Перспективные светодиоды компании Toshiba

Немного истории

Toshiba имеет долгую историю, начавшуюся еще в XIX веке с основания в 1875 году предприятия по производству телеграфного оборудования Tanaka Engineering Works. Основателем предприятия (с 1904 г. Shibaura Engineering Works) был талантливый изобретатель Хисашиге Танаке (Hisahige Tanaka), известный как Томас Эдисон Японии. Среди многочисленных изобретений Танаке, завоевавших большую популярность, выделяются его осветительные масляные лампы со встроенными топливными насосами, подающими под давлением вязкое рапсовое масло. Эти лампы горели в 10 раз ярче, чем обычные свечи, были защищены от колебаний воздуха стеклянными колпаками и обеспечивали до 4 часов горения на одной заправке масляного баллона (рис. 1) [1].

Рис. 1. Масляные лампы

Сооснователем Toshiba является и профессор Ичисуке Фудзиока (Ichisuke Fujioka), в 1890 году учредивший компанию по производству ламп накаливания Hakunetsu-Sha (впоследствии Tokyo Electric Company). Компания выпускала лампы с нитями на основе угля (углерода), хлопка, бамбука и вольфрама. В 1921-м инженер компании Джуничи Миура (Junichi Miura) сконструировал первую в мире (по данным самой компании) лампу с двойной спиралью из вольфрама — Double-coil Bulb (рис. 2).

Рис. 2. Лампа накаливания с двойной спиралью

В 1940 году была изготовлена первая в Японии люминесцентная лампа. Следует отметить и первую в мире компактную люминесцентную лампу Neo Ball, массовое производство которой началось Toshiba в 1980-м (рис. 3) [2].

Рис. 3. Компактная люминесцентная лампа

В 1939 году произошло слияние Tokyo Electric Company и Shibaura Engineering Works. Новая фирма получила название Tokyo Shibaura Electric Company. Современное название Toshiba, составленное из комбинации первых букв имен двух фирм, официально стало использоваться с 1978 года. Еще до Второй мировой войны Toshiba заметно расширилась за счет целого ряда приобретений и к 70-м годам стала многопрофильной корпорацией, работающей для различных отраслей промышленности, а в наши дни деятельность Toshiba Corporation охватывает практически все значимые направления, связанные с электроникой, энергетикой, компьютерной техникой, полупроводниковыми приборами и информационными технологиями. В своей структуре корпорация имеет независимые подразделения, обслуживающие разные направления, но подчиняющиеся единому руководству [3].

Осветительные технологии, приборы и системы освещения разрабатывает и производит корпорация Toshiba Lighting & Technology Corporation (TLT, основана в 1989 г.) — преемница компании Hakuetsu-Sha профессора Фудзиока. В корпорацию входит более десятка компаний в Японии, КНР, Таиланде, Гонконге, США, Франции, Южной Корее и на Тайване. Предприятия корпорации изготавливают практически все виды осветительных приборов и систем, в том числе люминесцентные лампы, промышленные и автомобильные осветительные приборы и лампы, а также электронику и аксессуары для светотехнических приложений. Светодиодные приборы выпускаются для четырех категорий приложений: профессиональные приборы для внутреннего освещения, промышленных приложений, профессиональные приборы для наружного освещения, потребительские приборы широкого применения [4].

В каталоге Toshiba 2014 года представлена широкая номенклатура полупроводниковых приборов и микросхем самых различных категорий, в группу драйверов светодиодов включены 30 типов микросхем с числом каналов от 1 до 24, предназначенных практически для всех светодиодных приложений. В группу светодиодов входят около 40 типов перспективных белых светодиодов [5].

Белые светодиоды LeTeras

Toshiba давно выпускает светодиоды различного назначения, в частности для автомобильных приложений, однако до последнего времени она не принадлежала к числу ведущих мировых производителей осветительных светодиодов. Новые возможности для увеличения присутствия на рынке осветительных светодиодов открылись для компании в результате сотрудничества с известным разработчиком светодиодных технологий — компанией Bridgelux (США).

Bridgelux является первой в мире компанией, освоившей технологии производства GaN-светодиодов на кремниевых подложках (GaN-on-Si) и CoB (Chip-on-Bоard) — установка кристаллов на плату. Начиная с 2004 года компания разрабатывает собственные технологические решения, последовательно направленные на повышение световой эффективности светодиодов, надежности и долговечности их работы. В январе 2012 года Bridgelux и Toshiba заключили соглашение о совместной разработке и сотрудничестве в области технологии GaN-on-Si, а в октябре Toshiba запустила массовое производство светодиодов по этой технологии под торговой маркой LeTeras на фабриках своей компании Kaga Toshiba, причем для производства используются 200-миллиметровые кремниевые пластины [6].

В мае 2013 года Bridgelux и Toshiba объявили о расширении стратегического партнерства на основе совместных разработок в области GaN-on-Si-технологии, а также о совместной разработке и производстве источников питания для выпускаемых осветительных приборов на GaN-on-Si-светодиодах. В результате договоренностей Bridgelux передала Toshiba права на GaN-on-Si-технологию и связанные с ней активы. Компании также договорились расширять сотрудничество в области научно-технических исследований и разработок, лицензирования и о совместном производстве чипов и корпусированных светодиодов [7].

Несмотря на быстрое распространение осветительных светодиодов, их применение все еще сдерживается в области домашнего освещения из-за высокой цены самих светодиодов. Поэтому основной задачей разработчиков и производителей, кроме повышения световой эффективности светодиодов, является снижение их себестоимости при массовом выпуске. Технология GaN-on-Si представляет одну из наиболее существенных возможностей снижения производственных затрат относительно традиционных технологий на сапфировых подложках. Потенциал экономии при использовании этой технологии компании представляют следующим образом:

• 50% снижения затрат на уровне чипа можно достичь за счет применения 8-дюмовых кремниевых полупроводниковых пластин (для производства светодиодов на сапфировых подложках используются 2-, 4- и 6-дюймовые пластины);
• 20–40% экономии можно обеспечить за счет оптимизации технологии корпусирования;
• от 4 до 5 раз экономии реально получить за счет использования принципиально новой архитектуры корпусов.

О начале продаж первых светодиодов LeTeras серии TL1F1 (рис. 4) Toshiba объявила в декабре 2012 года, прибор выполнен в корпусе для монтажа на поверхность габаритами 6,4×5×1,35 мм, плановый выпуск предполагался в количестве 10 млн изделий в месяц. Прибор при прямом токе 350 мА и напряжении 2,9 В обеспечивает световой поток до 105 лм (75–105 лм в зависимости от исполнения) [8].

Рис. 4. Светодиод TL1F1

Через год, в октябре 2013-го, компания TEE (Toshiba Electronics Europe) объявила о доступности приборов LeTeraS второго поколения серии TL1F2 мощностью 1 Вт (рис. 5) с увеличенной светоотдачей в диапазоне 104–135 лм/Вт при прямом токе 350 мА и напряжении 2,85 В, размер корпуса прибора при этом не изменился. Цветовые температуры приборов находятся в пределах 2700–5000 К, индексы цветопередачи 70–80 [9].

Рис. 5. Серия TL1F2

Летом 2014-го Bridgelux и Toshiba объявили о создании на 200-миллиметровой пластине светодиодных кристаллов размерами 1,1×1,1 мм, обеспечивающих мощность светового излучения 614 мВт при токе 350 мА и напряжении 3,1 В. Компании озвучили прогноз, в соответствии с которым в ближайшие два года они смогут начать производство светодиодных источников со световым потоком до 1000 лм при цене изделия $0,5, а для потребителя стоимость замены лампы накаливания мощностью 75 Вт будет обходиться в $5.

Рис. 6. Серия TL1L3

В сентябре текущего года TEE и TAEC (Toshiba America Electronic Components) объявили о расширении семейства светодиодов LeTeras, выпустив новую серию приборов TL1L3, выполненных в корпусах размерами 3,5×3,5×2,42 мм (рис. 6). Несмотря на малые габариты, приборы обеспечивают световую эффективность 112–145 лм/Вт в зависимости от цветовой температуры исполнений, находящейся в диапазоне 2700–6500 К. Заявленные параметры приборы обеспечивают при низком напряжении 2,85 В и токе 350 мА, максимальная рассеиваемая мощность 3,4 Вт, тепловое сопротивление «кристалл-подложка» 5 °С/Вт, минимальный индекс цветопередачи не менее 80, диапазон рабочих температур –40…+100 °С. Новые светодиоды рассчитаны на широкую гамму применений как внутри помещений, так и в наружных световых приборах [10]. Классификационные параметры светодиодов LeTeras из каталога компании TEE 2014 года приведены в таблице.

Серия TL1WK

Миниатюрные чипы этой серии размерами 0,65×0,65×0,36 мм обеспечивают, тем не менее, значительный световой поток с высокой, до130 лм/Вт световой эффективностью (рис. 7).

Рис. 7. Серия TL1WK

Данные приборы могут быть использованы как для подсветки ЖК-панелей портативных и стационарных дисплеев, так и для создания осветительных приборов, протяженных источников света и световых панелей. При последовательно-параллельном соединении единичных светодиодов в последовательные цепочки (рис. 8) необходимо включать гасящие (уравнивающие) резисторы, так как номинальное прямое напряжение приборов цепочек может отличаться на величину до 0,1 В для одинаковых по прямому напряжению исполнений приборов.

Рис. 8. Соединение светодиодов

Приборы характеризуются высокой надежностью при перегрузках и высокой температуре: максимальный прямой ток 180 мА, мощность рассеяния 0,61 Вт, диапазон рабочих температур –40…+120 °С. Эксплуатация изделий возможна при токе значительно большем, чем номинальный (60 мА), и определяется максимально допустимой температурой кристалла. Зависимости допустимого прямого тока светодиодов от температуры окружающей среды приведены на рис. 9.

Рис. 9. Характеристики TL1WK

Диаграммы справедливы при тепловом сопротивлении «кристалл-окружающая среда» R_th(j-a) меньше 70 °С/Вт. Диаграмма А line соответствует режиму, при котором температура кристалла не превышает 125 °С, причем максимально допустимый ток 160 мА ограничивается температурой Т_а = 85 °С. Диаграмма В line соответствует режиму, при котором возможна кратковременная работа при температуре кристалла 150 °С, этот режим не должен использоваться при длительной эксплуатации приборов.

При производстве приборы отбираются по различным параметрам:

• по номинальному прямому напряжению U_пр (таблица) — четыре исполнения в диапазоне 2,7–3,1 В (Rank1–Rank4);
• по световому потоку — по четыре исполнения для каждого типа прибора серии, например Rank C13A/B/C/D для TL1WK-DW1,L (18–25,5 лм); Rank C12B/C13A/C13B/C14A для TL1WK-LL1,1;
• по цветовым координатам C_x,C_y — 16 исполнений для каждого прибора серии (на рис. 10 приведены цветовые координаты исполнений прибора TL1WK-LL1,L; как видно из характеристик, цветовая температура этих приборов может находиться в пределах 2580–2870 К).

Рис. 10. Цветовые координаты TL1WK

Исполнения приборов указаны на этикетках упаковок, например для TL1WK-LL1,L обозначение 8A3 C13A 2 соответствует следующим параметрам: 8А3 — исполнение по цветовым координатам (координаты углов прямоугольника), С13А — по световому потоку, 2 — по прямому напряжению.

Цветовые координаты приборов при различном прямом токе изменяются в небольшой степени, соответствующие зависимости для приборов TL1WK-LL1,L при Т_а = 25 °С приведены на рис. 11.

Рис. 11. Параметры TL1WK

Серия TL1L3

Особенности приборов этой серии (рис. 11) указаны выше, остановимся на некоторых подробностях. В приборы встроены защитные стабилитроны, выводы анода светодиода должны соединяться с теплоотводом. Зависимость максимального тока приборов от температуры окружающий среды при тепловом сопротивлении «кристалл-окружающая среда» R_th(j-a) не более 20 °С/Вт приведена на рис. 12; как видно из графика, допускается удвоение номинального тока при Т_а = 70–80 °С, при этом световой поток также увеличивается примерно в два раза. Основные параметры приборов серии (кроме приведенных в таблице):

Рис. 12. Характеристики TL1L3

• мощность рассеяния 3,4 Вт, максимальная температура кристалла: 130 °С;
• тепловое сопротивление кристалл-подложка R_th(j-s): 5 °C/Вт;
• 3 исполнения по прямому напряжению: 2,7–2,9/2,9–3,1/3,1–3,3 В;
• 6 исполнений по световому потоку с шагом 5 лм для каждого прибора серии (95–160 лм для всей серии);
• 16 исполнений по координатам цветности для каждого прибора серии.

Серия TL2FL

Миниатюрные чипы этой серии размерами 3×1,4×0,67 мм (рис. 13) по характеристикам и назначению примерно соответствуют рассмотренным приборам серии TL1WK, но отличаются более узкой шириной светового пучка (см. таблицу).

Рис. 13. Светодиод TL2FL

Серии TL1L2 и TL3GB

Приборы мощностью 1 и 0,6 Вт выполнены в корпусах с куполообразной (TL1L2) и плоской (TL3GB) линзами (рис. 14).

Рис. 14. Серии TL1L2, TL3GB

В приборы серии TL1L2 встроены защитные встречно-последовательные стабилитроны, в приборы серии TL3GB интегрированы два последовательно включенных светодиода и защитный стабилитрон. Зависимость максимального тока приборов TL1L2 от температуры примерно такая же, как и у приборов серии TL3L3 (рис. 11). Приборы обеих серий отличаются высокой световой эффективностью — до 135 лм/Вт (TL1L2) и до 118 лм/Вт (TL3GB). Основные параметры для серии TL1L2, в скобках отличающиеся для TL3GB (кроме приведенных в таблице):

• мощность рассеяния 3,3 Вт (1,32 Вт), максимальная температура кристалла: 130 °С (125 °С);
• тепловое сопротивление кристалл-подложка R_th(j-s): 12 °С/Вт (17 °С/Вт);
• 3 исполнения по прямому напряжению: 2,7–2,9/2,9–3,1/3,1–3,3 В (5,5–5,7/5,7–5,95,9–6,1 В);
• 5 исполнений по световому потоку с шагом 5 лм для каждого прибора (2 исполнения);
• 4 исполнения по координатам цветности для каждого прибора (16 исполнений).

При проектировании осветительных приборов одной из важнейших характеристик светодиодов является световая эффективность. Однако на этот параметр существенное влияние оказывает выбор величины рабочего прямого тока. Для светодиодов средней и большой мощности в спецификациях обычно приводятся значения номинальных токов 350 и 700 мА. Но при выборе значения рабочего тока светодиодов следует учитывать обратную зависимость световой эффективности от прямого тока. Для решения этой задачи можно ориентироваться на данные компании Toshiba для приборов серии TL1F1. При номинальном токе 350 мА световая эффективность приборов с Т_цв = 3000–5000 °К этой серии находится в пределах 84–110 лм/Вт, при уменьшенном токе 100 мА эффективность увеличивается до 93–123 лм/Вт, при увеличенном токе 800 мА эффективность, наоборот, уменьшается до 60–90 лм/Вт.

В представленной в каталоге ТЕЕ 2014 года номенклатуре драйверов светодиодов два типа микросхем предназначены непосредственно для применения в источниках питания светодиодных ламп.

• TB62D901FNG.

AC/DC понижающий конвертер для работы в составе импульсных обратноходовых преобразователей для питания светодиодов стабилизированным током. В микросхему интегрированы драйвер постоянного тока и понижающий AC/DC-конвертер, изменения тока через светодиоды компенсируются за счет изменения частоты коммутации. Обеспечивается как линейное, так и ШИМ-диммирование. Основные особенности микросхемы:

Рис. 15. Структура TB62D901

• возможность работы от сетевого напряжения всех мировых стандартов (рабочий диапазон 80–270 В);
• частота переключения до 500 кГц;
• эффективность до 90% при использовании рекомендуемой производителем элементной базы;
• функции защиты: от перегрева (TSD), перегрузки по току (OCP), перенапряжения (OVP), пониженного напряжения (UVLO), от обрыва и замыкания в цепи выходного ключа (IOP, ISP);
• режим ожидания, рабочий диапазон температур –40…+105 °С.

Микросхема выполнена в корпусе для монтажа на поверхность SSOP16-P-225-0,65B габаритами 5,5×4,4×1,6 мм, структура микросхемы приведена на рис. 15, типовое включение для многокристальных световых панелей — на рис. 16. Напряжение питания VCC на выводе 1 определяется соответствующим стабилитроном (рекомендуемый диапазон напряжений 12–30 В), напряжение внутреннего стабилизатора напряжения 5 В (выход на выводе VREG). В качестве внешнего ключа используется MOSFET TK5P53D в корпусе 2-7К1А (Toshiba) для монтажа на поверхность размерами 6,6×6,1×2,3 мм.

• TC62D902FG.

AC/DC-конвертер для изолированных обратноходовых драйверов светодиодов, в микросхему интегрированы активный корректор коэффициента мощности и драйвер выходного тока светодиодов с возможностью тиристорного диммирования. Микросхема выполнена в корпусе P-SOP8-0504-1.27-001 размерами 4,9×3,9×1,45 мм, упрощенное включение микросхемы приведено на рис. 17. Основные особенности и параметры микросхемы:

Рис. 17. Включение TC62D902

• нет необходимости использования оптронов в цепи ОС;
• полный набор защитных функций;
• высокая эффективность и малый уровень звуковых помех;
• напряжение питания 15–25 В, ток потребления не более 2,5 мА;
• частота коммутации 30–200 кГц.

Примерные показатели драйвера светодиодов мощностью 7 Вт с выходным током I_пр = 400 мА (6 светодиодов, U_пр = 17,5 В) на сетевое напряжение 220 В: изменение выходного тока при U_вх = 170–270 В не превышает –12…+3%; коэффициент мощности 0,87; эффективность 82%.

Заключение

Компания Toshiba производит широкую номенклатуру высокоэффективных и недорогих светодиодов на основе нитрида галлия на кремниевых подложках, рассчитанных на применение в осветительных приборах практически любых типов. В России светодиоды Toshiba представляет компания ЭЛТЕХ, а также ряд других дистрибьюторов электронных компонентов.