Подписка

Популярные статьи

Многокристальные источники света Традиционный подход к производству светодиодных светильников предполагает, что устройство собирается из отдельных светодиодов. Каждый светодиод представляет собой светоизлучающий чип, заключенный в корпус. Однако сейчас вместо отдельных элементов используются более крупные блоки, включающие в себя несколько светоизлучающих чипов.

Устройства, включающие в себя несколько светоизлучающих чипов, называют многокристальными источниками света или светодиодными матрицами. Еще со школьных лет нам известно, что при объединении нескольких элементов в единое целое могут возникать новые свойства. В этой статье мы постараемся разобраться, дает ли выигрыш объединение нескольких чипов в одно устройство применительно к светодиодным источникам света.

Светодиодные кластеры

При производстве мелкосерийной продукции, а также опытных образцов возникает проблема монтажа светодиодов. Дело в том, что современные осветительные светодиоды имеют конструкцию, которая требует для монтажа специального оборудования. К тому же, если устройство выполнено небольшой серией, например, под конкретный проект освещения, то замена светодиодов также будет дорогостоящей процедурой.

Для снижения расходов используется следующий подход. На монтажной плате в заводских условиях (как правило, на автоматизированной линии) монтируется один или несколько светодиодов. Там же могут быть установлены и другие элементы, например, токоограничительный резистор или даже целый блок питания. Подобное устройство называется светодиодным кластером. Обратите внимание, что, несмотря на классическое определение кластера, в светотехнике кластером может называться даже устройство, содержащее один светодиод.

Монтажная плата имеет достаточно широкие контактные площадки. Благодаря этому с монтажом кластеров в светильник, а также с их заменой может справиться практически любой человек, которому когда-либо приходилось держать в руках паяльник. К тому же, кластеры, включающие в себя элементы, устанавливающие режим работы светодиодов, значительно упрощают разработку систем освещения. Проектировщику достаточно лишь знать, какое напряжение нужно подавать на кластер и какой он при этом потребляет ток, то есть использование светодиодных кластеров оказывается не намного более сложным делом, чем использование ламп накаливания.

В светильниках, производимых большими партиями, использование светодиодных кластеров оказывается невыгодным делом, поскольку такие светильники изготавливаются на более сложном оборудовании. В этом случае использование кластеров только усложняет производственный процесс.

Светодиодные модули

Термины «светодиодный модуль» и «светодиодный кластер» в литературе по светотехнике синонимичны. Собственно говоря, то, что называется кластером, зачастую правильнее называть модулем.

Однако между этими терминами есть и различия. Так, светодиодными кластерами, как уже отмечалось, называют устройства, используемые при опытном или мелкосерийном производстве. Светодиодные модули применяются не для снижения издержек производства, а для обеспечения возможности быстрой и простой замены источника света.

Светодиодный модуль включает в себя несколько светодиодов, также в него могут быть встроены блок питания и вторичная оптика. Его замена, как правило, выполняется без применения специализированного оборудования.

Зачем нужно такое устройство, если, по утверждениям производителей, срок службы светодиодов может доходить до 50000 часов? Во-первых, это позволяет пользователю самостоятельно конфигурировать оборудование. Например, на дороге с низкой интенсивностью движения установлен светодиодный светильник. Через несколько лет поток машин возрос, соответственно, возросли и требования к освещенности. Но менять светильник не придется, достаточно лишь заменить светодиодный модуль на более мощный. Во-вторых, как бы мы ни восторгались возможностями светодиодных светильников, через несколько лет модели, считающиеся сейчас современными, окажутся морально устаревшими и потребуют модернизации. Лучшие модели серийно выпускаемых светодиодов сейчас имеют светоотдачу порядка 100 лм/Вт. В то же время, в лабораториях уже смогли преодолеть величину 200 лм/Вт. Через несколько лет такие светодиоды будут выпускаться серийно, и тогда придется переоборудовать имеющиеся светильники. Использование светодиодных модулей значительно упрощает эту задачу.

Наконец, в-третьих, даже если производитель указал срок службы 50000 часов, это еще не значит, что все светодиоды обязательно прослужат не менее этого срока. На самом деле, данная цифра носит статистический характер, то есть какой-то процент светодиодов выйдет из строя раньше заявленного срока. И, потом, для светодиодов значение срока службы указывается исходя из некоторых предположений, а не на основании испытаний в реальных условиях. Ведь, пока пройдут эти самые 50000 часов, уже начнется производство новых типов светодиодов. То есть, высокая надежность светодиодов еще не гарантирует, что менять их вообще никогда не придется. И модули окажутся здесь как раз кстати, поскольку позволят менять источник света, не снимая сам светильник.

Простота модернизации

Пример предельно простого в установке светодиодного модуля — Streetlight Advanced компании Osram. Он включает в себя светодиоды и вторичную оптику. Этот модуль устанавливается в гнездо и вынимается из него без использования каких-либо инструментов. Компания Osram обещает, что в будущем параметры этого гнезда не будут меняться, и это обеспечит возможность модернизации светильников, рассчитанных на данные модули.

Компания Philips также предложила свой вариант светодиодного модуля для систем уличного освещения, который называется LEDgine. Наряду со светодиодами и вторичной оптикой он включает в себя систему теплоотвода, причем, кроме радиатора, на нем установлен и вентилятор. При модернизации светильника вместе с новым модулем будет установлена и новая система охлаждения. Замена модуля также осуществляется без использования какого-либо инструмента. На выбор предлагается несколько вариантов модулей, различающихся количеством светодиодов, цветовой температурой и диаграммой распределения света.

Следует отметить, что иногда светодиодными модулями называются элементы световых гирлянд, используемых для подсветки наружной рекламы. При этом в одном модуле могут быть как несколько светодиодов одного цвета, так и набор светодиодов RGB, позволяющий получать любые цвета. Рассказ о таких модулях выходит за рамки данной статьи.

Многокристальные светодиоды

Максимальная мощность серийно выпускаемых светодиодов, имеющих только один полупроводниковый кристалл, составляет 5 Вт. Наиболее широко распространены сейчас 1-ваттные светодиоды, поскольку у них обеспечиваются высокая светоотдача и относительно низкая цена в пересчете на 1 люмен. Из этих светодиодов можно «набирать» нужное значение мощности.

Но обычно сразу требуется, скажем, 10 или 20 Вт. Почему бы тогда не объединить соответствующее число кристаллов в одном корпусе с единой первичной оптикой? Здесь можно значительно сэкономить как на материалах, так и на последующем монтаже, поскольку потребуется устанавливать, например, только один светодиод вместо 10. Выгода очевидна.

Именно по этим причинам в последнее время ведущие производители светодиодов перестали наращивать мощность одного кристалла, которая пока застыла на отметке 5 Вт, и сосредоточили свои усилия на создании многокристальных светодиодов. Мощность таких светодиодов может достигать 100 Вт.

Примером тому являются многокристальные светодиоды Sharp MiniZeni. Выпускаются две серии, с мощностью 6,7 Вт и 3,6 Вт. Первая из них представлена светодиодами, имеющими 45 кристаллов внутри. Световой поток составляет от 355 до 410 лм. Вторая представлена 24-кристальными светодиодами со световым потоком 230 лм. Первичная оптика отсутствует, однако, обеспечивается высокая равномерность светового потока благодаря использованию единого слоя люминофора для всех кристаллов.

Наиболее впечатляющей демонстрацией возможностей подобных устройств стали новые светодиоды XLamp MP-L Easy White компании Cree . Они состоят из 24 кристаллов с единой первичной оптикой. При токе 450 мА эти светодиоды дают световой поток 900 лм, эквивалентный лампе накаливания 75 Вт.

Кстати, насчет замены лампы накаливания. Покупатели недорогих светодиодных ламп под стандартный патрон, наверное, сталкивались с появлением двойных и тройных теней с разными оттенками, которые обусловлены разбросом параметров (разной биновкой) используемых светодиодов. Так вот, при использовании в лампе одного многокристального светодиода подобный эффект не наблюдается, поскольку свет от разных кристаллов перемешивается.

Важной сферой применения многокристальных светодиодов являются прожектора, дающие узконаправленный свет с точно определенной диаграммой распределения. Для такого прожектора важно, чтобы источник света представлял собой точку малых размеров или тонкую линию. Поэтому в прожекторе светодиоды нужно располагать как можно ближе друг к другу. Однако если светодиоды отдельно устанавливаются в монтажную плату, то необходимо соблюдать значительные промежутки между ними, поскольку каждый светодиод должен иметь полноценный корпус и выводы определенного размера. Использование многокристального светодиода решает перечисленные проблемы, поскольку это точечный источник света большой мощности.

Отдельное направление — многокристальные RGB-светодиоды. В них есть чипы, дающие свет красного, синего и зеленого цветов. При смешении света от разных кристаллов в итоге получаются нужные цветовые оттенки.

При всех своих преимуществах, многокристальные светодиоды имеют и свои недостатки по сравнению с набором отдельных однокристальных светодиодов. Для них проблема отвода тепла стоит более остро, поскольку при размерах, сопоставимых с однокристальными светодиодами, у них значительно больше мощность. Поэтому использовать многокристальные светодиоды нужно вместе с радиаторами. Обязательно требуется обеспечить надежный тепловой контакт, используя высококачественные теплопроводные полимеры.

Чтобы упростить монтаж, многокристальные светодиоды могут поставляться на теплопроводящем основании с контактными площадками и вырезами для винтов. Для мощностей свыше 20 Вт наличие такого основания — обязательно. Например, компания Edison выпускает многокристальные светодиоды в двух вариантах — Edipower без теплопроводящего основания и EdiStar — с основанием звездообразной формы. При необходимости многокристальные светодиоды могут включаться в кластеры.

Вопросы надежности

При количестве светодиодов в кластере до четырех каждый светодиод может иметь отдельные электроды. То есть светодиоды в кластере можно соединять произвольным способом. Однако в этом случае наиболее часто используется последовательное соединение светодиодов. Когда кластер объединяет в себе большее количество светодиодов, то используется параллельно-последовательный способ соединения, когда цепочки из трех последовательно включенных светодиодов и токоограничительного резистора соединяются параллельно. Все перечисленное справедливо и для многокристальных светодиодов, только там речь идет о соединении отдельных чипов.

Возникает вопрос: а что будет, если один из светодиодов выйдет из строя? Как это скажется на работоспособности всего устройства?

Известны два варианта выхода светодиода из строя. В первом случае вместо работоспособного светодиода появляется разрыв цепи. Чтобы другие светодиоды, включенные последовательно с ним, не погасли, параллельно светодиодам включаются так называемые стабилитроны. При разрыве цепи напряжение на светодиоде повышается выше номинального (около 3,6 В), что приводит к открытию стабилитрона. При этом ток течет уже через стабилитрон в обход неисправного светодиода.

Во втором случае светодиод превращается в короткозамкнутое соединение. Если светодиоды включены только последовательно и при этом стабилизирован ток питания, то подобная ситуация никак не скажется на работе других светодиодов. Но если светодиоды включены последовательно-параллельно, то неизбежно произойдет перераспределение тока между ветвями. Причем через ветвь, где находится вышедший из строя светодиод, будет течь больший ток, который может превысить допустимое значение. Для борьбы с этим явлением предусмотрены специальные схемы защиты.

Некоторые характеристики одно- и многокристальных источников света

Конечно, срок службы блока из светодиодов, который нельзя разобрать, чтобы заменить в нем отдельный элемент, будет меньше, чем у светильника, состоящего из отдельных светодиодов. Однако, снижение цен на светодиоды и тот факт, что светодиодные светильники становятся массовым продуктом, делает попросту невыгодным замену в них отдельных светодиодов. Поэтому уже в ближайшем будущем кластеры, модули и многокристальные светодиоды займут прочные позиции на рынке.  Причем многокристальные светодиоды вполне могут потеснить однокристальные, особенно при замене ламп накаливания на светодиоды, благодаря более низкой стоимости одного люмена. Использование светодиодных модулей значительно упрощает обслуживание и модернизацию систем освещения. Поэтому они найдут широкое применение в различных видах светильников.

Читайте также:

• Ученье — свет!
• Уличный светильник Elgo Acron LED 100: светодиоды вместо МГЛ
• Светодиодные лампы T5 и T8 от Elgo: сделано в Европе
• Светодиодные ретрофиты — выгодное освещение бизнеса
• Культура светодизайна в России
• Elgo Lighting Industries на выставке light+building 2012
• Типичные проблемы в формировании ночного облика российских городов
• «Интерсвет-2011»: в поиске новых подходов
• Освещение магазина джинсовой одежды
• Новогоднее световое оформление: красиво и надежно

Комментарии к статье «Многокристальные источники света».