Решения Cree и LEDiL для «высокотемпературных» режимов работы светильников LED

№ 1(39)’2016
PDF версия
В статье рассмотрено применение силиконовой оптики для нового семейства «выскотемпературных» СД Cree семейства SC5, что дает возможность безопасно использовать весь ресурс приборов в рекомендуемых производителем режимах, за счет чего можно уменьшать габариты и размер радиатора и, соответственно, снизить себестоимость СД-светильников.

Cейчас только ленивые не пекут, не варят или не томят различные варианты осветительных «блюд» на своих светотехнических «кухнях». В этой статье мы предлагаем еще один оригинальный рецепт с использованием светодиодных и оптических продуктов высокого качества. Итак, «Хозяйке на заметку: как грамотно все разогреть и ничего не спалить»

Возьмите небольшой алюминиевый радиатор. На его алюмооксидную плату аккуратно припаяйте дюжину светодиодов Cree семейства SC5и положите все это на радиатор, предварительно смазав его термоклеем. То, что получится, накройте сверху тремя силиконовыми линзами LEDiL. Добавьте по вкусу пару унций винтов, шайб и гаек. Перед подачей блюдо необходимо приправить свежими проводами и разъемами.

Начнем, пожалуй, со смысла: а зачем все это нужно? Конечно же речь идет об экономии. Смысл заключается в том, чтобы заработать большие деньги, уменьшив себестоимость светильника, не ухудшая при этом его качество и долговечность. Мы говорим о возможности сэкономить на размере/весе радиатора каждого светильника приблизительно 20–40%. В масштабах мировой экономики или отдельно взятой страны это огромные деньги. А в масштабах конкретного бизнеса каждый предприниматель сможет определить потенциальную прибыль сам.

Но зачем уменьшать вес и размеры радиатора светодиодного (СД) светильника? Принято cчитать, что все СД очень чувствительны к перегреву. Действительно, при работе на высоких температурах кристалл СД, как и любой другой полупроводниковый прибор, будет значительно подвержен процессам деградации.

На сегодня в индустрии США принят стандарт LM-80 [2], который позволяет сделать качественную (факт изменения светового потока или цвета) и количественную (степень изменения) оценку деградации параметров СД по результатам долговременных испытаний. Важно отметить, что надежность работы самого СД сильно зависит от его конструкции и используемых материалов. Так, многих разработчиков опыт работы с СД в пластиковых корпусах интуитивно подталкивает к использованию относительно невысоких температур (+40…+60 °С в точке пайки [3]), при этом ток через кристалл выбирается таким образом, чтобы он не превышал половины максимального значения. В таком режиме большинство «пластиковых» СД показывает удовлетворительную деградацию параметров и имеет приемлемый срок службы. Если нагреть кристалл таких СД выше +90 °С, то это значительно снизит ресурс его работы. Как следствие, в конструкцию мощных светильников на обычных СД закладывают громоздкие и сложные радиаторы, размер и вес которых тщательно рассчитывают для эффективного отведения тепла.

В структуре себестоимости современных светильников зачастую радиатор — самая дорогая часть, потому как его делают из алюминия. Несмотря на падение виртуальных биржевых цен на металлы и нефть, за алюминий приходится платить реальные деньги, т. к. из биржевых фьючерсов и опционов каши не сваришь и светильник не сделаешь. Более того, при предсказуемой эрозии цен на СД, в ближайшей перспективе проблема существенного снижения стоимости светильника будет упираться именно в радиатор, т. к. пока что нет никаких предпосылок снижения стоимости алюминия [4].

Для снижения веса радиатора и увеличения теплоотдачи его конструкцию часто усложняют за счет увеличения площади поверхности, добавляя ребра или иглы. Также в конструкцию радиатора часто добавляют каналы для усиления конвекционного воздушного охлаждения или даже вентиляторы для интенсивного обдува.

Все эти технические решения нужны, поскольку до недавнего времени размеры и вес алюминиевых радиаторов, во многом определяющих внешний вид светильника, были жестко привязаны к рекомендациям производителей СД не перегревать кристаллы предыдущих поколений выше +90…+100 °С [5]. Однако уже сейчас доступны решения, позволяющие использовать светильники при более высоких температурах, а это, в свою очередь, дает возможность уменьшать размеры и вес радиаторов при прочих равных условиях эксплуатации.

В 2014 г. компания Cree перешла на новую технологическую платформу СД SC5. Отличительной особенностью новых серий продуктов, по сравнению с ранее известными рынку СД, является стабильная и надежная работа при экстремально высоких температурах и мощностях. Так, например, уже к моменту анонса СД серий XHP [6] компания предоставила данные LM80, подтверждающие их незначительную деградацию при температуре +105 °С, сравнимую с деградацией СД предыдущих поколений аналогичной мощности при температуре +85 °С. Новые СД спокойно выдерживают рабочие температуры на кристалле более +105 °С при прогнозируемом снижении светового потока. Например, имеющихся данных достаточно, чтобы сделать оценку срока службы для СД XHP70 на токе 1050 мА при температуре +125 °С (!) по критерию L90 (снижение светового потока до уровня 90% от начального значения). Следует отметить, что даже в таком экстремальном режиме срок службы будет составлять более 36 600 ч, а это более четырех лет непрерывной работы.

Такая рекордная надежность обеспечивается уникальной и запатентованной технологией производства СД компании Cree, которая совершенствуется на протяжении многих лет. Отличительной особенностью является процесс выращивания кристаллов на подложках из карбида кремния (SiC). Одним из преимуществ SiC в качестве подложки является минимальный коэффициент рассогласования периода решеток подложки и выращиваемой гетероструктуры по сравнению с другой доминирующей на рынке мощных СД технологией выращивания кристаллов на сапфировой подложке [8]. Кристаллы, выращенные на SiC, обладают существенно меньшей плотностью дефектов структуры, что позволяет обеспечивать их высокую эффективность и срок службы при высоких значениях плотности тока и температуры.

Рассмотрим подробнее основные параметры всех моделей платформы SC5 (таблица).

Таблица. Серия светодиодов SC5

Величины

МНВ-А

MHD-E

MHD-G

XHP35

XHP50

XHP70

Размер, мм

5×5

7×7

3,5×3,5

5×5

7×7

Варианты исполнения по напряжению, В

9

18

 

6

18

36

12

36

 

 

 

 

Максимальный ток, А

0,7 (9 В)

1,4 (9 В)

1 (18 В)

1,05 (12В)

3 (6 В)

4,8 (6 В)

0,35 (18 В)

0,7 (18 В)

0,5 (36 В)

1,5 (12 В)

2,4 (12 В)

2,4 (12 В)

0,175 (36 В)

0,35 (36 В)

 

Максимальная мощность, Вт

7

13

19

12

19

32

Максимальный световой поток, лм

830

1 807

2 545

1 528

2 546

4 022

CRI

Цветовая температура, K

2700–3500

4000–6500

2700–3500

4000–5000

5000–6500

2600–3700

3700–5000

5000–8300

70

 

+

 

+

+

+

+

+

80

+

+

+

+

+

+

 

 

85

 

 

 

 

+

 

 

 

90

+

+

+

+

+

 

 

 

Итак, применение СД серий XHP на высоких температурах позволяет существенно снизить требования к размерам и весу радиатора светильника. При этом технологии других компонентов СД-светильников также не стоят на месте. Так, например, применение алюминиевых печатных плат MCPCB с повышенной теплопроводностью в светильниках новых поколений может уменьшить перепад температуры между подложкой СД и радиатора, за счет чего можно обеспечить дополнительное снижение размера и веса светильника. Например, российская компания RUSALOX [1] производит алюминиевые печатные платы с высокой теплопроводностью на основе алюмооксидной изоляции с теплопровод­ностью около 10 Вт/(м·К) и толщиной изолирующего слоя 20–100 мкм (стандартная технология алюминиевых печатных плат в настоящее время обеспечивает теплопроводность порядка 2–4 Вт(м·К). Таким образом, преимущества алюмооксидных плат можно использовать как для снижения размера радиатора при заданной температуре эксплуатации СД, так и для облегчения их теплового режима в существующей конструкции светильника.

Возможности уменьшить размеры радиатора при использовании СД платформы SC5 наглядно показаны на рис. 1.

Рис. 1. Возможности уменьшения размеров радиатора при использовании новых светодиодов

Все новые технологии вызывают появление сопутствующих технических проблем, и наш случай — не исключение. Высокие температуры разогрева радиатора светильника будут плавить стандартные линзы, большинство из которых сделаны из PMMA. PMMA — это очень хороший материал для изготовления оптики, он долговечен и не боится уличных условий и ультрафиолета, но его не рекомендуют использовать при температурах выше +80 °С. Но этого уже не достаточно для работы в светильниках с температурой радиатора +95 °С. Жаркой ночью в южных регионах температура окружающей среды добавит тепла радиатору, и поликарбонат тоже «поплывет». Также есть на рынке линзы из поликарбоната, которые могут выдерживать температуры до +110 °С, но они желтеют от ультрафиолета.

Пожалуй, наиболее подходящий материал для изготовления высокотемпературных линз — оптический силикон. Его свойства таковы:

  • диапазон рабочих температур –45…+150 °С;
  • оптическая прозрачность такая же, как у PMMA, коэффициент преломления 1,41;
  • линзы из оптического силикона благодаря его эластичности не боятся ударов и одновременно могут служить герметизирующей прокладкой и колпаком-защитой для СД;
  • устойчивость к воздействию ультрафиолета;
  • химическая инертность;
  • механическая прочность оптического силикона достаточна для применения его в светильниках без защитного стекла.

LEDiL в течение двух лет производит вторичную оптику из оптического силикона для СД CoB, и эта оптика уже успела хорошо себя зарекомендовать. В 2016 г. компания представила групповые линзы из оптического силикона для новых светодиодов Cree семейства SC5. Для небольших светодиодов типа XHP35-HI и XHP35-HD было разработано семейство линз 2×2 габаритами 50×50 мм. Первая линза из нового семейства — FN15180_STRADA-2X2-5050-T3 (рис. 2).

Размеры линзы FN15180_STRADA-2X2-5050-T3

Рис. 2. Размеры линзы FN15180_STRADA-2X2-5050-T3

Новая линза состоит из силиконового оптического модуля 2×2 и прижимной рамки из поликарбоната. Крепится новая линза винтом по центру или же силиконовым клеем типа Dow Corning 3145, который нужно наносить по периметру линзы и вокруг центрального отверстия. Диаграмма распределения света нового семейства представлена на рис. 3.

Диаграмма распределения света

Рис. 3. Диаграмма распределения света

Для особо мощных СД Cree типа XHP70 или MHD-G, которые также могут работать при высоких температурах на кристалле и радиаторе, компания LEDiL начала выпуск нового семейства силиконовых линз STRADA-2X2MX-SI. Первая линза из этого семейства — FN14825_STRADA-2X2MX-SI-DWC (рис. 4).

Внешний вид линзы FN14825_STRADA-2X2MX-SI-DWC

Рис. 4. Внешний вид линзы FN14825_STRADA-2X2MX-SI-DWC

Габариты новой оптики 90×90×14 мм. Линза крепится к радиатору четырьмя винтами или же силиконовым клеем типа Dow Corning 3145. Диаграмма новой оптики представлена на рис. 5.

Диаграмма линзы FN14825_STRADA-2X2MX-SI-DWC

Рис. 5. Диаграмма линзы FN14825_STRADA-2X2MX-SI-DWC

Появление силиконовой оптики для нового семейства «выскотемпературных» СД Cree семейства SC5 дает возможность безопасно использовать весь ресурс приборов в рекомендуемых производителем режимах, за счет чего можно уменьшать габариты и размер радиатора и, соответственно, снизить себестоимость СД-светильников.

Литература
  1. www.Rusalox.ru
  2. www.cree.com/xlamp_app_notes/lumen_maintenance /ссылка утеряна/
  3. www.cree.com/xlamp_app_notes/solder_point_temp /ссылка утеряна/
  4. Юровских Д. Скрытые возможности по снижению себестоимости светодиодного светильника // Lumen&ExpertUnion. 2015. № 1.
  5. Полищук А. Обеспечение теплового режима мощных светодиодных ламп при разработке светотехнических устройств // Современная электроника. 2006. № 3.
  6. www.cree.com/xhp
  7. Донцов А. Теперь — по технологии SC3: новые светодиоды от Cree // Новости электроники. 2012. № 2.
  8. Туркин А. Обзор развития технологии полупроводниковых гетероструктур на основе нитрида галлия (GaN) // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 6.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.