Проблема выбора мощных светодиодов в процессе разработки светотехнического устройства

Мощный светодиод для систем освещения, появившийся лишь в начале этого века, переживает в настоящее время, пожалуй, самый бурный период своего развития. Всего несколько лет назад количество производителей мощных светодиодов исчислялось буквально единицами, а ассортимент их продукции насчитывал максимум несколько десятков изделий. Теперь 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.

Вполне естественно, что при таком широком ассортименте разработчики сталкиваются с проблемой выбора. В большинстве случаев для разработчика не вполне очевидно, какими критериями руководствоваться и какие параметры светодиодов анализировать в процессе проектирования 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 следует определиться с тем, что является конечной целью разработки. В общем случае целью любого проекта является конкурентоспособный коммерческий продукт. Чтобы он стал конкурентоспособным, необходимо, чтобы он обладал определенным набором потребительских характеристик. К таким характеристикам относятся качество, срок службы, технические параметры и стоимость готового изделия. Понятно, что при выборе светодиода следует стремиться к тому, чтобы обеспечить наилучший набор потребительских характеристик. Это и является критерием выбора. То есть, необходимо подобрать такой светодиод, который обеспечил бы высокое качество, долгий срок службы, требуемые технические параметры (в первую очередь, заданную величину светового потока) и низкую стоимость разрабатываемого изделия.

Следуя этим принципам, первым делом следует 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 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 50 тыс. ч, 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 C

Итак, мы определили группу светодиодов, удовлетворяющих условиям по качеству и продолжительности срока службы, а также определили 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 следует 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.

Рис. 2. Зависимость интенсивности свечения от температуры кристалла для светодиодов серии XP-G

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 4-кристалльных 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 и работающих в одном диапазоне цветовых температур. Пусть нас интересуют светодиоды холодного белого свечения с интенсивностью от 80 лм при токе 350 мА. В таблице 1 перечислены позиции, выбранные нами для исследования, с некими условными ценами (для нашего гипотетического примера реальные цены не требуются, т.к. нам важно знать только соотношение цен для разных позиций).

Таблица 1. Условные цены некоторых изделий при максимальном значении светового потока
Наименование	Световой поток, лм (при 350 мА и 25°С)	Цена, у.е.
XPCWHT-L1-0000-00903	80,6	1,5
XPCWHT-L1-0000-00A03	87,4	1,6
XPCWHT-L1-0000-00B03	93,9	1,7
XPCWHT-L1-0000-00C03	100	2,0
XPEWHT-L1-0000-00B03	93,9	2,6
XPEWHT-L1-0000-00C03	100	2,7
XPEWHT-L1-0000-00D03	107	2,8
XPEWHT-L1-0000-00E03	114	3,3
XPGWHT-L1-0000-00E53	114	3,9
XPGWHT-L1-0000-00F53	122	4,1
XPGWHT-L1-0000-00G53	130	4,5
XPGWHT-L1-0000-00H53	139	5,0
MCE4WT-A2-0000-000K03	370	9,6
MCE4WT-A2-0000-000M03	430	11,9
MX6AWT-A1-0000-000C53	114	2,1
MX6AWT-A1-0000-000D53	122	2,3

Посмотрим, как зависит интенсивность излучения светодиода от величины прямого тока. На рисунке 3 показана данная зависимость для светодиодов серии XP-G. Как видно из графика, при повышении прямого тока с 350 мА 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 для различных серий (например, для XP-G это 1000 мА, для MX-6 — 350 мА). Полученные данные сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Результат расчета светового потока для различных значений тока через светодиод
Наименование	Световой поток, лм
	350 мА	500 мА	700 мА	1000 мА
XPCWHT-L1-0000-00903	68,5	92,5
XPCWHT-L1-0000-00A03	74,3	100,3
XPCWHT-L1-0000-00B03	79,8	107,8
XPCWHT-L1-0000-00C03	85,0	114,8
XPEWHT-L1-0000-00B03	79,8	107,8	131,7
XPEWHT-L1-0000-00C03	85,0	114,8	140,3
XPEWHT-L1-0000-00D03	91,0	122,8	150,1
XPEWHT-L1-0000-00E03	96,9	130,8	159,9
XPGWHT-L1-0000-00E53	96,9	130,8	159,9	242,3
XPGWHT-L1-0000-00F53	103,7	140,0	171,1	259,3
XPGWHT-L1-0000-00G53	110,5	149,2	182,3	276,3
XPGWHT-L1-0000-00H53	118,2	159,5	194,9	295,4
MCE4WT-A2-0000-000K03	314,5	424,6	518,9
MCE4WT-A2-0000-000M03	365,5	493,4	603,1
MX6AWT-A1-0000-000C53	96,9
MX6AWT-A1-0000-000D53	103,7

Наконец, теперь мы можем получить действительные значения стоимости 1 лм, поделив цены светодиодов на значения интенсивности свечения из таблицы 2. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3. Действительные значения стоимости 1 лм
Наименование	Стоимость люмена, у.е./лм
	350 мА	500 мА	700 мА	1000 мА
XPCWHT-L1-0000-00903	0,0219	0,0162
XPCWHT-L1-0000-00A03	0,0215	0,0160
XPCWHT-L1-0000-00B03	0,0213	0,0158
XPCWHT-L1-0000-00C03	0,0235	0,0174
XPEWHT-L1-0000-00B03	0,0326	0,0241	0,0197
XPEWHT-L1-0000-00C03	0,0318	0,0235	0,0193
XPEWHT-L1-0000-00D03	0,0308	0,0228	0,0187
XPEWHT-L1-0000-00E03	0,0341	0,0252	0,0206
XPGWHT-L1-0000-00E53	0,0402	0,0298	0,0244	0,0161
XPGWHT-L1-0000-00F53	0,0395	0,0293	0,0240	0,0158
XPGWHT-L1-0000-00G53	0,0407	0,0302	0,0247	0,0163
XPGWHT-L1-0000-00H53	0,0423	0,0313	0,0256	0,0169
MCE4WT-A2-0000-000K03	0,0305	0,0226	0,0185
MCE4WT-A2-0000-000M03	0,0326	0,0241	0,0197
MX6AWT-A1-0000-000C53	0,0217
MX6AWT-A1-0000-000D53	0,0222

Согласно данным таблицы 3, у нас есть два явных «лидера» по показателю «стоимость люмена» — XPCWHT-L1-0000-00B03 при токе 500 мА и XPGWHT-L1-0000-00F53 при 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, 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 у.е., чем один XP-G по 4,1 у.е. 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. Как показывает практика, обычно именно светодиод выступает в качестве ценообразующего элемента, внося наиболее 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 при токе 1000 мА дают такой же световой поток, как один MCE4WT-A2-0000-000K03 при 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. Возникает логичное предположение, что при использовании MC-E можно получить меньшую себестоимость за счет экономии на стоимости линзы. Если принять стоимость линзы за 1,3 у.е., то стоимость решения на XP-G составит
2 . (4,1 + 1,3) = 10,8 у.е., а решение на MC-E будет стоить
9,6 + 1,3 = 10,9 у.е. Это значит, что 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.