№1 / 2016 / статья 2

XLamp XP-G3 от Cree: новая технологическая платформа SC5 плюс стандартный корпус

Увеличенное значение тока и повышенная эффективность – главные особенности нового светодиода XP-G3 из серии XLamp от компании Cree . При этом размеры его корпуса – те же, что и у предшественников. А архитектура кристалла Direct Attach делает новый светодиод менее чувствительным к броскам тока.

Компания Cree постоянно совершенствует свои технологии, инвестируя до 10% прибыли в новые разработки. Основными направлениями деятельности являются исследования в области повышения эффективности и надежности кристаллов и люминофоров.

Результатами этой работы за последний год стало появление сразу целого класса светодиодов XHP , использующих последнее поколение технологической платформы SC5 . Новые светодиоды обеспечили принципиально новый уровень светового потока, что позволило многим производителям уменьшить габариты и стоимость решений.

Следующим долгожданным шагом развития линейки светодиодов Cree стал переход существующих серий на новую технологическую платформу SC5. Первой ласточкой стала легендарная серия XP-G2 , на базе которой компания недавно анонсировала третье поколение продукта – серию XP-G3 .

Сочетание новых технологических решений и проверенных материалов позволило сделать светодиоды XP-G3 крайне эффективными и надежными. Рассмотрим новинку подробнее.

Эффективность XP-G3 достигает 177…190 лм/Вт @ 350 мА, Tj 85°C, а максимально достижимое значение светового потока – 777 лм.

Рисунок 1 иллюстрирует позиционирование XP-G3 в линейке существующих однокристальных продуктов с одинаковым посадочным местом (3,45×3,45 мм).

Рис. 1. Позиционирование XP-G3 в линейке существующих однокристальных продуктов с одинаковым посадочным местом

Видно, что новинка занимает нишу, которая в свое время образовалась с выходом серии XP-L , уровень светового потока которой в разы превышает типовые значения серий XT-E и XP-G3. Также следует отметить, что аналогичное посадочное место имеет светодиод XHP35 , который не показан на рисунке.

XP-G3 наследует размеры и конструкцию корпуса у серии XP-G2, что обеспечивает полную совместимость светодиода с существующими печатными платами и оптикой.

На рисунке 2 показан внешний вид, а в таблице 1 даны основные параметры XP-G3 в сравнении с ближайшими аналогами в таком же корпусе – сериями XT-E и XP-G2.

Таблица 1. Основные параметры XP-G3 в сравнении с ближайшими аналогами в таком же корпусе

Основные параметры светодиодов серии XLamp XP-G3:

• максимальная энергоэффективность: 187 лм/Вт (XPGDWT-01-0000-00ME2 );
• максимальный световой поток: 777 лм;
• максимальная рассеиваемая мощность: 6 Вт;
• максимальный ток: 2,0 А;
• типовое падение напряжения: 2,73 В (при токе 350 мА и температуре кристалла 85°С);
• тип собственной КСС: Д
• угол: 125°;
• максимальная температура кристалла: 150°С;
• габаритные размеры: 3,45х3,45 мм.

Обновленная версия XP-G3 по сравнению с предшественниками имеет увеличенное значение максимального тока – до 2 А. Предположение о том, что XP-G3 использует кристалл большего размера подтверждается низкими значениями теплового сопротивления и прямого падения напряжения – 3°C/Вт и 2,75 В соответственно. На рисунке 3 показано сравнение ВАХ рассматриваемых серий светодиодов.

На рисунке 4 показана зависимость эффективности серий XP-G3, XP-G2 и XT-E от мощности светодиода. Для примера взят серийно доступный на момент написания статьи бин светодиодов XP-G3 и XP-G2 S4 – от 164 лм при 350 мА 85°С (для XT-E бин S3 – от 156 лм при 350 мА 85°С).

Из рисунка 4 видно, что XP-G2 и XP-G3 имеют близкое преимущество по сравнению с XT-E в диапазоне мощностей до 4 Вт, при этом больший запас по максимальной мощности у XP-G3 позволяет на 20…30% увеличить ток через светодиод в светильнике, пропорционально сократив количество светодиодов, оптики и размер печатной платы. Такой переход с XT-E на XP-G3 является более консервативным по сравнению с возможностями светодиодов XHP , но при этом он требует меньших инвестиций в разработку (можно сохранить существующую конструкцию оптики, плат и радиатора).

Особо следует отметить, что светодиод XP-G3 использует кристалл архитектуры Direct Attach (DA) . Аналогичные кристаллы меньшего размера используются в популярных сериях XT-E и XB-D и отличаются повышенной устойчивостью к электрическим, тепловым и механическим перегрузкам по сравнению с кристаллами вертикального типа, которые, преимущественно, используются в светодиодах высокой мощности.

Конструктивной особенностью архитектуры Direct Attach является то, что подложка, на которой выращивается гетероструктура, не отделяется от кристалла, как при производстве кристаллов с вертикальной архитектурой, а сохраняется. Сам кристалл имеет контактные площадки в одной плоскости, которая монтируется на керамический корпус светодиода. Оставшаяся подложка образует верхний слой кристалла, который, благодаря хорошей светопропускаемости карбида кремния и специальной огранке поверхности, формирует, собственно, первичный источник излучения светодиода, на который в дальнейшем наносится люминофор . Упрощенное изображение структуры кристалла показано на рисунке 5.

Как было отмечено выше, электрические контакты кристалла Direct Attach расположены в одной плоскости на корпусе светодиода и имеют большую площадь, по сравнению с верхним проволочным контактом у светодиодов с вертикальными кристаллами. Именно это делает светодиод с кристаллом Direct Attach более устойчивым к броскам тока, которые часто возникают при эксплуатации светильников в сетях уличного освещения и на индустриальных объектах.

До недавнего времени основным ограничением для широкого использования кристаллов типа DA в мощных светодиодах была относительно большая высота подложки и ее сложная форма огранки. В общем случае такой источник света по сравнению с размерами линзы светодиода нельзя рассматривать как планарный, что затрудняет разработку вторичной оптики со сложной формой КСС . Несмотря на это, невысокая цена люмена у светодиода XT-E сделала его популярным именно в сфере уличного освещения. При разработке нового продукта на базе кристалла DA инженерам Cree удалось решить эту проблему за счет более технологичной обработки SiC-подложки. В результате светодиод XP-G3 получает мощный кристалл с надежной и проверенной архитектурой Direct Attach. При этом размер и оптические свойства светодиода аналогичны серии XP-G2, что значительно упрощает применение новинки. На рисунке 6 показано схематичное сравнение источников света для рассматриваемых серий.

Отдельно хочется обратить внимание на недавно анонсированное семейство компактных бюджетных модульных линз Stradella-8 производства компании Ledil , которые в сочетании с повышенной светоотдачей XP-G3 позволяют проектировать компактные, надежные и недорогие решения.

В качестве подтверждения высокой надежности нового продукта на рисунке 7 и в таблице 2 приведены первые результаты испытаний LM-80 для светодиода XP-G3 (платформа SC5) и его технологического предшественника XP-G2 (платформа SC3).

Таблица 2. Первые результаты испытаний LM-80 для светодиодов XP-G3 (платформа SC5) и XP-G2 (платформа SC3)

На момент написания статьи длительность тестирования XP-G3 достигла необходимого для аппроксимации функции деградации светового потока и оценки прогнозируемого срока службы в соответствии с требованиями стандарта LM-80 уровня 6000 часов. По имеющимся данным видно, что новый светодиод имеет лучшую стабильность по сравнению с предшественником – светодиодом серии XP-G2, стабильность которого долгое время была эталоном надежности современного мощного светодиода с подтвержденными данными по деградации. Видно, что переход на новый светодиод позволяет прогнозировать срок работы светильников по еще более строгому критерию – L95 (деградация светового потока на 5% от начального значения), что позволяет существенно сократить типовой коэффициент запаса для осветительных установок, сокращая тем самым присоединенную мощность и количество светильников в проектах.

Для тех производителей, которым интересно более эффективно и экономично использовать ресурс светодиода , будет интересен более высокий ток 1500 мА и температура 105°С. Данные по деградации XP-G3 в этом режиме приведены в рисунке 8.

Из рисунка 8 следует, что в этом режиме деградация светодиода будет ожидаемо более интенсивной, однако абсолютные значения срока службы будут иметь достаточно высокие значения – по критерию L90 боле 70 000 часов, по L70 – более 100 000 часов.

Важно подчеркнуть, что светодиоды XP-G3, как и любой продукт Cree Xlamp, имеют унифицированную систему обозначений и биновки, что упрощает выбор подходящего кода заказа. Новая технология обеспечивает возможность реализации модификаций с повышенным индексом цветопередачи (CRI 90+) во всем диапазоне цветовых температур CCT 2700…5700K в дополнение к стандартным исполнениям с CRI 70 и CRI 80. Это делает светодиод еще более привлекательным для применения в таких задачах как стадионное освещение и проектирование прожекторов для освещения телестудий. Также XP-G3 стал первым в индустрии однокристальным светодиодом, в котором была применена технология EasyWhite , которая обеспечивает однородность цвета до 3 эллипсов Мак-Адама при заказе светодиодов (рисунок 9).

Заключение

Светодиод нового поколения XP-G3 объединил в себе преимущества популярных серий XT-E (отказоустойчивость при внештатных перегрузках) и XP-G2 (хорошие оптические свойства, совместимость с большим парком оптики). Благодаря новой технологической платформе SC5 светодиод имеет улучшенные характеристики по эффективности и мощности, а также по надежности и качеству света.

Литература

1. www.Cree.com/sc5.
2. Новые серии светодиодов компании Cree на основе улучшенной технологической платформы. Андрей Туркин, Михаил Червинский. Полупроводниковая Светотехника № 1/2015.
3. Cree.com/xlamp/xpg3.
4. http://www.Cree.com/LED-Chips-and-Materials/Chips/Chips/Direct-Attach/DA1000-LED.
5. А.Лебедев, С.Сбруев. SiC-электроника: прошлое, настоящее, будущее. ЭЛЕКТРОНИКА, Наука, Технология, Бизнес, № 5/2006.
6. Флип-чип-светодиоды на основе гетероструктур AlGaInN, выращенных на подложке SiC Е.М. Аракчеева, И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Д.А. Закгейм, М.М. Кулагина Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, РАН, Россия, Санкт-Петербург.
7. Cree® XLamp® XB-D and XT-E LED Optical Design Considerations CLD-AP104 Rev 0D www.Cree.com.
8. www.ledil.com/stradella.
9. Новые технологии - для нового поколения светодиодных светильников. Михаил Червинский, Игорь Музалевский, Сакен Юсупов. Полупроводниковая светотехника, № 3/2015
10. www.Cree.com/xlamp_app_notes/lumen_maintenance.
11. LED Color Mixing: Basics and Background. Technical Article. CLD-AP38 REV 1C. www.Cree.com.
...читать далее

Компактный и легкий фонарь Fenix RC05 XP-G2 R5 предназначен для ежедневного использования в походе, на рыбалке или в условиях города. Фонарь обладает привлекательным внешним видом и способен заряжаться через microUSB или магнитный порты. Все это делает данную модель отличным выбором для приобретения.

Корпус Fenix RC05 сделан из прочного антикоррозийного алюминия. Малые габариты фонаря дают возможность прикрепить его к связке ключей, чтобы всегда иметь под рукой. В торцевой части расположен магнит, который позволяет прикреплять фонарь к металлической поверхности и использовать в качестве светильника.

Возможности фонаря

Модель имеет 3 режима работы, различающиеся по интенсивности освещения (5/50/150/300 лм), и один режим стробоскоп (300 лм). Стабильный светопоток обеспечивается цифровым стабилизатором яркости. Фонарь оборудован защитой от перегрева и способен оповещать о низком заряде батареи.

Питание и время работы

Для работы фонарю достаточно одной батарейки типа АА, однако в таком случае не доступен режим "Турбо". Также можно использовать фирменный аккумулятор Fenix ARB-L14-800 на 800 мАч (поставляется в комплекте). Время работы от аккумулятора зависит от выбранного режима освещения и составляет от 55 минут (максимальная яркость в 300 люмен) и до 40 часов (минимальная яркость в 5 люмен).

Аккумулятор 14500 можно зарядить как через порт microUSB, так и через магнитный порт на корпусе фонаря. Кабель microUSB->USB с магнитным портом поставляется в комплекте.

Американская компания CREE является ведущим производителем твердотельных источников света. Разработанные и выпускаемые ею светодиоды семейства XLamp серий XR, XP, MC отличаются высокой эффективностью и экономичностью, что позволяет создавать на их основе современные технологичные и экологически безопасные осветительные приборы.

Итак немного расшифруем обозначения.

Например на фонаре написано: светодиод CREE XP-E R2

CREE - естественно название производителя диода

XR-E, у CREE бывает XP-E, XP-G, у других фирм встречается P4, P7 и т.д. - это обозначение самого диода.

R2 - бин яркости. Бин показывает, сколько люмен выдает светодиод при потреблении 1 ватта энергии, для светодиода это ток 350 мА. В английском языке этот параметр называется flux bin. На сегодняшний момент встречаются Q2, Q3, Q4, Q5, R2, R3, R4, R5, S2. В таблице ниже видно, сколько люмен с какого диода можно получить.

Q2-Q5 и R2 есть у XR-E диодов, у R2, R3 - есть у XP-E, R4-R5 и S2 - только у XP-G.

В чем основная разница, кроме яркости?

XR-E - самый старый и встречающийся только моделях фонарей, которые довольно давно на рынке. XR-E внешне очень легко определить, у него большая полусфера покрывает диод, сам кристалл больше чем у последующих серий (для сравнения на XP серии это такая себе капелька, размер XP-E по сравнению с XR-E был сокращён на 80%. XP-E от XP-G отличается тем, что у Е - три полоски на диоде, у G серии - четыре, получается что площадь XP-G выше.

Следовательно, в одинаковых по размеру, строению отражателях самый дальнобойный является XP-E, так как у него самый маленький кристалл, и, самый маленький источник света, так как его легко сфокусировать в узкий луч, потом XR-E, а самый широкий луч у XP-G, не из-за размера кристалла, а из-за сложности фокусировки, об этом ниже.

Если диоды расположить по энергоэффективности от самого слабого к самому яркому, то получим XR-E - XP-E - XP-G, где последний самый энергоэффективный, см. таблицу ниже.

Казалось бы, если есть самый яркий и самый новый и эффективный диод XP-G, то почему все известные и уважаемые производители фонарей не спешат переходить на этот диод. Причина проста. Каждый диод требует специально спроектированный отражатель для получения приемлемого светового пучка.

Рассмотрим все серии. Если посветить фонарем на ровную стену, то увидим следующие артефакты:

У XP-E - идеальная картинка без каких-либо недостатков: хорошо и равномерно сфокусированный центральный пучок и ровная боковая засветка без провалов.

У XP-G при фокусировке с помощью отражателя может наблюдаться так называемая дырка от бублика, когда центральный пучок света представляет собой бублик с заметным потемнением внутри. Это не вина производителей фонарей, а особенность диода. Поэтому такие фирмы как Fenix, Jetbeam, Nitecore, Zebra, 4sevens не спешили обновлять свой модельный ряд, а другие в гонке за новинками либо ставили сильно текстурированный отражатель, либо вообще просто применяли отражатели для других типов диодов. Все это негативно отражается на фокусировке луча и дальнобойности фонарей. По мнению многих экспертов фонари на этом типе диодов проигрывают по дальности старым моделям на XP-E и XR-E.

XM-L - является настоящим шедевром данной компании! Это новейшая разработка 2011 года! С момента изобретения данного светодиода 95% мощных фонарей строятся именно на нем! Данный диод обладает выдающимися характеристиками. Его яркость достигает до 1000 люмен при токе 3А!

Заинтересованность крупных компаний в снижении расходов на электроэнергию заставляет их задуматься о перераспределении бюджета на осветительные приборы. Светодиоды CREE могут стать хорошим подспорьем для повсеместного внедрения экономичных и долговечных источников освещения.

Описание

Американская компания CREE с 1987 года активно занимается исследованием и производством полупроводниковых осветительных приборов, и в настоящее время является одним из крупнейших производителей мощных светодиодов в мире.

Светодиоды CREE производятся по технологии выращивания излучающей структуры на кристалле карбида кремния, что в свое время стало инновационным прорывом компании (до этого известные способы производства предполагали использование сапфира). Такой подход позволил не только удешевить производство, но и снизить тепловое сопротивление подложки.

Применение

Светодиоды CREE могут использоваться в первую очередь там, где требуется получить высокую яркость свечения при минимальных затратах энергии: железнодорожный транспорт, автомобильная промышленность, уличное освещение в крупных городах и т.д.

Классификация

В общем случае светодиоды CREE можно разбить на две группы: мощные под названием XLamp и сверхъяркие – High-Brightness.

Светодиоды XLamp делятся на следующие подгруппы:

• ML – мощность от 0.25 до 1.6 Вт. Предназначены, в основном, для дежурной подсветки небольших помещений;
• MX – мощность от 2 до 4 Вт. Используются при подсветке жилых помещений;
• XB – мощность 3-5 Вт. Сфера применения достаточно широка – от портативных фонарей до подсветки больших складских помещений;
• XH – керамические LED мощностью от 0.6 до 1 Вт. Благодаря высокому показателю отношения световой поток/мощность (150-180 Лм/Вт) могут использоваться при освещении домов, офисов и т.д;
• XHP35 – мощные (13 Вт) светодиоды. Предназначены для направленного излучения, например, при световой сигнализации на дорогах и подсветке парковок;
• XM – мощность 10 Вт. Используются в портативных фонарях и фарах;
• XP – самая обширная линейка. Мощность от 2 до 10 Вт. Производятся как белые, так и цветные. Ввиду многообразия моделей, могут использоваться практически в любом приложении;
• XQ – миниатюрные LED мощностью от 1 до 3 Вт. Выпускаются как в белом, так и в цветном исполнении. Используются для ночной подсветки архитектурных сооружений, а также теплиц и крупногабаритного транспорта;
• XR – белые и цветные диоды мощностью от 2 до 4 Вт. Предназначены для подсветки ночных зданий, транспорта, концертных площадок;
• XT-E – led мощностью 5 Вт. Выпускаются в белом и синем исполнении. Сфера применения достаточно широка – от бытовых фонариков до подсветки складов и жилых помещений.

В семействе XT-E существует модификация XT-E High-Voltage White, рассчитанная на работу при повышенном напряжении питания (48 В). Ее мощность составляет 3.5 Вт, и она может служить заменой, например, 48 – вольтовым галогенным лампам.

Ниже представлен модельный ряд наиболее распространенных светодиодов XLamp:

Сверхъяркие светодиоды High-Brightness делятся на следующие группы:

• Р2 Oval 4-mm – цветные, представленные в красном, синем и зеленом исполнении. Предназначены для использования в различных RGB – устройствах, например, для подсветки мониторов и биллбордов;
• P2 Oval 5-mm – цветные светодиоды, разработанные специально для использования в LED-модулях типа «бегущая строка» и различных информационных указателях на дорогах, в аэропортах и т.д. Представлены в красном, зеленом, синем и желтом (янтарном) цветах;
• P2 Round 5-mm – здесь представлены как цветные, так и белые, предназначенные для работы в условиях повышенной влажности и при перепадах температуры, поэтому могут использоваться на открытом воздухе. Цветные светодиоды доступны в красном, синем, зеленом и желтом цветах. Белые светодиоды разделяются на два типа: cool white и warm white, то есть холодный и теплый оттенки;
• SMD – цветные и белые светодиоды в корпусе для поверхностного монтажа. Имеют маркировку типа CLx. Цветные LED можно разделить на single-color, то есть имеющие одну пару анод-катод и светящиеся одним цветом, и full-color, которые имеют три пары анод-катод и представляют собой, по сути, три разноцветных (RGB) светодиода в одном корпусе. Белые светодиоды, аналогично выводным LED типа Р2 Round, имеют разновидности cool white и warm white;
• P4 – белые и цветные светодиоды, предназначенные для создания направленного излучения, поэтому могут быть использованы при подсветке вывесок магазинов, сигнальных фонарей транспорта и др.

Внешний вид светодиодов High-Brightness показан на рисунке ниже:

Подделки CREE

Успех компании CREE спровоцировал появление на рынке большого количества подделок ее продукции. Технические характеристики таких копий заметно уступают оригиналу:

1. Соотношение световой поток/мощность (Лм/Вт) ниже.
2. Кристалл сильнее нагревается.
3. Кристалл быстрее деградирует из-за повышенного нагрева.

Все это приводит к тому, что количество часов наработки снижается на порядок (15-20 тыс. часов против оригинальных 50-100 тыс.).

На фото ниже представлены для сравнения оригинальный CREE XM-L и подделка от получившей довольно большую «известность» в деле подделывания светодиодов CREE китайской компании Latticebright.

Визуально сразу можно обратить внимание на то, что размер кристалла подделки меньше оригинального. Также у оригинального токопроводящие дорожки утоплены внутрь монтажной платы, поэтому не так заметны.

На фото выше: слева расположен оригинальный CREE XP-E, справа – подделка. У оригинала можно заметить внутри линзы выемки, которых нет у копии. Опять же, размер кристалла у CREE больше.

На ролике ниже демонстрируется разбор фары с поддельным светодиодом XM-L2 и последующее визуальное сравнение с оригиналом – заметна разница в размерах корпуса и кристалла:

На фото ниже наглядно представлены световые пятна оригинального (справа) и поддельного светодиодов:

Подключение

Для светодиодов CREE необходим источник питания напряжением 9-12 В (типовые значения), хотя возможно использование и более высоких напряжений, — главное правильно подобрать проходящий через диод ток. Подключать светодиоды следует параллельно, используя гасящие резисторы. Схема включения представлена на рисунке ниже.

Номиналы резисторов рассчитываются исходя из напряжения источника и потребляемого светодиодом тока.

Последовательное включение мощных светодиодов приводит к неравномерному распределению напряжения на них и, соответственно, неравномерному их износу, в результате чего из строя выходит вся цепь.

Плюсы и минусы светодиодов CREE

Основными достоинствами светодиодов являются их низкое энергопотребление и длительный срок службы — производитель гарантирует 100 000 часов работы, что составляет 50 жизненных циклов обычной лампы накаливания (или около 5 – для люминесцентной лампы).

Из минусов можно отметить высокую стоимость светодиодных светильников – при мощности 45 Вт их стоимость составляет от 2000 р без учета стоимости блока питания, при том, что аналогичные светильники на люминесцентных лампах стоят от 400 до 700 р. Хотя следует отметить, что по соотношению цена/качество светодиоды CREE не имеют аналогов.

Еще одним недостатком светодиодов является специфичный характер спектра их свечения, неприятный некоторым людям. Этот недостаток дополняется еще тем фактом, что они дают направленное излучение, то есть для получения привычной освещенности в помещении потребуется больше светильников, чем при использовании традиционных источников освещения.

Третий недостаток заключается в том, что для стабильной работы светодиодных светильников требуются источники питания и охлаждения, стоимость которых сопоставима со стоимостью самих светильников. Таким образом, срок окупаемости светодиодной техники составляет порядка нескольких лет.

Сравнение светодиодов CREE

Ниже представлена сравнительная таблица некоторых моделей светодиодов семейств XP (мощность 5 Вт для XP-G2 и 10 Вт для XP-L) и XPH35 (мощность 13 Вт). При сравнении учитывались относительные размеры, максимальный световой поток и относительная стоимость.

Также имеется диаграмма сравнения светового потока для самых популярных светодиодов серий XM, XP, XR:

Светодиодные сборки и ленты CREE

Кроме дискретных светодиодов, компания CREE производит сборки и ленты.

Светодиодная сборка – это интеграция нескольких кристаллов в один корпус для повышения мощности и интенсивности излучения. Типичные представители этого класса изображены ниже:

Мощность таких сборок может достигать 32 Вт (XLamp XHP70) при световом потоке в 4022 Лм.

Светодиодные ленты CREE построены на основе светодиодов типа CXA, характеристики некоторых приведены ниже:

Существует также второе поколение LED этого типа под маркировкой CXB. Они характеризуются более высоким отношением световой поток/мощность при тех же размерах.

Резюме

Ассортимент продукции CREE стремительно пополняется, — несколько лет назад модельный ряд XLamp был в несколько раз меньше. Это говорит о том, что продукты компании пользуются большим спросом, а масштабы производства подделок могут это подчеркнуть. Благодаря экономичности и качеству за приемлемую цену, продукты компании CREE обещают стать эффективной заменой традиционных источников освещения в будущем.