Светодиодный модуль, светодиодный источник света и светодиодный светильник для энергоэффективного воспроизведения белого света
Изобретение может быть использовано в конструкциях электрических светильников белого света. Светодиодный модуль, содержащий по выбору один или несколько светодиодов группы В, и/или группы G, и/или группы R и один или несколько светодиодов группы Р. Излучение светодиодов смешивается аддитивным способом, при этом концентрация разных видов фосфора/смесей разных видов фосфора для светодиодов группы Р выбрана такой, что их фотометрическая эффективность (лм/Вт) в зависимости от координаты х МКО 1931 составляет максимальную величину или меньше этой величины не более чем на 20%. Причем с помощью светодиодов группы Р и группы R для получения белого света постоянная цветовая температура задана от 2500 до 8000 К, при этом ее точка цветности расположена на кривой Планка или вблизи от нее, а цветопередача Ra8 составляет не менее 85. Также предложен способ изготовления светодиодного модуля. Изобретение обеспечивает создание светодиодного модуля, обладающего высокой эффективностью, большой цветопередачей. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 табл., 20 ил.
Уровень техники
Известны самые разнообразные конструкции электрических светильников, в которых белый свет получают на основе светодиодов. По существу известны два разных варианта выполнения. В первом из них излучение трех монохромных светодиодов аддитивно смешивают для получения белого света. В большинстве случаев применяют при этом основные цвета: красный, зеленый и синий, кратко обозначаемые RGB (красный, зеленый, синий).
Второй вариант выполнения основан на применении конверсионных люминофоров, часто называемых для краткости фосфором. При этом часть первичного излучения светодиода (в большинстве случаев это синее свечение в диапазоне длин волн около 460 нм) поглощается фосфором и снова испускается в виде вторичного излучения с более длинной волной. При этом длина излучаемой волны может меняться от 500 нм (зеленое свечение) до 630 нм (красное свечение). Если фосфор применяется при излучении дополнительного цвета (для синего свечения им является желтый), то можно получить излучение белого цвета аддитивным способом. Такие решения описаны в большом количестве патентов, например в WO 02/054502 А1 или DE 19638667 С2.
Недостатком известных из уровня техники электрических светильников, соответствующих варианту выполнения RGB, является температурная зависимость излучаемого цвета, так как отдельные светодиоды характеризуются разными температурными коэффициентами и разными свойствами на протяжении своего срока службы. Это может быть компенсировано соответствующим дорогостоящим управлением или регулированием, как описано в DE 60021911 Т2.
Еще одним существенным недостатком основанных на RGB решений является низкая цветопередача. При комбинации указанных в таблице 1 светодиодов достигаемый показатель Ra8 составляет 22. Спектр показан на фиг.1. По оси абсцисс отложена длина волны в нм, по оси ординат - интенсивность.
| Таблица 1 | |||
| Светодиоды RGB (красный, зеленый, синий) | |||
| Цветность света | x | y | Доминантная длина волны, нм |
| Синяя | 0,1442 | 0,0410 | 462,9 |
| Зеленая | 0,1983 | 0,6966 | 529,7 |
| Красная | 0,7000 | 0,2996 | 627,4 |
Добавка светодиодов янтарного свечения может увеличить цветопередачу. В результате комбинации указанных в таблице 2 светодиодов показатель Ra8 может составить 82. Соответствующий спектр приведен на фиг.2. Однако применение этого дополнительного светодиода повышает затраты на управление или регулирование.
| Таблица 2 | |||
| Светодиоды RGBA (красный, зеленый, синий, янтарный) | |||
| Цветность света | x | y | Доминантная, длина волны, нм |
| Синяя | 0,1442 | 0,0410 | 462,9 |
| Зеленая | 0,1983 | 0,6966 | 529,7 |
| Янтарная | 0,6010 | 0,3983 | 529,0 |
| Красная | 0,7000 | 0,2996 | 627,4 |
В варианте выполнения «светодиод с синим свечением + фосфор» возможны две группы: группа решений, касающихся светодиодов, излучающих холодный свет (например, 6500 К), и группа светодиодов, излучающих теплый свет (например, 3000 К).
В вариантах с цветовой температурой 6500 К эффективность является высокой, однако это решение обеспечивает недостаточную цветопередачу, Ra8 составляет около 70-75. Следовательно, этот вариант выполнения лишь условно может применяться для общего освещения.
В варианте выполнения с цветовой температурой 3000 К может достигаться Ra8 >90. Значительный недостаток этого решения состоит в том, что излучение фосфора происходит в относительно широком диапазоне длин волн (большая полуширина). Создаваемая фосфором радиометрическая энергия (мощность излучения) излучается в диапазоне длин волн от 520 до 800 нм. Кривая видности V (лямбда) характеризует эту энергию при длинах волн от 650 нм как очень незначительную. Поэтому бесполезно затрачивается энергия.
Эти причинные связи подробнее поясняются с помощью фигур и таблиц.
Краткое описание фигур
Фиг.1 - уровень техники, спектр при решении RGB, 3000 K;
фиг.2 - уровень техники, спектр при решении RGBA, 3000 K;
фиг.3 - уровень техники, спектр при решении, использующем фосфор, 3000 К и V (лямбда);
фиг.4 - уровень техники, сравнение кумулятивной мощности излучения с кумулятивным световым потоком;
фиг.5 - стандартная таблица МКО 1931;
фиг.6 - излучение разных видов фосфора с разной пиковой длиной волны, изображено в цветовом пространстве МКО 1931;
фиг.7 - снижение мощности излучения с увеличением концентрации фосфора;
фиг.8 - эффективность разных видов фосфора в люменах на Ватт как функция концентрации (показана возрастающая ось х координат МКО 1931); для удобства сравнения показатели стандартизированы по синему излучению светодиода (=1);
фиг.9 - пример цветового смешения светодиодов группы Р и светодиодов группы R в цветовом пространстве МКО 1931;
фиг.10 - пример цветового смешения светодиодов группы Р и светодиодов группы R в виде спектра; также показана кривая видности V (лямда);
фиг.11 - сравнение кумулятивной мощности излучения с кумулятивным световым потоком опытной лампы согласно фиг.9;
фиг.12 - пример цветового смешения светодиодов группы Р, светодиодов группы В и светодиодов группы R в цветном пространстве МКО;
фиг.13 - пример выполнения светодиодного модуля в соответствии с примером на фиг.12, при этом мощность излучения светодиодов группы В и светодиодов группы R может регулироваться и управляться. Следовательно, все три изображенных спектра могут быть получены одним модулем;
фиг.14 - электрическая схема последовательного подключения четырех светодиодов;
фиг.15 - электрическая схема подключения четырех светодиодов, две раздельно управляемые и регулируемые группы;
фиг.16 - электрическая схема подключения шести светодиодов, три раздельно управляемые и регулируемые группы;
фиг.17 - светодиодный модуль с 18 светодиодами; три раздельно управляемые и регулируемые группы;
фиг.18 - светодиодный источник света со стандартным цоколем Е27;
фиг.19 - светодиодный светильник с отражателем, возможно применение одного или нескольких светодиодных модулей;
фиг.20 - схематическое изображение светодиодного модуля со светодиодами группы В и светодиодами группы R с применением общего фосфорного элемента.
Для получения теплого белого света (2700-3500 К) необходимо применять также красные виды фосфора. Соответствующий спектр 3000 К представлен на фиг.3. По оси абсцисс на фиг.3 отложена длина волн в нм, по оси ординат - стандартизированная на 1 интенсивность. Также на фиг.3 изображена кривая видности глаза V (лямбда). Важно рассматривать участок поверхности хх, начиная от 600 нм. Этот участок поверхности хх образуется между падающей ветвью кривой V (лямбда) и спектром.
На этом участке мощность излучения очень плохо характеризуется через V (лямбда). Т.е. требуется довольно большая энергия для получения слабого света. Причина этого заключается в широком спектре излучения разных видов фосфора.
| Таблица 3 | |||
| 10-нанометровые операции: кумулятивная радиометрическая энергия (мощность излучения) в % и соответствующий кумулятивный световой поток в % | |||
| Мин. значение, нм | Макс. значение, нм | 3000 К, мВт | 3000 К, лм |
| 380 | 389 | 0,01% | 0,00% |
| 390 | 399 | 0,02% | 0,00% |
| 400 | 409 | 0,03% | 0,00% |
| 410 | 419 | 0,04% | 0,00% |
| 420 | 429 | 0,08% | 0,00% |
| 430 | 439 | 0,28% | 0,01% |
| 440 | 449 | 1,48% | 0,09% |
| 450 | 459 | 4,59% | 0,43% |
| 460 | 469 | 7,19% | 0,86% |
| 470 | 479 | 8,97% | 1,30% |
| 480 | 489 | 10,23% | 1,78% |
| 490 | 499 | 11,49% | 2,52% |
| 500 | 509 | 13,13% | 4,02% |
| 510 | 519 | 15,42% | 7,11% |
| 520 | 529 | 18,34% | 12,23% |
| 530 | 539 | 21,79% | 19,23% |
| 540 | 549 | 25,67% | 27,71% |
| 550 | 559 | 29,98% | 37,36% |
| 560 | 569 | 34,73% | 47,77% |
| 570 | 579 | 39,90% | 58,38% |
| 580 | 589 | 45,42% | 68,53% |
| 590 | 599 | 51,16% | 77,55% |
| 600 | 609 | 56,93% | 84,98% |
| 610 | 619 | 62,56% | 90,65% |
| 620 | 629 | 67,91% | 94,61% |
| 630 | 639 | 72,84% | 97,10% |
| 640 | 649 | 77,31% | 98,56% |
| 650 | 659 | 81,27% | 99,33% |
| 660 | 669 | 84,71% | 99,70% |
| 670 | 679 | 87,69% | 99,87% |
| 680 | 689 | 90,23% | 99,95% |
| 690 | 699 | 92,37% | 99,98% |
| 700 | 709 | 94,16% | 99,99% |
| 710 | 719 | 95,64% | 100,00% |
| 720 | 729 | 96,87% | 100,00% |
| 730 | 739 | 97,89% | 100,00% |
| 740 | 749 | 98,72% | 100,00% |
| 750 | 759 | 99,40% | 100,00% |
| 760 | 769 | 99,96% | 100,00% |
| 770 | 779 | 100,00% | 100,00% |
При 80% радиометрической энергии (мощности излучения) получают 99% светового потока. 20% радиометрической энергии (начиная с 650 нм) создает только 1% светового потока. На фиг.4 эта причинная связь представлена графически. На фиг.4 по оси абсцисс отложена длина волны в нм, по оси ординат - кумулятивная мощность излучения или кумулятивный световой поток в %.
Из-за широкого спектра излучения и низкой эффективности красных видов фосфора (фиг.8) все решения, основанные на конверсии красного фосфора, позволяют получить мощность излучения, которая плохо оценивается через V (лямбда). Требуется 20% мощности излучения для получения 1% света.
Наряду с описанными выше обоими вариантами выполнения известны также смешанные виды выполнения. В качестве примера можно указать на DE 10353293 А1, в котором светодиод с белым свечением (с использованием фосфора) при необходимости может быть вручную дополнен светодиодом с монохроматическим красным свечением. Таким образом создается подводная лампа, при этом пользователь лампы может компенсировать разную глубину проникновения отдельных спектральных цветов, обусловленную зависящим от длины волны поглощением, в некоторых диапазонах.
В DE 10216394 В3 описана конструкция, в которой наряду с белым свечением светодиодов (синее свечение плюс фосфор) применяются также четыре цвета: голубой, зеленый, желтый и красный. Благодаря этому достигается очень высокая цветопередача при низкой эффективности.
В DE 20104704 U1 описана комбинация из светодиода белого свечения со светодиодом желтого свечения. Существенный признак состоит в том, что доля синего свечения должна компенсироваться желтым свечением. Очевидно, применяется холодный белый свет с большой долей синего свечения, что не позволяет получить светодиодный источник света высокой эффективности.
В DE 202006003878 U1 описаны светильники для биореакторов, при этом для фототрофных клеточных культур применяются по возможности длины волн такого диапазона, в котором эти клеточные культуры наиболее эффективно развиваются, также и отдельные спектральные области могут задаваться в отдельности.
В DE 20317444 U1 описан уличный светильник, в котором основная доля спектрального излучения приходится на область зеленого излучения, однако применяются также красное, янтарное, синее и белое излучения.
Недостатками известных из уровня техники решений являются низкая цветопередача, неэффективное использование радиометрической энергии (мощности излучения) и техническая сложность конструкции.
Задачей настоящего изобретения является создание светодиодного модуля для светодиодных источников света и светодиодных светильников, обладающего по возможности высокой эффективностью, большой цветопередачей и свободного от недостатков, присущих имеющимся решениям.
Данная задача решается в изобретении посредством технического решения по п.1 формулы изобретения.
Светодиодный модуль по изобретению объединяет в себе преимущества основанных на фосфоре светодиодных решений с преимуществами решений RGB.
Определение понятий
МКО 1931:
Стандартная колориметрическая система МКО или система цветности МКО установлена Международной комиссией по освещению для определения цветов на основе аппарата человека по восприятию цвета. Такое определение позволяет характеризовать цветовой тон двумя координатами. На фиг.5 приведена диаграмма МКО 1931. По оси абсцисс этой диаграммы отложен показатель х МКО 1931, а по оси ординат - показатель у МКО 1931.
Подковообразная область возможных цветов нанесена в таблице цветности МКО на систему координат, на которой доля х и доля y (стандартных теоретических основных цветов X, Y и Z КМО (также называемых цветовым пространством XYZ)) любого цвета А, В, С, Е могут считываться непосредственно. С помощью основного условия x+y+z=1 можно расчетным путем определить долю z (z=1-x-y). Все возможные цвета охватываются линией спектральной цветности (спектрально чистые цвета) и пурпурной линией.
Центральной исходной точкой таблицы служит точка А белого свечения (около 3000 К), являющаяся существенной в каждом случае измерения цветности. В зависимости от освещенности эта точка может находиться практически повсюду в пределах подковы, однако технически важна только кривая черного тела, характеристика которой указывает цвета А, В, С, D, Е в качестве температуры идеального излучателя (черного тела) в градусах Кельвина. Кроме применяемого цветового пространства соответствующая спектральная линия для специального случая может быть считана на спектральной линии цветности. На стороне, точно расположенной напротив от А, В, С, D, Е, могут быть считаны дополнительные цвета на удлиненной линии. При этом точка представляет собой самый крайний (наиболее чистый) дополнительный цвет, который в данном случае определяется пересечением с пурпурной линией.
Показанные на фиг.5 точки А, В, С, D, Е поясняются следующим образом. Первоначально стандартную колориметрическую систему МКО разрабатывали в связи с вопросами освещения. В принципе эта система позволяет получить любую мыслимую комбинацию из показателей X, Y, Z, однако в целях простоты и сравнимости характеризуют определенные стандартные цвета света, все из которых располагаются более или менее на кривой черного тела и соответствуют определенной цветовой температуре.
| Таблица 3А | |||
| Стандартные виды освещения МКО | |||
| Стандартное освещение МКО | Показатель x | Показатель y | Примечание |
| Стандартное освещение А МКО | 0,4476 | 0,4074 | Аналогично спектру света лампы накаливания |
| Стандартное освещение В МКО | 0,3484 | 0,3516 | |
| Стандартное освещение С МКО | 0,3101 | 0,3162 | Белая точка согласно стандарту NTSC-TV |
| Стандартное освещение Е МКО | 1/3 | 1/3 | Белая точка цветового пространства RGB МКО; X, Y, Z в совершенно одинаковых долях |
| D5000 или D50 | 0,3457 | 0,3585 | Белая точка для красно-желто-синего свечения Wide-Camut и красно-желто-синего излучения Color-Match |
| D5500 или D55 | 0,3324 | 0,3474 | Спектр света аналогичен в среднем спектру дневного света; спектр аналогичен спектру черного тела при 5500 К |
| D6500 или D65 | 0,312713 | 0,329016 | Белая точка для красно-желто-синего излучения sRGB и красно-желто-синего излучения Adobe и стандарта PAL/SECAM-TV, спектр аналогичен спектру черного тела при 6504 К |
| D7500 или D75 | 0,2990 | 0,3149 | Спектр аналогичен спектру черного тела при 7500 К |
| D9300 | 0,2848 | 0,2932 | Спектр аналогичен спектру черного тела при 9300 К |
Стандартные цветовые температуры
Стандартизированные цвета со следующими цветовыми температурами могут быть представлены с помощью координат x, y следующим образом.
| Таблица 4 | ||
| Координаты стандартных цветовых температур МКО 1931 | ||
| Цвет | x МКО 1931 | y КМО 1931 |
| 6500 К | 0,313 | 0,337 |
| 5000 К | 0,346 | 0,359 |
| 4000 К | 0,380 | 0,380 |
| 3500 К | 0,409 | 0,394 |
| 3000 К | 0,440 | 0,403 |
| 2700 К | 0,463 | 0,420 |
Фосфор
Под ним понимаются, как правило, люминофоры, поглощающие излучение определенной длины волн и испускающие излучение с другой длиной волны. Испускаемое свечение имеет, как правило, большую длину волны. При этом возбуждение фосфора происходит в ультрафиолетовой или также видимой области. Коммерческие виды фосфора возбуждаются в большинстве случаев в широких диапазонах длин волн, в так называемых спектрах возбуждения. Свечение происходит не на одной длине волны, а в определенном диапазоне длин волн. Поэтому для характеристики разных видов фосфора всегда указываются несколько параметров, такие как пиковая длина волны, доминантная длина волны, полуширина (диапазон в нм при интенсивности 50% от максимального значения) или точка на цветовом графике МКО (1931), цветовое пространство. Длина излучаемой волны определяет цвет испускаемого света. Квантовый выход указывает на то, какие доли поглощенного излучения могут быть снова определены.
Для получения белого света с помощью светодиодов интерес представляют, прежде всего, такие типы светодиодов, которые поглощают первичное излучение при доминантной длине волны около 460 нм и излучают свет в диапазоне пиковых длин волн от 500 до 630 нм. Такие решения описаны в большом числе патентов, например можно указать на упомянутые выше WO 02/054502 А1 или DE 19638667 С2.
В качестве примера в таблице 5 приведены разные виды фосфора.
| Таблица 5 | |||
| Пиковые длины волн и координаты разных видов фосфора МКО 1931 | |||
| Наименование фосфора | Пиковая длина волны, нм | x МКО 1931 | y МКО 1931 |
| Р-535 | 533 | 0,342 | 0,608 |
| Р-565 | 564 | 0,448 | 0,538 |
| Р-610 | 610 | 0,568 | 0,430 |
| P-YAG | 559 | 0,451 | 0,531 |
Приведенные выше виды фосфора представляют собой стандартные типы, производимые в коммерческих целях в производственных объемах. Существенное значение для эффективного применения имеют пиковая длина волны и точка цветности в цветовом пространстве МКО.
На фиг.6 показано в качестве примера цветовое смешение синего свечения от светодиодов с разными видами фосфора. На диаграмме МКО 1931 этой фигуры по оси абсцисс отложена координата x, а по оси ординат - координата y. В зависимости от концентрации фосфора или смеси разных видов фосфора на линии между светодиодом синего свечения и фосфором (или смеси) может задаваться каждая точка.
Эффективность
Наряду с описанными процессами поглощение и излучение всегда происходят во время применения разных видов фосфора, также рассеивание и отражение света. Эти оба процесса приводят к снижению светоотдачи.
Если над светодиодом с доминантной длиной волны около 460 нм расположить фосфорные элементы с возрастающей концентрацией фосфора, то при измерении мощности излучения (Вт) можно сразу определить, что потери возрастают в зависимости от концентрации фосфора.
Эта причинная связь поясняется на фиг.7. Здесь на диаграмме МКО 1931 отложена по оси абсцисс координата x, а по оси ординат - мощность излучения в мВт. При этом становится очевидным, что с возрастанием концентрации фосфора мощность излучения заметно снижается. Такая взаимосвязь присуща всем известным в настоящее время видам фосфора и их смесям.
Однако для применения в качестве источника света необходима оценка в соответствии с чувствительностью глаза (V-лямбда). Если выполнить такую оценку и рассматривать интенсивность света (в люменах) как функцию концентрации фосфора, то интенсивность сначала возрастает, проходит через максимальную точку и затем снова падает. Т.е., начиная с определенного количества фосфора, начинают доминировать потери. Фиг.8 поясняет эту зависимость.
На диаграмме МКО 1931 фиг.8 по оси абсцисс отложена координата x, а по оси ординат - стандартная эффективность (лм/Вт), стандартизированная по светодиоду синего свечения.
В отношении эффективности источника света это означает, что для каждого применяемого типа фосфора существует максимальная эффективность, выражаемая через лм/Вт. На фиг.8 показано, что фосфор Р-535 обладает максимальной эффективностью при координате x МКО 1931 около 0,31.
Также на фиг.8 показано, что фосфор Р-565 обладает максимальной эффективностью при координате х МКО 1931 около 0,41. Кроме того, на фиг.8 можно видеть, что фосфор Р-610 имеет максимальную эффективность при координате х КМО 1931 в диапазоне значений х от около 0,39 до около 0,56. Далее на фиг.8 показано, что разные виды фосфора обладают разной максимальной эффективностью. Так, фосфор Р-535 является более эффективным, чем фосфор Р-565.
Изобретением используется знание того, что светодиодный источник света должен применяться таким образом, чтобы излучающий фосфор применялся при его максимальной эффективности (или в близком к ней диапазоне).
При этом предпочтительно, чтобы само использование было максимальным. Изобретением предусматривается также режим работы в диапазоне до минус 20% от максимального значения соответствующего фосфора или смеси разных видов фосфора. Следовательно, задают координату цветности, соответствующую этому максимуму или близкую ему.
Группа В
К группе В относится светодиод или несколько светодиодов с доминантной длиной волны в диапазоне от 380 до 480 нм. Также к группе В могут относиться несколько светодиодов с разными доминантными длинами волн в диапазоне от 380 до 480 нм.
Группа G
К группе G относится светодиод или несколько светодиодов с доминантной длиной волны в диапазоне от 500 до 560 нм. Также к группе G могут относиться несколько светодиодов с разными доминантными длинами волн в диапазоне от 500 до 560 нм.
Группа R
К группе R относится светодиод или несколько светодиодов с доминантной длиной волны в диапазоне от 600 до 640 нм. Также в группу R могут входить несколько светодиодов с разными доминантными длинами волн в диапазоне от 600 до 640 нм.
Группа Р
К группе Р относится светодиод или несколько светодиодов, при этом светодиоды группы В возбуждают фосфор. Концентрация фосфора или смесей разных видов фосфора выбирается с таким расчетом, чтобы фотометрическая эффективность (лм/Вт) достигала максимума или находилась вблизи него.
Раскрытие изобретения
Исходная идея решения согласно изобретению предусматривает использование эффективности фосфора (группа Р), достигаемой в области его максимальной эффективности (лм/Вт), для получения белого света.
На фиг.9 показано такое смешение цветов МКО 1931. В этом случае получают теплый белый свет с цветовой температурой 3000 К посредством смешения цветов светодиодов группы Р и группы R. Спектр смешения цветов показан на фиг.10. На этой фигуре по оси абсцисс отложена длина волны в нм, по оси ординат - интенсивность в мВт. Кроме того, на фиг.10 показана кривая V (лямбда). Такое смешение светодиодов группы Р со светодиодами группы R обеспечивает оптимальный энергетический баланс между мощностью излучения и фотометрической эффективностью (лм/Вт). Цветопередача Ra8 составляет 91.
Такой оптимальный энергетический баланс согласно изобретению достигается в результате использования максимальной эффективности разных видов фосфора (группы Р) в комбинации с уменьшением поверхности хх на снижающейся ветви кривой V(лямбды) (использование группы R). Заштрихованный участок означает поверхность хх на фиг.10, которая существенно уменьшена по сравнению с уровнем техники (фиг.3). Такая минимизированная поверхность хх на фиг.10 обеспечивает существенное преимущество изобретения перед уровнем техники.
Известные из уровня техники решения пытаются в точности получить кривую Планка посредством цветовой конверсии (разных видов фосфора). Изобретением сознательно отклоняется этот путь и используется, например, максимальная эффективность фосфора (группа Р) в сочетании с малой полушириной светодиодов групп В и R, поскольку в областях низкой оценки посредством кривой V (лямбда) предпочтительной является малая полуширина.
Соответствующие результаты измерений опытного образца представлены в табл.6 и на фиг.11. Путем смешения светодиодов группы R и светодиодов группы Р создается белый свет. Получаемый при этом спектр показан на фиг.10.
| Таблица 6 | |||
| 10-нанометрические операции: кумулятивная радиометрическая энергия (мощность излучения) в % и соответствующий кумулятивный световой поток в % | |||
| Мин. значение | Макс. значение | 3000 К, мВт согласно изобретению | 3000 К, люмены согласно изобретению |
| 380 | 389 | 0,01% | 0,00% |
| 390 | 399 | 0,02% | 0,00% |
| 400 | 409 | 0,03% | 0,00% |
| 410 | 419 | 0,06% | 0,00% |
| 420 | 429 | 0,13% | 0,00% |
| 430 | 439 | 0,50% | 0,01% |
| 440 | 449 | 2,14% | 0,11% |
| 450 | 459 | 5,94% | 0,45% |
| 460 | 469 | 9,27% | 0,90% |
| 470 | 479 | 11,51% | 1,36% |
| 480 | 489 | 12,92% | 1,80% |
| 490 | 499 | 14,05% | 2,34% |
| 500 | 509 | 15,50% | 3,44% |
| 510 | 519 | 17,82% | 6,03% |
| 520 | 529 | 21,28% | 11,04% |
| 530 | 539 | 25,89% | 18,75% |
| 540 | 549 | 31,40% | 28,67% |
| 550 | 559 | 37,43% | 39,80% |
| 560 | 569 | 43,57% | 50,89% |
| 570 | 579 | 49,47% | 60,88% |
| 580 | 589 | 54,98% | 69,24% |
| 590 | 599 | 60,18% | 75,98% |
| 600 | 609 | 65,86% | 81,98% |
| 610 | 619 | 74,59% | 89,12% |
| 620 | 629 | 87,24% | 96,87% |
| 630 | 639 | 92,27% | 99,04% |
| 640 | 649 | 94,40% | 99,62% |
| 650 | 659 | 95,80% | 99,85% |
| 660 | 669 | 96,84% | 99,94% |
| 670 | 679 | 97,63% | 99,98% |
| 680 | 689 | 98,24% | 99,99% |
| 690 | 699 | 98,70% | 100,00% |
| 700 | 709 | 99,05% | 100,00% |
| 710 | 719 | 99,31% | 100,00% |
| 720 | 729 | 99,51% | 100,00% |
| 730 | 739 | 99,67% | 100,00% |
| 740 | 749 | 99,78% | 100,00% |
| 750 | 759 | 99,87% | 100,00% |
| 760 | 769 | 99.94% | 100,00% |
| 770 | 779 | 100,00% | 100,00% |
Эта зависимость представлена графически на фиг.11. Здесь по оси абсцисс отложена длина волны в нм, по оси ординат - кумулятивная мощность излучения или кумулятивный световой поток в %.
92% мощности излучения расходуются на получение 99% светового потока. 8% радиометрической энергии (начиная с 650 нм) расходуются на образование 1% светового потока (см. фиг.11).
Благодаря варианту согласно изобретению светодиодный модуль, светодиодный источник света или светодиодный светильник характеризуются как превосходной эффективностью, так и очень хорошей цветопередачей. По сравнению с основанным на применении только фосфора решением эффективность (при сопоставимой цветопередаче) возросла, по меньшей мере, на 20%. В примере осуществления после изготовления и испытания сбережение энергии составило 25%.
Другое существенное преимущество настоящего решения состоит в том, что в результате дополнения светодиодами группы В (светодиоды синего свечения) становится возможным очень просто и постепенно регулировать и управлять цветовой температурой. Таким образом создается цветовое пространство, расположенное между угловыми точками соответствующих групп (группа В, группа Р, группа R), и, следовательно, в пределах этого цветового пространства могут быть отображены все цвета. На фиг.12 показано цветовое пространство, занятое тремя группами.
Следовательно, может быть получен, в частности, белый свет вдоль кривой Планка очень эффективно и с высокой цветопередачей. Соответствующие измерения опытного образца показали, что цветовая температура от 2500 до 8000 К может управляться и регулироваться и что цветопередача Ra8 во всем диапазоне цветовой температуры составляет около 90.
Цветовая температура, например 4200 К, задается таким образом, что на основе точки цветности группы Р интенсивность группы В увеличивают до тех пор, пока не будет получена требуемая смешанная точка цветности на прямых между точками группы Р и группы В. Интенсивность группы R необходимо повышать до тех пор, пока не будет достигнута конечная точка цветности (например, 4200 К) на кривой Планка. На фиг.12 показано смешение трех групп с образованием точки цветности 4200 К. На фиг.13 показаны спектры для точек цветности 2800 К, 4200 К и 6500 К.
Предпочтительным вариантом выполнения светодиодного модуля является светодиодный модуль на основе СОВ (Chip on Board = метод монтажа бескорпусных ИС непосредственно на плате).
Другой предпочтительный вариант выполнения светодиодного модуля отличается тем, что светодиоды группы Р и светодиоды группы R расположены под общим слоем, проявляющим цветовую конверсию.
В еще одном варианте выполнения светодиодный модуль основан на компонентах поверхностного монтажа и светодиодов согласно изобретению.
На фиг.14 показана в качестве первого примера выполнения последовательная схема подключения нескольких светодиодов для получения точки цветности.
В качестве светодиодного модуля использованы три светодиода группы Р и один светодиод группы R.
Количество выбираемых светодиодов зависит от мощности отдельных светодиодов. Поэтому количество светодиодов и их соотношение между собой не является ограничивающим фактором.
Также соотношение может составлять 2:1 или 4:2 и пр.
На фиг.15 показан пример выполнения в развитии, в котором светодиоды группы Р могут управляться отдельно от светодиодов группы R. Благодаря этому возможна более точная регулировка. Кривая Планка может быть построена более точно для соответствующей точки цветности.
На фиг.16 показана электрическая схема с 6 светодиодами, которые могут управляться также раздельно. Дополнительно к светодиодам группы Р и группы R применяются светодиоды группы В. В этом варианте выполнения цветовая температура может задаваться в диапазоне от 2500 до 8000 К.
На фиг.17 показан светодиодный модуль, полученный методом монтажа бескорпусных ИС непосредственно на плате, содержащий 18 светодиодов и разъем. Цветовая температура может управляться и регулироваться в диапазоне от 2500 до 8000 К. Изображенный модуль обладает в настоящее время эффективностью 60 лм/Вт по всему диапазону регулирования, а также показателем Ra8 свыше 90.
На фиг.18 изображен светодиодный модуль и относящаяся к нему электроника в корпусе, при этом электрическое подключение, форма и размеры выбраны такими, что он может заменить нормированный стандартный источник света, в частности нормированные лампы накаливания, галогенные лампы накаливания или нормированные флюоресцентные лампы и компактные флюоресцентные лампы. Такие нормированные лампы могут быть выполнены, в частности, по одному из стандартов Е** (в частности, Е27), G*, GU*, М*, В*, Т*. Светодиодный модуль согласно изобретению при использовании в стандартных источниках света способен успешно заменять лампу накаливания и пр. по одному из этих стандартов.
Светодиодный источник света на фиг.18 характеризуется в настоящее время образцовым потреблением электрической мощности от 8 до 10 Вт и световой мощностью в диапазоне от 500 до 600 люменов. Т.е. потребляемые 10 Вт соответствуют по световой мощности приблизительно 60 Вт лампы накаливания. Изображенный на фиг.18 вариант позволяет экономить около 80% энергии.
На фиг.19 показан светодиодный источник света с одним или несколькими из описанных выше светодиодных модулей. Перекрытие служит для защиты от пыли и/или в качестве рассеивателя. Теплоотвод содержит охлаждающие ребра, обеспечивающие эффективное охлаждение.
На фиг.19 показан светодиодный модуль согласно изобретению, встроенный в светильник. Здесь светодиодный модуль располагается в отражателе, на днище которого установлены теплоотводы. Благодаря угловому расположению отражателя излучающая характеристика приходится на центральный участок.
Это лишь пример, показывающий, что светодиодный модуль может встраиваться и в светильник, а не использоваться только в качестве источника света.
На фиг.20 схематично показан светодиодный модуль со светодиодами группы В и светодиодами группы R с общим фосфорным элементом. Этот вариант является особенно оптимальным в связи со смешением спектральных компонентов, необходимость в рассеивающем элементе здесь отпадает.
Представленный здесь интегральный источник света включает в себя расположенные в минимальном пространстве светодиоды группы Р и светодиоды группы R на общей подложке. Они установлены на подложке с возможностью электрической проводимости и контакта.
Светодиоды группы В возбуждают фосфор, который испускает преобразованное излучение. Поскольку на излучение светодиодов группы R фосфор не оказывает влияния, то на поверхности покрывающего фосфорного элемента создается требуемое белое световое впечатление благодаря дополнительной примеси излучения группы Р и группы R.
В заключение приводятся признаки изобретения в виде краткого перечисления:
- светодиодный модуль с оптимальным по эффективности энергетическим балансом;
- светодиодный модуль с показателем Ra8≥85, типично 90-95;
- светодиодный модуль собирается методом монтажа бескорпусных ИС непосредственно на плате или методом поверхностного монтажа;
- светодиоды разных групп расположены под общим фосфорным элементом;
- светодиодный модуль согласно изобретению пригоден для светодиодного источника света со стандартным цоколем (например, Е27);
- светильники со светодиодными модулями согласно изобретению с отражателем;
- светильники со светодиодными модулями согласно изобретению с линзами;
- светодиодные модули с управляемой или регулируемой цветовой температурой. Светодиодный модуль согласно изобретению очень эффективно создает белый свет высокого качества (Ra8>85). Поэтому такой светодиодный модуль предназначен предпочтительно для применения в общем освещении, для освещения в торговых помещениях, в офисах, музеях, для медицинской техники, в качестве промышленного освещения и пр.
Управляемая или регулируемая цветовая температура позволяет постепенно изменять соотношение S/P (скотопическое/фотопическое соотношение). Следовательно, светодиодный модуль может оптимально применяться в уличном освещении. Благодаря плавному изменению цветовой температуры учитываются потребности человеческого глаза в сумерках (мезопическое зрение).
| Таблица 7 | |
| Соотношение S/P для образцов на фиг.13 | |
| Цветовая температура | Соотношение S/P |
| 2800 К | 1,4 |
| 4200 К | 1,8 |
| 6500 К | 2,3 |
1. Светодиодный модуль, содержащий по выбору один или несколько светодиодов группы В, и/или группы G, и/или группы R и один или несколько светодиодов группы Р, отличающийся тем, что излучение светодиодов смешивается аддитивным способом, при этом концентрация разных видов фосфора/смесей разных видов фосфора для светодиодов группы Р выбрана такой, что их фотометрическая эффективность (лм/Вт) в зависимости от координаты х МКО 1931 составляет максимальную величину или меньше этой величины не более чем на 20%, причем с помощью светодиодов группы Р и группы R для получения белого света постоянная цветовая температура задана от 2500 до 8000 К, при этом ее точка цветности расположена на кривой Планка или вблизи от нее, а цветопередача Ra8 составляет не менее 85.
2. Светодиодный модуль по п.1, отличающийся тем, что с помощью светодиодов группы Р и группы В для получения белого света постоянная цветовая температура задана от 5000 до 8000 К, ее точка цветности расположена на кривой Планка или вблизи от нее, при этом светодиоды группы В имеют доминантную длину волны в диапазоне от 380 до 450 нм.
3. Светодиодный модуль по п.1, отличающийся тем, что с помощью светодиодов группы Р и группы G для получения белого света задана постоянная цветовая температура от 2500 до 8000 К, ее точка цветности расположена на кривой Планка или вблизи от нее, при этом фосфор группы Р имеет пиковую длину волны в диапазоне от 590 до 640 нм.
4. Светодиодный модуль по п.1, отличающийся тем, что с помощью светодиодов группы Р, и/или группы R, и/или группы В для получения белого света цветовая температура задана с возможностью управления или регулирования от 2500 до 8000 К, точка цветности расположена на кривой Планка или вблизи от нее, а цветопередача Ra8 составляет не менее 85.
5. Светодиодный модуль по п.1, отличающийся тем, что с помощью светодиодов группы Р, и группы G, и группы В для получения белого света цветовая температура задана с возможностью управления или регулирования в диапазоне от 2500 до 8000 К, точка цветности расположена на кривой Планка или вблизи от нее, при этом фосфор группы Р имеет пиковую длину волны в диапазоне от 590 до 640 нм.
6. Светодиодный модуль по п.1, отличающийся тем, что светодиоды группы В и светодиоды группы R расположены под общим слоем, проявляющим свойство преобразования цвета.
7. Светодиодный модуль по п.1, отличающийся тем, что светодиодный модуль вставлен в стандартный источник света.
8. Светодиодный модуль по п.1, отличающийся тем, что при потреблении электрической мощности от 8 до 10 Вт создается световая мощность не менее 500 люмен при одновременном показателе Ra8 более 85.
9. Способ изготовления светодиодного модуля, характеризующийся тем, что цветовую температуру, например 4200 К, задают так, что на основе точки цветности группы Р интенсивность группы В повышают до тех пор, пока не будет получена требуемая смешанная точка цветности на прямых между точками группы Р и группы В, затем интенсивность группы R повышают до тех пор, пока не будет получена конечная точка цветности, например 4200 К, на кривой Планка.
