Новости в елементната база за LED осветление

Стефан Куцаров

Tъй като LED осветлението е сред най-бързо развиващите се области на електрониката, в статията са разгледани предимно елементи, появили се на пазара след 01.01.2015 г. Обзори на “по-стари” компоненти за светодиодно осветление са публикувани в бр. 8/2014 и бр. 5/2013 на сп. Инженеринг ревю.

През последните години към предимствата на LED се прибавиха увеличаването на максималната им мощност съчетано с по-добро охлаждане, подобряването на много от другите параметри, удължаването на реалния експлоатационен срок и намаляването на цената им.

За да се добие представа за темповете на развитие, е достатъчно да се отбележи, че през 2014 г. световното производство на LED за осветление е било за приблизително 6 млрд. USD, а за 2018 г. се очаква то да надхвърли 15 млрд., което ще е 57% от общо произведените LED.

Светодиоди за осветителни приложения
Значителният интензитет на светлината и ограничението по технологични причини на максималния ток на LED до около 2,8 А налага в много случаи последователното им свързване за осигуряване на необходимата мощност. Един начин за това е интегрирането на множество чипове в корпуса на LED, който подход заедно със съответното конструктивно оформление определя наименованието Packaged LED.

Сред съществените нововъведения е монтирането на излъчващите светлина полупроводникови кристали върху добре провеждаща топлината керамична подложка, с което се подобрява охлаждането и при даден размер на LED той може да работи с по-голям ток и да осигурява по-силна светлина без скъсяване на експлоатационния срок.

Обикновено производителите предлагат серии LED с дадена мощност PD и различни напрежения VF и максимални токове IFmax, с няколко стойности на светлинния индекс CRI и различни цветове, а при белите LED - с различни нюанси на цвета им (при това не бива да се забравя, че светлинният поток Fv намалява с нарастване на температурата на LED).

Типичен пример е серията XLamp MBH-А на Cree, която е представител на мощните LED (HP LED) и има параметри, представени на ред 5 от табл. 1. Подобна е серията XLamp MHD-E, но тя е с 2 пъти по-голяма мощност.

Керамична подложка използват LED от типа СОВ (Chip-On-Board), но върху нея са монтирани няколко чипа с общо луминофорно покритие. Такъв е показаният на фиг. 1а и ред 11 на табл. 1 LED с чипове за трите основни цвята и четвърти за бяла светлина, който осигурява регулиране на излъчвания цвят чрез токовете на чиповете.

Предимства на СОВ са намалените размери и цена, а поради структурата източникът на светлина е със значително по-голяма площ (Light Emitting Surface, LES) в сравнение с класическите LED. Тази площ достига няколко десетки mm2, понякога се дава като параметър и осигурява голям ъгъл на излъчване. Параметрите на други типични COB LED са показани на редове 2 и 4 в табл. 1.

Подобни са модулите (LED Module, LED Array) от два до пет LED монтирани върху МСРСВ (Metal Clad Printed Circuit Board) - метална (обикновено алуминиева) пластинка с тънък (няколко микрометра) керамичен слой с добра топлопроводност. Такъв е N0W09M02 от фиг.1б и ред 3 на табл. 1.

Като разновидност на СОВ може да се разглежда Multiply Junction Technology (MJT) с последователно свързани PN преходи върху един кристал, чрез която технология е реализирана серията от ред 12.

Сред новите технологии е CSP (Chip-Scale Package), чийто корпус е с малко по-големи размери от полупроводниковия кристал - такава е серията на ред 9 от табл.1. Предлагат се и класически средномощни (Mid-Power, MP) LED, които имат максимална разсейвана мощност PD между 100 и 500 mW, а пример за тях е показан на фиг.1в.

Към класическите серии единични LED с различни цветове вече са добавени такива със значително по-тясна спектрална характеристика, осигуряваща практически монохроматична светлина. Сред тях е серията LUXEON C Color Linc на Philips Lumileds, включваща LED с 11 цвята.

За декоративно осветление се ползват LED с различни цветове, например жълтият (lm=590 nm) с означение N0Y15S54 на Brightek, който има VF/IF=2.7V/350 mA.

За осигуряване на тесен светлинен лъч с голям интензитет (Projection Lighting) има специализирани LED - например серията OSTAR Projection Power на OSRAM Opto Semiconductors.

Параметрите на един от нейните представители са на ред 10 в табл. 1, а външният вид - на фиг. 1г. За излъчване във всички посоки (ъгъл 360°) при неголям интензитет на светлината се ползват СОВ LED със специфична конструкция, каквато е серията GW 3TLMF1.EM бели LED на OSRAM Opto Semiconductors.

Ултравиолетови LED. Излъчваните от тях невидими за човешкото око лъчи ускоряват и/или подобряват процеса на обработка на материали (Industrial Curing), ползват се за почистване на обекти, на въздух и вода от бактерии, за откриване на наличието на различни вещества.

Подобно на LED във видимата област обикновено се предлагат в серии с различна lm, която засега е не по-малка от 350 nm. Пример е VLMU3500-385-120 на Vishay Semiconductors с VF/IF=3.4V/500 mA, lm=385 nm и типична излъчвана мощност (Radiant Power) fе от 780 mW (която се дава вместо Fv на LED във видимата област).

Вече се предлагат и UV модули, какъвто е ARES 100A-395 на Flip Chip Opto с lm=395 nm, напрежение и ток 38.4V/2.8А и типична fе=20 W.

Вторична оптика (Secondary Optics). Сред бързо развиващите се приложения на LED е осветяването на големи открити и закрити площи, чиято ефективност се повишава чрез съчетаване на качествата на мощните диоди с подходящи лещи, рефлектори и други елементи на вторичната оптика за реализация на осветителни тела.

Типичен пример е CS15020_STRADA-JP-2X6-VSM на Ledil с външен вид, показан на фиг. 2, и размери 173х71.4х9 mm. Тя е предназначена за работа на открито и има ъгъл на излъчване 137° или 142° в зависимост от ползваните LED.

Съществуват и оптични системи за тесен светлинен лъч – например CP15212-CARMEN-S-B на същия производител е с ъгъл 14°.

Драйвери
Основното предназначение на драйверите (Driver) е да осигуряват неизменен ток ILED през LED за гарантиране на постоянен интензитет на светлината или на излъчваната мощност, което позволява разширяване на приложенията им и като източник на неизменен ток за произволен товар.

Продължават да се използват разновидностите, чийто принцип на действие е описан в гореспоменатата статия от бр. 5/2013 г. на сп. Инженеринг ревю. Значително намалява относителният дял на новопроизведените драйвери с външни мощни транзистори, които запазват приложенията си за произволно големи (по принцип) стойности на ILED и работа със захранващо напрежение VIN в много широки граници.

От друга страна, развитието на автомобилната електроника наложи увеличаването на производството на такива драйвери със специфични особености - по-широк работен температурен обхват (обикновено -40ё+125 °С) и множество защити (от късо съединение, прегряване и VIN над определена стойност).

Обикновено те могат да се използват и за индустриално и архитектурно осветление, в търговски обекти и на други места. За работа с два външни транзистора е серията МАХ16833... МАХ16833G на Maxim Integrated за VIN = 5 - 65 V и регулиране на ILED чрез PWM.

Характерни особености на новите драйвери с вградени мощни транзистори са непрекъснато намаляващият консумиран ток в работен режим (Operation Current) ICC(OPR), малките производствени толеранси (Output Current Tolerance) на ILED и наличието на множество защити (ползването на всички или определен набор от тях зависи от производителя);
• изключване при намаляване на VIN под минимално допустима стойност (Under Voltage Lock Out) UVLO;
• изключване при изходно напрежение над определена стойност (Over-Voltage Protection/Output-Open Protection) OVP, което обикновено се получава при прекъсване на LED;
• топлинна защита (Over Temperature Protection, Thermal Shutdown) ОТР - при достигане на определена температура TSD на кристала токът през LED се прекратява (не всички производители дават стойността на TSD) и се възстановява при температура, по-ниска с хистерезиса (Over Temperature Hysteresis);
• максималнотокова защита (Over Current Protection) ОСР с аналогично действие, но обикновено комбинирана със защита от късо съединение (Output Short Protection) OSP;
• защита с намаляване на ILED при превишаване на дадена температура (Thermal Fold-back Protection) TPF, по-малка от TSD – ако въпреки включването й се стигне до TSD, се задейства ОТР.

При ползването на драйверите трябва да се има предвид, че твърде бързо намаляват новопроизведените ИС без възможност за регулиране на ILED чрез външен сигнал (известното димиране – dimming).

Едно от типичните им приложения е в автомобилостроенето, каквато е А1569К на Allegro MicroSystems с типична схема на свързване на фиг. 3. Вижда се малкият брой на външните елементи, задаването на ILED до 150mA чрез резистора RIREF и включването/изключването на LED чрез извод EXT.

Вграденият ключ на Хол (HALL) прекъсва веригата на LED при ток и съответно индукция на създаденото магнитно поле над определена граница и я затваря при индукция, по-малка с хистерезиса на ключа. Подобна е STP04CM05 на STMicroelectronics с 4 извода за LED, чийто еднакъв ток се задава чрез външен резистор.

Драйвери с регулиране. По своята същност те обикновено са ИС за реализация на ключови стабилизатори с честота fSW, като в зависимост от начина на свързване на външните елементи могат да реализират две или повече от известните схеми (понижаващи, повишаващи и т. н.). Регулирането на интензитета на светлината се прави по един или два начина в зависимост от ползваната ИС.

Първият е аналогов, чрез постоянно напрежение, като интензитетът може да е линейна или нелинейна функция на напрежението, която в каталозите се представя с графика. Напрежението се променя между нула и максималната си стойност (няколко десети от V до няколко V), при която се установява токът ILEDmax, обикновено задаван чрез външен резистор (често зависимостта е нелинейна).

Вторият начин е чрез правоъгълни импулси с широчинно-импулсна модулация (PWM Dimming) с честота fPWM, като ILED е линейна функция на техния коефициент на запълване – като параметър той невинаги се задава, например на драйвера от ред 6 на табл. 2 е с максимална стойност 94%.

Полезно е да се има предвид, че малката fPWM осигурява по-прецизно изменение на ILED. Импулсите могат да се подават на същия вход както за аналоговото димиране или на друг вход в зависимост от ИС на драйвера. Съществуват и ИС (например дадената на ред 1 в табл. 2) с допълнителен вход за избор на режима на работа на всеки от двата входа.

Поради значителното разнообразие на възможностите за димиране е важно при разработването на конкретен прибор да се направи задълбочено проучване за избор на подходяща ИС на драйвер. При него трябва да се вземат предвид и осигуряваните защити, както и възможностите (не всички ги притежават) за успоредно свързване на няколко ИС към общ товар с цел увеличаване на тока му.

Съществена е и възможността за следене на температурата на LED чрез прибор (обикновено термистор), прикрепен на техния радиатор и свързан към специален извод на ИС (редове 1 и 3 на табл. 2). Не трябва да се забравят и множеството други съществуващи възможности – задаване на UVLO чрез външен делител (редове 2 и 5), чрез такъв делител на OVР (редове 5 и 6), чрез резистор на честотата fSW (редове 2, 5 и 6), известният от други електронни схеми плавен старт (Soft-Start) – драйверът на ред 5.

При ползването на драйверите трябва да се имат предвид създаваните електромагнитни смущения от правоъгълните импулси с fSW – смущенията намаляват при по-малка тяхна стръмност, но това е свързано с понижаване на h. Голямото VIN на драйвера на ред 3 позволява чрез мостов токоизправител той да бъде свързван непосредствено към 220-волтовата мрежа.

Драйверът на ред 5 е с 3 изхода с възможност за успоредното им свързване към товар, което определя едно от приложенията му в прожекционни апарати. Съществуват драйвери (даденият на ред 5) също с 3 изхода, наричани и канали, с допълнителната възможност за независимо регулиране на тока през свързаните към тях червен, зелен и син LED и съответно регулиране на цвета на светлината (Color Mixing Application).

Чрез прибавяне към тези 3 основни цвята и на бял (RGBW LED) излъчваната светлина се доближава до естествената, вкл. по яркост и наситеност.

Като пример на фиг. 4 е дадена типичната схема на свързване на драйвера от ред 7 на табл. 2 – всеки от каналите (G0-G3) е с външен транзистор, резистор RSi за задаване на максималния ток на неговата колона от LED и вход PWMi за регулиране на ILED.

Управлението чрез интерфейса I2C се използва по желание. Драйверът е от категорията на линейните, съответно няма бобина, но работи с VIN в сравнително тесни граници. Драйверът на ред 8 може да променя установения чрез резистор ток ILED между 0.25ILED и 2ILED с помощта на постоянно напрежение 0,3-2,5 V.

Матричните димери (Matrix Dimmer) реално представляват по-нататъшно развитие на тези с 3 и 4 извода, тъй като имат една или две групи от по 4 канала всяка с червен, зелен, син и бял (RGBW) LED или бели LED. Характерен пример е ИС LT3962 на Linear Technology с две групи канали, принципът на димиране с всеки от които е изяснен на фиг. 5 (за простота са показани само първият и последният от последователно свързаните LED).

Това е паралелен регулатор, в който чрез напрежението на гейта на всеки от NMOS транзисторите се променя неговият ток и този на успоредно свързания му LED, тъй като сумата от двата е токът I с фиксирана стойност. Така чрез напреженията на гейтовете се регулира интензитетът на светлината на всеки от светодиодите, а смесването им означава получаване на светлина с променящ се интензитет и цвят.

За по-масовия случай на димиране на бяла светлина четирите LED са бели и напреженията на гейтовете им са еднакви. Друга възможност е LED да са с различен нюанс на белия цвят, което позволява регулиране и на нюанса на общата светлина. Конкретната ИС осигурява максимален ток от 500 mA, напрежение на 8-те последователно свързани LED между 8 и 60 V и PWM регулиране на светлината на всеки от тях с 8-битово число.

От същия тип е TPS92661-Q1 на Texas Instruments, предназначена основно за автомобилни фарове. Тя управлява 12 LED за ток до 2 А, чиято стойност се регулира чрез PWM с 210 стъпки. Върху колоната може да се прилага напрежение до 60 V, а работният температурен обхват е -40ё+125 °С.

Осветление на прибори. За разлика от класическото LED осветление, т.нар. подсветка трябва да осигурява сравнително малък интензитет на светлината и равномерно осветяване на голяма площ, от което следват няколко характерни особености на използваните драйвери – типични ILED до около 100 mA, значителни стойности на изходното напрежение за последователно свързване на достатъчен брой LED, осигуряващи равномерно светеща повърхност и оформилото се като практически задължително димиране с цел промяна на интензитета на светлината в зависимост от околната.

Типичен пример за драйвер е серията LT3909 на Linear Technology с VIN=2.9-40 V, изходи за две колони LED с ток, задаван между 10 mA и 60 mA чрез външен резистор и димиране до 40000:1. В зависимост от броя на LED в колоните се установява необходимото изходно напрежение чрез външен делител. Допустимата температура на кристала на ИС е -40 °Сё+125 °С.

Сред непрекъснато разширяващите се приложения на смартфоните и таблетите е ползването им като фотоапарати и фенерчета. За импулсния режим на светкавицата в първото приложение и осигуряването на постоянна светлина при второто съществуват специализирани и вграждани в приборите ИС, каквато е МАХ77829 на Maxim Integrated.

Предназначението й налага работа с Li-акумулатор с една клетка, независимо от което при работа като фенерче към всеки от нейните два изхода могат да се свържат последователно до 8 бели LED с ток до 25 mA (задаван чрез 8b число, т. е. със стъпка приблизително 0,1 mA). Токът на светкавицата може да има 32 стойности, като най-голямата е 750 mA.

Контролери
Действието им по принцип не се различава от това на контролерите в класическите импулсни захранвания с основна разлика наличието на подходяща отрицателна обратна връзка за осигуряване на неизменния ток на LED. Идея за свързването им е дадена на фиг. 6, която е опростената основна схема на контролера от ред 4 на табл. 3.

Вижда се галваничното разделяне на LED от VIN, ползвано при осигуряване на това напрежение от мрежовото чрез мостов токоизправител, което се използва и в контролерите от редове 2 и 5. То отсъства в тези с автомобилни приложения (редове 1 и 3), където VIN се осигурява от акумулатора, какъвто е и случаят при постояннотокови мрежи ниско напрежение.

Схемата представлява синхронен стабилизатор на ток (служи и като драйвер), което обяснява наличието на Tp и Ts в първичната и вторичната намотка на трансформатора, и осигурява неизменен ILED чрез резисторите Rp и Rs и изходите PRDV и SDRV.

По принцип големината на този ток може да се регулира чрез ШИМ на импулсите в изходите. Включването и изключването на колона от LED се осъществява чрез TLED, управляван от извода с общо предназначение GPIO. Възможна е реализация на несинхронни стабилизатори чрез замяна на TLED с диод, а при контролерите само за такива (редове 1, 2 и 5) точка “а” е замасена. Принципното конструктивно предимство от замасяването на точка “b” е реализирано в останалите контролери от табл. 3.

Модули
Задължителна част от системите за светодиодно осветление са и модулите, захранвани непосредствено от променливо- и постояннотокови мрежи и от акумулатори. Освен желаните параметри за осигуряване на работата на LED, важен фактор за масовото им разпространение са дългият експлоатационен срок (Mean Time Between Failures) MTBF, улесненият монтаж (някои модели имат само две клеми за захранващото напрежение и две за свързване на LED, а други са предназначени за монтаж върху печатна платка) и съответствието на множество международни стандарти, между които и за избягване на смущенията върху околни устройства.

Съществена практическа особеност е, че модулите обикновено се предлагат като серии, най-често с различен максимален изходен ток ILED – например даденият на ред 2 от табл. 4 е част от серия от 16 модула с ILED между 0,3 и 2 А.

Групата на променливотоковите драйвери (AC-DC LED Driver) логично съдържат мостов токоизправител и имат разновидности за мрежи ниско напрежение (даденият на ред 2), а почти всички са с една или повече възможности за димиране.

От своя страна постояннотоковите драйвери (DC-DC LED Driver, означавани обикновено като LED Driver) са за входни напрежения до няколко десетки V, също са с димиране, като съществуват модели (например дадените на редове 3-5 в табл. 4) с възможност за работа и като стабилизатори на постоянно напрежение.

Предпазни схеми
Практически задължителното използване в осветителните тела на колони от последователно свързани LED обуславя недостатъка, че прекъсването на един от тях означава повреда на цялата колона. Обикновено то е поради прекъсване на свързващия проводник между кристала и извода на корпуса и принципът на запазване функционирането на колоната е показан на фиг. 7а.

При работещ LED тиристорът в успоредно свързания прибор LSP (LED Shunt Protection) е запушен, докато при прекъсване на LED се отпушва и запазва тока през колоната.

Показаният на фигурата прибор е на компанията Bourns, която произвежда още LSP0900, LSP1300 и LSP1800 за успоредно свързване към два, три или четири LED (в зависимост от желанието на конструктора). Всички те са за предпазване на LED c IF между 75 mA и 1 А.

С аналогична абревиатура в наименованието (но произлизаща от Lighting Surge Protection) са сериите предпазни модули LSP05 и LSP10 (Surge Protection Device, SPD) на Littelfuse. Те за предназначени за предпазване на свързани към мрежата AC/DC модули от отскоци на напрежението в нея и свързването им е показано на фиг. 7б.

Втората серия съдържа 7 прибора с напрежение на задействане между 120 и 480 V - например LSP10240 дава накъсо отскоци на напрежението над 240 V и издържа импулсен ток през себе си от 10 kA.

Новата разновидност CeraDiodes на EPCOS (TDK Group) има поведение на два последователно и противопосочно свързани стабилитрона и съответно ограничава двуполярни напрежения между 4 V и 200 V в зависимост от модела в серията.

Прилагат се за ограничаване на ESD, като освен за предпазване на LED се използват и при много други електронни прибори и устройства.