Ne s0 2010 by plok

СОДЕРЖАНИЕ + СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010 г. Приложение к информационно-техническому журналу Учредитель – ЗАО «Компэл» Издается с 2010 г. Свидетельство о регистрации: ПИ № ФС77-19835 Редактор: Геннадий Каневский vesti@compel.ru Выпускающий редактор: Анна Заславская

СВЕТОТЕХНИКА Тенденции современной полупроводниковой светотехники Валерий Манушкин..................................................................................................... 3 Краткое руководство по выбору осветительных светодиодов Игорь Елисеев............................................................................................................. 6 Светодиоды-долгожители: правда или мистификация? Алексей Васильев.................................................................................................... 10 Мировой рекорд Cree: 160 люмен на Ватт Сергей Миронов....................................................................................................... 13 Теплоотвод в светодиодных осветительных системах: решения Fischer Сергей Свитнев......................................................................................................... 17 Фокусируя свет: оптика от Carclo Александр Балашов................................................................................................. 21

Редакционная коллегия: Андрей Агеноров Евгений Звонарев Сергей Кривандин Александр Маргелов Николай Паничкин Борис Рудяк Илья Фурман Дизайн, графика, верстка: Елена Георгадзе Владимир Писанко Евгений Торочков Распространение: Анна Заславская Электронная подписка: www.compeljournal.ru Отпечатано: «Гран При» г. Рыбинск

Тираж – 1500 экз. © «Новости электроники» Подписано в печать: 15 декабря 2010 г.

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОТ РЕДАКТОРА

Уважаемые читатели! Рад представить вам пилотный выпуск приложения к журналу «Новости электроники» – «НЭ + Светотехника». И сразу скажу – это будет не столько приложение (несмотря на внешнее сходство двух изданий), сколько отдельный ежеквартальный журнал. Полупроводниковая светотехника – бурно развивающаяся отрасль, но помимо этого, у нее есть одна особенность: она стала модной, со всеми плюсами (дополнительные инвестиции) и минусами (многочисленные спекуляции на тему осветительных светодиодов). Несомненно, смена типа источников света и всей философии освещения назрела. Но мы в своем журнале постараемся быть корректными и конкретными: будем писать

о новых и существующих изделиях, сравнивать различные решения, давать практические рекомендации. Как поставщик осветительных светодиодов и всей «обвязки» для их применения, компания КОМПЭЛ представляет на российском рынке продукцию таких серьезных производителей, лидеров отрасли, как Cree (светодиоды и светодиодные модули), Mean Well, Inventronics, EagleRise, Glacial и TDK-Lambda (модульные источники питания для светодиодных осветительных систем), Ledil, Carclo и Khatod (вторичная оптика), Elumina и AcTec (контроллеры светодиодных модулей), Fischer (радиаторы). Линейка поставок будет расширяться. Мы с удовольствием выслушаем ваши предложения по ее расширению.

Тематический план «НЭ+Све тотехника» только формируется, и мы приглашаем активно участвовать в этом процессе инженеров-светотехников, специалистов по светодиодам, представителей кафедр светотехники ВУЗов. По всем вопросам, связанным с полупроводниковой светотехникой, вы можете обращаться к нашим инженерам Сергею Миронову и Александру Балашову. Их контактный e-mail: svet. msk@compel.ru.

С уважением, Геннадий Каневский

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Валерий Манушкин (г. Москва)

Тенденции современной полупроводниковой светотехники

Сегодня на рынке светотехники происходят явления, которые случаются раз в 50 лет, а то и реже. Несмотря на кризис, мы наблюдаем постоянный рост объемов производства и потребления светотехнической продукции. Конечно же, речь идет об осветительных светодиодах с их уникальными качествами: долговечностью, низкими эксплуатационными расходами, малым энергопотреблением. С одной стороны, существуют (и развиваются) стандартные белые светодиоды – сверхъяркие и мощные. С другой – на рынок выходят абсолютно новые источники света: органические светодиоды.

олупроводниковые источники света сегодня можно разделить на две группы – неорганические (традиционные) и органические светодиоды. Две основные сферы их применения – дисплеи и общее освещение. Кончено же, нас больше интересует второй пункт, однако оба сегмента рыка непрерывно оказывают влияние друг на друга. Ключевым фактором, влияющим на рост рынка полупроводниковой светотехники, является стремление повысить энергоэффективность существующих решений в освещении – офисном и дорожном. Именно в этих секторах сейчас идет активное внедрение полупроводниковых источников света. LED По официальным данным теоретически максимально возможная световая эффективность источника света может составлять 600 лм/Вт. Но, как и скорость света, она никогда не будет достигнута. Практический предел для белого светодиода, по данным ученых, составит в будущем 300 лм/Вт. Существующие коммерческие образцы мощных белых светодиодов сейчас выдают от 100 до 160 лм/Вт. Сравнивая их с традиционными источниками света, мы видим, что сейчас это наиболее перспективное направление, по световой эффективности давно обогнавшее обычные и галогенные лампы накаливания, обошедшее компактные люминесцентные лампы, линейные «люмки» Т8, Т5, и в отдельных случаях догнавшее даже такого монстра световой эффективности в светотехнической индустрии, как ДНаТ (130 лм/Вт).

Конечно же, любая новая технология априори не может стоить дешево, и, говоря о повсеместной замене традиционных источников света на светодиоды, надо понимать, что с экономической точки зрения это не всегда оправдано. Не смотря на множественные техникоэкономические обоснования (ТЭО) внедрения светодиодных светильников со сроками окупаемости в период от 8 месяцев (!) до 1,5 лет, сейчас нет ни одного, не подвергнутого сомнению. К сожалению, любое подобное ТЭО имеет ряд нюансов, апеллируя к которым (или скрывая их) можно с легкостью сократить расчетный срок окупаемости в дватри раза. Зачастую в формулу окупаемости не вносятся стоимость работ по замене светильников, опор, проводки и т.п. Есть еще масса нюансов, которые используют недобросовестные производители светодиодных светильников. Порой реальные параметры изделия не отображаются: не учитываются потери на блоке питания, во вторичной оптике или рефлекторах, а также на защитных колпаках или светорассеивающих материалах. Очень часто указывается световая эффективность готового изделия, равная суммарной световой эффектив-

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ности светодиодов, причем взятой из их «даташитов». Надо отметить, что даже с профессиональным подходом к проектированию светильника потери могут составить 30...60%. Конечно, речь идет об изделии, у которого издержки производства снижены до минимума. Одним словом, заявление о том, что «наш светильник имеет эффективность в 100 лм/Вт», нужно, как минимум, перепроверить, поскольку эти данные либо чрезвычайно завышены, либо изделие настолько дорогое, что попросту никогда не окупится. Бесспорно, на рынке существуют модели LED-светильников (офисных и уличных), имеющие оптимальное соотношение цены и качества. Сейчас их мало, но в продаже регулярно появляются светодиодные изделия, где явно виден профессионализм разработчиков, а параметры, перепроверенные в лабораториях, практически не расходятся с данными производителя. Но повторюсь – это редкие экземпляры. Говоря о преимуществах LEDтехнологии, стоит привести в качестве примера пилотный проект ЛосАнджелеса по тестовой эксплуатации светодиодных продуктов на одной из улиц города. Он наглядно показал результаты по энергетической эффективности светодиодного освещения, которые были весьма впечатляющими. Однако муниципалитет города намеренно уменьшил в техническом задании энергоэффективность через ограничение тока на светодиодах, установил минимальный уровень потерь в световом потоке (пока это возможно только для самых передовых и дорогих произво-

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

дителей – Cree, Lumileds, OSRAM, Niche), а также ввел дополнительные требования по сервисному обслуживанию и увеличил срок гарантии на светильники. На мой взгляд, главный вывод, который сделали руководители проекта: эффект от внедрения светодиодных источников света заключается не столько в снижении затрат на электроэнергию, сколько в увеличении срока эксплуатации систем освещения. Поэтому срок службы, ремонтопригодность и простота замены компонентов светильника являются ключевыми моментами. Кроме того, важным шагом на пути внедрения светодиодного освещения должна стать стандартизация светодиодных систем освещения. Пожалуй, сейчас это самый большой камень преткновения на пути повсеместного внедрения полупроводниковых источников света: этот вопрос не проработан до конца еще ни в одной стране мира. Стоит добавить, что еще одним ключевым выводом вышеупомянутого проекта является требование по управ-

лению светодиодным светом, которое появилось в перечне требований ЛосАнджелеса. Например, использование беспроводных технологий в уличных светильниках открывает не только новые возможности по их сервисному обслуживанию, но и новые возможности для передачи данных. OLED Органические светодиоды – отдельная тема на рынке полупроводниковых источников света. Даже если сравнивать с обычными белыми светодиодами для освещения, OLED уже сейчас имеют такое количество коммерческих преимуществ, которое с легкостью может затмить плюсы LED во многих областях. Интерес к органическим светодиодам как к коммерчески перспективным устройствам возник в конце XX столетия после публикации работ группы Танга и Ван Слайка (лаборатория Eastman Kodak, США) и открытия фосфоресцентных (триплетных) материалов группой Фореста (США). Несмотря

на более поздний старт, лабораторные образцы OLED-структур в настоящее время демонстрируют характеристики, сравнимые с лучшими образцами светодиодов мировых лидеров. Однако здесь стоит отметить: в программе развития светодиодной промышленности, разработанной американским департаментом по энергетике (US DOE Solid State Lighting Roadmap), прописана стратегия, в которой OLED- и LEDтехнологии рассматриваются не как конкурирующие, а как взаимно дополняющие направления. К основным различиям в первую очередь стоит отнести низкую габаритную яркость и гибкость. Именно это дает преимущество OLED-технологиям перед LED в системах общего освещения – например, офисного. LED-кристалл является сверхъярким точечным источником света, излучение которого легко и без существенных потерь можно сфокусировать с помощью внешней оптики для получения необходимой диаграммы направленности. Для создания LEDсветильника с распределенным диффузным светом необходимо применять различного рода рассеивающие конструкции, в которых потери достигают 30...40%. В свою очередь, OLED-панель уже является распределенным диффузным источником света, который нецелесообразно фокусировать. Таким образом, LED-светильники выигрывают в секторе направленных источников света, а OLED – в секторе распределенных. Это также является важным моментом в процессе отвода от активной области тепла, которое неизбежно выделяется из-за потерь в структуре. В неорганических светодиодах рабочие плотности тока достигают значений в десятки A/cм2, что при высоком тепловом сопротивлении кристалл/корпус и отсутствии внешнего теплоотвода от корпуса светодиода (радиатора) приведет к его перегреву, выходу из строя или существенному снижению времени жизни и эффективности. В OLED-

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ структурах токи распределены по большой поверхности, и рабочая плотность тока составляет величину в десятки мA/cм2, что не приводит к существенному разогреву структуры и исключает необходимость установки радиатора. В настоящее время появляется большое количество прототипов светотехнических устройств на базе OLEDструктур: светильники различных конструкций, светящиеся потолки и стены, в т.ч. полупрозрачные и т д. Мировой уровень развития OLEDтехнологии давно перешел на стадию коммерциализации. Эти технологии все более уверенно занимают позиции на рынке, о чем свидетельствует пример дисплейных применений. Все это происходит несмотря на то, что ряд экспертов высказали сомнения относительно широкого распространения OLED-технологии, а некоторые открыто называли ее успех фикцией. Учитывая научные и технологические достижения, колоссальные объемы мирового финансирования, программы развития, принятые на уровне ведущих государств и крупнейших корпораций, не возникает сомнений в успехе OLED-технологии в области освещения. Стоит отметить, что в производстве LED-устройств определенная компания может взять на себя только часть операций в технологическом процессе, например, корпусирование кристаллов, купленных в виде пластин, или произ-

СВЕТОТЕХНИКА водство LED-модулей из уже корпусированных светодиодов. При организации OLED-производства необходимо создание завода «под ключ» с покупкой всей технологической линии производства OLED-панелей, что потребует значительных вложений. Успех российских проектов может быть обеспечен только за счет привлечения финансов бизнесструктур, заинтересованных в организации массового производства, при всесторонней поддержке государства. Заключение Развитие источников света всегда указывало и указывает вектор направления для бизнесов, а их успешное внедрение – на то, как будет развиваться вся отрасль в целом. Однако, несмотря на большое количество дискуссий, до сих пор никто не может дать четкого ответа, какой источник света сейчас является наиболее энергоэффективным и наиболее выгодным для внедрения. С одной стороны – есть газовый разряд. Те, кто вплотную им занимается, в один голос утверждают, что это плазма, аналог Солнца, что этот источник света наиболее перспективный, еще до конца не изучен, и списывать со счетов его рано и глупо. С другой – наступают светодиоды. Сегодня они превосходят всех своих конкурентов по скорости улучшения параметров, темпам снижения стоимости за люмен и количеству ежегодно внедряемых проектов, пусть даже и пилотных.

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

Ну и, конечно же, органические светодиоды. Пять лет назад эта технология описывалась как новомодная «фишка», все говорили: «интересно, но дорого». Никто не видел в OLED перспективы и не верил в их коммерческий успех. Что мы наблюдаем сейчас? Скорость роста такого параметра как соотношение количества люмен на ватт потребляемой мощности растет быстрее, чем у классических светодиодов. И это притом, что развитие органических светодиодов началось на несколько лет позже активного развития неорганических. Весьма интересно наблюдать за появлением на свет исследований о влиянии их спектра на человека, полноценных докладов о субъективном восприятии людьми помещений, освещенных принципиально новым источником света. Более того, медленно, но верно растет количество конечных изделий на их основе. Ведущие светотехнические компании мира на крупнейших выставках четко показывают свое твердое намерение двигаться параллельно и в OLED-направлении. Одним словом, несмотря на пока еще высокую стоимость и скромные характеристики, органические светодиоды могут начать конкурировать на равных с неорганическими уже к 2012 г. Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: lighting.vesti@compel.ru

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Игорь Елисеев (КОМПЭЛ)

Краткое руководство по выбору осветительных светодиодов

Разработчикам и производителям осветительных приборов становится все сложнее разбираться в многообразии мощных светодиодов. Как выбрать оптимальный вариант? На какие характеристики светодиода следует ориентироваться в процессе выбора? На эти и другие вопросы ответит данная статья.

сего несколько лет назад количество производителей мощных светодиодов исчислялось буквально единицами, а ассортимент их продукции насчитывал максимум несколько десятков изделий. Сегодня в распоряжении разработчиков полупроводниковых источников света имеются десятки тысяч наименований осветительных светодиодов, и это количество непрерывно растет. Ассортимент одной только компании CREE в категории мощных светодиодов превышает тысячу наименований. В большинстве случаев для разработчика не вполне очевидно, какими критериями руководствоваться и какие параметры светодиодов анализировать в процессе разработки изделия для выбора оптимального варианта. Попробуем разобраться в этих вопросах. Прежде всего, требуется понять, что является критерием выбора при разработке светотехнических изделий на базе светодиодов. Для этого нужно определиться с конечной целью разработки. В общем случае целью любой разработки является получение конкурентоспособного коммерческого продукта. А чтобы продукт стал конкурентоспособным, необходимо чтобы он обладал определенным набором потребительских характеристик. К таким характеристикам относятся качество, срок службы, технические параметры и стоимость готового изделия. Наилучшее сочетание этих характеристик и является критерием выбора. То есть, необходимо подобрать такой светодиод, который обеспечил бы высокое качество, долгий срок службы, необходимые технические параметры (в первую очередь заданную величину светового потока) и низкую стоимость разрабатываемого изделия.

Следуя этим принципам, в первую очередь надо сократить область поиска, ограничившись только теми производителями мощных светодиодов, которые зарекомендовали себя как поставщики продукции высокого качества. На следующем шаге выбираются светодиоды, удовлетворяющие условию по продолжительности срока службы. Срок службы светодиодов определяется как время, в течение которого интенсивность свечения падает до уровня 70% от

первоначальной величины. Как известно, это время напрямую зависит от температуры кристалла. Поэтому на данном этапе также определяется максимально допустимая температура кристалла светодиода. На рисунке 1 представлены графики зависимости интенсивности свечения от времени при различных значениях температуры кристалла для светодиодов CREE. В соответствии с этим графиком, если, например, срок службы светодиода должен быть не менее 50000 часов, то рабочая температура кристалла не должна превышать 90°С. Соответственно, система охлажде-

Рис. 1. Зависимость интенсивности свечения от времени при различных значениях температуры кристалла для светодиодов CREE

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

ния светодиода должна быть рассчитана таким образом, чтобы рабочая температура кристалла для всех возможных условий эксплуатации не превышала заданной величины. Итак, мы определили группу светодиодов, удовлетворяющих условиям по качеству и продолжительности срока службы, а также – допустимую величину рабочей температуры кристалла (это ключевой параметр, на основании которого будут рассчитываться остальные характеристики разрабатываемого изделия). Теперь из этой группы приборов надо выделить те, которые обеспечат необходимую величину светового потока при условии минимальной стоимости. Для этого надо выяснить, какие светодиоды и при каких режимах работы обеспечат минимальную «стоимость света» (то есть минимальное соотношение цена/люмен). Поэтому, для дальнейшего изложения материала нам потребуются конкретные примеры. Предположим, что на предыдущем этапе мы выбрали светодиоды CREE следующих серий – XP-C, XP-E, XPG, MC-E и MX-6. В этой группе минимальную стоимость (но и минимальные значения светового потока) имеют светодиоды серии XP-C. А самые дорогие в этой группе (но при этом имеющие максимальную эффективность) – светодиоды серии XP-G (по сравнению с ценой на кристалл в случае четырехкристалльных MC-E). Наша задача выяснить, какой из этих светодиодов, и в каком режиме обеспечит минимальную стоимость люмена. Для определенности выберем из каждой серии по нескольку позиций с максимальными значениями по световому потоку, работающих в одном и том же диапазоне цветовых температур. Допустим, нас интересуют светодиоды холодного белого свечения с интенсивностью от 80 люменов на токе

Таблица 1. Распределение светодиодов по стоимости люмена Световой поток, лм (при 350 мА и 25°С)

Цена, USD

XPCWHT-L1-0000-00903

80,6

1,5

XPCWHT-L1-0000-00A03

87,4

1,6

XPCWHT-L1-0000-00B03

93,9

1,7

XPCWHT-L1-0000-00C03

100

2,0

XPEWHT-L1-0000-00B03

93,9

2,6

XPEWHT-L1-0000-00C03

100

2,7

XPEWHT-L1-0000-00D03

107

2,8

XPEWHT-L1-0000-00E03

114

3,3

XPGWHT-L1-0000-00E53

114

3,9

XPGWHT-L1-0000-00F53

122

4,1

XPGWHT-L1-0000-00G53

130

4,5

XPGWHT-L1-0000-00H53

139

5,0

MCE4WT-A2-0000-000K03

370

9,6

MCE4WT-A2-0000-000M03

430

11,9

MX6AWT-A1-0000-000C53

114

2,1

MX6AWT-A1-0000-000D53

122

2,3

Наименование

Рис. 2. Зависимость интенсивности свечения от температуры кристалла для светодиодов серии XP-G

Таблица 2. Величины светового потока для различных токов Наименование XPCWHT-L1-0000-00903

Световой поток, лм 350 мА

500 мА

68,5

92,5

XPCWHT-L1-0000-00A03

74,3

100,3

XPCWHT-L1-0000-00B03

79,8

107,8

700 мА

XPCWHT-L1-0000-00C03

85,0

114,8

XPEWHT-L1-0000-00B03

79,8

107,8

131,7

XPEWHT-L1-0000-00C03

85,0

114,8

140,3

XPEWHT-L1-0000-00D03

91,0

122,8

150,1

XPEWHT-L1-0000-00E03

96,9

130,8

159,9

XPGWHT-L1-0000-00E53

96,9

130,8

159,9

1000 мА

242,3

XPGWHT-L1-0000-00F53

103,7

140,0

171,1

259,3

XPGWHT-L1-0000-00G53

110,5

149,2

182,3

276,3 295,4

XPGWHT-L1-0000-00H53

118,2

159,5

194,9

MCE4WT-A2-0000-000K03

314,5

424,6

518,9

493,4

603,1

MCE4WT-A2-0000-000M03

365,5

MX6AWT-A1-0000-000C53

96,9

MX6AWT-A1-0000-000D53

103,7

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА Таблица 3. Окончательные значения стоимости люмена Наименование

Стоимость люмена, USD/лм 350 мА

500 мА

XPCWHT-L1-0000-00903

0,0219

0,0162

XPCWHT-L1-0000-00A03

0,0215

0,0160

XPCWHT-L1-0000-00B03

0,0213

0,0158

XPCWHT-L1-0000-00C03

0,0235

0,0174

XPEWHT-L1-0000-00B03

0,0326

0,0241

0,0197

XPEWHT-L1-0000-00C03

0,0318

0,0235

0,0193

XPEWHT-L1-0000-00D03

0,0308

0,0228

0,0187

XPEWHT-L1-0000-00E03

0,0341

0,0252

0,0206

XPGWHT-L1-0000-00E53

0,0402

0,0298

0,0244

0,0161

XPGWHT-L1-0000-00F53

0,0395

0,0293

0,0240

0,0158

XPGWHT-L1-0000-00G53

0,0407

0,0302

0,0247

0,0163

XPGWHT-L1-0000-00H53

0,0423

0,0313

0,0256

0,0169

MCE4WT-A2-0000-000K03

0,0305

0,0226

0,0185

MCE4WT-A2-0000-000M03

0,0326

0,0241

0,0197

MX6AWT-A1-0000-000C53

0,0217

MX6AWT-A1-0000-000D53

0,0222

Рис. 3. Зависимость интенсивности свечения от величины прямого тока для светодиодов серии XP-G 350 мА. В таблице 1 перечислены позиции, выбранные нами для исследования, с некими условными ценами (для нашего гипотетического примера реальные цены не нужны, нам важно знать только соотношение цен для разных позиций). Судя по данным в таблице 1, лучшая стоимость люмена – у позиции XPCWHT-L1-0000-00B03 (0,0181 у.е./ лм), а худшие показатели – у светодиодов серии XP-G. Но на самом деле это не так! В таблице приведены данные только для одного значения тока (350 мА) и притом – на температуре 25°С. В реальных условиях температура кристалла будет намного выше, что приведет к снижению величины светового потока. А при повышении тока через светоди-

од вырастет интенсивность излучения, что приведет к улучшению соотношения цена/люмен. Поэтому никаких однозначных выводов по этим данным делать нельзя. Необходимо провести более детальное исследование с учетом реальной температуры кристалла и на разных значениях рабочего тока. Зададим рабочую температуру кристалла равной 90°С (как отмечалось выше, при такой температуре срок службы светодиода будет порядка 50000 часов). На рисунке 2 изображен график зависимости интенсивности излучения от температуры кристалла для светодиодов серии XP-G. Судя по этому графику, при повышении температуры до 90°С интенсивность снижается примерно на 15%. Примерно такое же соотно-

700 мА

1000 мА

шение наблюдается и для других светодиодов CREE белого свечения. Поэтому можно принять для всех светодиодов из таблицы 1 поправочный коэффициент, учитывающий температуру кристалла, равным 0,85. Теперь посмотрим, как зависит интенсивность излучения светодиода от величины прямого тока. На рисунке 3 показана данная зависимость для светодиодов серии XP-G. Как видно из этого графика, при повышении прямого тока с 350 до 1000 мА величина светового потока увеличивается в 2,5 раза. С учетом этих данных можно рассчитать реальные величины светового потока при температуре кристалла 90°С для различных значений тока через светодиод. Для расчетов выберем следующие значения токов – 350, 500, 700 и 1000 мА. Эти величины являются максимальными значениями токов для различных серий (например, для XP-G это 1000 мА, а для MX-6 – 350 мА). Полученные данные сведены в таблицу 2. Теперь мы можем получить действительные значения стоимости люмена, поделив цены светодиодов на значения интенсивности свечения из таблицы 2. Результаты представлены в таблице 3. Согласно данным таблицы 3, теперь у нас есть два явных лидера по показателю «стоимость люмена» – XPCWHT-L10000-00B03 на токе 500 мА и XPGWHTL1-0000-00F53 на токе 1000 мА. Выбор между ними зависит от того, какую величину светового потока должно иметь конечное устройство. Если речь идет о значениях в 100...200 лм, то следует выбрать XP-C, при больших значениях предпочтительнее XP-G. Действительно, для светильника на 200 лм выгоднее

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ взять два светодиода XP-C по 1,7 USD, нежели один XP-G по 4,1 USD. Но уже для светильника на 250...260 лм ситуация становится прямо противоположной – дешевле использовать один XP-G вместо трех XP-C. Разумеется, себестоимость конечного продукта не ограничивается стоимостью одних только светодиодов. Но, как показывает практика, светодиод выступает в качестве одного из ценообразующих элементов, внося значительный вклад в себестоимость всего изделия. Поэтому использование изложенной выше методики подбора светодиода по принципу минимальной «стоимости света» в большинстве случаев будет вполне оправдано и позволит сократить себестоимость готового изделия в целом. Проверим это утверждение на простом примере. Из таблицы 2 видно, что два светодиода XPGWHT-L1-0000-00F53 на токе 1000 мА дают такой же световой поток, как один MCE4WT-A2-0000000K03 на 700 мА. Допустим также, что в готовом изделии должна использоваться вторичная оптика. Тогда в случае MC-E потребуется только одна линза, а в варианте на XP-G – две. Логично предположить, что при использовании MC-E можно получить меньшую себестоимость за счет экономии на стоимости линзы. Стоимость линзы можно принять за 1,3 USD. Тогда стоимость решения на XP-G будет равна 2 х (4,1 + 1,3) = 10,8 USD., а решение на MC-E будет стоить 9,6 + 1,3 = 10,9 USD. То есть решение на светодиоде серии XPG, который обеспечивает минимальную стоимость люмена, все же дает лучший результат. В общем случае для выбора наилучшего варианта, скорее всего, придется просчитать стоимость различных вариантов решений на нескольких светодиодах с лучшими показателями по стоимости люмена. Конечно, выполнять все эти вычисления вручную утомительно. Для удобства компания CREE разработала специальную программу расчета всех основных характеристик светодиодов, в том числе и стоимости люмена, в зависимости от начального светового потока светодиода, температуры окружающей среды/кристалла и протекающего тока. Программа имеет название «Product Characterization Tool» (сокращенное название PCT) и получить её могут совершенно бесплатно все желающие. Для получения необходимо зайти на сайт http://pct.cree.com, пройти процедуру простой регистрации, и файл этой программы будет выслан на адрес электронной почты. Интерфейс программы – интуитивно понятный, и для её использования не требуется каких-либо специальных знаний. На сайте (http://pct.cree.com) приведена краткая инструкция по рабо-

СВЕТОТЕХНИКА

Рис. 4. Интерфейс программы PCT те с этой программой и её возможности (рис. 4). Интерфейс программы позволяет одновременно сравнивать по различным параметрам до трех моделей светодиодов. Параметры, по которым происходит сравнение, выбираются пользователем в верхней части экрана (окно Design Parameters), диапазон токов, в котором будет происходить сравнение, выбирается в окне Drive Current Range. Далее выбирается тип светодиода в окне MODEL X, его начальный световой поток, и в этом же окне, в строке ниже,

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

задается цена светодиода и его температурный режим. В результате этих манипуляций программа выдаст рассчитанные значения заданных параметров при различных токах эксплуатации. Использование данной программы поможет разработчику выбрать тип светодиода и наиболее оптимальный режим его работы в каждом конкретном случае с учетом многих параметров. Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: lighting.vesti@compel.ru

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Алексей Васильев (г. Москва)

Светодиоды-долгожители: правда или мистификация?

Важнейшим аргументом среди приводимых сторонниками использования светодиодных светильников является большой срок службы этих устройств. Указываются весьма внушительные цифры, но не сообщается, каким способом они получены. Результат – недоверие потребителя к светодиодам. Ведь для оценки экономического эффекта от внедрения светодиодов, надо понимать, сколько реально прослужат светильники на их основе. Разобраться в этом вопросе поможет статья, подготовленная выпускающим редактором журнала «Магазин свет» (www.magazine-svet. ru) Алексеем Васильевым и публикуемая нами с разрешения редакции этого журнала.

Интернете по разным сайтам гуляет «конспирологическая» версия, что срок службы обычной лампы накаливания якобы специально ограничен значением 1000 часов из-за состоявшегося в 20-х годах прошлого века картельного сговора крупнейших производителей ламп. Конечно, любой специалист понимает, что «лампочка Ильича» имеет такой срок службы из-за принципа действия, и никто время ее работы специально не ограничивает. И все-таки своих сторонников такая «теория заговора» имеет. Они, наверное, придут в ужас, узнав, сколь долгую жизнь обещают своим детищам производители светодиодных светильников. Небольшие малоизвестные фирмы без лишних реверансов указывают время службы светильника 100000 часов. Другие ограничиваются более скромными цифрами – всего 35000 часов. Можно ли верить этим данным? Обычно под сроком службы понимают время, которое устройство работает до момента выхода из строя, причем это не обязательно полная неработоспособность, а падение характеристик ниже определенного уровня. При оценке срока службы светодиодов момент выхода их из строя определяется как снижение светового потока ниже определенного процента от номинального значения. И здесь уже начинаются разночтения между разными компаниями. Одни производители считают таким порогом снижение светового потока на 30% от номинального значения, другие – на 50%. Указанные данные, как правило, не сообщаются в рекламных материалах, да и в документации к светильникам зача-

стую тоже, что не позволяет покупателю сделать правильный выбор. Мастера экстраполяции Даже если ситуация с порогом снижения светового потока ясна, это еще не значит, что вы получили достоверную информацию о продолжительности работы светодиодов. Наиболее распространенное значение срока службы, которое указывается в рекламных материалах – 50000 часов, т.е. 5 лет и 8 месяцев. Естественно, никто столь долго новый тип светодиода испытывать не

будет. События на светодиодном рынке развиваются так быстро, что за указанное время светодиод уже снимут с производства и вместо него запустят новый тип. Поэтому проводят испытания светодиода, наблюдают за процессами его старения в экстремальных условиях (сила тока и температура кристалла находятся на пределе допустимых значений) в течение относительно короткого промежутка времени, а потом экстраполируют зависимость на больший временной интервал уже для нормальных условий эксплуатации. Наиболее часто для определения рабочего ресурса светодиодов используют модель Аррхениуса. В общем виде она описывает не только полупроводниковую светотехнику, но и многие процессы в химии и биологии. Модель показывает, насколько ускоряются химические реакции, в том числе процессы деградации в кристалле, при повышении температуры. λ2 = λ1exp[Ea(1/T1 – 1/T2)/k],

Рис. 1. Зависимость срока службы от температуры для различных типов светодиодов

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Таблица 1. Некоторые виды тестов надежности, используемых компанией Сree Стандарт

Параметры окружающей среды

Подача тока

Работа при комнатной температуре

Вид теста

JESD22, метод A108-C

Температура 45°С,

Постоянно

Работа при повышенной температуре

JESD22, метод A108-C

Температура 85°С,

Постоянно

Работа в условиях повышенной температуры и повышенной влажности

Собственная методика

Температура 60°С, относительная влажность 90%,

Чередование: 1 час подается, 1 час не подается

Работа при пониженной температуре

JESD22, метод A108-C

Температура -40°С,

Постоянно

где λ1 – интенсивность отказов при температуре T1; λ2 – интенсивность отказов при температуре T2; T1 и T2 – температуры p-n-перехода, выраженные в градусах Кельвина, Ea – энергия активации, выраженная в эВ (в полупроводниках равна ширине запрещенной зоны), k – постоянная Больцмана, равная 8,617x10-5 эВ/К. Зная ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен кристалл, а также интенсивность отказов при повышенной температуре, можно определить интенсивность отказов при нормальной температуре, используя модель Аррхениуса. Средняя наработка на отказ является величиной, обратной интенсивности отказов. На рис. 1 показан график зависимости срока службы от температуры для различных типов светодиодов производства компании Seoul Semiconductor, полученный путем экстраполяции результатов испытаний при повышенной температуре. Единого международного стандарта, который бы описывал тестирование светодиодов в экстремальных условиях с последующей экстраполяцией результатов, не существует. Тем не менее, в США есть организация JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council – объединенный инженерный совет по электронным устройствам), разрабатывающая стандарты JESD. Некоторые производители светодиодов, например Cree, пользуются стандартом JESD22 для тестирования светодиодов (см. таблицу 1). Светодиоды испытываются при максимально допустимом токе, продолжительность указанных тестов составляет 1008 часов (42 суток). Критериями выхода светодиода из строя во всех приведенных в таблице испытаниях являются: изменение напряжения смещения более чем на 200 мВ, снижение светового потока более чем на 15%,

Деградация кристалла Напомним, что светодиод белого свечения, как правило, представляет собой кристалл, излучающий синий цвет, который покрыт люминофором. Благодаря суммированию собственного излучения кристалла с индуцированным им излучением люминофора получается свет, воспринимаемый зрением, как белый. Применительно к светодиодом надо различать температуру, измеренную в разных точках: TB — монтажная плата, TS — подложка, TJ — p-n-переход, TA — окружающая среда (рис. 2). Деградация кристалла приводит к снижению мощности излучения. Одна из причин – рост количества дефектов кристаллической решетки. Области кристалла, где появились дефекты, не излучают свет, но при этом генерируют тепло. Другая причина — электрическая миграция материала, из которого сделаны электроды, приваренные к кристаллу. В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру. При деградации кристалла возрастает ток утечки, то есть значительная

Рис. 2. Температура светодиода, измеренная в разных точках

Рис. 3. Mini 300 LED компании Royal Philips Electronics

короткое замыкание, разрыв цепи. Если наблюдается хотя бы одно из указанных явлений, светодиод считается вышедшим из строя. Современные методики позволяют с высокой точностью предсказывать срок службы устройства, но никто не может дать полной гарантии, что теория и практика сойдутся. На срок службы светодиода влияют следующие факторы: • Деградация кристалла; • Старение люминофора; • Механические деформации, внутренние напряжения в корпусе и т.п.; • Помутнение первичной оптики.

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

часть тока начинает проходить не через те участки кристалла, которые излучают свет. В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода, а значит, уменьшается мощность. Деградация кристалла проявляет себя также снижением напряжения на светодиоде. Эта особенность используется для автоматического отключения вышедшего из строя светодиода. Следует различать максимальную рабочую температуру светодиода и максимально допустимую температуру p-n-перехода (если очень упростить ситуацию, то речь идет о температуре внутри кристалла). Срок службы светодиода определяется температурой p-n-перехода. Но поскольку эту температуру можно измерить только в лабораторных условиях с применением сложных и дорогостоящих методов, при проектировании используются математические методы, позволяющие связать ее с температурой в тех или иных точках корпуса светодиода. Скорость деградации светодиода значительно увеличивается при повышении силы тока свыше номинального значения, а также при повышении температуры. По мнению некоторых специалистов к возникновению дефектов в кристаллической решетке может привести действие статического электричества, поэтому рекомендуется осу-

Рис. 4. Светильник CitySoul компании Royal Philips Electronics

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА ществлять монтаж светодиодов с соблюдением стандартных мер по защите от статического электричества. Деградация люминофора В светодиоде деградация люминофора определяется в основном температурой. Ведь люминофор обычно наносят непосредственно на кристалл, который довольно сильно нагревается. Остальные факторы воздействия на люминофор не так значимы. Для эффективного теплоотвода необходимо обеспечить доступ воздуха к радиатору, например, как у Mini 300 LED компании Royal Philips Electronics (рис. 3.). Деградация люминофора приводит не только к уменьшению яркости светодиода, но и к изменению оттенка его свечения. При сильной деградации люминофора хорошо заметен синий оттенок свечения. Это связано как с изменением свойств люминофора, так и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение кристалла. Механические повреждения Некачественные паяные соединения могут со временем разрушаться, что приведет к разрыву цепи. Если разрушилось паяное соединение кристалла с теплоотводящей подложкой или даже уменьшилась площадь контакта, то это приводит к ускорению деградации кристалла. Причиной разрушения соединения, а также разрыва тонких проводников, ведущих к кристаллу, могут быть внутренние механические напряжения в пластмассе. Они возникают как в результате нарушения технологии производства, так и в процессе эксплуатации светодиода при температуре, превышающей максимально допустимое значение. В светильниках Philips CitySoul (рис. 4) используется активная система охлаждения на основе вентилятора. Для повышения надежности светодиодов в последнее время кристаллы стали заливать эластичным прозрачным силиконом. Механические напряжения в этом материале равномерно распределяются, что практически исключает возможность разрушения соединения проводников и кристалла. Помутнение первичной оптики Первичная оптика светодиодов (т.е. оптическая система, непосредственно встроенная в конструкцию) изготавливается из пластмассы или силикона. Помутнение этих материалов может быть связано с действием ультрафиолета. В светодиодах белого свечения, построенных на базе ультрафиолетовых светодиодов, покрытых трехцветным люминофором, такая проблема действительно есть. Но пока подобные светодиоды не получили широкого распространения.

Рис. 5. Светодиоды без первичной оптики В белых светодиодах на базе кристаллов синего свечения помутнение первичной оптики может опять-таки быть вызвано сильным перегревом. Следует отметить, что многие современные типы светодиодов вообще не имеют первичной оптики (рис. 5). Срок службы всего светильника В рекламных материалах производители светильников зачастую указывают именно срок службы светодиодов в нормальных условиях. Но в светильнике из-за перегрева светодиоды могут работать меньше заявленного производителем срока. К тому же, кроме светодиодов, срок службы светильника определяется долговечностью драйвера (блока питания) и вторичной оптики. Для эффективного теплоотвода в светодиодных светильниках используется ребристый алюминиевый профиль (рис. 6). Линзы вторичной оптики в светодиодных светильниках обычно изготавливается из пластмассы, которая со временем мутнеет. Отражатели зачастую делают из пластмассы, покрытой тонким слоем металла. Здесь может возникнуть эффект потускнения металлической поверхности. Указанные проблемы решаются путем использования современных материалов, а также герметизацией корпуса светильника. Для длительной работы светодиодов также важны стабильность напряжения питания и силы тока, которые дает драйвер, а также его устойчивость к всплескам сетевого напряжения. Современная элементная база позволяет создавать блоки питания со сроком службы 50000 часов и более. Но может оказаться и так, что ресурс блока питания меньше, чем у светодиодов. Если светодиод питать током, сила которого больше номинального значения, то можно значительно увеличить его яркость, чем успешно пользуются недобросовестные производители светильников. Обратной стороной такого подхода становится преждевременный выход из строя светодиодов.

Рис. 6. Светильник Color Graze компании Royal Philips Electronics При «разгоне» светодиодов можно увеличить срок службы посредством более сильного охлаждения кристалла, чем при нормальном режиме работы. Однако надо понимать, что даже при обеспечении нормального теплового режима срок службы светодиодов при «разгоне» все равно снижается, поскольку одной из причин деградации кристаллов является превышение максимально допустимого значения тока. Заключение Срок службы светильника определяется не только качеством используемых светодиодов, но и параметрами других узлов конструкции. Применение современных материалов и электронных компонентов, а также правильно спроектированные драйвер и система охлаждения позволяют довести срок службы светильника до значения срока службы светодиодов, заявленного производителем. Но для этого требуются значительные инвестиции в исследования и производство, что могут себе позволить далеко не все компании. Особую бдительность стоит проявлять в тех случаях, когда обещания производителей конечных изделий ничем не подтверждаются, кроме данных по продолжительности работы светодиодов в идеальных условиях. А что можно считать подтверждением? Наилучший вариант, вполне естественный для ведущих компаний – когда гарантийный срок совпадает или близок к заявленному ресурсу, т.е. составляет 3...5 лет. Если же гарантийный срок составляет 1...2 года, ориентируйтесь на срок службы светильника, приведенный в официальной документации на него, а не в рекламных проспектах. В противном случае остается только уповать на репутацию производителя светильника. Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: lighting.vesti@compel.ru

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

Мировой рекорд Cree: 160 люмен на Ватт

Возможно ли было еще недавно представить себе светодиод, пригодный для освещения многополосной автомагистрали? С выпуском компанией CREE серии светодиодов XM-L, расширяющей существующую линейку продукции XLamp, это перестало быть фантастикой.

а сегодняшний день наиболее эффективным источником света является натриевая лампа, имеющая эффективность 120...130 лм/Вт, но обладающая очень низким индексом цветопередачи (Ra) – не более 20. Поэтому, эти источники света применяются для освещения автомагистралей, улиц и т.п., где нет требований к цветопередаче. Стремительное развитие светодиодной отрасли привело к тому, что уже появились светодиоды с эффективностью равной и большей, чем эффективность натриевых ламп, и имеющих очень высокое значение индекса цветопередачи (70...90). Производителем таких светодиодов является компания CREE, начавшая серийный выпуск светодиодов XM-L. XM-L – новая серия светодиодов с революционными значениями эффективности и светового потока. Весной 2010 года компанией CREE был анонсирован новый мощный светодиод XLamp XM-L с самой высокой светоотдачей в отрасли – 160 лм/Вт на токе 350 мА (рис. 1). Серийный выпуск светодиодов планировался осенью 2010

года. И вот это время пришло. В настоящий момент светодиоды этой серии уже доступны для заказа. Светодиоды обладают поистине уникальными характеристиками в разряде однокристальных: световой поток при токе 700 мА имеет значение 280 лм (в холодном белом), тепловое сопротивление 2,5°С/ Вт и максимальное значение тока 3 А. В самом начале, когда компания CREE анонсировала этот светодиод, он был заявлен как светодиод с максимальным током 2 А. Проведя дополнительные, более тщательные тестирования (из-за которых немного задержался серийный выпуск), производитель гарантировал работу и возможность отвода тепла на токе до 3 А. На этом токе световой поток достигает значения уже 910 лм, а мощность, подводимая к светодиоду, составляет всего 10 Вт. Прямое падение напряжения (тип.) 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.

В настоящее время светодиоды этой серии выпускаются только в холодном белом цвете в диапазоне цветовых температур: 5000...8300К с биннингом, как и вся другая светодиодная продукция компании CREE, по стандарту ANSI C78.377. Светодиоды изготавливаются в керамическом симметричном корпусе (5,0х5,0х3,0 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 на использование в световых приборах, заменяющих существующие светильники, выполненные на ДРЛ, металлогалогенных и натриевых лампах, для уличного и промышленного освещения. Ценовая политика компании CREE подтверждает еще один, не всегда очевидный, факт: то, что наиболее низкая стоимость света (рубль/люмен) получается на более дорогих светодиодах, но при их правильном использовании. Под правильным использованием понимается такой режим работы светодиода, кото-

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

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА рый 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...30 копеек за люмен при работе на токе 2,1 А (при заказе определенного количества светодиодов). Использование данного светодиода на токе менее 1,5 А экономически не оправдано, если требуется повышенное значение эффективности (110 лм/Вт и более). Как видно из заявленных параметров, для питания нового светодиода требуются источники с достаточно большим выходным током: 1,5...3,0 А. Выбор производителей источников тока с подобными параметрами ограничен, но их можно найти в линейке производителей Inventronics, UE Electronic, Mean Well или разработать свой собственный под требуемые параметры. Расширяя линейку продукции в области светодиодов мощностью более одного ватта, компания CREE не обходит вниманием и область небольших мощностей: 0,5 Вт и менее. Причем, если основные мировые производители светодиодов идут путем увеличения мощности, то компания CREE в данном случае двигается обратно: от более мощных светодиодов – к светодиодам меньшей мощности. Конечно, и до этого момента в линейке продукции CREE присутствовали и присутствуют 0,5 Вт светодиоды: это известные CLP6B – наследство компании COTCO International (была поглощена в 2008 году компанией CREE), но они относятся к классу сверхъярких светодиодов и не рекомендуются для применения в качестве источников основного света. К осветительным светодиодам применяются более жесткие требования по стабильности цветовых координат и светового потока во времени, которые

выдерживают только светодиоды класса XLamp, специально разработанные для этих целей. 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 2010 г. были запущены в серию 0,5 Вт светодиоды класса XLamp серии ML-E. ML-E – высокоэффективные 0,5 Вт светодиоды класса XLamp для основного света Светодиоды серии ML-E изготавливаются в корпусе для поверхностного монтажа PLCC4 с размерами 3,5х3,5х1,2 мм (рис. 2). Как видно из рисунка, светодиоды имеют теплоотводящую электрически изолированную площадку (HeatSink), которую для отвода тепла требуется припаивать к печатной плате. Отличительной особенностью данной серии светодиодов является высокое значение эффективности – до 112 лм/Вт в холодном белом цвете – и низкое тепловое сопротивление 11°С/ Вт. В пересчете на 1 Вт это значение эквивалентно тепловому сопротивлению 5,5°С/Вт, что является хорошим показателем для мощных светодиодов. Выпускаются светодиоды в диапазоне цветовых температур: 2600...8300К, обладающие световым потоком от 30 лм

Рис. 2. Внешний вид и габаритные размеры светодиода ML-E

(в теплом белом) до 51 лм (в холодном белом) и рассчитаные на максимальный ток 175 мА. Нормирование параметров осуществляется на токе 150 мА. Основное применение светодиоды серии ML-E 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. Ввиду того, что параметры светодиода нормируются на токе 150 мА, а максимальное значение тока всего 175 мА, то можно ожидать, что будут некоторые проблемы с выбором готового модульного источника тока для питания одной последовательной цепочки светодиодов. Дело в том, что практически все выпускаемые источники питания в настоящее время имеют минимальное значение выходного тока 350 мА. Но поскольку у данных светодиодов весьма небольшой разброс по прямому падению напряжения (3,2 В – тип., 3,4 В – макс.), то возможно параллельное соединение нескольких последовательных цепочек таким образом, чтобы их суммарный ток равнялся выходному току выбранного модульного источника. Конечно, при этом будет наблюдаться некоторое перераспределение тока через параллельные цепочки, которое в общем случае будет уменьшаться при увеличении количества светодиодов в одной цепочке. Добиться точного равенства токов можно, введя в цепочки дополнительные, требующие подбора токовыравнивающие элементы, но при этом усложнится технологичность и снизится общий КПД системы. Исключить подобные недостатки возможно, если разработать собственный источник питания на специализированной интегральной микросхеме – светодиодном драйвере. Такие микросхемы (AC/DC, DC/DC) выпускаются многими известными производителями: Texas Instruments, Supertex, STMicroelectronics, ON Semiconductor, Zetex и др. Используя интегральные драйверы, можно разработать источник питания с нужным выходным током. Схемотехника этих драйверов позволяет задавать необходимый ток, как правило, одним резистором. Многокристальный светодиод MX-3 Рассматривая новинки, необходимо упомянуть и о вышедшем в конце лета многокристальном светодиоде MX-3. Многим уже хорошо известен многокристальный светодиод MX-6, имеющий в своем составе пять (с весны 2010 г.) параллельно соединенных кристаллов и максимальное значение тока до 1000 мА. Оптимальный режим работы этого светодиода, исходя из продолжительности

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Рис. 3. Продолжительность жизни светодиода MX-6 при температуре в точке пайки (Tsp), равной температуре окружающей среды (Ta) жизни (31...45 тыс. час, при температуре в точке пайки 85°С) и эффективности (90...80 лм/Вт) – 500...700 мА, но далеко не все потребители используют его на таких токах (рис. 3). Связано это прежде всего с тем, что почему-то ток, при котором нормируются параметры светодиода, считается и рабочим током. На самом деле это не так. Просто первые разработанные мощные светодиоды были светодиодами с потребляемой мощностью около 1 Вт (ток 350 мА), и в дальнейшем для корректного сравнения все производители мощных светодиодов оставили нормирование характеристик именно на этом токе. Рассмотренный в начале статьи светодиод серии XM-L уже нормируется на токе 700 мА. Этим самым производитель заявляет, что использование его на токе 350 мА лишено смысла, только если требуется очень высокая светоотдача (до 160 лм/Вт) и не стоит вопрос затрат. Для применений, где разработчик выбирает рабочий ток не более 400 мА, компания CREE и разработала светодиод серии MX-3 в точно таком же корпусе, как и MX-6, но имеющий в своем составе всего три параллельно соединенных кристалла (рис. 4). Соответственно, серия новых светодиодов имеет и значительно (до 30...40%) меньшую стоимость, чем MX-6. Стоит отметить, что светодиоды серий MX-3 и MX-6 обладают схожими значениями светового потока, но на разных значениях нормируемого тока: MX-3 нормируется при токе 350 мА, а MX-6 – при токе 300 мА. Ввиду того, что у светодиодов разные токи биннинга, это приводит к явлению, когда, например, светодиоды с одинаковой группой по световому потоку на токе 350 мА реально обеспечивают разный световой поток. Светодиод серии MX-6 обеспечит световой поток примерно на 14% больше, чем MX-3 на одном и том же рабочем токе, соответственно и эффективность MX-6 выше. Если принять во внимание еще и различие в плотности тока через кристаллы

светодиодов, эта разница только увеличится. Практически светодиоды серии MX-3 – это бюджетный вариант светодиодов серии MX-6 для использования при токах не более 350...400 мА. Рассмотренные многокристальные светодиоды серий MX-3 и MX-6 – это светодиоды с рабочим током от 350 мА и выше, в которых кристаллы соединены параллельно, опять же осенью, компания CREE запустила в серийное производство аналогичные светодиоды, но уже с последовательным соединением кристаллов внутри корпуса и рассчитанных на меньшие токи – MX-3S и MX-6S. MX-3S и MX-6S – многокристальные светодиоды с последовательным соединением кристаллов Светодиоды серий MX-3S и MX-6S выпускаются в точно таком же корпусе, как и рассмотренные выше светодиоды серии MX3 (рис. 4). Стоит отметить интересную особенность: у MX-6S в корпусе шесть кристаллов, в отличие

от MX-6, в котором, как уже было сказано выше, их пять. Основные параметры светодиодов приведены в таблице 1. Ввиду того, что данные серии светодиодов имеют относительно небольшое значение тока (от 60 до 175 мА), то могут возникнуть точно такие же проблемы с выбором готового модульного источника питания, как и у рассмотренных выше светодиодов серии ML-E. Варианты, которые были предложены ранее, действительны и в данном случае. Учитывая тот факт, что кристаллы внутри корпуса соединены последовательно, и светодиоды обладают повышенным прямым падением напряжения (тип. 10,7 В; 20 В), то для питания также становится возможным использование стандартного источника постоянного напряжения, а ограничить ток в цепи светодиода поможет гасящий резистор. В этом случае для MX3S потребуется стабилизированное напряжение 12 В, а для MX-6S – 24 В. Источники питания на такие выходные

Рис. 4. Внешний вид и габаритные размеры светодиодов MX-3, MX-6, MX-3S, MX-6S

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА Таблица 1. Основные параметры светодиодов MX6S, MX3S Параметры Цвет

MX-6S

MX3-S

холодный белый

теплый белый

холодный белый

теплый белый

8300...4300

4300...2600

8300...4300

4300...2600

120º

Максимальный ток, мА

175

150

Прямое падение напряжения (тип.), В (ток 60 мА)

Прямое падение напряжения (тип.), В (ток 115 мА)

–

10,7

100...130

80,6...114

87,4...114

67,2...100

Цветовая температура, К Угол излучения Тепловое сопротивление, ºС°/Вт

Световой поток, лм

Таблица 2. Коды для заказа светодиодов семейства XP XPxWHT – L1 – xxxx – xxxxx

Ra – не нормируется

XPxWHT – H1 – xxxx – xxxxx

Ra = 80

XPxWHT – P1 – xxxx – xxxxx

Ra = 85

XPxWHT – U1 – xxxx – xxxxx

Ra = 90

напряжения очень широко распространены и обладают невысокой стоимостью. Потери энергии на гасящем резисторе в этом случае составят 10...18%, что вполне приемлемо. Конечно, такая схема питания не обеспечит необходимой температурной стабильности, но если эти светодиоды применять там, где изменение температуры невелико, например, для подсветки витрин, закарнизной подсветки и т.п., то эта схема вполне работоспособна, причем будет иметь минимальную стоимость. Кроме того, в этом случае очень удобным становится подключение светодиодов в какую-либо длинную цепь, например для подсветки протяженного участка. Светодиодные модули с установленным гасящим резистором в этом варианте просто подключаются параллельно друг к другу. Если произвести расчет изменения тока для светодиода MX-3S в диапазоне окружающей среды от -25 до 50°С, задав ток через светодиод 120 мА при температуре окружающей среды 25°С и температуре кристалла 80°С, то изменение тока получится в диапазоне от 85 до 145 мА (-30%/+20%). Для повышения температурной стабильности вместо резистора можно применить, например, термозависимый элемент с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позистор). Светодиоды с высоким индексом цветопередачи Увеличение светового потока, увеличение эффективности – это путь повышения количественных показателей света светодиода, но есть еще и качественные показатели, о которых также не следует забывать. Высокое значение светового потока является необходимым, но отнюдь не

достаточным, условием хорошего светодиода. К основным качественным характеристикам источника света можно отнести индекс цветопередачи (Rа) и цветовую температуру, которые определяются спектральным составом излучения. Индекс цветопередачи отражает качество воспроизведения цветовых оттенков освещаемых объектов. Чем больше значение Ra (max = 100), тем естественнее будут выглядеть цвета в свете данного источника света. Самая хорошая цветопередача у ламп накаливания и галогенных ламп (Ra = 100). Широко распространенные люминесцентные лампы имеют индекс цветопередачи 60...98. Цветовая температура, измеряемая в градусах Кельвина, говорит о цветовом оттенке белого источника света, которая может варьироваться от теплого белого (менее 3500К) до холодного белого (более 5300К). Диапазон цветовой температуры от 3500 до 5300К считается нейтральным. Цветность источника света оказывает определенное психофизиологическое воздействие на человека. Так, теплый свет создает спокойную расслабляющую атмосферу и в основном используется для освещения в квартирах. Холодный свет оказывает стимулирующее воздействие, его применение оправдано, например в магазинах. Галогенные источники света дают только теплый свет. Наибольшее количество вариантов цветовой температуры имеют люминесцентные лампы – от 2700 до 6500К. Необходимый спектральный состав источников света для освещения жилых и общественных зданий в зависимости от требований к цветоразличению приведен в СНиП 23-05-95. До настоящего времени все светодиоды, выпускаемые компанией CREE,

не имели четкой сортировки по индексу цветопередачи, был оговорен только диапазон: 70...80 в оттенках нейтрального и холодного белого цвета и 80...85 в оттенках теплого белого цвета. Сейчас этот недостаток устранен и, кроме того, приподнято верхнее значение индекса Ra. Для освещения помещений, где нормируется индекс цветопередачи, теперь возможно заказывать светодиоды с требуемыми параметрами. Изменения произошли с наиболее популярными сериями светодиодов: XP-E, XP-G, MX-6 и MC-E. Информация об индексе цветопередачи уже заложена в ордер-коде (Kit-Number), по которому и происходит заказ светодиодов. В таблице 2 приведено обозначение кода для заказа с нормируемым параметром Ra на примере светодиодов семейства XP. Заключение За очень короткий промежуток времени (менее 5 мес.) компания CREE значительно расширила линейку своей продукции в области светодиодов класса XLamp, выпустив пять новых серий светодиодов в диапазоне мощностей от 0,5 до 10 Вт. Имея в составе своей продукции светодиоды серии XP-G, компания прочно удерживала лидерские позиции. С началом серийного выпуска светодиодов серии XM-L компания CREE заняла абсолютное лидерство на рынке мощных осветительных светодиодов. С XM-L не может на сегодняшний день сравнится ни одно изделие других ведущих производителей светодиодов. Учитывая тот факт, что компания CREE ввела дополнительную сортировку светодиодов по индексу цветопередачи, можно утверждать, что продукция данного производителя обладает не только лучшими количественными параметрами, но имеет очень высокие качественные показатели света.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: lighting.vesti@compel.ru

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Сергей Свитнев (г. Москва)

Теплоотвод в светодиодных осветительных системах: решения Fischer

Теоретическим проблемам отвода тепла от осветительных светодиодов посвящена первая часть статьи. Вторая подкрепляет теорию практикой, помогая разработчику выбрать подходящий радиатор производства немецкой компании Fischer Electronic.

ри работе светодиода далеко не вся подводимая к нему электрическая энергия расходуется на излучение. Значительная ее часть (60-80%) выделяется в виде тепла. Температура p-n перехода, соответствующая температуре активной области кристаллической решетки, является весьма важным параметром светодиода, т.к. от нее зависит внутренний квантовый выход излучения [1], а работа светодиода при повышенных температурах приводит к значительному снижению срока его службы. Кроме того, высокая температура может привести к деформации корпуса диода. Очевидно, если не принять должных мер по отводу излишнего тепла, светодиод будет работать ненадежно или даже выйдет из строя. Именно поэтому многие производители не решаются на серийный выпуск светодиодов с рассеиваемой мощностью более 3 Ватт [2]. Местами выделения тепла внутри светодиода являются контакты, внешние слои и активная область. При низких значениях тока нагревом контактов и внешних слоев можно пренебречь ввиду малости мощности, рассеивающейся на их паразитных сопротивлениях. Поэтому при малых токах основным источником тепла является активная область светодиода, нагрев которой происходит в результате безызлучательной рекомбинации [1]. При повышении тока вклад паразитных сопротивлений контактов и внешних слоев в увеличение температуры диода становится более заметным. Как известно, с ростом температуры кристалла интенсивность излучения светодиода падает. Это происходит из-за увеличения роли безызлучательной рекомбинации через глубокие примесные уровни, поверхностной рекомбинации и потерь носителей заряда в барьерных слоях гетероструктур [1]. На рис. 1 в

качестве примера показана зависимость светового потока белого светодиода Cree XLamp XR-E от температуры кристалла при токе 350 мА [3]. Из рисунка видно, что изменение температуры на 200°С вызывает уменьшение светового потока примерно на 5%. Зависимость срока службы светодиода от температуры кристалла иллюстрируется рисунком на странице . [4]. Здесь необходимо отметить, что светодиоды обычно имеют срок службы, измеряющийся десятками и даже сотнями тысяч часов. Естественно, проводить измерения

спада светового потока диода при различных температурах кристалла на всем протяжении времени свечения диода не представляется возможным. Поэтому наблюдения за процессами старения светодиода проводятся при экстремальных условиях – при повышенном токе. Полученные данные в дальнейшем экстраполируются для нормального рабочего тока. Единого международного стандарта, который бы описывал тестирование светодиодов в экстремальных условиях с последующей экстраполяцией результатов, не существует. Тем не менее, в

Рис. 1. Относительное изменение светового потока светодиода в зависимости от температуры кристалла

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Рис. 2. Изменение напряжения на светодиодах с ростом температуры США есть организация JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council – объединенный инженерный совет по электронным устройствам), разрабатывающая стандарты JESD. Некоторые производители светодиодов, например, Cree, пользуются стандартом JESD22 для тестирования светодиодов. Светодиоды испытываются при максимально допустимом токе, продолжительность указанных тестов составляет 1008 часов (42 суток). Критериями выхода светодиода из строя во всех приведенных в таблице испытаниях являются: изменение напряжения на p-n переходе более чем на 200 мВ, снижение светового потока более чем на 15%, короткое замыкание, разрыв цепи. Если наблюдается хотя бы одно из указанных явлений, светодиод считается вышедшим из строя [4]. Температура p-n перехода ощутимо влияет на спектральные характеристики излучения светодиода. Так, с ростом температуры наблюдается увеличение длины волны, соответствующей максимуму спектральной плотности энергетической яркости [1]. Для белого светодиода, построенного на основе трехкристальной технологии, это приведет к ощутимому изменению цветовой температуры и индекса цветопередачи, в то время как для белого светодиода с люминофором изменение цветовой температуры и индекса цветопередачи будет менее заметным.

Рис. 3. Светодиод XLamp XP-E на основании «звезда»

Отметим, что человеком может быть замечено изменение цветовой температуры на величину порядка 50°К в области теплого белого света. На рис. 2 показано, как меняется напряжение на прямосмещенных p-n переходах светодиодов красного свечения на основе AlInGaP/GaAs, синего и зеленого свечения на основе InGaN/GaN в зависимости от окружающей температуры при питании диодов постоянным током 30 мА. Для всех диодов при повышении окружающей температуры (соответственно – и температуры кристаллов) напряжение прямого смещения падает, что связано с уменьшением ширины запрещенной зоны. Уменьшение электрического сопротивления кристаллов является еще одной причиной снижения напряжения для диодов синего и зеленого свечения на основе InGaN. Это снижение сопротивления обусловлено повышением активности акцепторов с ростом температуры, что увеличивает проводимость слоев GaN и InGaN p-типа [1]. Из всего сказанного выше следует, что увеличение рабочей температуры кристалла крайне негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках светодиода – падает срок службы, уменьшается световой поток, изменяется спектр излучения и электрические параметры. Поэтому при разработке осветительной системы на светодиодах жизненно необходимо позаботиться об отводе излишка выделяющегося в диодах тепла с помощью радиаторов. Особенно это актуально при использовании мощных светодиодов. Для расчета тепловых режимов различных электронных компонентов, в том числе светодиодов, наиболее часто используется метод тепловых сопротивлений. Передача тепла от нагретого компонента в окружающую среду может быть записана в виде соотношения ,

(1)

где P – рассеиваемая в компоненте мощность, ∆T – перепад температур между компонентом и окружающей средой, RT – тепловое сопротивление материала, участвующего в передаче тепла от нагретого тела. Из (1) следует, что размерность теплового сопротивления – К/ Вт. Уравнение (1) по структуре напоминает закон Ома для участка цепи постоянного тока. Аналогия уравнения (1) с законом Ома становится абсолютно очевидной, если в (1) заменить мощность электрическим током, разницу температур – разностью потенциалов, а тепловое сопротивление – электрическим сопротивлением. Эта аналогия позволяет моделировать процессы переноса тепла с помощью электрических схем, причем сложность схем должна соответствовать реально происходящим при теплопередаче процессам [5]. Тепловое сопротивление RT определяется следующими физическими процессами – теплопроводностью, конвекцией и потерей тепла с излучением. Для диапазона температур, в котором работают современные полупроводниковые приборы, включая светодиоды, влиянием теплового излучения на охлаждение нагретого радиатора можно пренебречь [5]. При передаче тепла посредством теплопроводности тепловое сопротивление зависит от физических свойств материала, через который проходит тепловой поток, и его геометрических размеров: .

(2)

В (2) δ – толщина материала, через который проходит тепловой поток, λ – коэффициент теплопроводности, S – поперечное сечение материала. Необходимо учитывать, что при передаче тепла соприкасающиеся поверхности могут иметь различные дефекты, увеличивающие тепловое сопротивление между поверхностями. Для устранения этой проблемы применяются различные теплопроводящие пасты. При передаче тепла с помощью конвекции тепловое сопротивление можно записать в следующем виде: .

(3)

Здесь S – поверхность радиатора или корпуса, с помощью которого ведется конвективный теплообмен, αT – коэффициент теплоотдачи. Этот коэффициент подвержен сильным изменениям в зависимости от условий перемещения массы воздуха при естественной конвекции, числа и расположения ребер на радиаторе, производительности установленного на радиатор вентилятора. Для воздуха при естественной конвекции коэффициент теплоотдачи можно ориентировочно принять равным 10 Вт/(м2К) [5]. Про-

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ изводители готовых радиаторов обычно указывают результирующее тепловое сопротивление для конкретных условий применения радиатора. Приведем пример расчета радиатора для охлаждения трех светодиодов. Будем использовать мощные светодиоды Cree XLamp XP-E белого цвета. Диоды данного семейства выпускаются на основании типа «звезда» (см. рис. 3). Такое исполнение позволяет легко крепить диоды на радиатор. Компанией Cree проведено моделирование на нескольких серийно выпускаемых типах оснований с разными тепловыми сопротивлениями. Так, для основания толщиной 1,6 мм типа FR-4 5-via тепловое сопротивление составляет около 9 К/Вт, а для типа MCPCB – около 3 К/Вт [3]. Его и будем использовать при расчете. Для упрощения расчетов пренебрежем всеми тепловыми сопротивлениями на стыках соединяющихся частей. Также будем считать, что весь теплообмен ведется только по системе светодиод – радиатор – окружающая среда. Передачей тепла в окружающую среду непосредственно от диода можно пренебречь в силу ее малости. Эквивалентная схема, моделирующая процессы теплопередачи, показана на рис. 4. Здесь P – мощность, выделяющаяся в каждом диоде, Tк – температура кристалла диода, Tосн – температура основания диода, Tр – температура поверхности радиатора, Tокр – температура окружающей среды, Rд – тепловое сопротивление от кристалла светодиода до места монтажа, Rосн – тепловое сопротивления основания, на котором расположен светодиод, Rр – тепловое сопротивление радиатор – окружающая среда. Примем окружающую температуру равной 300°С, температуру кристаллов диодов – равной 800°С (максимальная температура для данного типа диодов 1500°С [3]). Rд = 9 К/Вт, Rосн = 3 К/ Вт, мощность, выделяющаяся в диодах при токе Iд = 350 мА и напряжении Uд = 3,2 В равна P = 1,12 Вт [3]. Целью расчета является определение теплового сопротивления Rр, по которому потом можно выбрать необходимый радиатор. Rр, в соответствии со схемой на рис. 4, можно рассчитать по следующей формуле: . (4) Подставляя в (4) численные значения, получим Rр = 10,88 К/Вт. Соответственно, нам необходим радиатор с тепловым сопротивлением меньшим либо равным рассчитанному значению. Одной из компаний, которая производит радиаторы специально для нужд светодиодного освещения, является Fischer. В номенклатуре этой компа-

СВЕТОТЕХНИКА

Рис. 5. Радиаторы Fischer ICK LED Рис. 4. Эквивалентная схема для расчета теплового режима светодиодов

Рис. 6. Радиаторы Fischer SK нии имеется радиатор с требующимися нам характеристиками и размерами, достаточными для установки трех светодиодов – ICK LED R54x20. Этот радиатор имеет тепловое сопротивление 9,48 К/Вт и предназначен для работы в условиях естественной конвекции. Конструкция радиатора показана на рис. 5 [6]. Иногда перед разработчиком светодиодной осветительной системы может возникнуть задача расчета теплового режима большого количества светодиодов, установленных на одном радиаторе. При этом могут возникнуть сложности с определением теплового сопротивления радиатор-среда, которое, вообще говоря, для разных точек на поверхности протяженного радиатора может быть различным. Это может привести к заметному усложнению эквивалентной схемы, моделирующей процессы теплопереноса. Однако если светодиоды распределены достаточно равномерно по поверхности радиатора на небольших расстояниях друг от друга, то в первом приближении можно пренебречь градиентом температуры по поверхности радиатора. Это несколько упростит расчет. Рассмотрим образцы радиаторов, выпускаемых компанией Fischer для охлаждения светодиодов. Серия ICK LED – алюминиевые радиаторы ребристого типа с круглым основанием, доступные диаметры 23,5...54 мм, высота радиаторов 10...27 мм. Наружная поверхность – черная анодированная. Для радиаторов с индексом G производитель указывает график зависимости теплового сопротивления радиатора от скорости обдувающего радиатор воздуха. Конструкция радиаторов показана на рис. 5.

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

Рис. 7. Радиаторы Fischer ICK S Серия SK – алюминиевые радиаторы ребристого типа, внешний диаметр 51...85 мм, наружная поверхность – черная анодированная. В описании товара производитель указывает график зависимости теплового сопротивления радиатора от его высоты. Конструкция радиаторов показана на рис. 6. Серия ICK S – алюминиевые радиаторы игольчатого типа, выполненные на квадратном основании. Ширина основания 25...50 мм, высота 10...50 мм. В описании товара производитель указывает график зависимости теплового сопротивления радиатора от скорости обдувающего радиатор воздуха. Конструкция радиаторов показана на рис. 7. Помимо самих радиаторов, компания Fischer выпускает широкий ассортимент аксессуаров для монтажа различных изделий на радиаторы – это теплопроводящие пасты и клеи, термопроводящая пленка на клеевой основе и т.д.

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА Заключение Очевидно, что необходимость корректного расчета теплового режима светодиодов (особенно мощных) и выбор подходящей системы охлаждения – залог успеха при проектировании надежной и долговечной осветительной системы на светодиодах. В связи с этим хочется отметить, что некоторые производители аксессуаров для электронной техники начали выпускать системы охлаждения, специально адаптированные к использованию совместно со светодиодами. Одним из таких производителей является компания Fischer. В ассортименте радиаторов, выпускаемых данной компанией, разработчик может найти все необходимое для качественного и быстрого проектирования осветительной системы на светодиодах. Литература 1. Шуберт Ф. Светодиоды. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 2. http://www.e-neon.ru/ 3. http://www.cree.com/ 4. http://www.magazine-svet.ru/ analytics/62889/ 5. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005. 6. http://www.fischerelektronik. de/. Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: lighting.vesti@compel.ru

ИП HLG-H от Mean Well питают светодиоды при 40 градусах мороза

Серия источников вторичного электропитания HLG от компании MeanWell состоит из модулей HLG100, HLG-120, HLG-150, HLG-185, HLG-240 мощностью 100...240 Вт в герметичном металлическом корпусе по IP67 или IP65. Широкий диапазон рабочих температур -40...70°C и высокая степень защиты от внешних воздействий позволяет применять эти источники питания в составе светильников уличного освещения, а также в разнообразной аппаратуре, работающей в тяжелых условиях, в том числе в северных регионах России. Отличительной чертой источников питания HLG-H является наличие моделей с расширенным диапазоном входного напряжения 90...305 В, что очень востребовано в условиях отечественных сетей с

нестабильным напряжением. Источники питания HLG-H имеют встроенный корректор коэффициента мощности (ККМ, PFC), высокий КПД 90...95%, комплекс защит от короткого замыкания, от перегрузки по току, от превышения выходного напряжения, от перегрева; электрическую прочность изоляции вход/выход 3,75 кВ переменного тока; низкий уровень пульсаций 150...200 мВ (размах). Варианты исполнения кодируются суффиксом, например, HLG-240H12A. • HLG-H с суффиксом «А» – степень защиты от внешних воздействий IP65, подстройка выходного напряжения и тока с помощью встроенных потенциометров. • HLG-H с суффиксом «B» – дистанционное управление яркостью светодиодов (димминг), степень защиты от внешних воздействий IP67. Димминг осуществляется при помощи внешнего потенциометра или внешнего управляющего аналогового напряжения, или внешних ШИМ-импульсов. • HLG-240H с суффиксом «С» – корпус с клеммной колодкой (только мощностью 240 Вт), степень защиты от внешних воздействий IP20. • HLG-H без суффикса – степень защиты от внешних воздействий IP67.

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Александр Балашов (КОМПЭЛ)

Фокусируя свет: оптика ОТ Carclo

Британская компания Carclo выпускает оптические системы и элементы с 1936 года. Широкий выбор вторичной оптики и держателей позволяет разработчикам оптических систем добиться максимальной эффективности от большинства современных осветительных светодиодов – Cree, Philips Lumileds, OSRAM и других.

роектирование любого светового прибора (СП) ставит перед разработчиком вопрос о его светотехнических характеристиках, важнейшей из которых является светораспределение. Оно обусловлено формой фотометрического тела и описывается кривыми силы света (КСС). Все СП делятся на две большие категории: осветительные приборы (ОП) и светосигнальные приборы (ССП). В свою очередь ОП по характеру светораспределения подразделяются на три группы с присущими каждой особенностями: светильники, прожекторы и проекторы. Их главное отличие состоит в телесном угле, в котором осуществляется распределение светового потока. Для светильников это большие углы вплоть до 4π ср, прожекторы перераспределяют световой поток внутри малых телесных углов, проекторы – на поверхность малого размера. Любой из этих приборов обладает той или иной КСС, зачастую отличной от собственной кривой светоизлучающего диода (СИД). Большинство из таких светодиодов без дополнительных оптических систем образуют угол половинной яркости, примерно равный 120 градусам. Перераспределение светового потока в пространстве осуществляется светотехнической арматурой. Это может быть отражатель, конструктивно совмещенный с корпусом прибора, и/или специальные дополнительные оптические элементы. Для светодиодов такими дополнительными элементами является вторичная оптика. На сегодняшний день существует множество производителей вторичной оптики для СИД, выпускающих большой перечень изделий, с помощью которых можно сформировать ту или иную диаграмму направленности.

Первым параметром, по которому осуществляется подбор вторичной оптики для решения той или иной задачи, является угол светового пучка, формируемый оптическим элементом. Чаще всего это значение является углом половинной яркости, который определяется как угол, при котором сила света в этом направлении падает на 50% от максимального значения. Однако это не полная информация о характере пространственного распределения светового потока оптическим элементом: она ничего не говорит о световом потоке, который распространяется за пределами этого угла. Можно лишь утверждать, что значения силы света за пределами угла половинной яркости будут составлять менее половины от максимального. На рисунке 1 представлен пример кривой силы света одной из линз компании Carclo с углом половинной яркости 19 градусов, однако, кроме центральной части, присутствует значительная пери-

ферийная, которая выразится в виде яркого ореола вокруг центрального пятна. Поэтому производители дополнительно приводят угол, при котором сила света падает до 10%, или форму кривой силы света. В частности, эту информацию приводит компания Carclo, примеры продукции которой приведены в данной статье. Кривая, изображенная на рисунке 1, является неприемлемой для приборов с концентрированным световым пучком. Также неприемлемо для низко расположенного светильника общего освещения распределение светового потока, при котором угол половинной яркости будет менее 50...60 градусов, а углы на уровне 50% и 10% от максимального значения силы света окажутся близкими. Следующие вопросы, которые могут возникнуть, относятся к выбору размера оптического элемента и предпочтению линзы отражателю или наоборот. Наиболее широко в номенклатуре изделий всех производителей вторичной оптики, и компании Carclo в частности,

Рис. 1. КСС линзы Carclo 10193 с СИД SCW1653US

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Рис. 2. Линза Carclo 10414

Рис. 3. Линза Carclo 10048

представлены линзы. Отражательные элементы также присутствуют, но в гораздо меньшей степени. Популярность линз объясняется большим удобством и относительной простотой формирова-

ния требуемого светового пучка, т. к. управление излучением осуществляется тремя плоскостями: двумя преломляющими поверхностями на входе и выходе излучения и одной отражающей поверх-

Рис. 5. Распределение силы света линзой Carclo 10403 и освещённость поверхности под ней

Рис. 4. Линзы Carclo с чистой, матированной и ребристой поверхностью

ностью линзы. Рефлекторы имеют лишь одну отражающую поверхность, задача которой – сформировать требующийся световой пучок. Чаще всего они применяются совместно со светодиодами, имеющими излучающую поверхность увеличенного размера, или с группой СИД. Диаметр линз в большинстве составляет 20 и 26,5 мм. Эти размеры уже стали стандартными, поскольку являются компромиссным решением между стоимостью элементов и их характеристиками. Оптика диаметром 20 мм удовлетворяет большинству задач при использовании современных осветительных светодиодов. Изменение диаметра линзы в сторону уменьшения сначала приведет к падению соотношения кд/лм, а затем и к некоторому уменьшению эффективности элемента до 80...85% и менее, так как светящаяся поверхность увеличится относительно линзы, и испускаемый световой поток не сможет быть полностью ей захвачен. Однако оптика небольшого диаметра вплоть до 10 мм (рисунок 2) часто применяется, когда требуется разместить большое количество светодиодов на ограниченной площади и сделать изделие компактным. Оптические элементы диаметром 26,5 мм находят применение в случае увеличенной светящейся площадки, например, для четырехкристального светодиода Cree MC-E, или когда необходимо добиться очень узкого светового пучка размером в единицы градусов. Так, линза 10048 диаметром 26,5 мм, представленная на рисунке 3, совместно со светодиодом Cree XP-E сформирует световой пучок с углом половинной яркости 6 градусов. В свою очередь, линза 10193 диаметром 20 мм обеспечит угол 8 градусов. Carclo выпускает широкий ассортимент линз, наибольшее количество которых формирует осесимметричный световой пучок. Компания осуществляет классификацию этих линз по углу половинной яркости, который они формируют:

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА

Таблица 1. Соответствие вторичной оптики и держателей Carclo Тип СИД, держатель* Оптика

XP 10567-1

XP, RE 10279-3

MC 10513-1

MC, XR, GD 10276-3

RE 10236-1

XP 10654-1

MX 10657-1

XP, MX, XR, GD 10455-1

Угол излучения с СИД CREE XP-E/XP-G, град.

MC 10456-1

10193

•

10194

•

10195

•

10196

•

10197

•

47x8

10208

•

10209

•

10003

•

10003/15

•

10003/25

•

10138

•

10139

•

10140

•

10003/L25

•

44x12

10192

•

47x13

10170

•

10048

•

10124

•

10108

•

10260

•

10049

•

44x6,3

10391

•

10392

•

10393

•

10394

•

* – через дефис обозначено количество оптических элементов в держателе. Типы светодиодов: XP – Cree XP-C, XP-E, XP-G; XR – Cree XR-C, XR-E; MX – Cree MX-6, MX-3; MC – Cree MC-E; RE – Philips Lumileds Rebel; GD – Osram Golden Dragon.

• очень узкий (tight). Формируется световой пучок в единицы градусов – до 10; • узкий (narrow). Угол половинной яркости лежит в диапазоне от 10 до 20 градусов; • средний (medium). Угол лежит в пределах от 20 до 30 градусов; • широкий (wide). Формируется угол светового пучка более 30 градусов. Дополнительная классификация отражает характеристики поверхности линзы: чистая поверхность (plain), матированная (frosted) и концентрическая ребристая поверхность (рисунок 4). В номенклатуре Carclo присутствуют примечательные изделия. Например, оптика, формирующая угол половинной яркости 180 градусов с равномерным распределением силы света во всех направлениях (10620). Также существует решение, формирующее диаграмму направленности излучения, которая позволяет равномерно осветить область под источником света. На рисунке 5 представлены кривая распределения силы света в пространстве линзой Carclo

10403 и распределение освещенности поверхности на расстоянии 2,5 м от нее. То есть производители предлагают широкий выбор оптических элементов для решения той или иной задачи. Немаловажной характеристикой оптики является ее эффективность, то есть способность трансформировать световой пучок СИД с как можно меньшими потерями при его пространственном преобразовании. Одним из критериев, влияющих на эффективность оптики и, в частности, линзы, как было изложено выше, является соотношение между размером линзы и излучающей поверхностью светодиода. Но далеко не последнюю роль в борьбе за увеличение коэффициента пропускания играет материал, из которого изготовлена оптика. Он не должен мутнеть со временем и под действием окружающих факторов или излучения. В настоящее время линзы для СИД изготавливаются из полиметилметакрилата (ПММА). Он обладает невысокими показателями преломления и поглощения. Именно они в первую очередь обуславливают снижение светового потока при использова-

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010

нии линзовой оптики. Это проявляется в виде потерь излучения на отражение при переходе границ раздела двух сред и поглощения в толще материала линзы. Так, при нормальном падении излучения на материале линзы потери на френелевское отражение могут быть оценены по формуле

, где n2 – показатель преломления ПММА, равный 1,49; n1 – показатель преломления воздуха. Подставив значения, получим потери на отражение на одной границе 3,9%, соответственно потери на двух границах раздела сред составят 7,6% без учета рассеяния и поглощения светового потока. Поглощение излучения в толще материала линзы выводится из закона Бугера: , где α – показатель поглощения PMMA, равный 0,03 см-1, l – толщина материала линзы. Отсюда следует, что

ОБЗОРЫ

СВЕТОТЕХНИКА при прохождении слоя ПММА толщиной 1 см будет поглощено 3% светового потока. Вывод: в общем случае оптическая эффективность линз для СИД не превышает 89...90%. Теоретически коэффициент отражения рефлекторов может быть выше коэффициента пропускания линз, но на практике он также составляет около 90%. Отражатель следует применять с источниками света с большой светящейся поверхностью, например, со светодиодами MP-L компании CREE. В этом случае линза должна обладать большими габаритными размерами и массой, поэтому более целесообразно применение отражателя. Немного ухудшенные оптические характеристики элемента компенсируются его невысокой стоимостью. Определившись с выбором оптики, необходимо решить вопрос о ее установке. Специфика поставки вторичной оптики компании Carclo состоит в том, что оптические элементы изначально не комплектуются держателями, и разработчик может выбрать его, исходя из собственных нужд. Производитель предлагает на выбор несколько вариантов для установки линз с разными посадочными отверстиями – это круглые держатели под установку трех линз,

одиночные круглые, шестигранные или универсальные на ножках. Держатели могут быть черного или белого цвета, а также прозрачные. В таблице 1 приведено сочетание популярных оптических элементов диаметром 20 и 26,5 мм с некоторыми наиболее распространенными держателями фирмы Carclo для различных современных осветительных светодиодов. Фотометрические данные для расчета и моделирования представляются в виде файлов двух форматов *.ies и *.ldt. Эти файлы содержат в себе всю информацию о распределении силы света в пространстве (фотометрическом теле) и эффективности элемента. На сайте компании Carclo (www. carclo-optics.com) можно получить измеренные для большинства популярных осветительных светодиодов фотометрические данные в формате *.ies практически на весь ассортимент вторичной оптики. Не потеряться в огромном количестве оптических элементов поможет удобно организованный поиск, результатом которого будет полная информация по искомой линзе, отражателю или держателю к ним. В настоящее время на рынке представлен широкий ассортимент вторичной оптики от самых различных производи-

телей. Порой разработчику осветительной системы довольно сложно сделать выбор в пользу той или иной компании. Очевидно, что в этом случае следует отдавать предпочтение производителям, имеющим хорошую репутацию, давно и успешно работающим в области систем освещения, и поставляющим заведомо качественную продукцию. К таким компаниям, несомненно, относится и компания Carclo, основанная еще в 1924 г. А непосредственно разработкой и производством оптических систем и элементов компания занимается с 1936 г. Сегодня это один из ведущих производителей вторичной оптики для светодиодов, выпускающий широкий ассортимент продукции высокого качества практически для всех возможных приложений. В рамках одной статьи невозможно представить всю продукцию компании Carclo. Заинтересованный читатель может найти всю необходимую информацию, обратившись к сайту производителя.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: lighting.vesti@compel.ru

НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ+СВЕТОТЕХНИКА №0 (1), 2010