«Соломенная шляпа» — модная тенденция в светотехнике

Светодиоды, предназначенные для офисного, производственного или уличного освещения, соревнуются между собой в мощности и светоотдаче. Но есть применения, где важны соотношение цена/качество, возможность производства светильника в условиях небольшой мастерской и ремонтопригодность. Эту нишу источников света до недавнего времени занимали светодиодные ленты, готовые модули и так называемые 5-миллиметровые светодиоды (главным образом в гирляндах). Тем не менее, вполне возможно, что эстафету «народного источника света» у них уже в ближайшее время перехватит новый тип светодиодов с несколько «легкомысленным» названием.

В мире технологий, как и в мире моды, развитие идет по спирали. И новый тип светодиода под названием «соломенная шляпа», о котором пойдет речь в статье, основан на идеях, выдвинутых еще 40 лет тому назад, но реализованных на новом технологическом уровне.

На протяжении многих лет о том, чтобы использовать светодиоды для освещения и речи не шло, но они успешно вытесняли миниатюрные лампы накаливания в качестве индикаторов. Соответственно, конструкция светодиодов была оптимизирована именно под такое применение. Первые серийно выпускаемые светодиоды, появившиеся в 60-х годах, имели металлическое основание корпуса, через которое отводилось тепло, а также линзу из эпоксидной смолы. Поскольку световой поток у светодиодов тогда был мизерный, собирающая линза была необходима, чтобы повысить яркость свечения. К тому же, применение светодиодов в качестве индикаторов подразумевало, что видеть свечение должен видеть только пользователь данного оборудования, а находящимся неподалеку людям это свечение не должно мешать. В итоге угол распределения света таких светодиодов не превышал 60 градусов. Выбор в качестве материала линзы именно эпоксидной смолы был связан с тем, что она застывает при комнатной температуре и поэтому не может повредить кристалл в результате нагрева в процессе производства светодиодов.

Решение задачи увеличения объема выпуска светодиодов и снижения их стоимости потребовало почти полной автоматизации процесса их производства. Так в 70-х годах появился ставший ныне уже классическим корпус, полностью выполненный из прозрачной или подкрашенной молочной эпоксидной смолы. Наиболее распространенное значение диаметра такого корпуса равно 5 мм, поэтому за светодиодами такого типа закрепилось жаргонное название «5-миллиметровые». Официальное название конструкции корпуса свето-диода — DIP (Dual Inline Package, означает в переводе с английского «корпус с выводами с двух сторон, идущими параллельно»). Светодиоды обрели жесткие выводы с прямоугольным сечением. На выводе катода располагается кристалл. Особым образом сформированная часть этого вывода является отражателем, направляющим свет, исходящий из торцов кристалла. Теплоотвод осуществляется как через выводы светодиода, так и через поверхность его корпуса.

Высота корпуса 5-мм светодиодов составляет 7–10 мм. Толщина фокусирующей линзы составляет примерно 4–6 мм. Эти параметры опять-таки определяются изначальным использованием светодиодов в корпусе данного типа как индикаторных. Толстая линза упрощает размещение светодиода в корпусе аппаратуры, но прохождение света через толстый слой эпоксидной смолы неизбежно сопровождается значительными потерями. Особенно если учесть, что выбор марки эпоксидной смолы для корпуса представляет собой компромисс между оптическими свойствами и многими другими параметрами, главным из которых является безопасность отвердителя для кристалла светодиода.

Световой поток 5-мм индикаторного светодиода белого свечения составляет порядка 1 лм, светоотдача — порядка 10 лм/Вт. Не слишком впечатляющее значение светоотдачи, но, если сравнивать с миниатюрными лампами накаливания, которые используют, например, в гирляндах, то у них светоотдача составляет вообще около 2 лм/Вт, так что в итоге получается 5-кратный выигрыш в энергоэффективности.

Важнейшим преимуществом 5-мм светодиодов является их цена. Оптовая цена на индикаторные светодиоды белого свечения составляет всего 0,01 долл. за штуку (здесь и далее указаны цены при поставке в партии от 1000 штук). Причем за эту цену вы получаете светодиод вместе с оптической системой.

Именно низкая цена на 5-мм светодиоды привела к тому, что конструкция их корпуса не менялась несколько десятилетий, поскольку разработка нового корпуса и перестройка технологического процесса могли привести к увеличению цены. А зачем что-то менять, если для основного применения — индикаторных светодиодов — данная конструкция отлично подходила?

Тем не менее, первые светодиодные светильники в конце 90-х годов, а затем и первые светодиодные лампы-ретрофиты строились на основе 5-мм светодиодов. Поскольку эти источники имели невысокое значение светового потока, в ряде случаев применялась «разгонка» светодиода, то есть введение его в режим, не предусмотренный технической документацией. В этом режиме повышался световой поток, но одновременно происходил перегрев кристалла и люминофора, что снижало срок службы, а также ухудшало цветопередачу источника света. В итоге у 5-мм светодиодов сложилась не самая лучшая репутация среди специалистов по освещению. Массовое применение 5-мм светодиодов для освещения имеет смысл только в карманных фонарях и малогабаритных светильниках с батарейным питанием, а также в гирляндах и других элементах декоративного оформления.

Тем не менее, у 5-мм светодиодов, помимо дешевизны и наличия встроенной оптики, есть еще одно преимущество — простота монтажа. Установить светодиоды на монтажную плату можно даже с помощью бытового паяльника, в то время, как для SMD-светодиодов требуется специальная дорогостоящая установка. Собирать и ремонтировать светильники на 5-мм светодиодах можно в условиях даже очень маленькой мастерской. Все это является преимуществом для дизайнерских светильников и рекламных конструкций, изготавливаемых в малых количествах.

Дело в шляпе

Чтобы сохранить преимущества 5-мм светодиодов и избавиться от их основных недостатков, был заново спроектирован корпус с учетом применения светодиодов не для индикации, а для освещения. 

Были внесены следующие изменения:

• применен новый сорт эпоксидной смолы, отличающийся повышенной прозрачностью и повышенной теплопроводностью;
• выводы светодиода изготовлены из специального сплава на основе меди, отличающегося повышенной теплопроводностью;
• толщина линзы уменьшена до 1,5 мм, что сократило потери в оптической системе;
• если в индикаторных 5-мм светодиодах угол распределения света лежит в пределах 25–60 градусов, то в обновленной конструкции светодиода он лежит в пределах от 90–140 градусов.

И, естественно, обновленные светодиоды получили новые кристаллы и люминофоры, что значительно увеличило светоотдачу, а также индекс цветопередачи CRI, который теперь может достигать 90.

Обновленные 5-мм светодиоды получили по форме корпуса название straw hat, что в переводе с английского языка означает «соломенная шляпа». Серийный выпуск straw hat был налажен еще в 2011 году. Первые такие светодиоды допускали долговременную подводимую мощность до 0,1 Вт, при этом светоотдача составляла 65 лм/Вт. Выпуском таких светодиодов по-началу занимались только малоизвестные китайские компании. Это обстоятельство, а также негативное мнение специалистов, основанное на предыдущем опыте использования 5-мм светодиодов в освещении, не позволили тогда «соломенным шляпам» завоевать популярность. Для того, чтобы отмежеваться от прошлого, в маркетинговых целях был предложен корпус для straw hat светодиодов диаметром не 5, а 4,8 мм, что не позволяло уже называть светодиоды «5-миллиметровыми». Этот тип корпуса широко используется и поныне.

Все изменилось в 2014 году, когда всемирно известный японский производитель Nichia выпустил светодиод NSDW570GS-K с номинальной подводимой мощностью 0,24 Вт, при которой он давал световой поток 28 лм. Тем самым по мощности был превзойден результат, достигнутый на светодиодах типа «пиранья», завоевавших к тому моменту признание специалистов. Светоотдача этого straw hat светодиода достигает 117 лм/Вт, что является очень неплохим показателем. Недостатком стала высокая цена — даже в 2018 году оптовая цена на данную модель светодиода при поставке в партии от 1000 штук составляет 0,3 долл. Поэтому большого распространения светодиод NSDW570GS-K не получил. Более важным было то обстоятельство, что выпуск straw hat светодиодов компанией Nichia — одним из лидеров рынка — показало специалистам, что такие светодиоды имеют перспективу.

К 2016 году был налажен массовый выпуск недорогих straw hat светодиодов. Для многих моделей «соломенных шляп» чипы выпускает знаменитая тайваньская компания Epistar, корпусированием же занимаются небольшие компании из материкового Китая, что в целом позволяет достичь хорошего соотношения цена/качество. Типичный straw hat светодиод в корпусе диаметром 4,8 или 5 мм имеет светоотдачу около 90 лм/Вт. Номинальный ток составляет 20 мА, долговременная подводимая мощность ограничена значением 0,07 Вт. Снижение подводимой мощности обусловлено более высокой светоотдачей, это позволило увеличить заявленное время работы вплоть до 100 000 часов. Оптовая цена такого светодиода составляет около 0,02 долл.

Выпускаются straw hat светодиоды белого свечения с цветовой температурой от 2800 K до 15000 K, цветные, RGB (с четырьмя выводами), ультрафиолетовые и инфракрасные.

Также все более широкое распространение получают «соломенные шляпы» с диаметром корпуса 8 мм, к ним можно подводить мощность до 0,75 Вт. Появились и straw hat светодиоды диаметром 10 мм, к которым можно подвести мощность до 1 Вт, что сопоставимо со светодиодами типа Power LED.

Применение straw hat светодиодов

Первыми straw hat светодиоды стали применять энтузиасты конструирования всевозможных электронных устройств. Чуть позже преимущества новинки оценили производители рекламных конструкций, продукция которых выпускается мелкими партиями на заказ. «Соломенные шляпы» активно вытесняют традиционные 5-мм источники света в карманных фонарях и других видах светильников с питанием от батарей. Применение straw hat светодиодов позволяет увеличить световой поток при одновременном увеличении времени работы от одного комплекта элементов питания. На основе «соломенных шляп» выпускаются ретрофиты с цоколем E10. Вы можете взять с собой в светодиодную эру полюбившийся вам старый фонарик, просто заменив в нем лампу на светодиодную.

Установлены straw hat светодиоды также в некоторых лампах-ретрофитах типа «кукуруза» с цоколями E27 и E14, но их параметры невысокие, поэтому широкого применения они не получили. Единственное преимущество по сравнению с SMD-светодиодами для такого применения — обеспечение высокой электробезопасности без общей защитной колбы, поскольку корпус светодиода герметичен. Гораздо более удачным решением оказалось применение таких светодиодов в ретрофитах с цоколем BA9S. Этот цоколь байонетного типа широко используется в автомобилях для местной подсветки в салоне, а также сигнальных огней. Основным преимуществом straw hat светодиодов оказывается механическая прочность и устойчивость к вибрации, так как светодиод и оптическая система представляют собой единое целое. Выпускаются также монтажные платы с впаянными в них «соломенными шляпами», предназначенные для замены ламп накаливания на светодиоды для общего освещения автомобилей. Здесь важным преимуществом является простота установки straw hat светодиодов. Модернизировать освещение в салоне автомобиля может любой автомеханик, не имеющий глубоких познаний в электронике и даже сам владелец автомобиля.

«Соломенные шляпы», дающие излучение в ультрафиолетовом диапазоне, также сочетают высокую эффективность с низкой стоимостью, а также простотой монтажа. Поэтому они применяются в недорогих переносных установках для обеззараживания воды, которые призваны решить проблему снабжения жителей Африки качественной питьевой водой. Использование straw hat светодиодов в портативных детекторах подлинности валют позволяет освещать сразу всю купюру, а не только отдельную ее часть.

Следующим шагом по внедрению straw hat светодиодов должно стать их использование в электрических гирляндах и другом оборудовании для праздничного светового оформления. В современных городах количество элементов декоративного оформления с применением светотехники на улицах только увеличивается, и скоро встанет вопрос о снижении энергопотребления данных устройств. Замена 5-мм светодиодов на straw hat светодиоды позволит уменьшить потребляемую мощность гирлянд не менее, чем в 5 раз. Другим преимуществом «соломенных шляп» в электрических гирляндах является широкий угол распределения света, что делает ненужным применение дополнительных рассеивающих элементов. Основным препятствием является более высокая стоимость в условиях жесткой ценовой конкуренции на рынке светодиодных гирлянд.