Питание светодиодов высокими токами Как использовать резерв мощности светодиодов и сократить расходы

Для разработчиков светодиодных систем освещения ключевым параметром светодиодного бина является значение тока биновки. Это значение необходимо для определения тока источника питания светильника. Выбор значения тока биновки в 350 мА для некоторых светодиодов является крайне консервативным, особенно для так называемых мощных. Как следствие, в системах освещения используется большее количество светодиодов, чем это необходимо, что, в свою очередь, ведет к более высокой стоимости системы в целом.

Современные светодиоды, такие как, например, светодиодные матрицы серии Cree CXA или светодиоды XLamp MK-R со светоотдачей до 200 лм/Вт, могут быть нагружены током с более высоким значением без ухудшения надежности, светоотдачи и стабильности светового потока. Это было протестировано согласно стандарту LM-80 (измерение стабильности) и расчетам срока службы в соответствии с техническим меморандумом TM-21. За счет более высокой нагрузки током резерв мощности светодиодов может быть оптимально использован, что делает возможным использование меньшего количества кристаллов.

Компания Cree провела серию тестов некоторых своих светодиодов согласно LM-80 с повышенными значениями тока (таблица). Так, срок службы L70 (70% от изначального светового потока светодиода) образцов серии XLamp XP-G при токе нагрузки в 1000 мА и температуре эксплуатации в +85 °C составляет примерно 363 000 ч. Это значение соответствует области применения внутри помещения и было получено в ходе теста с постоянной нагрузкой в течение 10 080 ч. Значение 60 500 ч эксплуатации было вычислено исходя из температуры эксплуатации в +85 °C. При этом необходимо учитывать, что согласно спецификации Cree для XLamp XP-G максимальный ток управления имеет значение в 1500 мА. Это на треть больше значения, использованного в расчетах.

В других светодиодах производства компании Cree были получены похожие результаты. Так, например, новый светодиод XLamp MK-R достигает светоотдачи в 200 лм/Вт при небольшой мощности, однако может без проблем эксплуатироваться при более высоком токе, чем ток бинировки в 350 мА, максимально до 1250 мА. Это правило действует и для светодиодных матриц серии CXA, которые представлены на рынке в четырех вариантах со значениями индекса цветопередачи от 80 до 90 и с различными значениями светоотдачи. В ходе L70-тестов светодиода XLamp XM-L при токе в 2000 мА (67% от максимально допустимого тока согласно спецификации) был показан срок эксплуатации в 36 300 ч. Для следующих значений температур при токе в 2000 мА были получены соответствующие сроки эксплуатации:

• +45 °C — 2,34 млн ч;
• +55 °C — 362 000 ч;
• +85 °C —158 000 ч.

Оценка влияния факторов снижения эффективности и перепада температур

Для разработчиков наряду с более высокой рентабельностью есть и другие преимущества эксплуатации светодиодов при более высоких значениях тока. Так, например, при разработке светодиодных осветительных систем проще учитывать нелинейные факторы влияния. Особенно это касается фактора снижения эффективности при более высоких значениях тока, а также фактор перепада температур, который ведет к снижению светоотдачи при повышении температуры кристалла. На данный момент самые яркие светодиоды теплого белого цвета серии XLamp MK-R, представленные в январе 2013 г., достигают светоотдачи в 200 лм/Вт при температуре в +85 °C и повышенном уровне тока. Эти значения были получены с помощью специального метода тестирования продуктов компании Cree.

Для разработчиков систем светодиодного освещения неоценимым преимуществом является доступ к данным долгосрочной эксплуатации, которые характеризуют мощность и надежность светодиодов при повышенных значениях температуры и тока управления. В данном случае при выборе компонентов для систем освещения разработчики могут ориентироваться не только на нелинейные критерии.

Ограничивающие факторы: охлаждение и заданная величина эффективной мощности

При эксплуатации светодиодов при более высоких значениях температуры и тока управления также можно достичь более высокой светоотдачи от каждого светодиода. Однако есть некоторые применения, в которых этот принцип имеет ограничения. Особенно это касается областей, критичных к следующим факторам:

• высокая сила света;
• повышенная светоотдача;
• небольшой по размеру конструктив;
• направленность освещения.

Эти ограничения могут быть проиллюстрированы следующим примером. Максимальный ток управления светодиодом серии XLamp MT-G EasyWhite составляет 4000 мА при мощности 24 Вт. Размер корпуса светодиода 9х9 мм. Компактный светодиодный светильник, например типа MR-16, не в состоянии рассеять мощность выше 20 Вт, так как теплоотвод MR-16 рассчитан только на 4–7 Вт при температуре +70 °C. Таким образом, он ограничивает максимальное значение тока.

При использовании светодиода XLamp MT-G в системах с более крупными теплоотводами возможно более высокое значение тока. Это относится, например, к светодиодным светильникам серии PAR38, габариты которых значительно больше, чем ламп MR-16. Интеграция больших теплоотводов не представляет проблемы.

Более высокие значения тока могут быть неприемлемы и по другой причине: этот метод идет частично в разрез со стандартами энергоэффективности, например предписаниями Energy Star и инициативеой Green Light Европейского Союза. Спецификация L70 также ограничивает увеличение значений тока и температуры.

Максимальное использование резервов мощности современных светодиодов

Подводя итоги можно сделать вывод, что разработчики должны использовать возможности современных светодиодов относительно значений токов и области температуры эксплуатации. Такие светодиоды позволяют разрабатывать эффективные системы освещения с меньшим количеством светодиодов и электронных компонентов без ущерба для качества и срока эксплуатации светильников. При использовании лишь информации о бинировке упускается возможность задействовать потенциал для оптимизации системы.

Еще один довод в пользу светодиодов Cree — широкий выбор подходящих драйверов. В рамках программы совместимости для светодиодов производства этой компании была проведена сертификации светодиодных драйверов других производителей. Разработчики получили тем самым больше возможностей для управления светодиодами.