CREE - 160 Люмен / Ват

Світовий рекорд Cree: 160 люмен на Ватт

дивись розділ
" Потужні світлодіоди CREE "

На сьогоднішній день найбільш ефективним джерелом світла є натрієва лампа, що має ефективність 120 ... 130 лм / Вт, має дуже низький рівень індексом передачі кольору (Ra) - не більше 20. Тому, ці джерела світла застосовуються для освітлення автомагістралей, вулиць і т. п., де немає вимог до перенесення кольорів. Стрімкий розвиток світлодіодним галузі призвело до того, що вже з'явилися світлодіоди з ефективністю рівною і більшої, ніж ефективність натрієвих ламп, і мають дуже високе значення індексу передачі кольору (70 ... 90). Виробником таких світлодіодів є компанія CREE, що почала серійний випуск світлодіодів XM-L.

Навесні 2010 року компанією CREE був анонсований новий потужний світлодіод XLamp XM-L з найвищою світловіддачею в галузі - 160 лм / Вт на струмі 350 мА (рис. 1). Серійний випуск світлодіодів планувався восени 2010 року. І ось цей час настав. На даний момент світлодіоди цієї серії вже доступні для замовлення. Світлодіоди мають воістину унікальними характеристиками в розряді однокристальних: світловий потік при струмі 700 мА має значення 280 лм (в холодному білому), тепловий опір 2,5 ° С / Вт і максимальне значення струму 3 А. На самому початку, коли компанія CREE анонсувала цей світлодіод, він був заявлений як світлодіод з максимальним струмом 2 А. Провівши додаткові, більш ретельні тестування (через які трохи затримався серійний випуск), виробник гарантував роботу і можливість відведення тепла на струмі до 3 А. на цьому струмі світловий пото досягає значення вже 910 лм, а потужність, що підводиться до світлодіоду, становить всього 10 Вт. Пряме падіння напруги (тип.) При струмі 700 мА - не вище 2,9 В. На сьогоднішній день жоден світлодіод інших світових виробників не може забезпечити навіть близьких параметрів. Тим самим черговий раз підтверджується безсумнівне лідерство компанії CREE в області напівпровідникових джерел світла.

Мал. 1. Зовнішній вигляд і габаритні розміри світлодіода XM-L

В даний час світлодіоди цієї серії випускаються тільки в холодному білому кольорі в діапазоні колірних температур: 5000 ... 8300К з Біннінг, як і вся інша світлодіодна продукція компанії CREE, за стандартом ANSI C78.377.

Світлодіоди виготовляються в керамічному симетричному корпусі (5,0х5,0х3,0 мм) для поверхневого монтажу з електрично ізольованою від кристала підкладкою. Максимальна робоча температура переходу кристала може досягати 150 ° C.

Світлодіоди серії XM-L орієнтовані в першу чергу на використання в світлових приладах, які вигідно відрізняються існуючі світильники, виконані на ДРЛ, металогалогенних і натрієвих лампах, для вуличного і промислового освітлення.

Цінова політика компанії CREE підтверджує ще один, не завжди очевидний, факт: те, що найбільш низька вартість світла (рубль / люмен) виходить на більш дорогих світлодіодах, але при їх правильному використанні. Під правильним використанням розуміється такий режим роботи світлодіода, який забезпечує прийнятний термін його служби (десятки тис. Годин) з максимальною віддачею. Це приблизно 50 ... 70% по току від максимально можливого значення. В даному випадку можна очікувати відносини рубль / люмен на рівні 20 ... 30 копійок за люмен при роботі на струмі 2,1 А (при замовленні певної кількості світлодіодів). Використання даного світлодіода на струмі менше 1,5 А економічно не виправдане, якщо потрібна підвищена значення ефективності (110 лм / Вт і більше).

Як видно з заявлених параметрів, для харчування нового світлодіода потрібні джерела з досить великим вихідним струмом: 1,5 ... 3,0 А. Вибір виробників джерел струму з подібними параметрами обмежений, але їх можна знайти в лінійці виробників Inventronics, UE Electronic, Mean Well або розробити свій власний під необхідні параметри.

Розширюючи лінійку продукції в області світлодіодів потужністю більше одного вата, компанія CREE не оминає увагою і область невеликих потужностей: 0,5 Вт і менш.

Причому, якщо основні світові виробники світлодіодів йдуть шляхом збільшення потужності, то компанія CREE в даному випадку рухається назад: від більш потужних світлодіодів - до світлодіодів меншої потужності. Звичайно, і до цього моменту в лінійці продукції CREE були присутні і присутні 0,5 Вт світлодіоди: це відомі CLP6B - спадок компанії COTCO International (була поглинена в 2008 році компанією CREE), але вони відносяться до класу над'яскравих світлодіодів і не рекомендуються для застосування в як джерела основного світла. До освітлювальним светодиодам застосовуються більш жорсткі вимоги по стабільності колірних координат і світлового потоку в часі, які витримують лише світлодіоди класу XLamp, спеціально розроблені для цих цілей.

Світлодіоди невеликої потужності і з невеликим світловим потоком потрібні там, де необхідно створення світильників у вигляді рівномірно світиться поверхні, наприклад, світильники для місцевого освітлення, вбудовані світильники в підвісну стелю типу «Армстронг». Використовуючи такі світлодіоди і встановлюючи їх з меншим кроком, можна отримати рівномірно світиться поверхню, застосовуючи в якості розсіює скла матеріал з меншими втратами. В кінцевому підсумку це дозволить знизити або повністю позбутися від таких неприємних ефектів, як множинні півтіні і пикселизация. Виходячи з цих вимог, на початку осені 2010 р були запущені в серію 0,5 Вт світлодіоди класу XLamp серії ML-E.

Світлодіоди серії ML-E виготовляються в корпусі для поверхневого монтажу PLCC4 з розмірами 3,5х3,5х1,2 мм (рис. 2). Як видно з малюнка, світлодіоди мають тепловідвідними електрично ізольовану площадку (HeatSink), яку для відводу тепла потрібно припаювати до друкованої плати. Відмінною особливістю даної серії світлодіодів є високе значення ефективності - до 112 лм / Вт в холодному білому кольорі - і низький тепловий опір 11 ° С / Вт. У перерахунку на 1 Вт це значення еквівалентно тепловому опору 5,5 ° С / Вт, що є хорошим показником для потужних світлодіодів.

Мал. 2. Зовнішній вигляд і габаритні розміри світлодіода ML-E

Випускаються світлодіоди в діапазоні колірних температур 2600 ... 8300К, що володіють світловим потоком від 30 лм (в теплому білому) до 51 лм (в холодному білому) і розраховані на максимальний струм 175 мА. Нормування параметрів здійснюється на струмі 150 мА.

Основне застосування світлодіоди серії ML-E знайдуть там, де необхідні високі вимоги до однорідної яскравості світіння поверхні:

- заміна світильників, виконаних з використанням люмінесцентних ламп Т5 і Т8;

- світлові короби і панелі;

- функціональне освітлення.

З огляду на те, що параметри світлодіода нормуються на струмі 150 мА, а максимальне значення струму всього 175 мА, то можна очікувати, що будуть деякі проблеми з вибором готового модульного джерела струму для харчування однієї послідовної ланцюжка світлодіодів. Справа в тому, що практично всі випущені джерела живлення в даний час мають мінімальне значення вихідного струму 350 мА. Але оскільки у даних світлодіодів дуже невеликий розкид за прямим падіння напруги (3,2 В - тип., 3,4 В - макс.), То можливо паралельне з'єднання декількох послідовних ланцюжків таким чином, щоб їх сумарний струм дорівнював вихідному струму обраного модульного джерела . Звичайно, при цьому буде спостерігатися деякий перерозподіл струму через паралельні ланцюжки, яке в загальному випадку буде зменшуватися при збільшенні кількості світлодіодів в одному ланцюжку. Домогтися точного рівності струмів можна, запровадивши в ланцюжки додаткові, що вимагають підбору токовиравнівающіе елементи, але при цьому ускладниться технологічність і знизиться загальний ККД системи. Виключити подібні недоліки можливо, якщо розробити власне джерело живлення на спеціалізованій інтегральної мікросхеми - світлодіодному драйвер. Такі мікросхеми (AC / DC, DC / DC) випускаються багатьма відомими виробниками: Texas Instruments, Supertex, STMicroelectronics, ON Semiconductor, Zetex і ін. Використовуючи інтегральні драйвери, можна розробити джерело живлення з потрібним вихідним струмом. Схемотехніка цих драйверів дозволяє задавати необхідний струм, як правило, одним резистором.

Розглядаючи новинки, необхідно згадати і про що вийшов в кінці літа багатокристальні светодиоде MX-3.

Багатьом уже добре відомий багатокристальні світлодіод MX-6, що має в своєму складі п'ять (з весни 2010 р) паралельно з'єднаних кристалів і максимальне значення струму до 1000 мА. Оптимальний режим роботи цього світлодіода, виходячи з тривалості життя (31 ... 45 тис. Год, при температурі в точці пайки 85 ° С) і ефективності (90 ... 80 лм / Вт) - 500 ... 700 мА, але далеко не всі споживачі використовують його на таких токах (рис. 3). Пов'язано це насамперед з тим, що чомусь струм, при якому нормуються параметри світлодіода, вважається і робочим струмом. Насправді це не так. Просто перші розроблені потужні світлодіоди були світлодіодами з споживаної потужністю близько 1 Вт (струм 350 мА), і в подальшому для коректного порівняння всі виробники потужних світлодіодів залишили нормування характеристик саме на цьому струмі. Розглянутий на початку статті світлодіод серії XM-L вже нормується на струмі 700 мА. Цим самим виробник заявляє, що використання його на струмі 350 мА позбавлене сенсу, тільки якщо потрібно дуже висока світловіддача (до 160 лм / Вт) і не стоїть питання витрат.

Мал. 3. Тривалість життя світлодіода MX-6 при температурі в точці пайки (Tsp), що дорівнює температурі навколишнього середовища (Ta)

Для застосувань, де розробник вибирає робочий струм не більше 400 мА, компанія CREE і розробила світлодіод серії MX-3 в точно такому ж корпусі, як і MX-6, але має в своєму складі всього три паралельно з'єднаних кристала (рис. 4). Відповідно, серія нових світлодіодів має і значно (до 30 ... 40%) меншу вартість, ніж MX-6. Варто відзначити, що світлодіоди серій MX-3 і MX-6 мають схожі значеннями світлового потоку, але на різних значеннях нормованого струму: MX-3 нормується при струмі 350 мА, а MX-6 - при струмі 300 мА. З огляду на те, що у світлодіодів різні струми Біннінг, це призводить до явища, коли, наприклад, світлодіоди з однаковою групою по світловому потоку на струмі 350 мА реально забезпечують різний світловий потік. Світлодіод серії MX-6 забезпечить світловий потік приблизно на 14% більше, ніж MX-3 на одному і тому ж робочому струмі, відповідно і ефективність MX-6 вище. Якщо взяти до уваги ще й відмінність в щільності струму через кристали світлодіодів, ця різниця тільки збільшиться. Практично світлодіоди серії MX-3 - це бюджетний варіант світлодіодів серії MX-6 для використання при токах не більше 350 ... 400 мА.

Мал. 4. Зовнішній вигляд і габаритні розміри світлодіодів MX-3, MX-6, MX-3S, MX-6S

Розглянуті багатокристальні світлодіоди серій MX-3 і MX-6 - це світлодіоди з робочим струмом від 350 мА і вище, в яких кристали з'єднані паралельно, знову ж восени, компанія CREE запустила в серійне виробництво аналогічні світлодіоди, але вже з послідовним з'єднанням кристалів усередині корпусу і розрахованих на менші струми - MX-3S і MX-6S.

Світлодіоди серій MX-3S і MX-6S випускаються в точно такому ж корпусі, як і розглянуті вище світлодіоди серії MX3 (рис. 4). Варто відзначити цікаву особливість: у MX-6S в корпусі шість кристалів, на відміну від MX-6, в якому, як уже було сказано вище, їх п'ять. Основні параметри світлодіодів наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Основні параметри світлодіодів MX6S, MX3S

параметри

MX-6S

MX3-S

колір

холодний білий

теплий білий

холодний білий

теплий білий

Колірна температура, К

8300 ... 4300

4300 ... 2600

8300 ... 4300

4300 ... 2600

кут випромінювання

120º

120º

120º

120º

Тепловий опір, ºС ° / Вт

5

5

11

11

Максимальний струм, мА

175

175

150

150

Пряме падіння напруги (тип.), В (струм 60 мА)

20

20

Пряме падіння напруги (тип.), В (струм 115 мА)

-

-

10,7

10,7

Світловий потік, лм

100 ... 130

80,6 ... 114

87,4 ... 114

67,2 ... 100

З огляду на те, що дані серії світлодіодів мають відносно невелике значення струму (від 60 до 175 мА), то можуть виникнути такі самі проблеми з вибором готового модульного джерела живлення, як і у розглянутих вище світлодіодів серії ML-E. Варіанти, які були запропоновані раніше, дійсні і в даному випадку. З огляду на той факт, що кристали всередині корпусу з'єднані послідовно, і світлодіоди мають підвищений прямим падінням напруги (тип. 10,7 В; 20 В), то для харчування також стає можливим використання стандартного джерела постійної напруги, а обмежити струм в ланцюзі світлодіода допоможе гасить резистор. В цьому випадку для MX-3S потрібно стабілізовану напругу 12 В, а для MX-6S - 24 В. Джерела живлення на такі вихідні напруги дуже широко поширені і мають невисокою вартістю. Втрати енергії на резистором в цьому випадку складуть 10 ... 18%, що цілком прийнятно. Звичайно, така схема харчування не забезпечить необхідної температурної стабільності, але якщо ці світлодіоди застосовувати там, де зміна температури невелика, наприклад, для підсвічування вітрин, закарнізний підсвічування і т.п., то ця схема цілком працездатна, причому буде мати мінімальну вартість. Крім того, в цьому випадку дуже зручним стає підключення світлодіодів в будь-яку довгий ланцюг, наприклад для підсвічування протяжного ділянки. Світлодіодні модулі з встановленим резистором в цьому варіанті просто підключаються паралельно один до одного.

Якщо провести розрахунок зміни струму для світлодіода MX-3S в діапазоні навколишнього середовища від -25 до 50 ° С, задавши струм через світлодіод 120 мА при температурі навколишнього середовища 25 ° С і температурі кристала 80 ° С, то зміна струму вийде в діапазоні від 85 до 145 мА (-30% / + 20%).

Для підвищення температурної стабільності замість резистора можна застосувати, наприклад, термозалежні елемент з позитивним температурним коефіцієнтом опору (позистор).

Збільшення світлового потоку, збільшення ефективності - це шлях підвищення кількісних показників світла світлодіода, але є ще й якісні показники, про які також не слід забувати.

Високе значення світлового потоку є необхідним, але аж ніяк не достатньою, умовою хорошого світлодіода. До основних якісних характеристик джерела світла можна віднести індекс передачі кольору (R а) і колірну температуру, які визначаються спектральним складом випромінювання.

Індекс передачі кольору відображає якість відтворення колірних відтінків освітлюваних об'єктів. Чим більше значення Ra (max = 100), тим природніше будуть виглядати кольору в світлі даного джерела світла. Найкраща передача кольору у ламп розжарювання і галогенних ламп (Ra = 100). Широко поширені люмінесцентні лампи мають індекс передачі кольору 60 ... 98.

Колірна температура, яка вимірюється в градусах Кельвіна, говорить про кольорі білого джерела світла, яка може варіюватися від теплого білого (менш 3500К) до холодного білого (більш 5300К). Діапазон кольорової температури від 3500 до 5300К вважається нейтральним. Кольоровість джерела світла надає певний психофізіологічний вплив на людину. Так, тепле світло створює спокійну розслаблюючу атмосферу і в основному використовується для освітлення в квартирах. Холодне світло надає стимулюючу дію, його застосування виправдане, наприклад в магазинах. Галогенні джерела світла дають тільки тепле світло. Найбільша кількість варіантів колірної температури мають люмінесцентні лампи - від 2700 до 6500К.

Необхідний спектральний склад джерел світла для освітлення житлових і громадських будівель в залежності від вимог до цветоразличению наведено в СНиП 23-05-95.

До теперішнього часу всі світлодіоди, що випускаються компанією CREE, не мали чіткої сортування за індексом передачі кольору, був обговорений тільки діапазон: 70 ... 80 в відтінках нейтрального і холодного білого кольору і 80 ... 85 в відтінках теплого білого кольору. Зараз цей недолік усунуто і, крім того, піднесено верхнє значення індексу Ra.

Для освітлення приміщень, де нормується індекс передачі кольору, тепер можливо замовляти світлодіоди з необхідними параметрами. Зміни відбулися з найбільш популярними серіями світлодіодів: XP-E, XP-G, MX-6 і MC-E. Інформація про індекс передачі кольору вже закладена в ордер-коді (Kit-Number), за яким і відбувається замовлення світлодіодів. У таблиці 2 наведено позначення коду для замовлення з нормованим параметром Ra на прикладі світлодіодів сімейства XP.

Таблиця 2. Коди для замовлення світлодіодів сімейства XP

поставляються компоненти