Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 21 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Обнадеживающие результаты пилотного проекта LightSavers по реализации светодиодного уличного освещения

В пилотном проекте по созданию системы твердотельного уличного освещения в Каледоне, Канада, были испытаны светодиодные светильники от трех производителей. В статье обсуждаются результаты измерения освещенности, потребляемой мощности и ухудшения светового потока в течение года после установки этой системы.

Высокоэффективные люминесцентные лампы T8 - новый стандарт экономичного освещения в США1

Беспроводные сети для управления светодиодными системами уличного освещения

В статье рассматривается способ установления удаленного контроля над светодиодными системами освещения с помощью беспроводной сети, которая позволяет контролировать энергопотребление и управлять различными функциями, включая регулировку яркости.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

13 апреля

Перспективная продукция CREE. Новые возможности

Существующая на мировом рынке конкуренция среди производителей мощных осветительных светодиодов побуждает разрабатывать и выпускать продукцию с всё более качественными характеристиками и лучшими параметрами. В выгодной ситуации, конечно, оказываются те производители, которые обладают собственной эффективной технологией производства и проводят достаточный объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.



В

настоящее время, среди мировых производителей мощных осветительных светодиодов (Cree, Osram, Philips Lumileds, Nichia, Seoul Semiconductor), по параметрам выпускаемых серийных изделий, по объему производства и по достигнутым в лабораторных условиях характеристикам лидирующие позиции занимает единственный производитель — американская компания CREE. Выйдя на рынок мощных осветительных светодиодов в 2006 г., компания в очень короткий срок смогла занять ведущее место в рейтинге производителей. В настоящий момент компания занимает примерно треть рынка мощных светодиодов (точнее 27%). Основными составляющими, которые позволили достичь таких показателей, являются: собственная уникальная технология выращивания кристаллов нитрида галлия на подложке из карбида кремния (Sic/GaN) и то, что на дальнейшие исследования и разработки в области именно мощных осветительных светодиодов направляется значительная часть от прибыли компании (примерно 10% от оборота).

Область применения мощных светодиодов очень широка: от декоративной подсветки внутри помещения до освещения улиц, тоннелей и магистралей. Светодиоды с успехом применяются также и в сфере жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ).

Для каждого конкретного применения можно выделить ряд общих требований к светодиоду, которые будут наиболее оптимальны с точки зрения его использования. Например, для промышленного освещения, освещения улиц важными параметрами является величина светового потока, возможность точного управления световым пучком для формирования требуемой кривой силы света (КСС), эффективность; для офисного освещения (встраиваемые светильники в потолок типа «Армстронг») важными параметрами будут являться отсутствие ослепляющего эффекта, равномерность светящейся поверхности, отсутствие множественных полутеней, эффективность. При разработке светового прибора для прямой замены галогенной лампы, желательно получить требуемый световой поток от одного светодиода. Для некоторых других применений (магазины тканей, полиграфия и т.п.) требуются световые приборы с повышенным индексом цветопередачи (CRI, Ra).

Исходя из этих требований, компания CREE постоянно расширяет линейку выпускаемой продукции, добавляя новые серии, которые будут наиболее оптимальны для применения в том или ином случае. В настоящее время выпускаемая компанией продукция насчитывает 15 серий мощных осветительных светодиодов класса XLamp. Часть этой продукции уже присутствует на рынке длительное время (серии XR-C, XR-E), другая часть (серии XP-C, XP-E, XP-G, MC-E, MP-L, MX-6, MX-3) была разработана сравнительно недавно, но успела завоевать большую популярность. Третья группа светодиодов представлена новинками, которые вышли в самом конце 2010 г. и начале 2011 г. К третьей части выпускаемой компанией CREE продукции относятся серии светодиодов: XM-L, ML-E, ML-B, XP-E HEW, MT-G.

Выпустив в 2009 г. серию светодиодов XP-G компания смогла занять и до настоящего момента прочно удерживает ведущее место по достигнутым параметрам в отрасли. В конце 2010 г начат серийный выпуск светодиодов нового поколения с поистине уникальными характеристиками — это светодиоды серии XM-L.

Таблица 1. Основные характеристики XM-L

Цвет

Холодный

Нейтральный

Теплый

Ток, максимальный, мА

3000

Световой поток, лм (при 700 мА)

280

280

240

Тепловое сопротивление, ºС/Вт

2,5

Угол излучения

125°

Прямое падение напряжения (тип.), В при 700 мА

2,9

XM-L –серия светодиодов нового поколения с уникальными значениями эффективности и светового потока

Весной 2010 года компанией CREE был анонсирован новый мощный светодиод класса XLamp XM-L с самой высокой светоотдачей в отрасли — 160 лм/Вт на токе 350 мА (рис.1). В настоящий момент эти светодиоды уже выпускаются серийно в белом холодном, нейтральном и белом теплом цвете. Световой поток при токе 700 мА достигает 300 лм (в холодном белом), тепловое сопротивление 2,5°С/Вт и максимальное значение тока 3 А. На максимальном токе световой поток достигает значения уже 910 лм, а мощность, подводимая к светодиоду, составляет всего 10 Вт. Прямое падение напряжения (типовое) при токе 700 мА — не выше 2,9 В. На сегодняшний день ни один светодиод других мировых производителей не может обеспечить даже близких параметров, тем самым, очередной раз подтверждается несомненное лидерство компании CREE в области полупроводниковых источников света.

Рис. 1. Внешний вид и габаритные размеры светодиода XM-L

Биннинг светодиодов по цветовой температуре осуществляется, как и во всей другой светодиодной продукции компании CREE, по стандарту ANSI C78.377.

Светодиоды изготавливаются в керамическом симметричном корпусе (5,0×5,0×3,0 мм) для поверхностного монтажа с электрически изолированной от кристалла подложкой. Максимальная рабочая температура перехода кристалла может достигать 150°C.

Светодиоды серии XM-L ориентированы в первую очередь для световых приборов, заменяющих существующие светильники, выполненные на ДРЛ, металлогалогенных и натриевых лампах, для уличного и промышленного освещения.

В настоящий момент финская компания LEDIL OY, один из ведущих мировых производителей вторичной оптики для светодиодов уже имеет в своей номенклатуре несколько линз под серию XM-L с круговой диаграммой направленности от 20° до 60°.

Цены на продукцию CREE таковы, что наиболее низкая стоимость света (рубль/люмен) получается на новых более дорогих светодиодах, но при их правильном использовании. Под правильным использованием понимается такой режим работы светодиода, который обеспечивает приемлемый срок его службы (десятки тыс. часов) с максимальной отдачей. Это примерно 50—70% по току от максимально возможного значения. В данном случае можно ожидать отношения рубль/люмен на уровне 20—25 копеек за люмен при работе на токе 2,1 А (при заказе светодиодов в холодном белом цвете несколько сотен шт.). Типовая эффективность в этом случае будет ~96 лм/Вт (при стандартных условиях измерения). Использование данного светодиода на токе менее 1,5 А экономически неоправданно, возможно если требуется повышенное значение эффективности (более 110 лм/Вт).

Как видно из технических характеристик, для питания нового светодиода требуются источники с достаточно большим выходным током: 1,5...3,0 А. Источники питания с подобными характеристиками можно найти в линейке производителей: Inventronics, UE Electronic, Mean Well, или, можно всегда разработать свой собственный под требуемые параметры.

Для изготовления световых приборов соответствующих галогенным лампам в формате MR16 начат серийный выпуск многокристальных светодиодов MT-G.

MT-G — серия светодиодов для эквивалента галогенной лампы MR16 мощностью 35/50 Вт

Галогенные лампы MR16 имеют очень широкое применение во встраиваемых светильниках и акцентирующей подсветке. Один из недостатков галогенных ламп в том, что они нагреваются до высоких температур и имеют невысокую эффективность (15—20 лм/Вт). Выгодным с точки зрения эффективности и температуры оказывается замена лампы на её светодиодный аналог. Существующие до настоящего времени светодиоды не являлись оптимальными для данного применения. Не получался требуемый световой поток при нужных размерах.

С выходом светодиода MT-G проблема получения нужного светового потока при ограниченных размерах — устранена.

Светодиод имеет размеры корпуса 9,1×9,1×4,9 мм и диаметр линзы 8 мм — оптимальный для рефлектора MR16; как и все светодиоды класса XLamp имеет электрически нейтральную подложку (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид и габаритные размеры светодиода MT-G

Основные характеристики светодиода серии MT-G приведены в таблице 2. Светодиоды изготавливаются на фиксированные значения цветовой температуры (2700К, 3000К, 3500К, 4000К) по технологии EasyWhite.

Таблица 2. Основные характеристики MT-G

Цветовая температура, К

2700

3000

3500

4000

Световой поток, лм (при 1100 мА)

480

520

520

560

Ток, максимальный, мA

4000

Тепловое сопротивление, ºС/Вт

1,5

Угол излучения

120°

Прямое падение напряжения (тип.), В при 1100 мА

5,6

Технология EasyWhite исключает для потребителя традиционный биннинг светодиодов по цветовой температуре, и в итоге, значительно упрощает выбор светодиодов для своих изделий.

В многокристальных светодиодах, изготавливаемых по технологии EasyWhite, кристаллы на этапе изготовления светодиода подбираются таким образом, чтобы цветовые координаты излучения светодиода укладывались в заранее определённый диапазон на цветовом локусе. Эта область определяется эллипсами Мак-Адама для той или иной вероятности возникновения различий в цветовом ощущении (2-х или 4-х шаговый эллипс). Диапазон цветовой температуры, соответствующий 2-х шаговому эллипсу Мак-Адама, соответствует диапазону координат цветности обычной лампы накаливания. Такая незначительная нестабильность координат для среднестатистического наблюдателя является неразличимой. Точность установки координат цветности люминесцентных ламп соответствует диапазону 4-х шагового эллипса Мак-Адама, при этом различия в цветности источников света могут быть обнаружены. Для справки, точность установки цветовой температуры компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) соответствует 7-ми шаговому эллипсу Мак-Адама.

Светодиоды MT-G EasyWhite сортируются цветовой температуре. Точность установки координат цветности соответствует 2-х шаговому эллипсу Мак Адама или 4-х шаговому и при заказе определяется символом в наименовании:

MTGEZW-00-0000-0B00F035H — 2-х шаговый эллипс Мак-Адамса;MTGEZW-00-0000-0B00F035F — 4-х шаговый эллипс Мак-Адамса.

При токе 1500 мА светодиод способен выдать до 780 лм (при стандартных условиях измерения) имея при этом эффективности ~85 лм/Вт. Это больше по световому потоку и значительно лучше по эффективности, чем галогенная лампа мощностью 50 Вт; подводимая мощность к светодиоду составит всего 9 Вт.

Упоминавшийся выше производитель вторичной оптики для светодиодов LEDIL OY, имеет в линейке своей продукции отражатель (рефлектор) для светодиода MT-G. Это модель C11862_Minnie-W-MTG рис. 3). Диаграмма направленности этого рефлектора соответствует диаграмме направленности обычной галогенной лампы MR16 с углом 36°. На рис. 4 приведен образец лампы MR16 изготовленной на светодиоде MT-G с отражателем LEDIL OY.

Рис. 3. Рефлектор C11862_Minnie-W-MTG
Рис. 4. Вид лампы MR16 на светодиоде MT-G с рефлектором LEDIL OY

Вторичную оптику для светодиодов выпускают многие производители. Можно найти линзы для светодиода MT-G и у другого известного производителя, например Carclo. Вид эквивалента галогенной лампы на светодиоде MT-G и линзой 27° от Carclo приведен на рисунке 5.

Рис. 5. Вид лампы MR16 на светодиоде MT-G

Поскольку подобные лампы рассчитаны на напряжение 12В (переменного или постоянного тока), то для питания светодиода необходимо будет разрабатывать собственную схему питания. В этом случае потребуется понижающий DC-DC интегральный драйвер. Подобные микросхемы широко представлены такими производителями как: Texas Instruments, Supertex, STMicroelectronics, ON Semiconductor, Zetex и др.

Одна из основных составляющих, которая влияет на стоимость светодиода — это стоимость кристалла. Поэтому, заманчивой становится возможность получить с кристалла одной и той же площади как можно больше света. Это достигается различными методами. Компания CREE взяв за основу кристалл светодиода XP-E имеющего относительно невысокую стоимость, попыталась «выжать» из него максимум света. Это получилось. Для этого пришлось выполнить специальную огранку кристалла, по примеру огранки бриллианта. Если посмотреть на рис. 6, то можно увидеть две диагонали, проходящие по кристаллу — это и есть то основное изменение, которому подвергся светодиод серии XP-E превратившись в светодиод серии XP-E HEW (High Efficiency White — высокоэффективный белый)

Рис. 6. Светодиод серии XP-E HEW

XP-E HEW — серия светодиодов с эффективностью близкой к серии XP-G, а стоимостью ниже XP-E

Светодиоды серии XP-E HEW обладают количественными параметрами близкими к параметрам светодиодов серии XP-G при значительно более низкой стоимости. Основные параметры светодиода приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные характеристики XP-E HEW

Цвет

Холодный

Нейтральный

Теплый

Ток, максимальный, мA

1000

Световой поток, лм (при 350 мА)

139

122

114

Тепловое сопротивление, °С/Вт

2,5

Угол излучения

115°

Прямое падение напряжения (тип.), В при 350 мА

3,2

Но не все так просто. После огранки кристалла стало сложно нанести на его поверхность люминофор с требуемой равномерностью. В результате чего светодиод при свечении имеет существенный градиент цветовой температуры по пятну света, который только усиливается, если применить вторичную оптику (линзы). Выход из положения был найден. Этот светодиод прекрасно подходит для тех применений, где используется матовый диффузный рассеиватель. На рисунке 7 изображен пример использования светодиода.

Рис. 7. Пример использования светодиода серии XP-E HEW

Используя диффузный рассеиватель возможно получить засветку с хорошей равномерностью по цветовой температуре. Конечно, часть света неизбежно теряется в этом рассеивателе, но учитывая изначальную высокую эффективность светодиода и низкую стоимость — эти потери могут быть оправданы. Применяя светодиод таким образом мы получаем светящуюся поверхность достаточно большой площади, что резко снижает неприятный ослепляющий эффект.

Рассмотрим на некотором примере эффективность применения светодиода XPE HEW. Зададимся начальными условиями:

– световой поток не менее 600 лм;

– эффективность рассеивателя 85%;

– КПД источника питания 85%;

– температура в «точке пайки» Tsp=80°C

Расчет проведем при условии одинаковой общей эффективности двух светильников (общая эффективность (лм/Вт) — const). Результаты расчета сведены в таблицу 4.

Таблица 4. Результаты расчета параметров светильника

Тип светодиода

Ток, мА

Кол-во LED

Световой поток светильника, лм

Общая эффективность, лм/Вт

Потребляемая мощность, Вт

XLamp XP-E

350

10

630

51

12,3

XLamp XP-E HEW

700

5

645

52

12,3

Расчет проводился, используя программу разработанную компанией CREE для расчета параметров светодиодов –PCT-калькулятор. Программа находится в свободном доступе. Получить доступ к программе можно, если зарегистрироваться по адресу: pct.cree.com.

Из таблицы видно, что одинаковый световой поток и эффективность двух светильников можно обеспечить, используя светодиоды серии XP-E HEW в значительно меньшем количестве, чем светодиодов серии XP-E (5 шт. против 10 шт.). Учитывая еще и меньшую стоимость серии XP-E HEW, то выгода более чем очевидна.

Есть еще одна положительная особенность светодиодов серии XPE-HEW — это то, что их можно заказывать с сортировкой по индексу цветопередачи (CRI, Ra). Значения индекса цветопередачи могут иметь следующие значения: не менее 80, не менее 85 и не менее 90.

В наименовании позиции индекс цветопередачи обозначается буквенным символом:

XPEWHT-H1-0000-00BF6 не менее 80;

XPEHEW-P1-0000-00AE8 не менее 85;

XPEHEW-U1-0000-00AE7 не менее 90.

Светодиоды с нормированным индексом цветопередачи найдут применение там, где есть повышенные требования к цветоразличению освещаемых объектов: магазины, помещения для полиграфических работ и т.п.

Индекс цветопередачи нормируется не только в рассматриваемой серии XP-E HEW, но и в других популярных сериях светодиодов: XP-E, XP-G, MX-6.

Расширяя линейку продукции в области светодиодов мощностью более одного ватта, компания CREE не обходит вниманием и область небольших мощностей: 0,5 Вт и менее.

Светодиоды небольшой мощности и с небольшим световым потоком требуются там, где необходимо создание светильников в виде равномерно светящейся поверхности, например светильники, для местного освещения, встраиваемые светильники в подвесной потолок типа «Армстронг». Используя такие светодиоды и устанавливая их с меньшим шагом можно получить равномерно светящуюся поверхность применяя в качестве рассеивающего стекла материал с меньшими потерями. В конечном итоге это позволит снизить или полностью избавиться от таких неприятных эффектов как: множественные полутени и пикселизация. Исходя из этих требований, в начале осени были запущены в серию 0,5 Вт светодиоды класса XLamp серии ML-E, а с начала текущего года запущены в серию светодиоды ML-B мощностью 0,25Вт.

ML-E/B — высокоэффективные 0,5/0,25 Вт светодиоды класса XLamp для основного света

Светодиоды серий ML-E/B изготавливаются в корпусе для поверхностного монтажа PLCC4 с размерами 3,5×3,5×1,2 мм (рис.8). Как видно из рисунка, светодиоды имеют теплоотводящую электрически изолированную площадку (HeatSink), которую, для отвода тепла, требуется припаивать к печатной плате.

Рис. 8. Внешний вид и габаритные размеры светодиода ML-E

Основные параметры светодиодов серий ML-E/B приведены в таблице 5.

Таблица 5. Основные параметры светодиодов ML-E/B

ML-E (0,5 Вт)

ML-B (0,25 Вт)

Цвет

Холодный белый

Теплый белый

Холодный белый

Теплый белый

Цветовая температура, K

8300—4300

4300—2600

8300—4300

4300—2600

Тепловое сопротивление, °C/Вт

11

11

25

25

Угол обзора

120°

120°

120°

120°

Прямое падение напряжения (тип.), В

3,2 (при 150 мA)

3,2 (при 150 мA)

3,2 (при 80 мA)

3,2 (при 80 мA)

Световой поток, лм (при токе 150 мА/80 мА)

54

42

28

22

CRI (тип.)

75

80

75

80

Отличительной особенностью данных серий светодиодов является высокое значение светоотдачи: до 112 лм/Вт в холодном белом цвете и низкое тепловое сопротивление. В пересчете на 1 Вт это значение эквивалентно тепловому сопротивлению 5,5°С/Вт, что является хорошим показателем для мощных светодиодов. Максимальный ток светодиодов серии ML-E достигает 500 мА, а серии ML-B до 175 мА.

Основное применение светодиоды серий ML-E/B найдут там, где необходимы высокие требования к однородной яркости свечения поверхности:

– замена светильников выполненных с использованием люминесцентных ламп Т5 и Т8;

– световые короба и панели;

– функциональное освещение.

На светодиоды серии ML-E имеется график деградации (рис. 9). Используя этот график можно определить ожидаемый срок службы светодиодов при определенных условиях эксплуатации (ток 175 мА, температура окружающей среды и в точке пайки 85°С).

Рис. 9. График деградации светодиодов серии ML-E

В мире есть ряд производителей светодиодов, в номенклатуре которых присутствуют многокристальные сборки с числом кристаллов от нескольких десятков и более. Световой поток, которые обеспечивают эти сборки, весьма велик: от 1000 лм. Для потребителя подобные сборки интересны тем, что их удобно монтировать, как правило, они имеют крепёжные отверстия под винт и контакты под пайку обычной паяльной станцией. Основной недостаток такого конструктивного решения в том, что множество кристаллов, находясь на небольшой площади, нагревают друг друга — в итоге снижается эффективность. Тем не менее подобные решения активно применяются.

Компания CREE в ближайшее время (1,5—2мес.) планирует серийное производство подобных многокристальных сборок CXA20.

CXA20 — многокристальная сборка с большим световым потоком и высокой эффективностью.

Сборка CXA20 изготавливается на алюминиевом основании размером 22×22 мм (рис. 10). Пример использования приведен на рис.11.

Рис. 10. Внешний вид CXA20
Рис. 11. Пример использования сборки CXA20

Ожидаемые параметры этой сборки при цветовой температуре 3000K: 1050 лм при 11 вт (95 лм/Вт); 2000 лм при 27 вт (74 лм/Вт). Диапазон рабочего тока от 100 мА до 1000 мА. Рассеиваемая мощность до 47 Вт. При потребляемой мощности 27...28 Вт сборка эквивалентна по световому потоку лампе накаливания мощностью 200 Вт. Падение светового потока сборки менее 10% при нагреве до 80°С.

Заявленные предварительные параметры по эффективности показывают, что в настоящее время конкурентов у данной сборки не будет.

Поскольку кристаллы находятся на алюминиевом основании, то лучше оказывается отвод тепла от кристаллов по сравнению с керамическим основанием. У керамического основания есть еще один недостаток — оно хрупкое. Если при монтаже происходит некоторый перекос, то керамическое основание трескается, алюминиевое основание лишено этого недостатка.

За очень короткий промежуток времени компания CREE выпустила на рынок большое количество новых серий светодиодов наиболее оптимальных для какого-то конкретного применения: от декоративной подсветки внутри помещения до мощных уличных светильников. Со светодиодом серии XM-L на сегодняшний день не может сравнится ни одно изделие других ведущих производителей. Следующий шаг — это светодиоды с эффективностью до 209 лм/Вт. Подобная эффективность уже достигнута в лабораторных условиях, о чем уже было заявлено в 2010 г.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Миронов С. Мировой рекорд CREE: 160 люмен на ватт//Новости электроники + светотехника, №0/2010.

 


Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Сергей Миронов, инженер по применению, Компэл; smironov@compel.ru



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты