Нови мощни светодиоди за осветителни приложения

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2011

Стефан Куцаров

     През последните години мощните светодиоди (High Power LED) HPLED са най-бързо развиващата се област на оптоелектрониката. При разработката на нови модели производителите акцентират върху повишаване на светлинния поток Fv и, съответно, на мощността им с цел замяна на все повече класически лампи, както и на ефективността на преобразуване (Luminous Efficacy) LE на електрическата в светлинна енергия. Сериозно внимание се обръща на подобряването на спектралните характеристики с цел получаването на определени нюанси преди всичко на белия цвят, но и на някои други цветове, заедно с намаляването на производствените толеранси на параметрите. Последното е особено важно за създаване на равномерна светлина от осветителни тела с множество HPLED. Сериозни усилия се полагат за удължаване на експлоатационния срок - вместо типичните 50 000 часа с намаляване на Fv до 70% от първоначалния, вече се предлагат HPLED със 100 000 часа при намаляване до 90%. В последните години производителите обърнаха сериозно внимание на херметичността на корпуса и затова повечето HPLED са с най-високия клас 1 на устойчивост на влага, който осигурява безотказната им работа неограничено дълго време при относителна влажност до 85%, съчетана с температура на въздуха до 30 °С. И не на последно място е развитието на органичните светодиоди (Organic LED) OLED за осветление, които представляват качествен скок в осветителната техника, тъй като не са източници на съсредоточена светлина, а светещи повърхности.
Основните параметри на HPLED, заедно със зависимостите на някои от тях от тока IF и температурата, са описани в статията “Мощни светодиоди”, публикувана в сп. Инженеринг ревю, брой 7/2009 г., където са дадени сведения за тяхната структура и таблични данни за типични модели. Настоящата статия е посветена на новостите в областта.

Бели ненасочени HPLED
Те имат голям ъгъл на излъчване (Wide Viewing Angle) 2q1/2, като тук приемаме, че той е равен или по-голям от 100°. Очевидните приложения са за осветяване на големи площи. За осигуряване на високо качество на белия цвят от 2010 г. в Европейския съюз действат "Energy Star Program Requirements for Integral LED Lamps", които поставят най-строгите засега изисквания към източници на светлина. Там се фиксират допустимите толеранси на цветната температура ССТ, на Fv, цветът и индексът на цветопредаване CRI – например, дадена в документацията на прибора ССТ = 4000 К може да бъде между 3620 и 4170 К.
От диаграмата на цветовете (фиг. 1) се вижда, че съществува набор от бели цветове. Прието е всеки от тях да се оценява чрез ССТ, която представлява температурата на абсолютно черно тяло, което го излъчва. Съществуват три основни разновидности: топъл бял цвят (Warm White), естествен бял (Neutral White) и студен бял (Cool White), като границите на ССТ за всеки от тях се различават при отделните производители. Като типични биха могли да се приемат, съответно, 2660-3700 К, 3700-5000 К и 5000-10000 К и да се има предвид, че се използва и ултра бял (Ultra White) със ССТ=6000-6500 К. Другият начин за представяне не само на белия цвят, а по принцип на всички цветове, е чрез координатите (x,y) на съответстващата точка от диаграмата.
В американския стандарт ANSI C78.377-2008 за бели светодиоди се дефинират 8 групи на белия цвят (табл. 1), като номиналната ССТ е ползваната при проектирането на HPLED, а реалната дава допустимите граници. Цветовете на всяка група се намират в определен четириъгълник (Tolerance Quadrangle) на цветовата диаграма (фиг. 2), координатите на чиито върхове са фиксирани в стандарта. Благодарение на сериозните подобрения на технологиите е възможно всяка от групите да се раздели на подгрупи (Chromaticity Bins) така, че даден HPLED да има твърде точно определен бял цвят, намиращ се в част от четириъгълника на ANSI. Производителите отбелязват подгрупите в каталога с набор от букви и цифри, които участват като част от означението на HPLED. Един пример е даден на фиг. 3, който е на HPLED от ред 5 на табл. 2. При определянето на тези подгрупи трябва да се има предвид и особеността на човешкото око да възприема промени на белия цвят само ако са достатъчно големи. Когато промените са в границите на прецизните елипси на Мак Адам (3-Step MacAdam Ellipse), те остават незабелязани при 99,44% от хората. Те често фигурират в каталожните данни за определен HPLED като Chromaticity Range, един пример за което е даден на фиг. 4 - елипсите са в червено, четириъгълникът според ANSI е в синьо и със зелено са границите поради производствените толеранси на съответния HPLED. С прекъсната линия е кривата на цветовете на абсолютно черното тяло.
Тъй като не съществуват полупроводници за излъчване на бяла светлина, белите HPLED се реализират чрез комбинация на два или три цвята. Първият начин използва син светодиод, комбиниран с жълт луминофор, при което спектралната характиристика (зависимоста на мощността на излъчване от дължината на вълната) е с максимуми, съответстващи на тези два цвята. Пример за характеристиката на HPLED със студен бял цвят е на фиг. 5а. За подобряване на характеристиката (“повдигане” в областта около 650 nm) някои производители прибавят малки количиства червен луминофор. Наскоро Cree представи HPLED с “Easy White” бял цвят, характеристика на фиг. 5б, ССТ между 2700 и 5000 К и малки нейни толеранси.
Вторият начин е известното от цветните монитори смесване на трите основни цвята, всеки със спектрална характеристика вляво на фиг. 5в и характеристика на белия HPLED вдясно. Предимство е по-равномерната характеристика, а недостатък – необходимостта от три чипа в HPLED. Подробности за този вид са дадени в разделите за цветни HPLED.
От гледна точка на приложенията, е полезно да се има предвид, че се произвеждат бели HPLED от AlInGaP и InGaN, вторите са с възможност за разсейване на около 50% по-голяма мощност и работа до по-висока (с 10-20 °C) околна температура. Освен това, практическа особеност е неписаното правило да се предлагат серии от бели HPLED с много общи параметри и различаващи се само по нюанса на белия цвят, стойността на Fv и постоянното напрежение VF върху тях. Също особеност е, че практически не се предлагат HPLED с мощност между 5 и 10 W.
В табл. 2 са дадени основните параметри на HPLED с типична мощност 1 W. Специфични особености са широкият работен температурен обхват на тeзи в редове 1 и 8, големият Fv на HPLED в ред 2 и големите стойности на CRI и ъгъла на излъчване на дадения в ред 8.
Таблица 3 съдържа основните параметри на HPLED с мощност между 1,5 и 5 W. Полезно е да се има предвид, че част от HPLED от този тип имат две различни стойности на максималната работна температура в зависимост от тока в права посока IF – при 2 пъти по-голям ток тя намалява с около 10%. Особеност е последователното свързване в някои модели на повече чипове, което позволява увеличаване на мощността без изискване за по-голям ток.
За мощности 10 W и повече е практически задължителна реализацията на HPLED като една или повече успоредно съединени колони (String, Channel), всяка от които е с последователно свързани чипове. Такива HPLED са все още относително малко спрямо останалите, но количеството им и горната граница на мощността непрекъснато нарастват. Примери са дадени в табл. 4, като най-мощният (ред 7) осигурява светлинен поток колкото лампа с нажежаема нишка с мощност 700 W. Означенията 1000/С и 1500/С в последния ред означават тока на всяка от колоните (според каталога на този HPLED, те са 4 с по 6 чипа във всяка). Едва ли има нужда да се споменава, че колкото по-голяма е мощността, толкова по-важно е доброто охлаждане, съвети за което се дават в техническата документация. Поради голямото количество на чиповете в HPLED, размерите им са значително по-големи от по-маломощните. Например този от ред 3 е 28,5x28,5x1,4 mm, а самата излъчваща повърхност е с диаметър 20 mm. Характерна особеност е, че стремежът по време на разработката за увеличаване на Fv при даден IF е свързан с намаляване на CRI. От таблицата се вижда, че част от производителите предпочитат вместо работния температурен обхват да дават максималната температура на чиповете TJmax.
Сред многобройните и бързо нарастващи приложения на белите ненасочени HPLED могат да се отбележат осветление на помещения, открити площи и тунели, вътрешно и външно осветление на автомобили, декоративно осветление, светещи информационни и указателни табели, подсветка на монитори и т. н.

Бели насочени HPLED
Техният по-малък ъгъл на излъчване определя специфичните им приложения за различни видове прожекционни апарати, светлинни ефекти, архитектурно осветление, светкавици, но могат да се използват и за осветителни тела, например настолни лампи. Като количество тези HPLED са значително по-малко от ненасочените и примери за тях са дадени в табл. 5.

Цветни ненасочени HPLED
По принцип съществуват две основни групи такива HPLED, по-голямата от които са едноцветните с два специфични основни параметъра. Първият е дължината на вълната на максимума (Peak Wavelength) lp, при която се осигурява най-голям Fv със стойност, измервана чрез прибори. Субективното възприятие за най-голям Fv се получава при доминиращата дължина на вълната (Dominant Wavelength) lD, която е на монохроматичен източник, създаващ същото възприятие. Разликата между двете е до няколко %. Съществуващото значително разнообразие на цветове е: червен (Red), кехлибарен (Amber), оранжев (Orange), оранжево-жълт (Red Orange), жълт (Yellow), зелен (Green), синьо-зелен (Cyan), син (Blue) и “кралско син” (Royal Blue), към които напоследък се прибавиха “свръх червен” (Hiper Red), “истински зелен” (True Green), “плътно син” (Deep Blue) и дори “зъболекарско син” (Dental Blue). Вместо с Fv, "кралско синият" се характеризира с радиометричната величина излъчвана мощност (Radiant Power) FE.
Неписано правило на производителите е да предлагат серии от 3 или повече едноцветни HPLED с различен цвят и еднакви или слабо различаващи се останали параметри. Специфична особеност е, че LE на сините HPLED от дадена серия е 4-5 пъти по-малка от тази на останалите. В табл. 6 са показани основните параметри на представител от дадена серия HPLED, като температурата в скоби в последната колона е на монтирания фабрично радиатор (обикновено метална пластинка).
Втората група са многоцветните HPLED (Multicolor LED), основната разновидност на които е с червен, зелен и син чип (RGB HPLED). Тяхното едновременно активиране позволява получаването на произволен цвят (вкл. бял) с желан Fv, аналогично на работата на цветните монитори. В каталозите се дават поотделно параметрите на всеки от чиповете, като сумата на техните Fv представлява общия Fv на HPLED. Пример е OVSPRGBCR4 на OPTEK Technology с PD=2W и 2q1/2=130°.

Цветни насочени HPLED
Те са със сравнително специфични приложения за архитектурно и аварийно осветление, за указателни табели, маяци, в автомобили и др. транспортни средства. Производителят LedEngin има серия с общо означение LZ4-00x110, мощност 10 W и и 2q1/2=95°, като “х” е главна буква за цвета (R-червен, G-зелен, B-син, А-кехлибарен и МС е за многоцветни тип RGB). Серията включва още два HPLED с означение RGBW, съдържащи четвърти чип с бяла светлина, като в LZ4-00MD10 тя е дневна, а в LZ4-00MN10 е неутрална. И накрая, LZ4-00MH10 е от типа RGBA (А е за кехлибарения цвят на четвъртия чип). Съществена особеност на серията е експлоатационният срок от 100 000 часа.

OLED осветление
То прави първите си стъпки и засега на пазара се предлагат твърде малко OLED, сред които е CDW-031 на OSRAM Opto Semiconductors. Той представлява правилен шестоъгълник с дебелина 2,13 mm и кръгла излъчваща повърхност с диаметър 79 mm, като основните му параметри са: CCT= 2800 K, яркост 1000 cd/m2 при ток 186 mA (тя съответства приблизително на 1000 lx), LE=23 lm/W, CRI=75, 2q1/2=120° и VF=3,4 V при IF=186 mA. Работният температурен обхват е от -20 до +40 °С, а експлоатационният срок е 5000 часа при споменатия IF, но нараства на 15 000 часа при ток 46,5 mA. Предлаганите нюанси на белия цвят практически съвпадат с елипсите на Мак Адам.
Експериментални модели на OLED за осветление са разработени от множество фирми, например Lumiblade на Philips. През април т. г. Verbatim демонстрира модели с размери 140x140 mm, един от които с регулиране на нюансите на белия цвят и друг с регулиране на цвета на светлината, като и двата са с възможност за димиране.
Прогнозите за развитие на OLED са обещаващи с приложения за общо и декоративно осветление.

Предпазване от свръхнапрежения и токове
Основната причина за появата на свръхнапрежения върху HPLED са добре познатите електростатични разряди (ESD), които могат да възникнат по време на производството, при транспорта, монтажа или ремонт. Токове в права посока през HPLED над максимално допустимия обикновено са импулси с продължителност до 1 s поради процеси в захранването, от свърхнапрежения и при поставяне на LED лампа в осветително тяло при включено захранване. Тяхната амплитуда може да е над 10 пъти по-голяма от тока в нормален работен режим. Предизвиканите от въздействията повреди могат да са прекъснати свързващи проводници между полупроводниковия кристал и изводите на HPLED или повреда на самия кристал около мястото на запояването им към него.
Защитата от свърхнапрежения в осветителни тела се прави чрез успоредно свързване към всеки HPLED (фиг. 6а) на полупроводников прибор за потискане на отскоците на напрежение (Transient Voltage Suppressor) TVS със символично означение и волтамперна характеристика на фиг. 6б. За схемата на фиг. 6а стойността на VBR трябва да е по-голяма от максималното напрежение върху отпушения HPLED, токът IRM е десетина mA, а IR – няколко mA. Осигуряваната защита обикновено е за напрежения от ESD между 2 и 4 kV. По-простата и евтина защита на фиг. 6в крие опасност от повреда на някой от HPLED от малко свръхнапрежение, когато TVS още не е задействан. Причината за това са производствените толеранси на HPLED.
За предпазване от големи токове се прилага пасивна и активна защита. Първата е по-проста и представлява последователно свързване към HPLED на термистор. Когато HPLED е част от осветително тяло съдържащо и захранващ блок се използват РТС (термистори с положителен температурен коефициент). При нагряването им (поради голям ток или висока околна температура) тяхното съпротивление нараства и ограничава IF, а когато причината изчезне съпротивлението им намалява, т. е. те действат като самовъзстановяващи се предпазители. Времето на задействане е от няколко стотици ms до 1s и са най-ефективни, когато IF на HPLED е значително по-малък от техния максимален ток.
За случаите, когато LED лампите ще се включват към работещо захранване трябва да се използват нискоомни NTC (термистори с отрицателен температурен коефициент). В момента на включването те имат голямо съпротивление и ограничават тока, а при протичането му той ги нагрява и съпротивлението намалява до незначителна стойност. Важна особеност е, че времето за изстиване на нагретия NTC и, съответно, възстановяване на голямото му съпротивление е 30-120 s. Следователно, ако лампата се отстрани от захранването и веднага след това отново се включи, защитата няма да действа. Друга особеност е, че при нормалния IF съпротивлението на РТС и NTC е няколко W.
С помощта на TVS, допълнителни елементи и NMOS транзистор с индуциран канал се реализира активна защита вместо използването на NTC. По-сложната схема е за сметка на времето от няколко ms за възстановяване на голямото съпротивление и съпротивлението от няколко mW при номиналния IF.

Особености при експлоатацията на HPLED
Най-уязвимото място на HPLED е тяхната оптична система (леща), чието зацапване или механична повреда най-малко влошават оптическите параметри. Поради това, основен принцип е лещите да не се докосват. Обикновено, произвежданите HPLED са върху носещи пластини, между които при подреждане в кашони или складиране трябва да се оставя разстояние 1-2 cm. При монтирането в лампи HPLED трябва да се държат с пинсети за корпуса и да се избягват каквито и да е механични усилия върху лещите. В помощните материали за своите HPLED някои производители отбелязват от какви химични вещества те трябва да се предпазват, например вода, някои алкохоли и епоксидни лепила.
По отношение на запояването върху печатни платки, в техническата документация също се дават препоръки за всеки тип HPLED. Най-важните от тях са размерите на островчетата върху печатната платка, препоръчваните пасти и флюсове и профилът на запояване (подобно на други полупроводникови прибори).

Безопасност при експлоатация
По принцип, вредни за очите и кожата са ултравиолетовите и инфрачервените лъчи и синята светлина. Поради съдържанието на последната в спектъра на белите HPLED, те са опасни за очите при непосредствено гледане в тях, което се отнася и за сините. Останалите цветове от видимия спектър не представляват опасност, но независимо от това общото правило е, че отблизо не трябва да се гледа пряко в HPLED. Това се отнася както за работещите в производството на LED лампи, така и за ползвателите им. Съществуват стандарти (IEC 60825 class 2, IEC62741-2006 и ANSI/IESNA RP-27), които определят условията за безопасно използване на LED осветление.

HPLED в осветителни тела
Ползването на HPLED за вътрешно и външно осветление може да става чрез замяна на наличните лампи в съществуващите осветителни тела със светодиодни или разработване на нови осветителни тела с отчитане на особеностите на HPLED. Няма съмнение, че вторият начин е по-ефективен, като осигурява по-добри оптични и електрически параметри и по-добро охлаждане. Наличието в света на около 20 милиарда осветителни тела показва колко важни са техните подобрения и затова една от новите насоки в развитието на LED осветлението е разработването на специализирани осветителни тела.
Няколко са основните фактори, които трябва да се имат предвид при разработването на осветително тяло. Поставянето на оптика по пътя на светлината от HPLED намалява интензитета на светлината с 10-15%, което се оценява чрез оптическата ефективност ОЕ със стойности 0,9-0,85. Големината на Fv обикновено се дава при температура 25 °С, а стойността му при по-високи температури намалява. Това налага оценка на максималната температура на монтирания HPLED и определяне от графиката в каталога на топлинната му ефективност ТЕ, която показва каква част е Fv от този при 25 °С – типичните стойности при 80 °С са около 0,85. Всяко осветително тяло съдържа захранващ блок, който доставя на HPLED само част от енергията от захранващия източник (електрическата мрежа, батерия, акумулатор). Тази част е равна на коефициента на полезно действие h на блока с типични стойности между 0,8 и 0,9 (при h над 0,9 цената на блока е твърде висока), които са в сила само ако доставяната на HPLED мощност е над 50% от максималната на блока – в противен случай h намалява. Така при необходим интензитет на светлината от осветителното тяло Е [lm], самите HPLED трябва да имат общо EL = E / (OE x TE x h), lm.
Важен е изборът на тока на използваните HPLED, като се има предвид, че по-големите стойности означават по-голям интензитет на светлината Е1 от всеки от тях и, съответно, по-малък техен брой, но и скъсяване на експлоатациония срок. Броят на HPLED e N=EL/E1.




Top