Новости при компонентите за LED осветление

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2014

Стефан Куцаров

Светодиодното (LED) осветление се утвърди сред останалите "класически" технологии, като относителният му дял непрекъснато нараства - през 2012 г. са продадени LED източници и осветителни тела с тях за 16,5 млрд. USD, което е 11,3% от световното производство, докато за 2014 г. се очаква тези числа да са около 26% и 40 млрд.

Все още делът на приложенията на LED осветлението е по-голям в обществения сектор, докато в бита те са около 25% - най-масово то се използва в Източна Азия, следвана приблизително с еднакъв относителен дял от Европа и Северна Америка. Увеличава се броят на големите градове, в които през следващите няколко години уличното осветление трябва да стане изцяло светодиодно.

Прогнозите за САЩ са, че през 2016 г. около 30% от външното осветление и това в обществени сгради ще е светодиодно. Към добре известните предимства на LED спрямо компактните флуоресцентни лампи (поне 5 пъти по-малка консумация на електроенергия и над 5 пъти по-дълъг експлоатационен срок) се прибавя многократно по-малкото количество вредни емисии от СО2, отделяни за производство на необходимата електроенергия.

За улеснение на ползването на този вид осветление по-голяма част от LED източниците (лампите) са с конструкция, позволяваща непосредствена замяна на съществуващите. Най-общо конструкцията им включва електронен блок (LED Driver), монтиран върху охлаждащ радиатор и съдържащ токоизправител на мрежовото напрежение, понижаващ преобразувател на постоянно в постоянно напрежение с галванична изолация, и схема за осигуряване на неизменен ток през светодиодите.

За предпазване на тези два основни възела са прибавени няколко защити, включително от недопустимо голям ток на LED и прегряване, а понякога и схема за подобряване на фактора на мощност. Съществен компонент на LED лампите е и т. нар. вторична оптика, обикновено включваща параболичен рефлектор и прозрачен дифузьор, чрез която се постига желаният ъгъл и равномерност на светлинния поток.

В настоящата статия са разгледани компоненти, представени
на пазара след 01.01.2012 г., като преобладават тези през 2013 г. и 2014 г.

Основни параметри
Първата група са оптичните параметри (Flux Characteristics), които определят вида на излъчваната светлина. Сред основните от тях е цветната температура (Correlated Color Temperature) CCT в келвини, която е тази на абсолютно черно тяло, излъчващо същия цвят на светлината, както LED.

Три са основните разновидности на белите LED – топъл бял цвят (Warm White), който има ССТ между 2600 и 3700 К, неутрален бял цвят (Natural White) с 3700-5000 К и студен бял цвят (Cool White) със син оттенък и ССТ от 5000 до 8300 К. Вместо ССТ или едновременно с нея някои производители дават координатите (Chromacity Coordinate) x, y на точката от диаграмата на цветовете CIE 1931, която определя цвета. Например х=0,46 и у=0,41 на LED в ред 3 на табл. 2 означава топъл бял цвят.

Светлинният поток (Luminous Flux) Fv е с мерна единица лумен (lm) и стойността му в каталозите се дава при определен постоянен ток (Forward Current) IF на LED, но най-често има и графика Fv(IF). Освен това повишаването на температурата на кристала води до намаляване на Fv, за което също се дава графика.

Стойността на Fv е в сила само по протежение на перпендикуляра към излъчващата повърхност и намалява при отклонение встрани от него. Ъгълът на излъчване (Viewing Angle, Beam Angle) 2j (или 2q1/2) показва границите, където Fv намалява наполовина, но поради особеностите на човешкото око това остава практически незабелязано.

По принцип j е между посоката на гледане и перпендикуляра. Сравнително рядко вместо Fv се използва интензитетът на светлината (Luminous Intensity) Iv с мерна единица кандела (cd), като връзката между двата параметъра е Fv[lm]=2p(1-cosj)Iv[cd]. Например LED с Iv = 20 cd и 2j = 120° има Fv = 62,8 lm. Параметърът ефективност (Efficacy) Eff е с мерна единица lm/W, която показва стойността на Fv при консумирана от LED електрическа мощност 1 W.

Индексът на цветопредаване (Color Rendering Index) CRI е мярка за верността на цветовете на осветявания от бял LED обект – естествената бяла светлина осигурява CRI=100, докато при LED той е по-малък от 100. Типичните му стойности са между 65 и 90, за по-големи понякога се използва терминът High CRI LED и тези със CRI над 98 са практически задължителни за осветяване на изложбени зали, в музеи, телевизионни и киностудиа.

Важно е да се има предвид, че значителна част от производителите предлагат даден тип бял LED с множество разновидности (Bin), всяка от които има свой номер за поръчка (Order Code) и различни стойности на ССТ, Fv и CRI. Експлоатационният срок (Lumen Maintenance) L70 в часове показва, че при изтичането му Fv е намалял на 70% от стойността си.

Групата на основните електрически параметри включва максималния ток (DC Forward Current) IFmax, който е в сила само до определена температура и по технологични причини практически не надхвърля 2500 mA.

Поради това LED с големи Fv изискват значително постоянното напрежение в права посока (Forward Voltage) VF, което се постига чрез поставяне в корпуса им на група от последователно свързани кристали (Die) и с паралелно съединени такива групи. Използва се терминът многочипов LED (LED Array, Multi-die Array). Като пример на фиг. 1 е дадена структурата на LED от ред 4 на табл. 1.

По принцип стойността VF като параметър е при даден IF, но в техническата документация обикновено има и графика VF(IF). Основни параметри са още максималната разсейвана мощност (Power Dissipation) PD, която не винаги присъства в каталозите, максимално допустимото обратно напрежение (Reverse Voltage) VR (то липсва при LED, които не допускат прилагане на обратно напрежение), максималното импулсно напрежение вследствие електростатични разряди (ESD Stand Voltage) ESD и работният температурен обхват.

В зависимост от производителя последният е за околната температура ТА, тази на корпуса ТС (някои производители я означават като температура на мястото на запояване на светодиода – Temperature Solder Point, TSP) или на кристала TJ. Нерядко даден LED се предлага в няколко корпуса с различни вградени радиатори, всеки от които определя до каква температура е в сила IFmax.

Бели LED с голям светлинен поток
Няма строго определение над какъв Fv белите LED попадат в тази категория (High-Lumen LED) и затова тук ще приемем стойността 500 lm. Основните приложения са за външно (Outdoor Lighting) и вътрешно осветление (Indoor Lighting), като последното е за осветяване на малки площи и големи зали, за индустриално осветление на производствени халета (High-bay Lighting) и по-малки помещения, както и за архитектурно осветление.

Равномерно светещата им повърхност (Light Emitting Surface) LES е с неголеми размери (площ около 1/4 от тази на корпуса), което улеснява реализацията чрез няколко LED на лампи за насочено и ненасочено осветление, както и на осветителни тела.

В табл. 1 са дадени основните параметри на LED от този тип, като в колона 2 е броят на разновидностите в зависимост от оптичните им параметри, а в колони 4 и 5 са техните граници. Моделите в редове 1, 2 и 5 имат и видове с различни VF и IF, но еднаква електрическа мощност.

Тези без дадена стойност на VR не допускат работа с обратни напрежения и при нужда към тях се свързва съответният предпазен прибор, а даденият в ред 5 позволява реализация на лампи с Fv до 10 000 lm. За предпазване от прегряване някои LED имат вграден термистор.

Бели LED със среден светлинен поток
Те са с Fv под 500 lm и за осигуряването му обикновено е достатъчен един светодиод в корпуса, което определя по-малкото VF и значително по-малките им геометрични размери. В някои каталози се означават като Mid-Power LED, а един от често използваните видове корпуси е с изводи като метални островчета (Flip Chip).

Увеличават се моделите на основата на SiC (напр. даденият в ред 1 на табл. 2), които могат да работят със значителен ток при малки размери. Освен за вътрешно и външно осветление, както предния тип, включително за вграждани в тавана осветители (Ceiling Light), за спотове и сигнални лампи (Electric Sign and Signals), тези LED се използват за осветяване на табла (Panel Light), за реализация на светещи предмети (Light Box), за създаване на различни ефекти в архитектурното осветление, за вътрешно осветление в автомобили, в индустриални апаратури и офис оборудване и за вградено осветление в електроинструменти.

За някои индустриални приложения и за осветяване на стълбища, изходи и др. подобни се препоръчват бели LED с ССТ над 5500 К (Streetlight), които осигуряват добра видимост и при сравнително малък Fv. Типичен пример е даденият в ред 4 на табл. 2.

Цветни LED
Осветлението с цветове различни от белия е по понятни причини значително по-ограничено за специфични цели. В него практически не се използват популярните от други приложения LED с отделни кристали за червен, зелен и син цвят, известни като RGB LED, които могат да осигуряват светлина с променящи се цвят и интензитет. Ползваните за осветление са със среден светлинен поток и цветът им се фиксира при производството.

На фиг. 2 е дадена зависимостта на относителния Fv от дължината на вълната (Wavelength) за основните видове цветни LED, като е прието цветът да се определя от стойността й, при която Fv е максимален. Това е параметърът дължина на вълната на максимално излъчване (Peak Emission Wavelength, Peak Wavelength) lp.

Вместо или заедно с него част от производителите дават и доминиращата дължина на вълната (Dominant Wavelength) lD, която е на монохроматичен Fv, осигуряващ същия цвят, както LED. Разликата между двете дължини на вълните е няколко процента, като в табл. 3 е дадена lD. Характеристиките на фиг. 2 показват, че реално цветните LED излъчват светлина с l в определени граници, които са фиксирани от параметъра спектрална лента (Spectral Bandwidth) Dl и при тях Fv намалява наполовина спрямо максималния.

Някои от моделите LED имат няколко групи с различен цвят, често включващи белия, а всяка от тях съдържа разновидности в зависимост от стойността на Fv. Обикновено последната е най-малка при синия цвят и най-голяма за зеления. Друга особеност е, че поради естеството на цветните LED при тях не съществува параметърът CRI. От няколко години бързо се развива специфичната категория на сини LED за реализация на лампи с бяла светлина чрез дистанционен луминофор (Remote Phosphor, Secondary Phosphor).

Класическите и все още масово използвани лампи съдържат бели LED, чиято структура представлява излъчващ синя светлина полупроводник с нанесен непосредствено върху него луминофор за превръщането й в бяла, известени като първичен луминофор (Primary Phosphor). Тяхната сравнително малка повърхност обуславя насочено излъчване на светлината, което е принципен недостатък, и за преодоляването му е необходима вторична оптика.

Новите лампи с дистанционен луминофор също имат син LED, но луминофорът е нанесен върху отделна жълта пластмасова капачка и резултатът е равномерно светеща бяла светлина с принципна възможност за излъчване във всички посоки. Основните параметри на LED, подходящ за такива лампи, са дадени в ред 6 на табл. 3.

Специфичните приложения на цветните LED са за архитектурно осветление (например декоративно осветяване на стени (Wall Washer), тавани и сводове (Cove Lighting)), вътрешно насочено осветление (за желана площ) и реализация на оригинални осветителни тела като полилеи и аплици.

LED за автомобилостроенето
Сравнително малка част от предлаганите на пазара модели са разработени специално за автомобили (например даденият в ред 4 на табл. 4), докато останалите се използват и за сигнални лампи, аварийно осветление и вътрешно осветление на самолети, за вграждане в индустриални апаратури, офис оборудване и бяла техника.

В автомобилите приложенията им могат да се разделят на 3 групи, първата от които е във фарове за къси светлини (Dipped Beam, Low Beam) и дневни светлини (Daytime Running Light, DRL). Фаровете съдържат обикновено между 4 и 30 LED. Използваните LED са със студена бяла светлина (около 6000 К) и мощност 1-3 W.

Същият тип са и фаровете за велосипеди, но броят на LED не надхвърля 5. За дневно движение в условия на влошена видимост (дъжд, сняг, мъгла, прах) може да има допълнителни къси светлини с жълти LED.

Втората група включва габаритите, стоповете и мигачите с по-слаба светлина в сравнение с предната група и, съответно, реализация с по-малък брой LED. Цветовете им са в съответствие с приетите международни норми. Последната група са за вътрешно осветление (Interior Automotive Lighting) с различни цветове, но най-често бял, и Fv докъм 100 lm.

Охлаждане
То е от съществено значение, тъй като работата при повишени температури скъсява експлоатационния срок на LED поради два основни фактора – намаляване на излъчвания Fv от полупроводниковия кристал и влошаване на пропускателната способност на силиконовата полимерна леща върху него.

Първата стъпка за осигуряване на охлаждането е наличие в корпуса на LED на платка с вградена медна пластина (Metal-Core Printed-Circuit Board, MCPCB), върху която се монтира кристалът или кристалите. Някои производители, например Philips Lumileds, я наричат емитер. Пример за неговия външен вид (LED от ред 4 на табл. 1) е даден на фиг. 3а.

Изводите на LED са долу вляво и горе вдясно, а с d (между 25 и 30 mm) е означено разстоянието между отворите за закрепване на платката. Температурата й TS се оценява чрез тази в определена точка, а на кристала е TJ=TS+RqJ-SPD, където топлинното съпротивление RqJ-S е между TS и него (за платката на фиг.

3а е 0,87 °C/W) и се дава в каталозите, а PD е разсейваната върху кристала мощност. Пример за структурата на платката на LED с повече от един кристал е дадена на фиг. 3б, която е на този в ред 1 на табл. 2 - вижда се връзката на всеки от кристалите с пластинката.

Когато платката не може да осигури достатъчно охлаждане, тя се монтира върху радиатор (Heat sink на фиг. 3в), като доброто топлопредаване се осъществява чрез TIM (Thermal Interface Material).

LED драйвери
Основното им предназначение е да осигуряват неизменен постоянен ток ILED, чиято стойност в повечето случаи може да се регулира в процеса на работа. По-голямата част от тях се захранват чрез електрическата мрежа и един от начините на свързването им е даден на фиг. 4а. Мостовият токоизправител REC1 и кондензаторът С осигуряват постоянното напрежение, подавано през първичната намотка на Tr на вградения в драйвера (Dr) NMOS транзистор с изводи D на дрейна и S на сорса.

Драйверът съдържа PWM генератор с честота fSW и блок за осигуряването на неизменен ток на D на транзистора. Чрез Tr импулсите се подават на токоизправителя D-Co и през LED се установява ILED, чиято стойност се задава от RS, тъй като напрежението му чрез входа CS постъпва на съответния блок в Dr. Захранващото напрежение VСС на Dr се осигурява чрез допълнителната намотка на Tr и еднополупериодния токоизправител REC2.

По тази схема е свързан Dr от ред 2 на табл. 5, в която VIN е максималното постоянно напрежение на извод D спрямо маса. За него и други Dr с вграден транзистор специфични параметри са и съпротивлението му в отпушено състояние RDSon и максималната мощност PLED на LED.

Подобно е действието на схемите с външен NMOS транзистор (редове 1 и 7), но вместо изводи D и S те имат G за управление чрез гейта, чието напрежение VG е за отпушване на транзистора, а IG е максималният ток на гейта му. В някои случаи (редове 1 и 3) VIN представлява границите на ефективната стойност на мрежовото напрежение.

За намаляване на обема се използват схеми без трансформатор, същността на които е дадена на фиг. 4б. Тя е повишаващ стабилизатор (елементите L, D и Со), управлението на чийто транзистор е от G на Dr, а задаването на ILED и формирането на VСС са както в предната схема. Това са Dr от редове 3, 6, 8 и 9 на табл. 5. Фиксираното VСС на Dr от ред 3 не се задава чрез REC2, а от вграден стабилизатор.

Третата разновидност на Dr са за захранване на LED от постоянно напрежение (то е VIN и VСС в табл. 5), например при свързването им в постояннотокови мрежи – това са дадените в редове 4-7. Сред параметрите съществени за приложенията са осигуряваната от Dr относителна нестабилност dILED на тока през LED, към която през последните години все повече производители прибавят фактора на мощност (Power Factor) PF.

Добре е да се има предвид, че не всички производители дават честотата fSW на превключване на Т. Друга характерна особеност на Dr е запазването на максималната им разсейвана мощност PDmax до по-високи температури в сравнение с други ИС – например този в ред 3 има PDmax = 1,6 W до TSP = 115 °С.

Специфична и полезна особеност на Dr в ред 5 е автоматичната смяна през 2 секунди на 4 стойности на интензитета на светлината, последователността на които се избира чрез логическите нива на два извода на ИС. Даденият в ред 6 е със схема на повишаващ стабилизатор, което позволява захранването на колони със значителен брой LED, а чрез подходящо свързване на външни резистори може да работи като стабилизатор на напрежение за приложения извън LED.

Драйверите в редове 1 и 2 на табл. 5 не осигуряват възможност за регулиране на ILED в процеса на работа и съответно на Fv (димиране). Този на ред 4 позволява изменението му от 0 до максималния (получен чрез импулси с коефициент на запълване d=1) с помощта на постоянно напрежение, приложено на специален извод.

Втората възможност за димиране е чрез PWM импулси, каквито са Dr на редове 4, и 5. Тези импулси са с честота няколко kHz (дава се в техническата документация) и димирането се постига чрез изменение на техния d. Тук специфичен параметър (не е даден в табл. 5) е отношението на максималния и минималния Fv на излъчваната светлина, наричано контраст  – например Dr в ред 5 има контраст 3000:1.

Съществуват Dr (даденият в ред 9) с димиране чрез един извод по двата начина. Фазовото регулиране (Dr в редове 8, 10 и 11) означава подаване на VIN чрез някой от масово разпространените димери (Off-Line TRIAC Dimmable). Същите Dr могат да работят и без димиране (редове 1 и 2).

За предпазване на LED от повреда в Dr се вграждат различни видове защити, които в зависимост от производителя могат да са срещу прекъсната тяхна верига (Open String, LED Open Protection) или дадена накъсо (Short String, LED Short Protection), от недопустимо голямо (Over Voltage Protection, OVP) или малко (Under-Voltage Lockout, UVLO) VСС, изключване при достигане на определена максимална температура на кристала (Threshold Temperature, OTP) и даден ток на LED (Over Current Protection, OCP).

За разработването на схеми с Dr повечето производители предлагат развойни комплекти (Evaluation Board).

Масово използваният интерфейс DALI намира приложения и за управление на Dr на LED. Характерен пример е STLUX385A на ST Microelectronics, който по своята същност е контролер с 6 изхода за PWM сигнали, а управлението може да се извършва и чрез интерфейсите I2C и UART.

Драйверът NCV78663 на ON Semiconductor е предвиден за приложения в автомобили – фарове за дълги и къси светлини, дневни светлини, мигачи, габарити и др. Той има два независими изхода с вградени NMOS транзистори и типично RDSon = 2,5 W, всеки от които осигурява ток до 1,2 А. Захранващото напрежение е VСС = 5-40 V и от него се консумира ICC = 6 mA. Част от параметрите могат да се регулират с външен микроконтролер чрез SPI интерфейс.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top