№1 / 2016 / статья 3

На новой платформе: осветительные решения на базе технологии Cree SC5

Заменить стандартные решения на лампах накаливания разных типов светодиодными, выгадав в эффективности и не проиграв по цене? Возможно ли это? Да, если речь идет о новых светодиодах Cree серии XHP на базе технологической платформы SC5.

Cнижение цены люмена мощных светодиодов за последние годы привело к тому, что собственно светодиод утратил позицию самого дорогого компонента в структуре себестоимости светильника, уступив место драйверу и радиатору. При этом с точки зрения технических параметров светодиод по-прежнему является компонентом, который фундаментально определяет основные характеристики изделия его световой поток, эффективность, качество света и стабильность этих параметров во времени.

Как показано в публикациях [1, 2], для большого круга задач искусственного освещения наиболее перспективными с точки зрения общей стоимости решения являются светодиоды серий XHP продукты последней технологической платформы SC5 компании Cree.

Появление на рынке светодиодов XHP определило принципиально новый класс светодиодов экстремально высокой мощности (XLamp® Extreme High Power аббревиатура XHP).

Помимо уникального сочетания высоких значений светового потока и рабочей температуры, светодиоды класса XHP при правильном применении позволяют существенно снизить себестоимость сопутствующих компонентов светильника радиатора, печатной платы, вторичной оптики, обеспечивая при этом высокую надежность и эффективность решения. С учетом прогнозируемого снижения цен на все светодиоды, такой подход является крайне перспективным, так как вряд ли в ближайшем будущем светодиодное освещение сможет сделать качественный прорыв в себестоимости за счет удешевления материалов радиатора, оптики или драйвера.

Для того чтобы уже сегодня заложить в изделие максимальный потенциал по снижению стоимости, необходимо пересмотреть подход к его проектированию, снизив в себестоимости долю сопутствующих компонентов, на снижение цены которых в перспективе можно не рассчитывать. Именно такую возможность перед разработчиками уже сегодня открывает линейка светодиодов XHP.

Используя принципиально новый уровень светового потока от одного светодиода, производители светодиодных светильников могут использовать в своих решениях меньшее количество светодиодов, линз, а также снизить размеры печатной платы и радиатора, переходя на более высокие температуры работы светодиода. Упрощенный сценарий использования технологии SC5 показан на рисунке 1.

Рис. 1. Основные преимущества технологии SC5

Рис. 1. Основные преимущества технологии SC5

Обзор технологии SC5 и линейки XHP

На момент написания статьи линейка светодиодов XHP представлена сериями XHP35, XHP50 и XHP70. Основные параметры светодиодов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры светодиодов платформы XHP

Наименование Размер, мм Максимальный световой поток
XHP35 3,45×3,45 до 1833 лм @ 13 Вт
XHP35 HI 3,45×3,45 до 1483 лм @ 13 Вт
XHP50 5×5 до 2546 лм @ 19 Вт
XHP70 7×7 до 4022 лм @ 32 Вт

Отдельно следует отметить, что младшая модель XHP35 имеет модификацию XHP35 High Intensity (HI) [3], которая позволяет достигать более высокого по сравнению со стандартной моделью XHP35 уровня осевой силы света при работе со вторичной оптикой. Это достигается за счет отсутствия традиционной куполообразной первичной линзы светодиода.

При такой конструкции первичной линзы излучение светодиода имеет более «острую» форму, а размер светящейся области на поверхности линзы меньше.

На рисунке 2 приведено сравнение собственных кривых распределения силы света (КСС) светодиодов XHP35 и XHP35 HI, а также показаны КСС, формирующиеся при работе этих светодиодов с узкоградусной вторичной оптикой.

Рис. 2. Сравнение собственных КСС светодиодов XHP35 и XHP35 HI, КСС с узкоградусной вторич- ной оптикой

Рис. 2. Сравнение собственных КСС светодиодов XHP35, XHP35 HI и КСС с узкоградусной вторичной оптикой

Видно, что такое решение позволяет достичь практически двукратного увеличения осевой силы света при одинаковой мощности. Такое преимущество можно использовать в тех задачах, где важна максимальная яркость освещаемого пятна и узкая КСС при компактных размерах самого светильника, например, в освещении спортивных сооружений, архитектурном освещении или акцентном интерьерном освещении.

Важно отметить, что в отличие от других светодиодов линейки XHP серия XHP35 имеет один кристалл с четырьмя активными областями и типовым падением напряжения 11…12 В. При этом яркость источника света достаточно равномерна, так как в конструкции светодиода нет зазора между кристаллами, и это обеспечивает отличную фокусировку и отсутствие нежелательных артефактов в распределении света при работе со вторичной оптикой (например, зеленая кривая на графике на рисунке 2)

Первый пример использования преимуществ светодиодов XHP показан на рисунке 3 и в таблице 2.

Рис. 3. Пример реализации трекового акцентного светильника

Рис. 3. Пример реализации трекового акцентного светильника

Таблица 2. Варианты реализации трекового акцентного светильника

Параметр Версия «Нано» Версия «Мини» Лампа направленного света PAR38
Источник света XP-L High Intensity CXA 1310 HD XHP35 HI Галогеновая лампа 70 Вт
CCT/CRI 3000K/82 CRI 3000K/82 CRI 4000K/74CRI 3000K/98 CRI
Осевая сила света 9 000 кд @ 11° 2 093 кд 11,467 кд @14° 2,379 кд
1 900 кд @ 28°
Tsp, °C 98 90 105
Initial Lumens, лм 520 1 010 876 1 325
System Power, Вт 8 14,4 13,1 71
Размер, ДхШхВ, мм 79×32х31 92×38х34 92×38х34
Вес, г 45 110 320

Данный концепт демонстрирует реализацию трекового акцентного светильника на светодиоде XHP35 HI и сравнение этого решения с традиционно используемой в подобных применениях 70-ваттной галогенной лампой с цоколем PAR38.

Следует обратить внимание на существенное уменьшение габаритов в предлагаемом решении за счет компактного рефлектора и радиатора. В данном решении светодиод XHP35 HI благодаря чрезвычайно компактному размеру источника света и высокой производительности демонстрирует лучшие показатели по осевой силе света. По этому параметру виден существенный выигрыш даже по сравнению с матрицей CXA1310 HD-класса [4].

Также концепция предусматривает возможность создания модификации трекового светильника на светодиоде XP-L High Intensity [2], которая дополняет линейку моделью с еще более компактными габаритами и меньшим уровнем осевой силы света и мощности.

Несмотря на то, что светодиод XHP35 HI в предложенном решении имеет относительно высокую температуру работы (105°C), срок его службы в таком режиме достаточно велик 28400 часов по критерию L90. А это значит, что деградация светового потока более чем на 10% от начального значения будет заметна не раньше чем через три года непрерывной эксплуатации изделия. На рисунке 4 приведены данные результатов испытаний по стандарту LM-80 для светодиода XHP35.

41495
Ток, мА 1050
Температура, °C 85
α 3,38E-06
β 0,9905
Длительность тестирования, час 6048
Расчетное значение L90, час 28400
Расчетное значение L80, час 63300
Расчетное значение L70, час 103000
Рис. 4. График деградации светового потока для серии XHP35 и расчет параметров модели
по стандарту LM-80

Уличный светильник со световым потоком 3000…4000 лм

Еще одним примером эффективного использования потенциала светодиодов XHP35 может быть модуль уличного светильника, внешний вид и расчет которого показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Расчет и внешний вид модуля уличного светильника на четырех светодиодах XHP35

Рис. 5. Расчет и внешний вид модуля уличного светильника на четырех светодиодах XHP35

Данный модуль использует всего четыре светодиода XHP35 на токе 700 мА при питании от драйвера LPF-40-48D производства компании Mean Well.

Помимо светодиода XHP35 в этой разработке применен еще один высокотехнологичный компонент силиконовая линза FN15180_STRADA-2X2-5050-T3 производства компании LEDiL [5], внешний вид, размеры и КСС которой показаны на рисунке 6.

ris_6a_fmt 41677
Рис. 6. Линза FN15180_STRADA-2X2-5050-T3 производства компании LEDiL

Линза уникальна тем, что при своем компактном размере 50х50 мм, который унаследован у популярной серии модульной оптики семейства STRADA 2×2, она способна работать со светодиодом XHP35 во всем его рабочем диапазоне температур до 150°C. Силикон, из которого сделана линза, имеет хорошую оптическую эффективность (88%), а КСС линзы имеет сложную форму, оптимизированную для лучшей равномерности освещаемого дорожного полотна. В состав конструкции линзы входит специальный держатель-рамка, который фиксирует ее одним винтом в центре.

Для того чтобы продемонстрировать возможности линзы и светодиода работать при высоких температурах, для модуля был выбран стандартный радиатор ICK LED R 84×40. Его параметры при данной нагрузке обеспечивают температуру в точке пайки светодиода на уровне 81…85°С. В случае проектирования подобного светильника с нуля радиатор может иметь еще более компактный вес и размер, если выбирать рабочую температуру на уровне 100…105°С. Такая нагрузка является для данного светодиода допустимым режимом, для которого можно рассчитать его основные параметры и время работы.

Световой поток, формируемый разработанным модулем, имеет значение более 4000 лм, что позволяет рассматривать его как возможную замену традиционным светильникам типа РКУ с лампами ДРЛ 125 Вт. На рисунке 7 показан корпус такого светильника и возможные альтернативы на светодиодах различных поколений.

Рис. 7. Альтернативы традиционному светильнику типа РКУ с лампами ДРЛ 125 Вт на светодиодах различных поколений

Рис. 7. Альтернативы традиционному светильнику типа РКУ с лампами ДРЛ 125 Вт на светодиодах различных поколений

Видно, что предлагаемое решение на светодиодах XHP35 продолжает тенденцию уменьшения размера и веса светильника, как наиболее современную и перспективную. Разумеется, данный подход можно масштабировать и на светильники большей мощности.

Промышленный светильник со световым потоком 10000 лм

Рассмотрим еще один пример более мощного светильника на светодиодах XHP (рисунок 8).

Рис. 8. Пример мощного светильника на светодиодах XHP

Рис. 8. Пример мощного светильника на светодиодах XHP

Данная концепция демонстрирует, что всего четырех мощных светодиодов XHP70 достаточно, чтобы проектировать современные светильники со световым потоком более 10000 лм. Такой модуль можно использовать с различными моделями оптики LEDiL семейства STRADA 2×2 MX [6], ассортимент которых позволяет быстро модернизировать КСС одного светильника для различных задач уличного и промышленного освещения. При проектировании модуля использовались драйвер LMD800 и радиатор LMH020-HS00-0000-0000061 из линейки стандартных аксессуаров компании CREE, изначально разработанных для модулей LMH2 [7]. При проектировании аналогичного светильника для серийного производства в России можно заменить драйвер и радиатор на другие компоненты с аналогичными параметрами. Пример модификации данного модуля с более дешевым радиатором на базе экструзионного профиля показан на рисунке 9.

Рис. 9. Пример конструкции модуля промышленного светильника на четырех светодиодах XHP70

Рис. 9. Пример конструкции модуля промышленного светильника на четырех светодиодах XHP70

Важной особенностью, которую нужно учитывать при проектировании светильников на светодиодах XHP, является то, что светодиоды этого класса уже не являются самым чувствительным к высокой температуре компонентом светильника (с точки зрения надежности и времени работы). Результаты испытаний LM-80, постоянно проводимых компанией Cree для всех актуальных серий светодиодов Xlamp, показывают, что современный уровень технологии обеспечивает высокий срок службы и стабильность цветовых координат при температурах 105°С и даже 125°С. В то же время большинство современных популярных серий модульных AC/DC-драйверов для светодиодов имеет максимальную температуру в диапазоне 60…70°С. Вторичная оптика, использующая поликарбонат (РС) или полиметил­акрилат (РММА), имеет предельную температуру эксплуатации в диапазоне 80…110°С, что также ограничивает возможности «разгона» светодиодов.

Промышленный светильник со световым потоком до 20000 лм

Примером построения светильника на базе светодиодов XHP, в котором удалось обойти вышеупомянутые ограничения, является модуль, внешний вид и расчет которого показаны на рисунке 10.

Рис. 10. Модернизация промышленного светильника с применением светодиодов XHP50

Рис. 10. Модернизация промышленного светильника с применением светодиодов XHP50

Эта концепция иллюстрирует возможность модернизации промышленного светильника со световым потоком примерно 10000 лм, разработанного как образец несколько лет назад [8] для демонстрации возможностей передового на тот период времени продукта – светодиодов XM-L первого поколения [9].

С учетом совместимости посадочных мест светодиодов XM-L и XHP50 (размер 5х5 мм) у разработчиков была возможность оставить все существующие компоненты светильника и получить увеличение светового потока более чем в два раза путем простой замены только светодиодов и драйвера на более мощную модель. Однако предлагаемый выше вариант включает в себя дополнительные изменения, улучшающие характеристики светильника:

  • использование компактных дискретных рефлекторов или TIR-линз на каждый светодиод вместо громоздкого рефлектора;
  • использование в качестве драйвера отладочной платы производства компании Wolfspeed, которая имеет лучшие показатели по эффективности и стабильности при высокой температуре работы благодаря использованию в схемотехнике карбид-кремниевых (SiC) транзисторов и диодов [10].

В данном примере показано, как с помощью светодиодов XHP можно с минимальными инвестициями вдохнуть новую жизнь в корпуса существующих светильников, разработанных с учетом возможностей светодиодов предыдущих поколений.

Уличный светильник для магистралей

Следующая разработка изначально проектировалась как светильник общего назначения с большим значением светового потока (до 40000 лм), предназначенный для освещения больших площадей: парковок, аэропортов, складов, стадионов и так далее. Однако в сочетании со стеклянной уличной мультилинзой серии Paris производства компании Auer [11] его можно рассматривать как наиболее передовой подход к решению задач освещения дорог высокого класса.

Внешний вид предлагаемого решения, расчет его параметров и описание комплектующих приведены на рисунке 11.

Рис. 11. Концепт уличного светильника на светодиодах XHP70 со стеклянной линзой

Рис. 11. Концепт уличного светильника на светодиодах XHP70 со стеклянной линзой

По уровню светового потока (более 24000 лм) такой светильник можно сопоставить со светильниками типа ДКУ на лампах ДНАТ-400Вт [12]. При этом предлагаемый вариант использует всего 18 (!) светодиодов XHP70 на токе 1050 мА. Радиатор на базе профиля АВ0093 производства компании ЛИГРА, выбранный для данного светильника, имеет чрезвычайно компактный размер и малый вес по сравнению с аналогами в этом классе мощности. Расплатой за это является относительно высокая температура работы светодиода 99°С в точке пайки. Однако для стеклянной линзы эта температура находится внутри рабочего диапазона с большим запасом до максимально значения (400°С).

В данном светильнике также можно использовать упомянутый выше драйвер на базе решения от компании Wolfspeed, при этом расчетная эффективность системы будет составлять более 107 лм/Вт. При проектировании корпуса для такого светильника рекомендуется обеспечить тепловую изоляцию между радиатором светодиодного модуля и источником питания.

Подобный светильник можно реализовать с применением более распространенной линзы STRADA 2×2 MX DWC производства компании LEDiL [6]. При этом количество светодиодов должно быть кратным 4. Например, можно рассмотреть следующие конфигурации:

  • 16 светодиодов XHP70 на токе 1200…1400 мА (лучшая стоимость люмена системы);
  • 20 светодиодов XHP70 на токе 700…1050 мА (лучшая эффективность решения).

На рисунке 12 показано сравнение такого решения на 20 светодиодах XHP70 с традиционным подходом, использующим светодиоды класса 3535 мощностью 2…3 Вт. В данном случае это 96 светодиодов XT-E и модульный драйвер HLG-240H производства компании Mean Well.

Рис. 12. Сравнение решений для магистрального светильника на базе светодиодов XTE и XHP70

Рис. 12. Сравнение решений для магистрального светильника на базе светодиодов XTE и XHP70

В данном примере решение на базе XHP70 имеет существенное преимущество по размерам, весу и стоимости. Также можно предположить, что более компактный источник света позволяет уделить больше внимания дизайну самого корпуса, сделать его более узнаваемым на фоне похожих друг на друга решений, использующих светодиоды стандартной мощности.

Освещение больших площадей

Еще одним эффективным применением для светодиодов XHP70 являются задачи, где необходимо получить очень высокий уровень светового потока (50000…80000 лм). На рисунке 13 показано сравнение решений проектирования светильника для замены мощных прожекторов с лампами МГЛ 1000Вт.

Рис. 13. Сравнение решений для светильников со световым потоком более 50000 лм

Рис. 13. Сравнение решений для светильников со световым потоком более 50000 лм

Первый вариант является попыткой использовать дешевый и эффективный светодиод XTE на токе 800…900 мА. При этом общее количество светодиодов для достижения светового потока 56000 лм – 196 штук, и для каждого из них необходима линза. Вариант на базе всего 36 светодиодов XHP70 на токе 1050 мА позволяет решить эту же задачу с лучшей эффективностью. При этом светильник становится более компактным и легким. Ресурс светодиода XHP70 и параметры предложенного радиатора позволяют при необходимости увеличить световой поток данного светильника до 72000 лм. Данное решение было подробно рассмотрено ранее в пубикации [2], поэтому в этой статье мы остановимся только на его основных особенностях:

  • световой поток и эффективность системы соответствуют рекомендациям DLC (Design Light Consortium) [13] в категории “Premium” для данного диапазона мощностей;
  • решение имеет в два раза меньший вес и примерно на 40% меньший размер по сравнению с существующими рыночными продуктами для этого класса;
  • при проектировании использовались стандартные компоненты: оптика, драйвер, радиатор;
  • светильник имеет модульную архитектуру, что позволяет его масштабировать фактически на любую мощность (шесть модулей по шесть светодиодов XHP70; каждый модуль имеет световой поток в диапазоне 10000…13000 лм).

Заключение

Особенности продуктов платформы SC5 это высокий уровень светового потока и срок службы при больших значениях рабочей температуры кристалла.

Компактное исполнение и малый вес светильника – отличительные преимущества изделий, спроектированных в соответствии с парадигмой SC5. Эти параметры также существенны для предприятий, занимающихся производством и поставкой светильников, так как меньшие вес и размер изделия позволяют сократить логистические и складские расходы на хранение и реализацию продукции.

Еще одно общее преимущество всех светодиодов XHP опция заказа с бинингом по стандарту ANSI или по технологии EasyWhite, которая позволяет достигать повторяемость цвета до двух эллипсов Мак-Адама. Также следует отметить широкий ассортимент доступных для заказа комбинаций CRI и КЦТ (ССТ). Например, версию с 5700K 90 + CRI, востребованную в стадионном освещении, освещении для теле- и киносъемки, а также в приложениях подсветки растений.

В заключение следует отметить, что высокий ресурс мощности светодиодов XHP можно использовать как по описанному сценарию, который лежит в основе концепции SC5 (lower System Cost), – то есть максимально допустимый ток светодиода с учетом ограничений в виде требований по времени работы и эффективности, так и применять светодиоды в субноминальном режиме, добиваясь рекордных значений эффективности. Например, коммерчески доступный на момент написания статьи светодиод XHP35 с бином по световому потоку E4 на токе 150 мА будет иметь эффективность на уровне 200 лм/Вт.

Учитывая большое количество и различные требования задач искусственного освещения, компания Cree предлагает широкую линейку светодиодов, оптимизированных для конкретных применений.

В данной статье показаны примеры реализации светильников, использующих эти преимущества светодиодов серий XHP в целевых для данного продукта применениях – в уличном и промышленном освещение.

Для каждой конкретной разработки по запросу можно получить исходные файлы чертежи печатной платы, 3D-модель радиатора, список используемых комплектующих и результаты измерений прототипа.

Фактически для любой задачи, где необходимы высокий уровень светового потока и сложная форма КСС, можно подобрать эффективное решение с применением светодиодов XHP. Инженеры КОМПЭЛ предоставят техническую консультацию для проработки конкретной задачи по вашему техническому заданию [14].

Литература

  1. Скрытые возможности по снижению себестоимости светодиодного светильника. Дмитрий Юровских. LUMEN&EXPERTUNION №1/ 2015.
  2. Светодиоды CREE XHP – 1500 люмен от одного кристалла. Михаил Червинский. Новости Электроники + Светотехника №1 2015.
  3. http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Products/XLamp/Discrete-Directional/XLamp-XHP35-HI.
  4. Взамен 30 светодиодов: свойства и особенности светодиодных матриц CREE семейства CXA. Игорь Елисеев. Новости Электроники + Светотехника №1 2014.
  5. http://www.ledil.com/2x2s-t3.
  6. http://www.ledil.com/2x2mx-family.
  7. http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Products/Accessories.
  8. http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED-Components-and-Modules/XLamp/XLamp-Reference-Designs/XLamp_XML_10K_HighBay_ref_des.pdf.
  9. http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Products/XLamp/Discrete-Directional/XLamp-XML.
  10. https://www.youtube.com/watch?v=ZWKb4kY80O4.
  11. https://shop.auer-lighting.com/nc/products/p/show/Product/134/4.html.
  12. Наружное освещение: светодиоды против традиционных источников света. Алексей Васильев. Новости Электроники + Светотехника №1 2012.
  13. https://www.designlights.org/QPL.
  14. svet.msk@compel.ru.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

ELG-75 — надежные LED-драйверы с пятилетней гарантией от Mean Well

Компания Mean Well расширила новое популярное семейство источников питания ELG для LED-светильников и модулей наружного применения. К существующим сериям мощностью 100 и 150 Вт добавилась серия ELG-75 с выходной мощностью 75 Вт.
Новые источники питания по типу стабилизации выходных параметров выпускаются в двух вариантах: со стабилизацией по току (CC; высоковольтный выход; серия ELG-75-C) и со стабилизацией по напряжению + стабилизацией по току (CV + CC; двойной режим; серия ELG-75); имеют улучшенную защиту от импульсов повышенной энергии до 6 кВ.
Ввиду удачного сочетания технических и экономических показателей производитель уделяет особое внимание семейству источников питания ELG и предлагает широкий выбор функций по управлению (димминг). Для серии ELG-75 в стандартном варианте можно выбрать димминг по протоколу 0-10/ШИМ/Сопротивление («3-в-1»), DALI или Smart Timer Dimming.
Функция диммирования Smart Timer Dimming подразумевает возможность перепрограммирования выходных параметров пользователем и дальнейшую работу источника по запрограммированному профилю. В этом режиме можно запрограммировать несколько ступеней яркости, плавное нарастание тока, компенсацию старения светодиодов и так далее. Запрограммированный профиль можно «связать» с сезонным изменением освещенности.
Основные технические параметры серий ELG-75 и ELG-75-C:
• Выходная мощность: 75 Вт
• Выходное напряжение для серии ELG-75 из ряда: 12, 24, 36, 42, 48 В
• Выходной ток для серии ELG-75-C из ряда: 350, 500, 700, 1050, 1400 мА
• Коэффициент мощности: >0,95
• КПД: до 91%
• Диапазон рабочих температур: -40…70ºС
• Степень защиты: IP65/67
• Защита от импульсных помех (молниезащита): до 6 кВ
• Габаритные размеры, ДхШхВ: 180х63х36 мм
• Гарантия: 5 лет

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