Мощни светодиоди

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2009

 В продължителен период от време през своето почти половинвековно съществуване (първият прибор е създаден през 1960 г.) светодиодите (Light Emitting Diode) LED се използват най-вече като индикатори. Интензивността на светлината им е сравнително слаба, постоянният им ток (DC Forward Current) IF е до няколко десетки mA, а разсейваната мощност PD не надхвърля стотина mW. Екологичните проблеми и в частност стремежът към по-ефективно осветление обуслови създаването на LED със значително по-голяма интензивност на светлината и съответно по-големи IF и PD, които логично бяха наречени мощни светодиоди (Power LED, High Brightness LED). Първите лампи с тях са въведени в експлоатация през 1996 г., а днес те вече имат многобройни приложения. Все още няма точно определение над каква PD един LED може да бъде наричан мощен, но обикновено наименованието се използва при нейни стойности над няколко стотици mW.

Фотометрични величини, използвани при LED
Електромагнитният поток (Radiant Flux) FЕ e излъчваният от източник на светлина в пространството около него за единица време и се измерва в радиометричната величина W. Даден FЕ се възприема от човешкото око като различно силна светлина в зависимост от дължината на вълната l. За отчитане на това се използва фотометричната величина светлинен поток (Luminous Flux) FV с измерение лумен (lm). В каталозите на LED обикновено се дава FV, докато FE се използва само при някои сини LED. Отношението FV/FE се нарича светлинна ефективност (Optical Efficiency) с измерение lm/W и за човешкото око е най-голяма със стойност 683 lm/W при l=555 nm (зелена светлина), т.е. при нея то е с най-голяма чувствителност. Ефективността на LED понастоящем е между 3 и 150 lm/W. По-често се използва относителната светлинна ефективност (Relative Luminosity), която е отношението на тази при произволна l към най-голямата.
За човешкото око нейната зависимост от l е дадена на фиг. 1. Например при l=450 nm тя е 0,04, т.е. на 1 W съответстват 0,04x683lm = 25,3 lm. Вместо FV често се използва величината интензивност Iv с измерение кандела (Candela) cd, която е потокът в пространствен ъгъл 1 стерадиан, т.е. 1 cd = 1lm/sr.
Съществуващите в природата цветове се представят чрез диаграмата на цветовете (CIE 1931 Chromacy Diagram) на фиг. 2, чиято обвиваща крива дава дължините на вълните на монохроматичните цветове. На всеки реален цвят съответства точка от вътрешността на диаграмата, а той съдържа набор от различни дължини на вълните. Координатите на цвета (х; у) на всяка точка са много често използвани за представяне на даден цвят. Например (0,2; 0,7) е един от зелените цветове, а (0,65; 0,3) – един от червените.
В средата на диаграмата са нюансите на белия цвят, като един от начините за определяне на естеството на белия цвят на LED е чрез даване на тези координати в каталога. Черната крива показва координатите и цвета на светлината, излъчвана от повърхността на абсолютно черно тяло, нагрята до определена температура в келвини, дадена с числата около кривата. Тя се нарича цветна температура (Color Temperature). За белия цвят стойностите й започват от около 3000 К и значително надхвърлят 10000 К. Диаграмата показва, че има много нюанси на белия цвят, които се различават от този на абсолютно черното тяло. Оценяват се чрез величината съответстваща цветна температура (Correlated Color Temperature) ССТ. За нейното определяне се използват правите линии, перпендикулярни на допирателните към кривата. Всички точки от дадена права представляват бял цвят с цветна температура, равна на тази на пресечната точка на правата с кривата на абсолютно черното тяло. Именно тя е другият начин за оценка на белия цвят на един LED. Производствените толеранси на ССТ при белите светодиоди са широки – обикновено максималната ССТ е между 1,5 и 2,5 пъти по-голяма от минималната.
По аналогичен начин се използва по-новата диаграма на цветовете (1960 USC Color Space), като връзката между координатите (u; v) на точка от нея и от CIE 1931 (x; y) е
u = 4x/(-2x+12y+3) и v=6у/(-2x+12y+3).

Основни параметри на мощните LED
Максималната стойност на тока IF зависи от околната температура и топлинното съпротивление преход-околна среда (Rj-a или RqJA) на диода. В каталозите тя се дава под формата на графики (Current Derating Curves). Друг параметър е максималният импулсен ток (DC Pulse Current, Peak Pulsed Forward Current) IFP, който е няколко пъти по-голям от IF и е в сила за определена честота (обикновено 1 kHz) и коефициент на запълване на импулсите (напр. 10%). Напрежението в права посока (Forward Voltage) VF, Vf зависи от използвания полупроводник, който определя и цвета на излъчената светлина. То е между 1,5 V при червените LED и 4 V при сините, виолетовите и белите. За даден LED то нараства, макар и слабо, с IF и затова в каталозите често се дават няколко стойности при различен ток или характеристиката VF(IF). Съществен параметър е максимално допустимото обратно напрежение (Reverse Voltage) VR, чиято малка стойност (около 5 V) налага да се използват схеми за защита на LED. Най-често се използва тази на фиг. 3а, докато дадената на фиг. 3б е с по-малко приложение. Максималната разсейвана мощност PD = VFIF се задава като параметър вместо или заедно с максималния IF и зависи от температурата. Поради значителните й стойности при мощните LED често се налага охлаждането им и затова вместо
Rj-a като параметър се използва топлинното съпротивление преход-корпус Rj-c (или RqJC).
Поради особености в технологията на производство светлинният поток на LED може да е в твърде широк обхват. Поради това някои производители ги разделят на тесни участъци (Rank) с допълнителна буква за всеки в означението на светодиода.
Светлината на всеки LED съдържа дължини на вълните в определени граници и е с най-голяма интензивност при дължината на вълната на максимума (Peak Wavelength) lp. Заради особеностите на човешкото око то възприема с най-голяма интензивност доминиращата дължина на вълната (Dominant Wavelength) lD (или DWL), като обикновено двете се различават с не повече от няколко nm. В каталозите се дават и двете или само lD. Последната определя цвета на LED (фиг. 4), в която по ординатата е нанесена относителната интензивност. Приема се, че LED реално излъчва светлина между стойности на l, при които относителната интензивност е равна на 0,5. Те определят излъчвания спектър (Spectral Range) Dl1,2 с типични стойности няколко десетки nm. Спектралната характеристика на белите LED е по-широка и зависи от тяхната разновидност, един пример за което е даден на фиг. 5. Според него LED с цветна температура между 2600 и 3700К са с топъл бял цвят (Warm White), който реално е леко оранжев (малко вдясно от полето с бял цвят на фиг. 2), при температура 3700-5000К цветът е неутрално бял (Neutral White) и е в средата на полето и при температура между 5000 и 10000К (лявата част нa полето) цветът е студено бял (Cool White).
Други производители наричат топъл цвета между 2750 и 4500К, а този от 4750 до 6750 - чист бял цвят (Pure White). Съществено е, че трите разновидности са с твърде широки граници на цветната температура, поради което  всяка обикновено се разделя на по-малки участъци (Bin, Rank), за всеки от които в означението на LED има отделна буква. Пример е даден на фиг. 6 за LED с топъл бял цвят. Освен тази графика в каталозите се дават и границите на координатите (х,у) на всеки от участъците.
Специфичен параметър на белите LED е индексът на цветопредаване (Color Rendering Index) Ra. Колкото неговата стойност е по-близка до 100 толкова по-естествени са цветовете на осветявания обект.
За разлика от другите източници на светлина мощните LED излъчват в сравнително тесен ъгъл от двете страни на перпендикуляра към излъчващата повърхност. Зависимостта на относителната интензивност от ъгъла е пространствената характеристика (Radiation Pattern) на LED. Със значително приложение са тези с Lambertian Radiation Pattern, чийто вид за червени и оранжеви LED e даден на фиг. 7а, но има и други видове от същия тип с максимум на интензивността при 0°. Друг начин за представяне на пространствената характеристика е даден на фиг. 7б. От тях се определя ъгълът на видимост (Viewing Angle) 2q1/2 при намаляване на интензивността на светлината наполовина - за фиг. 7а той е 140°, а за фиг. 7б - 120°. При пространствена характеристика Balwing Radiation Pattern ъгълът е 60°. Вместо него се използва половината ъгъл ±q1/2. Приложение има и Total Included Angle (q0.90V), в който е съсредоточен 90% от светлинния поток.
Основен параметър е и светлинният поток, който практически е линейно нарастваща функция на тока IF. В каталозите се дава неговата гарантирана минимална стойност за lD обикновено при ток 350 mA и температура на прехода 25°С. Потокът намалява с нарастване на температурата, като при 100°С е с около 20% по-малък в сравнение с 25°С, но нараства при по-ниски температури. В някои каталози тази зависимост се дава с графики. Полезно е да се има предвид, че производствените й толеранси на потока са до ±10%.
Средното време до първата повреда (MTBF) на мощните LED вече надхвърля 100 000 часа (непрекъсната работа над 11 години), но през този период интензивността на светлината намалява по линеен закон. Точната зависимост е според вида на LED, като типично след няколко хиляди часа намалява с около 20%, а след 50 000 часа – с около 30%. Поради особеностите на човешкото око това намаляване остава практически незабелязано. Като параметър се дава експлоатационният срок (Lifetime) – с означение L70 е за намаляване на интензивността до 70% от първоначалната, а L50 е за намаление до 50%. След това време LED продължава да работи, но с по-ниска интензивност. С увеличаване на тока IF и на работната температура на прехода експлоатационният срок намалява.

Структура на мощните LED
Полупроводниците, използвани за реализацията им, по принцип не се различават от тези на индикаторните LED. Например топлите цветове могат да се получат от AlInGaP, а студените - от InGaN. За сини LED се използва и сравнително новата комбинация SiC/GaN (GaN върху подложка от SiC), позволяваща работа до по-високи температури. Два са начините за реализация на бели LED. За осигуряване на голям CRI се смесват в подходящо съотношение светлините на син, зелен и червен LED, а приложенията са в специфични случаи, например фотографията. За обикновено осветление се използва по-евтиният начин чрез син LED. Част от неговата светлина преминава през тънък слой от луминофор и се превръща в жълта, която въздейства на рецепторите за червен и зелен цвят в окото.
Основната специфична особеност на голяма част от мощните LED е наличието в тях на метална пластина или пръстен (Metal Slug) служещи като радиатор, който в зависимост от модела може да е електрически свързан или изолиран от чипа. Топлинното съпротивление между чипа и него често се отбелязва с Rj-ms вместо класическото Rj-c. Пример за структурата на такъв LED е даден на фиг. 8. Лещата е от силиций, а пространството между нея и чипа е запълнено с подходящ силициев материал. При монтажа на LED радиаторът му се запоява върху електрически изолирано метално островче на платката с управляващата електроника, с което охлаждането се подобрява. В каталозите на някои мощни LED се дават видът и размерите на островчето, с което се получава определена стойност на Rj-a. Предназначението на силициевата подложка между чипа и радиатора е да подобри издръжливостта на LED към електростатични разряди и не е задължителна за всички структури. Съществуват и LED с вграден рефлектор за увеличаване на интензивността на излъчваната светлина, като се увеличава и ъгъла на видимост.
За подобряване на светлинната ефективност чрез скъсяване на пътя на електроните през чипа се използват тънкослойни структури. Класическата е вертикалната (Vertical Thin-Film Chip), дадена на фиг. 9в. Нейното подобрение чрез използване на подложката и като корпус (Flip-Chip Structure) е фиг. 9б, докато най-новата разновидност (Thin-Film Flip-Chip) TFFC на фиг. 9а прибавя към това и тънкослойна структура. Именно чрез нея се получават най-големите засега стойности на светлинната ефективност.

LED с мощност до 1 W
Самостоятелните LED условно могат да се разделят на 3 групи – с PD до 1 W, с PD между 1 и 5 W и с PD над 5 W, като вторите са най-многобройни. В табл. 1 са дадени основните параметри на LED от първата група. Поради малките стойности на PD обикновено те са без радиатора от фиг. 8, а охлаждането се осъществява през корпуса и изводите. Светлинната им ефективност е в долната половина на споменатите граници за мощни LED, обикновено между 3 и 70 lm/W.
Типични приложения са за външни сигнални светлини и за вътрешно осветление в автомобили, маркиращо осветление на стъпала, указателни табели, предупредителни светлини, в светещи ключове и бутони, подсветка на LCD, за декоративно и архитектурно осветление, в лампи, захранвани от фотоелементи, за електрически фенерчета.

LED с мощност 1-5 W
Основните им параметри са в табл. 2, като на част от тях не е дадено напрежението VR. Обикновено причината за това е, че производителят забранява прилагането на каквото и да е обратно напрежение. Специфична особеност е, че за постигане на PD над 3 W понякога в корпуса се поставят два последователно свързани LED, обикновено по схемата на фиг. 3б. Пример е LED от ред 2 на таблицата. Сред малкото изключения с три диода е даденият в ред. 6. Характерно за LED от ред 7 е наличието на 11 разновидности в зависимост от стойността на Fv. Сред малкото LED за повърхнинен монтаж от тази група е този в последния ред.
Основните приложения на тази група мощни LED е за осветление – архитектурно, градинско, декоративно, на търговски обекти, административни и жилищни помещения. Използват се и за фенерчета и лампи на зъболекарски столове. В автомобилостроенето имат аналогични приложения, както предната група.

LED с мощност над 5 W
Това са най-малко разпространените LED, причината за което са трудностите с охлаждането им. Същевременно чрез повече набори от LED, модули или осветителни тела, може да се получи не само същият, но и  значително по-голям Fv. Голямата PD определя същите особености при използването на тези LED, както на другите мощни полупроводникови прибори, например да не се оставят да работят повече от няколко секунди (това време е дадено в някои каталози) без подходящ радиатор. Поради основното приложение за класическо осветление, относителният дял на белите LED в тази група е по-голям в сравнение с останалите. Специфична особеност е  реализацията им като няколко последователно свързани диода, чийто брой зависи от конкретния вид LED. В табл. 3 са дадени основните параметри на мощни LED, като тези в редове 2 и 3 са за повърхнинен монтаж, а външният им вид е на фиг. 10.

Драйвери
Необходимите токове и напрежения за работата на мощните LED обикновено се осигуряват от интегрални схеми на драйвери, чийто принцип на действие на се различава от този на драйверите за индикаторни LED. Сведения за тях можете да намерите в статията "Драйвери за светодиоди", публикувана в бр. 2/2009 г на списание Инженеринг ревю.

Набори от LED
Представляват монтирани върху една плоскост между 3 и около 20 LED и се използват за осигуряване на достатъчна осветеност върху желано голяма площ. Захранват се от външен постояннотоков източник. Три са основните начини за свързване на LED в набора, принципът на които е показан на фиг. 11а. Вижда се, че всеки LED e предпазен със стабилитрон и че наборите са с два извода. Схемата на фиг. 11а и подобните й се захранват с неизменен ток, чиято стойност не трябва да надхвърля параметъра IF на набора (той има същия смисъл, както при LED). Източникът трябва да осигурява между двата извода на набора напрежение поне с 10% по-голямо от максималното UF на набора. За увеличаване на Fv се свързват успоредно две (фиг. 11б) или три колони от диоди. Броят на диодите във всяка от тях е между 3 и 7, а захранването отново е с източник на ток. Сравнително по-рядко наборите се захранват от източник на стабилно постоянно напрежение, при което LED са свързани по схемата на фиг. 11в. В случая изходното напарежение и максималния ток на източника трябва да са съответно равни на UF на набора и поне с 10% над неговия IF.
Четири са основните начини за пространствено разположение на LED в набора, като в най-масово разпространени се светлинните ленти те са в една линия (фиг. 12а) с типичен брой между 3 и 12. Обикновено LED са с един цвят, но има ленти с разположени една до друга групи от червен, зелен и син LED. Специално за осветяване на фасади има ленти с различна гъстота на разположение на LED - между 40 и 120 в линеен метър. Ъгълът на видимост на LED в лентите е между 15 и 120°. Следващите два вида са кръговите набори с пример на фиг. 12б и кръглите набори на фиг. 12в. И накрая са наборите с правоъгълна и квадратна форма, като LED могат да заемат цялата площ или част от нея. Един пример е на фиг. 12г. Конструктивните разновидности на наборите от LED включват и звездообразна топология.
От експлоатационна гледна точка съществена е максимално допустимата температура на набора (не околната) с типични стойности до 70°С. В табл. 4 са дадени основните параметри на набори от LED.

Захранвания
Предназначени са за набори от LED и са две основни разновидности. Едната е подобна на адапторите за преносими компютри, свързва се към електрическата мрежа и на изхода си осигурява необходимите UF и IF. Пример е LA-AD01AA на Lednium с изход 12V/1A. При необходимост от разработка на такъв адаптор могат да се използват специализирани интегрални схеми като FAN7554, SSL1623, NCP1013, STM Viper 53 и др. Втората разновидност захранвания работят с постоянно входно напрежение 12, 24 или 48 V, но някои съдържат на входа си диоден мост и могат да се свързват и към същото по стойност променливо напрежение, т.е. за захранване от електрическата мрежа е необходим само допълнителен трансформатор. Малките размери на подобни конструктивни решения позволяват лесното им вграждане в осветителни тела. Някои захранвания позволяват регулиране на интензитета на светлината, т.е. работят като димери.

Модули с LED (LED Module)
Те съдържат набор от LED, драйвери и схеми за управлението им, в някои случаи позволяващи и димиране. Конструктивно са оформени като кутии, подходящи за монтаж в осветителни тела, а захранването им се осигурява чрез постоянно напрежение VIN със стойност 12 или 24 V, от което консумират ток IIN. За увеличаване на осветеността могат да се свързват последователно повече модули, чийто максимално допустим брой се дава в някои каталози и достига до 50. В табл. 5 са дадени основните параметри на модули. При ползването на каталози трябва да се има предвид, че някои производители наричат модули наборите от LED.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top