Особая конструкция светодиода с изменением цветности как в галогенных лампах

Люди любят то, к чему привыкли, а все непривычное отвергают. Когда галогенный светильник или лампа накаливания тускло светят, это значит, что через нить накала проходит меньший ток. Нить остывает и начинает испускать теплый свет с большим излучением в красной полосе спектра. Таким образом, мы предполагаем, что диммирование (затемнение) лампы приведет к более теплой, успокаивающей атмосфере. Светодиодные источники освещения излучают свет благодаря другому физическому явлению — электролюминесценции, а не накаливанию. Нет никакого температурного сдвига, когда ток, протекающий через светодиодный кристалл, уменьшается для снижения силы света. Необходимо конструировать светодиоды (LED) и твердотельные системы освещения (SSL) так, чтобы их диммирование происходило так же, как и их галогенных аналогов.

Направленные галогенные лампы очень популярны в индустрии гостиничного бизнеса и общественного питания. Однако в этом качестве использование зарекомендовавшего себя светодиодного освещения является более целесообразным. В частности, LED-освещение гораздо эффективнее в плане преобразования электричества в свет, так как экономнее расходует энергию и не нагревается до высоких температур. В любом случае, регулировка яркости светодиодов с таким же цветовым сдвигом, как и у галогенных источников, а также поддержка качества цвета являются самыми важными техническими задачами для разработчиков LED-излучателей и оборудования.

Цель исследований — найти светодиодный излучатель, который точно следует совершенной кривой излучения черного тела при диммировании. Или, что еще лучше, излучатель, который следует кривой еще более точно, чем его галогенный аналог. Чтобы понять, как можно достичь такого результата, важно учитывать особые требования к LED-кристаллу, подложке, оптической и управляющей системам, которые и позволяют создать и сделать коммерчески выгодным направленное светодиодное оборудование галогенного типа.

Почему галогенные лампы могут регулироваться таким образом?

Сначала давайте разберемся более подробно, как работали старые системы освещения. Все мы знаем, что если нагреть кусочек металла, он раскалится. Этот самый накал и есть тепловое излучение, вид электромагнитного излучения, вызываемый тепловым движением заряженных частиц металла. Цвет каления меняется от красного к оранжевому, затем к желтому, белому и, наконец, доходит до синего. В то время как яркость свечения зависит от материала, спектральный состав зависит только от температуры. Под абсолютно черным телом понимается идеальное тело, которое поглощает все электромагнитное излучение, его достигающее, не передавая или отражая энергию. Когда черное тело нагрето, частота или цветовая температура излучения могут быть отмечены на графике в соответствии с принятой формулой (формулой Планка) для абсолютно черного тела (рис. 1).

Рис. 1. Когда черное тело нагрето, цветовая температура излучения может быть отмечена на графике в соответствии с формулой Планка для абсолютно черного тела

Принцип работы галогенных ламп состоит в пропускании электрического тока через вольфрамовую нить, помещенную в стеклянную оболочку. Небольшие объемы йода или брома содержатся внутри оболочки, чтобы испаренный вольфрам отлагался обратно на нити накала, а не на стенки оболочки лампы. Свет, излучаемый вольфрамовой нитью, следует совершенной кривой излучения черного тела довольно точно, однако иногда отклоняется от нее, выдавая зеленоватый оттенок на некоторых температурах. Качество цвета, определенное как показатель цветопередачи (CRI), хорошо поддерживается в галогенных лампах, когда они горят в «полнакала».

Почему светодиодные лампы гаснут по-другому?

В LED-освещении свет создается не с помощью теплового излучения. Светодиоды создают свет при помощи электролюминесценции. Свет излучается, когда электроны и дырки рекомбинируют в материале — полупроводнике. Спектр, или цвет излучаемого света определяется в основном компонентами полупроводника и люминофорами — химическими элементами, покрывающими кристалл светодиода. В результате, когда меньший ток проходит сквозь светодиод и он горит менее ярко, сдвиг цветовой температуры оказывается очень мал, поскольку тепловое излучение представляет ничтожную часть излучаемого света. В действительности изменение оттенка во время потускнения светодиода едва ли заметно для человеческого глаза.

Мы привыкли к галогенному типу регулировки яркости и высокому показателю цветопередачи при диммировании галогенного освещения. Цветопередача лучше всего заметна на оттенках кожи. С насыщенным показателем CRI цвет кожи выглядит натурально, даже когда уровень освещенности уменьшается. Человеческий глаз гораздо более чувствителен к изменению цветов, нежели к небольшим изменениям яркости. В дневное время мы более всего чувствительны к синему цвету, именно поэтому у нас такое хорошее восприятие смены цвета. Мы распознаем детали через зеленые и красные части спектра и ощущаем изменения освещенности в основном через зеленую часть. Между прочим, чистый белый — это, по определению, на 76% зеленый, на 22% красный и на 12% синий свет. Мы привыкли к галогенному типу регулирования яркости, нам так привычно и комфортно, поэтому если свет приглушается, незаметно создавая теплый белый, — это кажется искусственным, и не стоит даже пытаться это делать в индустрии гостиничного бизнеса и общественного питания (рестораны, бары или отели).

Какие характеристики необходимы?

Если мы хотим изменить цвет светодиодного освещения на протяжении кривой излучения черного тела или другой кривой, когда светодиод гаснет, мы должны смешать свет как минимум из трех кристаллов, чтобы создать диапазон белых тонов или цветовых температур. Чтобы создать белый LED-излучатель, нанесите на синий светодиод сочетание красного и желтого люминофоров. Обычно используются кристаллы с длиной волны в 445-455 нм, однако можно приспособить и кристаллы с большей длиной волны. Комбинация из кристалла с определенной длиной волны и желтого/красного люминофоров — это тот самый способ, который позволяет достичь желаемых цветовых точек.

Люминофоры могут быть напылены на светодиодную пластину до того, как она будет разрезана на кристаллы, либо нанесены непосредственно на кристалл. Последний метод создает прямой тепловой мост для слоя люминофора, позволяя ему меньше нагреваться и показывать более высокие характеристики. В этом случае свет от кристалла можно подогнать в пределах трех эллипсов МакАдама.

Сочетая различные комбинации кристаллов и люминофоров, можно получить различные цветовые температуры в диапазоне 1800-5500 К, которые потом смешиваются в один световой пучок. Чтобы свет смешивался эффективно, светодиодный кристалл должен быть хорошо закреплен на подложке. Пропускание тока через светодиод приводит к нагреву, что влияет на стабильность во время эксплуатации, однако снижение тока приведет к уменьшению светосилы.

Этот побочный эффект может быть нивелирован двумя способами. Вместо того чтобы использовать клеящее вещество для присоединения кристалла к подложке, которое создает сильный тепловой барьер, ограничивая тем самым эффективное рассеяние тепла от LED-кристалла, лучше применять запатентованную технологию, в основе которой лежит золотой эвтектический сплав для крепления кристалла с гораздо лучшей теплопроводностью. Если коэффициент теплопроводности (КТ) многослойной керамической подложки подобран близко к КТ используемого светодиодного кристалла, то это уменьшит нагрузку при его нагреве. Это сочетание технологий позволяет использовать кристалл на более высоких токах, чтобы вырабатывалось больше света, было занято меньше места и не достигались повреждающие p-n-переход температуры. Если основная стеклянная линза расположена сверху на кристалле, то она не будет портиться со временем так, как портилась бы силиконовая линза, поэтому постоянство цвета обеспечивается на протяжении всего срока эксплуатации излучателя.

Смешивание цветов начинается близко к кристаллу и может быть проделано с помощью хорошо подобранной вторичной оптики, которая также позволяет точно сфокусировать луч света через конструкцию полного внутреннего отражения (рис. 2). Однородное качество света достигается по всей длине луча.

Рис. 2. Сочетание запатентованных технологий позволяет этим небольшим излучателям вырабатывать насыщенный, высококачественный свет, который может быть точно сфокусирован при помощи вторичных линз полного внутреннего отражения

Было доказано, что небольшой излучатель с подобранной вторичной оптикой может испускать в два раза больше светового потока, чем стандартное сочетание излучателя и отражателя (рис. 3). Более того, комбинация из компактного излучателя и линзы создает более мягкий «край» луча и уменьшает испускаемый свет за его пределы, тем самым сводя на нет нежелательный блеск. Это довольно важное требование для отраслей гостиничного бизнеса, общественного питания и других критичных к освещению областей.

Рис. 3. Распределение яркости к углу обзора, сравнение светодиодной конструкции полного внутреннего отражения (ПВО) и обычной отражающей технологии. Небольшие излучатели с линзами ПВО производят в два раза больше люменов при минимальном нежелательном блеске

Управление драйвером

Технологии излучателя и излучателя/линзы, описанные ранее, могут лечь в основу настраиваемой белой светодиодной платформы. Например, LuxiTune, разработанный LED Engin, доступен как излучатель со вторичной оптикой ПВО и встроенным драйвером (рис. 4). Данный модуль позволяет ускорить создание новых продуктов на рынке осветительного оборудования. В этом случае одиночный излучатель состоит из 12 кристаллов, связанных через три канала, т. е. три группы по четыре кристалла. Конструкция подложки позволяет работать независимо с каждым кристаллом. Вторичная оптика создает луч с углом в 24, 32 или 45° с минимальной потерей света и без бликов. Печатная монтажная плата, на которой и расположен излучатель, дополняет модуль управляющей электроники, которая определяет, какой канал отводится для группы связанных кристаллов. При помощи триангулирования света от каждой из групп температура цвета варьируется от 3000 К при максимальной светосиле до 1800 К при полном погасании (сила света менее 2%, рис. 5). Плата управления позволяет использовать цепь сопряжения в стандартизированных, широко доступных и недорогих диммерах (0-10 В) или кнопочном управлении. DMX (Digital Multiplex) интерфейс не является обязательным. Эта платформа работает от одиночной, нерегулируемой шины питания на 24 В. Источники питания переменного и постоянного тока, подающие данное напряжение, есть в наличии по доступным ценам.

Рис. 4. Небольшой излучатель, вторичная оптика и панель управления драйвером позволяют использовать затемненное освещение галогенного типа со всеми преимуществами LED-освещения

Рис. 5. Коррелированная цветовая температура LuxiTune близко следует кривой излучения черного тела

Управление происходит при помощи запатентованных алгоритмов, работающих на микроконтроллере. Программное обеспечение гарантирует ровную цветовую температуру и плотность потока по всему диапазону рабочих температур, при этом не требуется никакой перекалибровки. Процессы и технологии, описанные ранее, позволяют гарантировать, что ровность цветовой температуры достигает трех квадратичных отклонений при сравнении цветов или эллипсов МакАдама, гарантируя, таким образом, идентичные результаты для светового оборудования во время установки. На температуре в 3000 К показатель цветопередачи (CRI) 90 и коэффициент цветопередачи красного цвета (R9), равный 80, вполне достижимы, а на всем затемненном диапазоне средний показатель цветопередачи равняется 85, а R9 — 70. Типичный световой поток достигает 1100 лм при постоянной температуре линз полного внутреннего отражения. Энергопотребление составляет 17,3 Вт при светоотдаче в 63 лм/Вт. При максимальной светосиле такие излучатели обычно соответствуют галогенной лампе на 70 Вт, однако сохраняют до 70% энергии. В дальнейшем бонусом также будет и отсутствие сильного нагрева со стороны лампы, что позволит избежать угроз безопасности, к которым может привести высокая температура. Запатентованные технологии по отбору и покрытию светодиодных кристаллов, присоединению кристалла к подложке, конструкции подложки, конструкции первичной и вторичной оптики и разработке управляющей электроники теперь соединены в одно целое для создания легко внедряемых решений, позволяющих получать затемненное освещение галогенного типа от небольших, эффективных и экономичных светодиодов.

Оригинал статьи опубликован на http://ledsmagazine.com/features/10/10/14.