Дослідження параметрів світлодіодів CREE XLamp XP-E / XP-G / XM-L

1. Точка зору
2. Лабораторні методики і дослідження світлодіодів
3. Висновки
4. література
5. Інші статті на цю тему:

2011

Стаття присвячена об'єктивним і незалежним дослідженням потужних світлодіодів фірми CREE для застосування в освітленні, проведеним в лабораторії «Л.І.С.Т». Подано докладний аналіз результатів вимірювань характеристик останніх сімейств XLamp XP-E / XP-G / XM-L, а також порівняльні дані зі специфікаціями виробника. Дана інформація може бути корисною як для споживачів зазначених типів приладів, так і для користувачів, що стоять перед вибором виробника світлодіодів для використання в своїй продукції.

Точка зору

З моменту появи на російському ринку твердотільної світлотехніки компанія CREE згадується у відповідних колах набагато частіше за інших відомих лідерів індустрії світлодіодів та випромінювальних кристалів. Не став винятком і цей журнал, в кожному випуску якого вже традиційно є стаття про продукцію CREE. Скрізь неодноразово наголошується особливий, власний стиль як продукції цієї фірми, так і засобів її просування на ринку. За час активної діяльності компанії світлодіоди CREE здобули популярність і визнання своїх високих характеристик, які підтверджуються великою кількістю реалізованих проектів, відгуками споживачів і застосуванням випромінюючих кристалів іншими відомими виробниками в своїх приладах. Однак, як показала практика, «відлуння» лабораторних досягнень CREE не так вже й швидко доходить до споживача у вигляді продукції з колись обіцяними високими характеристиками. Але навіть ця обставина не послаблює довіри споживача до якості і надійності відомих світлодіодів, вирощених на підкладці SiC, хоча вже, в основному, переносяться на Si, особливо в Росії, так звикла останнім часом до всебічної «неоднозначності» гарантованих параметрів будь-якого продукту.

Є ще один важливий штрих в «почерку» продукції CREE - спадкоємність основних якостей від більш ранніх типів світлодіодів до сучасних. І якщо розвивати цю тему, то можна сказати, що на певному відрізку часу, протягом якого відбувається розвиток конструкції і параметрів сімейства потужних світлодіодів, CREE діє кілька прямолінійно. З боку здається, що еволюція топології і дизайну випромінюючих кристалів відбувається за однією схемою, проте ясно, що це не може використовуватися в такому широкому діапазоні щільності струму і розмірів самих кристалів. Хоча тут важко стверджувати однозначно: адже будь-який продукт в виробничому виконанні завжди впирається в компроміс вартості, технологічності і високих функціональних і якісних показників. Значить, і пильний сторонній погляд може виявитися не завжди доходить до коренів, що відбувається. Тому зручно розглянути цю еволюцію на рівні об'єктивних технічних характеристик, і вже за результатами цього розгляду сформувати власну думку. Останньому і присвячена ця робота, яка об'єднала в собі докладні дослідження параметрів декількох типів найсучасніших світлодіодів CREE, призначених для використання в світлотехнічних пристроях.

Лабораторні методики і дослідження світлодіодів

Для більш коректного зіставлення характеристик досліджуваних світлодіодів всі типи були обрані з одним випромінюють кристалом. В цьому випадку фізика роботи світлодіода як пристрої буде однакова з точністю до відмінності в тепловому опорі корпусів і топології кристалів. Поряд з оцінкою функціональності ставилося завдання порівняння заявлених і отриманих при вивченні властивостей. Актуальність такого порівняння за довгі роки просування CREE в Росії, як не дивно, зовсім не знизилася. А якщо говорити про появу нового продукту, то навіть істотно загострилася. Найчастіше тільки різниця в заявленому і отриманому є предметом розбіжностей, тому як багато питань якості світлодіодів в більшості своїй інженерами CREE вже вирішені. Це підтверджується великою кількістю досліджень і деградаційних випробувань [1].

Одними з перших світлодіодів з арсеналу CREE, реально наблизилися до позначки 100 лм з одного світлодіода (при споживаної потужності близько 1 Вт), стали сімейства XLamp XP-E і XLamp XP-G. Їх зовнішній вигляд показаний на рис. 1.

Рис. 1. Світлодіоди CREE: а) XLamp XP-E WHT; б) XLamp XP-G WHT

Ця серія стала зручною для застосування вторинної оптики, лінз-насадок, групових лінз через істотно менших розмірів корпусів у порівнянні з попередніми моделями. Однак значно зменшити розміри самого світиться тіла світлодіода (у вигляді кристала і кремнийорганической лінзи) не представляється можливим через розміри самих кристалів, а саме ця обставина і є умовою високої ефективності роботи короткофокусної оптики. І, тим не менш, вже відомі світлотехнічні вироби на основі цих світлодіодів, розроблені і для вуличного освітлення, і для офісного. Застосування цієї серії дозволило отримувати ефективність таких світильників аж до 85 лм / Вт, що на сьогодні вважається високим показником і приводом для масового застосування. Але, крім ефективності, світлодіоди і пристрої на їх основі характеризуються цілим комплексом параметрів, які в різній мірі можуть бути забезпечені цією лінійкою приладів.

Як і в попередніх дослідженнях, зразки пройшли вимірювання по цілому комплексу характеристик, більше 30 з яких поміщені в таблицю 1. Перш за все, слід відзначити досить високу наближення отриманих значень параметрів до заявлених. Найцікавішим, звичайно, є світловий потік, який, в основному, відрізняється від «віртуальних» умов специфікації, практично не реалізуються ні одним із споживачів (при температурі активної області кристала T = +25 ° C), не більше ніж на 10% в сторону зменшення. Взагалі, що стосується світлового потоку і світлової ефективності, то, навряд чи варто вказувати область невідповідності: всі представлені виміри підтверджують, що вона завжди «негативна», тобто значення цих параметрів завжди нижче задекларованих.

Таблиця 1. Параметри світлодіодів типу XLamp XP-E WHT і XLamp XP-G WHT

Тип світлодіода XPEWHT-L1-0000-00CE5 5F Q4 XPGWHT-L1-3D0-R3-0-01 Параметри (режим 350 мА) Отримані (при Tj = +50 ° C) Розрахунок по РСТ (при Tj = +50 ° C) норма по DS (при Tj = +25 ° C) Отримані (при Tj = +50 ° C) Розрахунок по РСТ (при Tj = +50 ° C) норма по DS (при Tj = +25 ° C) Потужність випромінювання, Вт 0,298 0,3733 Світловий потік, лм 89,52 94 100-107 111,43 115 122-130 Сила світла максимальна, кд 29,31 32,72 Сила світла осьова, кд 28,97 32,66 Освітленість по осі на відстані 2 м, лк 7,17 8,18 Сила випромінювання максимальна, Вт / ср 0,096 0,1095 Кут випромінювання 2Q0,5Iv, град 0-0 114,87 115 126,71 125 0-45 116,27 115 123,66 125 45 -0 115,69 115 127,79 125 середній 2Q0,5Iv 115,61 115 126, 05 125 Кут випромінювання 2Q0,1Iv, град 168,13 173,62 Струм, A 0,35 0,35 0,35 0,35 Напруга живлення, В 3,068 3,12 3,2 2,896 2,94 3,0 Споживана потужність, Вт 1,074 1,09 1,12 1,014 1,03 1,05 Світлова ефективність, лм / Вт 83,37 86,2 89-95 109,93 111,7 117-124 Температура точки пайки Tsp, ° С 40, 1 40 15 43,2 43 18,7 Фотометричне ставлення, кд / км 327,4 293,6 ККД світлодіода,% 27,72 36,83 Спектральна світлова ефективність, лм / Вт 301,3 298,8 Енергетична освітленість по осі на відстані 2 м, Вт / м2 0,02 0,02 Довжина хвилі максимальна, нм 453,5 450 Довжина хвилі центроїдного, нм 575,5 558 Ширина спектра випромінюючи я за рівнем 0,5Р, нм 206 210 166 180 Ширина спектра випромінювання за рівнем 0,1Р, нм 295,5 300 275 280 Координати кольоровості X 0,369 0,375 0,333 0,35 Y 0,356 0,368 0,327 0,348 Z 0,276 0,34 Частка ТКЕЗ щодо V (l),% 62,3 46,9 Корельована колірна температура (ССТ), K 4180,4 4000 5455,1 4800 Колірна температура по Планку (приведена), K 3627,5 4561

Однак для усунення казусу «віртуальності» даних в «даташітах» про світловому потоці, силі світла і прямій напрузі, що залежать від температури, інженерами CREE придумана програма розрахунків параметрів світлодіодів в залежності від різних температурних умов їх використання (РСТ, [2]). Можна вибирати як умова саму температуру р-п-переходу, тоді все бінов комбінації будуть відповідати специфікації, або вказувати температуру точки пайки - Трр, тоді програмою в розрахунок братимуться значення теплового опору перехід-корпус і температура р-п-переходу буде обчислена вже з урахуванням цього опору. У програмі використовуються «зашиті» в неї залежності світлового потоку від температури р-п-переходу, і далі, відповідно до них, розраховується остаточне значення потоку. Тому, якщо при використанні світлодіода мова не йде про негативних температурах навколишнього середовища, то все, що більше +20 ... + 22 ° C, вже не буде відповідати специфікації. Цілком зрозуміло, що така ситуація є в 99% світильників на основі світлодіодів. Однак програма РСТ дуже зручна для проектування світлотехнічних і електричних параметрів пристроїв на світлодіодах. Оцінивши тепловий режим свого майбутнього виробу, розробник може з її допомогою швидко розрахувати необхідні параметри світлодіодів і вибрати їх тип і бінов комбінацію для формування замовлення. У цьому пособництві споживачеві компанія CREE перевершила і випередила інших, компенсуючи тим самим незручні комерційні ходи з сумнівними цифрами в «даташітах». Подальшим розвитком взаємного розуміння CREE і її споживача став перехід до формування параметрів специфікацій при температурі +85 ° C (в нових світлодіодах типу XLamp® MT-G EasyWhite ™), що дозволить розраховувати характеристики світлотехнічних пристроїв без додаткових програм.

І, тим не менш, як можна бачити з таблиці 1, навіть ці розрахунки все ж трохи «не дотягнули» до реальних значень потоку. Але якщо бути поблажливими, то можна пробачити цю «недотяжку» в кілька люменів і визнати, що хитке відповідність заявленим значенням світлового потоку і ефективності у сімейства світлодіодів XLamp XP-E і XP-G було отримано. Слід зазначити також, що світлодіоди XLamp XP-G сміливо переступили позначку «100» в обох згаданих номінаціях. Можна навіть висловити надію на стабільність цього параметра при подальшому виробництві, а не тільки в «зразковому» варіанті.

Інші параметри також виявилися близькі до правди, і якщо більшість і не вказується в специфікації, то, по крайней мере, знаходиться в логічного взаємозв'язку і тому не викликає сумнівів у правильності. Коментувати їх немає потреби, про всі докладно розповість таблиця 1. Є тільки кілька моментів з колориметричною і спектральними характеристиками. Це стосується нерівномірності координат кольоровості (корелятивною колірної температури) по куту випромінювання світлодіода. Однак до цієї проблеми також варто ставитися філософськи, оскільки дана «штука» є у продукції CREE, що називається, «з народження» і можна лише констатувати різну ступінь її прояву в тому чи іншому продукті. Тут присутній одна дуже важлива обставина з точки зору метрології та правильності декларування кольоровості білих світлодіодів на основі люмінофорів і кристалів синього кольору випромінювання. Напис в «даташіте» у вигляді присвоєного тому чи іншому светодиоду значення колірної температури (біна за координатами кольоровості) слід читати так: в будь-якій точці просторового розподілу сили світла (фотометричного тіла) світлодіода колірна температура не може виходити за рамки, обмежені цим біном (розкидом значень колірної температури). Це твердження містить важливу логіку: колориметрические параметри повинні забезпечуватися в усьому просторі, незалежно від кута спостереження, і не мати невідповідності, навіть якщо мова йде про потік, укладеному утворює тілесного кута в 1 °, що є умовою «стандартного спостерігача» МКО. І цей 1 ° може виявитися де завгодно, в будь-якій точці півсфери випромінювання світлодіода, а спостереження з цієї точки буде для ока спостерігача виглядати як світло іншого кольору щодо інших точок спостереження. В цьому і полягає принцип сортування і розділення на різні ранки по відтінку, а нерівномірність понад допустимого (вихід за рамки біна) зводить нанівець таке сортування та всю її ідею цілком. Тому твердження деяких вітчизняних фахівців «від метрології» про те, що кольоровість необхідно вимірювати «по потоку», тобто за умови перемішування всього випромінювання і вимірі його параметрів як середнього значення з усього сумарного світлового потоку, в корені неправильні. Око спостерігача інтегрує потік тільки в тілесному куті, відповідному утворює його в 1 °, а не в 2π пор. А саме такі вимірювання, як правило, і відбуваються в заводських лабораторіях виробництв, що мають стандартний набір метрологічних засобів у вигляді сферичного інтегратора (фотометричного кулі), в якому одночасно вимірюються і світловий потік, і координати кольоровості. Відповідно, вихід кольоровості за рамки, визначені ранком, хоч навіть і в одній-єдиній точці простору випромінювання світлодіода, справедливо вважається невідповідністю цього ранку. Звідси і нерозуміння проблеми або «створення образу» її нерозуміння. До речі, сортувальна машина на конвеєрі, як правило, також містить у вигляді засобу вимірювання сферичний інтегратор, тому і бін по колірній температурі може зовсім не відповідати реальній кольоровості в більшості точок фотометричного тіла. Будь-яка оптика посилює цю обставину, тому із застосуванням лінз нерівномірність зростає. Однак стосовно до досліджуваних светодиодам, що не містить такої великої оптичної системи, можна сказати, що нерівномірність колориметрических параметрів по куту випромінювання не має катастрофічних розмірів, хоча і явно «випадає» за межі, обмежені в «даташіте».

На графіках рис. 2 можна помітити, що за кутом випромінювання від осі (0-0) до майже прямого кута (0-80) колірна температура становить від 500 до 800 К в залежності від типу світлодіодів. Прямі, що характеризують залежність координат кольоровості від кута випромінювання на рис. 2а, з розташуванням точки ± 45 в їх середині (у світлодіодів XLamp XP-E), або значення колірної температури на рис. 2б свідчать про приблизно лінійному зміні цих параметрів в залежності від кута спостереження і такому ж розподіл часток інтегрального світлового потоку відповідної кольоровості. Тому значення параметрів в цій точці можуть вважатися паспортними. Якщо повернутися до таблиці 1, то можна помітити, що у світлодіодів XLamp XP-E спостерігається практично повний збіг (4180 і 4000 К), а у приладів XLamp XP-G заявлена ​​колірна температура з'являється тільки на крайніх кутах огляду, а в центрі істотно вище (5455 К проти 4800 заявлених). В результаті ця обставина дозволяє зробити наступний висновок: якщо виробник декларує якусь світлову ефективність при певній колірній температурі, то за умови зміни останньої ефективність вже не буде відповідати заявленій. У випадку з досліджуваними зразками підсумок вийшов знову на користь виробника: колірна температура вище, вище і ефективність. А це означає, що якщо все привести до заявленого (тобто знизити температуру кольору), то не буде тих високих показників, які вийшли в результаті дослідження, а світлодіоди, ледь «дотягнули» до «даташіта» по світловому потоку, явно не досягнуть його .

Рис. 2. Кутовий розподіл колориметрических характеристик світлодіодів сімейства XLamp XP-E і XLamp XP-G: а) координати кольоровості; б) колірна температура і спектральна світлова ефективність в залежності від кута випромінювання

Зміна значення спектральної світлової ефективності (ССЕ) (рис. 2б), пропорційне зміні спектра випромінювання в залежності від кута спостереження (рис. 3), показує, що у світлодіодів XLamp XP-G, крім лінійного зменшення частки синього до крайніх кутах, змінюється ( є нелінійність) ще і спектр випромінювання довгохвильової, люмінофорного частини. Це підтверджується і нелінійної формою залежності ССЕ для XLamp XP-G на графіку рис. 2б.

Рис. 3. Відносний спектральний склад випромінювання світлодіодів CREE типу XLamp XP-E і XLamp XP-G в залежності від кута напрямку випромінювання (вказано на виносці)

Важлива частина програми РСТ присвячена електричним характеристикам. Виходячи з розрахунків прямого напруги світлодіода, заснованих, як говорилося вище, на його залежності від температури р-п-переходу, отримують значення споживаної потужності і світловий ефективності. Тому за результатами вимірювань прямого напруги, виконаним в дослідженні, можна побічно судити про те, наскільки розходяться розрахунки за допомогою програми і якою є реальність, наявна в вироблених світлодіодах. Якщо знову звернутися до таблиці 1, то можна помітити, що у обох типів світлодіодів розраховані за допомогою РСТ прямі напруги при наведених там температурах точки пайки відрізняються приблизно на 50 мВ (отримані значення нижче розрахункових). Це свідчить або про те, що реальна температура активної області кристала приблизно на 15-20 ° С вище розрахованої, або про те, що пряме напруга світлодіода при +25 ° C нижче 3,2 В, позначених в даташіте.

Ймовірно, розробники віддали цю різницю падіння напруги на контактних провідниках, місцях їх приварювання і т. Д., А може, просто заклали в розрахунки невідповідне значення теплового опору. Так чи інакше, наше дослідження виявило цей момент, і він може бути використаний для корекції розрахунків параметрів програмою РСТ.

Продовженням і розвитком конструктивних і ідейних починань, виконаних в світлодіодах серій XLamp XP-E і XLamp XP-G, є новинка - потужний однокристальний світлодіод XLamp XM-L, здатний, судячи по специфікації, працювати навіть при 3000 мА. Зовнішній вигляд його показаний на рис. 4.

Рис. 4. Світлодіоди CREE типу: а) XLamp XM-L WHT «теплий білий»; б) XLamp XM-L WHT «холодний білий»

Оскільки всі параметри цих світлодіодів в специфікації вказані в режимі роботи при струмі 700 мА, дослідження і розрахунки велися при двох значеннях прямого струму: 0,7 і 0,35 А. Тим самим можна порівнювати характеристики цієї серії світлодіодів з попередніми типами, параметри яких нормовані при 350 мА.

Навіть при побіжному вивченні таблиці 2, де показані всі результати вимірювань і дані специфікацій, можна зробити висновок, що прилади цієї серії істотно перевершують своїх попередників за багатьма позиціями. Тут вже не обговорюється просто значення 100 лм / Вт, воно є навіть при 700 мА, не кажучи вже про 350. Відповідно, значення світлового потоку при 700 мА «перевалює» за 200 лм. Ймовірно, такі показники на тлі попередніх багато можуть дозволити пробачити - навіть те, що деяких знову «не вистачає» до заповітних значень в специфікації, але все ж паралельний аналіз буде доречний.

Таблиця 2. Параметри світлодіодів типу XLamp XM-L WHT «теплий білий» і «холодний білий»

Тип світлодіода Холодний білий XMLAWT-0-T60-2S0-00-0001 Теплий білий XMLAWT00-000-000-00LT30E7-7C Параметри I Отримані (при T j = + 36 ° C) Розрахунок по РСТ (при T j = + 36 ° C) Отримані (при T j = + 54 ° C) Розрахунок по РСТ (при T j = + 54 ° C) Норма по DS (при T j = + 25 ° C) Отримані (при T j = + 38 ° C) розрахунок по РСТ (при T j = + 38 ° C) Отримані (при T j = + 54 ° C) розрахунок по РСТ (при T j = + 54 ° C) Норма по DS (при T j = + 25 ° C) режим I, мА 350 350 700 700 700 350 350 700 700 700 Потужність випромінювання, Вт 0,457 0,85 0,347 0,653 Світловий потік, лм 136,37 141 253,79 262 280-300 106,75 110 200,62 206 220-240 сила світла максимальна, кд 44,35 83,13 35,06 65,75 сила світла осьова, кд 44,33 82,88 35,04 65,64 Освітленість по осі на рас тояніе 2 м, лк 11,1 20,8 8,75 16,4 Сила випромінювання максимальна, Вт / ср 0,149 0,278 0,114 0,214 Кут випромінювання 2Q0,5Iv, град 0-0 117,91 116,99 125 117,04 116, 58 125 0-45 118,37 117,78 125 116,35 115,81 125 45-0 117,21 116,65 125 117,04 116,47 125 середній 2Q0,5Iv 117,83 117,14 125 116,81 116,29 125 Кут випромінювання 2Q0,1Iv, град 162,85 162,58 163,84 163,5 струм, A 0,35 0,35 0,7 0,7 0,7 0,35 0,35 0, 7 0,7 0,7 Напруга живлення статичну, В 2,861 2,73 2,989 2,81 2,9 2,764 2,73 2,845 2,81 2,9 Напруга живлення імпульсний, В 2,898 2,77 3,018 2,9 2,9 2,787 2,77 2,891 2,9 2,9 потужність, Вт 1,014 0,96 2,092 1,97 2,03 0,98 0,96 1,99 1,97 2,03 Світлова ефективність, лм / Вт 136,19 146,9 121,30 133 138-148 110,35 114,60 100,74 104,6 108-118 Температура точки пай ки Tsp, ° С 33,6 34 48,8 49 20 35,8 36 48,7 49 20 Фотометричне ставлення, кд / км 325,3 327,6 328,4 327,7 ККД світлодіода,% 45,05 40, 64 35,61 32,78 Спектральна світлова ефективність, лм / Вт 298,57 296,07 307,63 302,56 Енергетична освітленість по осі на відстані 2 м, Вт / м2 0,03 0,06 0,02 0,04 довжина хвилі максимальна, нм 442,5 442,5 604,5 604 довжина хвилі центроїдного, нм 538,5 534,5 593 592 Ширина спектра випромінювання за рівнем 0,5Р, нм 20,5 20,5 23 224 223,5 220 Ширина спектра випромінювання за рівнем 0,1Р, нм 237 235 250 304,5 304 300 Координати кольоровості X 0,301 0,299 0,325 0,423 0,42 0,442 Y 0,303 0,301 0,355 0,383 0,378 0,415 Z 0,396 0,4 0,194 0,202 Частка ТКЕЗ отн. V (l),% 30,48 30,01 69,82 67,9 Корельована колірна температура (ССТ), K 7630,7 7652,7 5900 3055,8 3072,4 3000 Колірна температура по Планку (приведена), K 7142 7149 2854,5 2842,3

Про ступінь відповідності отриманих значень світлового потоку і ефективності розрахунками і деклараціям красномовно говорять перші рядки таблиці 2. Результати та висновки аналогічні наведеним по попереднім типам світлодіодів. Однак з якихось незрозумілих причин кути випромінювання за рівнем 0,5Iv max у обох типів світлодіодів недобирають майже 10 ° щодо «даташіта». Навряд чи це якесь серйозне стратегічне невідповідність, але зазвичай кутові характеристики витримуються продукцією CREE завжди. Позначитися такий недолік може лише при проектуванні вторинної оптики або розрахунків якихось спеціальних діаграм кутового розподілу сили світла, наприклад для вуличного освітлення.

Якщо рухатися вниз по параметрам, поміщеним в таблиці 2 (де вказані електричні характеристики), то можна помітити, що там є два типи виміряного прямого напруги: в імпульсному режимі і в статичному. Це вимір робить непряму оцінку температурного режиму роботи випромінює кристала незалежної від розрахунку програми РСТ і біна світлодіода по напрузі. Таким чином, отримані значення напруги виявляються: одне - при температурі кристала Tj = +25 ° C, як у специфікації (імпульсний режим), інше - визначене за формулою:

Тsр = Tj + Rt,

де Tj - температура р-п-переходу +25 ° C, Rt - тепловий опір р-п-перехід-корпус 2,5 ° / Вт ( «даташит»).

У разі режиму 350 мА, коли світлодіод споживає потужність рівно 1 Вт (з даних вимірювань), перегрів активної області кристала повинен скласти 2,5 ° C, що буде відповідати зменшенню прямої напруги приблизно на 7-8 мВ. Якщо врахувати температуру точки пайки, наведену в таблиці 2, то можна помітити, що різниця в прямому напрузі становить якраз величину, еквівалентну різниці температур, плюс припадають 7-8 мВ на тепловий опір. Ситуація повторюється і при вимірюванні напруг в режимі 700 мА (при поправці на відповідну при цьому споживану потужність). Це свідчить про коректність зазначеного значення теплового опору, а значить, і розрахунки всіх величин за програмою РСТ. Відповідно, розраховані значення світлового потоку і ефективності повинні бути достовірними і не збіглися в реальних дослідженнях не через невірного розрахунку, а саме через фактичної недостачі того чи іншого параметра. Однак, як і у варіанті з попередніми типами зразків, невідповідності не настільки великі (менше 10 лм по світловому потоку) і на них також можна закрити очі, списавши на похибку вимірювань. Набагато більша розбіжність є лише по світлової ефективності (доходить до 15 лм / Вт) - і то тільки на великих токах.

А ось з кольоровістю у XLamp XM-L WHT холодного білого кольору є істотні розбіжності. Якщо слідувати описаним раніше викладкам, то отримані в дослідженні світлові ефективності саме для цього кольору фактично повинні бути істотно вище. Це пояснюється тим, що Корельована колірна температура перевищує заявлену майже на 2000 К. Відповідно, значення ефективності випромінювання при такій кольоровості буде на 10-15% більше, а з урахуванням отриманих значень (які нижче заявлених на 12% (табл. 2)) розбіжність з «дата-шитому» в бік зменшення складе близько 25%. А це вже відчутно.

Далі слід провести аналогії і з нерівномірністю координат кольоровості по куту випромінювання. Ці залежності наведені на рис. 5.

Малюнок 5. Кутовий розподіл колориметрических характеристик світлодіодів сімейства XLamp XM-L WHT ( «теплий білий» (ТБ) і «холодний білий» (ХБ)): а) координати кольоровості; б) колірна температура і спектральна світлова ефективність в залежності від кута випромінювання

Можна помітити, що відображені і в таблиці 2, і на графіку рис. 5б значення колірної температури теплого білого практично не мають залежності від кута випромінювання і щільності струму через кристал і до того ж збігаються з «даташіта». Тут можна констатувати повну відповідність. Зате XLamp XM-L WHT в холодному білому варіанті займає відразу кілька Ранков за координатами кольоровості в залежності від кута спостереження. Розкид координат становить по X - до 0,4, по Y - до 0,9 (рис. 5а), значення розкиду ССЕ становить близько 60 лм / Вт. Для наочності міркувань наведений рис. 6, на якому показані відносні спектральні розподілу світлового потоку при різних кутах випромінювання. Варто відзначити високу стабільність довгохвильової, люмінофорного частини спектра, яка виявилася абсолютно незалежною від кута спостереження, а значить і від положення виробляє його люмінофора на площині випромінює кристала. Відповідно, всі зміни кольоровості такого характеру тут пов'язані виключно з геометрією проходження променів від кристала через люмінофорне покриття, яке визначає «вагову» частку синього в загальному спектрі конкретного напрямку випромінювання. У таких випадках кажуть: «Так і повинно бути».

Рис. 6. Відносний спектральний склад випромінювання світлодіодів CREE XLamp XM-L WHT: ТБ і ХБ в залежності від кута напрямку випромінювання (вказано на виносці)

Однак якщо відкинути відомості про спектральний склад і пов'язаних з цим невідповідності з «даташіта» і звернути увагу на значення ККД світлодіодів (табл. 2), що показує ефективність перетворення електроенергії у світ, то можна помітити, що вже в білому світі воно становить величину більше 45 % при щільності струму близько 40 А / см2 і близько 40% - при 75 А / см2. Відповідно, без люмінофора це значення складе не менше 50%. На сьогодні це дуже високий показник ККД роботи Гете-роструктури при таких щільності струму і всієї конструкції випромінює кристала, з його внутрішніми відображеннями і проблемами зовнішнього квантового виходу.

Висновки

В результаті проведених досліджень були отримані докладні реальні характеристики світлодіодів CREE типу XLamp XP-E WHT, XLamp XP-G WHT і XLamp XM-L WHT. В тій чи іншій мірі результати вимірювань наблизилися до заявлених в специфікаціях значенням. Однак не тільки завдання порівняння стояла перед дослідниками: інтерес представляв сам факт аналізу даних з настільки високими фотометрическими характеристиками зразків. Слід зазначити, що, судячи з отриманих характеристикам, компанії CREE вдалося досягти одних з найвищих на сьогодні показників ефективності перетворення електричної потужності в світло. І, хоча світлова ефективність становить вже понад 100 лм / Вт при високій щільності струму (до 80 А / см2), а значення світлового потоку одного світлодіода при цьому вже переступило за 200 лм, все ж залишилися в новому приладі XLamp XM-L деякі колишні , що переходять від продукту до продукту і традиційні для CREE «ложки дьогтю». Як було сказано вище, це суттєва нерівномірність колориметрических характеристик в залежності від кута випромінювання, що тягне за собою зміну середнього, інтегрального значення корелятивною колірної температури випромінюваного світлового потоку.

Кілька слів варто сказати і про можливості світлодіодів типу XLamp XM-L працювати при високій щільності струму (за даними специфікації - до 3000 мА). Застосування випромінює кристала з великою площею р-п-переходу висуває особливі вимоги до топології контактів на його поверхні і відповідним розподілом напруженості прикладеного до кристалу зовнішнього електричного поля. Тут вся схема розподілу потенціалу працює як система паралельного включення секторів кристала (еквівалентних окремим диодам) з відмінними значеннями прямого напруги [3]. Цілком зрозуміло, що через це завжди є нерівномірність щільності струму по площі р-п-переходу або кристала. Відповідно, із збільшенням загального прямого струму через кристал (прямого прикладеної напруги) нерівномірність щільності струму значно збільшується, що, як правило, і призводить до деградаційних явищ взагалі, а в першу чергу - у секторів з великим її значенням [3]. Причому в [3] визначено, що значення нерівномірності можуть доходити до декількох разів. Маючи на увазі все сказане, топологію контактів випромінює кристала і варіант приєднання його контактними нитками, показаний на рис. 4, можна зробити висновок про те, що за всіма трьома наявними провідникам протікає струм різної щільності. В результаті існує теоретична ймовірність того, що при певному сумарному його значенні ток перерозподілиться між нитками так, що одна з них просто не витримає і розплавиться в самому слабкому місці. Далі, за ступенем і в пропорції розподілу потенціалу по площі кристала, відповідно перерозподілиться щільність струму і в інших нитках, причому значення прямого струму в сумі залишиться постійним. Це миттєво спричинить за собою послідовне перегорання залишилися ниток як взяли всю навантаження на себе, і загальна ланцюг харчування світлодіода перерветься.

Ймовірно, цей зімітувати сценарій розвитку ситуації з харчуванням світлодіода підвищеним струмом не раз було розглянуто інженерами CREE і максимально врахований в конструкції, але, як показує наведене міркування, його реальне втілення цілком можливо. А може, цю послідовність подій їм ще тільки належить врахувати ...

Варто також відзначити, що представлені результати досліджень більшою мірою підтвердили особливість продукції виробництва CREE - ніколи не досягати заявлених значень світлового потоку і світлової ефективності. І хоча в нашому випадку було отримано мінімальне розходження (порівнянне з точністю вимірювань), все ж споживачеві набагато приємніше мати кілька «зайвих» люменів до значення в «даташіте». І, як не парадоксально, саме це якраз і стане суттєвою конкурентною перевагою, на відміну від постійного порівняння стану справ з вагами ринкових торговців, які обов'язково покажуть, що вага одного літра води - 1,5 кг.

На закінчення слід підкреслити, що, незважаючи на певні моменти (в природі ніщо не позбавлене недоліків), новий світлодіод XLamp XM-L увібрав в себе всі науково-виробничі досягнення компанії CREE, і, безумовно, є важливою ланкою в розвитку наступних поколінь потужних світлодіодів для освітлення.

література

1. Никифоров С. Г. Якби молодість знала, якби старість могла // Напівпровідникова світлотехніка. 2010. № 6.
2. www.cree.com .
3. Никифоров С. Г., Сушков В. П. Метод контролю потенційної ступеня деградації характеристик світлодіодів на основі твердих розчинів AlGaInN // 5-а Всеросійська конференція «Нітриди галію, індію та алюмінію: структури і прилади». Фізичний факультет МГУ ім. М. В. Ломоносова. Москва, 31 січня - 02 лютий 2007 р

Інші статті на цю тему:

повідомити про помилку