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

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).

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).

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.

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).

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.

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.