Современные высокоэффективные светодиоды компании Samsung

По данным ведущих аналитических агентств и специализированных изданий, примерно 70% выпускаемых в мире светодиодов приходится на 10 ведущих производителей. Компания Samsung LED, входящая в корпорацию Samsung, с четвёртой позиции в 2009 году поднялась на вторую по доходам от продаж корпусированных светодиодов в 2010 и 2011 годах, обойдя Cree и Osram. В первую десятку мировых производителей светодиодов в 2011 году вошли следующие компании: Nichia, Samsung LED, Osram Opto Semiconductors, LG Innotek, Seoul Semiconductor, Cree, Philips Lumileds, Sharp, Toyoda Gosei, Everlight [1, 2].

В отличие от других производителей из списка лидеров, компания Samsung весьма значительную долю производимых светодиодов направляет на собственные нужды, так как корпорация является одним из ведущих мировых производителей ЖК-панелей, мониторов и телевизоров, задняя подсветка которых всё чаще выполняется на светодиодах. Известно, что 100% проданных в России телевизоров и мониторов Samsung со светодиодной подсветкой с 2011 года производятся на предприятии ООО «Самсунг Электроникс Рус Калуга», расположенном в индустриальном парке «Ворсино» в Калужской области.

Существенную долю производимых светодиодов компания направляет на производство собственных осветительных приборов, номенклатура которых очень широка. Качественные показатели светодиодов компании непрерывно улучшаются. Световая эффективность ряда приборов и модулей последних лет приближается и, во многих случаях, опережает этот показатель изделий у других ведущих производителей осветительных светодиодов.

История производства светодиодов Samsung началась в 1995 году, когда эти приборы начала выпускать Samsung Electro-Mechanics. В 2001 году этой компанией был разработан первый в Корее синий светодиод, а в 2004 году введён в строй завод по производству светодиодов в Тяньцзине (КНР). В 2006–2008 годах начато их массовое производство для ЖК-телевизоров и мониторов.

Компания Samsung LED была образована в 2009 году как совместное предприятие Samsung Electronics и Samsung Electro-Mechanics. В 2010 году основаны предприятия Tianjin Samsung LED в Китае и Samsung LED America в США, в 2011 году – Samsung LED Europe в Германии.

Землетрясение и цунами в Японии в марте 2011 года привели к глобальному дефициту кремниевых пластин, используемых для производства полупроводниковых приборов, в том числе светодиодов. По этой и другим причинам в 2011 году было создано совместное предприятие Samsung LED и Sumitomo Chemical (Япония) по производству сапфировых подложек для осветительных светодиодов.

Однако в 2011 году продажи светодиодов компании существенно снизились из-за недостаточной загрузки производственных мощностей. Для исправления ситуации руководством Samsung Electronics было принято решение о слиянии с Samsung LED, направленное на консолидацию усилий по расширению доступа объединённой компании к рынку осветительных светодиодов. Сделка была завершена к апрелю 2012 года, и с тех пор светодиодный бизнес компании выступает под общим брендом Samsung [3, 4].

Номенклатура корпусированных светодиодов объединённой компании была сокращена, а качественные параметры приборов существенно улучшены, что позволило продукции Samsung занять достойное место среди аналогичных изделий ведущих производителей.

В настоящее время Samsung производит корпусированные светодиоды, светодиодные лампы и осветительные приборы. В каталоги компании 2013 года включены светодиодные продукты следующих категорий:

светодиодные компоненты для информационных и коммуникационных приложений (IT&C). В данную категорию включены светодиоды для подсветки ЖК-дисплеев семейств Edge LED (торцевая подсветка) и Direct LED (задняя подсветка), светодиодные приборы для мобильных приложений семейства Flash LED (модули с линзами и рефлекторами) и Side View LED (бокового излучения);
светодиодные компоненты. В эту категорию входят светодиоды средней (Middle Power) и большой (High Power) мощности;
осветительные приборы (LED Engine) представлены широкой номенклатурой осветительных приборов окружающего и верхнего света, светильники большой яркости;
светодиодные лампы серий LED Bulb, MR, PAR, Deco и светодиодные трубки (LED Lamp);
светодиодные компоненты для автомобильных приложений средней и большой мощности (Automotive Lighting) [5].

Классификационные параметры светодиодных компонентов, представленные в каталоге компании 2013 года, приведены в таблице 1. Рассмотрим особенности новых светодиодов и светодиодных модулей компании более подробно.

Таблица 1. Классификационные параметры автомобильных светодиодных компонентов

Светодиоды семейства Edge LED предназначены для применения в системах боковой подсветки ЖК-дисплеев, отличающихся узкой окантовкой панелей. Боковая подсветка основана на применении светораспределителей LGP (Light Guide Plate) и плёночных поляризаторов DBEF (Dual Brightness Enhancement Film), для реализации боковой подсветки требуются светодиоды особой конструкции. Приборы серий TT721A, TT722A, TT732A предназначены для панелей Normal Bezel с шириной окантовки 10–15 мм, приборы серий TS731A, TS732A – для панелей Super Narrow Bezel с шириной окантовки 4–9 мм. Панели с узкой окантовкой применяются для создания видеостен или компоновки нескольких панелей в единый панорамный дисплей. Компания Samsung выпускает, например, встроенный монитор на основе ЖК-панелей Super Narrow Bezel типа MD230X3 с разрешением 5760 × 1080 пикселей. Внешний вид монитора показан на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид монитора Samsung MD230X3

Светодиоды семейства Direct LED предназначены для систем прямой и матричной подсветки ЖК-панелей, где требуется большое число единичных светодиодов. Приборы этой серии имеют широкую диаграмму распределения силы света, что позволяет уменьшить количество светодиодов в системе подсветки.

В приборы серий FH411/412, FH401/402 семейства Flash LED интегрированы светодиодные кристаллы, рефлекторы и линзы. Это упрощает их установку в мобильные устройства. Приборы не требуют использования защитных стёкол и могут быть установлены в электрических фонарях, развлекательных устройствах и др. Все приборы обеспечивают высокую равномерность освещения, достаточную для применения в камерах wide FOV (Field of View) с широким полем обзора. Особенности и некоторые параметры приборов FH411A (исполнение SPFCW04301BL):

широкий световой пучок (Dq = 67° × 59°) для обеспечения равномерной освещённости;
светодиодный кристалл на основе материла InGaN/GaN с высокой долговременной надёжностью;
максимальный постоянный ток (фонарный режим) 300 мА, импульсный ток 1300 мА (Т_имп не более 300 мс);
тепловое сопротивление переход–точка пайки R_th,j-s= 9°С/Вт;
максимальная температура кристалла 125°С, диапазон рабочих температур –40…+85°С;
освещённость на расстоянии 1 м составляет 58 лк (I_пр= 300 мА) и 220 лк (1000 мА) соответственно.

Цветовая температура приборов зависит от величины прямого тока: при I_пр= 300 мА – Т_цв= 5800 К, при I_пр= 700 мА – Т_цв= 5895 К, при I_пр= 1 А – Т_цв= 6000 К (типовые значения). Зависимость освещённости, создаваемой прибором на расстоянии 1 м, от прямого тока приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость освещённости прибора FH411A от прямого тока

Эскиз конструкции прибора показан на рисунке 3.

Рис. 3. Структура прибора FH411A 1 – выводная траверса (золото); 2 – защитный кремниевый стабилитрон; 3 – светодиодный кристалл (синий, InGaN/Al2O3); 4 – диффузионная линза (силикон + кремниевый наполнитель); 5 – литой корпус (материал РРА – полифталомид и т.п.); 6 – основание (медь); 7 – спектропреобразующая пластина (силикон с фосфоросодержащим покрытием).

Диффузионная линза прибора формирует световой пучок с резким падением силы света за пределами диаграммы распределения. Прибор FH401A отличается более узкой диаграммой (Dq = 62° × 48°), приведённой на рисунке 4, и обеспечивает освещённость на расстоянии 1 м в пределах 230–300 лк (типовое значение 245 лк).

Рис. 4. Диаграмма распределения относительной силы света прибора FH401A

Светодиодные компоненты большой мощности

Светодиоды этой категории, по данным спецификаций 2013 года, являются, в основном, модификациями ранее разработанных компанией Samsung LED InGaN/GaN приборов серий 3533, HV-AC, HV-DC и др. Они выполнены с использованием технологии MQW и отличаются более высокой световой эффективностью. Приборы соответствуют требованиям недавно принятого стандарта IES-LM-80-2008, определяющего изменения параметров осветительных светодиодов в течение срока службы.

Технология MQW (Multiple-quantum well) на «мультиквантовых точках» разработана М. Бауэрсом (M. Bowers). Она заключается в покрытии синих светодиодов «квантовыми точками», излучающими белый свет при облучении синим светом светодиодов. Такая технология позволяет получить тёплый белый свет, подобный свету ламп накаливания. «Квантовые точки» являются нанокристаллами полупроводника, имеющими особые оптические свойства. Цвет излучения приборов, выполненных по этой технологии, может быть изменён в широких пределах.

Прототипами приборов серии LM351A являются светодиоды серии 3535 Samsung LED, их внешний вид показан на рисунке 5.

Рис. 5. Внешний вид приборов серии LM351A

В состав серии входят 8 типов мощных белых светодиодов, отличающихся цветовой температурой. Каждый из них отбирается по световому потоку (от 80…90 лм до 150…160 лм), цветовым координатам, индексу цветопередачи (CRI от 70 до 90) и прямому напряжению (от 2,7…2,8 В до 3,2…3,3 В). Приборы серии выполнены в корпусе с керамической подложкой и удовлетворяют требованиям стандартов JEDEC Level 2 и IES-LM-80-08 (испытания на надёжность). Области применения: приборы верхнего и направленного света для внутреннего освещения; наружное освещение – уличное, охранное, освещение туннелей и парковочных стоянок; промышленное освещение, потребительские приложения, например, фонари.

Светодиоды серии LM351A могут работать при максимальной температуре перехода T_j до 150°С и прямом токе до 1,5 А при T_j= 25°C. При увеличении тока до 800 мА излучаемый световой поток увеличивается в 2 раза относительно номинального значения. Тепловое сопротивление переход–корпус приборов не превышает 6°С/Вт (типовое значение 4°С/Вт). Приборы можно использовать при повышенных прямых токах, не допуская превышения температуры кристалла. На рисунке 6 приведены зависимости допустимого прямого тока светодиодов от температуры окружающей среды при различных тепловых сопротивлениях кристалл–окружающая среда R_th,j-s.

Рис. 6. Зависимости допустимого прямого тока светодиодов LM351A от температуры

Световая эффективность приборов существенно зависит от величины прямого тока и температуры кристаллов при эксплуатации. На рисунке 7 приведены температурные зависимости эффективности в лм/Вт и в процентах от номинальных значений для рассматриваемых светодиодов при различных значениях прямого тока.

Рис. 7. Температурные зависимости эффективности светодиодов серии LM351A

Приборы серии LC006A выполнены по технологии «кристалл на плате» (СОВ). В состав серии входят 2 типа приборов, каждый из которых отбирается по цветовой температуре (Т_цв= 2700 К и 5000 К) и цветовым координатам (7 подклассов). Светодиоды серии предназначены для осветительных приборов верхнего и направленного света, светодиодных ламп, для наружного освещения и др.

Приборы отличаются высокой световой эффективностью. Для исполнения с Т_цв= 5000 К – от 114 лм/Вт (I_пр= 210 мА) до 141 лм/Вт (30 мА). Основные параметры приборов:

максимальный прямой ток 220 мА, импульсный ток 250 мА (при длительности импульсов не более 10 мс);
тепловое сопротивление переход–корпус R_th,j-s = 1,9°С/Вт;
максимальная температура перехода T_j = 150°С;
световой поток 550–605 лм (Т_цв = 2700 К, I_пр = 175 мА), 650–740 лм (5000 К, 175 мА).

Рис. 8. Внешний вид приборов LC013A

Более мощные приборы серии LC013A (внешний показан на рис. 8) также выполнены по технологии «кристалл на плате»; параметры, отличные от приборов серии LC006A:

максимальный прямой ток 450 мА, импульсный ток 470 мА;
тепловое сопротивление переход–корпус R_th,j-s = 1,5°С/Вт;
световой поток 950…1050 лм (Т_цв = 3000 К, I_пр = 350 мА), 1050…1150 лм (5000 К, 350 мА);
световая эффективность от 85 лм/Вт (I_пр = 450 мА, Т_цв = 3000 К) до 109 лм/Вт (I_пр = 60 мА, Т_цв = 5000 К).

Самые мощные приборы компании относятся к серии LC026A (внешний вид соответствует рис. 8):

максимальный прямой ток 840 мА, импульсный ток 880 мА;
тепловое сопротивление переход–корпус 1,3°С/Вт;
световой поток 1920…2120 лм (Т_цв= 3000 К, I_пр= 720 мА), 2120…2320 лм (Т_цв= 5000 К, 720 мА);
световая эффективность от 75 лм/Вт (I_пр= 840 мА, Т_цв= 3000 К) до 104 лм/Вт (5000 К,120 мА).

Приборы серии LH934A (прототипы HV – AC Samsung LED) предназначены для работы от сетей переменного тока; внешний вид приборов показан на рисунке 9.

Рис. 9. Внешний вид приборов LH934A

В приборы интегрированы две независимые группы светодиодов, включённые по мостовой схеме. При параллельном соединении мостов приборы могут работать от сети с напряжением 100–120 В, при последовательном – от сети 220–240 В, как показано на рисунке 10.

Рис. 10. Включение приборов LH934A

Номиналы и мощность гасящих резисторов R1, R2 зависят от номинального напряжения сети, прямого напряжения (3 подкласса по U_пр) и выбранного значения прямого тока. Например, для сети 220 В, U_пр= 200–205 В с.к.з. (Rank F5) и прямом токе 29 мА с.к.з. сопротивление гасящих резисторов 1,43 кОм/4,5 Вт. Основные параметры приборов:

максимальный ток/напряжение (с.к.з.) 29 мА/240 В, 58 мА/120 В;
мощность рассеяния 4,5 Вт;
максимальная температура переходов T_j= 125°C;
цветовые температуры: 2700, 3000, 3500, 4000 К (CRI не менее 80), 5000, 6500 К (CRI не менее 70);
световой поток от 220 лм (I_пр= 22 мА, Т_цв= 2700 К) до 460 лм (29 мА, 6500 К).

Вариант модуля с установленным прибором и гасящими резисторами показан на рисунке 11, ВАХ приборов приведены на рисунке 12.

Рис. 11. Модуль с прибором LH934A

Рис. 12. Вольт-амперные характеристики прибора LH934A

Светодиодные компоненты средней мощности

К этой категории, по состоянию на 2013 год, относятся светодиоды серий LM561A/B, LM231A/B и LM362A. Они предназначены в основном для установки в светодиодные лампы и осветительные приборы различного назначения.

Серии LM561А/B (прототипы серии 5630, 5630 G2) – GaN/Al₂O₃ светодиоды с интегрированными защитными стабилитронами, выполненные в SMD-корпусах. Приборы отличаются очень высокой световой эффективностью – до 141 лм/Вт (LM561A) и до 160 лм/Вт (LM561B). В состав серий входят 8 и 7 типов приборов с различной цветовой температурой, каждый из них отбирается по световому потоку (по 3 подкласса для каждой Т_цв), цветовым координатам (8 подклассов для каждой цветовой температуры) и прямому напряжению (5 подклассов).

Диаграммы, характеризующие световую эффективность различных исполнений приборов серии LM561B при различной цветовой температуре (Rank W0, V0, U0, T0, R0, Q0, P0) и различных исполнениях по световому потоку (Rank S1, S2, S3), приведены на рисунке 13.

Рис. 13. Диаграммы световой эффективности приборов LM561B

Приборы предназначены для светодиодных ламп и трубок, светильников окружающего и верхнего света, потолочных светильников. Основные параметры приборов серии LM561A (в скобках – LM561B):

максимальный прямой ток 150 мА;
тепловое сопротивление кристалл–точка пайки К_th,j-s = 16°С/Вт;
максимальная температура перехода 110°С;
световой поток – от 24 лм (Т_цв = 2700 К, I_пр = 65 мА) до 32 лм (6500 К).

Серия LM231A (прототип – серия 2323L) содержит миниатюрные GaN/Al₂O₃ светодиоды с защитными стабилитронами в SMD-корпусах. В состав серии входят 8 типов приборов с различной цветовой температурой, каждый из которых отбирается по световому потоку и цветовым координатам. Приборы также характеризуются высокой световой эффективностью – от 108 лм/Вт (Т_цв= 2700 К, I_пр= 150 мА) до 138 лм/Вт (Т_цв= 4500/5000 К, I_пр= 50 мА). Приборы идеально подходят для создания светодиодных ламп и трубок, заменяющих лампы накаливания (Retrofit Lamps), световых панелей, светильников верхнего света и других осветительных приборов с высокой равномерностью освещения.

К серии LM362A (прототип – серия 3623) относятся миниатюрные GaN/Al₂O₃ светодиоды, отличающиеся от приборов серий LM231A/B большими значениями светового потока, более характерными для мощных светодиодов. Световая эффективность приборов также высока и находится в пределах от 87 лм/Вт (Т_цв= 2700 К, I_пр= 200 мА) до 147 лм/Вт (Т_цв= 5000 К, I_пр= 50 мА).

Автомобильные светодиодные компоненты

Мощный светодиодный модуль SACHSW654XXN0NNAAA (внешний вид показан на рис. 14) выполнен на подложке с медным основанием.

Рис. 14. Внешний вид прибора SACHSW654XXN0NNAAA

В состав модуля входит светодиодная матрица из четырёх единичных светодиодов, защитный стабилитрон и терморезистор с отрицательным ТКС. Области применения прибора: передние фары ближнего и дальнего света автомобилей, фары мотоциклов, замена ламп ДРЛ, противотуманные фары. Выпускаются 4 исполнения модулей по световому потоку: D0 – 650…700 лм, E0 – 700…750 лм, F0 – 750…800 лм, G0 – 800…850 лм и 2 исполнения по цветовым координатам (R0, S0). Основные параметры модуля:

максимальный прямой ток 1 А при Т = 25°С;
максимальная температура переходов T_j= 150°C;
диапазон рабочих температур –40…+125°С.

Белые светодиоды средней мощности SPMWHT3xxx выполнены в силиконовых корпусах одинаковых размеров на подложке с серебряным покрытием (внешний вид показан на рис. 15).

Рис. 15. Внешний вид приборов SPMWHT3xxx

Приборы соответствуют требованиям стандарта AEC Q-101 и предназначены для следующих автомобильных приложений: системы подсветки (ЖК-панели, переключатели, кнопки, дисплеи, рекламные модули); внутреннее и внешнее освещение, в том числе приборные доски и стоп-сигналы; замена миниатюрных ламп накаливания; маркерное освещение; освещение сигналов и символов. Основные параметры приборов SPMWHT3215A3, SPMWHT3235A3/SPMWHT345EA3 и SPMWHT346EA3:

максимальный прямой ток 70 мА и 250 мА;
мощность рассеяния 180 мВт и 500 мВт;
тепловое сопротивление кристалл–точка пайки 70 К/Вт и 5 К/Вт;
диапазон рабочих температур –40…+110°С и –40…+125°С;
максимальная температура перехода T_j= 125°C/150°С.

Внешний вид красных светодиодов средней мощности с доминирующей длиной волны 620 нм SPMRDT3xxx соответствует рисунку 15 (кроме SPMRDT3225A0, оснащённого собирающей линзой). Области применения приборов такие же, как и у вышерассмотренных белых светодиодов. Основные параметры приборов SPMRDT3215A0, SPMRDT3225A0, SPMRDT3235A0/SPMRDT345EA0 и SPMRDT346EA0:

максимальный прямой ток 70 мА и 200 мА;
мощность рассеяния 180 мВт и 560 мВт;
тепловое сопротивление кристалл–точка пайки 67 К/Вт и 40 К/Вт;
диапазон рабочих температур –40…+100°С и –40…+110°С;
максимальная температура перехода T_j= 125°С.

Внешний вид янтарных светодиодов средней мощности с доминирующей длиной волны 590 нм SPMAMT3xxx также соответствует рисунку 15, а основные параметры – вышеописанным красным светодиодам SPMRDT345/346EA0.

Заключение

Важнейшими параметрами осветительных светодиодов являются световая эффективность и срок службы, над улучшением которых работают все ведущие производители. Теоретический максимум световой эффективности составляет 320 ± 20 лм/Вт [6]. Однако при выборе конкретных светодиодов из большого числа предложений не так просто найти варианты с наилучшей световой эффективностью, поскольку не существует однозначного определения этого параметра, признанного всеми производителями светодиодов.

Фактически световая эффективность осветительных светодиодов зависит не только от их физических характеристик (производитель, тип прибора, исполнение/подкласс), но и от режимов их работы и других параметров, в том числе от прямого тока и напряжения, температуры кристаллов, цветовой температуры и величины светового потока. Поэтому прямое сопоставление световой эффективности по спецификациям различных производителей без учёта условий измерений некорректно.

Компания Samsung в спецификациях и руководствах по применению новых серий осветительных светодиодов приводит достаточно полные данные об их параметрах, в том числе о световой эффективности в различных условиях эксплуатации. Рассмотрим в этом ракурсе световую эффективность светодиодов компании на примере приборов серии LM351A.

Параметры приборов этой серии нормируются при температуре кристаллов 25°С и прямом токе 350 мА, конкретные исполнения, определяемые 18-значными буквенно-цифровыми наименованиями, характеризуются различными цветовыми температурами (8 исполнений, от 2700 К до 7600 К), индексами цветопередачи (4 исполнения: CRI не менее 70, 75, 80, 90), прямым напряжением (6 исполнений, от 2,7…2,8 В до 3,2…3,3 В), световым потоком (8 исполнений, от 80…90 лм до 150…160 лм) и цветовыми координатами (от 3 исполнений для Т_цв= 7600 К, до 24 исполнений для Т_цв= 2700 К, всего более 100 исполнений).

Минимальным значением световой эффективности характеризуется исполнение с CRI более 90, Т_цв= 2700 К, U_пр= 3,3 В и световым потоком 80 лм. Расчётная эффективность светодиода этого исполнения 69,2 лм/Вт. Максимальным значением световой эффективности характеризуются исполнения с CRI более 70, Т_цв = 5000/5700/6500/7600 К, U_пр= 2,7 В и световым потоком 160 лм; расчётная эффективность этих исполнений 169,3 лм/Вт.

С ростом температуры кристаллов свыше 50°С и увеличением прямого тока световая эффективность светодиодов уменьшается, как показано на рисунке 7. Видно, что эффективность светодиода со 133 лм/Вт при Т = 25…50°С, I_пр= 350 мА уменьшается до 75 лм/Вт при увеличении температуры до 125°С и тока до 1,5 А, то есть примерно в 2 раза.

Таким образом, сравнивать эффективность осветительных светодиодов различных производителей следует при равенстве температур кристаллов, цветовых температур, индексов цветопередачи, потребляемой мощности (P = U_пр× I_пр) и световых потоков. Несоблюдение этих требований не позволяет корректно сравнивать светодиоды различных производителей.

Литература

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!