Как разрабатывают и тестируют LED-освещение? Что такое «мясные» светодиоды? Экскурсия в R&D центр Maxus IC

Светоизмерительная лаборатория представляет из себя комнату площадью примерно 25 кв.м. Половину пространства занимают стеллажи с осветительными приборами самых разных форматов: от ламп с цоколем E27 до точечных светильников и трубчатых ламп T8. Объединяет все эти изделия два фактора: использование светодиодов в качестве источника света и постоянная работа в режиме 24/7. Среди них есть и изделия конкурентов — MAXUS IC следит за их предложениями на рынке.

Каждый инженерный сэмпл попадает в центр R&D и тестируется по всем параметрам. Большинство сэмплов проходят несколько циклов доработки/оптимизации, после чего утверждаются и отправляются в серийное производство. Но работой с сэмплами обязанности сотрудников тестлаба не ограничиваются — из каждой партии серийных изделий также берутся образцы и проходят в лаборатории проверку всех параметров. Если купленное потребителем изделие оказывается бракованным, то при возвращении оно тоже попадает в лабораторию MAXUS IC для выявления дефектов и их устранения в дальнейших партиях. То есть доработка, выявление проблем и их исправление проводятся украинскими специалистами в условиях украинских электросетей.

В светоизмерительной лаборатории приковывает взгляд спектрофотоколориметр EverFine PMS-80 внушительных размеров (диаметр 1,5 м), с помощью которого производится снятие спектра, замеры качества света, цветовая температура с ее отклонением от эталона и многие другие параметры. Идентичное оборудование с идентичной калибровкой установлено и на китайских сборочных предприятиях, так что инженеры MAXUS IC могут говорить «на одном языке» с подрядчиками. Калибровка сферы проводится практически ежедневно, но и тут есть нюансы, связанные с разницей температур в Украине и Китае. Из-за нее разница в измерениях может достигать 5%.

Стоящая рядом стойка с измерительным оборудованием и блоками питания постоянного и переменного тока позволяет выставить ряд параметров перед тестом, но основная настройка и мониторинг проводятся с ПК. Аналогичные БП и измерительные приборы производства EverFine установлены и в электротехнической лаборатории, где им ассистирует тепловизор Optris. С помощью тепловизора показания температуры снимаются с погрешностью в пределах 5%.

Тестируемая лампа-рефлектор имела наработку в 6000 часов (как и предусмотрено стандартом для снятия замеров), но за это время деградация светового потока не началась. Более того, за это время поток незначительно вырос, а его плавное уменьшение начнется позднее. То есть лампа способна проработать более трех лет по пять часов ежедневно, без ухудшения светового потока. Ресурсные испытания проводятся в течение ограниченного времени, а расчетный срок службы LED-ламп строится по математической модели, в которой допускается падение светового потока на 30% от первоначального, после чего лампа считается отработавшей свой ресурс. То есть, если на упаковке продукции MAXUS IC указано время работы в 30000-50000 часов, то по истечении этого времени светить она будет на 70% от начальной яркости при условии нормального охлаждения. Срок службы рассчитывается, исходя их температуры окружающей среды 25°С.

В течение срока службы меняется не только световой поток, но и цветовая температура. У тестируемой лампы с «пробегом» в 6000 часов и заявленной температурой в 4000 K фактическое значение равно 3967 K. Погрешность для продукции MAXUS IC обычно укладывается в 5 SDCM, в приложенных к статье результатах тестов указан SDCM для нескольких протестированных образцов. Чем меньше это значение, тем меньше разброс в цветовой температуре между лампами и светильниками одной модели, тем лучше взаимозаменяемость. Погрешность в 4-7 SDCM является обычной для светодиодного освещения, считается, что человеческий глаз перестает замечать различия при уровне в 1 SDCM. Так что здесь еще есть пространство для улучшений.

В каталоге продукции MAXUS IC сохранилась серия Sakura, представляющая более дорогой сегмент и обычная, массовая серия. Но сейчас границы размываются и обычная серия поставляется только в акционной упаковке «мультипак» из двух или трех ламп в комплекте. Sakura отличается использованием драйвера с управляющей микросхемой и помехоподавляющим конденсатором вместо обычного диодного моста. В новых партиях «мультипаков» тоже будут использоваться микросхемные драйверы. Такое улучшение стало возможным по мере обкатки и удешевления технологии.

Этим летом компания MAXUS IC отказалась от поставок компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), полностью сконцентрировавшись на светодиодах. КЛЛ поступали на рынок под брендами MAXUS и Global, последний из которых не канет в небытие, а будет использоваться для LED-ламп предыдущих поколений. Если линейка Sakura может пересматриваться и обновляться каждые полгода (условно), то Global будет использовать уже обкатанную схемотехнику и компоненты, без их явного упрощения и удешевления. В следующем году MAXUS IC планирует создать фонд, который займется утилизацией КЛЛ на всей территории Украины, граждане смогут сдавать отработанные лампы бесплатно.

В планах компании перевод продукции на трехлетнюю гарантию, включая верхний ценовой сегмент, ранее имевший пятилетнюю гарантию. Среди причин называется как возросший курс доллара, что очень хорошо чувствуется обычными потребителями, так и отсутствие интереса к лампам с рекордно большим ресурсом работы. Снижение сроков гарантии и заявленного ресурса работы до 30000 часов позволит дальше снижать цену. Но при этом будет использоваться драйвер с более новой микросхемой, а световой поток лампы мощностью 12 Вт составит 1200 люмен и более. По факту энергоэффективность уже сейчас составляет 109-110 люмен/Вт, хотя до начала серийного выпуска еще могут произойти изменения. Но и это не предел, в новых сериях «трубок» T8 эффективность может достигнуть 120 лм/Вт.

Уже сейчас выпускаются точечные светильники мощностью 6 Вт, совместимые с самыми популярными моделями диммеров (светорегуляторов), продающихся в Украине. Обычно LED-освещение либо не диммируется вовсе, либо требует очень дорогостоящих специальных диммеров, цена которых в разы больше, чем у «народных» моделей Viko, Makel или Gunsan. Изделия MAXUS IC здесь стали приятным исключением, но с оговорками. Важным параметром является минимально допустимая паспортная нагрузка для диммера — в одну серию (Schneider Sedna, к примеру) могут входить модели с минимальной нагрузкой как 60 Вт, так и 25 Вт. Стоит выбирать модели с минимальным значением мощности и рассчитанные на емкостную нагрузку. Заявлена корректная работа с совместимыми диммерами при использовании трех и более светильников. Сейчас драйвер настраивается инженерами и становится возможной (но не гарантированной) нормальная работа с двумя светильниками.

Интеллектуальные светильники Intelite, по словам сотрудников MAXUS IC, почти не имеют аналогов в мире, похожая продукция выпускается брендами уровня Panasonic и Sharp. Они могут плавно менять уровень освещенности в течение дня, считывая показатели с встроенного датчика освещенности. Внутри находится массив светодиодов с двумя разными цветовыми температурами: их яркость динамически меняется, что позволяет плавно регулировать цветовую температуру освещения. Возможно автоматическое включение/выключение в заданных пользователем временных рамках.

Первыми полностью разработанными в Украине продуктами MAXUS IC стали точечные светильники SDL Mini. По словам сотрудников компании, они стали первыми в мире светильниками с встроенным драйвером в едином корпусе толщиной всего 30 мм. Для достижения компактных размеров инженеры пересмотрели форму платы драйвера и ее компоновку, а также конструкцию корпуса.

В серии SDL Mini корпус состоит из двух частей: внутренняя алюминиевая чаша производится штамповкой и играет роль радиатора, далее чаша помещается в термопластавтомат и на нее наливается пластиковая наружная часть корпуса. Далее устанавливается драйвер, защищенный прозрачной прокладкой. Силикон используется для уплотнения и лучшего теплоотвода.

Основным сборочным предприятием для MAXUS IC остается Leedarson Lighting, одна из крупнейших китайских компаний такого рода. Кроме этого, налажены контакты с рядом производителей и поставщиков компонентов. Если планируется к использованию новая серия конденсаторов, то она вначале тестируется украинскими специалистами в составе схемы и собранного устройства, в котором она и будет работать в дальнейшем. Сейчас в продукции MAXUS IC используются конденсаторы Aishi, преимущественно высокотемпературных серий GS, RF, RZ, RS, RJ, CD11GAS и другие. В драйвере часто используются микросхемы BP Semi, в частности,BP2831. Учитывая широкий ассортимент, наверняка это не единственная модель микросхем, но инженеры не стали сильно распространяться по этому поводу. В диммируемых светильниках, к примеру, устанавливается NXP SSL2101T. У MAXUS IC заключено эксклюзивное соглашение с Leedarson Lighting — другие компании не могут поставлять на украинский рынок продукцию, произведенную Leedarson Lighting.

Актуальный ассортимент MAXUS IC работаетв диапазоне напряжений 160-242 В, в некоторых изделиях до 260 В, а ранние модели были ограничены снизу значением 198 В. Верхний предел в 242 В не кажется особо высоким, в моей квартире бывают и все 250 В :-) Драйвер со стабилизацией при скачке напряжения позволяет светодиодам работать в более щадящем режиме по току, что может предотвратить их постепенное выгорание. Входной помехоподавляющий конденсатор обеспечивает лучшую электромагнитную совместимость с другими чувствительными к помехам устройствами в сети (ТВ, радиоприемник и т. д.). Светодиодные осветители генерируют определенный уровень помех и при большом их количестве в сети драйверы с помехоподавлением становятся очень востребованными. Особенно, если в сети есть устройства, которые не прошли EMC-тест.

В продукции MAXUS IC использутся светодиоды на кристаллах производства Nichia, упаковкой которых занимаются Citizen (в серии Sakura), также используются Sharp (в серии Intelite), Philips Lumileds (в уличном освещении) и кристаллы Epistar, упакованные китайским поставщиком(для ламп формата T8). Инженеры MAXUS ICрассматривают возможность перехода на чипы производства San'an, с частью менеджмента этой компании сложились хорошие отношения еще со времен их работы в Leedarson Lighting. Уже и в Китае появились хорошие поставщики светодиодов, но их продукцию приходится тщательно проверять: подпаянная к кристаллам золотая проволока иногда заменяется на алюминиевую. От этого страдает не только теплоотвод, но и вообще стабильность работы. Выявить проблемы с температурным режимом и ресурс работы помогают тепловизор и две печи для осветителей разных типоразмеров. Печи поддерживают температуру в 60°Сили 80°С и позволяют проводить ускоренные испытания.

На срок службы большое влияние оказывает как температура светодиодов и подложки, так и температурный режим драйвера. Теплоотвод организовывается таким образом, чтобы драйвер не нагревался выше 60°С в открытом состоянии. В готовом изделии нагрев будет выше, вплоть до 100°С, но тут все очень сильно зависит от подаваемого на светодиоды тока, размеров, конструкции корпуса лампы и светильника, в который она установлена.

Одним из важнейших параметров в освещении является индекс цветопередачи (colour rendering index, CRI). За эталон принят спектр солнечного цвета и ламп накаливания, у которых значение CRI равно 100. Светодиоды отличаются сильным подъемом в синей части спектра, что влияет на восприятие цветов окружающих предметов и снижает CRI. Но эту проблему можно решить нанесением люминофора на корпус светодиода: люминофор «корректирует» спектр света так, что LED освещение может достигать CRI в 90-99 уже сейчас. Правда, для достижения такого результата нужен люминофор со сложным составом из нескольких компонентов, а это сильно отражается на цене готовых изделий.

Сейчас для большей части продукции MAXUS IC заявлен CRI 90, но в новых сериях этот показатель составит 80-85. Причиной было названо отсутствие интереса со стороны покупателей, не чувствующих разницы. Будет использоваться другой люминофор, а цена для покупателя станет меньше. Высокий CRI больше востребован в акцентном освещении в точках продаж, где за счет «неправильного спектра» специальных серий светодиодов подчеркиваются качества товара — белизна рубашки в салоне одежды, насыщенно красный цвет мяса на прилавке и золотистый цвет хлеба в бакалейном отделе. Есть даже светодиоды с ультрафиолетовым излучением, «делающие» из белой одежды белоснежную. Естественно, при выходе из магазина эффект пропадает и не наблюдается при освещении обычными уличными натриевыми газоразрядными лампами.

Другим важным параметром можно назвать уровень пульсаций светового потока, который может оказывать влияние на самочувствие и здоровье человека. Здесь важна не только амплитуда пульсаций в процентах, но и их частота — считается, что при частоте более 300 Гц свет воспринимается как постоянный, без негативных эффектов. У ламп накаливания пульсации растут с уменьшением их мощности, к тому же они имеют низкую частоту, заметную глазу. У светодиодных источников освещения «общего знаменателя» просто не существует. Худшие образцы LED демонстрируют пульсации под 80-100% при частоте не более 100 Гц, в лучших образцах пульсации не превышают и 2-5% на частотах в десятки кГц.

У продукции MAXUS IC с микросхемным драйвером частота пульсаций находится в пределах 10-40 кГц, на которых размах пульсаций уже не имеет практического значения и влияния.

Специально для читателей iXBT. Результаты фотометрических испытаний, предоставленные сотрудниками MAXUS IC для некоторых моделей продукции, товарный индекс указан:

1-GBL-133

1-GBL-142

1-GBL-162

1-GBL-164

1-GBL-165

1-LED-T8-060M-0960-04

1-SDL-003-D

SDL-102-01

SDL-103-01

SDL-106-01

В заключение я хочу поблагодарить город Харьков, инженеров центра R&D MAXUS IC и Александра Алискерова за хорошую солнечную погоду, полезную информацию, интересную беседу и организацию поездки.

Юрий Гитин