Какая разница между хорошими и лучшими светодиодами?

Добрый день, друзья!
 
Поделюсь сегодня двумя историями про то, как мы выбираем светодиоды. 
 
Прежде чем рассказать эти истории, дам немного информации, которая применима к любым светодиодам.
Что нам надо от светодиода в первую очередь? Чтобы он имел длительный срок службы, давал много света, а тепла – мало. Важно, что эти два критерия – взаимосвязанные.
1. Если светодиод даёт много света, то можно использовать его на токе поменьше, далёком от предельного. С уменьшением тока в 2 раза, срок жизни светодиода увеличивается примерно в 4 раза.
2. Чем больше светодиод даёт света, то тем меньше он будет выделять тепла, следовательно, меньше нагреваться. А чем ниже его температура, тем дольше он прослужит.
 
 
История первая. Как мы выбираем новые LED. 
 
Мы постоянно находимся в поисках лучших светодиодов. Это отдельная, большая и важная работа. Иногда удаётся найти что-то, достойное войти в состав наших светодиодных сборок. Но чаще всего светодиоды отсеиваются уже на этапе чтения технической документации. Когда на бумаге всё выглядит интересно, мы закупаем образцы, и тестируем их у себя.
 
Среди светодиодов, которые постоянно разыскиваются, числятся фиолетовые и УФ светодиоды. Дело в том, что используемые нами светодиоды от TSLC, с одной стороны, лучшие из существующих, с другой – производитель не вносил в них никаких принципиальных изменений уже около 10 лет. Тем временем прогресс идёт, все остальные светодиоды, которые мы используем, за это время сменили как минимум одно, а то и два поколения.
 
Буквально в конце прошлого года у одного производителя появился светодиод, который по технической документации выглядел очень хорошо. Технические подробности - под спойлером.

Проверка показала, что кандидат в светодиоды проиграл используемому сейчас светодиоду от TSLC целых 16% КПД!
 
Может кому-то это покажется не так уж и много? Давайте посмотрим на тепловыделение. Всё, что у светодиода не идёт в свет, идёт в тепло. То есть для светодиода TSLC тепловыделение 100-54=36%, а для светодиода-кандидата – уже 100-48=52%. Таким образом, разница в тепловыделении между ними составляет (52-36)/36=44%, то есть без малого в полтора раза!

Проще говоря, светодиод-кандидат грел бы радиатор в полтора раза сильнее, а света давал на 16% меньше. Поэтому кандидат в производство не пошёл, а пополнил нашу Кунтскамеру.
 
 
История вторая. Как мы отбираем те LED, что уже использовали ранее.
 
Уже первые пользователи наших светильников отметили красивый цвет излучения голубых светодиодов, которые мы начали использовать давным-давно, ещё на этапе эксперименто со светодиодными сборками. С тех пор этот красивый цвет присутствует во всех наших светильниках, потому что мы всегда используем светодиоды только одной модели - Luxeon C и только одного бина по пиковой длине волны. Поэтому, покупая любой наш светильник, вы можете быть уверены в том, что голубой будет именно таким красивым, как он и должен быть.
 
Но одной пиковой длиной волны характеристика светодиода не исчерпывается. Они разделяются производителем ещё по ряду важных признаков.
 
Вот как выглядел список голубых светодиодов на складе регионального дистрибутора в один из дней, когда я попросил сделать эту справку.

 
Как видите, вариантов голубых светодиодов Luxeon C несколько. Но мы купим только два, и будем ждать следующей партии, где должны ещё появиться именно такие светодиоды. Хотите узнать в деталях, почему это важно? Добро пожаловать под спойлер.
 

 
Теперь посчитаем для тока бинирования (у этого светодиода это 350 мА) эффективность светодиодов, которые были на складе дистрибутора в моменте, в люменах на ватт. Световой поток будем брать по нижней границе диапазона бинирования, падение напряжения - по среднему значению.

 
Как можно увидеть, самый хороший бин G40H отличается от самого слабого C20H на (45-27)/27*100=67%, то есть ровно на две трети!

Так как наилучший бин G40H при производстве светодиодов получается в мизерном количестве, то даже при всём нашем старании, когда мы закупаем, пожалуй, львиную долю всех производимых таких светодиодов, их всё равно на все светильники BEAMS не хватает. Поэтому этот бин мы будем использовать в светильниках для морских аквариумов, где эта часть спектра весьма востребована. А очень похожий на него бин F40G, имеющий такой же цвет излучения, близкий световой поток, и практически такой же КПД - в светильниках для пресноводных аквариумов.
 
Как мы только что убедились - в светильниках BEAMS используются светодиоды не просто определённого бина по цвету излучения, но наилучшие по эффективности! Как видите, разница в КПД преобразования электрической энергии в световую даже у лучших цветных светодиодов Luxeon C может отличаться на две трети! То есть два наилучших светодиода будут давать света больше, чем три других, на первый взгляд таких же! И это не всё - как мы видели на примере первой истории, даже небольшая разница в эффективности может приводить к большой разнице в тепловыделении!

Тема, которую я поднял в этом посту, очень объёмная, я сознательно не стал касаться многих интересных моментов, если кому-то интересно узнать о них - пишите, расскажу с удовольствием.

Изменено 3.2.26 автор DNK

Добавлю ещё информацию, не дожидаясь вопроса. Она будет важна самодельщикам. Если кратко, то покупая светодиоды без внимания к бинированию, можно просто получить нерабочий, или частично нерабочий, это уж как посмотреть, светильник.

Теперь объясню, почему.

Посмотрите на список голубых светодиодов в предыдущем посту. Там есть светодиод с бином D30J. У него падение напряжения на токе 350 мА 3.3-3.5 В. То есть может быть 3.5 В. Зафиксируем это.

Далее смотрим вольт-амперную характеристику этого диода, она выглядит так:

Как видим, типичное падение напряжения для этого светодиода на токе бинирования около 3.05 В, а на токе 1 А - примерно 3.45 В. То есть на (3.45-3.05)/3.05*100=13.1 % больше. Таким образом светодиод с бином J может иметь падение напряжения на токе 1 А 3.5*1.131=3.96 В.

Чем это чревато? Наилучший DC-DC buck драйвер светодиодов в идеальном случае имеет КПД около 96-97 %. В реальности КПД, особенно для недорогих драйверов, редко превышает 92 %. То есть 8 % идёт в нагрев. Другими словами, если драйвер получает напряжение питания 24 В, то в цепочке светодиодов он может обеспечить общее падение напряжения 24-8%=22.08 В. Если же у нас цепочка набрана шестью вышеописанными светодиодами, то она потребует 3.96*6=23.76 В. То есть ток 1 А эта цепочка светодиодов не получит никогда.

Какой же ток смогут получить светодиоды этой цепочки? 22.08/=3.68 В на светодиод. Это означает эквивалент падения напряжения примерно (не хочу углубляться, почему это не совсем так) 3.68/1.131=3.25 В для типичного светодиода этого типа, для которого производителем показана вольт-амперная характеристика. Это соответствует току примерно 600 мА.

Считать ли рабочим светильник, который вместо требуемого тока в 1 А может подать на светодиод максимум 600 мА - решать вам. Как по мне - нет, это не рабочий светильник.

Поэтому, господа самодельщики, если у вас светодиод не хочет работать на том токе, на котором планировалось, стоит в первую очередь проверить падение напряжения на нём. Возможно, вам не повезло купить не лучший бин по падению напряжения.

Как-то вы очень интересно это считаете.

DNK
В реальности КПД, особенно для недорогих драйверов, редко превышает 92 %. То есть 8 % идёт в нагрев. Другими словами, если драйвер получает напряжение питания 24 В, то в цепочке светодиодов он может обеспечить общее падение напряжения 24-8%=22.08 В.

С чего вы так решили? Причем тут КПД, напряжение блока питания и падение напряжения на диодах? Между КПД драйверов и разницей между напряжением блока питания и падением напряжения на диодах нет прямой связи. Для любого драйвера обычно есть минимально допустимое превышения напряжения питания над суммарным падением в нагрузке, но это влияет на устойчивость работы, а не на КПД. КПД драйвера - это по определению (Uвых*Iвых)/((Uвх*Iвх). Естественно, обычно Uвых меньше UВх. А вот выходной ток Iвых вполне может быть больше Iвх. Это же ведь преобразователь. А КПД его определяется лишь потерями на переключениях ключей, потерями на пассивных элементах (резисторах, дросселях и т.д.) А при близких Uвых и Uвх (но в рамках допустимого) и не очень хорошем КПД входной ток может оказаться и выше выходного. Т.е. чтобы обеспечить заданный ток на выходе, драйвер просто возьмет еще бОльшй ток из блока питания.

Если же у нас цепочка набрана шестью вышеописанными светодиодами, то она потребует 3.96*6=23.76 В. То есть ток 1 А эта цепочка светодиодов не получит никогда.

Она вообще скорее все просто не загорится при попытке получить 1A. Или будет как-нибудь неусточиво зажигаться и гаснуть. Но не потому, что КПД 92%, а потому, что разница 0.2V просто слишком мала, чтобы типичный драйвер работал устойчиво. Кстати, можно в принципе сделать драйвер и с возможностью выдавать напряжение больше напряжения блока питания. Схема будет несколько сложнее, и КПД скорее всего хуже, поэтому так не обычно делают, но ничто не запрещает.

DNK
Возможно, вам не повезло купить не лучший бин по падению напряжения.

Скорее такой выбор плох не потому, что не хватает напряжения блока питания уложить в него нужное количество диодов (напряжение блока питания можно и поднять при желании, и все заработает). Хуже другое: повышенное падение напряжение на диоде - признак того, что наверняка КПД у самого диода хуже, чем мог бы быть. Повышенное падение при том же токе означает, что потребляемая мощность выше. А вот количество излучения при этом вряд ли тоже пропорционально больше.

Constantin_K выходной ток Iвых вполне может быть больше Iвх.

Я специально уточнил, что речь идёт о DC-DC buck драйвере. Рассуждать о его токе на входе в рассматриваемом случае, когда речь идёт о возможности обеспечения падения напряжения в цепи светодиодов, не имеет смысла, извините. А так - вы правы, может, это банально.

А КПД его определяется потерями на переключениях ключей, потерями на пассивных элементах и т.д.

Разумеется, это тоже банально. Если вам интересна эта тема, можем разобрать каждый компонент драйвера с такой схемотехникой отдельно, мы в этом очень неплохо разобрались Например, почему оценивать силовой MOSFET по FOM в таких применениях не стоит.

Она вообще скорее все просто не загорится при попытке получить 1A.

Как показывает практика, загорится. Правда, я привёл расчёт для КПД драйвера 92 %, но, положим руку на сердце, это всё же довольно хороший драйвер для описанного режима. Самодельщики обычно используют не такой хороший. Поэтому реальный максимальный ток в цепи таких светодиодов будет меньше - скорее, около 500 мА.

Кстати, можно в принципе сделать драйвер и с возможностью выдавать напряжение больше напряжения блока питания.

Да, конечно. Просто это будет другой драйвер, не buck, а up. Вариантов таких драйверов много. Среди них есть и экзотические Но все они проигрывают buck по количеству компонентов, и, в большинстве режимов, по КПД.

Constantin_K напряжение блока питания можно и поднять при желании, и все заработает

Можно, конечно, но далеко не у всех БП. Например, популярная серия GST от MeanWell не допускает регулировки напряжения.

Хуже другое: повышенное падение напряжение на диоде - признак того, что наверняка КПД у самого диода хуже, чем мог бы быть.

Конечно, и это хорошо видно в моём стартовом сообщении.

Повышенное падение при том же токе означает, что потребляемая мощность выше. А вот количество излучения при этом вряд ли тоже пропорционально больше.

Да. Бывает, конечно, по разному, это видно и в приведённой мною небольшой выборке. Но главное, что надо всегда иметь в виду при выборе светодиода - если падение напряжения высоко для типичного диода данного типа, то с вероятностью ровно 100% он изготовлен с применением устарелых технологий. Со всеми вытекающими пенальти - начиная от низкого КПД и кончая сроком жизни.

Ранее был ещё один признак, который говорил о технологичности светодиода - его термическое сопротивление. Сейчас весомость этого признака начала размываться - китайцы научились делать светодиоды с низким термическим сопротивлением. Например, светодиод, который рассмотрен в первой части моего стартового поста, имеет термическое сопротивление значительно, почти в полтора раза ниже, чем тот, что изготавливает под наш заказ (sic!) TSLC.

DNK
Я специально уточнил, что речь идёт о DC-DC buck драйвере.

Это не принципально. В любом случае вот этот подсчет не является верным:

DNK
Другими словами, если драйвер получает напряжение питания 24 В, то в цепочке светодиодов он может обеспечить общее падение напряжения 24-8%=22.08 В.

8% потерь - это не тот фактор, который ограничивает максимальное напряжение на выходе. Этот максимум при тех же 8% потерь вполне может оказаться и меньше и больше, чем вы посчитали. В зависимости от конкретной реализации драйвера. Т.е. вообще нет никакого смысла ставить максимально допустимое рабочеее падение напряжения в зависимость от процента потерь.

Constantin_K В любом случае вот этот подсчет не является верным:

Когда со мной дискутирует знающий оппонент, я всегда на всякий случай перепроверяю своё мнение. Вот что пишет ИИшечка. Хоть она и безмозглая в специальных вопросах, но в банальных вещах не ошибается.


Ни в коем случае не вижу своей задачей что-то кому-то доказать, в том числе и вам. Поэтому прошу меня извинить, но продолжать данную дискуссию не буду. Могу даже признать вашу правоту - мне всё равно, а вам приятно Моя задача - дать информацию. Буду рад, если кому-то она будет полезна.