Світлодіоди CREE XHP - 1500 люмен від одного кристала

1. висновок
2. література
3. Про компанію Cree

Нові потужні світлодіоди компанії Cree серії XHP з рекордними показниками світності дозволяють обійтися трьома (або навіть одним - в піковому режимі) світлодіодами в промисловому світильнику зі світловим потоком близько 1000 лм. Попереднім рекорсдменам для цього було потрібно чотири (серія XM-L , 2011 рік) і дев'ять (серія XR-E , 2008 рік) світлодіодів, відповідно.

Численні переваги світлодіодних світильників в порівнянні зі світильниками на основі традиційних ламп розжарювання, усвідомлені споживачами і затребувані ринком. При цьому світлодіодні світильники все ще програють в ціні застарілими технологіями освітлення, і проблема оптимізації собівартості рішень актуальна практично для всіх гравців ринку.

Найбільш очевидний шлях зниження вартості - пошук більш дешевих аналогів для кожного компонента - часто призводить виробників до зниження якості продукту в цілому. При цьому, як показано в публікаціях [1] і [2], навіть «безкоштовні» світлодіоди 0,5 Вт і 0,2 Вт в стандартних корпусах 5630 і 3535 не вирішують задачу радикального зниження вартості світильників для таких застосувань як вуличне і промислове освітлення .

Альтернативним підходом до вирішення завдання щодо зниження вартості і поліпшення споживчих якостей світильників, який пропонує компанія Cree, є застосування світлодіодів надвисокої потужності, які дозволяють змінити конструкцію світильників і істотно зменшити не тільки кількість світлодіодів, але і розміри, і вартість інших компонентів (радіатор, вторинна оптика, друкована плата).

Мал. 1. Світлодіоди XHP

В рамках цієї концепції компанія Cree вводить в асортимент продукти нової технологічної платформи SC5 [3] - серії XHP35, XHP50 і XHP70 [4]. Зовнішній вигляд нових моделей показаний на малюнку 1. Позначення нових світлодіодів відрізняються від традиційного для компанії підходу, використовуваного в родинах попередніх поколінь (XP-G2, XM-L2 і так далі). Абревіатура XHP (Extreme High Power) підкреслює приналежність цієї платформи до принципово нового класу світлодіодів, який відрізняється рекордними для індустрії показниками потужності, світності (OCF - Optical Control Factor, [5]) і надійності при роботі при високих температурах і потужностях. Цифровий код після назви сімейства в найменуванні нових світлодіодів позначає розмір корпусу ( XHP35 - 3,45 × 3,45 мм, XHP50 - 5,0 × 5,0 мм, XHP70 - 7,0 × 7,0 мм). Таким чином, нові світлодіоди фактично використовують розміри існуючих популярних серій XP-G2 / XT-E / XP-L (XHP35), XM-L2 (XHP50) і MK-R (XHP70), забезпечуючи більш ніж дворазове збільшення світлового потоку в порівнянні з попередниками при сумісності з існуючим асортиментом стандартних друкованих плат і оптики. На малюнку 2 показаний модельний ряд сімейства XHP, його сумісність з продуктами попередніх поколінь і приблизний діапазон світлового потоку для одного світлодіода.

Мал. 2. Модельний ряд сімейства XHP, його сумісність з продуктами попередніх поколінь і приблизний діапазон світлового потоку для одного світлодіода

На малюнку 3 показані параметри світлодіодів XHP35. Важливо відзначити, що у XHP35 є два варіанти конструкції, що є, фактично, різними серіями:

• XHP35 HD (High Density) - стандартне виконання з куполоподібної лінзою, оптимізований для отримання максимального світлового потоку;
• XHP35 HI (High Intensity) - версія без стандартної куполоподібної лінзи, що забезпечує кращу силу світла при роботі з вторинною оптикою в застосуваннях, що вимагають вузької односпрямованої КСС.

Мал. 3. Основні параметри світлодіодів і доступні для замовлення комбінації ССТ / CRI серії XHP35

Серія XHP35 HD успадкувала розміри і форму лінзи у попереднього рекордсмена в форм-факторі XP / "3535" - серії XP-L. При цьому XHP35 має ряд унікальних властивостей, що дозволяють віднести цю серію до класу XHP, а саме:

• рівень досяжного світлового потоку зі світлодіода перевищує 1000 лм;
• світлодіод використовує інноваційну архітектуру монолітного кристала з чотирма активними областями, який має типове падіння напруги 11 ... 12 В, що дозволяє використовувати великий асортимент драйверів зі стандартними струмами на 350 ... 1050 мА;
• вперше в дискретно светодиоде такого розміру застосована технологія Easy White, що забезпечує відмінну повторюваність світла до трьох кроків Мак-Адама, а також опції високого CRI 90 у всьому діапазоні КЦТ.

На малюнку 4 показано порівняння оптичних параметрів світлодіодів XHP35 версій HD і HI і світлодіодів попереднього покоління - XP-G2, XP-L.

Мал. 4. Порівняння оптичних параметрів світлодіодів XHP35 версій HD і HI і світлодіодів попереднього покоління - XP-G2, XP-L: а) XLamp XP-G2; б) XLamp XP-L High Density; в) XLamp XP-L High Intensity; г) XLamp XHP35 High Density; д) XLamp XHP35 High Intensity

Видно, що світлодіод XHP35 визначає принципово новий рівень світлового потоку для світлодіодів в корпусі 3535 (до тисячу п'ятсот двадцять вісім лм), при цьому важливою перевагою в порівнянні з багатокристальні рішеннями є те, що джерело світла у цього світлодіода компактний і монолітний. Відсутність зазорів між кристалами робить цей світлодіод більш привабливим для прецизійних оптичних завдань, в порівнянні зі старшими четирехкрістальнимі моделями платформи XHP50 і XHP70, які в деяких застосуваннях призводять до появи спотворень / артефактів КСС.

Як було зазначено вище, світлодіод XHP35 - це не тільки найпродуктивніший світлодіод формату 3535, але і перший в індустрії однокристальний світлодіод, в якому застосована технологія EasyWhite, зазвичай доступна тільки для багатокристальні світлодіодів, наприклад, світлодіодних матриць. Технологія EasyWhite дозволяє отримувати якісний продукт з відмінною повторюваністю кольору, використовуючи при замовленні світлодіодів тільки потрібну колірну температуру і допустимий розкид колірних координат (п'ять або три кроки Мак-Адама). При цьому виробник гарантує повторюваність кольору відповідно до заданих умов в будь-який постачанні як всередині однієї упаковки, так і між світлодіодами з різних партій, незалежно від дати замовлення. Як приклад на малюнку 5 показані доступні на момент написання статті опції замовлення світлодіодів XHP35.

Мал. 5. Опції замовлення світлодіодів XHP35

В якості демонстрації можливого сценарію застосування світлодіодів XHP35 для зниження вартості рішення, розглянемо розрахунок вуличного світильника зі світловим потоком 10000 лм (умовний аналог РКУ з лампою ДНаТ-150 або ЖКП з лампою ДРЛ-250). Варіанти вирішення цього завдання наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Порівняння можливих рішень для вуличного світильника зі світловим потоком більше 10 000 лм

Найменування світлодіода Кількість Світловий потік, лм Ефективність, лм / В Tsp, ° С Струм світлодіода, мА Вага, кг Cree Xlamp XT-E {AWT} 48 10409 113 55 563 3,5 Cree Xlamp XT-L HD {AWT} 24 10734 125 66 1072 2,5 Cree Xlamp XHP35 HD {W} 12 10089 116 92 559 2,1

Для порівняння в якості початкового варіанту конструкції приймемо CREE XT-E (Струм 563 мА) - світильник на 48 світлодіодах, зібраних на радіаторі, що забезпечує температуру в точці пайки на рівні 55 ° С при температурі навколишнього повітря 25 ° С. Як оптики розглядається популярна лінза компанії LEDiL STRADA 2 × 6 IP DWC [7]. Такий підхід до конструювання сформувався кілька років тому і на сьогоднішній день як і раніше залучає багатьох виробників світильників, так як ціна на світлодіоди цього класу продуктивності (XT-E, XP-G2 і їх аналоги) істотно знизилася.

Однак, як показано в розрахунку, варіант застосування більш потужних світлодіодів XP-L, сумісних з аналогічною лінзою, дозволяє скоротити кількість світлодіодів в рішенні до 24 штук (при використанні на струмі 1072 мА з більш компактним радіатором). Видно, що при цьому ефективність вирішення збільшується, а вартість всіх компонентів зменшується. Одним з недоліків цього варіанту є відносно високий струм світлодіода, що обмежує асортимент стандартних драйверів, які можна застосовувати в даній задачі. Детальніше про можливості світлодіода XP-L можна почитати в попередніх публікаціях [8].

І, нарешті, третій варіант вирішення даної задачі із застосуванням світлодіодів XHP35 з однією єдиною лінзою виробництва компанії LEDiL STRADA 2 × 6 DWC дозволяє істотно скоротити розміри і підвищити технологічність виробництва світильника при кращій ефективності в порівнянні з вихідним варіантом на світлодіодах XT-E. В даному розрахунку показаний режим діода, який забезпечує потрібний світловий потік (понад 10000 лм) на ще більш компактному радіаторі в порівнянні з рішенням на світлодіодах XP-L. У разі вибору радіатора з більш низьким тепловим опором можна досягти рівня ефективності світильника, порівнянного з попереднім варіантом.

Як було зазначено вище, додатковою перевагою XHP35 в даній задачі може бути можливість застосування різних драйверів. У разі поновлення світильника на світлодіодах типу XT-E можна розглянути застосування того ж самого драйвера.

Таким чином, застосування більш дорогого світлодіода XHP35 в даному прикладі дозволяє знизити вартість комплектації вуличного світильника на 25%, при цьому можна використовувати існуючі драйвери і оптику. Також рішення на XHP35 в даному прикладі відрізняється покращеними споживчими характеристиками - на 40% меншою вагою світильника і відмінною повторюваністю кольору незалежно від партії світлодіодів.

Такий підхід можна використовувати при проектуванні світильників практично будь-якої потужності для вуличного або промислового освітлення.

Наявність опції XHP35 c високим CRI> 90 для КЦТ 5700 До допомагає використовувати системні переваги цього світлодіода при проектуванні світильників для освітлення спортивних арен і стадіонів, телевізійних студій і в інших застосуваннях, де потрібен великий світловий потік, висока якість кольору і компактність виконання.

Перейдемо до огляду старших моделей платформи XHP: XHP50 і XHP70. На малюнку 6 наведено основні параметри цих серій світлодіодів.

Мал. 6. Основні параметри світлодіодів і доступні для замовлення комбінації ССТ / CRI серій XHP50 і XHP70

XHP50 - це четирехкрістальний світлодіод, здатний розвивати світловий потік до 2250 лм при споживанні 19 Вт, при цьому корпус його сумісний з серіями MHB-A і XM-L2 (розмір посадкового місця - 5х5 мм).

XHP70 використовують ті ж, що і XHP50, технологію кристалів, матеріал підкладки, лінзи і конструкцію (масив з чотирьох кристалів під одним лінзою), і відрізняються пропорційно великим розміром і продуктивністю.

З точки зору сумісності з посадкового місця XHP70 успадковує форм-фактор світлодіодів серії MK-R, при цьому рівень світлового потоку у новій серії перевищує можливості попередника більш ніж в два рази.

На малюнку 7 показані можливі досяжні значення світлового потоку і ефективності світлодіодів XHP50 і XHP70 в порівнянні зі світлодіодами попередніх поколінь і типовими матрицями COB аналогічної потужності.

Мал. 7. Можливі досяжні значення світлового потоку і ефективності світлодіодів XHP50 і XHP70

Важливою особливістю корпусів XHP50 і XHP70 є наявність чотирьох висновків, що утворюють дві незалежні внутрішні ланцюжка з двох послідовно підключених кристалів. Як показано на малюнку 8, це дозволяє в залежності від топології друкованої плати використовувати послідовне або паралельне підключення цих ланцюжків, забезпечуючи типове падіння напруга на рівні 6 або 12 В. Така опція дозволяє розробникам більш гнучко проектувати системи харчування і розглядати широкий асортимент драйверів, а також використовувати одну уніфіковану топологію друкованих плат для різних напруг.

Мал. 8. Підкладка і рекомендована топологія посадкового місця на друкованій платі для світлодіодів XHP50 і XHP70

Світлодіоди XHP50 і XHP70 доступні для замовлення в діапазоні колірних температур 2700 ... 4000К і CRI 80 і 90. Також доступна опція EasyWhite, описана вище для XHP35.

Для того щоб продемонструвати переваги нової технології, була створена типова розробка для вирішення однієї з найбільш "великовагових" завдань на ринку освітлення - промислових світильників типу ЖСП / РСП на лампах ДНаТ 600.

Основна мета такої розробки - створити закінчений пророблений дизайн світильника із застосуванням світлодіодів останнього покоління XHP, що забезпечує адекватну заміну традиційних світильників, маючи недосяжні для інших технологій споживчі параметри світильника (вага, розмір).

На малюнку 9 показаний розрахунок можливих варіантів вирішення такого завдання.

Мал. 9. Розрахунок можливих варіантів створення світильника із застосуванням світлодіодів останнього покоління XHP

Видно, що використовуючи світлодіоди XHP70 в цьому завданні, ми також зможемо радикально знизити розміри, вага і вартість рішення в порівнянні з альтернативами використовувати "ультрадешеві" світлодіоди 0,5 Вт (5630) або 1 ... 2 Вт (3535). При цьому XHP70 забезпечує кращий рівень світлового потоку при заданій споживаної потужності, використовуючи меншу кількість світлодіодів і забезпечуючи більшу надійність.

Пропонована конструкція світильника в цій розробці має в своєму складі шість уніфікованих модулів, на кожному з яких встановлені шість світлодіодів XHP70. Зовнішній вигляд і склад базового модуля показаний на малюнку 10.

Мал. 10. Зовнішній вигляд і склад базового модуля на світлодіодах XHP70

До складу модуля входять:

• світлодіод XHP70A-00-0000-0D0BN40E3;
• оптика LEDiL серій MINNIE (CA12881_MINNIE-M, CA12882_MINNIE-W, CA12883_MINNIE-WWW) або Jenny (T2, T3, T4) [9];
• радіатор на базі екструзійного профілю # MM80015 виробництва компанії Alexandria Industries [10];
• роз'єм сімейства "Poke In" компанії TE Connectivity [11], розрахований на роботу в діапазоні температур до 130 ° С;
• опціонально - захисний TVS-діод виробництва компанії Littlefuse [12];
• герметичні (IP67) роз'єми серії SlimSeal компанії TE Connectivity;
• термоінтерфейс Bergquist Gap Filler;
• друкована плата HPL PCB Bergquist.

На малюнку 11 показана конструкція рішення в зборі.

Мал. 11. Конструкція рішення із застосуванням базового модуля на світлодіодах XHP70

Зупинимося докладніше на використовуваних компонентах конструкції:

• Драйвер LSWC-250S105ST потужністю 250 Вт в корпусі, захищеному за стандартом IP67, виробництва компанії Autec Driver. Відмінні риси - невелика вага і відсутність дерейтінга параметрів при роботі на підвищених температурах (максимальна температура експлуатації: -60 ... 80 ° С на корпусі драйвера).
• Сумний відсік для швидкого доступу до драйвера.
• Поворотний механізм з фіксацією для зміни напрямку КСС світильника.

У лабораторії технологічного центру компанії Cree (Дарем, Північна Кароліна, США) було проведено повний цикл розробки, прототипування і випробувань цього рішення, які підтвердили коректність початкових розрахунків. Результати наведені на малюнку 12.

Для оцінки можливого позиціонування рішення в порівнянні з існуючими продуктами на ринку було проаналізовано кілька пропозицій в цьому сегменті і проведено їх порівняння за основними параметрами, важливим для кінцевого споживача. У таблиці 2 наведені результати цього порівняння.

Таблиця 2. Оцінка можливого позиціонування рішення в порівнянні з існуючими продуктами на ринку

Виробник Світловий
потік, лм Ефективна від-ність, лм / Вт Потужність, Вт Вага, кг Приблизний обсяг, дм³ Макс.
температура навколишнього повітря Кількість світлодіодів Ступінь
захисту IP 1 74765 113,3 660 26 63,846 40 192 65 2 59340 117,2 506 24 68,138 40 12 66 3 61580 120,3 513 17 118,71 65 1648 - 29 78 4 61696 104 595 21 106,26 65 288 66 5 64893 115,7 561 16 64,288 75 312 - 6 51459 134,2 383 20 71,832 53 1680 66 7 50680 110 461 23 60 45 144 65 XHP70 56325 114,7 491 9 32,082 60 36 - XHP70 72349 103,6 699 10 32,082 70 36 -

Видно, що пропоноване рішення на XHP70 істотно відрізняється від усіх розглянутих варіантів за масою і габаритами продукту, що має велике значення для кінцевих споживачів і можливих дистриб'юторів продукту - простіше і дешевше установка, перевезення та зберігання.

Важливо відзначити, що дана розробка була зроблена виключно для демонстрації можливостей світлодіодів XHP на прикладі вирішення конкретного завдання. Вона доступна як "open source design". Даний досвід може допомогти клієнтам компанії Cree швидше освоїти і використовувати переваги нової технології світлодіодів в своїх розробках. За запитом до представників компанії або дистриб'юторам можна отримати більш детальну інформацію про цю розробку, список комплектації, протоколи випробувань та вихідні фали конструкторської документації.

Сам по собі модуль конструкції світильника може бути використаний як окремий світильник або елемент рішення для інших завдань (вуличне і промислове освітлення, освітлення стадіонів і так далі).

За всіма рекомендованим альтернативним компонентів даного рішення, таким як драйвер, друкована плата, термоінтерфейс, можна звертатися до компаній-учасників програми Cree Solution Providers [13].

висновок

У статті наведено огляд світлодіодів класу eXtreme High Power виробництва компанії Cree і показані приклади можливостей їх використання для зниження вартості рішень типових задач вуличного і промислового освітлення. Видно, що нове покоління світлодіодів фактично відкриває можливість проектування світильників нового покоління, які будуть відрізнятися від існуючих рішень меншим розміром і вагою, що є важливою перевагою для кінцевого споживача.

Аналізуючі розвиток світлодіодного освітлення за останні кілька років, Ми можемо простежіті, як черговий поколение світлодіодів впліває на конструкцію світильника. На малюнку 13 показані варіанти реалізації світильника зі світловим потоком близько 1000 лм на флагманських світлодіодах Cree різних поколінь, а також приблизна структура собівартості рішень. Так, у 2008 році для розробників був серійно доступний унікальний для свого часу світлодіод XR-E, який дозволяв вирішити задачу проектування такого світильника з використанням дев'яти світлодіодів в струмовому режимі 1 Вт. У 2011 році у компанії Cree з'явився ще один рекордсмен - світлодіод XM-L з безпрецедентною світловіддачею, який дозволив зменшити кількість світлодіодів в цьому рішенні до чотирьох штук. Сучасні світлодіоди, описані в даній статті (XHP35) відкривають можливість знизити кількість світлодіодів до 3 штук, якщо потрібна висока ефективність, або навіть використовувати всього один світлодіод в максимальному режимі. Важливо відзначити, що висока оптична ефективність світлодіодів дозволяє знизити частку споживаної светодиодом енергії, що переходить в тепло. Як показано на малюнку 13, це перевага, в поєднанні з більш високою надійністю нових продуктів, дозволяє використовувати більш компактні радіатори для забезпечення однакової надійності з рішеннями і попередніх поколінь.

Мал. 13. Варіанти реалізації світильника зі світловим потоком близько 1000 лм на флагманських світлодіодах Cree різних поколінь

Можна припустити, що подальші поліпшення таких параметрів світлодіодів як ефективність, світність (щільність світлового потоку) і надійність дозволять в майбутньому продовжити намітився тренд мініатюризації світлодіодних виробів. Для компаній, що бажають вже зараз закласти в свої розробки нові рішення, які будуть вигідно відрізняти кінцевий продукт як нове покоління світлодіодних світильників, компанія Cree пропонує світлодіоди XHP. За запитом до представників компанії, а також офіційним дистриб'юторам і партнерам-учасникам програми Cree Solution Progiders, можна отримати більш докладні рекомендації щодо вирішення конкретного завдання із застосуванням нової технологічної платформи CREE SC5.

література

1. Д. Юровських. Приховані можливості щодо зниження вартості світлодіодних світильників ;
2. Free LEDs;
3. cree.com/sc5;
4. cree.com/xhp;
5. cree.com/ocf;
6. / FLGDzQ /;
7. www.ledil.com/strada-ip;
8. І. Єлісєєв. Багатообіцяюча новинка від Cree - світлодіод серії XP-L. Новини Електроніки №1 / 2014;
9. ledil.com;
10. http://www.alexandriaindustries.com ;
11. http://www.te.com/usa-en/products/connectors/lighting-connectors.html;
12. http://www.littelfuse.com/products/tvs-diode-arrays/lightning-surge-protection.aspx;
13. http://www.cree.com .

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Про компанію Cree

Компанія Cree Inc. є світовим лідером у виробництві напівпровідникових кристалів з карбіду кремнію (SiC) та приладів на їх основі. Польові транзистори, діоди та інші напівпровідникові прилади на основі карбіду кремнію мають ряд переваг в порівнянні з аналогічними кремнієвими приладами. Серед них - робоча температура кристала до 600 ° С, високу швидкодію, радіаційна стійкість. В даний час Cree виробляє високовольтні SiC діоди Шотки з напругою 300 ... 1200В і ... читати далі