охлаждения.

Тепловой поток в радиаторах при пассивном охлаждении направлен вдоль радиаторных пластин, что увеличивает тепловое сопротивление конструкции, температуру светодиодов, габариты и массу радиаторов. Наличие тонких ребер механически ослабляет конструкцию по отношению к ударам и вибрации. Эти недостатки ограничивают возможность увеличить мощность светодиодных прожекторов и ведут к громоздким и массивным конструкциям.

Ранее мы уже писали об активном охлаждении [3], а теперь расскажем об экспериментальном образце прожектора с активным радиатором.

Для увеличения эффективности охлаждения все чаще используется активное охлаждение Sunon [4], MechaTronics [5], для которого к уже имеющимся радиаторам добавлены средства обдува.

Конструкторы, пытающиеся ввести в обиход активное охлаждение, прежде, как правило, ограничивались добавлением вентиляторов к уже существующим конструкциям.

Однако при активном охлаждении исключается необходимость в большой площади теплоотдающих пластин, т.к. в сравнении с конвективным методом отвода тепла, повышена скорость протекания воздуха, что приводит к существенному изменению конструкции и характеристик радиаторов.

Конструкция радиатора при активном охлаждении имеет особенности, которые позволяют считать его активным. Термин «радиатор активного охлаждения», подчеркивающий различие между новой и старой конструкциями, практически не встречался до 2011 г. в технической литературе в отношении светодиодных светильников.

Тепловые трубки, которые можно отнести к активным радиаторам, иногда предлагаются для светодиодных прожекторов большой мощности. Они эффективно отводят тепло от светодиодов, однако для его передачи в окружающее пространство требуется дополнительная часть радиатора, которая увеличивает габариты и стоимость устройства. Улучшение массогабаритных показателей достигается, например, добавлением в систему вентилятора. Прожекторы с тепловыми трубками пока не находят широкого применения в светотехнике.

Сокращение поверхности радиаторных пластин и повышение скорости охлаждающего воздуха позволяют применить радиаторы, выполненные в виде нескольких дисков, между которыми протекает поток охлаждающего воздуха. Если тепловой поток направить не вдоль радиаторных пластин, а поперек, то тепловое сопротивление радиатора уменьшится, а технология изготовления радиатора упростится.

Конструкции радиаторов для активного охлаждения описаны в [3, 6–7]. Такие конструкции эффективны при активном охлаждении и неэффективны при конвекционном охлаждении.

На рисунке 1 показан вариант активного дискового радиатора, состоящего из трех частей: диска, на который устанавливаются светодиодные компоненты; диска, на который устанавливается вентилятор, и промежуточного диска – «звездочки», служащего для теплообмена между дисками.

Важным преимуществом дисковых радиаторов (помимо малого теплового сопротивления) является возможность изготовления путем штамповки из листового металла – самого экономичного способа металлообработки. Применимы и лазерная, и плазменная резка, а также другие виды обработки, позволяющие организовать опытное производство в кратчайшие сроки при минимальных затратах на подготовку производства.

Применение дисковых радиаторов позволит стандартизовать и унифицировать изготовление разных вариантов изделий, т.к. его можно переналадить на листы разной толщины, сборку разных конфигураций в т.ч. многосекционных радиаторов. Небольшой комплект штампов может обеспечить возможность выпуска значительной номенклатуры изделий.

В отличие от других видов радиаторов, собранный дисковый радиатор имеет совершенную, обычно цилиндрическую форму,– его можно использовать в качестве механической основы конструкции и оболочки прожектора. Собранный радиатор имеет высокую прочность и «монолитность», препятствующие влиянию на надёжность изделий ударов и вибрации.

Методы литья и экструзии имеют ограничения по геометрическим характеристикам; выбор технологии изготовления деталей радиаторов может учитывать  конкретных задач производства. Штамповка и вырубка, благодаря дешевизне и производительности, представляются лучшим выбором для производства в России.

Активное охлаждение реализуется путем сочетания радиаторов и вентиляторов. Применяемые для активного охлаждения вентиляторы в настоящее время серьезно усовершенствованы. Стойкость вентиляторов к влаге и пыли достигают уровня IP68, снижен уровень шума, промышленность освоила множество типономиналов, надежность и долговечность выросли, стоимость вентиляторов снижается.

Дисковые радиаторы компактно сочетаются с другими составляющими светодиодного прожектора. Диск светодиодов служит для установки на него светодиодных матриц COB или дискретных светодиодов. Вторичная оптика при помощи силиконовой прокладки герметизирует светодиодную матрицу, установленную на диске. Диск вентилятора служит для крепления вентилятора. На нем могут также крепиться блок питания, элементы оболочки.
Качество работы охлаждающей системы с дисковыми радиаторами и вентиляторами характеризуется зависимостями перегрева радиатора относительно окружающей среды от рассеиваемой светодиодами тепловой мощности и производительности вентилятора.

На рисунке 2 приведен пример такой зависимости для описываемого ниже экспериментального образца.

 

В отличие от графиков зависимости перегрева корпуса при пассивном радиаторе  от мощности светодиодной нагрузки, при активном радиаторе аналогичная зависимость является управляемой при регулировании производительности и электрической мощности вентилятора. Таким образом, тепловую характеристику светильника можно оптимизировать, подобрав соответствующий вентилятор и режим его питания. Это позволяет оптимизировать характеристики светильника, в широких пределах выбирая приемлемые значения температуры светодиодов и шумовых характеристик вентилятора.

При использовании активного охлаждения в светодиодных светильниках недостаточно добавить вентилятор или аналогичные средства – следует пересмотреть все составляющие, которые связаны с активным охлаждением – радиаторы, оболочку, оптику, блоки питания, выбор светодиодов и т.д.

Инновационность дисковых радиаторов заключается в том, что в них не применяются устаревшие многопластинчатые радиаторы, предназначенные для конвекционного отвода тепла, а новые конструкции радиаторов требуют изменения всех остальных составляющих светильников, обновления всей конструкции.

Диск радиатора, предназначенный для установки светодиодов или сборки со светодиодами, можно использовать и для матрицы с дискретными светодиодами, и для матриц COB (Chip—on—board). В частности, для экспериментального образца, описываемого в настоящей статье, использовались бескорпусные светодиоды SZ8-Y19 [9] на алюминиевой подложке [10]. В образцах также проверялись матрицы COB: QUAD-NW100 Neosvet, CXA3050 Cree.

Матрица COB100W [9] представляет собой алюминиевый диск диаметром 54 мм со светодиодами, изолированными нанопористым слоем окисла алюминия, который обладает высокими теплопроводностью и электрической прочностью. На рисунке 3 показан внешний вид матрицы со светодиодами SZ8-Y19.

Матрицу со светодиодами можно герметично установить на радиатор при помощи силиконовой линзы вторичной оптики Stella (см. рис. 4) FN14720 [11] компании Ledil. Существует набор аналогичных линз, который призван удовлетворить разным требованиям. Комплект аналогичных линз вторичной оптики постоянно расширяется изготовителем. Применение силиконовых линз уменьшает массу конструкции и позволяет расширить набор решаемых оптических задач.

В экспериментальный образец прожектора был установлен блок питания с выходной мощностью до 100 Вт в круглом форм-факторе диаметром 105 мм и высотой 30 мм (см. рис. 5). В блоке предусмотрен 12-В выход для питания вентилятора. Изготовитель – компания Ottima [12].
Блоки питания в круглом форм-факторе разрабатываются, производятся и в России компанией Аргос [13]. Анонсирован выпуск круглых блоков питания со стойкостью к окружающей среде IP67, что позволит проектировать также прожекторы наружного освещения.

На рисунке 6 показан механизм прожектора с активным радиатором. В таблице приведены основные характеристики экспериментального образца прожектора (см. рис. 7), выполненного из описанных выше блоков. Основными преимуществами светодиодных прожекторов с активными радиаторами являются:

— уменьшенные массогабаритные показатели, компактность;
— пониженная металлоемкость;
— пониженная температура светодиодного блока и блока питания за счет активного охлаждения;
— возможность применения пластиковых оболочек;
— ударопрочность и стойкость к вибрации;
— мобильность, обусловленная снижением массогабаритных характеристик;
— серийноспособность в сочетании с меньшей себестоимостью.

В тех случаях, когда приоритетом является долговечность прожектора и можно пренебречь массогабаритными характеристиками, качественность решения достигается за счет снижения рабочей температуры критических узлов конструкции.

Необходимо заметить, что, приведенные на рисунках конструкции,и легко обеспечивают такие характеристики, как разборность, способность к ремонту и профилактике, взаимозаменяемость частей, возможность обновления и использование набора сменной вторичной оптики и средств крепления светильников к опоре. Хотя ряд критиков и высказывал опасение, что прожекторы с активными радиаторами могут оказаться более дорогими, чем привычные с пассивным отводом тепла, но цена не может быть главным приоритетом без учета характеристик самого объекта, а те качества, которые имеются у ныне используемых радиаторов (габариты, масса, металлоемкость), вызывают множество вопросов.

Рассматривая рыночные аспекты продвижения прожекторов с активными радиаторами, и, отмечая имеющиеся проблемы, можно заметить, что миниатюризация светодиодных средств освещения осуществляется на основе существующих возможностей. Решением возникших задач уже занимается ряд компаний, например Aavid Thermalloy Sunon, Mechanotronix, Ebmpapst, у которых имеются подразделения по производству радиаторов и вентиляторов. Указанные компании предлагают разнообразные средства, сочетающие экструзионные радиаторы и специализированные вентиляторы, активно испытывают в механизмах охлаждения разные светодиодные приборы группы ведущих изготовителей светодиодов.

В то же время отдельные предприятия делают попытки выйти на рынок с ретрофитами активного охлаждения. В качестве примера можно привести компании Uniel, Feron и многие другие.

Ряд российских предпринимателей, не всегда удачно, пробовал работать в направлении активного охлаждения – препятствиями служил целый ряд обстоятельств, к которым относятся пыль, влага, шум, опасность отказа вентилятора, боязнь повысить стоимость, а также мифы о недостатках активного охлаждения.

Имелся и ряд объективных причин, заставлявших конструкторов с настороженностью подходить к светодиодным прожекторам с активным охлаждением – отсутствие отечественной комплектации. Светодиоды, оптика, экструзионные радиаторы, вентиляторы, блоки питания – почти вся эта продукция преимущественно относится к импорту.

Тем, кто хочет остаться в светодиодной теме, отступать некуда. Вопросы со стойкостью к пыли и влаге, с уровнем шума решаются компаниями производителями вентиляторов, цены на комплектующие снижаются. Опасение проиграть конкуренцию из-за цен вентиляторов уходит, т.к. цены на них падают, в то время как стоимость металла для радиаторов растет. Активное охлаждение резко уменьшает потребность в большой массе алюминия – более того, эта потребность уменьшается за счет того, что применение легких компактных радиаторов позволяет отказаться от привычного металлического корпуса и использовать вместо него легкие, прочные и электропрочные пластики.

 

Выводы

На примере экспериментальных светодиодных светильников с активным охлаждением показано, как решается комплексная задача миниатюризации. Для этого требуется переход к активным дисковым радиаторам и специализированным компактным вентиляторам, к созданию компактных и легких источников питания, применению алюминиевых печатных плат с повышенной теплопроводностью, использованию пластиковых оболочек.

Для достижения успеха в миниатюризации светодиодных светильников важны легкие малогабаритные источники питания в круглом форм-факторе. В этих блоках питания целесообразно предусматривать не только выходы для питания вентилятора, но и средства защиты от аварийных ситуаций (перегрев светодиодного диска, аварийная остановка вентилятора). В простых случаях достаточно воспользоваться термопредохранителем. Пластиковая оболочка обеспечивает электробезопасность прожектора, исключает требование к блоку питания иметь гальванически развязанные вход и выход, облегчает и удешевляет его конструкцию.

Решение задач миниатюризации светодиодных светильников открывает дорогу качественному освещению на производстве, на улицах и дорогах, в архитектуре, жилом секторе и других областях применения светодиодного освещения.

Ориентировочные оценки показывают, что себестоимость составных частей прожекторов с активными радиаторами может быть ограничена, а совокупность преимуществ перед конструкциями с пассивным охлаждением возрастает.

Оптимальное поведение предпринимателей в рыночных условиях подразумевает готовность к возможным изменениям рынка. Развитие светотехнического направления носит фундаментальный и безальтернативный характер. Миниатюрные и мощные источники света с неизбежностью придут на смену габаритным и массивным предшественникам.

Рынок светодиодного освещения разнообразен, огромен и ждет перемен. Он будет освоен, и активное охлаждение займет в нем соответствующее по значению место. Пока же мы наблюдаем первые шаги светодиодного освещения в повседневной практике.

Последовательная реализация описанных решений, вероятно, приведет к созданию надёжных, универсальных прожекторов для внутреннего и наружного применения – миниатюрных, легко разбираемых, ремонтопригодных, обновляемых и модифицируемых с помощью комплекта сменных запасных частей.

 

Литература

1. Aavid Thermalloy. Air Movers//www.aavid.com/product-group/air-movers.

2. Aavid Thermalloy. Air Movers//www.aavid.com/led-cooling/synjet.

3. Современнаясветотехника//www.lightingmedia.ru/magazine/archive/magazine_46.html.

4. Sunon//www.sunon.com/index2/pro.php?c1=14.

5. MechaTroix//www.led-heatsink.com/IceLED_Modular_active_LED_Cooler.phtml.

7. Uspto. ПатентСША 9.068.733 B2//patft.uspto.gov/netahtml/PTO.

9. Seoul Semicoductor//www.seoulsemicon.com.

10. Русалокс//rusalox.ru/product/cob100w.

11. Ledil//www.ledil.com.

12. ShenzhenOttimaTechnology//www.ottima—tech.com.

13. Торговая компания Аргос-Трейд//www.argos—trade.com/production/catalog_online/draivery.

Таблица 1. Характеристики экспериментального прожектора

Характеристика	Значение	Примечание
Потребляемая мощность, Вт Напряжение питания, В Коэффициент мощности, % Коэффициент пульсации, % Мощность 12-В вентилятора, Вт	75–100 АС: 176–265 В, DC: 245–370 В,50 Гц >90 3 2,0
Световой поток, лм Коррелированная цветовая температура, К Индекс цветопередачи (CRI)	5000 80	Seoul Semiconductor SZ8-Y19-W0-C7-W3
Количество светодиодов Рабочий ток светодиодов, мА Эффективность, лм/Вт	30 (3×10) 1400–3000 130–150
Вторичная оптика	силиконовая линза	StellaFN14720 (Ledil)
Диапазон рабочей температуры, °С	–40…50
Температура «в точке пайки» Tsp,°С		при Pe= 75–100 Вт
Уровень защиты от окружающей среды	IP55	IP66, IP68
Габариты, мм	D= 125, H= 135
Масса, кг	1,2
Радиатор	дисковый, алюминий
Оболочка	пластик ABS

 

Рис. 1. Вариант дискового радиатора

 

Рис. 2. Зависимость перегрева радиатора от тепловой мощности светодиодов для двух значений мощности вентиляторов DC12S6025L, DC12S6025M [8]

 

Рис. 3. Матрица со светодиодами SC8-Y19

 

Рис. 4. Вторичная силиконовая оптика Stella FN14720

 

Рис. 5. Блок питания компании Ottima

 

Рис. 7. Общий вид прожектора мощностью 70–100 Вт в пластиковой оболочке на мини-штативе