Краткое руководство по выбору осветительных светодиодов

Всего несколько лет назад количество производителей мощных светодиодов исчислялось буквально единицами, а ассортимент их продукции насчитывал максимум несколько десятков изделий. Сегодня в распоряжении разработчиков полупроводниковых источников света имеются десятки тысяч наименований осветительных светодиодов, и это количество непрерывно растет. Ассортимент одной только компании CREE в категории мощных светодиодов превышает тысячу наименований.

В большинстве случаев для разработчика не вполне очевидно, какими критериями руководствоваться и какие параметры светодиодов анализировать в процессе разработки изделия для выбора оптимального варианта. Попробуем разобраться в этих вопросах.

Прежде всего, требуется понять, что является критерием выбора при разработке светотехнических изделий на базе светодиодов. Для этого нужно определиться с конечной целью разработки. В общем случае целью любой разработки является получение конкурентоспособного коммерческого продукта. А чтобы продукт стал конкурентоспособным, необходимо чтобы он обладал определенным набором потребительских характеристик. К таким характеристикам относятся качество, срок службы, технические параметры и стоимость готового изделия. Наилучшее сочетание этих характеристик и является критерием выбора. То есть, необходимо подобрать такой светодиод, который обеспечил бы высокое качество, долгий срок службы, необходимые технические параметры (в первую очередь заданную величину светового потока) и низкую стоимость разрабатываемого изделия.

Следуя этим принципам, в первую очередь надо сократить область поиска, ограничившись только теми производителями мощных светодиодов, которые зарекомендовали себя как поставщики продукции высокого качества.

На следующем шаге выбираются светодиоды, удовлетворяющие условию по продолжительности срока службы. Срок службы светодиодов определяется как время, в течение которого интенсивность свечения падает до уровня 70% от первоначальной величины. Как известно, это время напрямую зависит от температуры кристалла. Поэтому на данном этапе также определяется максимально допустимая температура кристалла светодиода. На рисунке 1 представлены графики зависимости интенсивности свечения от времени при различных значениях температуры кристалла для светодиодов CREE. В соответствии с этим графиком, если, например, срок службы светодиода должен быть не менее 50000 часов, то рабочая температура кристалла не должна превышать 90°С. Соответственно, система охлаждения светодиода должна быть рассчитана таким образом, чтобы рабочая температура кристалла для всех возможных условий эксплуатации не превышала заданной величины.

Рис. 1. Зависимость интенсивности свечения от времени при различных значениях температуры кристалла для светодиодов CREE

Итак, мы определили группу светодиодов, удовлетворяющих условиям по качеству и продолжительности срока службы, а также - допустимую величину рабочей температуры кристалла (это ключевой параметр, на основании которого будут рассчитываться остальные характеристики разрабатываемого изделия). Теперь из этой группы приборов надо выделить те, которые обеспечат необходимую величину светового потока при условии минимальной стоимости. Для этого надо выяснить, какие светодиоды и при каких режимах работы обеспечат минимальную «стоимость света» (то есть минимальное соотношение цена/люмен). Поэтому, для дальнейшего изложения материала нам потребуются конкретные примеры.

Предположим, что на предыдущем этапе мы выбрали светодиоды CREE следующих серий - XP-C, XP-E, XP-G, MC-E и MX-6. В этой группе минимальную стоимость (но и минимальные значения светового потока) имеют светодиоды серии XP-C. А самые дорогие в этой группе (но при этом имеющие максимальную эффективность) - светодиоды серии XP-G (по сравнению с ценой на кристалл в случае четырехкристалльных MC-E). Наша задача выяснить, какой из этих светодиодов, и в каком режиме обеспечит минимальную стоимость люмена. Для определенности выберем из каждой серии по нескольку позиций с максимальными значениями по световому потоку, работающих в одном и том же диапазоне цветовых температур. Допустим, нас интересуют светодиоды холодного белого свечения с интенсивностью от 80 люменов на токе 350 мА. В таблице 1 перечислены позиции, выбранные нами для исследования, с некими условными ценами (для нашего гипотетического примера реальные цены не нужны, нам важно знать только соотношение цен для разных позиций).

Судя по данным в таблице 1, лучшая стоимость люмена - у позиции XPCWHT-L1-0000-00B03 (0,0181 у.е./лм), а худшие показатели - у светодиодов серии XP-G. Но на самом деле это не так! В таблице приведены данные только для одного значения тока (350 мА) и притом - на температуре 25°С. В реальных условиях температура кристалла будет намного выше, что приведет к снижению величины светового потока. А при повышении тока через светодиод вырастет интенсивность излучения, что приведет к улучшению соотношения цена/люмен. Поэтому никаких однозначных выводов по этим данным делать нельзя. Необходимо провести более детальное исследование с учетом реальной температуры кристалла и на разных значениях рабочего тока.

Зададим рабочую температуру кристалла равной 90°С (как отмечалось выше, при такой температуре срок службы светодиода будет порядка 50000 часов). На рисунке 2 изображен график зависимости интенсивности излучения от температуры кристалла для светодиодов серии XP-G.

Судя по этому графику, при повышении температуры до 90°С интенсивность снижается примерно на 15%. Примерно такое же соотношение наблюдается и для других светодиодов CREE белого свечения. Поэтому можно принять для всех светодиодов из таблицы 1 поправочный коэффициент, учитывающий температуру кристалла, равным 0,85.

Теперь посмотрим, как зависит интенсивность излучения светодиода от величины прямого тока. На рисунке 3 показана данная зависимость для светодиодов серии XP-G. Как видно из этого графика, при повышении прямого тока с 350 до 1000 мА величина светового потока увеличивается в 2,5 раза.

Рис. 3. Зависимость интенсивности свечения от величины прямого тока для светодиодов серии XP-G

С учетом этих данных можно рассчитать реальные величины светового потока при температуре кристалла 90°С для различных значений тока через светодиод. Для расчетов выберем следующие значения токов - 350, 500, 700 и 1000 мА. Эти величины являются максимальными значениями токов для различных серий (например, для XP-G это 1000 мА, а для MX-6 - 350 мА). Полученные данные сведены в таблицу 2.

Теперь мы можем получить действительные значения стоимости люмена, поделив цены светодиодов на значения интенсивности свечения из таблицы 2. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3. Окончательные значения стоимости люмена

Согласно данным таблицы 3, теперь у нас есть два явных лидера по показателю «стоимость люмена» - XPCWHT-L1-0000-00B03 на токе 500 мА и XPGWHT-L1-0000-00F53 на токе 1000 мА. Выбор между ними зависит от того, какую величину светового потока должно иметь конечное устройство. Если речь идет о значениях в 100...200 лм, то следует выбрать XP-C, при больших значениях предпочтительнее XP-G. Действительно, для светильника на 200 лм выгоднее взять два светодиода XP-C по 1,7 USD, нежели один XP-G по 4,1 USD. Но уже для светильника на 250...260 лм ситуация становится прямо противоположной - дешевле использовать один XP-G вместо трех XP-C.

Разумеется, себестоимость конечного продукта не ограничивается стоимостью одних только светодиодов. Но, как показывает практика, светодиод выступает в качестве одного из ценообразующих элементов, внося значительный вклад в себестоимость всего изделия. Поэтому использование изложенной выше методики подбора светодиода по принципу минимальной «стоимости света» в большинстве случаев будет вполне оправдано и позволит сократить себестоимость готового изделия в целом. Проверим это утверждение на простом примере. Из таблицы 2 видно, что два светодиода XPGWHT-L1-0000-00F53 на токе 1000 мА дают такой же световой поток, как один MCE4WT-A2-0000-000K03 на 700 мА. Допустим также, что в готовом изделии должна использоваться вторичная оптика. Тогда в случае MC-E потребуется только одна линза, а в варианте на XP-G - две. Логично предположить, что при использовании MC-E можно получить меньшую себестоимость за счет экономии на стоимости линзы. Стоимость линзы можно принять за 1,3 USD. Тогда стоимость решения на XP-G будет равна 2 х (4,1 + 1,3) = 10,8 USD., а решение на MC-E будет стоить 9,6 + 1,3 = 10,9 USD. То есть решение на светодиоде серии XP-G, который обеспечивает минимальную стоимость люмена, все же дает лучший результат.

В общем случае для выбора наилучшего варианта, скорее всего, придется просчитать стоимость различных вариантов решений на нескольких светодиодах с лучшими показателями по стоимости люмена. Конечно, выполнять все эти вычисления вручную утомительно. Для удобства компания CREE разработала специальную программу расчета всех основных характеристик светодиодов, в том числе и стоимости люмена, в зависимости от начального светового потока светодиода, температуры окружающей среды/кристалла и протекающего тока. Программа имеет название «Product Characterization Tool» (сокращенное название PCT) и получить её могут совершенно бесплатно все желающие. Для получения необходимо зайти на сайт http://pct.cree.com, пройти процедуру простой регистрации, и файл этой программы будет выслан на адрес электронной почты.

Интерфейс программы - интуитивно понятный, и для её использования не требуется каких-либо специальных знаний. На сайте (http://pct.cree.com) приведена краткая инструкция по работе с этой программой и её возможности (рис. 4).

Рис. 4. Интерфейс программы PCT

Интерфейс программы позволяет одновременно сравнивать по различным параметрам до трех моделей светодиодов. Параметры, по которым происходит сравнение, выбираются пользователем в верхней части экрана (окно Design Parameters), диапазон токов, в котором будет происходить сравнение, выбирается в окне Drive Current Range. Далее выбирается тип светодиода в окне MODEL X, его начальный световой поток, и в этом же окне, в строке ниже, задается цена светодиода и его температурный режим. В результате этих манипуляций программа выдаст рассчитанные значения заданных параметров при различных токах эксплуатации.

Использование данной программы поможет разработчику выбрать тип светодиода и наиболее оптимальный режим его работы в каждом конкретном случае с учетом многих параметров.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]