Мощные светодиоды компании Cree серии XLamp XHP

№ 5(49)’2017
PDF версия
В статье приведена краткая информация о светодиодах XHP (экстремально большой мощности), которые могут работать длительное время при температуре кристалла до +125 °С без снижения эффективности излучения. Светодиоды XLamp XHP позволяют создавать высокоэффективные светильники малых габаритов c высоким значением светового потока.

Источники света, построенные на базе светодиодов, намного превосходят по эффективности традиционные осветительные приборы — лампы накаливания и люминесцентные лампы. К преимуществам светодиодов относятся:

  • большая светоотдача при малых габаритах;
  • меньшая потребляемая мощность на единицу создаваемого светового потока по сравнению с другими источниками света;
  • высокая устойчивость к ударам и вибрациям;
  • широкая цветовая гамма;
  • отсутствие таких токсичных веществ, как ртуть и свинец.

Компания Cree создает самые яркие в мире светодиоды и светодиодные лампы различных типов. Одной из основных групп продукции Cree является семейство светодиодов XLamp XHP (Extreme High Power). При изготовлении этих светодиодов используется запатентованная технология производства кристаллов на основе соединения арсенида и нитрида галлия, а также карбида кремния, которая обеспечивает высокую интенсивность светового потока при малых габаритах. Эта технология получила название SC5.

Большая светоотдача новых светодиодов позволяет уменьшить их количество, необходимое для достижения требуемого светового потока, в результате чего можно существенно снизить стоимость осветительных приборов и трудозатраты при их производстве.

В настоящее время стоимость светильников во многом определяет стоимость драйверов для питания светодиодов и устройств теплоотвода. Динамика снижения стоимости различных компонентов светильников (по данным компании Cree) приведена в [1].

Как показано в [1], подход к проектированию светильников необходимо пересмотреть, снизив в их себестоимости долю тех компонентов, снижение цены которых маловероятно (например, алюминиевых печатных плат). Такую возможность перед разработчиками открывает линейка светодиодов XHP.

На рис. 1 в виде условных обозначений приведены величины относительного вклада в массо-габаритные показатели и стоимость светильника таких его компонентов, как оптическая система, включающая светодиоды и печатные платы, и радиатор (по данным компании Cree). Стоимость драйвера светодиодов на рис. 1 не учтена. Как следует из рис. 1, совершенствование технологии изготовления светодиодов привело к существенному уменьшению их количества и габаритов радиатора. Если в 2008 г. для создания светильника со световым потоком 1000 лм требовалось девять светодиодов высокой яркости, то в 2016 г. нужен только один светодиод XHP70. Освоенный компанией в марте 2017 г. серийный выпуск наиболее мощных светодиодов XHP70.2 позволяет разработчикам светотехнических изделий создавать светильники с аналогичными параметрами при меньших затратах.

Относительный вклад в массо-габаритные показатели и стоимость светильника оптической системы и радиатора

Рис. 1. Относительный вклад в массо-габаритные показатели и стоимость светильника оптической системы и радиатора

Светодиоды Cree XLamp выпускаются в корпусах для поверхностного монтажа, позволяющих использовать высокоэффективные технологии производства готовых изделий на печатных платах и стандартные технологические процессы пайки без применения клеев и дополнительных приспособлений.

Еще одним значительным достоинством этих светодиодов является возможность работы при температуре кристалла до +125 °С с номинальным сроком службы до 36 000 ч, а при температуре кристалла +105 °С — до 48 000 ч. Такие параметры светодиодов позволяют уменьшить размеры радиаторов и снизить их стоимость.

Компания Cree в настоящее время выпускает три серии светодиодов экстремально большой мощности — XHP35, XHP50 и XHP70. Сегодня выпускаются светодиоды уже второго поколения, создающие на 9% больший световой поток, чем светодиоды первого поколения, а светоотдача этих светодиодов [лм/Вт] возросла на 18%.

Основные характеристики светодиодов XLamp XHP приведены в таблице 1 [2, 3, 4, 5, 6].

Таблица 1. Основные характеристики светодиодов XLamp XHP

Параметр

XHP35 HD

XHP35 HI

XHP50

XHP50.2

XHP70

XHP70.2

Габаритные размеры, мм

3,45×3,45

3,45×3,45

5×5

5×5

7×7

7×7

Максимальный световой поток, лм

1833

1483

2546

2654

4022

4292

Макс. рассеиваемая
мощность, Вт

13

13

20

18

30

29

Типовое падение
напряжения, В
(при токе, мА)
и Т = +85 °C

11,3 (350)

11,3 (350)

5,75–6,3 (1400), 11,5–12,6 (700)

5,6–6,2 (1400), 11,2–12,4 (700)

 

5,6–6,1 (2100), 11,2–12,2 (1050)

Максимальный прямой ток (Uпр, В), мА

1050

1050

3000 (6), 1500 (12)

3000 (6), 1500 (12)

4800 (6), 2400 (12)

4800 (6), 2400 (12)

Тепловое сопротивление «переход–точка пайки», °C/Вт

1,8

1,8

1,2

1,2

0,9

0,9

Угол излучения, град.

125

115

120

120

120

125

Для всех светодиодов XHP максимальная температура перехода составляет +150 °C. При выпуске продукции компания Cree осуществляет сортировку светодиодов по вариациям цвета (биннинг) при температуре +85 °C, ANSI (белый), двух-, трех- и пятиступенчатый эллипс МакАдама EasyWhite.

Производители светодиодов в настоящее время научились контролировать свой технологический процесс таким образом, что бины уменьшаются (т. е. они становятся все более и более узкими), и смесь цветов светодиодов может находиться в пределах трехступенчатых эллипсов МакАдама, что делает для большинства пользователей неразличимой разницу между светильниками.

Кроме того, узкие бины смягчают проблему высокой стоимости, когда производитель светильников выбирает стратегию заказа светодиодов из одного бина.

Наряду с возможностью сузить бины за счет совершенствования технологии, Cree реализует стратегию, которая позволяет практически исключить биннинг. Компания одной из первых попыталась решить проблему биннинга с помощью так называемого метода EasyWhite. При данном подходе используется многокристальный метод создания светодиодов.

Комбинируя кристаллы с различной цветовой температурой в одном светодиоде, можно получить необходимую цветовую температуру одного из четырех фиксированных значений. Причем точность получения цветовой температуры находится в области координат цветности, ограниченной четырехступенчатыми эллипсами МакАдама. Между светодиодами, имеющими цветовые координаты излучения, лежащие в области, ограниченной одним четырехступенчатым эллипсом, разница в цвете визуально практически неразличима.

Рассмотрим более подробно параметры светодиодов на примере наиболее мощных из них — XHP70.2. Можно заказать светодиоды с шестью фиксированными значениями цветовой температуры: 2700, 3000, 3500, 4000, 4500 и 5000 К [6].

Цвет и яркость свечения светодиодов слегка изменяются в зависимости от рабочей температуры кристалла. Этот сдвиг предсказуем, но все же в большей степени он зависит от того, насколько характеристики кристалла соответствуют типичным значениям его параметров. Опять же, это не так важно для уличных светильников, которые расположены на большой высоте и содержат большое количество светодиодов, однако проблема возникает, когда светодиоды используются в полосковом (светодиоды расположены в линию) светильнике. И если можно достаточно эффективно протестировать отдельные кристаллы и рассортировать их на основе их характеристик, то производители светильников смогут гораздо точнее контролировать распределение цвета и яркости, которое соответствует реальным рабочим условиям.

В таблице 2 приведены значения светового потока светодиодов серии XHP70.2 в зависимости от температуры. В [6] для различных значений цветовой температуры приведены подробные данные бинов для каждой из групп.

Таблица 2. Зависимость светового потока светодиодов серии XHP70.2 от температуры

CCT, К

Индекс CRI

Минимальный световой поток, лм

Группа

T = +85 °C

T = +25 °C

5000

70

P2

1830

2015

N4

1710

1883

80

N2

1590

1751

M4

1485

1635

90

M4

1485

1635

M2

1380

1520

4500

70

P2

1830

2015

N4

1710

1883

80

N2

1590

1751

M4

1485

1635

M2

1380

1520

K4

1290

1420

4000

70

P2

1830

2015

N4

1710

1883

80

N2

1590

1751

M4

1485

1635

90

M2

1380

1520

K4

1290

1420

3500

70

N4

1710

1883

N2

1590

1751

80

N2

1590

1751

M4

1485

1635

90

M2

1380

1520

K4

1290

1420

3000

70

N4

1710

1883

N2

1590

1751

80

N2

1590

1751

M4

1485

1635

90

K4

1290

1420

K2

1200

1321

2700

80

M4

1485

1635

M2

1380

1520

90

K2

1200

1321

90

J4

1120

1233

Учитывая, что технологии изготовления подложки и люминофора для светодиодов XHP70A и XHP70.2 одинаковы, стандарт LM-80 допускает использование существующих для светодиодов серии XHP70A данных испытаний на деградацию светового потока для прогнозирования срока службы светодиодов XHP70.2. Результаты теста деградации светового потока в зависимости от времени в соответствии со стандартом LM-80 [7] приведены в таблице 3. Так как светодиоды XHP70A и XHP70.2 имеют близкие характеристики и выполнены по одинаковой технологии, то в таблице 3 [7] приведены данные только для одной модификации светодиодов, о чем есть соответствующее предупреждение. В [7] приведены данные тестов LM-80 и для других серий светодиодов XHP.

Таблица 3. Результаты тестов светодиодов XHP70A по стандарту LM-80

Параметр

TS, °C *

Iпр, мА

Цветовая температура, К

Число образцов

Продолжительность теста, ч

Срок службы по ТМ-21, ч

XHP70.2

85

2100 (6 В)

1050 (12 В)

3000

25

11592

L90(12k) > 69600

L80(12k) > 69600

L70(12k) > 69600

XHP70.2

105

2100 (6 В)

1050 (12 В)

3000

20

8064

L90(8k) > 48400

L80(8k) > 48400

L70(8k) > 48400

XHP70.2

125

2100 (6 В)

1050 (12 В)

3000

20

6048

L90(6k) > 36300

L80(6k) > 36300

L70(6k) > 36300

XHP70.2

85

2100 (6 В)

1050 (12В)

3000

25

11592

L90(12k) > 69600

L80(12k) > 69600

L70(12k) > 69600

XHP70.2

105

2100 (6 В)

1050 (12В)

3000

20

8064

L90(8k) > 48400

L80(8k) > 48400

L70(8k) > 48400

XHP70.2

125

2100 (6 В)

1050 (12В)

3000

20

6048

L90(6k) > 36300

L80(6k) > 36300

L70(6k) > 36300

Примечание: * — температура подложки

Однако при изготовлении светильников, кроме эффективности и стоимости светодиодов, необходимо учитывать и степень их безопасности для зрения человека. Для оценки безопасности светового излучения видимого спектра был принят и введен в действие 31.03.2009 г. международный стандарт EN 62471 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем».

В настоящее время это стандарт IEC 62471:2006 Photobiological safety of lamps and lamp systems.

В соответствии с ним выделяются четыре группы риска, в которых указывается максимальное безопасное время воздействия освещения от исследуемого источника света на зрение человека:

  1. Нулевая группа риска (отсутствие риска). Лампы накаливания и галогенные лампы накаливания. Воздействие излучения от таких источников света может производиться 10 000 с и более.
  2. Первая группа риска (низкий риск). Все типы ламп, кроме ламп накаливания. Максимальное время воздействия может быть от 100 до 10 000 с.
  3. Вторая группа риска (умеренный риск). Все типы ламп, кроме ламп накаливания. Максимальное время воздействия светильников этой группы возможно от 0,25 до 100 с.
  4. Третья группа риска (высокий риск). Все типы ламп, кроме ламп накаливания. Время воздействия не должно превышать 0,25 с.

Галогенные лампы — это чистые источники света непрерывной волны излучения, безопасные для зрения человека. Однако их энергоэффективность намного уступает светодиодным светильникам.

Светодиодные лампы могут представлять опасность для зрения человека. Степень опасности зависит от мощности и спектральных характеристик излучения светодиодов, а также продолжительности воздействия света на зрение человека.

Основой светодиода белого цвета свечения является синий светодиод, излучающий свет с длиной волны 470 нм, на который сверху нанесен люминофор, излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части. Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет.

Наиболее опасным для зрения человека является излучение в ультрафиолетовой и близких к ней областях, т. е. синий цвет наиболее опасен. Стандарт IEC 62471:200 [8] регламентирует превышение уровня излучения синего цвета над спектральными составляющими в желтой области спектра (рис. 2). Из рис. 2 следует, что интенсивность излучения в области 400–500 нм не должна превышать интенсивность в области желтого цвета более чем в 100 раз.

Спектральная взвешенная функция опасностей для сетчатки B(λ)

Рис. 2. Спектральная взвешенная функция опасностей для сетчатки B(λ)

Для обеспечения требований безопасности компания Cree разработала две технологии нанесения люминофора.

Для многокристальных матриц предназначена технология Cree TrueWhite Technology with Mixing LEDs (BSY+ R), а для одиночных светодиодов — Cree TrueWhite Technology with Phosphor Conversion. На рис. 3 приведена зависимость мощности излучения от длины волны для этих двух технологий.

Зависимости мощности излучения от длины волны для покрытия люминофором многокристальных (а) и одиночных (б) светодиодов

Рис. 3. Зависимости мощности излучения от длины волны для покрытия люминофором многокристальных (а) и одиночных (б) светодиодов

Как следует из рис. 3, интенсивность излучения в области длин волн 400–500 нм превышает интенсивность излучения в области 600–650 нм не более чем в 1,5 раза, чем и обеспечивается безопасность такого люминофора для зрения человека.

Графики относительной спектральной мощности светодиодов XLamp XHP70.2 приведены на рис. 4.

Графики зависимости относительной спектральной мощности излучения светодиодов XLamp XHP70.2

Рис. 4. Графики зависимости относительной спектральной мощности излучения светодиодов XLamp XHP70.2

На рис. 5 приведена зависимость относительного светового потока светодиодов XLamp XHP70.2 от температуры перехода, а на рис. 6 — зависимость максимального тока от температуры окружающей среды.

Зависимость относительного светового потока светодиодов XLamp XHP70.2 от температуры перехода

Рис. 5. Зависимость относительного светового потока светодиодов XLamp XHP70.2 от температуры перехода

Зависимость максимального тока светодиодов XLamp XHP70.2 от температуры окружающей среды

Рис. 6. Зависимость максимального тока светодиодов XLamp XHP70.2 от температуры окружающей среды

Так как все светодиоды XHP второго поколения имеют такое же конструктивное исполнение и габаритные размеры, как и светодиоды XHP первого поколения, то этим обеспечивается совместимость держателей, рефлекторов, радиаторов и других аксессуаров для обеих серий светодиодов.

Преимущества светодиодов XHP, выпускаемых по технологии SC5, наглядно иллюстрирует рис. 7.

Иллюстрация преимуществ светодиодов XHP, выпускаемых по технологии SC5

Рис. 7. Иллюстрация преимуществ светодиодов XHP, выпускаемых по технологии SC5

Литература
  1. Червинский М. Светодиоды Cree XHP — 1500 люмен от одного кристалла // Новости электроники + светотехника. 2015. № 1(10).
  2. www.Cree.com/led-components/media/documents/sh-XHP-3.pdf
  3. www.Cree.com/led-components/media/documents/ds-XHP50.pdf
  4. www.Cree.com/led-components/media/documents/ds-XHP502.pdf
  5. www.Cree.com/led-components/media/documents/ds-XHP70.pdf
  6. www.Cree.com/led-components/media/documents/ds-XHP702.pdf
  7. www.Cree.com/led-components/media/documents/LM80_Results-30.pdf/ссылка утрачена/
  8. http://nprpss.ru/public/Standarty/Discussion/4.pdf/ссылка утрачена/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.