За последнее время рынок твердотельного освещения стал развиваться с неимоверной силой. Естественно, что первоначальные изделия были к нам завезены из Азии, причем сомнительного качества. Со временем стали появляться производители отечественного «покроя», которые начали привносить некоторую конкурентоспособную коалицию. Понятно, что конкурировать с дешевыми китайскими «изделиями» было масло смысла и качественной и надежной базы практически не существовало. Такое положение дел было в светотехнике, с использованием маломощных белых светодиодов. Эти источники света никак не могут противостоять традиционным источникам света и могут выполнять только декоративную функцию. Но даже такие «приборы» смогли дискредитировать в России саму идею внедрения твердотельного освещения. Тем самым, заставив потребителей всевозможным образом отказаться от такого источника света. Повышенный же интерес западных потребителей наоборот показывает, что твердотельное освещение наиболее предпочтительно и наиболее интересно покупателям. Укрепляется это мнение и тем, что в продаже стали появляться светодиоды, которые по своей интенсивности излучения могут составлять конкуренцию всем привычным традиционным источникам света. В таблице 1 ниже, вы можете посмотреть характеристики светоотдачи разнообразных источников света.
Проанализировав таблицу, легко понять, что применяя вместо ламп накаливания светодиодные лампы вы сможете экономить до 90 процентов электроэнергии. А тот факт, что такие лампы служат не менее 100 000 часов, то они становятся объектом пристального внимания потребителей как в экономическом, так и в экологическом плане.
Данная статья даст сравнение мощных светодиодных ламп ведущих производителей, которые имеют в своем “распоряжении» собственное производство InGaN-кристаллов. К таким производителям можно с легкостью отнести Cree, Lumiled, Nichia. Множество других известных компаний не производят собственные кристаллы. А только внедряют их в свои корпуса под собственной торговой маркой. Их мы не будем также рассматривать.
Электрические и световые характеристики
Главным показателем любой светодиодной лампы является – светоотдача. Измеряется в лмВт. Для тех, кто слабо помнит физические термины и понятия: лм – единица светового потока, Вт –мощность ( единица потребляемой мощности ).
Современные светодиодные лампы могут работать при величине тока более 1 А. но тут сразу же возникает вопрос о необходимости отвода тепла от кристалла и соответственно службы самого кристалла.Поэтому правильнее рассуждать о приборах с ном.током в 350 мА. Производители светодиодных ламп, предлагающие устройства с мощностью превышающую 3 Вт иногда хитрят: это либо тот же кристалл с током в 350 мА, или просто-напросто сборка из нескольких кристаллов. В любом случае, производитель старается снизить тепловое «давление» переход-корпус. В ряде случаев такое решение проблемы не всегда удается и производители снимают с себя всякую ответственность и перекладывают проблему отвода тепла на покупателя. А это приводит к одному: высокие тепловые нагрузки приведут к значительному уменьшению ресурса светодиодной лампы.
Таблица 2 дает нам возможность сравнить эффективность серийного продукта ( светодиодных ламп ), произведенных CRE, LumiledsLighting, Nichia Corporation. Из характеристик понятно, что чем больше мощность светодиодной лампы, тем больше снижается показатель эффективности.
Посмотрим, с чем же это связано: а связь простая – нелинейная зависимость светоотдачи от тока светодиодов. Типовая характеристика на лампу от компании Cree – XL7090 представлена на РИС.1.
На рисунке представлена относительная интенсивность – отношение светового потока при известном ( измеряемом токе ) к световому потоку, при токе к примеру в 350 мА. По абсолютной величине светоотдачи светодиодных ламп, первое место принадлежит все той же компании Cree. Даже в 2005 году показатель лампы, которую мы рассматривали выше, уже была 200 лмВт. Такие высокие показатели в эффективности светодиодных ламп от Creeлежат в основе получения InGaN-кристаллов. Ознакомиться с технологией производства кристаллов InGaN для мощных светодиодных ламп Вы можете в следующей части статьи.
При производстве светодиодов белого свечения всегда стоит ( стоял ) ряд проблем:
- Повышение светоотдачи
- Отвод тепла
- Увеличение стоимости 1 лм получаемого света.
Как правило, эти проблемы постоянно упирались в технологию получения светоизлучающей структуры InGaN. Компания Nichiaсмогла начать выращивать эти кристаллы на сапфировых подложках, Lumileds – используют подложку монокристалла кремния. Не смотря на то, что данные технологии практически идеальны, структуры InGaNимеют большое количество дефектов, что также влияет на светоотдачу кристаллов. Посмотрим на ТАБЛ.3.
Характеристики кристаллической решетки монокристалла GaNи разнообразных подложек. Мы видим, что худший вариант – у кремния. Наилучший показатель у сапфира, но и здесь сродство с кристаллической решеткой GaN не полное. Это и дает множество дефектов в кристаллической решетке InGaN/ Это понижает световую отдачу( показатели светоотдачи СМОТРИ в ТАБЛ.2).
В таблице 3 мы с легкостью можем видеть, что наибольшим сродством кристаллической решетки с GaNобладает карбид кремния, типа 6Н. Также SiCпочти в 10 раз лучше обладает теплопроводностью, в отличии от сапфира. А значит одной проблемой становится меньше. Теплопроводность практически решена.
РИС.2. показывает нам структуры InGaNна сапфире и SiC.
На карбиде кремния мы практически не видим дефектов, что дает нам возможность получить увеличенный световой выход и эффективность самой светодиодной лампы.
Специалисты компании Creeпервыми смогли получить пластины монокристаллов SiCбольшого размера. И до настоящего момента являются лидерами в производстве полупроводниковых устройств, включающих в свою основу SiCи GaN. Благодаря уникальной технологии получения структур-InGaN компания cree смогла обеспечить себе огромный отрыв от всех конкурентов в области производства твердотельных источников света. Наряду с такими достижениями и стала уходить в небытие и проблема всех мощных светодиодов — цена. А если быть более точным, то стоимость люмена излучаемого света. Так? у светодиодной лампы cree – XL7090 этот показатель практически на 30 процентов меньше своих аналогов от компаний Nichia и Lumileds.
В зависимости от того, какая конструкция светодиодных ламп применяется, зависит и ряд критериев самой лампы. А именно: ресурс работы, надежность светодиодной лампы и стоимость конечного продукта. Основополагающим в конструкции светодиодных ламп стоит считать адекватный отвод тепла от самого кристалла, выдерживать термоциклирование и обеспечить технологичность монтажа. Долговечность светодиодной лампы напрямую зависит и от монтажа кристалла ( метода монтажа ) и от материала, из которого произведено теплоотводящее основание. Каждый производитель намеренно решает эти проблемы по своему усмотрению и расчетам. На РИС.3,4,5
Вы можете посмотреть на конструкции светодиодных ламп от компаний Cree, Lumileds и Nichia.
Последние две фирмы при сборке своей продукции используют медное теплоотводящее основание. Отличие же между этими двумя компаниями – метод монтажа кристаллов. Lumileds используют эвтектическую установку, а Nichia просто приклеивает кристалл к основанию. Естественно, такие методы имеют как положительные, так и отрицательные стороны.
При пайке кристалла снижается тепловое сопротивление между корпусом СЛ и кристаллом. Однако, возникает диодный контакт между кристаллом и теплоотводящим основанием. Это требует электрической изоляции светодиодной лампы, если идет одиночное или групповое «присоединение» на монтажную плату. Такой метод существенно снижает технологичность и повышает производство ( в плане цены ) готового продукта и как результат увеличивается тепловое сопротивление между корпусом СЛ и радиатором. Есть и еще один минус: Si подложка и медный теплоотвод имеют разные коэффициенты объемного расширения. При термоциклировании происходит нарушение эвтектики и повреждение кристалла.
Электрическая изоляция и приклеивание светодиодонй лампы Luxeon усложнило технологию монтажа и к тому же не возможно без специального оборудования. ( РИС.6 ).
Все вышеперечсленное сильно увеличивает стоимость конечного продукта при серийном производстве светодиодных ламп такого типа.
Метод от компании Nichia – приклеивание кристалла к теплоотводящему основанию способно уменьшить механические нагрузки на кристалл и в то же время позволяет сразу обеспечить электроизоляцию. Но и сразу минус: долговечност и надежность лампы сильно страдают от этого. С течением времени происходит затвердевание клея, увеличивается тепловое сопротивление. Производитель специально сужает температурный режим, в котором может работать СЛ ( от -30 до +85 градусов ). Максимальная температура кристалла – 105 градусов. Если же смотреть в общем, то СЛ от Nichia более комфортны и удобны в монтаже.
Что же касается ламп от компании Cree – XLAMP7090, то она кардинально отличается от ранее описываемых устройств. Запас по теплопроводности, максимальная рабочая температура ( 600 градусов ) SiC подложки позволяет применять технологию эвтектической посадки самого кристалла на основание из нитрида алюминия. Механические напряжения в кристалле снимаются при помощи керамического основания ( прктически идентичные SiC темпертарные коэффициенты объемного и линейного расширения. Автоматом решилась и проблема и по электрической изоляции кристалла от теплоотвода. В таких лампах впервые применен метод «плавающей» линзы. Сущность этого метода состоит в том, что линза закрепляется при помощи адгезии ( за счет нее ) к кремнийорганическому герметику.
Корпус СЛ изготавливают как компонент для поверхностного монтажа. Малые габариты позволяют собирать кластеры. А это дает огромные сбережения денежных средств. Наличие массивного медного рефлектора дополнительно увеличивает рассеивание тепловой мощности, улучшая отвод тепла.
