Светодиодные источники света компании Light Engines Corporation

Введение

Готовые светодиодные модули начинают пользоваться большим спросом в современной промышленности. Эти устройства представляют собой основание – печатную плату, на которой установлены светодиодные кристаллы, соединённые в последователь

нопараллельные цепочки. Основным преимуществом светодиодных модулей является экономия времени и средств, требуемых для разработки и создания систем освещения.

Светодиодные модули начали появляться на рынке в начале 2000х годов. Одним из первых мировых производителей, которые стали уделять особое внимание их разработке и развитию, была компания Sharp [1, 2]. Световой поток таких модулей составлял порядка 500 люмен. В настоящее время данный параметр светодиодных модулей значительно выше, а цена стала более привлекательной. Выпуск светодиодных модулей типа «chiponboard» (кристаллы на плате, КнП) стали наращивать и другие производители, например, Bridgelux и Citizen. В настоящее время светодиодные модули предлагают практически все компании – производители светодиодов.

Технология КнП

Технология КнП появилась в конце 1960х годов и использовалась для производства гибридных интегральных микросхем (ГИМС): кристаллы бескорпусных активных элементов монтировались непосредственно на плату – подложку, что обеспечивало хороший отвод тепла, высокую надёжность, миниатюрность, а также экономическую эффективность. В результате ГИМС получили широкое распространение в различных областях электронной промышленности [3].

В современных КнП для получения белого цвета свечения модуля на кристалл светодиода наносят люминофор. Как правило, он смешивается с оптическим гелем, который полимеризуется, образуя плёнку небольшой толщины – своеобразную первичную оптическую систему светодиодного модуля КнП. Синий свет кристалла, проходя через данную плёнку, частично поглощается люминофором и возбуждает его, в результате чего происходит свечение люминофора в жёлтозелёном спектральном диапазоне. В результате смешения синего и жёлтозелёного цвета образуется белый цвет свечения [4]. При использовании таких светодиодных модулей в светильниках, для получения требуемой кривой силы света (КСС), необходимо применять вторичную оптику, которую производит достаточно много компаний.

Ключевым параметром надёжности и долговечности светодиода является температура его p–nперехода. При работе изделия нельзя допускать, чтобы температура p–nперехода кристалла превышала предельно допустимое значение, приводимое в спецификации на кристалл или светодиод.

Перегрев p–nперехода DT относительно поверхности печатной платы, корпуса устройства или окружающей среды можно оценить через тепловое сопротивление устройства по формуле [4]

 

                DT = PСД ´ RthСД +

                + PСДS ´ Rthрадиатор. (1)

 

С помощью преобразования формулы (1), при известных тепловом сопротивлении светодиода или кристалла, параметрах материалов, использованных при монтаже, и температуре окружающей среды Taтм, можно оценить температуру p–nперехода Tj свето

диода в конечном устройстве по формуле [4]

 

                Tj = Tатм + PСД ґ RthСД +

                + PСДS ґ Rthрадиатор. (2)

 

С помощью формулы (2) можно определить, при какой температуре это устройство может работать. Пример тепловой схемы светодиодного устройства приведён на рисунке 1. На основании схемы можно произвес

ти тепловой расчёт светодиодного модуля с тремя мощными светодиодами при окружающей температуре Taтм = 25°C [4].

Тепловое сопротивление светодиода (СД) составляет 15°C/Вт, тепловое сопротивление клея или монтажной пасты и печатной платы – 6°C/Вт, тепловое сопротивление радиатора – 10°C/Вт. Схема расчёта приведена на рисунке 2. Из неё следует, что при рабочем токе светодиода 350 мА (потребляемой мощности светодиода примерно 1 Вт) и окружающей температуре 25°C температура p–nперехода будет равна

 

                Tj = 25°C + 1 Вт ґ 21°C/Вт +

                + 3 Вт ґ 10,1°С/Вт = 76,3°С.

 

Такое значение температуры вполне соответствует рабочему режиму, поскольку температура p–nперехода большинства светодиодных кристаллов не должна превышать 125°C, а для кристаллов некоторых производителей максимальной температурой является 150°C.

Однако при токе через светодиод 700 мА, т.е. потребляемой мощности порядка 3 Вт, при температуре окружающей среды температура p–nперехода составит

 

                Tj = 25°C + 3 Вт ґ 21°C/Вт +

                + 9 Вт ґ 10,1°С/Вт = 172,9°С.

 

Таким образом, повышение рабочего тока до 700 мА недопустимо для данного устройства.

При использовании технологии КнП кристалл монтируется непосредственно на плату, что исключает вклад в тепловое сопротивление других компонентов светодиода и уменьшает тепловое сопротивление модуля. Пример тепловой схемы устройства на основе светодиодного модуля КнП приведён на рисунке 3.

Для изделий большинства современных производителей значение теплового сопротивления модуля составляет порядка 1°C/Вт. Схема расчёта устройства на светодиодном модуле приведена на рисунке 4. Из неё следует, что для светодиодного модуля с тремя кристаллами, работающими при токе 350 мА (1 Вт на светодиод) и окружающей температуре 25°C, температура p–nперехода будет равна

 

                Tj = 25°C + 3 Вт ґ 11°C/Вт = 58°С.

 

Полученное значение температуры p–nперехода почти на 25% ниже, чем для модуля на основе корпусных светодиодов. Поэтому для такого изделия можно использовать повышенный ток, например, 700 мА на кристалл. Тогда тепловой расчёт даёт

 

                Tj = 25°C + 9 Вт ґ 11°C/Вт = 124°С.

Такое значение температуры p–nперехода практически равно максимальному для кристаллов большинства производителей. Тем не менее, в определённых условиях изделие может работать, а в случае применения кристаллов с максимальной рабочей температурой 150°C режим устройства останется в рабочих пределах.

Возможность реализации описанного выше теплового дизайна является существенным преимуществом технологии КнП. Однако необходимо упомянуть о недостатках. В большинстве модулей кристаллы расположены близко друг к другу, и при увеличении мощности (и температуры) за счёт повышения рабочего тока конвекционные процессы нагрева могут привести к тому, что тепло от p–nперехода (изза взаимного нагревания кристаллов) не будет отводиться столь же эффективно. При непрерывной работе такого модуля повышенный нагрев сказывается на характеристиках кристалла и люминофора [3, 4], что вызывает ускоренную деградацию параметров модуля в виде снижения светового потока и ухода цветовой температуры [5]. Эффективность светильника на основе уплотнённых модулей также снижается, поскольку для ре

ализации требуемой КСС необходи

мо применять вторичную оптику для группы из нескольких светодиодных кристаллов.

Светодиодные модули

компании Light Engines Corporation

Проблему можно решить, если располагать кристаллы на определённом расстоянии друг от друга [3]. Это позволяет избегать их перегрева за счёт конвекции: под каждым кристаллом остаётся симметричная часть платы, которая становится первичным теплоотводом, что улучшает тепловой режим работы каждого кристалла и модуля в целом.

В таких оптимизированных модулях каждый кристалл оснащён индивидуальной первичной линзой, реализующей требуемую КСС. Пространство под линзой заполняется гельлюминофорной смесью, которая обеспечивает получение белого цвета свечения и уменьшение потерь за счёт улучшения соотношения показателей преломления материалов кристалла, линзы и оптического геля.

Использование таких модулей значительно упрощает разработку светильников, т.к. производитель уже подобрал оптимальные значения цветовой температуры, произвёл сборку светодиодного модуля и обеспечил требуемую КСС. Компания Light Engines Corporation собирает свои изделия по оптимизированной технологии.

Компания вышла на рынок в

2008 году и стала одним из ведущих поставщиков светотехники. Продукция компании является энергосберегающей, обладает высокой надёжностью и представляет собой готовые к использованию светодиодные модули с встроенной первичной оптикой, оптимизированные по тепловому рассеиванию. В конструкции изделий компании применяются защищённые патентами решения в оптических системах и технологии сборки светодиодных модулей. При разработке продукции специалис

ты компании учитывают конкретные применения. Однако это не делает изделия компании узкоспециализированными и позволяет выпускать конкурентоспособную продукцию.

Компания Light Engines Corporation выпускает широкий ассортимент светодиодных модулей для различных применений. Линейка светодиодных модулей включает в се

бя устройства для подсветки, а так

же системы офисного и дорожного освещения.

Модуль Inda Flood

Модуль Inda Flood (см. рис. 5) предназначен для применения в светильниках для промышленных помещений с высокими потолками. Узконаправленная асимметричная КСС данного модуля (см. рис. 6) позволяет решать сложные задачи освещения проходов и рабочих зон.

Модуль способен работать в широком диапазоне температур от –60 до +60°С, что расширяет область его применения на помещения с жёсткими температурными условиями.

Светодиодные модули Inda Flood выпускаются с формфакторами 2ґ8 и 2ґ6, с типичным световым потоком в 1400 и 1050 лм, соответственно. Все модули работают при токе в 350 мА, однако способны выдерживать колебания тока до 400 мА. Габаритные размеры (в мм) светодиодного модуля Inda Flood с формфактором 2ґ8 показаны на рисунке 7.

Цветовая температура модуля в 4500 К обеспечивает наиболее естественный для помещений оттенок белого света, а небольшая потребляемая мощность 14 Вт (для модуля 2ґ6) и 17 Вт (для модуля 2ґ8) благоприятно сказывается на энергозатратах. Основные характеристики светодиодного модуля Inda Flood приведены в таблице 1.

Модуль Office Flood

Светодиодные модули Office Flood (см. рис. 8) специально разработаны для офисного освещения и удовлетворяют всем требованиям соответствующих стандартов. Первичная оптика обеспечивает необходимую КСС (см. рис. 9) с учётом «защитных» углов, не допускающих ослепления присутствующих в помещении людей, равномерное распределение света на освещаемой поверхности и низкую яркость для прямого наблюдателя.

Модули выпускаются в формфакторе 1ґ8, размеры модуля (в мм) указаны на рисунке 10. Типичное значение светового потока составляет 750 лм. Основные характеристики светодиодного модуля Office Flood приведены в таблице 2.

Цветовая температура, соответствующая диапазону естественного белого цвета, в 4500 К в сочетании с компактными размерами и потребляемой мощностью 9 Вт делает данный светодиодный кластер идеальным решением для освещения офисов, конференцзалов и других помещений, где требуется яркий, естественный свет при низком энергопотреблении.

Модуль Street Flood

Специально разработанные в исполнении IP65 для уличного освещения модули Street Flood (см. рис.11) имеют широкую КСС (см. рис.12), необходимую для освещения улиц, что позволяет изготавливать простые по конструкции и эффективные уличные светильники различной мощности, способные конкурировать с приборами на ртутных и натриевых лампах.

Светодиодные модули Street Flood выпускаются с формфакторами 2ґ6 и 2ґ8, с цветовой температурой от естественного (4500 К) до холодного (6500 К) белого света. Размеры (в мм) светодиодного модуля Street Flood с формфакторами 2ґ6 и 2ґ8 указаны на рисунке 13а и 13б, соответственно. Основные характеристики светодиодного модуля Street Flood приведены в таблице 3.

Низкая потребляемая мощность от 13 до 18 Вт, рабочий ток 350 мА, высокий световой поток и широкий температурный диапазон позволяют применять данный светодиодный модуль в большинстве современных уличных систем освещения.

Модуль для светильников

с рассеивателем

Экономичный светодиодный модуль ненаправленного света (см. рис.14) разработан для применения

в арматуре светильников с рассеивателем; КСС модуля приведена на рисунке 15. Прибор рекомендует

ся использовать в офисных и до

машних светильниках, допускаю

щих использование ненаправленного света.

Низкая потребляемая мощность

(4,5 Вт) и умеренная стоимость делают этот модуль привлекательным выбором при разработке проектов. Как

и другие модули компании Light Engines, он имеет цветовую температу

ру 4500 К и широкий температурный диапазон. Рабочий ток составляет

350 мА. Габаритные размеры (в мм) светодиодного модуля приведены на рисунке 16, основные характеристики – в таблице 4.

Заключение

Готовые светодиодные модули становятся всё более популярными. Простота установки, надёжность и энергосбережение являются решающими факторами при выборе источников для систем освещения. Именно такими качествами обладают современные светодиодные источники, реализованные по технологии КнП.

Успехи, достигнутые компанией Light Engines в разработке и производстве светодиодных модулей, позволяют ожидать, что продукция компании будет занимать всё большую долю рынка, а успешное применение современных осветительных технологий ускорит общественное признание светодиодных источ

ников света.

Литература

1.            Смирнов В., Туркин А. Sharp LED – и мощно, и ярко. Полупроводниковая светотехника. 2010. № 2. С.14–17.

2.            Смирнов В., Туркин А. Вопросы применения светодиодных модулей Sharp в светотехнических изделиях. Полупроводниковая светотехника. 2010. № 3.

С. 7–9.

3.            Когтева Е. ChiponBoard Single lens: энергия будущего. Современная светотехника. 2012. № 3 (16). С. 42–43.

4.            Светодиоды и их применение в

освещении. Под общей редакцией

Ю.Б. Айзенберга. ЗАО «Дом света» совместно с фирмой Osram. Москва. Знак. 2012.

5.            Полищук А.Г., Туркин А.Н. Деграда

ция светодиодов на основе гетероструктур нитрида галлия и его твёрдых растворов. Светотехника. 2008. № 5.

С. 44–47.

© СТА-ПРЕСС