Исследование светодиодов большой мощности от Seoul Semiconductor для применения в освещении

№ 5(25)’2013
В статье представлены результаты измерений двух вариантов одного типа светодиодов Z Power LED Z5-M0 и Z5-M1 от Seoul Semiconductor — нового и прежнего варианта исполнения, проведенных в лаборатории «АРХИЛАЙТ» и инициированных представителем российской компании-дистрибьютора «Симметрон» в лице Игоря Залогина. Идея была поддержана представителями производителя светодиодов. Материал содержит анализ результатов измерений в виде сравнения основных характеристик однотипных светодиодов двух вариантов. Сделан упор как на ключевые, так и на вспомогательные параметры, наиболее полно характеризующие указанные приборы. Представленный материал может быть полезен разработчикам светотехнических устройств на основе светодиодов и специалистам, отвечающим за стратегию выбора источников света для разрабатываемых устройств светотехники.

Компания Seoul Semiconductor нашла свой путь на мировой рынок полупроводниковой светотехнической продукции и одной из первых крупных компаний стала покорять российский. В арсенале компании имеется проект Acriche, коренным образом отличающийся от других светодиодных продуктов и перманентно совершенствующийся по различным параметрам. Эти светодиоды, некогда позволившие формировать светотехнические устройства при непосредственном питании от сети, очень кстати пришлись в то время, когда светодиодная тематика была лишь в начале развития и мало кто обращал внимание на такие «мелочи», как практически стопроцентные пульсации частотой 50 Гц или отсутствие гальванической развязки в цепи питания светодиодов. Были и остаются знакомыми отечественному потребителю также и обычные светодиоды, вначале выпускавшиеся на основе заимствованных кристаллов, а впоследствии — на базе собственных. Однако компания Seoul Semiconductor прочно ассоциируется в умах российских потребителей именно с Acriche. В дальнейшем светодиоды и матрицы под этой маркой усовершенствовались и теперь имеют достаточно корректное питание с помощью контроллера, без катастрофических пульсаций, и довольно высокого уровня световую отдачу. И тем не менее массового распространения они пока не получили. Традиционно большинство пользователей и разработчиков применяют в своих изделиях дискретные светодиоды различной мощности. Их корпуса унифицированы и подходят для комплектации вторичной оптикой, и лишь параметры и стоимость определяют выбор того или иного производителя. Конкурентная борьба на рынке светодиодов проходит на всех уровнях коммерческих приемов, но поскольку до сих пор мало кто из потребителей может (или хочет) определять истинные значения заявленных характеристик, наибольшая активность боевых действий приходится на формирование спецификаций, а если быть совсем точным — на условия (температурные или по току), при которых в них указаны значения параметров. Однако большинство компаний-производителей откликаются на чаяния клиентов и корректируют свои «даташиты», приводя их к более реальным условиям эксплуатации. Компания Seoul Semiconductor, вероятно, находится в поиске удобных для нее (с точки зрения процесса биновки) и для клиента (с точки зрения корректности применения) условий нормирования параметров собственных светодиодов. Так, например, оба варианта светодиода, которые и являются предметом настоящей статьи, — Z Power LED Z5-M0 и Z5-M1 (рис. 1) — имеют условия декларирования значений как при Tj = +25 °C, так и при Tj = +85 °C, да еще и при трех значениях прямого тока. Таким образом, потребитель может узнать хоть если и не всегда абсолютное значение разницы в значении параметра при разных температурах активной области кристалла у различных биновых комбинаций, то, по крайней мере, спроецировать относительную. А типовые характеристики в спецификации Z5-M0 вообще приведены при температуре окружающей среды TA = +25 °C с непонятной температурой кристалла (или р-n-перехода). Вероятно, в последующем варианте, помимо самих технических параметров, доработка также коснулась и «даташита», где уже все данные указаны при двух температурах активной области Tj. При таком представлении значений параметров производитель, конечно же, гораздо лучше информирует потребителя о характеристиках светодиодов в более реальных условиях эксплуатации, чем идеализированные (при Tj = +25 °C). Однако если уже и делать такую информацию опорной для использования в проектировании, то тогда следует указать ее для всех, хотя бы центральных, значений или бинов основных параметров. Потому как данная информация ограничивается в сторону увеличения значения коррелированной цветовой температуры только 5300 К, хотя в спецификации фигурируют биновые комбинации и с цветовой температурой до 7000 К, где по понятным причинам разница в световом потоке при различных температурных условиях p-n-перехода (+25…+85 °C) будет явно выше, чем у указанных в документе. Это может запутать потребителя при выборе прибора под свою задачу, тем более если принять во внимание еще и возможность использования различного режима по току, диапазон которого регламентирован до 1500 мА. Стоит отметить также, что (и это указано в спецификации) представленные при температуре Tj = +85 °C значения характеристик в большинстве случаев расчетные. И это обстоятельство осложняет общение заказчика и производителя (дистрибутора) с точки зрения соответствия параметров поставленных под определенный заказ светодиодов с трактованными в «даташите», либо увеличит вероятность пересортицы. Именно по этим причинам в настоящем исследовании задача абсолютной идентификации значений измеряемых параметров образцов их декларируемым биновым комбинациям оказалась несколько затруднительной, несмотря на возможность реализации при измерениях всех параметров любого режима по температурам Tj, Tsp, TA и току, в том числе в импульсном режиме. Таким образом, традиционное для такого исследования заключение о степени их соответствия корректно сформировать не удалось. Однако это лишь вопрос корректности описанной выше трактовки характеристик, что не должно умалять внимание к результатам работы технических специалистов компании Seoul Semiconductor, воплотившихся в получивших мировое признание светодиодах типа Z5-Mx

Внешний вид светодиодов

Рис. 1. Внешний вид светодиодов: а) Z Power LED Z5-M0; б) Z Power LED Z5-M1

Стоит отметить, что, также традиционно, материал настоящей статьи сформирован по результатам независимых и объективных исследований светодиодов в фотометрической лаборатории испытательного центра «АРХИЛАЙТ» по множеству характеристик. Как и для прежних исследований, порядок проведения, представляемого в настоящей статье, для «чистоты эксперимента» и соблюдения принципа максимальной объективности традиционно подразумевал сложившуюся последовательность: переданные образцы сопровождались только указанием режима, при котором требовалось проводить измерения, а название светодиода, наименование бина (биновой комбинации) заказчиком не сообщались, но были помещены в конверт и опечатаны. При рассмотрении результатов конверт вскрывался в присутствии заказчика и исполнителя. Таким образом, исполнитель (лаборатория «АРХИЛАЙТ»), проводя исследования и рассчитывая их результаты, не мог знать не только какому бину соответствует образец, но и даже что это за светодиод. Посему «подогнать ответ под задачу» не представлялось возможным.

Результаты измерений и комментарии

Основные результаты измерений приведены в таблице 1. Поскольку имеется несколько вариантов спецификаций одного и того же типа светодиода, отличающихся в основном только указанием значений параметров при различных температурах (Tj, Tsp, TA), измерения также были выполнены при всех комбинациях. Как можно заметить, отличия в энергетических характеристиках (световой поток, мощность излучения, световая эффективность), связанные с изменением температурных условий, находятся в соответствии с традиционным представлением об их зависимости от этих изменений [12] с учетом теплового сопротивления «p-n-переход-корпус светодиода» (для светодиода Z5-M0). Также были измерены значения светового потока и при имеющемся в спецификации режиме при Tj = +85 °C, для светодиода Z5-M1 представленные в таблице 2. Как говорилось ранее, здесь интерес состоял в рассмотрении относительного изменения этого значения для оценки режима при реальной работе светодиода в составе устройства. Видно, что полученная разница оказалась существенно выше заявленной, однако можно предположить, что она находится в приемлемых рамках по причине значительно большей коррелированной цветовой температуры исследуемых образцов, чем заявлено в «даташите», и могла поэтому быть таковой. Следует отметить также, что в исследовании эта разница выглядит более реальной и корректной с физической точки зрения, чем указано в спецификации, поэтому в натурных условиях эксплуатации следует ожидать именно таких изменений значения светового потока в зависимости от температуры Tj и при этом иметь в виду, что в различной степени изменению подвергаются также и другие характеристики, а если быть точными — то практически все указанные в таблице 1.

Таблица 1. Комплекс измерений параметров светодиодов, полученный при исследовании

Тип светодиода Z5-M0 Z5-M1
Режим 350 мА (при TA = +25 °С) 350 мА (при Tsp = +25 °С) 350 мА (при Tj = +25 °С)
Полученные параметры      
Мощность излучения, Вт 0,46 0,48 0,54
Световой поток, лм 136,1 144,1 163,1
Сила света максимальная, кд 44,27 45,01 51,89
Сила света осевая, кд 44,15 44,92 51,86
Освещенность по оси на расстоянии 2,5 м, лк 7,1 7,2 8,3
Сила излучения максимальная, Вт/ср 0,148 0,149 0,172
Угол излучения 2Q0,5Iv, град. 0-0 115,99 118,6 121,5
0-90 116,38 120,5 119,88
средний 2Q0,5Iv 116,18 119,55 120,69
Угол излучения 2Q0,1Iv, град. 168,53 172,19 159,45
Потребляемый ток, A 0,35 0,35 0,35
Напряжение питания статическое, В 2,858 2,929 2,964
Напряжение питания импульсное, В 2,861 2,861 2,964
Потребляемая мощность статическая, Вт 1,000 1,025 1,037
Потребляемая мощность импульсная, Вт 1,001 1,001 1,037
Световая эффективность статическая, лм/Вт 136,06 140,56 157,22
Световая эффективность импульсная, лм/Вт 135,92 143,91 157,22
Температура точки пайки в статическом режиме Tsp, С 41,9 25,0 18,2
Относительная сила света, кд/клм 325,3 312,3 318,1
КПД светодиода (электр.-свет), % 45,6 46,7 52
Спектральная световая эффективность, лм/Вт 298,5 301  
Длина волны максимальная, нм 450 448 450
Длина волны центроидная, нм 557,5 553 551,5
Ширина спектра излучения по уровню 0,5Р, нм 22,2 20,9 19,5
Ширина спектра излучения по уровню 0,1Р, нм 253,5 251,5 238,5
Координаты цветности X 0,3143 0,3157 0,3055
Y 0,3106 0,3123 0,3086
Z 0,3751 0,372 0,3859
Доля ОСПЭЯ отн. V(λ), % 35,9 35,1 32,2
Индекс цветопередачи Ra (CRI) 76 75 76
Коррелированная цветовая температура (ССТ), K 6562 6447 7186
Цветовая температура по Планку (приведенная), K 4893 4826 6130

Таблица 2. Сравнение параметров светодиода Z5-M1 при различной температуре Tj

Тип светодиода Z5-M1 Разность значений
Параметр If = 350 мА, Tj = +25 °С If = 350 мА, Tj = +85 °С Полученная Даташит
Световой поток, лм 163,1 142,0 21,1 13
Световая эффективность, лм/Вт 157,2 145,1 12,1 4,1

Также более детальное рассмотрение полученных данных, имеющихся в таблице 1, указывает на некоторое изменение углового распределения силы света при различных температурных условиях. Хоть эта величина и относительная (выражается в углах по уровню 0,5Ivmax), но по ее поведению можно сделать вывод о некоторых важных характеристиках и режимах работы излучающего кристалла. Например, очевидно, что выявленное изменение угла излучения по указанному уровню силы света, хотя и всего на несколько градусов (таблица 1), свидетельствует об изменении плотности излучательной рекомбинации по площади активной области кристалла. Это может быть связано как с изменением распределения плотности тока по причине соответствующей топологии поверхностных контактов, так и с неравномерностью (нелинейностью) охлаждения всей поверхности кристалла или корпуса светодиода. Так или иначе, это характеризует качество исполнения всей технологической цепочки производства светодиода: от посадки кристалла до монтажа корпуса на плату. Этот вывод подтверждается неравенством в отношении значений светового потока и силы света, полученных при разных температурных условиях, а значит, и корректностью измерения пространственного распределения силы света светодиода. Также данный вывод находится в соответствии с описанными в [35] явлениями не столько изменения значения светового потока, сколько его перераспределения по фотометрическому телу при каком-либо изменении режима. Следует отметить, что подобный эффект будет присутствовать также и при изменении прямого тока. Кстати, у исследуемых типов светодиодов он будет различной степени проявления ввиду разной топологии контактов (рис. 1). А вот отличие в углах излучения по уровню 0,1Ivmax, у Z5-M0 и Z5-M1, которое нельзя назвать совершенно незаметным (более 10°), связано с разницей в методе нанесения люминофора, который во втором случае покрывает также и боковые грани кристалла, даже заполняя «дно» оптической системы (рис. 1), отчего пространственная диаграмма силы света оказывается более «прямоугольной» и при идентичности углов излучения по уровню 0,5Ivmax именно относительные большие углы наблюдения сужаются, что наглядно показывают диаграммы на рис. 2. Однако углы излучения по указанным уровням от максимальной силы света в спецификации фигурируют только на диаграмме, декларируя их двойное значение в 110° по уровню 0,5Ivmax и более 170° по уровню 0,1Ivmax.

Относительные диаграммы углового распределения силы света светодиодов Z5-M0 и Z5-M1

Рис. 2. Относительные диаграммы углового распределения силы света светодиодов Z5-M0 и Z5-M1 (к описанию их отличия в связи с различным методом нанесения люминофора)

По той же причине градиент изменения оттенка цвета или коррелированной цветовой температуры в зависимости от угла наблюдения у светодиодов Z5-M1 оказывается существенно выше из-за утилизации линзой излучения в области боковой грани кристалла, редуцированного по спектру люминофором. Рассуждение иллюстрирует рис. 3, где можно заметить довольно четкий светящий контур кристалла светодиода Z5-M0, а в случае его более современного варианта можно было бы наблюдать более размытую фигуру по краям. Это обстоятельство может пригодиться разработчикам вторичной оптики для этих светодиодов, где будет важно четкое понимание площади светящей поверхности и ее формы, а также поможет скорректировать имеющиеся изменения колориметрических характеристик в зависимости от угла излучения (наблюдения). Переходя к обсуждению последних, следует обратить внимание на рис. 4, на котором показаны графики этих зависимостей. На первый взгляд, эти диаграммы не только не поясняют ситуацию с цветностью исследуемого светодиода, а наоборот, усложняют понимание, особенно если обратиться к значению коррелированной цветовой температуры, указанной в таблице 1. Однако следует напомнить, что вся биновка светодиодов на конвейере по значению цветовой температуры (координат цветности) производится в импульсном режиме (как и всех остальных параметров) с использованием, как правило, интегрирующей полусферы, в которой попавший в нее световой поток от всех секторов фотометрического тела (имеющих, как показано на рис. 4, различное значение цветовой температуры) перемешивается с помощью многократных переотражений от внутренней поверхности, и, таким образом, измерению подлежит некая средняя величина всех колориметрических характеристик. Однако, как неоднократно говорилось в предыдущих публикациях [6], при таких условиях совершенно непонятно, какой смысл вкладывает производитель (в данном случае — любой, не только Seoul Semiconductor) в декларируемое значение координат цветности или коррелированной цветовой температуры, потому как наблюдатель одинаково вероятно может видеть отдельно как центральную (осевую) часть излучения светодиода, так и периферийную, причем с разрешением в 1-2°. В таком случае, следуя сказанному выше, получается, что в фотометрическом теле светодиода есть, как правило, только одна-единственная область, и очень узкая, соответствующая заявленным параметрам, а наблюдатель, таким образом, практически никогда не сможет увидеть задекларированную цветность отдельного светодиода. В составе осветительного прибора, особенно с рассеивателем, — да, ситуация будет более похожа на цифру в спецификации. Отсюда следует довольно простой вывод: если иметь в виду, что метод сортировки (биновки) по цветовой температуре — неизменная данность, принятая повсеместно, то чем меньшее изменение по цветности (оттенку) в зависимости от угла излучения будет иметь светодиод, тем имеется большая вероятность истинности указанных в спецификации значений колориметрических характеристик.

Светодиод Z5-M0 во включенном состоянии

Рис. 3. Светодиод Z5-M0 во включенном состоянии (к иллюстрации формы светящей поверхности кристалла)

Зависимость от угла наблюдения для светодиода Z5-M1

Рис. 4. Зависимость от угла наблюдения для светодиода Z5-M1: а) координат цветности; б) коррелированной цветовой температуры

Переходя к исследуемым образцам и к рис. 4, можно заметить, что коррелированная цветовая температура (ССТ) светодиода Z5-M1 в зависимости от угла излучения 0-90° (а поскольку пространственное распределение силы света симметрично, то можно считать угол -90/+90°) изменяется приблизительно от 5000 до 9000 К. Однако интегральное значение ССТ будет таким, как указано в таблице 1, и таким, каким, по идее, измерила его сортировальная машина на производстве. В нашем случае эта цифра получена интегрированием долей суммарного светового потока с различными спектральными характеристиками, выраженными на рис. 4 разными колориметрическими параметрами. Измерение спектрального распределения светового потока (мощности излучения) выполнено с шагом в 5° и физическим разрешением спектрофотометра стенда «Спекорд» в 0,5 нм. Описанный анализ результатов, как показано выше, был построен на приведении в соответствие измеренных в лаборатории характеристик по наиболее «физическим» методам, используемым при сортировке, однако в рассуждении также показано, что корректность последнего для определения метрологически правильно полученных значений этих параметров остается под большим сомнением. Это обстоятельство, как указано в приведенных аргументах, практически у всех производителей часто оказывается причиной разногласий между ними и потребителями, когда реально визуально наблюдаемые оттенки излучения светодиодов и ожидаемые при прочтении спецификации оказываются существенно разными. Поэтому в данном исследовании эффект от такого несоответствия может быть ощутимым ввиду значительного изменения колориметрических характеристик от угла наблюдения (рис. 4).

На рис. 5 приведена зависимость индекса цветопередачи от угла излучения светодиода по каждому из 14 стандартных образцов. Эта информация дополняет рис. 4 и показывает, что, наряду с цветностью, имеется также различие и в индексах цветопередачи.

Измеренная диаграмма значений индексов цветопередачи светодиода Z5-M1

Рис. 5. Измеренная диаграмма значений индексов цветопередачи светодиода Z5-M1 по 14 стандартным образцам в зависимости от угла наблюдения (указан на сноске)

В заключение, возвращаясь к сравнению результатов исследования, полученных для двух вариантов мощных светодиодов Z5-Мх от Seoul Semiconductor, можно сделать вывод, что, несмотря на имеющиеся «болезни», которые, кстати, в разной степени присущи большинству аналогичных светодиодных продуктов от ведущих производителей, поэтому стоящих с ними в одном продуктовом ряду, на рынке появились довольно конкурентоспособные светодиоды сегмента 1-3 Вт. Следует отметить, что в представленном примере с исследованными образцами компания Seoul Semiconductor пошла по пути совершенствования параметров уже ставшего известным потребителю типа свето-диода вместо создания нового, хотя переделки и коснулись основных элементов светодиода — от применения другого излучающего кристалла до иного метода нанесения люминофора. Однако такой коммерческий ход, в случае реального подтверждения положительных изменений, вполне оправдан и должен принести компании увеличение уровня реноме этого продукта. А результатом этого усовершенствования стали заметно бóльшие значения светового потока и световой эффективности, выявленные при исследовании, а не только задекларированные в спецификации, что может служить подтверждением сделанным выше выводам.

Литература

  1. Никифоров С. Г., Архипов А. Л. Исследования и анализ зависимости квантового выхода светодиодов на основе материалов AlGaInN от плотности тока в неразогревающем режиме // 6-я Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе. СПб. Июнь, 2008.
  2. Никифоров С. Г., Архипов А. Л. Особенности определения квантового выхода светодиодов на основе AlGaInN и AlGaInP при различной плотности тока через излучающий кристалл. // Компоненты и технологии. 2008. № 1.
  3. Никифоров С. Г. Фотометрический метод исследования полупроводниковых гетероструктур // Заводская лаборатория. 2010. № 1. том 76.
  4. Сушков В. П., Никифоров С. Г. Метод контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе твердых растворов AlGaInN // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 3.
  5. Никифоров С. Г., Архипов А. Л. Метод исследования деградации излучающих свойств материалов на основе InGaN с помощью прецизионных измерений светового потока // 6-я Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе. СПб. Июнь, 2008.
  6. Никифоров С. Г. Реальный цвет и виртуальный индекс его передачи // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *