Новости в елементната база за LED осветление

23.07.2012   |   Начало»Статии

Редактор
Пепа Петрунова

Редактор
Пепа Петрунова

Стефан Куцаров

Мощни светодиоди, драйверни интегрални схеми, захранващи модули, вторична оптика

Мощните светодиоди за осветителни приложения (Lighting LED, High Brightness LED, High Power LED) HPLED са сред най-бързо развиващите се области на полупроводниковата индустрия. Непрекъснато се подобряват и разнообразяват параметрите на HPLED, цената им намалява и към утвърдените производители се прибавят нови. Създават се и светодиодни модули с основна цел увеличаване на интензитета на светлината. Едновременно с това се развиват интегралните схеми (ИС) и модулите на драйвери за управление и захранване, като част от последните са под фoрмата на готови изделия за свързване на HPLED към захранващи източници (най-често електрическата мрежа ниско напрежение). Задължителни елементи на светодиодното осветление са радиаторите за HPLED и по принцип познатите от други осветителни тела лещи (Lens) и рефлектори (Reflector), но с необходимите конструктивни особености. Нараства количеството на предлаганите на пазара светодиодни лампи с вградена електроника, заместващи непосредствено класическите лампи. Все още е слабо приложението на органичните светодиоди (OLED) за осветление, което се заключава в няколко осветителни тела на пазара и повече лабораторни модели, представяни на изложения. Описаните в статията елементи, с малки изключения, са пуснати на пазара след 01.01.2011 г. и са специализирани за осветителни приложения. Част от тях или техни разновидности могат да се използват и в системи за сигнализация (Electronic Signs and Signals), в автомобилите за осветление на купето и сигнализация (Interior Lighting and Signalization) и за подсветка на течнокристални дисплеи (LCD Display Backlighting).

Полупроводникови HРLED
Най-често се използват полупроводници, представляващи химични съединения на два до четири елемента от трета и пета група на Менделеевата таблица. Тези от GaP осигуряват сравнително неголям интензитет на светлината, докато за по-големи негови стойности се използват основно InGaN и AlInGaP. Сред последните новости на пазара са известните по принцип отдавна LED от силициев карбид (SiC), които имат по-голям коефициент на полезно действие (Efficiency) и светлинен поток (Luminous Flux).

Точно определение на HPLED няма, но обикновено като такива се определят имащите консумирана мощност не по-малка от 1 W (някои производители наричат HPLED и тези с мощност 0,5 W), което означава осигуряване на голям светлинен поток (Luminous Flux) Fv и съответно възможност за използване за осветление. При ползването на каталози трябва да се внимава, тъй като обикновено разделите LED Lamps се отнасят за индикаторни светодиоди, а терминът High Brightness LED се използва и за такива със значителен интензитет на излъчваната светлина. За разлика от класическите осветителни тела, които дават почти винаги бяла светлина, се произвеждат HPLED с голямо разнообразие на цветове, всеки от които се определя от дължината на вълната (Dominant Wavelength) lD, при която субективното възприятие за интензитета на светлината е най-голямо. Използват се HBLED със син (blue) цвят и lD = 460-480 nm, синьозелен (cyan) с lD около 500 nm, зелен (green) с lD = 515-535 nm, кехлибарен (amber) с lD между 585 и 597 nm, оранжев с lD = 615-620 nm и червен с lD = 620-635 nm, като в последните години се появи и виолетов с lD между 390 nm и 430 nm. Освен това някои производители използват и немалко нюанси, например "кралско син" цвят с lD между 440 и 460 nm, оранжево-червен с lD = 610-620 nm, тъмночервен (deep red) c lD= 645-675 nm и "далечно" червен с lD от 715 nm до 745 nm. Съществуват и няколко разновидности на белия цвят, без да има точно определение в какви граници на цветната температура (Correlated Color Temperature) CCT е всеки от тях – топъл бял цвят (Warm White) с леко оранжев оттенък и CCT между 2600 и 3700 К, неутрален бял (Neutral White) с 3700-5000 К и студен бял с 5000-10000 К. Някои производители използват собствени наименования на някои от белите цветове, например Cree нарича Easy White цвета със ССТ между 2700 и 4000 К. Обикновено производителите предлагат серия бели HPLED с различни нюанси, както и цветни HPLED като серия с различни цветове, като твърде често двете серии се обединяват в обща част на каталога.

Важно е да се отбележи и наличието на многоцветни (Multi-color) HPLED, които съдържат в корпуса си червен, зелен и син светодиод с прибавяне в доста случаи на още един зелен, бял или кехлибарен. Всеки от светодиодите е със самостоятелни изводи, което позволява два основни вида приложения – използване поотделно на всеки от светодиодите, т. е. приборът да осигурява светлина с един от цветовете или едновременно задействане на всички. В последния случай в зависимост от интензитета на светлината на всеки от тях и при наблюдаване на HPLED от достатъчно разстояние, субективното възприятие е за излъчване на светлина с определен цвят (който може да е от почти всички съществуващи в природата цветове) и определен интензитет.

Основни параметри. Освен lD и ССТ няколко са най-важните параметри на HBLED. Споменатият интензитет на светлината (Luminous Flux) Iv се измерва в кандели (Candela) cd, като 1 cd се получава от светлинен източник с l = 555 nm, който в пространствен ъгъл от 1 стерадиан (sr) излъчва мощност 1/683 W. Този интензитет създава в същия ъгъл светлинен поток с големина 1 лумен (lm), който се използва по-често. Стойността на Fv е правопропорционална на тока през HPLED, а има и производствени толеранси, поради което като параметър в каталозите често се дава типичната му минимална стойност (Standard Min. Flux) при определен ток. Понякога (главно при сините HPLED) вместо Fv се дава излъчваният поток (Radiant Flux) RF в mW. Освен това много производители разделят даден модел HPLED на групи или партиди (Bin), всяка със стойности на Fv в тесни граници, като за всяка група има съответната буква в означението. Същото се прави и за ССТ на белия цвят и за постоянното напрежение (Forward Voltage) VF върху светодиода.

Трите параметъра Fv, Iv и RF са в сила за излъчвана светлина по перпендикуляра спрямо повърхността на HPLED, докато при гледане отстрани стойностите им намаляват. За оценка на това се използва параметърът ъгъл на видимост (Viewing Angle, Full Width at Half Maximum, FWHM) 2q1/2, при който Iv намалява наполовина. В означението му q1/2 е ъгълът от всяка страна на перпендикуляра, например ъгъл на виждане 120° означава по 60° от всяка страна. Стойностите на този ъгъл са една от принципните разлики на HPLED и останалите прибори за осветление, при които той е 360°.

Параметърът CRI (от Color Rendering Index) показва доколко вярно е възпроизвеждането на цветовете, като в идеален случай CRI = 100. Например CRI = 80 означава 80% качество на възпроизвеждането. Полезно е да се има предвид, че стремежът за увеличаване на Fv е свързан с намаляване на CRI.

Във връзка с охлаждането два са основните параметри. Единият е топлинното съпротивление кристал-спойка (Thermal Resistance Junction to Solder Point) Rthjs, което е в сила за HPLED без вградена охлаждаща пластинка (Metal Slug). При нейното наличие се използва топлинното съпротивление кристал-пластинка (Thermal Resistance Junction to Metal Slug) Rthj-ms. Вторият параметър е класическото топлинно съпротивление кристал-околна среда (Thermal Resistance Junction to Ambient) Rthja. В някои каталози се дава и топлинното съпротивление спойка-околна среда (Thermal Resistance Solder Point to Ambient) Rthsa, което е равно на Rthja-Rthjs.

Електрическите параметри са както при всички диоди – освен споменатото VF, са важни максималният постоянен ток (Maximum Drive Current) IF и максималната консумирана мощност (Maximum Power) Ро, която обикновено е част от наименованието на HBLED и е равна на произведението от VF и IF. Не трябва да се забравя, че стойността на IF и съответно Ро е в сила до определена температура на светодиода. В каталозите обикновено се дава графика на IF от температурата на спойката или металната пластинка – един пример е показан на фиг. 1. Три са масово използваните стойности на IF (без да има международни норми) – 350, 700 и 1000 mA. Експлоатационният срок (Operational Life) се определя като времето в часове, след което светлинният поток намалява на 70% от първоначалния. Типичните му стойности са около 50 000 h, като са рядкост HPLED с 30 000 h и все по-често са срещат такива със 100 000 h.

В зависимост от начина на запояване съществуват две основни разновидности HPLED – с изводи за монтаж в платки с отвори (Through Hole), която е с все по-ограничено приложение и за повърхностен монтаж (Surface Mounted Device) SMD.

Охлаждане. Както всички мощни полупроводникови прибори, така и HPLED се нуждаят от охлаждане, за което споменатата вградена пластинка в много модели не винаги е достатъчна и затова реално за охлаждане обикновено се налага използването на радиатори. При дадена Ро и температура Ts на точката на запояване или Tms на металната пластинка се изчислява температурата на кристала TJ=RthjsPo+Ts. Аналогично, при определена околна температура ТA се определя TJ=RthjаPo+TA. Когато при максимално възможната околна температура TAmax се получава TJ не по-голяма от максимално допустимата TJmax на кристала (давана като каталожен параметър), радиатор не е необходим. В противен случай (TJ>TJmax) е необходимо използването на радиатор с топлинно съпротивление Rthra не по-голямо от (TJmax-TAmax)/Po-Rthjs. При изчислението трябва да с има предвид, че Rthjs реално не е константата, давана в каталога на HPLED, а зависи от големината на радиатора (правопропорционално е на неговото Rthra), което в някои каталози се дава графично.

Приложения на HPLED за осветление. Първата голяма група е за вътрешно осветление, която има много разновидности. Една от тях е изработването на светодиодни лампи с конструкция и устройство, позволяващи непосредствено заместване на съществуващи електрически лампи. В зависимост от конструкцията на ползващите ги осветителни тела може да се осигури насочена (Directional) и ненасочена (Non-Directional) светлина. На основата на HPLED се реализират вградени в тавана осветителни тела (Downlight), висящи осветителни тела, осветяване на части и на цели помещения. Също към вътрешното осветление се причислява това на закрити площи, свързани с транспорта, например гари, метростанции, тунели и др. Цветни HPLED в подходящи съчетания се използват за архитектурно осветление на помещения.

В групата на външното осветление (Outdoor Lighting) е това на фасади на сгради, също с възможност за ползване на цветни HPLED, стълбища, алеи (Path Lighting), дворове, градини, фонтани, басейни, паркинги, площади, улици и магистрали. Към него биха могли да се включат и всякакви преносими LED осветители.

Бели HPLED с мощност до 3 W. Обикновено те са с мощност 1 или 3 W и практически представляват един диод с IF=350 mA при едноватовите и 700 mA при триватовите, успоредно на който в някои модели има свързан диод за предпазване от отрицателни напрежения. Реално са само с корпуси SMD със и без изводи (Chip HPLED). Характерни примери за такива HPLED са дадени в табл. 1, като този от ред 1 (с изводи) е показан на фиг. 2. Сравнително големите стойности на топлинните съпротивления са поради неголямата Ро.

Бели HPLED с мощност над 3 W. Увеличаването на Ро чрез ток IF над 1 А се практикува твърде рядко поради технологични ограничения в създаването на структурата на HPLED, като има единични случаи с ток до 2,1 А. Но дори при тази стойност и VF примерно 3,6 V, се получава мощност около 7,5 W. Следователно, по принцип реалистичният начин за създаване на HPLED с голяма мощност е увеличаване на VF чрез последователно свързване на определен брой светодиоди в рамките на един корпус. Това свързване е известно като колона (String), но има случаи на успоредно свързване на няколко колони в рамките на един HPLED. Като пример на фиг. 3а е дадено свързването на светодиодите в HPLED от ред 7 на табл. 2 – двете колони от по 6 светодиода се свързват последователно чрез изводите на HPLED, с което се получава една колона от 12 светодиода и тъй като VF=42 V, всеки от светодиодите е с напрежение 42 V : 12 = 3,5 V. Друг пример е на бял HPLED (фиг. 3б), от която се виждат отделните светодиоди в структурата. Не са редки случаите, когато HPLED трябва да е максимално тънък. В такъв случай отделните светодиоди в него се правят с малки размери, а получаването на желаната мощност изисква значително тяхно количество. Пример е HPLED в ред 4 на табл. 2 с външен вид на фиг. 3в и свързване на светодиодите на фиг. 3г. За улесняване на охлаждането, колкото по-голяма е Ро, толкова конструкторите се стремят да направят по-малки топлинните съпротивления.

Цветни HPLED. Първата група на едноцветните HPLED осигуряват светлина с определен цвят, като практически винаги производителите предлагат серии с различни цветове в общ каталожен материал. Особеност е, че при HPLED с разновидности на синия цвят вместо Fv в lm се използва мощността им (Radiometric Power) RF в mW. Няколко примера за едноцветни HPLED са дадени в табл. 3. Трицветните (Tri-Color) HPLED са със самостоятелни изводи на своите червен, зелен и син светодиод. Пример е ASMT-MT00 на Avago Technologies с Ро=1W, Fv на трите LED съответно 40 lm, 55 lm и 13 lm при IF=350 mA и типични lD 625 nm, 527 nm и 460 nm c 2q1/2=120°. На фиг. 4 е даден външният вид на HPLED от този вид. Пример за многоцветни HPLED с четвърти светодиод е серията Federal 5050 на Edison Opto, която е с Po = 4 W (по 1 W на всеки светодиод). При това всеки от диодите е със самостоятелни изводи. Максималният ток е 700 mA и при него Fv е между 24 lm от синия светодиод до 156 lm от топлия бял LED. Благодарение на вградената охлаждаща пластинка е осигурено Rthja=2,5 °C/W.

Лещи и рефлектори
От гледна точка на предназначенията има два вида лещи. Едните се монтират върху полупроводниковия кристал по време на производството на HPLED и обикновено са с полусферична или подобна форма. Предназначението им е предпазване на кристала и осигуряване на голям ъгъл на виждане. Най-често се изработват от подходящи полимери. Сред последните новости е използването на силициеви лещи от Dominant Opto Technologies, които пропускат по-добре светлината, с което се увеличава Fv на HPLED и нараства експлоатационният срок.

Другият вид (наричан още вторична оптика) се предлага отделно от HPLED и има две основни разновидности. Първата са колиматорните лещи (Collimator Lens), предназначени да намаляват значително ъгъла на виждане, който в случая се нарича колиматорен ъгъл (Collimating Angle), като всеки производител указва в каталога им за кои типове HPLED могат да се използват. Изработват се от акрилни пластмаси и освен ъгълът на виждане, параметър е пропускателната способност (Energy Efficient), която показва каква част от Fv на HPLED преминава през лещата – типичните стойности са около 85%. На фиг. 5а са дадени три лещи на Avago Technologies с ъгъл 6°, 15° и 30°, а на фиг. 5б е показано монтирането на лещите върху HPLED. Голям набор от лещи с диаметър 20 mm, ъгъл на виждане между 9° и 22,9° и пропускателна способност между 83% до 90%, предназначени за HPLED на Cree, Philips Lumileds и Osram има производителят Carclo. Същата фирма има и 10-милиметрови лещи с ъгъл между 15,8° и 24° и пропускателна способност от 82,6% до 88,7%, подходящи за HPLED на Cree, Everlight и Osram.

За увеличаване на ъгъла на виждане се използват полусферични лещи (Hemispherical Bubble), пример за каквито са 20-милиметровите на Carclo с ъгъл 180° и пропускателна способност 94%, предназначени за някои модели HPLED на Cree и Philips Lumileds.
За концентриране на светлината върху определена площ се използват рефлектори с основен параметър ъгълът на виждане. Техният класически вид не се различава от този на рефлекторите за други осветителни тела. На фиг. 6а е показан един от моделите на производителя LEDIL с ъгъл на виждане 10° и диаметър 111 mm. Други модели на фирмата имат ъгъл 20°. Със специфичен вид е рефлекторът VLSL-REFL на Vishay (фиг. 6б), предназначен за светодиодни модули. Чрез различни комбинации от няколко рефлектора могат да се осигурят ъгли на виждане между 55° и 120°. Размерите му са 123x123x9 mm.

Радиатори
В каталозите на много производители вече има специален раздел с радиатори за HPLED (LED Heatsinks). Основните им особености са неголемите размери и възможността за фиксиране на HPLED върху повърхността им чрез топлопроводящо фолио или аналогично лепило (Thermally Conductive Adhesive).

Два примера за радиатори на Fischer Elektronik са дадени на фиг. 7. Този на фиг.7а е с топлинно съпротивление радиатор - околна среда Rthra=18,6 °C/W. Другата фигура представлява напречното сечение на пръчки, като Rthra намалява с увеличаване на дължината им (в каталозите се дава съответната графика), но остава практически неизменно при нейни стойности над около 100 mm - при дължина 25 mm стойността му е 1,8 °C/W. Монтирането на HPLED върху класически радиатори също е напълно възможно.

Специално за HPLED са разработени печатни платки с метална основа (Metal Core Printed Circuit Board) MCPCB, чиято структура е показана на фиг. 8а. Върху медното фолио се изработват пътечките на платката и се монтират HPLED и евентуално други елементи. Изолаторът е с добра топлопроводност, а металната основа служи като радиатор или се прикрепва върху допълнителен такъв. Пример за подобна платка с диаметър 49,9 mm е даден на фиг. 8б, която осигурява топлинно съпротивление 0,6 °C/W между HPLED и металната основа. Платката съдържа термистор (NTC) за измерване на температурата й и стабилитрон за предпазване от електростатични разряди.

Драйвери
Те са две основни разновидности - интегрални схеми и модули, като последните се свързват непосредствено към електрическата мрежа, а на изхода им се поставят HPLED. От своя страна ИС са две групи – захранвани с постоянно напрежение и захранвани от електрическата мрежа.

ИС, захранвани с постоянно напрежение. Те представляват ключови стабилизатори със или без галванично разделяне вход/изход в повечето случаи понижаващи (Buck Converter), но има и немалко повишаващи (Boost Converter). Осигуряват неизменен ток през HPLED, а NMOS транзисторът на стабилизатора може да е вграден в ИС или външен. Част от драйверите могат да регулират тока през HPLED в определени граници (димиране), които се определят от параметъра Dimming Ratio (DR), представляващ отношението на максималния към минималния ток. Идея за реализацията на захранване чрез драйвер с вграден транзистор е дадена на фиг. 9, като е използвана ИС от ред 8 на табл. 4. Бобината, диодът на Шотки и кондензаторът Cout са елементи на ключовия стабилизатор, а върху резистора 10,5 W се получава напрежение, пропорционално на тока през HPLED. То постъпва на входа за обратна връзка FB и така се осигурява неизменната му стойност (в случая 0,208 V:10,5 W » 200 mA). Характерни примери за ИС са дадени в табл. 4, като fSW е честотата на PWM импулсите на стабилизатора, а TSD е температурата на кристала, при която ИС автоматично се изключва.

Вместо специализирани драйвери могат да се използват и универсални микроконтролери, за които производителите дават в Application Notes подробно изчисляване на елементите. Пример на схема с PIC микроконтролер на Microchip e даден на фиг. 10.

Драйвери, захранвани от електрическата мрежа. Същността на схемата на свързване на тези ИС е комбинация на мостов токоизправител и ключов стабилизатор без или с галванично разделяне. Пример за първия вид е даден на фиг. 11а, ИС в която е на ред 1 от табл. 5, а за втория вид – на фиг. 11б (ИС е от ред 5). От схемите се вижда, че и тук NMOS транзисторът може да е вграден в ИС или външен. Полезно е да се има предвид, че някои производители вместо драйвер наричат тези ИС контролери (Controller).

Драйверни модули. Те представляват готови изделия с вход за променливо или постоянно напрежение и изход за свързване на подходящ набор от HPLED в зависимост от Vout и Ро на модула. Почти винаги се предлагат като серия с еднакви геометрични размери, дадена Ро и различни Vout и Iout. Така например модулът HLG-240H-12B на Mean Well има Ро=240 W, променливо VIN между 90 и 305 V и 9 разновидности с Vout от 12 до 54 V. Освен това Iout може да се задава чрез постоянно напрежение 1-10 V, чрез PWM сигнал или чрез резистор с подходящо съпротивление.

Съществуват модули с VIN различно от мрежовото напрежение, например BP0XL8-12-070 на Bias Power има променливо VIN=12 V (то може да е между 10,8 и 16,2 V) и Iout=700 mA с точност ±1%. Друг пример е серията LDD-H на MEAN WELL, предназначена за постояннотокови мрежи, като работи с VIN = 9-52 V и включва 6 разновидности с Iout между 300 mA и 1 А.

Светодиодни модули
Те представляват съвкупност от определен брой HPLED и в зависимост от конструкцията си могат да имат или да нямат лещи и рефлектор, но са със задължителен радиатор. Захранващата електроника може да е вградена в корпуса или да е външна, а основното им предназначение е да се използват като осветителни тела. Например модулът LMH2 на Cree работи с променливо VIN между 120 и 277 V и има Fv между 2000 и 3000 lm, като всеки ват от Ро осигурява 85 lm. Има няколко разновидности на топлия цвят и експлоатационен срок 50 000 часа. Модулът Tetra EdgeStrip на GE Lighting консумира над 3 пъти по-малко електроенергия от флуоресцентна лампа със същия Fv. Модулът EDIS 27 W на Edison Opto с мощност 27 W е предназначен основно за улично осветление и съдържа 24 HPLED. Съвкупността от 4 модула осигурява достатъчно осветление при височина на стълбовете между 4 и 12 m. Последният пример е на модула VLSL30 на Vishay Semiconductors със студен бял цвят, който съдържа 4 колони от по 4 HPLED и има Fv =2160 lm при ток 1400 mA и постоянно напрежение 20 V.

OLED осветление
То използва органични материали, при прилагане на постоянно напрежение върху които в два от слоевете им се генерират електрони и дупки. Когато те рекомбинират в слоя между тях, той за кратко време преминава във възбудено състояние (Excitation) и излъчва светлина за възстановяване на нормалното си състояние. Трите слоя са с дебелина по няколко десетки mm и се нанасят върху стъклена или пластмасова основа, т. е. получава се излъчваща светлина повърхност с дебелина до няколко mm. Това е първата важна разлика на OLED източниците от всички останали, които са точкови. Друга особеност е много ефективното преобразуване на електрическата енергия в светлина, малкото нагряване и тегло. Освен това при ползване на пластмасова основа излъчващите плоскости са гъвкави, което създава възможност за оригинални решения на осветителните тела.

Първото появило се на пазара OLED осветително тяло е през 2009 г., като понастоящем вече няколко фирми предлагат свои продукти. Philips Lumiblade е създала Lumiotec OLED lighting panel с размери 145x145 mm (излъчваща повърхност 125x125 mm), дебелина 4,1 mm и тегло 195 g с максимална яркост 4000 cd/m2 и експлоатационен срок 30 000 h. Необходимите за работата му напрежение и ток се осигуряват от специален захранващ модул.

Компанията Osram е създала ORBEOS OLED Lighting panel с диаметър 88 mm, дебелина 2,1 mm и тегло 24 g, който има яркост 1000 cd/m2. Захранването му се осигурява от вграден акумулатор.

Производителят Blackbody не предлага панели, а настолната лампа V-LUX OLED, реализирана с тях. Излъчва топъл бял цвят, консумира 2,8 W и има дължина 46 cm, широчина 25 cm и височина 35 cm. Лампата с два панела има общ адаптер за свързване към електрическата мрежа.

Verbatim обяви OLED панела VELVE, цветът на излъчената от който светлина може да се променя. Размерите му са 140x140 mm, яркостта е 2000 cd/m2, а експлоатационният срок – 8000 h. Съществува негова разновидност с бял цвят, чиято ССТ може да се променя между 2700 К и 6500 К.

Konika-Minolta демонстрира OLED панел с топъл бял цвят, захранван с 3,6 V при консумация 72 mA. Размерите му са 74x74x2,8 mm, при яркост 1000 cd/m2 и експлоатационен срок 8000 h.

Ключови думи: промишлено осветление   осветителни приложения   светодиодни модули   LED   HPLED  

Област: Статии