Светодиоды CREE XHP – 1500 люмен от одного кристалла

24 ноября 2015

светотехникаCreeстатьяLED

Новые мощные светодиоды компании Cree серии XHP с рекордными показателями светимости позволяют обойтись тремя (или даже одним – в пиковом режиме) светодиодами в промышленном светильнике со световым потоком около 1000 лм. Предыдущим рекорсдменам для этого требовалось четыре (серия XM-L, 2011 год) и девять (серия XR-E, 2008 год) светодиодов, соответственно.

Многочисленные преимущества светодиодных светильников по сравнению со светильниками на основе традиционных ламп накаливания, осознаны потребителями и востребованы рынком. При этом светодиодные светильники все еще проигрывают в цене устаревшим технологиям освещения, и проблема оптимизации себестоимости решений актуальна практически для всех игроков рынка.

Наиболее очевидный путь снижения стоимости – поиск более дешевых аналогов для каждого компонента – часто приводит производителей к снижению качества продукта в целом. При этом, как показано в публикациях [1] и [2], даже «бесплатные” светодиоды 0,5 Вт и 0,2 Вт в стандартных корпусах 5630 и 3535 не решают задачу радикального снижения стоимости светильников для таких применений как уличное и промышленное освещение.

Альтернативным подходом к решению задачи по снижению стоимости и улучшению потребительских качеств светильников, который предлагает компания Cree, является применение светодиодов сверхвысокой мощности, которые позволяют изменить конструкцию светильников и существенно уменьшить не только количество светодиодов, но и размеры, и стоимость других компонентов (радиатор, вторичная оптика, печатная плата).

Рис. 1. Светдиоды XHP

Рис. 1. Светодиоды XHP

В рамках этой концепции компания Cree вводит в ассортимент продукты новой технологической платформы SC5 [3] – серии XHP35, XHP50 и XHP70 [4]. Внешний вид новых моделей показан на рисунке 1. Обозначения новых светодиодов отличаются от традиционного для компании подхода, используемого в семействах предыдущих поколений (XP-G2, XM-L2 и так далее). Аббревиатура XHP (Extreme High Power) подчеркивает принадлежность этой платформы к принципиально новому классу светодиодов, который отличается рекордными для индустрии показателями мощности, светимости (OCF – Optical Control Factor, [5]) и надежности при работе при высоких температурах и мощностях. Цифровой код после названия семейства в наименовании новых светодиодов обозначает размер корпуса (XHP35 – 3,45×3,45 мм, XHP50 – 5,0×5,0 мм, XHP70 – 7,0×7,0 мм). Таким образом, новые светодиоды фактически используют размеры существующих популярных серий XP-G2/XT-E/XP-L (XHP35), XM-L2 (XHP50) и MK-R (XHP70), обеспечивая более чем двукратное увеличение светового потока по сравнению с предшественниками при совместимости с существующим ассортиментом стандартных печатных плат и оптики. На рисунке 2 показан модельный ряд семейства XHP, его совместимость с продуктами предыдущих поколений и примерный диапазон светового потока для одного светодиода.

Рис. 2. Модельный ряд семейства XHP, его совместимость с продуктами предыдущих поколений и примерный диапазон светового потока для одного светодиода

Рис. 2. Модельный ряд семейства XHP, его совместимость с продуктами предыдущих поколений и примерный диапазон светового потока для одного светодиода

На рисунке 3 показаны параметры светодиодов XHP35. Важно отметить, что у XHP35 есть два варианта конструкции, являющиеся, фактически, разными сериями:

  • XHP35 HD (High Density) – стандартное исполнение с куполообразной линзой, оптимизирован для получения максимального светового потока;
  • XHP35 HI (High Intensity) – версия без стандартной куполообразной линзы, обеспечивающая лучшую силу света при работе со вторичной оптикой в применениях, требующих узкой однонаправленной КСС.

Рис. 3. Основные параметры светодиодов и доступные для заказа комбинации ССТ/CRI серии XHP35

Рис. 3. Основные параметры светодиодов и доступные для заказа комбинации ССТ/CRI серии XHP35

Серия XHP35 HD унаследовала размеры и форму линзы у предыдущего рекордсмена в форм-факторе XP/”3535” – серии XP-L. При этом XHP35 имеет ряд уникальных свойств, позволяющих отнести эту серию к классу XHP, а именно:

  • уровень достижимого светового потока со светодиода превышает 1000 лм;
  • светодиод использует инновационную архитектуру монолитного кристалла с четырьмя активными областями, который имеет типовое падение напряжения 11…12 В, что позволяет использовать большой ассортимент драйверов со стандартными токами на 350…1050 мА;
  • впервые в дискретном светодиоде такого размера применена технология Easy White, обеспечивающая отличную повторяемость света до трех шагов Мак-Адама, а также опции высокого CRI 90 во всем диапазоне КЦТ.

На рисунке 4 показано сравнение оптических параметров светодиодов XHP35 версий HD и HI и светодиодов предыдущего поколения – XP-G2, XP-L.

Рис. 4. Сравнение оптических параметров светодиодов XHP35 версий HD и HI и светодиодов предыдущего поколения – XP-G2, XP-L: а) XLamp XP-G2; б) XLamp XP-L High Density; в) XLamp XP-L High Intensity; г) XLamp XHP35 High Density; д) XLamp XHP35 High Intensity

Рис. 4. Сравнение оптических параметров светодиодов XHP35 версий HD и HI и светодиодов предыдущего поколения – XP-G2, XP-L: а) XLamp XP-G2; б) XLamp XP-L High Density; в) XLamp XP-L High Intensity; г) XLamp XHP35 High Density; д) XLamp XHP35 High Intensity

Видно, что светодиод XHP35 определяет принципиально новый уровень светового потока для светодиодов в корпусе 3535 (до 1528 лм), при этом важным преимуществом по сравнению с многокристальными решениями является то, что источник света у этого светодиода компактный и монолитный. Отсутствие зазоров между кристаллами делает этот светодиод более привлекательным для прецизионных оптических задач, по сравнению со старшими четырехкристальными моделями платформы XHP50 и XHP70, которые в некоторых применениях приводят к появлению искажений/артефактов КСС.

Как было отмечено выше, светодиод XHP35 – это не только самый производительный светодиод формата 3535, но и первый в индустрии однокристальный светодиод, в котором применена технология EasyWhite, обычно доступная только для многокристальных светодиодов, например, светодиодных матриц. Технология EasyWhite позволяет получать качественный продукт с отличной повторяемостью цвета, используя при заказе светодиодов только нужную цветовую температуру и допустимый разброс цветовых координат (пять или три шага Мак-Адама). При этом производитель гарантирует повторяемость цвета в соответствии с заданными условиями в любой поставке как внутри одной упаковки, так и между светодиодами из различных партий, вне зависимости от даты заказа. В качестве примера на рисунке 5 показаны доступные на момент написания статьи опции заказа светодиодов XHP35.

Рис. 5. Опции заказа светодиодов XHP35

Рис. 5. Опции заказа светодиодов XHP35

В качестве демонстрации возможного сценария применения светодиодов XHP35 для снижения стоимости решения, рассмотрим расчет уличного светильника со световым потоком 10000 лм (условный аналог РКУ с лампой ДНАТ-150 или ЖКУ с лампой ДРЛ-250). Варианты решения этой задачи приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение возможных решений для уличного светильника со световым потоком более 10 000 лм

Наименование светодиода Количество Световой поток, лм Эффективность, лм/В Tsp, °С Ток светодиода, мА Вес, кг
Cree Xlamp XT-E {AWT} 48 10409 113 55 563 3,5
Cree Xlamp XT-L HD {AWT} 24 10734 125 66 1072 2,5
Cree Xlamp XHP35 HD {W} 12 10089 116 92 559 2,1

Для сравнения в качестве исходного варианта конструкции примем CREE XT-E (ток 563 мА) – светильник на 48 светодиодах, собранных на радиаторе, обеспечивающем температуру в точке пайки на уровне 55°С при температуре окружающего воздуха 25°С. В качестве оптики рассматривается популярная линза компании LEDiL STRADA 2×6 IP DWC [7]. Такой подход к конструированию сформировался несколько лет назад и на сегодняшний день по-прежнему привлекает многих производителей светильников, так как цена на светодиоды этого класса производительности (XT-E, XP-G2 и их аналоги) существенно снизилась.

Однако, как показано в расчете, вариант применения более мощных светодиодов XP-L, совместимых с аналогичной линзой, позволяет сократить количество светодиодов в решении до 24 штук (при использовании на токе 1072 мА с более компактным радиатором). Видно, что при этом эффективность решения увеличивается, а стоимость всех компонентов уменьшается. Одним из недостатков этого варианта является относительно высокий ток светодиода, что ограничивает ассортимент стандартных драйверов, которые можно применять в данной задаче. Подробнее о возможностях светодиода XP-L можно почитать в предыдущих публикациях [8].

И, наконец, третий вариант решения данной задачи с применением светодиодов XHP35 с одной единственной линзой производства компании LEDiL STRADA 2×6 DWC позволяет существенно сократить размеры и повысить технологичность производства светильника при лучшей эффективности по сравнению с исходным вариантом на светодиодах XT-E. В данном расчете показан режим диода, который обеспечивает нужный световой поток (более 10000 лм) на еще более компактном радиаторе по сравнению с решением на светодиодах XP-L. В случае выбора радиатора с более низким тепловым сопротивлением можно достичь уровня эффективности светильника, сопоставимого с предыдущим вариантом.

Как было отмечено выше, дополнительным преимуществом XHP35 в данной задаче может быть возможность применения различных драйверов. В случае обновления светильника на светодиодах типа XT-E можно рассмотреть применение того же самого драйвера.

Таким образом, применение более дорогого светодиода XHP35 в данном примере позволяет снизить стоимость комплектации уличного светильника на 25%, при этом можно использовать существующие драйверы и оптику. Также решение на XHP35 в данном примере отличается улучшенными потребительскими характеристиками – на 40% меньшим весом светильника и отличной повторяемостью цвета вне зависимости от партии светодиодов.

Такой подход можно использовать при проектировании светильников практически любой мощности для уличного или промышленного освещения.

Наличие опции XHP35 c высоким CRI > 90 для КЦТ 5700 К помогает использовать системные преимущества этого светодиода при проектировании светильников для освещения спортивных арен и стадионов, телевизионных студий и в других применениях, где требуется большой световой поток, высокое качество цвета и компактность исполнения.

Перейдем к обзору старших моделей платформы XHP: XHP50 и XHP70. На рисунке 6 приведены основные параметры этих серий светодиодов.

Рис. 6. Основные параметры светодиодов и доступные для заказа комбинации ССТ/CRI серий XHP50 и XHP70

Рис. 6. Основные параметры светодиодов и доступные для заказа комбинации ССТ/CRI серий XHP50 и XHP70

XHP50 – это четырехкристальный светодиод, способный развивать световой поток до 2250 лм при потреблении 19 Вт, при этом корпус его совместим с сериями MHB-A и XM-L2 (размер посадочного места – 5х5 мм).

XHP70 используют те же, что и XHP50, технологию кристаллов, материал подложки, линзы и конструкцию (массив из четырех кристаллов под одной линзой), и отличаются пропорционально большим размером и производительностью.

С точки зрения совместимости по посадочному месту XHP70 наследует форм-фактор светодиодов серии MK-R, при этом уровень светового потока у новой серии превышает возможности предшественника более чем в два раза.

На рисунке 7 показаны возможные достижимые значения светового потока и эффективности светодиодов XHP50 и XHP70 по сравнению со светодиодами предыдущих поколений и типовыми матрицами COB аналогичной мощности.

Рис. 7. Возможные достижимые значения светового потока и эффективности светодиодов XHP50 и XHP70

Рис. 7. Возможные достижимые значения светового потока и эффективности светодиодов XHP50 и XHP70

Важной особенностью корпусов XHP50 и XHP70 является наличие четырех выводов, образующих две независимые внутренние цепочки из двух последовательно подключенных кристаллов. Как показано на рисунке 8, это позволяет в зависимости от топологии печатной платы использовать последовательное или параллельное подключение этих цепочек, обеспечивая типовое падение напряжение на уровне 6 или 12 В. Такая опция позволяет разработчикам более гибко проектировать системы питания и рассматривать широкий ассортимент драйверов, а также использовать одну унифицированную топологию печатных плат для разных напряжений.

Рис. 8. Подложка и рекомендуемая топология посадочного места на печатной плате для светодиодов XHP50 и XHP70

Рис. 8. Подложка и рекомендуемая топология посадочного места на печатной плате для светодиодов XHP50 и XHP70

Светодиоды XHP50 и XHP70 доступны для заказа в диапазоне цветовых температур 2700…4000К и CRI 80 и 90. Также доступна опция EasyWhite, описанная выше для XHP35.

Для того чтобы продемонстрировать преимущества новой технологии, была создана типовая разработка для решения одной из самых “тяжеловесных” задач на рынке освещения – промышленных светильников типа ЖСП/РСП на лампах ДНаТ 600.

Основная цель такой разработки – создать законченный проработанный дизайн светильника с применением светодиодов последнего поколения XHP, обеспечивающего адекватную замену традиционных светильников, имея недостижимые для других технологий потребительские параметры светильника (вес, размер).

На рисунке 9 показан расчет возможных вариантов решения такой задачи.

Рис. 9. Расчет возможных вариантов создания светильника с применением светодиодов послед- него поколения XHP

Рис. 9. Расчет возможных вариантов создания светильника с применением светодиодов последнего поколения XHP

Видно, что используя светодиоды XHP70 в этой задаче, мы также сможем радикально снизить размеры, вес и стоимость решения по сравнению с альтернативами использовать “ультрадешевые” светодиоды 0,5 Вт (5630) или 1…2 Вт (3535). При этом XHP70 обеспечивает лучший уровень светового потока при заданной потребляемой мощности, используя меньшее количество светодиодов и обеспечивая большую надежность.

Предлагаемая конструкция светильника в этой разработке имеет в своем составе шесть унифицированных модулей, на каждом из которых установлены шесть светодиодов XHP70. Внешний вид и состав базового модуля показан на рисунке 10.

Рис. 10. Внешний вид и состав базового модуля на светодиодах XHP70

Рис. 10. Внешний вид и состав базового модуля на светодиодах XHP70

В состав модуля входят:

  • светодиод XHP70A-00-0000-0D0BN40E3;
  • оптика LEDiL серий MINNIE (CA12881_MINNIE-M, CA12882_MINNIE-W, CA12883_MINNIE-WWW) или Jenny (T2, T3, T4) [9];
  • радиатор на базе экструзионного профиля #MM80015 производства компании Alexandria Industries [10];
  • разъем семейства “Poke In” компании TE Connectivity [11], рассчитанный на работу в диапазоне температур до 130°С;
  • опционально – защитный TVS-диод производства компании Littlefuse [12];
  • герметичные (IP67) разъемы серии SlimSeal компании TE Connectivity;
  • термоинтерфейс Bergquist Gap Filler;
  • печатная плата HPL PCB Bergquist.

На рисунке 11 показана конструкция решения в сборе.

Рис. 11. Конструкция решения с применением базового модуля на светодиодах XHP70

Рис. 11. Конструкция решения с применением базового модуля на светодиодах XHP70

Остановимся подробнее на используемых компонентах конструкции:

  • Драйвер LSWC-250S105ST мощностью 250 Вт в корпусе, защищенном по стандарту IP67, производства компании Autec Driver. Отличительные особенности – небольшой вес и отсутствие дерейтинга параметров при работе на повышенных температурах (максимальная температура эксплуатации: -60…80°С на корпусе драйвера).
  • Съемный отсек для быстрого доступа к драйверу.
  • Поворотный механизм с фиксацией для изменения направления КСС светильника.

В лаборатории технологического центра компании Cree (Дарем, Северная Каролина, США) был проведен полный цикл разработки, прототипирования и испытаний этого решения, которые подтвердили корректность изначальных расчетов. Результаты приведены на рисунке 12.

ris_12_1_opt ris_12_2_opt
ris_12_3_opt ris_12_4_opt
Рис. 12. Результат полного цикла разработки, прототипирования и испытаний

Для оценки возможного позиционирования решения по сравнению с существующими продуктами на рынке было проанализировано несколько предложений в этом сегменте и проведено их сравнение по основным параметрам, важным для конечного потребителя. В таблице 2 приведены результаты этого сравнения.

Таблица 2. Оценка возможного позиционирования решения по сравнению с существующими продуктами на рынке

Производитель Световой
поток, лм
Эффектив-ность, лм/Вт Потребляемая мощность, Вт Вес, кг Примерный объём, дм³ Макс.
температура окружающего воздуха
Количество светодиодов Степень
защиты IP
1 74765 113,3 660 26 63,846 40 192 65
2 59340 117,2 506 24 68,138 40 12 66
3 61580 120,3 513 17 118,71 65 1648
29 78
4 61696 104 595 21 106,26 65 288 66
5 64893 115,7 561 16 64,288 75 312
6 51459 134,2 383 20 71,832 53 1680 66
7 50680 110 461 23 60 45 144 65
XHP70 56325 114,7 491 9 32,082 60 36
XHP70 72349 103,6 699 10 32,082 70 36

Видно, что предлагаемое решение на XHP70 существенно отличается от всех рассмотренных вариантов по массе и габаритам продукта, что имеет большое значение для конечных потребителей и возможных дистрибьюторов продукта – проще и дешевле установка, перевозка и хранение.

Важно отметить, что данная разработка была сделана исключительно для демонстрации возможностей светодиодов XHP на примере решения конкретной задачи. Она доступна как “open source design”. Данный опыт может помочь клиентам компании Cree быстрее освоить и использовать преимущества новой технологии светодиодов в своих разработках. По запросу к представителям компании или дистрибьюторам можно получить более подробную информацию об этой разработке, список комплектации, протоколы испытаний и исходные фалы конструкторской документации.

Сам по себе модуль конструкции светильника может быть использован как отдельный светильник или элемент решения для других задач (уличное и промышленное освещение, освещение стадионов и так далее).

По всем рекомендуемым альтернативным компонентам данного решения, таким как драйвер, печатная плата, термоинтерфейс, можно обращаться к компаниям-участникам программы Cree Solution Providers [13].

 

Заключение

В статье приведен обзор светодиодов класса eXtreme High Power производства компании Cree и показаны примеры возможностей их использования для снижения стоимости решений типовых задач уличного и промышленного освещения. Видно, что новое поколение светодиодов фактически открывает возможность проектирования светильников нового поколения, которые будут отличаться от существующих решений меньшим размером и весом, что является важным преимуществом для конечного потребителя.

Анализируя развитие светодиодного освещения за последние несколько лет, мы можем проследить, как очередное поколение светодиодов влияет на конструкцию светильника. На рисунке 13 показаны варианты реализации светильника со световым потоком порядка 1000 лм на флагманских светодиодах Cree разных поколений, а также примерная структура себестоимости решений. Так, в 2008 году для разработчиков был серийно доступен уникальный для своего времени светодиод XR-E, который позволял решить задачу проектирования такого светильника с использованием девяти светодиодов в токовом режиме 1 Вт. В 2011 году у компании Cree появился еще один рекордсмен – светодиод XM-L с беспрецедентной светоотдачей, который позволил уменьшить количество светодиодов в этом решении до четырех штук. Современные светодиоды, описанные в данной статье (XHP35) открывают возможность снизить количество светодиодов до 3 штук, если требуется высокая эффективность, или даже использовать всего один светодиод в максимальном режиме. Важно отметить, что высокая оптическая эффективность светодиодов позволяет снизить долю потребляемой светодиодом энергии, переходящей в тепло. Как показано на рисунке 13, это преимущество, в сочетании с более высокой надежностью новых продуктов, позволяет использовать более компактные радиаторы для обеспечения одинаковой надежности с решениями и предыдущих поколений.

Рис. 13. Варианты реализации светильника со световым потоком порядка 1000 лм на флагманских светодиодах Cree разных поколений

Рис. 13. Варианты реализации светильника со световым потоком порядка 1000 лм на флагманских светодиодах Cree разных поколений

Можно предположить, что дальнейшие улучшения таких параметров светодиодов как эффективность, светимость (плотность светового потока) и надежность позволят в будущем продолжить наметившийся тренд миниатюризации светодиодных изделий. Для компаний, желающих уже сейчас заложить в свои разработки новые решения, которые будут выгодно отличать конечный продукт как новое поколение светодиодных светильников, компания Cree предлагает светодиоды XHP. По запросу к представителям компании, а также официальным дистрибьюторам и партнерам-участникам программы Cree Solution Progiders, можно получить более подробные рекомендации по решению конкретной задачи с применением новой технологической платформы CREE SC5.

 

Литература

  1. Д. Юровских. Скрытые возможности по снижению стоимости светодиодных светильников;
  2. Free LEDs;
  3. cree.com/sc5;
  4. cree.com/xhp;
  5. cree.com/ocf;
  6. http://www.compel.ru/FLGDzQ/;
  7. www.ledil.com/strada-ip;
  8. И. Елисеев. Многообещающая новинка от Cree – светодиод серии XP-L. Новости Электроники №1/2014;
  9. ledil.com;
  10. http://www.alexandriaindustries.com;
  11. http://www.te.com/usa-en/products/connectors/lighting-connectors.html;
  12. http://www.littelfuse.com/products/tvs-diode-arrays/lightning-surge-protection.aspx;
  13. http://www.cree.com.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании CREE LED

CREE LED, входящая в состав Smart Global Holdings, поставщик лучших в своем классе технологий и решений в области светодиодного освещения и индикации. Компания фокусируется на рынках: мощных световых приборов общего назначения, автомобильной светотехники, видеоэкранов и специального освещения. CREE LED предлагает самое широкое портфолио оптимизированной под применение продукции в индустрии. Светодиоды CREE LED обладают лучшими характеристиками по таким параметрам как: плотность световог ...читать далее