Современные светодиоды компаний Toyoda Gosei и Nichia

Японские компании занимают значительную долю мирового рынка светодиодной продукции. По данным аналитического агентства IMS Research, Япония стоит на втором месте в мире по объемам выпуска светодиодных кристаллов (24% за 2009 г.) [1]. Производством светодиодов и светодиодных кристаллов занимаются как многопрофильные концерны, такие как Panasonic, Sharp, Showa Denko и др., так и более специализированные компании, например Rubicon Technology.

Компания Toyoda Gosei (г. Иназава, префектура Айчи) основана в 1949 г. корпорацией Toyota Motor Industry для производства резинотехнических изделий. Первое название фирмы — Nagoya Rubber, а современное — Toyoda Gosei (TG) — фирма получила в 1973 г. Компания выпускает широкую номенклатуру изделий для автомобильной промышленности, в том числе светодиоды и осветительные приборы, производство которых осуществляется на базе собственных разработок. К выпуску синих светодиодов компания приступила в 1995 г., производство новых типов синих и зеленых светодиодов TG Blue и TG Green началось в 1998 г., приборов высокой яркости HI Series — в 1999 г. [2].

В номенклатуру выпускаемых компанией в 2011 г. светодиодов входят следующие приборы: синие, зеленые, сине-зеленые и белые светодиоды в круглых пластиковых корпусах с выводами (Lamp LED); белые светодиодные чипы и чипы естественного белого света серии True white LED (рис. 1), а также белые светодиоды высокой яркости серии TG True White HI [3].

Рис. 1. Продукты компании Toyoda Gosei

Компания провела комплекс исследовательских работ, направленных на получение светодиодов с естественным белым светом. В результате было создано несколько серий белых светодиодов. Приборы серии Multi White LED на основе трех светодиодов основных цветов отличались невысокой яркостью свечения и сложной технологией. Приборы серии TG White HI на основе синего светодиода с желтым люминофором (традиционный метод получения белого света) обеспечивали высокую яркость свечения с недостаточным индексом цветопередачи. Приборы серии TG White построены на основе фиолетового светодиода со специальным RGB-люминофором и обеспечивают более естественное освещение. Приборы серии TG White HI состоят из светодиодов основных цветов плюс специальный фиолетовый светодиод TG Purple с RGB-люминофором и обеспечивают индекс цветопередачи не менее 90 и силу света 450 мкд при прямом токе 20 мА. Их спектральные характеристики показаны на рис. 2. Высокое качество цветопередачи светодиодов серии TG True White HI позволяет использовать их для подсветки экспонатов в музеях, а также в магазинах — можно определить свежесть продуктов, а также рассмотреть настоящий цвет одежды.

Рис. 2. Спектральная характеристика светодиодов TG White HI

Технические данные светодиодов перечисленных серий высылаются по запросам заказчиков, классификационные параметры белых светодиодных чипов из каталога фирмы 2011 г. приведены в таблице 1 (звездочкой в таблице отмечены новинки). Все рассматриваемые устройства основаны на синих светодиодах с желтым фосфорным люминофором в исполнении, устойчивом к статическому электричеству. Приборы могут быть использованы в диапазоне рабочих температур –40…+85 °С, максимальная температура кристаллов — +150 °С.

Внешний вид приборов E1SAP-YH0H4-0A, E1SAP-YK0H4-0A показан на рис. 3. Диаграмма углового распределения силы света этих светодиодов приведена на рис. 4. Как показывает график, углы наблюдения на уровне 0,5I_v в обеих плоскостях составляют порядка 150°. Область цветовых координат и спектральная характеристика светодиодов приведены на рис. 5 и 6 соответственно, излучение приборов характерно для белых «холодных» светодиодов с цветовой температурой порядка 5000–7000°. На рис. 7 приведена зависимость относительного светового потока приборов от прямого тока через них, при увеличении I_пр до 700 мА световой поток увеличивается в 1,5–1,8 раза относительно номинальных значений. Приборы выпускаются в трех различных исполнениях по световому потоку (Luminous Flux Rank), для светодиода E1SAP-YH0H4-0A имеются следующие исполнения: Rank 3 — φV = 55–66 лм, Rank 4 — 66–79 лм, Rank 5 — 79–95 лм, для последнего исполнения световой поток при I_пр = 700 мА может достигать 140–170 лм.

Рис. 3. Внешний вид приборов E1SAP-YH0H4-0A

Рис. 4. Диаграмма углового распределения силы света светодиода E1SAP-YH0H4-0A

Рис. 5. Область цветовых координат светодиодов E1SAP-YH0H4-0A

Рис. 6. Спектральная характеристика светодиодов E1SAP-YH0H4-0A

Рис. 7. Зависимость относительного светового потока светодиода E1SAP-YH0H4-0A от прямого тока

Новые светодиоды, отмеченные в таблице 1 звездочкой, рассчитаны на номинальный прямой ток 40 мА, их внешний вид показан на рис. 8. Данные приборы имеют меньший угол излучения (120° на уровне 0,5I_v), спектральные характеристики соответствуют кривой, показанной на рис. 6. Диапазон рабочих температуры светодиодов –30…+85 °С, максимальная температура кристаллов +100 °С. На рис. 9 приведена зависимость относительной силы света приборов от прямого тока через них, при I_пр = 80 мА сила света увеличивается в 1,7 раза относительно номинального значения. Приборы выпускаются в двух различных исполнениях по световому потоку.

Рис. 8. Внешний вид светодиодов серии E1SBA…046

Рис. 9. Зависимость относительной силы света светодиодов серии E1SBA…046 от прямого тока

Фирма Nichia (Анан, префектура Токусима) занимает особое место в мировой светодиодной индустрии благодаря работавшему в ней ранее исследователю Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura) — изобретателю синего светодиода. Нобуо Огава (Nobuo Ogawa, 1912–2002 гг.) основал компанию в 1956 г. как семейное предприятие, коим оно является и в настоящее время. Президент компании — Эйдзи Огава (Eiji Ogawa). Первоначально фирма занималась производством люминофоров для люминесцентных ламп и кинескопов для цветных телевизоров.

Одним из удачных решений Нобуо Огава стала поддержка исследований, направленных на создание светодиодов на основе нитрида галлия, проводимых талантливым ученым Сюдзи Накамура. Первый коммерческий синий светодиод высокой яркости был изобретен Накамурой в 1993 г. За изобретение ярко-синего светодиода и синего лазера в 2006 г. ученый был удостоен престижной технологической премии «Миллениум» (Millennium Technology Prize). На рис. 10 представлена фотография Сюдзи Накамуры с официального сайта комитета «Миллениум» [4]. В настоящее время ученый является профессором университета в Санта-Барбаре (Калифорния, США), а также научным консультантом компании Cree.

Рис. 10. Фотография С. Накамуры

Исследовательский центр Nichia находится в Иокогаме, пять заводов в префектуре Токусима и один в Кагосиме, зарубежные подразделения расположены в США, Нидерландах, Германии, России (Москва), Китае, Корее, Малайзии, Сингапуре, Австралии, Таиланде, Индии и на Тайване. Основные виды продукции, выпускаемой компанией:

• люминофоры для ЭЛТ, осветительных ламп, плазменных панелей, рентгеновских экранов;
• светодиоды, лазерные диоды;
• оптические полупроводниковые приборы;
• высококачественные материалы для электронной, фармацевтической и пищевой промышленности;
• напыляемые и магнитные материалы, материалы для батарей.

Общее число персонала 7300 сотрудников (на апрель 2011 г.) [5].

По сравнению с 2010 г. номенклатура светодиодов фирмы существенно обновлена, в каталоге 2011 г. компания предлагает следующие серии:

• 183А — мощные многокристальные светодиоды (Multi-Chip Power LED), 16 типов приборов;
• 153АМ — компактные многокристальные светодиоды, три типа;
• 157А — высокоэффективные светодиоды с фронтальным излучением, 19 типов;
• 346KS — цветные овальные светодиоды, три типа;
• 172 — мощные светодиоды для автомобильных приложений, четыре типа;
• 119А и 219А — новые мощные светодиоды с точечным излучением, 16 типов [6].

Классификационные параметры белых светодиодов фирмы приведены в таблице 2. Все приборы, включенные в таблицу, имеют индекс NEW, т. е. являются перспективными.

Источники белого света и светодиоды в частности характеризуются индексом цветопередачи R_a— параметром, определяющим уровень соответствия естественного цвета тела видимому цвету этого тела при освещении конкретным источником света. Для определения индекса цветопередачи (Color Rendering Index, CRI) какого-либо источника света фиксируется сдвиг (изменение) цвета с помощью восьми или 14 указанных в стандарте DIN6169 эталонных цветов, наблюдаемый при направлении тестируемого источника света на эталонные цвета. До недавнего времени белые светодиоды Nichia характеризовались различными терминами: стандартный (холодный) белый — White; белый с умеренным CRI — Moderate CRI White; белый с высоким CRI — High CRI White; теплый белый — Warm White; теплый белый с умеренным CRI — Moderate CRI Warm White; теплый белый с высоким CRI — High CRI Warm White. Соответствующие спектральные характеристики белых светодиодов фирмы приведены на рис. 11. С 2011 г. фирма в технической документации употребляет только два термина — белый и теплый белый. Следует отметить, что для определения CRI Nichia использует 15 эталонных цветов в соответствии с японским стандартом JIS Z8726. Эталонные цвета для определения индекса цветопередачи по стандарту JIS Z8726 показаны на рис. 12. Весьма важным в таких приложениях, как освещение витрин и прилавков, является эталонный цвет R9, его точная передача позволяет, например, правильно определять цвет мясных продуктов. Перейдем к более подробному рассмотрению особенностей некоторых приборов фирмы.

Рис. 11. Спектральные характеристики белых светодиодов Nichia

Рис. 12. Эталонные цвета

Серия 183А

Приборы выполнены в корпусах размерами 6,5×5×1,35 мм, внешний вид светодиодов показан на рис. 13. В состав приборов входят узлы защиты от статического электричества, рабочий диапазон температур — –40…+100 °С, максимальная температура кристаллов — +135 °С. Ширина диаграммы углового распределения силы света 2Θ1/2 = 120°. Приборы проходят испытания на надежность в соответствии с японскими стандартами JEITA ED-4701ххх. Приведем некоторые из них:

• термоциклирование — 100 циклов (один цикл: –40 °С/30 мин. — +25 °С/5 мин. — +100 °С/30 мин. — +25°/5 мин.);
• устойчивость к повышенной влажности — 10 циклов (+25 °С — +65 °С — –10 °С при влажности 90%, 1 цикл = 24 ч);
• хранение при температуре +100 °С — 1000 ч;
• хранение при влажности 90% и температуре +60 °С — 1000 ч;
• длительность работы при I_пр = 800 мА — 1000 часов (Т = +25 °С);
• вибростойкость — 48 мин. при ускорении 200 м/с², частота 100–2000–100 Гц — 4 мин., четыре цикла в трех направлениях.

Рис. 13. Внешний вид приборов серии 183А

Приборы подвергаются и другим испытаниям, условия их проведения указаны в справочных листках. Рассмотрим особенности некоторых представителей данной серии.

NS6W183AT-H3 — белые светодиоды с высоким индексом цветопередачи CRI. Наименование приборов приведено по справочным материалам (Datasheet), полные наименования дополняются вариантами исполнений (Rank). Предусмотрено три исполнения по цветовым координатам X, Y, четыре по световому потоку, три по прямому напряжению. Основное назначение приборов — элементы систем общего освещения, осветительных ламп, светильников различного типа, основные параметры светодиодов:

• световой поток φV (лм): Rank В12 — 120–130; В11 — 110–120; В10 — 100–110; В09 — 90–100 (при I_пр = 350 мА, Т = +25 °С);
• прямое напряжение V_f (В): Rank L — 3,2–3,6; K — 2,8–3,2; J — 2,4–2,8;
• типовая сила света I_v (кд) — 38 (Rank B11);
• максимальный прямой ток I_f — 800 мА (импульсный 900 мА, t_имп ≤ 10 мкс, скважность мене 1/10);
• мощность рассеяния P_d — 2,88 Вт (при температуре +25 °С);
• тепловое сопротивление — 9 °С/Вт.

На рис. 14 показана спектральная характеристика приборов. На рис. 15 приведена зависимость относительного светового потока приборов от прямого тока. Как видно из графика, при максимальном прямом токе 800 мА сила света увеличивается в два раза (для исполнения В12, световой поток до 240–260 лм). Следует отметить, что в каталогах фирмы и таблице 2 приводятся некоторые средние (очевидно, основные) значения параметров без учета исполнений, подробная информация приведена в справочных листах конкретных приборов.

Рис. 14. Спектральная характеристика прибора NS6W183AT-H3

Рис. 15. Зависимость относительного светового потока прибора NS6W183AT-H3 от прямого тока

NS6L183AT-H1 — теплые белые светодиоды с высоким индексом цветопередачи (типовое значение R_a = 92). Предусмотрено пять исполнений по цветовым координатам X, Y, пять по световому потоку и три по прямому напряжению. Приборы обеспечивают освещение высокого качества и могут быть использованы для ответственных приложений, таких как подсветка музейных экспонатов, витрин магазинов, в медицинских светильниках. Основные параметры светодиодов:

• световой поток φV (лм) — Rank B10 — 100–110, B09 — 90–100, B08 — 80–90, B07 — 70–80, B06 — 60–70 (при I_пр = 350 мА, Т = +25 °С);
• типовая сила света I_v (кд) — 28,4 (Rank B08);
• тепловое сопротивление — 6 °С/Вт, остальные параметры как у NS6W183AT-H3, спектральная характеристика приборов приведена на рис. 16.

В составе серии имеются также приборы с тремя и шестью последовательно соединенными светодиодами с прямым напряжением 10 и 18,5 В соответственно (табл. 2).

Рис. 16. Спектральная характеристика прибора NS6L183AT-H1

Серия 153АМ

Приборы серии выполнены в корпусах размерами 4×4×0,85 мм, их внешний вид показан на рис. 17. В состав приборов входят три последовательно соединенных светодиода и узел защиты от статического электричества. Рабочий диапазон температур –40…+100 °С, максимальная температура кристаллов +150 °С. Ширина диаграммы углового распределения силы света 2Θ1/2 = 120°. Приборы также проходят испытания на надежность по стандартам JEITA ED-4701ххх.

Рис. 17. Внешний вид светодиодов серии 153А, 172

NS9L153AMT-H3 — теплые белые светодиоды с высоким индексом цветопередачи (типовое значение R_a = 85). Предусмотрено четыре исполнения по прямому напряжению, шесть по световому потоку и пять по цветовым координатам. Приборы хорошо подходят для приложений с батарейным питанием, например от аккумуляторов автомобилей. Основные параметры светодиодов:

• световой поток φV (лм) — 80–140 (Rank 08–Rank 13) при I_пр = 120 мА, Т = +25 °С;
• типовая сила света I_v (кд) — 37 (Rank B11);
• максимальный прямой ток — 400 мА;
• мощность рассеяния — 4,4 Вт;
• тепловое сопротивление — 10 °С/Вт.

При увеличении прямого тока приборов до 350–400 мА световой поток увеличивается в 2,5–2,7 раза (для исполнения Rank В13 — до 350 мА).

Серия 157А

Приборы этой серии выполнены в миниатюрных корпусах размерами 3×1,4×0,52 мм, их внешний вид показан на рис. 18. В состав приборов входят узлы защиты от статического электричества. Рабочий диапазон температур –40…+100 °С, максимальная температура кристаллов +120 °С. Ширина диаграммы углового распределения силы света 2Θ1/2 = 120°. Приборы проходят испытания на надежность по стандартам JEITA ED-4701xxx.

Рис. 18. Внешний вид светодиодов серии 157А

NFSW157AT-H3 — белые светодиоды с высоким индексом цветопередачи (типовое значение R_a = 85). Предусмотрено три исполнения по световому потоку и три по цветовым координатам X, Y. Основные параметры приборов:

• световой поток φV (лм) — 30,3–51 (Rank P11–Rank P13) при I_пр = 150 мА, Т = +25°С;
• типовая сила света I_v (кд) — 16,3 (Rank P13);
• максимальный прямой ток — 200 мА;
• мощность рассеяния — 0,75 Вт;
• тепловое сопротивление — 17 °С/Вт.

NS2L157ART-H3 — теплые белые светодиоды с высоким индексом цветопередачи (типовое значение R_a = 85). В состав прибора входят два последовательно включенных светодиода и узел защиты от статического электричества. Предусмотрено три исполнения по световому потоку и четыре по цветовым координатам X, Y. Основные параметры приборов:

• световой поток φV (лм) — 36–60,5 (Rank P12–Rank P14) при I_пр = 75 мА, Т = +25 °С;
• типовая сила света I_v (кд) — 15,6 (Rank P13).

Остальные параметры — как у NFSW157AT-H3, спектральная характеристика приборов приведена на рис. 19.

Рис. 19. Спектральная характеристика приборов NS2L157ART-H3

Серии 119A, 219A

В серию входят приборы с наибольшей световой отдачей (до 140 лм/Вт) среди всех серийных светодиодов фирмы (по данным на лето 2011 г.). Они имеют узлы защиты от статического электричества. Диапазон рабочих температур –40…+100 °С, максимальная температура кристаллов +150 °С. Ширина диаграммы углового распределения силы света 2Θ1/2 = 120 °. Приборы этой серии выполнены в корпусах размерами 3,5×3,5×3 мм с линзой. Они также проходят испытания на надежность по стандартам JEITA ED-4701xxx. Внешний вид показан на рис. 20.

Рис. 20. Внешний вид приборов серий 119А, 219А

NVSW119AT, NVSW219AT — мощные белые светодиоды для осветительных приборов высокой яркости. В 119-й серии анод и катод светодиодов подключены к участкам большой площади на обратной стороне подложки. В 219-й серии имеется электрически изолированная площадка для установки на теплоотвод. Предусмотрено два исполнения по прямому напряжению, четыре по световому потоку и шесть по цветовым координатам X, Y. Основные параметры приборов:

• световой поток φV (лм) — 110–120 (Rank B11), 120–130 (B12), 130–140 (B13), 140–150 (B14) при I_пр = 350 мА, Т = +25 °С;
• типовая сила света I_v (кд) — 45 (Rank B14);
• максимальный прямой ток — 1,5 А;
• мощность рассеяния — 5,25 Вт;
• тепловое сопротивление — 7 °С/Вт.

Спектральная характеристика приборов приведена на рис. 21. На рис. 22 показана зависимость светового потока приборов от прямого тока, из графика видно, что при максимальном прямом токе 1,5 А световой поток увеличивается в 3,5 раза относительно номинального значения (для исполнения Rank B14 световой поток достигает 490–525 лм).

Рис. 21. Спектральная характеристика светодиодов NVSW119AT, NVSW219AT

NVSL119AT-H1, NVSL219AT-H1 — теплые белые светодиоды с высоким индексом цветопередачи (типовое значение R_a = 92). Предусмотрено два исполнения по прямому напряжению, три по световому потоку, пять по цветовым координатам X, Y. Основные параметры приборов:

• световой поток φV (лм) — 70–80 (Rank B07), 80–90 (B08), 90–100 (B09) при I_пр = 350 мА, Т = +25 °С;
• типовая сила света I_v (кд) — 27 (Rank B08).

Остальные параметры те же, что и у рассмотренных выше приборов, спектральная характеристика приведена на рис. 23, зависимость относительного светового потока приборов от прямого тока имеет такой же вид, как на рис. 22.

Рис. 22. Зависимость относительного светового потока приборов NVSW119AT, NVSW219AT от прямого тока

Рис. 23. Спектральная характеристика приборов NVSL119AT-H1, NVSL219AT-H1

Серия 172

В состав серии входят два белых и два янтарных светодиода, приборы выполнены в корпусах с размерами 3×3×0,8 мм и предназначены для автомобильных приложений, внешний вид показан на рис. 17 (отличаются размеры корпусов). В состав приборов входят узлы защиты от статического электричества. Диапазон рабочих температур светодиодов –40…+100 °С, максимальная температура кристаллов +150 °С. Приборы проходят испытания на надежность по стандартам JEITA ED-4701xxx.

NFSA172T — мощный янтарный светодиод для габаритных огней автомобилей. Предусмотрено четыре исполнения по световому потоку, доминирующая длина волны 590 нм (цветовые координаты X = 0,57; Y = 0,42). Другие параметры светодиодов:

• световой поток φV (лм) — 18–36 (Rank P8–Rank P11) при I_пр = 150 мА, Т = +25 °С;
• прямое напряжение — 3,2 В;
• максимальный прямой ток — 250 мА;
• мощность рассеяния — 0,875 Вт.

Белые светодиоды серии обеспечивают световой поток 100 лм (NJSW172) и 50 лм (NFSW172) при прямом токе 350 мА.

Серия 346KS

В состав серии входят три светодиода: NSPB346KS — синий, сила света 750 мкд; NSPG346KS — зеленый, I_v = 3400 мкд; NSPR346KS — красный, I_v = 1600 мкд. Все параметры указаны при прямом токе 20 мА. Ширина диаграммы направленности 2Θ1/2=110/60 °С в плоскостях X, Y.

В каталоге фирмы 2011 г. имеются два отдельных прибора: NSDW570GS-K1 — белый светодиод в круглом корпусе, диаметр 5 мм, φV = 28 лм при I_пр = 70 мА; NSSM124 — сборка RGB, I_v = 2400 мкд при I_пр = 115 мА для белого свечения.

Литература

1. http://ledcommunity.org.ru/links/papers/le_dleaders
2. http://www.toyoda-gosei.com/Information/history/index.html
3. http://www.toyoda-gosei.com/products/opto/index.html
4. http://www.millenniumprize.fi/en/previous-prize-rounds/2006-winner/
5. http://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/info.html
6. http://www.nichia.co.jp/en/product/led.html