Cree Product Characterization Tool

10 мая 2011

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

Светодиоды CREE – «калькулятор» для выбора

Рассчитать оптимальные параметры необходимого для вашей разработки светодиода Cree и выбрать подходящее изделие из более чем 3000 позиций в линейке? Это гораздо проще сделать с помощью программного инструмента «PCT-калькулятор» от Cree!

При проектировании полупроводникового светового прибора разработчику приходится решать комплекс задач, связанных с выбором типа и режима работы светодиода. От того, какой тип светодиода будет выбран, в каком режиме он будет работать, будут зависеть срок службы, стоимость, технические и, в конечном итоге, качественные характеристики полученного изделия.

В настоящее время количество позиций мощных осветительных светодиодов различных производителей, которые доступны разработчику, исчисляется десятками тысяч. Если рассмотреть ассортимент только одной компании CREE, являющейся лидером на рынке мощных осветительных светодиодов, то количество позиций, производимое в настоящее время этой компанией, приближается к трем тысячам. Чтобы разработчик мог ориентироваться в таком многообразии, выбрать наиболее оптимальный тип светодиода, режим его работы и рассчитать многие другие параметры при различных начальных условиях, специалисты компании CREE разработали программу под названием «Product Characterization Tool» (сокращенное название «PCT – калькулятор»).

Программа распространяется свободно, и бесплатно получить доступ к ней могут все желающие. Для того чтобы получить доступ к этому продукту, необходимо заполнить простую регистрационную форму на сайте pct.cree.com (ввести в адресное окно браузера необходимо именно pct.cree.com) и ссылка на программу будет выслана в течение нескольких минут на указанный при регистрации электронный адрес. На странице pct.cree.com вместе с регистрационной формой приведена также краткая инструкция по работе с программой.

Теперь программа доступна для всех зарегистрированных пользователей нашего сайта в разделе калькуляторы.

Программа позволяет рассчитать все основные параметры как одного светодиода, так и массива светодиодов в составе светильника в зависимости от начального светового потока выбранного светодиода, температуры в «точке пайки»/температуры кристалла, протекающего тока, с учетом КПД источника питания и эффективности оптической системы.

Интерфейс программы – интуитивно понятный, и для её использования не требуется каких-либо специальных знаний (Рис. 1).

Рис.1 Интерфейс программы PCT

Чтобы выполнить расчет, необходимо в программу ввести исходные (входные) данные и выбрать требуемые выходные параметры.

Причем, если рассчитываются параметры единичного светодиода, то достаточно пользоваться только той группой входных данных, которая обозначена на рис. 1. Если рассчитываются параметры массива светодиодов в составе светильника, то необходимо ввести дополнительно: требуемый световой поток светильника (Target Lumens), эффективность оптической системы (Optical) и КПД источника питания (Electrical). Данные вводятся в строке System Parameters; по умолчанию там стоят значения: 1200 лм; 100%; 100% соответственно.

Одна часть исходных данных вводится в программу с использованием цифровой клавиатуры, а другая часть выбирается из выпадающих списков.

Исходными данными, которые пользователь может задавать, используя цифровую клавиатуру, являются:

  • рабочая температура кристалла или температура в «точке пайки» светодиода (Tj/Tsp), °С;
  • стоимость светодиода (Price), $;
  • требуемый световой поток светильника (Target Lumens), лм;
  • КПД источника питания (Electrical), %;
  • эффективность оптической системы (Optical), %.

Исходным данными, которые выбираются из выпадающих списков, являются:

  • тип (серия) светодиода (окно Model1/2/3 в строке LED Models);
  • световой поток выбранного светодиода (Flux в строке Model Options).

Программа позволяет одновременно рассчитать до трех типов (моделей) светодиодов. Светодиоды или массивы светодиодов можно сравнивать одновременно по четырем рассчитанным параметрам. Параметры, которые рассчитываются, выбираются пользователем из выпадающих списков в верхней части экрана (строка Design Parameters). Имеются четыре окна, которые соответствуют четырем столбцам основного поля программы.

Выходные параметры, которые выбираются, можно разделить на три группы:

  • Первая группа выходных параметров (LED VF, LED W, LED LM, LED LM/W) позволяет рассчитать технические характеристики единичного светодиода.
  • Вторая группа выходных параметров (SYS LM PER, SYS # LED, SYS W, SYS LM TOT, SYS LM W) позволяет рассчитать технические характеристики массива светодиодов в составе светильника.
  • Третья группа параметров (LM/$, $/LM, c/LM, SYS $) позволяет рассчитать  стоимостные характеристики одного светодиода или группы светодиодов. При выборе стоимостных характеристик в окне Price необходимо ввести цену светодиода.

В окне Drive-Current Range выбирается диапазон тока, в котором будет осуществляться расчет. Диапазон выбранного тока отображается в левом столбце интерфейса программы. Причем программа автоматически определяет максимальное значение рабочего тока для выбранного типа светодиода. Если задан более широкий диапазон тока, то значения, выходящие за границу максимального рабочего тока, отображаться не будут.

  • LED VF – прямое падение напряжения на светодиоде, В
  • LED W – мощность подводимая к светодиоду, Вт
  • LED LM – световой поток светодиода, лм
  • LED LM/W – световая отдача светодиода, лм/Вт
  • SYS LM PER – световой поток одного светодиода в массиве светодиодов, лм
  • SYS # LED – общее количество светодиодов, шт
  • SYS W – общая мощность, Вт
  • SYS LM TOT – общий световой поток, лм
  • SYS LM W – общая эффективность, лм/Вт
  • LM/$ — люмен/доллар
  • $/LM — доллар/люмен
  • c/LM – цент/люмен
  • SYS $ — полная стоимость массива светодиодов

Чтобы понять, как работает программа, рассмотрим два наиболее часто встречающихся в практике примера.

Пример №1

Требуется определить оптимальную серию светодиода для применения в уличном светильнике. Критерием оптимальной серии выберем самую низкую стоимость люмена при лучшей эффективности (лм/Вт). Цвет свечения светодиодов – холодный белый (5000…7000К).

Для применения в уличном светильнике лучшим образом подходят семейства светодиодов

XP, XM. Светодиоды этих семейств обладают высокой эффективностью и большим значением светового потока. Выберем следующие позиции светодиодов: XPEWHT-L1-0000-00E03 (114 лм, цена 1,73$), XPGWHT-L1-0000-00F53 (122 лм, цена 2,21$), XMLAWT-00-0000-0000T5053 (260 лм, цена 4,08$). Примем рабочий ток каждой серии светодиода 70%  от максимального. Для XP-E это будет 700 мА, для XP-G – 1000 мА, а для XM-L – 2100 мА. Будем считать, что все серии светодиодов в устройстве работают при одинаковой температуре в «точке пайки»: 70°С.

Рис.2 Cравнение серий светодиодов XP-E, XP-G, XM-L

По умолчанию в программе заданы параметры: LM (световой поток), LMW (светоотдача), VF (прямое падение напряжения) и W (мощность). Видно, что для нашей задачи не хватает стоимостного параметра. Поскольку, в данном примере, расчет производится для единичного светодиода, то зададим параметр: с/LM (цент/люмен). Выберем его вместо параметра VF и введем необходимые исходные данные: температура в «точке пайки» 70°С, начальный световой поток выбранных серий светодиодов, диапазон тока (0,7…2,1 А) и стоимость каждой серии ($) (рис. 2).

Сравнивая серии светодиодов между собой, видим абсолютное превосходство серии светодиодов XM-L (таблица 1). Новая серия светодиодов, имеющая первоначально более высокую стоимость по сравнению с предшествующими сериями, при правильном использовании показывает значительно лучшие параметры по стоимости люмена, световому потоку и светоотдаче.

Таблица 1 Параметры для выбора светодиодов уличного светильника

Серия светодиода Рабочий ток, мА Светоотдача, лм/Вт Световой поток, лм Стоимость люмена, цент
1 XPEWHT-L1-0000-00E03
(114 лм, Tsp=70*C)
700 74,5 170 1,02
2 XPGWHT-L1-0000-00F53
(122 лм, Tsp=70*C)
1000 79,3 260 0,85
3 XMLAWT-00-0000-0000T5053
(260 лм, Tsp=70*C)
2100 87,9 576 0,71

Поскольку каждая серия светодиодов имеет весьма обширную номенклатуру, то было бы правильным рассмотреть и сравнить другие позиции выбранных серий светодиодов для определения наиболее выгодной. Сделать это, используя данную программу, нетрудно.

Рассмотрим следующие позиции светодиодов (в диапазоне цветовой температуры 4000К-7000К): XPEWHT-01-0000-00ED2 (107 лм, цена 1,58$), XPGWHT-L1-0000-00G53 (130 лм, цена 2,55$), XMLAWT-00-0000-0000T6053 (280 лм, цена 5,45$).

Результаты расчета сведены в таблицу 2.

Таблица 2 Параметры для выбора светодиодов уличного светильника – альтернативный вариант

Серия светодиода Рабочий ток, мА Светоотдача, лм/Вт Световой поток, лм Стоимость люмена, цент
1 XPEWHT-01-0000-00ED2
(114 лм, Tsp=70*C)
700 70 159 0,93
2 XPGWHT-L1-0000-00G53
(130 лм, Tsp=70*C)
1000 84,5 277 0,92
3 XMLAWT-00-0000-0000T6053 (280 лм, Tsp=70*C) 2100 94,7 620 0,88

В данном случае картина кардинально не изменилась. На первом месте оказался светодиод серии XM-L. Вызывает интерес, то, что по стоимости люмена практически сравнялись светодиоды

XPEWHT-01-0000-00ED2 и  XPGWHT-L1-0000-00G53. Сравнивая их по параметру светоотдачи предпочтение, конечно, нужно отдать  XPGWHT-L1-0000-00G53, кроме того, используя этот светодиод, можно уменьшить количество вторичной оптики в светильнике, поскольку световой поток XP-G выше, чем XP-E, и потребуется меньшее число светодиодов, а соответственно – и меньше линз. Тем не менее, если использовать XPEWHT-01-0000-00ED2 на токе биновки (350 мА),  увеличивая тем самым срок его службы и повышая надежность системы, то при сравнимой со светодиодом  XP-G светоотдачей мы получим существенно более низкую стоимость люмена.

Сравнивая данные в таблице 1 и в таблице 2, можно заметить, что самая низкая стоимость люмена получается у светодиода XMLAWT-00-0000-0000T5053.

Мы рассмотрели возможности программы по расчету и сравнению отдельных светодиодов для выбора наиболее оптимального варианта. При разработке светодиодного светильника чаще бывает необходимо определить количество светодиодов, исходя из требуемого светового потока, и учесть при этом неизбежные потери при нагреве кристалла светодиода, потери на светорассеивающем стекле и потери энергии в источнике питания.

Пример №2

Требуется рассчитать количество светодиодов  для изготовления светильника, встраиваемого в подвесной потолок типа «Армстронг» и определить, значение рабочего тока светодиодов. Общая стоимость светодиодов должна быть минимальной.

Зададимся начальными условиями:

  • желаемый световой поток светильника: 3000 лм
  • полная эффективность светильника: не менее 65 лм/Вт
  • КПД источника питания 87%
  • потери в светорассеивающем стекле 18%
  • цветовая температура: нейтральный белый (4700…6000К)
  • температура в «точке пайки» 60°С

Для подобного светильника наиболее подходящими светодиодами являются светодиоды

серий: MX-6, ML-E, ML-B, MX-3. Используя светодиоды этих серий, можно получить равномерную засветку светящейся поверхности при очень хорошем качестве света, что и обуславливает популярность данных светодиодов именно в подобных приложениях.

Выберем для сравнения следующие позиции светодиодов:

  • MX6AWT-A1-0000-000CB1 (100 лм, цена 1,12$),
  • MX3AWT-A1-0000-000DDZ (107 лм, цена 0,96$),
  • MLEAWT-A1-0000-0003А1 (45,7 лм, цена 0,61$)

Зададим в программе требуемые параметры и произведем расчет (рис. 3).

Рис.3 Cравнение серий светодиодов MX-6, MX-3, ML-E

По полученному результату видно, что для обеспечения заданных требований выгоднее всего использовать светодиод MX6AWT-A1-0000-000CB1. Рабочий ток светодиода в этом случае не должен превышать 350 мА. Полная расчетная эффективность светильника будет на уровне 64 лм/Вт, потребуется 36 светодиодов общей стоимостью 40,3$.

Для получения более равномерной засветки светящейся поверхности светильника можно применить светодиоды MLEAWT-A1-0000-0003А1. Потребуется 89 светодиодов общей стоимостью 52,5$, что несколько выше, чем при использовании серии MX-6, но при этом возможно достичь лучших потребительских свойств светильника. Рабочий ток светодиодов в данном примере должен быть 150 мА. Отметим, что мы не учли нюанс, связанный с тем, что при использовании светодиодов серии ML-E можно применить светорассеивающее стекло с меньшими потерями, поскольку светодиоды серии ML-E используются в большом количестве и устанавливаются с меньшим шагом по сравнению с серией MX-6. Поэтому энергетические и стоимостные показатели в конечном итоге могут улучшиться.

Выполненный расчет показывает, что серия светодиодов MX-3 в данном примере имеет невысокие показатели по светоотдаче и стоимости. Серию МХ-3 имеет смысл использовать, если по каким-либо причинам невозможно увеличение рабочего тока более чем 350 мА, тогда на светодиодах этой серии можно получить некоторый выигрыш в общей стоимости светильника, но с небольшим понижением эффективности.

Заключение

Рассмотренные примеры показали, что всегда есть место выбору, и многое зависит от того, что требуется в конечном изделии. Использование программы «Product Characterization Tool» поможет разработчику выбрать тип светодиода и оптимальный режим его работы в каждом конкретном случае применения с учетом множества факторов, и при этом – без излишних временных затрат.

•••

Наши информационные каналы