Світлодіодні технології освітлення

---

---

ГНУЧКО – ЖОРСТКІ СВІТЛОДІОДНІ МОДУЛІ ДЛЯ ЛАМП ПОБУТОВОГО ЗАСТОСУВАННЯ

ЕТАПИ РОЗРОБКИ

1. 2012 р. – ДКР «Розроблення та створення багатоелементних безкорпусних світлодіодних модулів потужністю 5-10 Вт для світлодіодних ламп з цоколем Е27».
2. 2013 р. – НДР «Організація виробництва широкої номенклатури багатоелементних світлодіодних модулів за технологією COB (chip-on-board) з наступним нанесенням люмінофорів різного складу для використання в виробництві енергозберігаючої освітлювальної техніки».
3. 2013 р. – НДР «Розроблення технології автоматизованого монтажу світлодіодів на друкованих платах без використання високотемпературних багатозонних печей».
4. 2013 р. – НДР «Виготовлення багатоелементних світлодіодних модулів за технологією СОВ з нанесеним люмінофором».
5. 2015 р. – ДКР «Розроблення високоефективних об’ємних світлодіодних модулів підвищеної потужності для ламп побутового освітлення».
6. 2016 р. – ДКР «Виготовлення дослідних зразків та дослідних партій високоефективних об’ємних світлодіодних модулів підвищеної потужності для ламп побутового освітлення».

ПАТЕНТИ НА ВИНАХОДИ І КОРИСНІ МОДЕЛІ

	дата реєстрації	Винахідники:
Патент України на корисну модель №94999 «Многокристальний світлодіодний модуль».	10.12.2014 р.	Нікітський Г.І., Борщов В.М., Лістратенко О.М. та ін.
Патент України на винахід №111099 «Многокристальний світлодіодний модуль».	25.03.2016 р.	Нікітський Г.І., Борщов В.М., Лістратенко О.М. та ін.
Патент України на корисну модель №108776 “Лампа з об’ємним світлодіодним модулем”.	25.07.2016 р.	Нікітський Г.І., Борщов В.М., Лістратенко О.М., Сорокін В.М. та ін.
Патент Украины на изобретение №116261«Лампа с объемным светодиодным модулем».	26.02.2018 р.	Нікітський Г.І., Борщов В.М., Лістратенко О.М., Сорокін В.М. та ін.
Патент України на корисну модель №121797 “Потужна лампа з об’ємним світлодіодним модулем”.	11.12.2017 р.	Нікітський Г.І., Борщов В.М., Лістратенко О.М., Сорокін В.М. та ін.
Патент України на винахід №120107 “Потужна лампа з об’ємним світлодіодним модулем”.	10.10.2019 р.	Нікітський Г.І., Борщов В.М., Лістратенко О.М., Сорокін В.М. та ін.

СВІТОДІОДНІ МОДУЛІ

ОПИС МОЖЛИВОСТЕЙ (МАЮЧИХ ПОСЛУГ)

Компанією ТОВ «ЛТУ» розроблено інноваційні технічні рішення компактних об’ємних модулів, які дозволили комплексно та досить просто покращити енергетичну та світлову ефективність, а також підвищити кут розсіювання світлового потоку до 270 градусів у лампах – ретрофітах потужністю від 10 Вт до 15 Вт та більше у колбах з типорозмірами А60 та А95.

В якості світлодіодних джерел світла були обрані високоефективні SMD і COB світлодіоди виробництва CREE Inc. (США), а також високоефективні комерційні SMD світлодіоди компанії LG Innotek Co Ltd (Корея), що знайшли широке застосування. У випромінювачах СДМ застосовувалися серійні світлодіоди останніх поколінь, які мають підвищені світлові потоки та світлову ефективність.

Сутність запропонованих технічних рішень докладніше пояснюється конкретними прикладами їх виконання. На наведених нижче фотографіях представлені послідовності виготовлення різних типів СДМ потужністю 10Вт і 15Вт на SMD, міні СОВ і COB світлодіодах, зовнішній вигляд модулів, їх склад і компонування.

На рис. 1 представлена ​​послідовність операцій складання експериментального зразка об’ємного СДМ модуля потужністю 10Вт на світлодіодах SMD потужністю до 0,5 Вт.

На рис. 2 представлена послідовність операцій складання дослідного зразка об’ємного СДМ модуля потужністю 15 Вт на світлодіодах МСОВ потужністю до 1,5 Вт.

Рисунок 2 ‑ Зразок дзеркалізованого об’ємного світлодіодного модуля потужністю 15 Вт, його склад, компонування та послідовність складання: а) гнучка плата, б) гнучко-жорстка плата, в) гнучко-жорстка плата зі світлодіодами, г) об’ємний світлодіодний модуль.

На рис. 3 представлена послідовність формування об’ємного світлодіодного модуля із плоского СДМ на гнучко-жорсткій дзеркалізованій платі.

Рисунок 3 ‑ Послідовність формування об’ємного світлодіодного модуля із плоского СДМ на гнучко-жорсткій дзеркалізованій платі.

Розроблена ТОВ «ЛТУ» технологія збирання дозволила покращити теплові та оптичні параметри світлодіодних модулів для нових прототипів вітчизняних надпотужних ламп із цоколями Е27-Е40. У тому числі для ламп, що працюють у діапазоні потужностей від 15 Вт до 40 Вт та більше в колбах з типорозмірами А95 та А105 та болем (більше).

Позитивний технічний результат був забезпечений за рахунок збільшення площі тримачів – тепловідводів для відведення тепла кондукцією (більше, ніж у 2,5 – 3 рази в порівнянні з СДМ плоского типу з діаметром плоского радіатора 80 мм) та додаткового теплового випромінювання фронтальною поверхнею опор об’ємного тепловідведення внутрішню поверхню розсіювальної колби лампи. А також за рахунок збільшення світлової ефективності світлодіодної лампи через додаткове перевідбивання дзеркалізованими відбивачами-радіаторами світлового випромінювання.

На рис.4 представлені зразки вдосконалених потужних об’ємних світлодіодних модулів.

Рисунок 4 ‑ Експериментальні зразки об’ємних дзеркалізованих світлодіодних модулів.

Удосконалена конструкція об’ємних світлодіодних модулів дозволила збільшити світловий потік в експериментальних лампах потужністю 15Вт – 20 Вт до 2069 – 2448 лм при світловіддачі 146 – 124 лм/Вт. При цьому максимальна температура СДМ у робочому режимі не перевищувала 65° С у колбі А95.

У свою чергу, в лампах потужністю 30 Вт – 40 Вт світловий потік був збільшений до 3572 – 4696 лм при світловіддачі 119 – 116 лм/Вт. При цьому максимальна температура СДМ не перевищувала 65° С в колбі А105 в робочому режимі. Також було збільшено кут розсіювання світла ламп з колбою А95 та А105 до 290 градусів.

ПУБЛІКАЦІЇ

№ п/п	Назва статті
	2011 р.
1	Борщов В.М. Вітчизняні багатокристальні потужні світлодіодні модулі для освітлювальних систем / В.М. Борщов, О.М. Лістратенко, В.А. Антонова, Я.Я. Костишин, І.Т. Тимчук, М.А. Проценко, Н.І. Колосов, Г.І. Нікітський, Л.А. Назаренко / / Світлотехніка та електроенергетика. -2011. – № 3 (27). – С. 4-12.
	2016 р.
2	Борщов В.М., Лістратенко О.М. та ін. Нові конструктивно-технологічні рішення світлодіодних модулів для ламп-ретрофітів // Технологія та конструювання в електронній апаратурі.-2016.-№6.-С.3-10.
	2017 р.
3	Борщов В.М., Лістратенко О.М. та ін. Високоефективні об’ємні СДМ для надпотужних ламп побутового та промислового застосування // Оптоелектроніка та напівпровідникова техніка.‑2017. Вип.-П’ятдесят другий.- С.70-80.

---

УНІВЕРСАЛЬНІ СВЕТОДІОДНІ СВІТИЛЬНИКИ

РОЗРОБКА СВІТЛОДІОДНИХ ОСВІТИЛЬНИХ СИСТЕМ:

• 2012 р. – ДКР «Розроблення та виготовлення дослідної партії світлодіодних стельових світильників відбиваючого та розсіюючого світла».
• 2013 р. – ДКР «Розроблення нових удосконалених конструкцій та створення дослідної партії прожекторів типу СМДВ-01-2-30 для підсвічування архітектурних споруд».
• 2013 р. – ДКР «Доопрацювання конструкції, оптичних та електричних складових стельових світильників серії СМCГ-01-4-11   з метою підвищення світловіддачі та випуск дослідної  партії світильників для проведення довгострокових експлуатаційних випробувань на об`єктах  бюджетної сфери».
• 2015 р. – НТР «Розроблення світлодіодного освітлювального пристрою типа фара для використання на броньованій та важкій техніці».

ВПРОВАДЖЕННЯ КОМЛЕКСНИХ СИСТЕМ СВІТЛОДІОДНОГО ОСВІТЛЕННЯ

• 2012 р. – НДР «Реалізація пілотних проектів підсвічування будинків, пам’ятників та архітектурних споруд».
• 2013 р. ‑ 2014 р. ‑ НТР «Розроблення та впровадження комплексної світлодіодної системи освітлення Харківського національного університету міського господарства ім. О.М. Бекетова».

РЕАЛІЗОВАНІ СВІТЛОТЕХНІЧНІ ПРОЕКТИ

Потужність, Вт	30 – 240
Світловий потік, Lm/Bт	130-170
Кут розкриття світла	30°, 60°, 90°, 120°, 180°
Кольорова температура, К	2700 – 6500
Світлодіодна матриця (SMD, COB)	LTU Enterprise, Seoul Semiconduktor, CREEE, NICHIA и др.
Індекс передачі кольору	70-80 CRI (Ra)
Гарантійний термін, р	5
Термін експлуатації, р	10
Ступінь захисту	IP65, IP67
Вхідна напруга, В	100-305, 220
Робоча температура, C	-40  – +50
Габаритні розміри, мм	160x190x150, 270x190x150, 350x190x150
Маса, кг, не більше ніж	7,5

---

СВІТЛОДІОДНІ МОДУЛІ ДЛЯ УЛЬТРАФІОЛЕТОВИХ ОПРОМІНЮВАЧІВ

ПЛОСКИЙ УФ СВІТОДІОДНИЙ СОВ МОДУЛЬ

Для створення прототипів ефективних СД модулів УФ-С діапазону випромінювання для боротьби з вірусами будуть застосовані технічні рішення відповідно до патенту України на винахід № 111099 «Многокристальний світлодіодний модуль». В основу розробки поставлено завдання удосконалення багатокристального світлодіодного модуля УФ-С діапазону випромінювання. Це завдання вирішується шляхом того, що світлодіодний багатокристальний модуль включає теплопровідну основу, електроізолюючу плівку з отворами, теплопровідні електропровідні комутуючі елементи і безліч об’єднаних в електричну схему світлодіодних кристалів. При цьому рамка випромінюючої області модуля виготовлена ​​з теплопровідного електропровідного матеріалу і складається з двох відокремлених частин, встановлених на електроізолюючій плівці. Кожен із яких має контактні майданчики. Світлодіодні кристали встановлені на теплопровідній електропровідній основі або на теплопровідних електрично ізольованих комутуючих елементах.

При цьому, поверхні теплопровідної основи, рамки випромінюючої області та електропровідних комутуючих елементів покриті відбиваючим покриттям з коефіцієнтом відображення УФ випромінювання до 90%-92%, а вільний простір у рамці випромінюючої області модуля заповнено ізолюючим оптично прозорим матеріалом.

Можливість розміщення кожного світлодіодного кристала тильною стороною на теплопровідній електропровідній основі, а також теплопровідних електропровідних комутуючих елементах з відбиваючими покриттями з високим коефіцієнтом відображення УФ випромінювання забезпечує підвищення розсіювання електричної потужності світлодіодного модуля при збереженні пропорційності параметрів входу – виходу, зокрема оптичної потужності. Забезпечується цей технічний результат за рахунок того, що запропоноване технічне рішення дозволяє використовувати у світлодіодних модулях світлодіодні кристали з вертикально розташованими контактними майданчиками, так і з планарно розташованими контактними майданчиками. Розташування кристалів світлодіодів безпосередньо на теплопровідній основі дозволяє суттєво знизити тепловий опір кристал-теплопровідна основа в модулі до значень 1,5 ºС/Вт – 1,95 ºС/Вт. В той же час, запропоноване технічне рішення дозволяє оптимально поєднувати світлодіодні кристали різних типів у послідовно – паралельні та послідовні електричні схеми різних видів конфігурації з урахуванням можливості використання більш досконалих та ефективніших світлодіодних кристалів, у тому числі з нових напівпровідникових матеріалів. Забезпечення множини кристалів світлодіодів плоским підкристальним рефлектором із загальним коефіцієнтом відображення до 92% дозволяє підвищити як оптичну, так і енергетичну ефективність світлодіодних модулів. Забезпечується цей технічний результат за рахунок застосування матеріалу нового покоління компанії ALANOD MIRO® з алюмінієвим покриттям високого очищення 99,99%, методом вакуумного напилення (PVD), що забезпечує дзеркальне відображення 95% видимого світла при повній відсутності спотворень кольоровості та інтерференції. Матеріал ALANOD MIRO® випускається різної товщини від 200 мкм до 1мм і більше і вдало поєднує високу теплопровідність, електропровідність, а також відбивну здатність УФ випромінювання. Тому що коефіцієнт відображення алюмінієвих рефлекторів може досягати в залежності від обробки поверхні до 92% для всього діапазону UVA / UVB / UVC, від 200 до 400 нм. У той час як відбивачі із срібла та золота в діапазоні 200-300 нм мають коефіцієнти відбиття від 20 до 40%.

Для виготовлення УФ багатокристальних світлодіодних модулів передбачається використовувати як СОВ — технологію на основі збирання алюмінієвим дротом, так і COF — технологію на основі гнучких алюмінієво-поліімідних лакофольгових комутуючих елементів.

Для створення прототипу плоского СОВ СД модуля із загальною потужністю потоку випромінювання до 60 мВт обрано світлодіодні кристали компанії LG Innotek. Кристали мають довжину хвилі випромінювання 275 нм, потужність потоку УФ випромінювання 10 мВт (ККД =1,3%) та електричну потужність розсіювання до 0,75 Вт при робочому струмі до 100 мА та робочій напрузі до 7,5 В.

Сумарна електрична потужність розсіювання в робочому режимі прототипу плоского модуля, що розробляється, орієнтовно складе близько 5 Вт, а сумарна вартість комплекту з 6 кристалів світлодіодів складе 60 $ США (ринкова вартість на 2021 р. 1 $ США за мВт).

Зовнішній вигляд плоского багатокристального світлодіодного модуля із шістьма УФ світлодіодними кристалами та його складових частин, а також компонування безкорпусних кристалів у модулі представлено на рис. 5.

Рисунок 5 ‑ Багатокристальний світлодіодний модуль та його складові елементи: а) елементи модуля; б) модуль у зборі з кристалами СД; в) модуль у зборі зі сформованим захисним покриттям з оптичного силікону.

Розроблена в ТОВ «НВП «ЛТУ» алюміній-поліімідна COF-технологія складання дозволила застосувати гнучкі плати з плоскими алюмінієвими виводами завтовшки 30 мкм для комутації кристалів в УФ світлодіодних модулях. У порівнянні з широко розповсюдженою в світі COB-технологією складання «Chip-on-Board» (кристал-на-платі), яка використовує дротяний монтаж алюмінієвим або золотим дротом і зустрічається із суттєвою складністю здійснення послідовно-паралельного з’єднання кристалів на одному рівні, інноваційна COF-технологія збирання дозволяє виготовляти такі складальні вузли за допомогою стандартних установок ультразвукового зварювання просто та ефективно.

На рис. 6 показана гнучка плата та фрагмент гнучкої плати із встановленими на ній кристалами УФ світлодіодів. На рис. 7 представлений зібраний на основі макет світлодіодного модуля підвищеної потужності.

ПОТУЖНИЙ ОБ’ЄМНИЙ УФ СВЕТОДІОДНИЙ МОДУЛЬ

Крім плоского УФ модуля передбачається розробити та виготовити також прототип об’ємного світлодіодного модуля УФ-С діапазону з довжиною хвилі 275 нм. При цьому можуть бути використані, як власні плоскі світлодіодні СОВ матриці 60 мВт, так і покупні однокристальні SMD світлодіоди.

Наприклад, при використанні SMD світлодіодів компанії LG Innotek для прототипу об’ємного модуля можуть бути використані серійні світлодіоди з потужністю ультрафіолетового випромінювання до 50 мВт, ККД=1,1% та електричною потужністю розсіювання до 3 Вт (рис. 8). Можуть також бути використані ефективніші SMD світлодіоди німецької компанії Laser Components, наприклад, УФ світлодіоди S6060-IF250-W270-P110-V6.0 також у SMD корпусі типу 6060 (6,0х6,0х1,3 мм) з довжиною хвилі 275 нм потужністю потоку випромінювання до 50 мВт (ККД= 3%) при робочому струмі 250 мА та робочій напрузі 6,5 В (електрична потужність розсіювання до 1,6 Вт)/

Рисунок 8 – SMD світлодіод компанії LG Innotek у корпусі типу 6060 (6,0х6,0х1,3 мм).

У 2016-2017 роках компанією ТОВ «НВП «ЛТУ» вже було розроблено технічні рішення для створення інноваційних потужних компактних об’ємних світлодіодних модулів (СДМ) білого кольору світіння. Цю розробку було запатентовано компанією ТОВ «НВП «ЛТУ» у 2019 р. (патент України на винахід № 120107 «Потужна лампа з об’ємним світлодіодним модулем», дата реєстрації 10.10.2019 р).

Набутий досвід створення потужних об’ємних світлодіодних модулів видимого діапазону дозволяє застосувати вже перевірені технічні рішення за патентом України № 120107 для створення об’ємних компактних світлодіодних джерел випромінювання УФ-С діапазону.

При використанні власних плоских світлодіодних СОВ матриць з потужністю потоку ультрафіолетового випромінювання 60 мВт та електричною потужністю розсіювання близько 5 Вт для створення прототипу п’яти об’ємного рефлекторного світлодіодного модуля (рис. 6) при установці на радіатори модуля 10 шт. плоских світлодіодних матриць загальна потужність УФ потоку випромінювання становитиме близько 600 мВт. При цьому електрична потужність розсіювання такого модуля становитиме 45-50 Вт.

У разі застосування для створення прототипу п’яти об’ємного рефлекторного світлодіодного модуля більш ефективних SMD світлодіодів німецької компанії Laser Components, наприклад, УФ світлодіодів S6060-IF250-W270-P50-V6.0 в SMD корпусі типу 6060 (6,0х6,0х з довжиною хвилі 275 нм і потужністю потоку випромінювання до 50 мВт (ККД = 3%) при робочому струмі 250 мА та робочій напрузі 6,5 В (рис. 7) при установці на радіатори модуля 10 шт світлодіодів загальна потужність УФ потоку випромінювання мВт. При цьому електрична потужність розсіювання такого модуля становитиме близько 16 Вт, а сумарна вартість комплекту з 10 світлодіодів становитиме 500 $ США (ринкова вартість на 2020 р. 1 $ США за мВт).

Таким чином, запропоновані технічні рішення для створення інноваційних випромінювачів УФ-С діапазону підвищеної потужності, у тому числі світлодіодних багатокристальних плоских СОВ модулів та об’ємних світлодіодних модулів, дозволяють забезпечити вихідну питому потужність потоку ультрафіолетового випромінювання модулів з довжинами хвиль 265-275 нм на рівні 600 мВт/см². На відстані джерел випромінювання близько 2 метрів інтенсивність УФ випромінювання складе 1,8-2,1 мВт/см² або 1800 – 2100 мкВт/см2, що майже на порядок перевищує граничну інтенсивність ультрафіолетового випромінювання (90 мкВт/см²) при довжині хвилі УФ випромінювання 265-275 нм, коли вже починається процес руйнування хвороботворних бактерій та вірусів.

Пропоновані компанією ТОВ «НВП «ЛТУ» нові підходи дозволяють забезпечити хороші початкові конкурентні умови для формування науково-технологічного доробку для подальших прикладних досліджень та розробок у галузі створення нових інтегрованих світлодіодних джерел УФ-С випромінювання на основі напівпровідникових світлодіодів діапазону довжин хвиль від 207 до 222 нм. . Які можуть безпечно забезпечити зниження концентрації коронавірусів на поверхнях та переносимих повітрям у людних місцях, у тому числі й коронавірусної інфекції (COVID-19). А також забезпечити умови для створення та впровадження у виробництво вітчизняних конкурентоспроможних перспективних інноваційних УФ-С світлодіодних технологій та компактних знезаражувальних повітря та поверхню пристроїв, простих та зручних для застосування в побуті, а також їх просування на ринку України та ЄС для спеціального та побутового застосування (9, 10).

Рисунок 9 – Проектний вигляд макетного зразка об’ємного дизенфікуючого випромінюючого пристрою УФ-С діапазону з потужністю потоку випромінювання до 500 мВт та кутом розсіювання випромінювання до 320 градусів.

Рисунок 10 – Проектний вигляд макетного зразка лінійки дизенфікуючого випромінюючого пристрою УФ-С діапазону з потужністю потоку випромінювання до 500 мВт та кутом розсіювання випромінювання до 150 градусів.