Консорциум ZHAGA

В феврале 2010 года был учрежден консорциум Zhaga - zhagastandard.org.

Это объединение компаний, занимающихся светодиодным освещением. Сейчас в консорциум входит около 200 членов, в том числе мировые лидеры - Osram; Panasonic; Philips; Toshiba; Samsung. Консорциум открыт для любой компании, из любой страны мира, членство платное. Возможны два варианта участия - с правом голосования и без него.

Основная задача Zhaga - сделать взаимозаменяемыми LED светильники, и их составляющие (блоки питания, радиаторы, оптика и т.д.) различных производителей, что приведет к гибкости выбора, снижению стоимости владения, и к меньшим рискам при выводе на рынок новых моделей. На недавно прошедшей выставке Light+Building 2012 более 30 фирм уже представляли светильники, разработанные в соответствии с рекомендациями Zhaga. Эти рекомендации описывают не только физические размеры сменяемых светодиодных элементов, но также их световые, электрические и тепловые характеристики.

Сейчас подготовлены 7 так называемых Zhaga Book.

Таблица 1. Семь разделов Zhaga
1. Определения и общие интерфейсы  
2.Источник света с байонетным соединением, со встроенным блоком питания (БП).
3. Точечный светильник (спот) с отдельным (внешним) БП.
4.Плоский  источник света для уличных светильников с отдельным (внешним) БП.
5. Источник света с байонетным соединением, с отдельным (внешним) БП.
6. Компактный источник света с байонетным соединением, со встроенным блоком питания (БП).
7. Источник света с различными форм-факторами для светильников в помещениях с отдельным (внешним) БП.  

В первую очередь Zhaga намерена унифицировать геометрические размеры источников света, описание способов их механических сочленений  с теплоотводом, и требования к световому потоку. В итоге мы получим возможность применять изделия различных производителей (рис. 1) в однотипных светильниках, с унифицированными блоками питания, гарантированным теплоотводом, и унифицированными способами диммирования.

Рисунок 1. Споты различных производителей.

Инженеры американской фирмы CREE, тоже вошедшей в консорциум Zhaga, разработали программу LED Selector Tool, с помощью которой можно упростить инженерные расчеты, и подобрать нужные светодиоды из серии XLamps для использования в Zhaga-совместимых модулях. Ниже приводится пример расчета элемента светильника в соответствии с Zhaga Book 3.

Задача: разработать светодиодный модуль для замены металлогалогеновой лампы (МГЛ) мощностью 39 вт.

Выходной световой поток согласно C040 Zhaga должен быть на уровне 3600-4500 люмен при цветовой температуре 3000 К.

Были произведены измерения трех МГЛ, обычно содержащих от 3 до 50 мг ртути, и криптон-85 (радиоизотоп криптона), установленных в типовых светильниках. Данные измерений приведены в табл. 2.

Таблица 2. Световые параметры 39-ваттных МГЛ
Параметры ед. изм. Источники света
Лампа А Лампа Б Лампа В
Мощность лампы, по спецификации Вт 39 38 38
Мощность светильника, измеренная Вт 46 46 46
Начальный световой поток лампы, по спецификации лм 3400 3300 3300
Световой поток светильника, измеренный лм 2241 2056 2178
Светоотдача лампы, по спецификации лм/Вт 87 83 83
Светоотдача светильника, измеренный лм/Вт 48,7 44,7 47,3
Эффективность светильника, измеренная % 65 62 66
Цветовая температура K 3000 3000 3000
Индекс цветопередачи Ra 84 81 81
Срок жизни час 10000 10000 10000

Чтобы добиться безусловного преимущества разрабатываемого светодиодного модуля по сравнению с МГЛ 39 Ватт, было принято решение учитывать и требования Zhaga Book 3 раздела 7, и реальные параметры МГЛ. Желаемые требования к будущему светодиодному модулю приведены в табл. 3.

Таблица 3. Параметры разрабатываемого светодиодного модуля
Параметры Ед. изм Мин. требования Желаемый уровень
Световой поток лм 3300 3600
Мощность   <50 <40
Срок жизни час >>10,000 >50,000
Цветовая температура К 3000 3000
Индекс цветопередачи Ra 80 85
Светоотдача светильника лм/Вт >55 90

Для получения доступа к LED Selector Tool необходимо обратиться в ООО "НЕОН-ЭК"- официальному дистрибьютору CREE  в России.


Начнем расчет с введения исходных параметров в LED Selector Tool (рис 2.)

  1. Zhaga Book 3 module.
  2. Размер светоизлучающей поверхности (LES) - 23 мм.
  3. Бин по световому потоку Zhaga C040= 3600 лм.
  4. CCT of 3000 K.
  5. CRI range of 80-89.

Рисунок 2. Внешний вид интерфейса LED Selector Tool

Выбор светодиодов

Для начала возьмем температуру точки пайки светодиода равной 25 °C, и электрическую эффективность на уровне 100 %, т.к. Zhaga Book 3 не выдвигает требования по блокам питания. Но позже мы вернемся к рассмотрению и этих характеристик. По первым результатам анализа можно видеть, что лучшую эффективность дает применение 35-и светодиодов XBD ранка Q3 (мин 94 лм). Возьмем эту рекомендацию за основу, и продолжим расчет далее.

Вторичная оптика

Хотя применение вторичной оптики не описывается в Zhaga, без ее применения можно обойтись нечасто. Zhaga Book3 описывает СПОТы (spot application), как светильники, имеющие угол излучения не более 40°. Использование вторичной оптики в источниках с применением светодиодов большой мощности, и высокой плотностью расположения, может привести к необычным потерям в оптике, показанным на рисунке 3.

Рисунок 3 . Потери светового потока

Рисунок 4. Радиатор для отвода тепла

Было принято решение обойтись без линзы и сформировать угол излучения с помощью рефлектора. Тут, как правило, потери небольшие, и можно принять их на уровне 2% от общего уровня выхода светового потока рассчитываемого модуля.

Отведение тепла

LED Selector Tool рассчитал, что сборка из 35-и светодиодов серии XB-D, работающих при токе 350 мА, будет рассеивать электрическую мощность примерно 37 Вт. Около 65-75% этой энергии уходит в тепло, поэтому мы должны рассчитать теплоотвод для рассеивания 28 ватт. Для сохранения температуры точки пайки Tsp на уровне 75 °C, при температуре окружающей среды 25 °C, тепловое сопротивление радиатора должно быть на уровне 1.8 °C/W.

В лаборатории CREE был протестирован радиатор Fischer Elektronik SK584,показанный на рис. 4. Проверка тепловых режимов этого радиатора в программе Autodesk Simulation CFD показала, что при отводе тепла от источника мощностью 28 Вт и диаметром 23 мм температура центральной части радиатора (т.е. точки пайки) находится на уровне 73 °C. Возвращаясь к LED Selector Tool, рассчитываем уменьшение светового потока светодиодов XB-D при температуре точки пайки уже 73 ° (рис.5).

Рисунок 5. Внесение корректив по температуре точки пайки

Можно видеть, что для получения желаемых параметров нам потребуется использовать уже 39 штук светодиодов XB-D , работающих при токе 350 мА.

Изготовление прототипа

Теперь приступим к расчету компоновки платы, механической конструкции, изготовлению прототипа и тестированию.

Для того, чтобы прямое напряжение на диодах было не больше 40 В, было принято решение собрать 39 диодов в три параллельные цепочки по 13 шт. Соответственно, совокупный ток будет 0,35 А Х 3= 1,05 А. Необходимо подобрать источник питания, работающий при таком токе в диапазоне напряжений 30-50 В, что не представляет трудностей.

Разводка печатной платы была проведена в соответствии с требованиями LES 23 создать зону со светодиодами 23 мм, при этом пришлось устанавливать светодиоды с зазором 0,5 мм друг от друга- см рис. 6.

Рисунок 6. Внешний вид печатной платы

Безусловно, в качестве материала для печатной платы необходимо выбрать материал на металлическом основании, с высокой теплопроводностью. Гербер-файл именно этой платы доступен на сайте www.cree.com/Zhaga

Крышка - рефлектор

Пластмассовая крышка разработана в соответствии с требованиями Section 3.3 Zhaga Book 3 по нужным геометрическим размерам ( рис.7).

Рисунок 7. Крышка - рефлектор

Рисунок 8. Фотография в инфракрасном спектре

Расчет количества светодиодов в соответствии с требованиями Zhaga , размерами LES, и требованиями Zhaga по световому потоку и цветовой температуре- это основные функции, которые помогает рассчитать инструмент LED Selector Tool.

Измерение полученных параметров

После сборки прототипа, который был установлен на радиатор, была сделана фотография в инфракрасном диапазоне, и проведены измерения температуры. Хорошо видно, что температура в центре сборки светодиодов находится на уровне 85 °C, а на краю платы 78 °C (рис 8).

На основании тестирования светодиодов XB-D по методике LM80 и TM-21 можно уверенно утверждать, что в данном случае предполагаемый срок службы (L70) сборки из 39 диодов XBD будет не менее 50 тысяч часов.

Далее тестируемый модуль был помещена в фотометрическую сферу, где были проведены измерения светового потока. При тестировании был использован источник питания с КПД 86 %. Результаты измерений сведены в таблице 4, где для наглядности показаны еще и данные предварительного расчета, ранее полученные с помощью LED Selector Tool.

Таблица 4. Сравнение расчетных и полученных параметров
ПараметрЕд. изм.Pulsedрасчет CREE LED Selector ToolУстойчивый режимрасчет CREE LED Selector Tool 2
Температура в точке пайки Tsp°C25257878
Световой поток источника света (LLE)лм3850403033963592
Потребляемая мощность модуляВт41,6н.д.39,2н.д.
Светоотдача модулялм/Вт92,5н.д.86,6н.д.
Потребляемая мощность источника света (LLE)Вт48,448,145,646
Светоотдача модуля (LLE)лм/Вт79,68474,578
Цветовая температура, CCTК3125300031103000
Индекс цветопередачи, CRIшкала 0-1008580+8480+

Разницу между предполагаемым световым потоком, и полученным в результате измерения, можно отнести за счет потерь в крышке модуля- см. рисунок 9.

Рисунок 9. Потери на отражателе.

Для минимизации этих потерь рекомендуется использовать пластмассу с высокими рефлективными характеристиками. Но, тем не менее, хочется отметить высокий уровень совпадения расчетных характеристик с полученными.

В конце мы свели данные по светильникам с МГЛ и светодиодным модулем в таблицу 5. Можно видеть, что наш модуль существенно выигрывает по температуре эксплуатации - 80 °C вместо 500 °C, по эффективности светильника в сборе, по сроку службы, и конечно - по отсутствию вредных веществ.

Таблица 5.
ПараметрЕд. изм.Источник света со светодиодами XB-D
в светильнике, в рабочем режиме
(расчет)
Светильник
с металлогалогенной
лампой
Температура лампы (источника света)°Cдо 8078
Световой поток (светодиодный модуль / МГ лампа)лм33963300-3400
Оптическая эффективность системы%8562-66
Световой поток (светильник)лм28872056-2241
Потребляемая мощность светильникаВт4646
Светоотдача светильникалм/Вт6347
Цветовая температура, CCTК30003000
Индекс цветопередачи, CRIшкала 0-10080+80+
Срок службычасов> 503000
Токсичные химические веществанетРтуть, Kr-85

Сейчас все разработки Zhaga являются рекомендуемыми, не обязательными для всей светодиодной отрасли. Но уже в ближайшем будущем эти рекомендации могут стать стандартами. Безусловно, российским разработчикам следует изучить эти материалы, чтобы Россия начала развиваться в ногу со всем мировым сообществом, а не шла, как бывает частенько, путем создания изолированных от мировых тенденций собственных российских стандартов.



НЕОН-ЭК является членом международного консорциума Zhaga, и инженеры светотехнического отдела готовы оказать помощь при расчете светодиодных светильников, соответствующих международным стандартам, что поможет быстрее вывести готовые продукты не только на Российский, но и на мировые рынки.