Мощный рабочий инструмент от компании CREE

При проектировании полупроводникового светового прибора разработчику приходится решать комплекс задач, связанных с выбором типа и режима работы светодиода. И от того, какой тип светодиода будет выбран, в каком режиме он будет работать, будут зависеть срок службы, стоимость, технические и, в конечном итоге, качественные характеристики полученного изделия.
В настоящее время количество доступных разработчику позиций мощных осветительных светодиодов от различных производителей исчисляется десятками тысяч. Если рассмотреть ассортимент только одной компании Cree, являющейся лидером на рынке мощных осветительных светодиодов, то количество позиций, производимое в настоящее время ею, приближается к трем тысячам. Чтобы разработчик мог ориентироваться в таком многообразии, выбрать оптимальный тип светодиода, режим его работы и рассчитать многие другие параметры при различных начальных условиях, специалисты Cree разработали программу под названием Product Characterization Tool (сокращенное название «PCT-калькулятор»).
Эта программа позволяет рассчитать все основные параметры как одного светодиода, так и массива светодиодов в составе светильника в зависимости от начального светового потока выбранного светодиода, температуры в «точке пайки»/кристалла, протекающего тока, учитывая КПД источника питания и эффективность оптической системы.
Интерфейс программы интуитивно понятен, и для ее использования не требуется каких-либо специальных знаний (см. рис. 1).

Рис. 1. Интерфейс программы PCT

Для того чтобы выполнить расчет, в программу вводятся исходные (входные) данные и выбираются требуемые выходные параметры.
Причем, если рассчитываются параметры единичного светодиода, то достаточно воспользоваться только той группой входных данных, которая обозначена на рисунке 1. Если рассчитываются параметры массива светодиодов в составе светильника, следует ввести дополнительно требуемый световой поток светильника (Target Lumens), эффективность оптической системы (Optical) и КПД источника питания (Electrical). Данные вводятся в строке System Parameters; по умолчанию там указаны значения 1200 лм; 100%; 100%, соответственно.
Одна часть исходных данных вводится в программу с использованием цифровой клавиатуры, а другая часть выбирается из выпадающих списков.
Исходными данными для программы, которые пользователь может задавать с помощью цифровой клавиатуры являются:
– рабочая температура кристалла или температура в «точке пайки» светодиода (Tj/Tsp), °С;
– стоимость светодиода (Price), долл.;
– требуемый световой поток светильника (Target Lumens), лм;
– КПД источника питания (Electrical), %;
– эффективность оптической системы (Optical), %.
Исходным данными, которые выбираются из выпадающих списков, являются:
– тип (серия) светодиода (окно Model1/2/3 в строке LED Models);
– световой поток выбранного светодиода (Flux в строке Model Options).

Программа позволяет одновременно рассчитать до трех типов (моделей) светодиодов. Светодиоды или массивы светодиодов можно сравнивать одновременно по четырем рассчитанным параметрам. Эти параметры выбираются из выпадающих списков в верхней части экрана (строка Design Parameters). Имеются четыре окна, которые соответствуют четырем столбцам основного поля программы.
Выходные параметры на выбор можно разделить на три группы.
Первая группа выходных параметров (LED VF, LED W, LED LM, LED LM/W) позволяет рассчитать технические характеристики единичного свето­диода.
Вторая группа выходных параметров (SYS LM PER, SYS # LED, SYS W, SYS LM TOT, SYS LM W) позволяет рассчитать технические характеристики массива светодиодов в составе светильника.
Третья группа параметров (LM/$, $/LM, c/LM, SYS $) позволяет рассчитать стоимостные характеристики одного светодиода или группы светодиодов. При выборе стоимостных характеристик необходимо ввести цену светодиода в окне Price.
В окне Drive-Current Range выбирается диапазон тока, в котором будет осуществляться расчет. Диапазон выбранного тока отображается в левом столбце интерфейса программы. Причем, программа автоматически определяет максимальное значение рабочего тока выбранного типа светодиода. Если задан более широкий диапазон тока, то значения, превышающие максимальный рабочий ток, не отображаются. Ниже дается расшифровка указанных параметров программы.

LED VF — прямое падение напряжения на светодиоде, В
LED W — подводимая к светодиоду мощность, Вт
LED LM — световой поток светодиода, лм
LED LM/W — световая отдача светодиода, лм/Вт

SYS LM PER — световой поток одного светодиода в массиве светодиодов, лм
SYS # LED — общее количество светодиодов, шт
SYS W — общая мощность, Вт
SYS LM TOT — общий световой поток, лм
SYS LM W — общая эффективность, лм/Вт

LM/$ — лм/долл.
$/LM — долл./лм
c/LM — цент/лм
SYS $ — полная стоимость массива светодиодов

Чтобы понять, как работает программа, рассмотрим два наиболее часто встречающихся в практике примера.

Пример №1. Требуется определить оптимальную серию светодиода для применения в уличном светильнике. Критерием оптимальной серии выберем самую низкую стоимость люмена при лучшей эффективности (лм/Вт). Цвет свечения светодиодов — холодный белый (5000—7000 К).

Для уличного светильника наилучшим образом подходят семейства светодиодов XP, XM. Светодиоды этих семейств обладают высокой эффективностью и большим значением светового потока. Выберем следующие позиции светодиодов: XPEWHT-L1-0000-00E03 (114 лм, цена 1,73 долл.), XPGWHT-L1-0000-00F53 (122 лм, цена 2,21 долл.), XMLAWT-00-0000-0000T5053 (260 лм, цена 4,08 долл). Примем рабочий ток каждой серии светодиода равным 70% от максимального значения. Для XP-E это будет 700 мА, для XP-G — 1000 мА, а для XM-L — 2100 мА. Будем считать, что все серии светодиодов в устройстве работают при одинаковой температуре в «точке пайки» 70°С.
По умолчанию в программе заданы параметры: LM (световой поток), LMW (светоотдача), VF (прямое падение напряжения) и W (мощность). Очевидно, что для нашей задачи не хватает стоимостного параметра. Поскольку в данном примере производится расчет для единичного светодиода, зададим параметр с/LM (цент/лм). Выберем его вместо параметра VF и введем необходимые исходные данные: температура в «точке пайки» 70°С, начальный световой поток выбранных серий светодиодов, диапазон тока (0,7…2,1 А) и стоимость каждой серии (долл.) (см. рис. 2).

Рис. 2. Cравнение серий светодиодов XP-E, XP-G, XM-L

Сравнивая серии светодиодов между собой, можно заметить абсолютное превосходство серии светодиодов XM-L (см. табл. 1). Новая серия светодиодов, имеющая первоначально более высокую стоимость по сравнению с предшествующими сериями при правильном использовании, показывает значительно лучшие параметры по стоимости люмена, световому потоку и светоотдаче.

Поскольку каждая серия светодиодов имеет весьма обширную номенклатуру, то было бы правильным рассмотреть и сравнить другие позиции выбранных серий светодиодов для определения наиболее выгодной. Используя данную программу, это не составит труда.
Рассмотрим следующие позиции светодиодов (в диапазоне цветовой температуры 4000—7000 К): XPEWHT-01-0000-00ED2 (107 лм, цена 1,58 долл.), XPGWHT-L1-0000-00G53 (130 лм, цена 2,55 долл.), XMLAWT-00-0000-0000T6053 (280 лм, цена 5,45 долл.).
Результаты расчета сведены в таблицу 2.

В данном случае картина кардинально не изменилась. На первом месте оказался светодиод серии XM-L. Вызывает интерес то, что по стоимости люмена практически сравнялись светодиоды XPEWHT-01-0000-00ED2 и XPGWHT-L1-0000-00G53. Сравнивая их по параметру светоотдачи, предпочтение, конечно, следует отдать XPGWHT-L1-0000-00G53. Кроме того, используя этот светодиод, можно уменьшить количество вторичной оптики в светильнике, поскольку световой поток XP-G выше, чем XP-E, и потребуется меньшее число XP-G, а соответственно, и меньше линз. Тем не менее если использовать XPEWHT-01-0000-00ED2 на токе биновки (350 мА), увеличивая тем самым срок его службы и повышая надежность системы, то со светоотдачей, сравнимой со светодиодом XP-G, мы получим существенно более низкую стоимость люмена.  
Сравнивая данные таблицы 1 и таблицы 2 можно заметить, что самая низкая стоимость люмена — у светодиода XMLAWT-00-0000-0000T5053.
Мы рассмотрели возможности программы по расчету и сравнению отдельных светодиодов для выбора оптимального варианта. Разрабатывая светодиодный светильник, чаще бывает необходимо определить количество светодиодов, исходя из требуемого светового потока, и учесть при этом неизбежные потери при нагреве кристалла светодиода, потери на светорассеивающем стекле и потери энергии в источнике питания.
 
Пример №2. Требуется рассчитать количество светодиодов для изготовления светильника, встраиваемого в подвесной потолок типа «Армстронг», и определить значение рабочего тока светодиодов. Общая стоимость источников света должна быть минимальной.

Зададимся начальными условиями:
– желаемый световой поток светильника: 3000 лм;
– полная эффективность светильника: не менее 65 лм/Вт;
– КПД источника питания 87%;
– потери в светорассеивающем стекле 18%;
– цветовая температура: нейтральный белый (4700–6000 К);
– температура в «точке пайки» 60°С.
Для подобного светильника наиболее подходящими светодиодами являются изделия
– серий MX-6, ML-E, ML-B, MX-3. Используя светодиоды этих серий, можно получить равномерную засветку светящейся поверхности при очень хорошем качестве света, что и обеспечивает популярность данных светодиодов именно в подобных приложениях.
Выберем для сравнения следующие позиции светодиодов:
MX6AWT-A1-0000-000CB1 (100 лм, цена 1,12 долл.);
MX3AWT-A1-0000-000DDZ (107 лм, цена 0,96 долл.);
MLEAWT-A1-0000-0003А1 (45,7 лм, цена 0,61 долл.).
Зададим в программе требуемые параметры и произведем расчет (см. рис. 3).

Рис. 3. Cравнение серий светодиодов MX-6, MX-3 и ML-E

По полученному результату видно, что для обеспечения заданных требований выгоднее всего использовать светодиод MX6AWT-A1-0000-000CB1. Рабочий ток светодиода в этом случае не должен превышать 350 мА. Полная расчетная эффективность светильника будет на уровне 64 лм/Вт, потребуются 36 светодиодов общей стоимостью 40,3 долл.
Для получения более равномерной засветки светящейся поверхности светильника можно применить светодиоды MLEAWT-A1-0000-0003А1. Потребуются 89 свето­диодов общей стоимостью 52,5 долл., что несколько выше, чем при использовании серии MX-6, но при этом можно достичь лучших потребительских свойства светильника. Рабочий ток светодиодов в данном примере должен быть 150 мА. Однако в нем не учтено одно обстоятельство, связанное с тем, что при использовании светодиодов серии ML-E можно применить светорассеивающее стекло с меньшими потерями, поскольку светодиоды серии ML-E используются в большом количестве и устанавливаются с меньшим шагом по сравнению с серией MX-6. Поэтому энергетические и стоимостные показатели в конечном итоге могут улучшиться.
Выполненный расчет показывает, что серия светодиодов MX-3 в данном примере имеет невысокие показатели по светоотдаче и стоимости. Серию МХ-3 целесообразно использовать, если по каким-либо причинам невозможно увеличить рабочий ток более 350 мА. Тогда на светодиодах этой серии можно получить некоторый выигрыш в общей стоимости светильника, но с небольшим понижением эффективности.
Рассмотренные примеры показали, что выбору всегда есть место и многое зависит от того, что требуется в конечном изделии.
Использование данной программы поможет инженеру выбрать тип светодиода и оптимальный режим его работы в каждом конкретном случае применения с учетом множества факторов, не затратив при этом много времени.