Легкость и компактность: новые матрицы CREE CXA2 (CXB) на базе технологии SC5

24 ноября 2015

светотехникаCreeстатьяLED

Снизить на 25% стоимость решений для промышленного освещения и так называемого трекингового – зонального освещения в торговых точках, музеях и концертных залах, повысить компактность светильников поможет новая линейка светодиодных матриц CXA2 (CXB) на технологической платформе SC5 производства компании Cree. Изделия взаимозаменяемы с матрицами предыдущей линейки CXA.

Появившаяся в 2015 году новая технологическая платформа для карбидокремниевых кристаллов SC5 Technology™ позволила существенно расширить модельный ряд матриц CXA за счет продуктов нового поколения – CXA2 (в документации обозначаются как CXB; рисунок 1).

Рис. 1. Внешний вид CXA2 – светодиодных матриц нового поколения

Рис. 1. Внешний вид CXA2 – светодиодных матриц нового поколения

Благодаря широкому модельному ряду, качеству света, высокой эффективности и надежности, а также простоте монтажа, светодиодные матрицы из платформы CXA производства компании Cree стали популярным источником света в различных приложениях – от трековых до промышленных и уличных светильников.

В качестве примера в таблице 1 приведены параметры матриц CXB3590 Studio.

Таблица 1. Параметры матриц CXB3590 Studio

Цветовая температура источника света, К Индекс
цвето-передачи
Минимальный световой поток на рабочем токе Диапазон изменения цветовых температур в соответствии стандарта ANSI Код
для заказа
мин. тип. Группа при 85°C, лм при 25°C, лм
5600 93 95 BB 9,500 10,545 56 Q CXB3590-0000-000N0YBB56Q
BD 10,000 11,100 CXB3590-0000-000N0YBD56Q
3200 93 95 AB 8,500 9,435 32 Q CXB3590-0000-000N0YAB32Q
AD 9,000 9,900 CXB3590-0000-000N0YAD32Q

Для начала сравним на рисунке 2 диапазоны световых потоков для различных серий матриц CXA2 (CXB) второго поколения с теми же значениями для матриц CXA первого поколения. Видно, что новое поколение дополняет существующий модельный ряд со стандартным и высоким уровнями светимости (Standard Density, High Density) во всех форм-факторах, обеспечивая новый уровень светового потока. Также появляется специальная серия CXA2 STUDIO c высоким индексом CRI 95+ для цветовых температур 5700…3000 К, что соответствует калибровочным цветовым температурам ПЗС-матриц для фото и видеотехники.

Рис. 2. Диапазоны световых потоков для различных серий матриц производства компании Cree

Рис. 2. Диапазоны световых потоков для различных серий матриц производства компании Cree

На рисунке 3 в качестве примера приведены основные параметры нескольких серий CXA2. Видно, что модельный ряд, конструкцию, электрические параметры и систему биннинга CXA2 заимствуют у матриц первого поколения.

Рис. 3. Основные параметры нескольких серий CXA2

Рис. 3. Основные параметры нескольких серий CXA2

Для CXA2 увеличение эффективности (в лм/Вт) для каждой серии по сравнению с матрицами первого поколения составляет в среднем 15…20% на токе биннинга, а на максимальном токе – до 33%. Также следует отметить, что для CXA2 обеспечивается совместимость всех аксессуаров (держатели, драйверы, рефлекторы, радиаторы) [3] (рисунок 4). С учетом того, что поколение CXA2 наследует от CXA технологию изготовления подложки и люминофоров, стандарт LM-80 допускает использование существующих для CXA данных испытаний на деградацию светового потока для прогнозирования срока службы матриц CXA2.

Рис. 4. Светодиодные матрицы CXA2 обеспечивают совместимость всех аксессуаров

Рис. 4. Светодиодные матрицы CXA2 обеспечивают совместимость всех аксессуаров

Еще одним важным преимуществом, которое объединяет все многокристальные светодиоды Cree, является система биннинга Easy White [4], которая решает традиционную для дискретных светодиодов проблему повторяемости цветов. Для заказа CXA2 используются те же самые параметры, что и при выборе обычных ламп КЛЛ и МГЛ: световой поток, цветовая температура и разброс цветовых координат (опционально 5…2 эллипсы Мак-Адама), индекс цветопередачи. Доступные варианты приведены на рисунке 5.

Рис. 5. Cистема биннинга Easy White

Рис. 5. Cистема биннинга Easy White

Светодиодная матрица с меньшим размером источника света (Light Emitting Size, LES) характеризуется большой светимостью или более высоким коэффициентом управляемости светового потока (Optical Control Factor, OCF). При равном значении светового потока матрицы второго поколения CXA2 с высоким OCF для фокусировки требуют меньшего размера рефлектора или линзы. Стоит обратить внимание, что важные для многих применений основные преимущества новой технологии SC5 – это более высокая эффективность, плотность светового потока, надежность при работе на высоких температурах. С точки зрения решения в целом эти преимущества дают возможность снижения стоимости других элементов системы. Запас по температуре эксплуатации можно использовать для уменьшения размера радиатора.

Изложенное поясняет двойной смысл аббревиатуры SC5: с одной стороны, это традиционное для Cree обозначение очередной ревизии технологической платформы, базирующейся на подложках из карбида кремния (Silicon Carbide), с другой – название указывает на возможности применения этой технологии для снижения стоимости всей системы (System Cost).

В результате светильники на новых матрицах могут быть не только более эффективными, но и иметь легкий и компактный корпус. Последнее является важным преимуществом для конечного потребителя по сравнению со светильниками предыдущих поколений.

Как пример применения CXA2, где преимущества новой технологии на системном уровне будут наиболее существенными, можно рассмотреть класс так называемых акцентных трековых светильников, широко используемых для освещения в магазинах, ресторанах, музеях и других местах общественного пользования.

На рисунке 6 показан пример реализации такого светильника со световым потоком 3800 лм с применением матрицы CXA2540 (первое поколение) и матрицы CXB1820 (второе поколение).

Рис. 6. Пример реализации светильника со световым потоком 3800 лм с применением матриц CXA2540 и CXB1820

Рис. 6. Пример реализации светильника со световым потоком 3800 лм с применением матриц CXA2540
и CXB1820

Переход на модель CXB1820 с более компактным размером источника света (19х12 мм) позволяет сохранить основные электрические и оптические параметры изделия, при этом размеры и стоимость корпуса могут быть существенно меньше.

Такой подход можно распространить на весь диапазон доступных мощностей модельного ряда CXA2 для модернизации светильников с узкой КСС (промышленные светильники для высокого подвеса, прожектора и так далее). На рисунке 7 показаны возможные комбинации при замене матриц первого поколения CXA на CXA2 в подобных применениях.

Рис. 7. Возможные комбинации при замене матриц CXA на CXA2

Рис. 7. Возможные комбинации при замене матриц CXA на CXA2

Посчитаем вариант построения мощного промышленного светильника типа “High Bay” со световым потоком 9000 лм на матрице перового поколения СХА3590 и матрицах второго поколения СХВ3050 и СХВ350. Детальный расчет этой задачи приведен на рисунке 8.

Рис. 8. Вариант построения светильника “High Bay” со световым потоком 9000 лм на матрице перового поколения СХА3590 и матрицах второго поколения СХВ3050 и СХВ350

Рис. 8. Вариант построения светильника “High Bay” со световым потоком 9000 лм на матрице перового поколения СХА3590 и матрицах второго поколения
СХВ3050 и СХВ350

За исходный вариант (Model 1) примем решение на СХА3590. Драйвер серии LMD800 [3] обеспечивает ток 2000 мА, радиатор LMH020-HS00-0000-000081 и термопаста 3M TGG-2036 [5] – температуру 56°С в контрольной точке Тс (значения рассчитаны для температуры окружающей среды 25°С). При этом световой поток светильника составляет 8980 лм при эффективности 110 лм/Вт с учетом всех потерь. Необходимый вид КСС формируется силиконовой линзой серии STELLA HB компании Ledil [6].

Второй вариант исполнения светильника (Model 2) предполагает замену матрицы CXA3590 и радиатора LMH020-HS00-0000-000081 на более компактные модели CXB3050 и LMH020-HS00-0000-000061. При этом температура в контрольной точке Тс матрицы немного увеличится до 61°С, а световой поток всего светильника будет составлять 9226 лм при эффективности 117 лм/Вт. Следует обратить внимание, что вес светильника в этом случае уменьшается почти на 2 кг по сравнению с решением на матрице первого поколения. В случае применения не линзы, а рефлектора при переходе с CXA3590 на CXB3590 также возможно применение более компактного решения (например, замена серии Ledil F13840_ANGELA-XW на F13402_ANGELINA-W).

Третий вариант в данном расчете иллюстрирует сценарий существенного увеличения эффективности при снижении стоимости решения за счет более дешевого драйвера и радиатора. В качестве источника света вместо серии СХА3590 выступает ее аналог второго поколения – СХВ3590. Более высокая светоотдача матрицы, с одной стороны, позволяет использовать меньшую мощность для достижения целевого светового потока (обеспечивается драйвером LMD600 [3] на токе 1700 мА). С другой стороны, при высоком соотношении лм/Вт снижается доля тепловой мощности в общем показателе мощности, потребляемой светодиодом, что позволяет использовать еще более компактный и дешевый радиатор LMH020-HS00-0000-000002.

Более точно оценить тепловую мощность светодиода можно по формуле:

где:

  • тепловая мощность светодиода, Вт;
  • потребляемая электрическая мощность, Вт;
  • оптическая эффективность светодиода, лм/Вт.
  • коэффициент, характеризующий соотношение между энергетической и оптической эффективностью светодиода, определяемый экспериментально.

Многократные лабораторные измерения компании Cree показывают, что данный коэффициент для белых светодиодов на основе синих кристаллов с люминофорным преобразованием зависит только от формы спектра излучения. В расчетах можно использовать значение к = 0,003 для светодиодов с ССТ 3500…5000 К CRI 80 и к = 0,0033 для светодиодов с ССТ 5000…8000 К CRI 70.

Рис. 9. Зависимость максимального тока от температуры в контрольной точке

Рис. 9. Зависимость максимального тока от температуры в контрольной точке

Важно обратить внимание, что для третьего варианта конфигурации, несмотря на превышение температуры в контрольной точке матрицы Тс до 75°С по сравнению с исходным (56°С), матрица имеет существенный запас до максимальной температуры эксплуатации. На рисунке 9, взятом из документации на матрицу СХА3590, приведена зависимость максимального тока от температуры в контрольной точке. Маркерами обозначены: “manual” – целевой режим матрицы, используемый в данном расчете, “Max Tc” – максимальная температура матрицы в этом режиме (122,7°С), “Max If” – максимальный ток для температуры 75°С (3600 мА), “LM80” – маркеры, соответствующие режимам, для которых доступны данные о деградации светового потока по стандарту LM80.

На рисунке 10 приведена сравнительная оценка структуры стоимости комплектации на каждый из рассмотренных вариантов. В данном примере наиболее дорогая и эффективная матрица второго поколения CXB3590 позволяет создать более компактное и дешевое решение поставленной задачи, обеспечивая при этом лучшую эффективность.

Рис. 10. Сравнительная оценка структуры стоимости комплектации СХА3590, СХВ3050 и СХВ350

Рис. 10. Сравнительная оценка структуры стоимости комплектации СХА3590, СХВ3050 и СХВ350

Снижение стоимости пластиковых светодиодов средней мощности в корпусах 5630 и 3030, на первый взгляд, должно открывать разработчикам новые возможности по оптимизации стоимости и эффективности изделия, но, как показано в расчете на рисунке 11, большое количество пластиковых светодиодов средней мощности в изделии требует больших расходов на размер печатной платы и оптики. А за низкую надежность работы в агрессивных режимах, свойственную всем светодиодам в пластиковом корпусе, приходится расплачиваться большим размером радиатора по сравнению с решением на CXA2. В качестве иллюстрации на рисунке 11 показан сравнительный расчет встраиваемого светильника со световым потоком примерно 800 лм на 40 светодиодах Xlamp ML-B (Model 1) и всего одной матрице CXA1304 (Model 2).

Рис. 11. Сравнительный расчет светильника со световым потоком 800 лм на 40 светодиодах и на одной матрице

Рис. 11. Сравнительный расчет светильника со световым потоком 800 лм на 40 светодиодах и на одной
матрице

Самая младшая по мощности в семействе CXA2 серия CXB1304 способна заменить решение на 40 маломощных светодиодах (CREE ML-B или аналогичных им светодиодах в корпусах 5630 и 3030 других производителей). При этом возможно не только сохранить световой поток светильника, но и улучшить его эффективность. Переход на более компактный корпус и отсутствие печатной платы делает решение на CXA2 более интересным с точки зрения стоимости (рисунок 12).

Рис. 12. Стоимостное преимущество перехода на более компактный корпус и отсутствия печатной платы для решения на CXA2

Рис. 12. Стоимостное преимущество перехода на более компактный корпус и отсутствия печатной платы для решения на CXA2

Интересно отметить, что доля светодиодов в себестоимости первого варианта конструкции достаточно мала. Если даже предположить, что стоимость пластиковых светодиодов средней и малой мощности, которые могут быть здесь использованы, упадет в несколько раз — это не приведет к ощутимому снижению стоимости светильника в целом. С другой стороны, переход на CXA2 уже сейчас позволяет изменить конструкцию, снизив стоимость решения на 25%.

Мы упомянули лишь несколько примеров того, как можно использовать преимущества нового поколения матриц CXA2 при модернизации существующих решений. Весь модельный ряд серий CXA/CXA2/CXA HD позволяет решить достаточно большой спектр задач при выборе необходимый критерий оптимизации (максимальное соотношение лм/Вт, лм/$ или кд/$). Для проведения собственных расчетов можно обратиться к онлайн-калькулятору pct.cree.com или обсудить техническое задание с официальными дистрибьюторами [7] и участниками программы Cree Solution Providers [8].

 

Заключение

Как было отмечено выше, платформа CXA2 наследует конструкцию и систему аксессуаров от первого поколения CXA; существующие рекомендации по применению также распространяются на новую платформу. Хочется обратить внимание на обновленный документ “CXA Design Guide” [5], в котором собраны рекомендации по обращению с продуктом, а также по выбору сопутствующих компонентов – держателей, термоинтерфейсов и так далее.

Основным фокусом развития новых линеек продукции компании Cree является возможность снижения стоимости решений за счет уникальных свойств новых технологий. Новые продукты наследуют все преимущества и конструкцию предыдущих серий, что упрощает разработку новых изделий. При этом основные технические преимущества новых поколений светодиодов (более высокая светоотдача и светимость, надежность при высоких температурах) являются ключом к новым конструктивным решениям самих светильников, позволяющим сократить их размеры, вес и стоимость.

 

Литература

  1. Взамен 30 светодиодов: свойства и особенности светодиодных матриц CREE семейства CXA. Игорь Елисеев. НЭ+Светотехника № 1/2014, стр. 15;
  2. www.cree.com/cxa2;
  3. http://www.compel.ru/lib/ns/2013/2/4-optika-kompanii-ledil-dlya-svetodiodnyih-matrits;
  4. www.ledil.com/stella;
  5. http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Products/Accessories;
  6. http://www.cree.com/led-components-and-modules/tools-and-support/faqs;
  7. www.cree.com/xlamp_app_notes/cxa_design_guide;
  8. http://www.cree.com/led-components-and-modules/where-to-buy;
  9. http://www.cree.com/led-components-and-modules/tools-and-support/solution-providers;
  10. Новые cветодиодные матрицы Cree CXB с применением технологии SC5. Михаил Червинский. Современная светотехника №3/2015, стр. 40.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Cree_CXA_NE_01_15_opt

•••

Наши информационные каналы

О компании Cree

Компания Cree Inc. является мировым лидером в производстве полупроводниковых кристаллов из карбида кремния (SiC) и приборов на их основе. Полевые транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них - рабочая температура кристалла до 600°С, высокое быстродействие, радиационная стойкость. В настоящее время Cree производит высоковольтные SiC диоды Шотки с напряжением 300...1200В и ...читать далее