[Silver]

Новинки CREE лидируют по светоотдаче и эффективности


Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

Новые серии компании CREE 2011 года – это самая высокая в отрасли светоотдача (XM-L), максимальный световой поток при ограниченных размерах (MT-G), высокая эффективность при низкой стоимости (XP-E HEW), высокая эффективность при малой мощности (ML-E, ML-B).

Существующая на мировом рынке конкуренция среди производителей мощных осветительных светодиодов побуждает разрабатывать и выпускать продукцию со все лучшими параметрами. В выгодной ситуации, конечно, оказываются те производители, которые обладают собственной эффективной технологией производства и проводят достаточный объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. В настоящее время среди мировых производителей мощных осветительных светодиодов (Cree, Osram, Philips Lumileds, Nichia, Seoul Semiconductor) по параметрам выпускаемых серийных изделий, по объему производства и по достигнутым в лабораторных условиях характеристикам лидирующие позиции занимает американская компания CREE. Выйдя на рынок мощных осветительных светодиодов в 2006 г, компания в очень короткий срок смогла занять ведущее место в рейтинге производителей. В настоящий момент компания занимает примерно треть рынка мощных светодиодов (точнее 27%). Основными составляющими успеха являются: собственная уникальная технология выращивания кристаллов нитрида галлия на подложке из карбида кремния (SiС/GaN) и то, что на дальнейшие исследования и разработки в области именно мощных осветительных светодиодов направляется значительная часть от прибыли компании (примерно 10% от оборота).

Область применения мощных светодиодов очень широка: от декоративной подсветки внутри помещения до освещения улиц, тоннелей и магистралей. Светодиоды с успехом применяются также и в сфере жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ).

Для каждого конкретного применения можно выделить ряд общих требований к светодиоду, которые будут наиболее оптимальны с точки зрения его использования. Например, для промышленного освещения и освещения улиц важными параметрами является величина светового потока, возможность точного управления световым пучком для формирования требуемой кривой силы света (КСС), эффективность; для офисного освещения (встраиваемые светильники в потолок типа «Армстронг») важными параметрами будут являться отсутствие ослепляющего эффекта, равномерность светящейся поверхности, отсутствие множественных полутеней, эффективность. При разработке светового прибора для прямой замены галогенной лампы желательно получить требуемый световой поток от одного светодиода. Для некоторых других применений (магазины тканей, полиграфия и т.п.) требуются световые приборы с повышенным индексом цветопередачи (CRI, Ra).

Исходя из этих требований компания CREE постоянно расширяет линейку выпускаемой продукции, добавляя новые серии, наиболее оптимальные для применения в том или ином случае. В настоящее время выпускаемая компанией продукция насчитывает 15 серий мощных осветительных светодиодов класса XLamp. Часть этой продукции уже присутствует на рынке длительное время (серии XR-C, XR-E), другая часть (серии XP-C, XP-E, XP-G, MC-E, MP-L, MX-6, MX-3) была разработана сравнительно недавно, но успела завоевать большую популярность. Третья группа светодиодов представлена новинками, которые вышли в самом конце 2010 го начале 2011 г. К третьей части выпускаемой компанией CREE продукции относятся серии светодиодов: XM-L, ML-E, ML-B, XP-E HEW, MT-G.

Выпустив в 2009 г. серию светодиодов XP-G, компания смогла занять и до настоящего момента прочно удерживает ведущее место по достигнутым параметрам в отрасли. В конце 2010 г. начат серийный выпуск светодиодов нового поколения с поистине уникальными характеристиками - это светодиоды серии XM-L.

XM-L - серия светодиодов нового поколения с уникальными значениями эффективности и светового потока

Весной 2010 года компанией CREE был анонсирован новый мощный светодиод класса XLamp XM-L с самой высокой светоотдачей в отрасли - 160 лм/Вт на токе 350 мА (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид и габаритные размеры светодиода XM-L В настоящий момент эти светодиоды уже выпускаются серийно в белом холодном, нейтральном и белом теплом цвете. Световой поток при токе 700 мА достигает 300 лм (в холодном белом), тепловое сопротивление 2,5°С/Вт и максимальное значение тока 3 А. На максимальном токе световой поток достигает значения уже 910 лм, а мощность, подводимая к светодиоду, составляет всего 10 Вт. Прямое падение напряжения (типовое) при токе 700 мА - не выше 2,9 В (см. табл. 1).

Таблица 1. Основные характеристики XM-L



На сегодняшний день ни один светодиод других мировых производителей не может обеспечить даже близких параметров; тем самым очередной раз подтверждается несомненное лидерство компании CREE в области полупроводниковых источников света.

Биннинг светодиодов по цветовой температуре осуществляется, как и во всей другой светодиодной продукции компании CREE, по стандарту ANSI C78.377.

Светодиоды изготавливаются в керамическом симметричном корпусе (5,0х5,0х3,0 мм) для поверхностного монтажа с электрически изолированной от кристалла подложкой. Максимальная рабочая температура перехода кристалла может достигать 150°C.

Светодиоды серии XM-L ориентированы в первую очередь на световые приборы, заменяющие существующие светильники, выполненные на ДРЛ, металлогалогенных и натриевых лампах, для уличного и промышленного освещения.

В настоящий момент финская компания LEDIL OY, один из ведущих мировых производителей вторичной оптики для светодиодов, уже имеет в своей номенклатуре несколько линз под серию XM-L с круговой диаграммой направленности от 20 до 60°.

Цены на продукцию CREE таковы, что наиболее низкая стоимость света (рубль/люмен) получается на новых более дорогих светодиодах, но при их правильном использовании. Под правильным использованием понимается такой режим работы светодиода, который обеспечивает приемлемый срок его службы (десятки тысяч часов) с максимальной отдачей. Это примерно 50-70% по току от максимально возможного значения. В данном случае можно ожидать отношения 20-25 копеек за люмен при работе на токе 2,1 А (при заказе нескольких сотен светодиодов в холодном белом цвете). Типовая эффективность в этом случае будет ~96 лм/Вт (при стандартных условиях измерения). Использование данного светодиода на токе менее 1,5 А экономически неоправданно, но возможно, если требуется повышенное значение эффективности (более 110 лм/Вт).

Как видно из технических характеристик, для питания нового светодиода требуются источники с достаточно большим выходным током: 1,5...3,0 А. Источники питания с подобными характеристиками можно найти в линейке производителей Inventronics, UE Electronic, Mean Well, или разработать свой собственный под требуемые параметры.
Для изготовления световых приборов, соответствующих галогенным лампам в формате MR16, начат серийный выпуск многокристальных светодиодов MT-G.

MT-G - серия светодиодов для эквивалента галогенной лампы MR16 мощностью 35/50 Вт

Галогенные лампы MR16 имеют очень широкое применение во встраиваемых светильниках и акцентирующей подсветке. Один из недостатков галогенных ламп - в том, что они нагреваются до высоких температур и имеют невысокую эффективность (15-20 лм/Вт). Выгодным с точки зрения эффективности и температуры оказывается замена лампы на ее светодиодный аналог. Существующие до настоящего времени светодиоды не являлись оптимальными для данного применения. Не получался требуемый световой поток при нужных размерах.

С выходом светодиода MT-G проблема получения нужного светового потока при ограниченных размерах - устранена.

Светодиод имеет размеры корпуса 9,1х9,1х4,9 мм и диаметр линзы 8 мм - оптимальный для рефлектора MR16; как и все светодиоды класса XLamp имеет электрически нейтральную подложку (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид и габаритные размеры светодиода MT-G

Основные характеристики светодиода серии MT-G приведены в таблице 2. Светодиоды изготавливаются на фиксированные значения цветовой температуры (2700К, 3000К, 3500К, 4000К) по технологии EasyWhite.

Таблица 2. Основные характеристики MT-G



Технология EasyWhite исключает для потребителя традиционный биннинг светодиодов по цветовой температуре и, в итоге, значительно упрощает выбор светодиодов для своих изделий.

В многокристальных светодиодах, изготавливаемых по технологии EasyWhite, кристаллы на этапе изготовления светодиода подбираются таким образом, чтобы цветовые координаты излучения светодиода укладывались в заранее определенный диапазон на цветовом локусе. Эта область определяется эллипсами Мак-Адама для той или иной вероятности возникновения различий в цветовом ощущении (двух- или четырехшаговый эллипс). Диапазон цветовой температуры, соответствующий двухшаговому эллипсу Мак-Адама, соответствует диапазону координат цветности обычной лампы накаливания. Такая незначительная нестабильность координат для среднестатистического наблюдателя является неразличимой. Точность установки координат цветности люминесцентных ламп соответствует диапазону четырехшагового эллипса Мак-Адама, при этом различия в цветности источников света могут быть обнаружены. Для справки, точность установки цветовой температуры компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) соответствует семишаговому эллипсу Мак-Адама.

Светодиоды MT-G EasyWhite сортируются по цветовой температуре. Точность установки координат цветности соответствует двухшаговому эллипсу Мак Адама или четырехшаговому и при заказе определяется символом в наименовании:

MTGEZW-00-0000-0B00F035H - двухшаговый эллипс Мак-Адамса

MTGEZW-00-0000-0B00F035F - четырехшаговый эллипс Мак-Адамса

При токе 1500 мА светодиод способен выдать до 780 лм (при стандартных условиях измерения) имея при этом эффективность ~85 лм/Вт. Это больше по световому потоку и значительно лучше по эффективности, чем галогенная лампа мощностью 50 Вт; подводимая мощность к светодиоду составит всего 9 Вт.

Упоминавшийся выше производитель вторичной оптики для светодиодов LEDIL OY, имеет в линейке своей продукции отражатель (рефлектор) для светодиода MT-G.

Это модель C11862_Minnie-W-MTG (рис. 3).

Рис. 3. Рефлектор C11862_Minnie-W-MTG

Диаграмма направленности этого рефлектора соответствует диаграмме направленности обычной галогенной лампы MR16 с углом 36°. На рис. 4 приведен образец лампы MR16 изготовленной на светодиоде MT-G с отражателем LEDIL OY.

Рис. 4. Вид лампы MR16 на светодиоде MT-G с рефлектором LEDIL OY

Вторичную оптику для светодиодов выпускают многие производители. Можно найти линзы для светодиода MT-G и у другого известного производителя Carclo. Вид эквивалента галогенной лампы на светодиоде MT-G и линзой 27° от Carclo приведен на рисунке 5.

Рис. 5. Вид лампы MR16 на светодиоде MT-G с линзой Carclo TIR 27°

Поскольку подобные лампы рассчитаны на напряжение 12 В (переменного или постоянного тока), то для питания светодиода необходимо будет разрабатывать собственную схему питания. В этом случае потребуется понижающий DC/DC-интегральный драйвер. Подобные микросхемы широко представлены такими производителями как Texas Instruments, Supertex, STMicroelectronics, ON Semiconductor, Zetex и др.

Одна из основных составляющих, которая влияет на стоимость светодиода - это стоимость кристалла. Поэтому заманчивой становится возможность получить с кристалла как можно больше света. Это достигается различными методами. Компания CREE, взяв за основу кристалл светодиода XP-E, имеющего относительно невысокую стоимость, попыталась «выжать» из него максимум света. Получилось. Для этого пришлось выполнить специальную огранку кристалла по примеру огранки бриллианта. Если посмотреть на рис. 6, то можно увидеть две диагонали, проходящие по кристаллу - это и есть то основное изменение, которому подвергся светодиод серии XP-E, превратившись в светодиод серии XP-E HEW (High Efficiency White - высокоэффективный белый).

Рис. 6. Светодиод серии XP-E HEW

XP-E HEW - серия светодиодов с эффективностью, близкой к серии XP-G, а стоимостью - ниже XP-E

Светодиоды серии XP-E HEW обладают количественными параметрами близкими к параметрам светодиодов серии XP-G при значительно более низкой стоимости. Основные параметры светодиода приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные характеристики XP-E HEW



Но не все так просто. После огранки кристалла стало сложно нанести на его поверхность люминофор с требуемой равномерностью. В результате светодиод при свечении имеет существенный градиент цветовой температуры по пятну света, который только усиливается, если применить вторичную оптику (линзы). Выход из положения был найден. Этот светодиод прекрасно подходит для тех применений, где используется матовый диффузный рассеиватель. На рис. 7 изображен пример использования светодиода.

Рис. 7. Пример использования светодиода серии XP-E HEW

Используя диффузный рассеиватель, возможно получить засветку с хорошей равномерностью по цветовой температуре. Конечно, часть света неизбежно теряется в этом рассеивателе, но учитывая изначальную высокую эффективность и низкую стоимость светодиода, эти потери могут быть оправданы. Применяя светодиод таким образом, мы получаем светящуюся поверхность достаточно большой площади, что резко снижает неприятный ослепляющий эффект.

Рассмотрим на примере эффективность применения светодиода XPE HEW. Зададимся начальными условиями:

• световой поток не менее 600 лм;
• эффективность рассеивателя 85%;
• КПД источника питания 85%;
• температура в «точке пайки» Tsp= 80°C

Расчет проведем при условии одинаковой общей эффективности двух светильников (общая эффективность (лм/Вт) = const). Результаты расчета сведены в таблицу 4.

Таблица 4. Результаты расчета параметров светильника



Расчет проводился с использованием программы, разработанной компанией CREE для расчета параметров светодиодов - PCT-калькулятор. Программа находится в свободном доступе. Получить доступ к программе можно, если зарегистрироваться по адресу: pct.cree.com.

Из таблицы видно, что одинаковый световой поток и эффективность двух светильников можно обеспечить, используя светодиоды серии XP-E HEW в значительно меньшем количестве, чем светодиоды серии XP-E (5 шт. против 10 шт.). Если учесть и меньшую стоимость серии XP-E HEW, выгода более чем очевидна.

Есть еще одна положительная особенность светодиодов серии XPE-HEW - их можно заказывать с сортировкой по индексу цветопередачи (CRI, Ra). Значения индекса цветопередачи могут иметь следующие значения: не менее 80, не менее 85 и не менее 90.

В наименовании позиции индекс цветопередачи обозначается буквенным символом:

XPEWHT-H1-0000-00BF6 - не менее 80,

XPEHEW-P1-0000-00AE8 - не менее 85,

XPEHEW-U1-0000-00AE7 - не менее 90.

Светодиоды с нормированным индексом цветопередачи найдут применение там, где предъявляются повышенные требования к цветоразличению освещаемых объектов: магазины, помещения для полиграфических работ и т.п.

Индекс цветопередачи нормируется не только в рассматриваемой серии XP-E HEW, но и в других популярных сериях светодиодов: XP-E, XP-G, MX-6.

Расширяя линейку продукции в области светодиодов мощностью более одного ватта, компания CREE не обходит вниманием и область небольших мощностей: 0,5 Вт и менее.
Светодиоды небольшой мощности и с небольшим световым потоком требуются там, где необходимо создание светильников в виде равномерно светящейся поверхности, например, светильники для местного освещения, встраиваемые светильники в подвесной потолок типа «Армстронг». Используя такие светодиоды и устанавливая их с меньшим шагом, можно получить равномерно светящуюся поверхность, применяя в качестве рассеивающего стекла материал с меньшими потерями. В конечном итоге это позволит частично или полностью избавиться от таких неприятных эффектов, как множественные полутени и пикселизация. Исходя из этих требований, в начале осени были запущены в серию 0,5 Вт светодиоды класса XLamp серии ML-E, а с начала текущего года запущены в серию светодиоды ML-B мощностью 0,25 Вт.

ML-E/B - высокоэффективные 0,5/0,25 Вт светодиоды класса XLamp для основного света

Светодиоды серий ML-E/B изготавливаются в корпусе для поверхностного монтажа PLCC4 с размерами 3,5х3,5х1,2 мм (рис. . Как видно из рисунка, светодиоды имеют теплоотводящую электрически изолированную площадку (HeatSink), которую для отвода тепла требуется припаивать к печатной плате.

Рис. 8. Внешний вид и габаритные размеры светодиода ML-E

Основные параметры светодиодов серий ML-E/B приведены в таблице 5.

Таблица 5. Основные параметры светодиодов ML-E/B



Отличительной особенностью данных серий светодиодов является высокое значение светоотдачи (до 112 лм/Вт в холодном белом цвете) и низкое тепловое сопротивление. В пересчете на 1 Вт это значение эквивалентно тепловому сопротивлению 5,5°С/Вт, что является хорошим показателем для мощных светодиодов. Максимальный ток светодиодов серии ML-E достигает 500 мА, а серии ML-B до 175 мА.

Основное применение светодиоды серий ML-E/B найдут там, где необходимы высокие требования к однородной яркости свечения поверхности:

• замена светильников, выполненных с использованием люминесцентных ламп Т5 и Т8;
• световые короба и панели;
• функциональное освещение.

На светодиоды серии ML-E имеется график деградации (рис. 9). Используя этот график, можно определить ожидаемый срок службы светодиодов при определенных условиях эксплуатации (ток 175 мА, температура окружающей среды и в точке пайки 85°С).

Рис. 9. График деградации светодиодов серии ML-E

В мире есть ряд производителей светодиодов, в номенклатуре которых присутствуют многокристальные сборки с числом кристаллов от нескольких десятков и более. Световой поток, которые обеспечивают эти сборки, весьма велик: от 1000 лм. Для потребителя подобные сборки интересны тем, что их удобно монтировать: как правило, они имеют крепежные отверстия под винт и контакты под пайку обычной паяльной станцией. Основной недостаток такого конструктивного решения - в том, что множество кристаллов, находясь на небольшой площади, нагревают друг друга, и в итоге снижается эффективность. Тем не менее, подобные решения активно применяются.
Компания CREE в ближайшее время (1,5-2 мес.) планирует серийное производство подобных многокристальных сборок CXA20.

CXA20 - многокристальная сборка с большим световым потоком и высокой эффективностью

Сборка CXA20 изготавливается на алюминиевом основании размером 22х22 мм (рис. 10).

Рис. 10. Внешний вид CXA20

Пример использования приведен на рис. 11.

Рис. 11. Пример использования сборки CXA20

Ожидаемые параметры этой сборки при цветовой температуре 3000K: 1050 лм при 11 Вт (95 лм/Вт); 2000 лм при 27 Вт (74 лм/Вт). Диапазон рабочего тока от 100 до 1000 мА. Рассеиваемая мощность до 47 Вт. При потребляемой мощности 27...28 Вт сборка эквивалентна по световому потоку лампе накаливания мощностью 200 Вт. Падение светового потока сборки менее 10% при нагреве до 80°С.

Заявленные предварительные параметры эффективности показывают, что в настоящее время конкурентов у данной сборки не будет.

Поскольку кристаллы находятся на алюминиевом основании, то отвод тепла от кристаллов по сравнению с керамическим основанием оказывается лучше. У керамического основания есть еще один недостаток - оно хрупкое. Если при монтаже происходит некоторый перекос, то керамическое основание трескается, алюминиевое основание лишено этого недостатка.

Заключение

За очень короткий промежуток времени компания CREE выпустила на рынок большое количество новых серий светодиодов, наиболее оптимальных для конкретного применения: от декоративной подсветки внутри помещения до мощных уличных светильников. Со светодиодом серии XM-L на сегодняшний день не может сравниться ни одно изделие других ведущих производителей. Следующий шаг - это светодиоды с эффективностью до 209 лм/Вт. Подобная эффективность уже достигнута в лабораторных условиях, о чем было заявлено в 2010 г.

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