Нови компоненти за LED осветление

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 9/2019 • 09.01.2020

Нови компоненти за LED осветление

Стефан Куцаров

Mалко са областите с динамика на развитие, съизмерима с тази на светодиодните (LED) технологии. Чрез LED се реализират осветителни тела, които е трудно да бъдат направени с класически източници на светлина, например вградени в стени и тавани тънки и равномерно осветени плоскости включително и с регулируема цветна температура. Към това се прибавят реалистичните очаквания към ролята им като един от факторите за намаляване на екологичните проблеми в света. Темата за LED технологиите има традиционно присъствие на страниците на сп. Инженеринг ревю – достатъчно е да се споменат статиите в броеве 5/2016, 5/2017 и 1/2018 г. Настоящият материал отразява новостите след 01.05.2016 г., а при компонентите за управление на LED осветлението – след 01.05.2017 г.

Същност на новостите

Технологии за производство на LED. Нараства използването на полупроводника InGaN, който представлява съчетание на GaN и InN, като в зависимост от тяхното съотношение се получават LED от близката ултравиолетова област до сини. Едно от предимствата на InGaN е намаляването на напрежението в права посока до около 2,6 V, което позволява захранване с драйвери с намалени размери и с по-ниска енергоконсумация. Към това се прибавят повишеният интензитет на излъчваната светлина, регулирането му (димиране) с много малко или въобще без влияние върху цвета на светлината и по-ефективното (до 40%) преобразуване на електрическата енергия. Допълнително повишаване на светлинния поток се получава чрез нанасяне на полупроводника върху подложка от сапфир, каквато е серията VLDB1232/VLDTG1232 на Vishay Semiconductors. Съществуват и разновидности с ползване на AlInGaP, например червеният LED от серията VLMRGB6112-00-GS08 на същия производител, чиито основни приложения са за декоративно осветление и осветление в кабината на автомобили.

 

 

Терминът Multi-Color-Emitter се отнася за LED с няколко излъчващи структури (емитери) в корпуса, всяка за светлина с определен цвят и независимо регулиране на интензитета й. Това позволява промяна на цвета в процеса на работа на LED и е подходящо главно за архитектурно, акцентно и сценично осветление, както и за светлинни ефекти. Пример е серията LZ7-04M100 на LED Engin (част от Osram Opto Semiconductors) с емитери за червен, зелен, син, студен бял, кехлибарен, синьо-зелен и виолетов цвят и максимален ток 1,5 А на всеки от тях.

Спектралната характеристика на типичните LED за осветление е представена на фиг. 1а, като значително и нежелано се различава от тази на слънчевата светлина, дадена с прекъсната линия. Коригирането на това се осъществява чрез т. нар. ориентирано към хората осветление (Human-Centric Lighting), за реализацията на което производителят Seoul Semiconductor е разработил нов тип LED с наименование SunLike, характеристика, близка до тази на слънчевата светлина (фиг. 1б) и структура, схематично представена на фиг. 1в. Такава е серията SAWS0661A, особено подходяща за производствени помещения, търговски обекти, болници и музеи.

Друга нова разработка са т. нар. LED с квантови частици (Quantum Dots LED), означавани като QDLED и QLED. Наименованието е заради на реализацията на полупроводниците им от малки частици – около 3 nm за излъчващите зелена светлина и около 7 nm за червена. Предимствата спрямо класическите LED са възможността за получаване на много добри цветове, намаленото влияние на външни фактори като влага и високото качество на производство. Създадени са съвместно от компаниите Pacific Light Technology и Osram Opto Semiconductors, като последната предлага серията GW QSLR31.PM от осем LED с цветна температура между 3000 и 6500 К, подходящи основно за външно осветление, например на улици и тунели.

Корпуси. Към масово използваните сравнително нови Chip on Board (CoB) и Chip Scale Package (CSP) се прибавиха безкорпусните LED (Package-free LED) с логичното предимство на намалени размери, постигнато чрез нанасяне на луминофорния слой и на лещата върху него непосредствено върху полупроводниковия кристал.

Допълнителни качества са подобреното охлаждане и съответно улеснената реализация на LED с голяма електрическа мощност и намалена производствена цена. Производителят Seoul Semiconductor ги означава с WICOP, като типични примери са мощните от серията Z8 Y11 с осем бели LED (размери 1,14x1,14x0,455 mm), както и по-големият (7,2x3,5x0,814 mm) бял SWW0Y5PA, предназначен за автомобили.

Чрез монтаж на полупроводниковия кристал върху керамична основа платформата NX Technology на Cree осигурява (по данни на производителя) с 50% по-голям интензитет на светлината при дадена площ на LED и намира приложения най-вече в LED с голяма мощност. Сред примерите е серията XD16 от 31 LED с цветна температура между 6000 и 7000 К и постоянен ток между 350 mA и 2 А при размери 1,6x1,6x0,78 mm. Също върху керамична основа компанията Everlight Electronics произвежда 7 серии ултравиолетови LED всяка с по 4 модела. От тях с мощност 4 W е ELUA35 с дължина на вълната l=360-410 nm и размери 3,75x3,75x2,6 mm.

Интелигентно осветление (Smart Lighting). С този все по-популярен термин се означава наличието в LED и осветителните тела на допълнителни възможности за управление и за създаване на комфорт. Засега няма точно определение на термина, а съществуващите от години "умни" системи осигуряват автоматично включване на осветлението при влизане в помещението и регулиране на интензитета на светлината в зависимост от външната. Пример за новост в тази насока е E4633i като част от Osire family на Osram Opto Semiconductors. Следващата стъпка е споменатото регулиране на цветната температура на светлината. Смята се, че топлата бяла светлина (Warm White) с 2700-3500 К създава спокойна и подходяща за почивка обстановка, докато т. нар. естествена бяла (Natural White) с 3500-5000 К и студената бяла (Cold White) с 5000-7000 К подобряват концентрацията и повишават работоспособността. Реализацията се осъществява чрез осветителни тела с две или три групи LED с подходящи цветове и независимо регулиране на интензитета на всеки от тях посредством някой от съществуващите интерфейси, например DALI, Bluetooth и др.

Създават се нови разновидности на LED, един от примерите за каквато е с три кристала за син цвят (460 nm) и два за червен (611 и 615 nm), нанесени върху керамична подложка 5x5 mm. За усъвършенстване на "умното" осветление продължават да се провеждат и изследвания с цел прецизно установяване на влиянието на спектъра на бялата светлина върху здравето и поведението на хората с оглед създаване на по-съвършени бели LED. Предлагат се множество безжични системи за управление на LED осветлението, типичен пример за които е Osram Lightify, базирана на интернет комуникация и преносими устройства, например смартфони.

 

LED с общо предназначение

В зависимост от максимално допустимата електрическа мощност Р съществуват 3 групи LED за осветление. При средномощните тя е до 1 W при долна граница 0,1-0,2 W в зависимост от производителя, мощните (High-power) са с P = 1-4 W, а при свръхмощните (P>4 W) горната граница е малко над 100 W. Тъй като мощността е произведението от напрежението в права посока (Forward Voltage) VF и максималния постоянен ток (Forward Current) IF, последният често се дава вместо нея.

Бели LED. Те са най-често ползваните за осветление и приложенията им стават все по-разнообразни: осветителни тела с излъчване във всички посоки (Omnidirectional) и насочена светлина (Directional), монтирани на тавана (High Bay Light за височина на помещението над 6 m), външно осветление на открити площи и в тунели и много други. Белите LED практически винаги се предлагат като серии (LED Series), някои съдържащи над 100 модела. Прието е в каталозите да се дава означението на серията (което е направено в таблици 1-3), а това на всеки от моделите е чрез букви и цифри, прибавени към нейното име. Често сериите съдържат модели от две или трите групи по мощност и това определя набор от корпуси с различни размери – за тези случаи в таблици 1-3 е даден най-малкият.

 

 

Първият от основните параметри на белите LED e ССТ (Correlated Color Temperature) с мерна единица келвин (К), който показва нюанса на излъчваната бяла светлина – споменатите топъл бял, естествен бял и студен бял. Индексът за цветопредаване (Color Rendering Index) CRI е безразмерна величина и служи за оценка на различието на излъчената от LED и “естествената” бяла светлина, която е със CRI=100 (на практика халогенните източници с нажежаема жичка имат CRI близък до 100). По-големите му стойности означават LED с по-близка до естествения цвят светлина.

Чрез светлинния поток (Luminous Flux или само Flux) Φv с мерна единица лумен (lm) се оценява яркостта (brightness) на светлината. Стойността му е в сила за излъчване по перпендикуляра към повърхността на LED и намалява при излъчване под ъгъл спрямо него. За субективното човешко възприятие потокът остава постоянен до намаляване наполовина, което е при ъгъл φ, а 2φ е параметърът ъгъл на наблюдение (Viewing Angle, Beam Angle).

Светлинната ефективност (Luminous Efficacy) LE представлява стойността на светлинния поток, създаван от електрическа мощност 1 W и затова е с измерение lm/W, означавано и като LPW. Напрежението VF зависи от температурата на LED и при обикновено осигурявания от управляващата електроника IF=const това води до промени на Р и Φv. Оценката на изменението се прави чрез температурния коефициент TCVF с измерение mV/°C или стойността на VF при температури +25°С и +85°С.

Оценка на разликата в нюансите на цвета на екземплярите от даден модел се прави чрез величината SDCM (от Standard Deviation Color Matching), като при 1CDCM (ползвано наименование 1-step MacAdam ellipse и означение 1-step) не може да се установи разлика. Тя започва при 2-step, нараства при 3-step и т. н. Обикновено ползваните LED са от 2-step до 5-step, а SDCM невинаги се дава в каталозите.

В таблици 1-3 са представени основните параметри на LED от трите групи. Светодиодът на ред 5 в табл. 2 е с естествен бял цвят и специфични приложения за градинско (Garden Light) и архитектурно осветление и за осветяване вътрешността на бяла техника. Стойността на IF на LED в серията на ред 6 в табл. 3 е валидна при монтирането му върху медна печатна платка.

Цветни LED. Те излъчват в тясна лента от дължини на вълните с широчина (Spectral Bandwidth) Δλ, разположена около дължината λpeak с максимален Φv (Peak Wavelength, PWL, Wavelength at Peak Emission). Заедно с λpeak в техническата документация се дава и съответстващият й цвят на светлината. Съществуват LED само с един цвят, такива с няколко цвята и отделно захранване на всеки от тях (ред 2 на табл. 4), както и серии с различни цветове, включително и бял (ред 1 на табл. 4). Понякога за Φv се използва мерната единица W, представляваща отношението lm/LE – например LED на ред 4 в табл. 1 има Φv между 155 mW и 182 mW. При задаване на Φv във W вместо LE се ползва параметърът Radian Efficacy (RE) с аналогично значение.

 

 

Автомобилни LED

Независимо от наименованието освен в автомобили те се използват и в мотоциклети, електрически велосипеди и др. Няма сериозни различия в структурата на LED за автомобили и тези за класически осветителни тела освен задължителното съответствие със стандартите за автомобилната електроника. Поради това не са малко автомобилните LED с възможност за ползване за осветление и на други места, което се отбелязва в документацията им. Интерес представлява възможността за създаване на нов тип фарове, съдържащи повърхност с множество LED сегменти и разположение, както пикселите в телевизионните екрани. Всеки от тях може да се включва самостоятелно за реализиране на адаптивно осветяване - типичен пример е хибридният светодиоден модул Eviyos на Osram Opto Semiconductors.

 

 

В зависимост от предназначението и мястото на поставяне има LED за външно и вътрешно осветление, както бели и цветни с приблизително еднакъв относителен дял.

Бели LED. С малки изключения те се ползват за външно осветление и това налага да са мощни и свръхмощни. Типични приложения са във фаровете за дълги (High Beam) и къси (Low Beam) светлини, за дневни светлини (Daytime Running Light, DRL), за условия на слаба видимост (Fog Light) и т. н. Примери за бели LED са дадени на редове 1-3 в табл. 5.

Цветни LED. Ползват се и за външно, и вътрешно осветление. Типични прибори са показани на редове 4-6 в табл. 5, като този на ред 5 е част от серия със син и бял LED, а от ред 6 се вижда предлаганата серия от червен, зелен и син LED. Неголемият IF на последните два определя използването им само за осветление в купето.

 

LED за селскостопанското производство

През последното десетилетие бяха разработени LED със специфични спектрални характеристики (Horticulture LED) и осветителни тела на тяхна основа (Grow Lamp), позволяващи по-бързо и евтино отглеждане на културите в парници. Допълнителни предимства на тези LED спрямо ползваните досега натриеви лампи са два до три пъти по-малката консумация на електроенергия, намаленото нежелано излъчване на топлина и възможността за разполагане един над друг на множество съдове с растения (Vertical Farm). За създаването на оптимални условия за отглеждане са необходими LED с излъчване на червена, зелена, синя и бяла светлина и независимо регулиране на интензитета на всяка от тях, тъй като всяка от фазите на растежа изисква специфична спектрална характеристика. Към това се прибавят необходимостта от значителна мощност, мерките за добро охлаждане не само от корпуса на LED, но и чрез печатната платка и радиатора, както и стойността на 2φ между 80° и 150°.

При избора на "селскостопански" LED трябва да се има предвид, че могат да се ползват и някои от предназначените за осветление, което е отбелязано в техническата им документация. Две са възможностите за реализация на осветлението, първата от които е чрез една серия LED с различни цветове. Примери са дадената на ред 3 в табл. 1, серия XI3030P със 7 цвята на Everlight Electronics, серията Z5 Horticulture на Seoul Semiconductor с десет LED и серията WL-SMDC на Wuerth Elektronik със син, червен, зелен и жълт LED. Втората възможност е с LED от различни серии за всеки цвят, какъвто е червеният LH351H на Samsung Electronics. През последните години бяха направени изследвания за ползата от прибавянето на ултравиолетови лъчи към тези на видимия спектър.

 

Интегрални схеми за управление на LED

Съществуват две основни разновидности на ИС, първата и най-масово използвана от които са драйверите. Тяхната структура е предвидена за захранване с неизменен ток с максимална стойност IOUT обикновено на една, две или повече групи от последователно свързани LED (колона 5 на табл. 6). Допустимият брой LED във всяка от тях e в зависимост от цвета им и максималното изходно напрежение VOUT на драйвера. Към IOUT някои производители прибавят като параметър максималната изходна мощност POUT. Нежеланите изменения на изходния ток (по каквито и да е причини) се оценяват чрез параметъра Output Current Accuracy със стойности обикновено около ±5%. Получените поради това промени в интензитета на светлината са незабележими за човешкото око.

 

 

Реализацията на драйверите най-често е на основата на понижаващ ключов стабилизатор (Buck LED Driver) с постоянно входно напрежение VIN. Ползваните за захранване на LED в автомобили (Automotive Grade LED Driver) са за вътрешното и/или външното осветление, нямат принципни различия от останалите освен съответствие със стандартите за автомобилна електроника и обикновено в края на означението им е прибавена буквата Q. Полезни в практиката, но с по-малък относителен дял, са драйверите с променливо VIN и възможност за непосредствено свързване към електрическата мрежа (дадените на редове 5 и 6 в табл. 6).

Част от драйверите осигуряват димиране чрез подаване на техен извод на импулси с широчинноимпулсна модулация (ШИМ), на постоянно напрежение и по-рядко на данни от външен интерфейс (редове 7 и 8 на табл. 6), при което токът им се променя в широки граници (Dim, % в колона 4 на табл. 6). Също така в някои драйвери IOUT се задава чрез свързване на резистор към определен техен извод или между два извода - тази възможност в колона 5 е означена с ISET. По-рядко този извод или друг се ползва за включване и изключване на драйвера (означение ON/OFF в колона 5). При включването на драйверите съществува опасност в някои от тях изходният ток да се установи след един или повече отскоци, което се избягва чрез вграден блок за плавен старт (Soft Start) - SS в колона 5.

Практически не съществуват драйвери без защити, чийто избор се прави при проектирането. Те също са отразени в колона 5, като UVLO (от Under-Voltage Lock-Out) изключва LED при VIN под определена стойност и нормалната работа автоматично се възстановява при увеличаването му над нея. Подобна е ILOV (от Input Line Overvoltage) при надхвърляне на друга стойност на VIN, която защита е с по-малко приложение главно в драйвери с мрежово захранване. Тя не трябва да се бърка с ОVР (от Over Voltage Protection), която е за надхвърляне на VOUT. Също свързана с изхода на драйверите е SCP (Short Circuit Protection) за тяхното изключване при късо съединение на изхода им, която в някои модели се задейства при надхвърляне на IOUT. Температурната защита (Over Temperature Protection) OTP е от класическия тип за електронните схеми и има хистерезис между 10°С и 30°С. Специфична е тази при прекъсване на веригата на LED (Open Circuit Detection) OCD.

 

При практическото ползване на драйверите трябва да се има предвид даваната в документацията им схема (или схеми) за тяхното свързване, която обикновено е сравнително проста. Пример за драйвера от ред 4 в табл. 6 е показан на фиг. 2, като RSENSE е за задаване на ISET, извод ADIM е за димиране с постоянно напрежение и DIM – чрез ШИМ. Диодът служи за предпазване на LED от обратни напрежения, а на схемата не е отбелязано свързването между ADIM и маса на термистор за температурна защита.

В табл. 6 са дадени основните параметри и особености на драйверни ИС, като за битови осветителни тела са приборите от редове 5 и 6, специално за полилеи се препоръчва този на ред 2, за индустриално и архитектурно осветление е драйверът на ред 4, а за автомобилно осветление са драйверите на редове 1, 3, 7 и 8.
Нарастващото през последните години използване на микромодули в електронните устройства не отминава и LED осветлението. Такъв е LTM8005 на Analog Devices с размери 11,25x9x2,2 mm, VIN=5-38 V, IOUT=1,6 A и TA=-40÷+150°C. Не са малко и драйверите, реализирани на печатна платка с типичен представител STEVAL-ILL070V4 на STMicroelectronics, предназначен за свързване към електрическата мрежа и осигуряващ IOUT=700 mA и VOUT=24-48 V.

С по-малък относителен дял и същото действие и значение са контролерите, а основната им разлика от драйверите е, че транзисторът за осигуряване на тока на LED и резисторът за ISET са външно свързани елементи към тяхната ИС и те определят максималните ток и напрежение на LED. В зависимост от стойността на VIN съществуват два вида контролери, в първия от които то е от същия порядък както на драйверите, а приложенията им са главно в автомобили. Идея за свързването им е дадена на фиг. 3, а ползваната ИС е на Diodes Inc. с VIN между 4,5 V и 60 V. Друг пример е интегралната схема МАХ20078 на Maxim Integrated, предвидена за работа с двойка външни транзистори, което обуславя изходящ и входящ ток на извода им за свързване на LED и съответно разширява възможностите за свързване.

Димирането е с напрежение и с ШИМ, а работният температурен диапазон е ТА между -40°С и +125°С. Със същия температурен обхват са BD18345EFV-M на ROHM Semiconductor и TPS92830-Q1 на Texas Instruments, като първата е с VIN=4,5-19 V, а втората – с 4,5-40 V. Особеност на последната е възможността за свързване на 3 колони LED с независимо захранване, задаване на ISET и димиране.

Вторият вид са контролерите за свързване към електрическата мрежа, чието напрежение чрез мостов токоизправител създава постоянното VIN на тяхната ИС. Реализират се чрез ключов стабилизатор с галванично разделяне и свързване на ИС в първичната намотка на трансформатора му. Основно за ползване в осветителни тела е XDPL8210 на Infineon Technologies, позволяваща работа както с мрежово напрежение 90-305 V, така и с постоянно напрежение между 127 и 432 V, например получавано от акумулатора на електромобил. С възможност за захранване на LED и с неизменно напрежение са NCL30386 на ON Semiconductor и HVLED001B на STMicroelectronics.

Новият брой 4/2020

брой 4-2020

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ



ЕКСКЛУЗИВНО

Top