№2 / 2013 / статья 3

Матрица. Революция: обзор светодиодных матриц Cree

Андрей Колдунов (г. Гродно)

Благодаря последним достижениям в области технологий изготовления светодиоды постепенно выходят на лидирующие позиции в списке энергоэффективных источников света. А по соотношению «качество света/суммарная стоимость эксплуатации» — осветительные светодиоды уже сейчас не имеют конкурентов.

Уже несколько лет во всем мире продолжается настоящий светодиодный бум. При правильной эксплуатации — соблюдении рекомендуемых тока, проходящего через кристалл и его температуры, срок службы современных осветительных светодиодов превышает 50 тысяч часов, что в несколько раз больше, чем срок эксплуатации других источников со сходным качеством света. Благодаря этому, а также — высокому КПД современных светодиодов, стоимость эксплуатации светодиодного светильника часто оказывается гораздо ниже, чем традиционных. Особенно это заметно при установке светильников в труднодоступных местах (подсветка высотных зданий, освещение холлов гостиниц, торговых зон супермаркетов), где ремонт или замена источника света в светильнике порой обходятся дороже, чем сам источник света. А индекс цветопередачи CRI у лучших образцов современных светодиодов давно достиг 97, причем на самом тяжелом для белых светодиодов цвете R9 (насыщенный красный) цветопередача превышает 96, что позволяет использовать такие светодиоды даже в фотостудиях и операционных.

В ассортименте американской компании Cree, одного из лидеров и инноваторов светодиодной промышленности — вся производственная линейка светодиодов белого цвета свечения, от маломощных 5 мм индикаторных светодиодов серий C503, C513 до таких монстров, как CXA3070 и CXA3590 — с максимальной мощностью более 100 Вт. Поэтому разработчик может подобрать в портфолио компании светодиоды для решения практически любой задачи — от небольшого фонарика или светильника-ночника до мощных прожекторов и фонарей уличного освещения.

Из-за технологических трудностей, связанных с изготовлением светодиодных кристаллов большой мощности и организацией их питания, современные светодиоды мощностью более 5…10 Вт, как правило, имеют многокристальную (кластерную) структуру — технология Chip-On-Board, COB. Эта технология позволяет изготавливать светодиоды практически любой мощности, просто увеличивая количество кристаллов на одной подложке. Также она позволяет поднять рабочее напряжение от 3,0…3,3 В для единичного кристалла до 36…39 В для матрицы путем последовательного соединения отдельных кристаллов, что снижает требования к источнику питания и позволяет использовать провода питания меньшего сечения.

По сравнению с дискретными светодиодами небольшой мощности, мощные матричные имеют массу преимуществ: благодаря уменьшению количества активных компонентов и связывающих их проводов упрощается конструкция светильника, увеличивается удобство монтажа и сборки, сокращается количество сопутствующих компонентов (крепление, линзы), и, как следствие, снижается себестоимость, стоимость производства и разработки изделия, сокращается время выхода продукта на рынок. Массовое распространение мощных матричных светодиодов некоторое время назад ограничивали, в основном, технические проблемы: сравнительно небольшая надежность, низкая светоотдача и отсутствие специализированных линз. Но сейчас эти проблемы практически решены, а линзы выпускают сразу несколько конкурирующих компаний.

Компания Cree изготавливает мощные светодиоды на подложке из металлокерамики (рисунок 1), разных размеров в зависимости от мощности.

 

Рис. 1. Мощные светодиоды на подложке из металлокерамики

 

К сожалению, после выхода на рынок первенца CXA2011 (рисунок 1, нижний слева), Cree отказалась от использования в качестве подложки алюминия: металлокерамика, в отличие от алюминия, очень хрупкая (что отмечают сами специалисты Cree в рекомендациях по монтажу), и для монтажа требует специальную прижимную рамку или теплопроводный клей (CXA2011 можно было прикрутить двумя болтами через имеющиеся на подложке отверстия). Также металлокерамическая подложка имеет чуть большее тепловое сопротивление, поэтому такой светодиод требует использования теплоотвода с меньшим тепловым сопротивлением. Однако металлокерамическая подложка более долговечна и не подвержена коррозии, что немаловажно для уличных светильников, а напыленные на керамическую подложку проводники более стойки к перепадам температур и длительным перегревам, чем приклеенные к алюминиевому основанию.

Светодиоды семейства CXA можно разделить на три группы:

  • Светодиоды с высокой плотностью кристаллов. К этой группе относится CXA1520. Такие светодиоды рекомендуется использовать для точечных источников с высокой интенсивностью светового потока, для источников направленного света.
  • Светодиоды со стандартной плотностью кристаллов (диаметр излучателя до 14мм) используются для освещения жилых помещений, применяются в автомобильных фарах и придорожном освещении. Эти светодиоды предназначены для замены традиционных ламп накаливания, люминесцентных и галогеновых ламп.
  • Мощные светодиоды со стандартной плотностью кристаллов (диаметр излучателя более 14мм)- для мощных прожекторов и фонарей, освещения больших помещений (склады, заводские цеха, залы театров). Заменяют традиционные ртутные и натриевые лампы.

Хроматический диапазон светодиодов Cree нормируется как по стандарту ANSI C78.377-2008, так и по запатентованному компанией стандарту EasywhiteTM. Преимущество светодиодов Easywhite в том, что при сборке каждой матрицы кристаллы для нее подбираются так, чтобы итоговый цвет свечения матрицы максимально совпадал со свечением идеально черного тела заданной температуры. Эта технология позволяет инженеру-конструктору системы освещения избавиться от необходимости подбирать и чередовать в светильниках светодиоды с разными бинами для получения идеального света. Однако светодиоды, изготовленные по этой технологии, чуть дороже стандартных.

Стандартизация цвета свечения основана на семишаговых эллипсах Мак-Адама [1], через которые проходит кривая свечения идеально черного тела. Эти эллипсы (рисунок 2) очерчивают порог, за которым разница в цвете становится заметной, причем если цвет двух источников света отличается друг от друга на один шаг (одна единица SDCM) — разница в цвете незаметна, если на два-четыре шага — едва заметна. По стандарту цветности ANSI C78.377, определено восемь номинальных значений цветовой температуры 2700…6500К, а диапазоны допустимых отклонений цвета ограничиваются эллипсами Мак-Адама.

Стандартизация цвета свечения основана на семишаговых эллипсах Мак-Адама

 

Рис. 2. Стандартизация цвета свечения основана на семишаговых эллипсах Мак-Адама

Так как радиус каждого эллипса (семь шагов) довольно большой, производители светодиодов обычно разбивают их на несколько частей (бинов). Компания Cree для многокристальных светодиодов использует по четыре бина (рисунок 3) согласно стандарту NEMA SSL-3 2011, и комбинацией светодиодов разных бинов можно сдвинуть итоговый цвет свечения максимально близко к кривой свечения идеально черного тела. Например, если взять два светодиода бинов 8B0 и 8D0, то при смешении их цветов получится практически идеальное совпадение с кривой на отметке 2700K. Если взять разное количество светодиодов разных бинов, то результирующий цвет свечения можно сдвинуть практически в любую сторону — рассчитать его можно по формулам из документа [1], или в бесплатном Excel-приложении Cree’s Binonator [2], которое автоматически производит все расчеты для любого количества светодиодов с любыми бинами и показывает результат на хроматической диаграмме. В реальных системах рекомендуется использовать смешение цветов, т.к. светодиоды бинов, находящихся выше кривой свечения идеально черного тела, имеют слегка зеленоватый оттенок, а бины ниже — слегка розоватый, и устранить этот недостаток можно только смешивая светодиоды разных бинов.

Компания Cree для многокристальных светодиодов использует по четыре бина

 

Рис. 3. Компания Cree для многокристальных светодиодов использует по четыре бина

Светодиоды, изготовленные по технологии Easywhite, имеют точность установки цветовых координат, соответствующей двух- или четырехшаговой области эллипсов Мак-Адама с центром на кривой излучения абсолютно черного тела (рисунок 4). Такие светодиоды идеально подходят для освещения требовательных к качеству света объектов и позволяют создавать многокомпонентную систему освещения на любых светодиодах Cree Easywhite одинаковой цветовой температуры, без подбора по бинам. При этом видимый цвет излучения у всех источников света будет совершенно одинаковым, особенно если выбирать светодиоды с точностью в два шага.

Точность установки цветовых координат светодиодов, изготовленных по технологии Easywhite

 

Рис. 4. Точность установки цветовых координат светодиодов, изготовленных по технологии Easywhite

При выборе светодиодов также необходимо учитывать их индекс цветопередачи (CRI) — показатель способности источника света воспроизвести цвет освещаемого объекта (по методике CIE 13.3-1995). Чем он выше (по шкале от 0 до 100), тем ярче и насыщенней видимые цвета, тем лучше различимы цветовые оттенки. Светодиоды серии CXA выпускаются в четырех группах с индексом цветопередачи от 70…75 до 93…95. Чем выше индекс цветопередачи — тем выше стоимость светодиода и ниже светоотдача (выход лм/Вт). Для офисных помещений обычно достаточно CRI 60…70, для жилых помещений, детских садов и школ — 70…80, для магазинов и выставочных залов — 80…90, для операционных, художественных мастерских и картинных галерей требуется CRI выше 90.

Образец маркировки светодиодов семейства CXA показан на рисунке 5. Следует отметить, что производитель официально разрешает практически двукратный «разгон» светодиодов по току, без ограничений по времени работы, но при условии, что температура корпуса не превышает 85°С. Также светодиоды можно использовать при температуре корпуса выше 85…105°С (абсолютный максимум — 150°С), но при пропорциональном уменьшении прямого тока.

Образец маркировки светодиодов семейства CXA

 

Рис. 5. Образец маркировки светодиодов семейства CXA

Основные параметры светодиодов указаны в таблице 1, в графе «Прямой ток» первое значение — номинальный ток через светодиод, второе значение — максимально разрешенный при хорошем теплоотводе. Светодиоды могут иметь одну из пяти цветовых температур: 2700К, 3000К, 3500К, 4000К и 5000К, в рамках каждой цветовой температуры предлагается по три светодиода различной светоотдачи (три бина яркости). Компания Cree использует довольно сложную для восприятия систему бинирования, но, при сравнении нескольких светодиодов, чем дальше по алфавиту буква или чем больше цифра при совпадающих буквах, тем выше светоотдача. Например, у светодиода с бином W2 светоотдача выше, чем у бина V4, а у W4 — выше, чем у W2.

Таблица 1. Нормативы освещенности согласно СНиП 23-05-95

Наименование Прямое напряжение, В Максимальная мощность, Вт Светоотдача, лм* Прямой ток, А Габаритные размеры, мм Диаметр излучателя, мм Соответствие ROHS2
CXA1304** 9,3 11 500…900 0,4…1 13,35х13,35 6
CXA1304** 37 11 700…1300 0,1…0,25 13,35х13,35 6
CXA1507 37 15 1100…2200 0,2…0,375 15,85х15,85 9 +
CXA1512 37 24 1700…3500 0,35…0,6 15,85х15,85 9 +
CXA1816 37 37 3000…4500 0,45…0,9 17,85х17,85 12
CXA1820 37 40 3000…4500 0,55…1,05 17,85х17,85 12
CXA1830 37 57 4500…6500 0,8…1,4 17,85х17,85 14
CXA2520 36 50 3000…5000 0,55…1,25 23,85х23,85 19 +
CXA2530 37 62 3000…6000 0,8…1,6 23,85х23,85 19 +
CXA2540 37 86 4000…8000 1,1…2,1 23,85х23,85 19 +
CXA3050 37 100 4000…10000 1,4…2,5 27,35х27,35 23 +
CXA3070 38,5 117 9000…11000 1,925…2,8 27,35х27,35 23
CXA3590 77 150 10000…18000 1,2…1,8 34,85×34,85 30
* — На номинальном токе, в зависимости от бина
** — CXA1304 производится двух модификаций: с рабочим напряжением 9,3 и 37 В.

Срок службы светодиодов Cree тестируется согласно методике IES LM-80-2008. По результатам тестирования в течении 6000 часов при температуре 85°С, номинальном токе через кристаллы и последующей экстраполяции этих результатов яркость для большинства светодиодов семейства CXA будет превышать 90% от начальной более 32 тысяч часов, а при температуре 105°С и токе через светодиод, равном 66% от номинального — более 36 тысяч часов. Согласно методике LM-80 нельзя экстраполировать данные на срок более чем в шесть раз превышающий время тестирования, поэтому 36 тысяч часов — ограничение методики, но не предельный срок службы светодиода. Это очень хороший результат — более четырех лет непрерывной работы или более восьми лет в обычном цикле, учитывая, что физической деградацией источника света принято считать уменьшение его яркости до 70…80% от начальной. Подробней о результатах тестирования для интересующей модели светодиода можно узнать из документа [4].

Особенность продукции компании Cree: все параметры новых серий светодиодов нормируются для температуры 85°С, т.е. в реальных условиях эксплуатации. Некоторые конкурирующие производители нормируют параметры при температуре 25…35°С, поскольку при нагреве характеристики светодиодов ухудшаются. Поэтому при прямом сравнении светодиодов различных производителей следует уточнять, при какой температуре нормированы их характеристики. В частности, для светодиодов Cree светоотдача при температуре 25°С на 11…12% выше, чем заявленная в документации для 85°С (для сравнения с другими производителями, Cree всегда приводит в документации расчетные значения для 25°С), а для некоторых моделей однокристальных светодиодов заявлен практически неограниченный срок службы при температуре кристалла не выше 30°С и относительной влажности не более 85%.

Рассмотрим более подробно один из светодиодов, например, CXA2540-0000-000N00V40E5. Как видно из названия, это светодиод мощностью 40 Вт (максимальная мощность — до 86 Вт, см. таблицу 1) в корпусе 25 мм, с типовой светоотдачей для бина V4, согласно документации, равной 4545…4860 лм при номинальном токе 1,1 А. Это светодиод стандарта ANSI, его цветовая температура равна 4000К (нейтральный белый). Подбины могут быть 5A, 5B, 5C или 5D, в названии это никак не отражено — они указаны только на групповой упаковке, поэтому при заказе небольшой партии светодиодов, если это важно, необходимо уточнять наличие требующихся подбинов. На максимальном токе (2,1 А) светоотдача возрастает на 40…50% — примерно до 7200 лм, но КПД светодиода (выход лм/Вт) падает до 85 лм/Вт, также из-за возможного перегрева может уменьшиться срок его службы.

Для изучения характеристик светодиодов Cree в разных режимах, а также для сравнения с другими светодиодами рекомендуется воспользоваться специальным бесплатным приложением Cree Product Characterization Tool (PCT-калькулятор) [5], доступном на сайтах компаний Cree и КОМПЭЛ. Программа также позволяет рассчитать максимально допустимое тепловое сопротивление системы охлаждения и определить примерную стоимость одного люмена. Подробную справку по работе с программой (на русском языке) можно найти по ссылке [6].

Несмотря на довольно значительную начальную стоимость, мощные матричные светодиоды более выгодны в эксплуатации, чем их однокристальные аналоги. Например, если сравнить CXA2540 с максимальным на момент подготовки статьи бином W4 (5225 лм) и популярную серию светодиодов XT-E с максимальным бином R5 (139 лм) в PCT-калькуляторе (рисунок 6), то видно, что для равноценной замены одного CXA2540 требуется не менее 18 светодиодов XT-E — каждый со своей светорассеивающей линзой и расходами на монтаж. В итоге, при меньших начальных затратах на светодиоды, суммарная стоимость такого светильника оказывается значительно выше.

 

Рис. 6. Сравнение параметров светодиода CXA2540 и популярной серии светодиодов XT-E в программе «PCT-калькулятор»

Также видно, что только за счет чуть большей светоотдачи CXA2540 на максимальной мощности экономится почти 10 Вт подводимой энергии — это облегчает тепловой режим светодиода и уменьшает стоимость эксплуатации светильника (расходы на электроэнергию и экологические сборы). Причем в таблице 1 не учитывается сопротивление контактов и проводников между отдельными светодиодами XT-E — при их сопротивлении 0,1 Ом разница увеличивается уже до 15 Вт.

Если же еще учесть расходы на монтаж десятков маленьких светодиодов, стоимость индивидуальных креплений и линз, возможность выхода из строя всего светильника из-за отказа одного из светодиодов в цепочке, то становится ясно — будущее «большого освещения» именно за мощными многокристальными светодиодами!

Так как светодиоды серии CXA фактически состоят из сотен индивидуальных светодиодов, расположенных на единой подложке, комапния Cree для оценки минимальных размеров теплоотвода рекомендует использовать тепловое сопротивление «корпус — окружающая среда» Rc-a. В него входит сумма тепловых сопротивлений термоинтерфейса (теплопроводящий материал между корпусом светодиода и теплоотводом) и самого теплоотвода. Рекомендуемые минимальные значения Rc-a в зависимости от температуры окружающей среды и прямого тока через светодиод указаны на графиках в документации на светодиод. Чтобы оценить температуру корпуса светодиода, на нем с лицевой стороны имеется специальная металлизированная площадка для контактного измерения температуры.

Все светодиоды семейства CXA полностью соответствуют директиве RoHS, причем некоторые соответствуют более жесткому варианту RoHS2. Также по запросу компания Cree предоставляет актуальную версию декларации REACh SVHC о содержании опасных химических веществ, оборот которых в ЕС ограничивается.

Драйверы и контроллеры управления, крепления и вторичную оптику для светодиодов семейства CXA выпускают десятки компаний, их неполный список можно найти на сайте Cree [7]. Многие позиции доступны под заказ со склада компании КОМПЭЛ.

Энергоэффективность — один из трендов нынешнего столетия. Светодиоды гордо занимают свою нишу в области освещения, постепенно вытесняя из нее все остальные виды источников света. Согласно некоторым прогнозам, в частности — от компании Memoori Research, к 2017 году объем рынка светодиодного освещения превысит $25 млрд., а Cree уже сейчас имеет годовую выручку $1,3 млрд. и $70 млн. чистой прибыли (по данным журнала Forbes). Инициативы в области экологии и энергосбережения, принимаемые странами ЕС и США, только подталкивают рынок освещения в сторону светодиодов.

Литература

 

 

1. LED Color Mixing: Basics and Background. http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/XLamp%20Application%20Notes/LED_color_mixing.pdf

 

2. Cree Binonator: Color-mixing tool. http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Tools-and-Support/Tools/Binonator-registration

 

3. Джонатан Вейнерт. Светодиодное освещение. Справочник. http://specelec.ru/reference-book.html

 

4. Cree® LED components IES lM-80-2008 testing Results http://cree.com/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/XLamp%20Application%20Notes/LM80_Results.pdf

 

5. Cree Product Characterization Tool. http://pct.cree.com/

 

6. Сергей Миронов. Светодиоды Cree — «калькулятор» для выбора. /fordesigners/calculators/calc-creepct/cree-pct-help/

 

 

7. Cree Solution Provider Program. http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Tools-and-Support/Solution-Providers.

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: lighting.vesti@compel.ru

 

Наши информационные каналы