Világításcélú LED-ek kiválasztása és meghajtó áramkörei Szerző: Lambert Miklós Okleveles villamosmérnök, Elektronet főszerkesztő A LED-ek fejlődésük során mára eljutottak oda, hogy világítási célokra használhatóak, és a hagyományos fényforrások kiegészítésére és kiváltására alkalmassá váltak. Alkalmazásukkal két szakterület foglalkozik, jelentős átlapolással: a LED mint fényforrás, amely a világítástechnika területe, optikai, fénytechnikai és fiziológiai szempontok figyelembevételével, és a LED működtetése, azaz elektronikus meghajtó áramkör tervezése, amely villamosmérnöki feladat, félvezető eszközök alkalmazásával. A helyesen méretezett LED-es világítás piaci sikere a két szakterület dinamikus együttműködése, a korlátok ismerete és egymásra hatása teremti meg az összhangot. Az előadás ezen kettősség jegyében született. Kulcsszavak: LED, fényforrás, kapcsolóüzemű áramgenerátor. 1. LED a világításban A LED-ek felfedezésével a félvezető eszköztár korszakalkotó új elemet kapott, az elektromos áram addig ismert hősugárzási és mágneses hatásai mellé a fénysugárzás is belépett, és az infravörös, látható, majd később az ultraibolya tartományban hidegen sugárzó fényforráshoz jutottunk. A kezdeti eszközök jelzőeszközként (jelzőlámpák), valamint adatátviteli eszközként (zárt és nyílt optocsatolók, infravörös adatátvitel és távvezérlők) voltak használhatóak, fényhasznosítási hatásfokuk és színük világítási célokra nem tették alkalmassá. A kék LED előállítása, majd a fehéren sugárzó LED-módozatok kialakítása ami együtt járt a fényhasznosítási hatásfok jelentős javulásával a LED-et egy csapásra alkalmassá tette világítási célú alkalmazásra. Néhány örökölt tulajdonság azonban szűkítette az első alkalmazási területeket, speciális lámpatesteket és fénysugárzó formákat létrehozva. Az első világításcélú LED fényspektruma pl. éppen a jó fényhasznosítási hatásfok elérésére kékes hidegfényben sugárzott, és keskeny sugárzási szöge főként spotlámpa-célokra tette alkalmassá. A kisfelületű, pontszerű fényforrás fényintenzitása jelentős, szemet kápráztató, a külső szemlélő sokkal nagyobb jelentőséget tulajdonít neki, holott nagyobb tér, vagy felület megvilágításakor nem állta a versenyt az izzólámpákkal és fénycsövekkel. A világítási célú LED-ek fejlesztői azonban sokat javítottak a hibákon. Részint megalkották a felületszerelhető és nagy fényerejű chip-led-eket, amelyekkel nagy felületek beboríthatók (akár görbe felületek is, az áramköri hordozó speciális kiképzésével), részint pedig integrálási technológiával megjelentek a chip-módszerekkel vonalba, ill. mátrix felületbe rendezett array -k. Ezen elrendezések, mind a primer sugárzó RGB LED-ek, mind a foszfor-tartalmú fényporos szekunder sugárzó (lásd később) elemek világításcélú eszközök formájában kerültek piacra. Ma a LED-ek szinte mindenütt alkalmasak világítási célokra, és ahol még nem teljesítik optimálisan az igényeket, a fejlesztők ezek kiküszöbölésén dolgoznak. Néhány példa az alkalmazásból azon célzattal, hogy a meghajtó áramkörök tervezésekor erre visszatérhessünk. Lakóterek világítása: mindenképpen a melegfényű eszközök választása célszerű. 1. ábra: Lakóterek megvilágítása melegfényű LED-ekkel. Külső terek világítása: semlegesfehér vagy hidegfehér LED-ekkel a jó hatásfok érdekében, nagy fényteljesítmény miatt a teljesítménytényező közel 1 legyen (cos φ kompenzálás, lásd később).
2. ábra: LED a közvilágításban. A LED-ek ma már épületek és műtárgyak díszkivilágításában is helyet kapnak. Tervezésekor a közvilágításban elmondottak az irányadók, bár a díszkivilágítás igényelhet egyedi színeket (melegfény, színes fény). 3. ábra: Hidak, épületek díszkivilágítása LED-del. Speciális világítási célok is megvalósíthatók LED-ekkel. A 4. ábrán egy budapesti bevásárlóközpont fényeffektusai láthatók, színes fénycsövekkel és LED-ekkel. Itt első sorban a színhatás, ezek változtatása, fényjátékok a döntőek, amelyre a LED nagyon alkalmas. 4. ábra: Budapesti bevásárlóközpont megvilágítása. A LED-es világítás tervezése ennek megfelelően kettős feladat. A világítási igények szerinti LED kiválasztása főként a világítástechnikai mérnök feladata, a működtetését biztosító áramkör megtervezése pedig a villamosmérnöké. A piaci sikert csak a két szakma szigorú együttműködése hozhatja meg. 2. LED-ek kiválasztása 2.1 Választás optikai követelményekre A feladatot (és a piacot) általában a világítástechnikus hozza, az igényelt fényadatok alapján kell a LED-es fényforrás(oka)t kiválasztani. A megvilágításhoz szükséges fényadatok: Megvilágítás (lux) fényáram (lumen, lm) Szín, színhőmérséklet (hullámhossz nm, színhőmérséklet K) Sugárzási szög és iránykarakterisztika Színvisszaadási képesség (CRI) A világítástechnikai fogalmak és tervezési módszerek tárgyalása nem tárgya az előadásnak, a bőséges szakirodalomból kettőt idézünk 1,2. Természetes fény hiányában megfelelő látóérzethez meghatározott megvilágítás szükséges, amelyet szabvány, vagy szokásjog ad meg. Az adott
megvilágítás értéket megfelelő fényforrással érjük el, amelynek lesugárzott fényáramát az eszköz katalógusa rögzíti. A fényforrás színe meghatározza a megvilágítás színét. Színszűrővel befolyásolható kis mértékben a megvilágítás színe, de ritkán alkalmazzák, drága és fényveszteséggel jár. Ezért alapvető fontosságú a fényforrás megválasztása színhőmérsékletre. A gyakorlatban a színhőmérsékletet használjuk, amely fizikai értelemben hullámhosszat jelent. A fehér fényt 3800 és 7000 K között, széles eszközválasztékkal lehet lefedni. A hangulatfény az alsó tartományban van, munkához ideális a semleges fehér (~4000 K), jó fényhasznosítási hatásfoka miatt előszeretettel alkalmazzák a hidegfehér színt (6000 7000 K). LED-del fehér fényt kétféleképpen lehet előállítani: RGB LED-hármassal additív színkeveréssel, és fotolumineszcens elven alapuló szekunder sugárzó fénypor adalékolásával. Az előadásnak nem célja ennek fizikai magyarázata, pusztán a későbbi méretezési elvek miatt emlékeztetőül szolgál az 5. ábra. 5. ábra: Fehér fény előállítása LED-del. Az additív színkeverésnél a világítástechnikus által előírt színhőmérséklet beállítása a meghajtó áramkört tervező villamosmérnök feladata, a vörös, zöld és kék LED fényáramának megfelelő vezérlésével. Szabályozás is megvalósítható, ha a kisugárzott színspektrumot mérjük. Erre alkalmas mini spektrométert gyárt például a japán Hamamatsu (C10988MA), amely MOEMS (Micro-Opto- Electro-Mechanical-Systems) technológiával állít elő olyan érzékelőt, amelynek kimenetén egy résen beesett fénysugár spektrális eloszlása digitálisan jelenik meg. Az érzékelő elem elvi felépítése a 6. ábrán látható. Az elem a színkeverő szabályozó kör mérőeleme lehet. 6. ábra: MOEMS technológiával előállított mini spektrométer elvi felépítése. Szekunder-sugárzási elvű fehér LED-eket a fénypor adagolásával és megfelelő technológiával meghatározott sugárzási spektrumra gyártják. Ez természetesen csak adott tűréssel tartható. Az
adatot színháromszög koordinátáival deklarálják, amelyet a katalógusok tartalmaznak. Az egyes csoportokon belül további finomítás válogatással oldható meg, ez azonban drága, csak nagyon kivételes esetekben alkalmazzák. A színháromszögben megadott adatokat a katalógusok többféle módszerrel tartalmazzák. Három megszokott módszert a 7. ábra mutat. Mindegyik a CIE1931 színgörbén alapul, de megadásuk kissé eltérő. A gyártmányok pontosabb összehasonlíthatóságára jó lenne szabványosítani a módszereket. 7. ábra: Fehér LED-ek színhőmérsékleti osztályozása A megvilágításnál alapvető fontosságú a sugárzási szög és iránykarakterisztika, amelyet minden fényforrás katalógusa tartalmaz. A LED optikai megválasztásánál ügyeljünk arra, hogy szabad terek megvilágítása lehető egyenletes legyen, a világítótestek iránykarakterisztikái kapcsolódásával ez elérhető. A LED-ek sugárzási szöge gyakran kicsi (~30 ). Ezt lehet korrigálni járulékos optikai elemekkel (lencsék, prizmák), ezek azonban rontják az optikai hatásfokot, végeredményül csökkentik a megvilágítást. A 8. ábra egy keskeny szögben (a) és egy lencsékkel módosított széles szögben (b) sugárzó LED iránykarakterisztikáját mutatja. Az előbbi spotlámpaként, az utóbbi általános térsugárzóként javasolt. Ideális Lambert-sugárzó csak térszerelésű LED-kombinációval állítható elő. 8. ábra: LED-ek sugárzási karakterisztikája, a) keskeny irányszögű, b) széles irányszögű. Legújabb világítástervezési szempont a színvisszaadási képesség (CRI). A CRI (Color Rendering Index) olyan mérőszám, amely a fényforrás azon képességét fejezi ki, hogy az mennyire képes az ideális vagy természetes fényforráshoz képest a valósághű színvisszaadásra. A fénycsövek CRI értéke minőségtől függően 70 és 90 között van, a korszerű LED-es világítótesteké tipikusan 90 fölötti és az etalonnak számító izzólámpa 100-as értékét közelíti. (A közterületi világításban használt kisnyomású nátriumgőzös, higanygőzös ill. nagynyomású nátriumgőzös lámpák CRI értéke rendre tipikusan 5, 17 és 24.) Általánosságban elmondható, hogy minél nagyobb a fényforrás CRI értéke, a szemnek annál kellemesebb, természeteshez közeli fényességérzetet okoz. A piaci verseny következtében már minden magára adó LED-gyártó bemérette eszközét és katalógusban közli adatát. Az elvi maximum 100-as érték alatti LED-eknél törekedjünk a legalább 80 90-es CRI értékű típus választására, bár áruk az alacsonyabban specifikáltabbaknál 10 15%- kal drágább. A tömegcikk-számba menő 5 mm-es és SMD LED-eknél ritkán adnak meg CRI értéket, az ebből készült világítótestek igénytelen célokra használhatók (zseblámpák, szükségvilágítás, autós szerelőlámpa stb.). A színvisszaadási hiba abból származik, hogy a világítótest nem egyenletes spektrumban sugároz. Mérésére itt nem térünk ki, a fizikán túl az emberi látás fiziológiája is befolyásolja, hogy a tárgyak színét a mesterséges fényben milyennek látjuk, de alapvetően befolyásolja a világítótest egyenletes
spektrumú fényárama. RGB LED-ekből felépített fehérfény-sugárzóknál elvileg elérhető a 100-as CRI, ha tökéletesen leutánozzuk egy izzólámpa spektrumát. A katalógusokban nem is találunk ilyen adatot, hiszen a vezérléstől függ. Ez a legdrágább megoldás. Foszfor-adalékolt fehér LED-eknél ez az érték csak megközelíthető. A 9. ábrán láthatunk egy hidegfényű, egy melegfényű, és egy CRI-re optimalizált LED sugárzási spektrumát. Ha a gyártó cég katalógusa nem tartalmazza a CRI értékét, következtethetünk a spektrális karakterisztikából. 9. ábra: LED-ek sugárzási spektrumai, a) hidegfényű, b) melegfényű, c) CRI-re optimalizált. Az ábrából látható, hogy amíg a hidegfényűnél a primer sugárzó kék LED fényereje dominál (a), addig a melegfényűnél a szekunder sugárzó foszforé (b), a CRI-re optimalizált LED-eknél (c) a kettő arányát, és a szekunder sugárzó fénypor összetételét megfelelő arányban alkalmazzák, egy lehető egyenletes sugárintenzitási tartomány létrehozására. A fénypor alkotóelemei (nemcsak foszfor), adalékolása és gyártástechnológiája a gyártó cégek szigorúan őrzött titkai. Mind a színhőmérsékletre, mind a CRI-re nagyobb darabszám esetén válogatás kérhető, amelynek ára igen magas, sokszor nem viseli el az adott alkalmazás. A görbékből az is látható, hogy a kutatások olyan fényporok felfedezése irányába folynak, hogy a kék LED és a szekunder sugárzó spektruma közötti űrt betöltse, ami egyenletes sugárzási spektrumot, vagyis ideálishoz közeli CRI-t eredményezne. Addig viszont az elfogadható kompromisszum a megoldás. A 10. ábrán különböző színvisszaadási indexű LED-del megvilágított képen láthatjuk a CRI-re való választás fontosságát. Az a) ábrán a hidegfényű változatnál halottszínű -nek tűnik a kép, a c) ábrán a meleg fény a fehéret is a vörös irányába tolja, míg a b) ábrán a tál és árnyéka megtartja fehér és szürke színét. Láthatóan tehát a CRI nem azonos a semleges fehér színnel, a szemünkben integrálódott fehér fény érzete a színes környezetben a szűkebb hullámhossz-tartományban más-más értéket vehet fel. 10. ábra: Színes kép megvilágítás különböző színvisszaadási indexű LED-del. A magasabb CRI értékért sajnos nemcsak a LED felárával kell fizetni, hanem a fényhasznosítási hatásfokkal is. A kvantummechanikán és fotometrián alapuló maximális elméleti hatásfok 683 lm/w, 555 nm-es (zöld) fénynél. A LED-ek megjelenésekor tipikusan 1 lm/w alatti értékeket mértek, a mai világítási célú LED-ek fényhasznosítási hatásfoka 100 lm/w fölé emelkedhet (fejlesztési laborpéldányoknál olvashatunk 140 lm/w-ról is), de tipikusan 50 100 lm/w körül van. A fényhasznosítási hatásfok lényeges kérdés, akár egy zseblámpa elem-élettartamáról beszélünk, akár
egy utca világításáról. Megjegyzendő, hogy a fényhasznosítási hatásfok nem azonos a világítás hatásfokával, ezt rontják az optikai és villamos hatásfokok. Az I. táblázat példája alapján a hidegfényű LED-eknél eléggé egyértelmű fordított kapcsolatot fedezhetünk fel a jó fényhasznosítási hatásfok és a magas CRI érték között (első és harmadik sor). A természetes fényű csúcstípusnak mindössze 50 lm/w fényhasznosítása van, tehát a jó színvisszaadáshoz a villanyszámlával fizetünk. Láthatóan a melegfényű típusok között is van jó színvisszaadási indexű, hasonlóan rossz fényhasznosítási hatásfokkal. I. táblázat: Összefüggés LED-ek fényárama, fényhasznosítási hatásfoka és színvisszaadási indexe között. Az eddig leírtakból láthatóan már az optikai adatokra történő választásnál is sok tényezőre kell figyelemmel lenni, és több kompromisszumot hozni. Szerencsére a választék széles, a nagyobb gyártókat a 11. ábra gyűjteménye tartalmazza, amelyben még kevés kínai gyártó van (ezek is főleg tajvaniak), de hamarosan kiegészítésre szorul ez a gyűjtemény. 11. ábra: Főbb LED gyártók. A választás még így sem könnyű. Az RGB LED-ek magasabb ára és bonyolultabb vezérlése némi felárba kerül, cserébe állítható színhőmérsékletet, elektronikus színkeverést, színváltási lehetőséget kapunk, de fényárama alatta marad a fehér LED-ekének, és kevés cég gyártja. A fehér LED színhőmérséklete a gyártással adott, nem változtatható, legfeljebb az öregedéssel (30 40 ezer üzemóra után) változik, a meghajtó áram függvényében (észrevehetően) nem változik, tehát ideálisan dimmerelhető, és olcsóbb is. Manapság a fehér LED-es világítás fogalma alatt többnyire a szekunder sugárzós eszközzel megvalósított mód értendő.
Az optikai megválasztást az integrálási technológiával gyártott LED array-k (a magyar nyelvben még nem honosodott meg rá szakkifejezés, ajánlom a tömb-led elnevezést) új fejezetet nyitottak a LEDes világításban. Multichip technológiával jól gyárthatók, a precíziós gyártás lehetővé teszi az egyenletes áramleosztást a párhuzamosan kapcsolt diódák között is. Az integrált tömb-led egyúttal jelentős fényhasznosítási hatásfok növekedéssel is jár, mert a félvezető kristály oldalsó/felületi sugárzási aránya 70/30%. Azonos felületű, de több multichip LED kerülete lényegesen nagyobb, több hasznos sugárzás hagyja el az eszközt 3. Ehhez járul az olcsóbb beépíthetőség, és a jobb hatásfokú közös hűtés. A 12. ábrán láthatunk egy tömb-led fotóját, olyan kis árammal meghajtva, hogy éppen emittálni kezdjenek a LED-chipek. Láthatóan felületük sötétebb kerületükhöz képest, a fény a chipek közötti térközökben nagy intenzitással érzékelhető. Ezért szokták az egyedi chip-led-et olyan homorútükör foglalatba helyezni, amely keskeny szögben sugároz, hogy a fényenergiát maximálisan hasznosítsák. 12. ábra: A LED-chip felületi és oldalsugárzási viszonya Az optikai szempontok szerinti LED választáskor a villamos paramétereket is figyelni kell, egymásra hatásuk nem elhanyagolható, a két szakma együttműködése javasolt. 2.2 Választás villamos követelményekre A LED (nevéből ítélve is) dióda jellegű félvezető eszköz, nyitóirányú feszültsége anyagfüggő. A hagyományos AlGaAs és AlInGaP alapú diódák (piros, narancs, sárga) 1,6 V-nál nyitnak, üzemi áram folyásakor (tipikusan 20 ma) 1,8 V feszültségeséssel számolhatunk. A kék és zöld LED-ek anyaga tipikusan InGaN, nyitóirányú árama 2,4 V-nál indul, üzemi terhelésnél 3,6 V feszültségeséssel számolhatunk. Zárófeszültségük 5 10 V, rosszul tűrik a záróirányú igénybevételt, tervezéskor nem szabad erre építeni. Újabb fejlesztésű tömb-led-eknél az eszközbe fordított polaritású diódát integrálnak. A LED-ek áramterhelésre is kényesek. Meredek dióda-karakterisztikájuk következtében áramgenerátoros táplálást igényelnek. Tipikus villamos karakterisztikájukat a 13. ábrán láthatjuk. 13. ábra: LED-ek bemenő karakterisztikái.
A nyitóirányú áram-fényáram karakterisztikából kitűnik, hogy nemlineáris az eszköz, az áram megengedett tartományon belüli növelésével a fényáram nem tart lépést, a veszteségi disszipáció viszont egyenes arányban növekszik. Ebből következik, hogy a LED-et ha árkérdések megengedik célszerű a villamos határérték alatt igénybe venni. Ezzel növekszik a biztonság, az élettartam, és jobb lesz a fényhasznosítási hatásfok. A 14. ábra ezt példázza. 14. ábra: A fényhasznosítási hatásfok növelése csökkentett áram-igénybevétellel. Névleges igénybevételnél: Csökkentett igénybevételnél: Feszültség: 11,8 V Feszültség: 10,9 V Áramterhelhetőség: 480 ma Felvett villamos teljesítmény: 5,66 W Leadott fényteljesítmény: 360 lm Hatásfok: 360/5,66 = 63,5 lm/w hatásfok javulás: 18% Áramterhelés: 350 ma felvett villamos teljesítmény: 3,8 W leadott fényteljesítmény: 284 lm hatásfok: 284/3,8 = 75 lm/w A villamos áramkörtervezés mellett legalább olyan fontos a termikus tervezés, ugyanis a dióda termikus veszteséget termel. Amíg az izzólámpánál a termikus energia egy része alakult fénnyé, addig a LED-ben hideg fénysugárzás keletkezik, az ohmos veszteséget nem sugározza le az eszköz, azt el kell vezetni a pn átmenetből, amely nem haladhatja meg az üzemi 90 100 C-t. Így a LED ugyanolyan félvezetőeszköznek számít, mint más teljesítménytranzisztor, dióda, tirisztor stb. A LED túlzott melegedése élettartam csökkenéshez vezet, növekszik a meghibásodás (delaminálódás, kötések felszakadása stb.), és a fényáram is csökken. A teljesítmény-led-eken ezért többnyire hőmérsékleti referenciapontot képeznek ki, amelyen az eszköz mérhető, és a katalógus közli, hogy az ott mért hőmérséklet milyen réteghőmérsékletnek felel meg. A keletkező hőt el kell vezetni, és alkalmas hűtőbordával disszipáltatni a környezetbe. A hűtőborda hőellenállásának (R thha ) méretezéséhez az ismert összefüggés (1) használható: el j a opt thjr ahol T j a réteghőmérséklet, T a a környezeti hőmérséklet, P el a bevezetett elektromos teljesítmény, P opt a lesugárzott fényteljesítmény, R thjr a hőellenállás a réteg és referenciapont (mérhető szubsztrát) között, R thrh a referenciapont és a hűtőborda között, R thha pedig a hűtőborda és a környezet között. Amíg az elektromos teljesítmény könnyen mérhető, a fényteljesítmény mérése nagyobb felkészültséget igényel. A hőtechnikai méretezésre jó módszert kínál a TERALED-T3Ster eljárás 4, ugyanis az optikai teljesítmény a teljes felvett teljesítmény 10 40%-a. A LED hűtése komoly konstrukciós megfontolásokat igényel. Alkalmasint összekapcsolható az áramellátó elektronika teljesítményeszközével (MOSFET, IC stb.). Arra is figyelemmel kell lenni, hogy thrh thha (1)
a LED-et szigetelten kell-e szerelni, vagy galvanikus csatolásban lehet. Ez a hűtőegységtől és az alkalmazott meghajtó kapcsolástól függ. A hűtés kétféle módszerrel oldható meg, passzív, vagy aktív rendszerrel. A passzív módszer a hűtőborda, amely egy nagy felületű, és jó hővezető anyagból készült egység, amelyre jó hőcsatolással szereljük az LED-et. A hőt a levegő természetes konvekcióval szállítja el, amelyet a meleg levegő könnyebb fajsúlyából eredő áramlás idéz elő. A jobb hatásfok érdekében célszerű a hűtőbordákat úgy szerelni, hogy a bordák függőleges irányban álljanak. A jó hőcsatolást részint simára munkált érintkező felületek, részint a közé szorult (rossz hővezető) levegő kiszorítására szolgáló (alkalmasint ezüstporral emulgeált) szilikon paszta, vagy jó hővezető műanyag fólia kerülhet. Ez utóbbit a szakirodalomban TIM-nek is nevezik (Thermal Interface Material), és további jó tulajdonsága, hogy villamosan jó szigetelő, tehát a hűtőbordára szerelt LED-et, teljesítmény tranzisztort szigetelten lehet rögzíteni. A hűtőborda anyaga többnyire alumínium, a jó hősugárzás érdekében feketére eloxált felülettel, de használatos a vörösréz is. Kisebb hűtőigény esetén a nyomtatott huzalozású lemezre forrasztott teljesítmény-led-ek alatt termikus viákat (jó hővezető galvanizált furatokat) helyeznek el, sőt, alumínium hordozós, kerámia szigetelésű szerelőlemezeket is előnyösen használnak. Említésre méltó a legújabb fejlesztés eredményeképpen megjelent fröccsönthető műanyag 5, amely majdnem olyan jó hővezető, mint az alumínium, fajsúlya mintegy negyede a (könnyű) alumíniumnak, és nagyon jó villamos szigetelő. Ha a természetes hőáramlás nem vezeti el a kívánt hőmennyiséget, aktív hűtést kell alkalmazni. Ennek kézenfekvő módja, hogy a hőtőbordák közötti levegőt ventilátorral megmozgatjuk. Ezt a LEDes világítástechnikában (kevés kivételtől eltekintve) nem használják, mert megbízhatósága kicsi, karbantartásigényes, és élettartama nem összemérhető a tipikusan 50000 üzemórás élettartamú LED-ével. Más módszerek használatosak. Az egyik módszer a hővezető cső (heat pipe) használata. Ez főként akkor alkalmazható, ha a LED beépítésének helyén nem fér el nagyobb hűtőborda, ilyenkor hővezető csővel elvezetjük a hőt egy alkalmas helyre. A hővezető cső működése azon alapul, hogy a zárt csőben lévő speciális folyadék a hőforrás-végén elpárolog, gőze a cső másik végén elhelyezett hűtőborda hűtő hatása következtében kicsapódik, ami hőelvonással (tehát hűtéssel) jár, és a lehűtött folyadék egy alkalmas porózus falon visszaáramlik, hogy a hőforrás ismét párolgásra kényszerítse. A folyamatot a 15. ábra mutatja. 15. ábra: A hővezető cső (heat-pipe) működési elve. A hővezető csövet szokták kombinálni Peltier elemmel, bár annak működtetéséhez további villamos energia szükséges. A hővezető csöves Peltier elemes hűtésre szakcégek sora áll rendelkezésre, kész alkatrészekből kialakított speciális hűtési módokkal 6. Újszerű megoldást dolgozott ki (talán éppen a teljesítmény-led-ek hűtésére) a Nuventix cég, amelyet SynJet néven szabadalmaztatott is. A működés lényege, hogy piezoelektromos aktuátorokkal mozgatott membrános hőszivattyú gondoskodik a levegő áramoltatásáról. A MEMS technológiával kialakított membránrendszer méretében is jól illeszkedik a LED-hűtőborda együtteshez. Két rendszert
dolgoztak ki, a 16. a) ábrán látható VIBE rendszer folyadék-buborékokkal, a b) ábrán látható VIDA rendszer pedig atomi méretű folyadék-cseppecskékkel szállítja a hőt. 16. ábra: Mikromembrános hőszivattyú működési elve, a) VIBE rendszer, b) VIDA rendszer. 3. Meghajtó áramkörök 3.1. Lineáris meghajtó áramkörök Mint említettük, a LED dióda karakterisztikájú eszköz, működtetésére áramgenerátor az ideális. Feszültséggenerátoros táplálás esetén legalább soros előtétellenállásra van szükség, az áram korlátozására. Ennek méretezése egyszerű Ohm-törvénnyel történik, ahol a feszültség alatt a tápfeszültség és diódafeszültség különbségét értjük. 17. ábra: Egyszerű LED-meghajtó áramkörök, a) soros előtétellenállással, b) diszkrét félvezetős áramgenerátorral, c) integrált áramgenerátorral. Az a) ábrán szaggatottal rajzolt előtétellenállás azt jelzi, hogy gyakran (főként szárazelemes, gombelemes működtetésnél) nem alkalmaznak diszkrét ellenállást, az áramot a tápegység belső ellenállása korlátozza. Korrekt eljárás a b) ábrán látható áramgenerátor rétegtranzisztorral felépítve, amelynek természetesen FET-es változata is hasonlóan jó. Még elegánsabb megoldás integrált áramgenerátort használni. A 17. ábra megoldásai veszteségesek, nagyobb teljesítmények esetén nem használatosak, mert a rossz hatásfok mellett a disszipált hő elvezetéséről is gondoskodni kell. 3.2. Kapcsolóüzemű LED-tápegységek A LED-ek meghajtására szinte kivétel nélkül kapcsolóüzemű áramgenerátorokat használunk. A szabályozó kör lényeges eleme egy kapcsoló, célszerűen MOSFET eszköz, amely a tápfeszültséget impulzusszélesség-módszerrel olyan kitöltési tényezővel kapcsolja a LED-re, hogy annak átlagárama az üzemi áram legyen, A szabályozást az áramfigyelő elem (egy alkalmas söntellenállás) jele adja, amelyet a PWM szabályozó érzékel és feldolgoz. A nagyfrekvenciás kapcsolgatást a szem nem érzékeli (50 500 khz), a fényáramot integrálja, a látásra fiziológiai rossz hatása nincs. Az egyenfeszültségű, vagy a váltakozó feszültségű hálózatból egyenirányított tápforrás közvetlen kapcsolóüzemű felhasználása általában nem használható, mert a (különösen a hálózati feszültségből egyenirányítással képezett) tápforrásból kikapuzott áramimpulzusok amplitúdója meghaladja a LEDre megengedett áram-maximumot (nagyon kis kitöltési tényező). Ezért a tápegységeknél a már kialakult és jól bevált konverziós technikákat alkalmazzák. Ebben az áramátalakítás két lépcsőben történik, első lépésben az energia kikapuzott részét eltárolják, majd második lépésben ezt a LED-be folyatják. A lépések között folyamatos átmenet vagy szakaszos üzemmód lehet, a szaggatott LEDáramot kondenzátor simíthatja, de elegendően nagy frekvencia esetén szemünk kiintegrálja. A
tárolóelem lehet kapacitás, vagy induktivitás, ez utóbbi a gyakoribb. A be- és kimeneti feszültség viszonya tetszőleges lehet, azaz feszültség-növelő (step-up) és feszültség-csökkentő (step-down). Az egyenfeszültségről egyenfeszültségre való átalakítást a szakirodalomban DC/DC konverziós technikának is nevezik, bár használatos az AC/DC konverter kifejezés is, ha beleértjük a hálózati egyenirányítót. A konverziós technikával részletesen foglalkozik a szakirodalom, az előadásban csak vázlatosan tekintjük át a változatokat, mert a speciálisan LED-meghajtásra gyártott IC-k működése ezen alapul. Ezek tárolóeleme induktivitás, azaz az energiát mágnesesen tárolja a LED meghajtására. A legegyszerűbb a buck (azaz feszültség csökkentő) és a boost (azaz feszültség növelő) konverter, amelyek elvi kapcsolását a 18. és 19. ábrák mutatják. A feszültségcsökkentő kapcsolás két változatát a kapcsolási elemek kedvezőbb mechanikai elrendezése indokolja. 18. ábra: Feszültségcsökkentő konverter alapkapcsolása. 19. ábra: Feszültségnövelő konverter alapkapcsolása. Kedvelt kapcsolás a két módozat vegyes üzeme, amely a tápfeszültség erős változása esetén ajánlott. A 20. ábrán bemutatott három kapcsolásból a harmadik (Buck vagy Boost) nem tartalmaz diódát, helyette a négy FET megfelelő vezérlésével állítható be a kívánt üzemmód, és habár felépítése igényesebb és drágább, kárpótol érte a 90%-nál jobb hatásfok. 20. ábra: Feszültségcsökkentő-növelő vegyes konverter kapcsolások.
Főként az energiaellátó rendszerekben alkalmazott konverterek céljára fejlesztették ki a Čuk és SEPIC kapcsolásokat, előnyeit a LED-meghajtó áramkörökben is lehet élvezni. Két induktivitást tartalmaznak, bár ez készíthető közös csévetesten csatolt kivitelben is, így helyigénye nem növekszik. Szintén buck-boost működést mutatnak. Az alapkapcsolásokat a 21. ábrán láthatjuk. 21. ábra: Čuk és SEPIC kapcsolású DC/DC LED-meghajtó konverter kapcsolása. Gyakori igény, hogy a LED áramköre szigetelt legyen a meghajtó áramkörtől (hűtőborda érintésvédelmi szempontok). Erre kedvelt kapcsolás a fly-back elrendezés, amelyet a 22. ábra mutat. Kedvező a kevés áramköri elem, az induktivitás viszont transzformátoros kialakítású, ami többnyire egyedi gyártást igényel. 22. ábra: Flyback konverter kapcsolása. A kapcsolási elemekre néhány megkötést kell tenni. A kapcsoló FET legyen gyors, lehető kis gatekapacitással, és nagyon jó (0,1 Ω nagyságrendű) bekapcsolási maradékellenállással. A dióda legyen gyors, 30 50 ns feléledési idővel. Az induktivitásra megkötés, (amely többnyire ferritmagos), hogy ne menjen telítésbe, mert akkor fojtó hatása lecsökken és károsan magas áramamplitúdók léphetnek fel, amely tönkre teszi a LED-et. Az alapkapcsolásokban a MOSFET vezérlését PWM szabályozó végzi, amelyet erre a célra szolgáló IC-vel érdemes megvalósítani. Az áramszabályozást visszacsatolás valósítja meg a 23. ábra elvi kapcsolása szerint. A feszültségstabilizátorokkal ellentétben az áramsatbilizátorban a terheléssel sorbakapcsolt ellenálláson eső (árammal arányos) mérőjel a visszacsatoló feszültség. 23. ábra: Az áramszabályozó elve. A szabályozó IC kiválasztása körültekintő fejlesztői munka eredménye. Gyártók serege ajánl sokféle célra kapcsolóüzemű LED-meghajtó áramgenerátorokat. A teljesség igénye nélkül a választékból tájékozódhatunk a 24. ábrából.
Allegro Fairchild Linear Technologie Maxim National Semiconductor NXP STMicrosystems Protec ON Power Integration Recom Rohm Supertex Texas Zetex 24. ábra: LED-meghajtó áramkörgyártók. A következőkben bemutatandó kapcsolási példák lehetőségek sorát mutatják, az egyedi alkalmazási példák és segédletek segítik a fejlesztést. A gyártók egy része törpefeszültségű hálózatokra ajánlja áramköreit, 12 30 V-os tápfeszültségre. A 25. ábrán a Linear Technology hat áramkörét mutatjuk be, soros és párhuzamos kapcsolású LED-ekre, beleértve az RGB technikát is. 25. ábra: Linear Technology LED-meghajtó áramkörök. Mint ahogy az egyéb elektronikai készülékekből, a LED-es meghajtó áramkörökből is kiszorulnak a hálózati transzformátorok, nagy tömegük, üresjárati mágnesezőáram-energiaigényük és viszonylag drága előállításuk miatt. A LED-meghajtó áramkörök gyártói sorra jelennek meg a kisfeszültségű (110 230 V-os) váltakozó áramú hálózatról működő IC-kkel. A Power Integrations nagyon egyszerű felépítésű áramköreiben még a MOSFET-et is beintegrálták. A 26. ábra egyszerű kapcsolást mutat. 26. ábra: Buck-boost meghajtó áramkör. Az NXP SSL2101 áramkörével hálózati feszültségről üzemeltethető precíziós LED-meghajtó áramkör építhető. A 27. ábrán két kapcsolást mutatunk. Az a) ábra buck konverter-elvű, de fényerővezérlésre alkalmas, a b) ábrán látható felépítés flyback rendszerű, a hálózattól szigetelt a LED. Az áramvisszacsatolást is optocsatolón át oldják meg.
27. ábra: LED-meghajtó kapcsolás NXP IC-vel, a) fényerővezérelhető, b) flyback elrendezés. A 28. ábrán Texas Instruments gyártmányú IC-vel felépített flyback meghajtó kapcsolását mutatjuk. A kapcsolás jellegzetesség a fáziskompenzáció. A transzformátoron lévő visszacsatoló tekercs aluláteresztő szűrőn át úgy szabályozza a LED-en folyó áramot, hogy az lehető jó szinkronban legyen a hálózati feszültséggel. A kapcsolás további jellegzetessége, hogy a hálózati körben nem alkalmaz pufferkondenzátort, így a rövid élettartamú, és megbízhatatlan elektrolitkondenzátor elhagyható. 28. ábra: LED-meghajtó kapcsolás Texas áramkörrel. Hasonló fáziskompenzációt végez a Protec áramköre is, amelyet a 29. ábrán láthatunk. Külső FETtel 1 W-os LED-ek hosszú sorát képes meghajtani a buck-konverter típusú kapcsolás. 29. ábra: LED-meghajtó kapcsolás Protec áramkörrel. A fázistolás kérdését komolyan kell venni, az áramszolgáltató méri a nagyobb fogyasztók meddőteljesítményét és szankcionálja a fogyasztót. Nagyobb LED-es világításnál tehát (pl. utcavilágítás) már a meghajtó áramkör tervezésénél célszerű odafigyelni, és nem drága, külön
beszerelt PFC berendezéssel kompenzálni. A fázistolást tulajdonképpen az induktív áramátalakító okozza, a működést a 30. ábra szemlélteti, egy SEPIC konverter 3 ütemében. 30. ábra: Fázistolás keletkezésének mechanizmusa SEPIC konverterben. Egyszerűbb, kisebb fogyasztású áramkörben a fázistolást megközelítően elegendő kompenzálni. A 31. ábra egy ilyen kapcsolást mutat Supertex áramkörrel. A hálózati egyenirányító után kapcsolt diódákkal kiegészített pufferkondenzátor a korrekciót elvégzi. 31. ábra: Egyszerű fáziskompenzálás. Nagyobb áramoknál a kapcsolás fix fáziskorrekciója nem adja az optimális megoldást, a cég egy másik meghajtó IC-je képes a komolyabb megoldásra. A 32. ábrán láthatjuk a kapcsolást. A lényege, hogy mind a hálózati feszültségkörben, mind a LED-áram körében fázismintát veszünk (azaz a nullaátmeneteket figyeljük), és logikai összehasonlítás eredményeképpen a FET vezérlésével a két mennyiséget fázisba hozzuk.
32. ábra: Fáziskompenzáló LED-meghajtó áramkör. A hálózati üzemű LED-meghajtó áramkörök tápellátását többnyire Graetz egyenirányítóval végzik, utána kapcsolt puffer kondenzátorral. Kisebb teljesítményigény esetén egyszerűbb táplálás is megvalósítható. A 33. ábra kapcsolási példákat mutat. 33. ábra: Hálózati tápegység kapcsolási példák. Hálózati tápegységeket régóta gyárt az ipar, a teljesítmény-led-ek terjedésével kereskedelmi forgalomba beszerezhetők olyan áramforrások, amelyet LED-es világítás táplálására használhatók. Ilyen egységeket tartalmaz a II. táblázat. II. táblázat: LED-meghajtó tápegységek
3.3 Minek a meghajtó áramkör? Folyamatos integrációs törekvésnek vagyunk tanúi az elektronikai iparban. Az egyedi LED-eket tömbbé integrálják, ellenparallel védődiódákat integrálnak bele, mi jöhet még ez után? Hát pl. az, hogy beleintegrálják a meghajtó áramgenerátort, sőt a hálózati egyenirányítót is, és megszületik az ACLED. Jelenleg (ismereteink szerint) a világon két cég gyárt ACLED-et, a koreai Seoul Semiconductor és a tajvani Sicily. A koreai néhány wattos, és hibája, hogy egy előtétellenálláson keresztül kapcsolható a 230 V-os váltakozó áramú hálózatra. A tajvani ezen is túl tesz, 10 W-os és 40 W-os eszközei közvetlenül a hálózati feszültségről működnek, minden alkatrész integrált formában a LED tokban van, amely nem nagyobb méretű egyenáramú elődeinél. Az alkatrészek fotóját a 35. ábra mutatja. Mielőtt azonban leírnánk a hagyományos egyenáramú LED-et, megjegyezzük, hogy az ACLED-ek hatásfoka és fényhasznosítása nagyon szerény. 3.4. Piacképesség 35. ábra: ACLED-ek. A LED-es világítás meghajtó elektronikájával együtt valamilyen tokozásba kerül, hogy beépíthető legyen. Az egyedi kiképzésű világításoktól eltekintve három fő kiviteli formát követnek a LED-es világítótestek. A legkézenfekvőbb forma a jó öreg villanykörte tokozása, beleértve az Edison csavarfoglalatot (esetleg bajonett foglalatot, vagy a halogén világításban elterjedt két csapos csatlakozást). A 36. ábrán látható néhány kiviteli forma. A konstrukcióban problémát okoz, hogy a veszteségi teljesítményt külső (többnyire présalumínium öntvény) hűtőbordával kell eldisszipáltatni, és a teljes meghajtó elektronikának el kell férnie a búra nyakában. 36. ábra: LED-es villanykörték. A másik kedvelt forma a fénycső. Sok cég gyárt szabványos fénycső méretben LED-es világítótestet, ebben már könnyebben elfér a meghajtó elektronika. Szerelése egyszerű, csak az előtét fojtót kell áthidalni, a bimetálos gyújtó patront eltávolítani (biztonságosabb a kiszerelés), és üzemképes a világítás. A világítótestet többnyire 20 ma-es diszkrét LED-ekből alakítják ki soros, és csoportonként párhuzamos kapcsolással. Az 5 mm átmérőjű epoxi tokozású LED-ek olcsóbbak, de tartósabbak az SMD LED-ek, mert tokozásuk szilikonos, amely elasztikussága meggátolja a LED chip tokon belüli bondolásának szakadását. A 37. ábrán fénycső tokozású LED-es világítótesteket látunk.
37. ábra: Fénycső formájú LED-es világítótest. A harmadik elterjedt világítótest-forma a köztéri világítás. Hagyományosan ezekben becsavarható foglalatos (többnyire fémgőz) kisülőcsövek használatosak, azonban a LED-eknél az 50000 órás élettartam nem teszi indokolttá a flexibilis szerelést, hiszen cseréjük csak több éves működés után esedékes. Néhány világítótest-formát mutatunk a 38. ábrán. Megjegyezzük, hogy vannak olyan cégek, amelyek a hagyományos, jól megszokott és felszerszámozott gyártású közvilágítási lámpatestekbe LED-es világítást építenek, az eredeti fényáram, sugárzási diagram teljesítésével, de karbantartásmentes használatot, hosszú élettartamot és a kellemetlen sárga fénynél lényegesen jobb színt ígérve. 38. ábra: Kültéri LED-es világítótestek. A LED-es világítás piacképességéhez mint minden elektromos készülékhez típusvizsgálatok és jóváhagyások szükségesek. A típusvizsgálatok egyik része az optikai, azaz a lesugárzott fényáram, az adott terület megvilágítás erőssége, besugárzott terület, térszög. A másik része villamos, érintésvédelem, EMC (ne feledkezzünk meg a kapcsolóüzemű tápegység hálózati zavarszűréséről), valamint esetleges klímavizsgálat, hőállósági teszt. Ha mindezen próbákat kiállja a konstrukció, jóvá lehet hagyatni (pl. TÜV), ill. az Európai Unión belüli forgalmazáshoz a CE minősítést meg lehet szerezni. 4. Összefoglaló A LED-ek fejlődése alkalmassá teszi az eszközt világítási célú felhasználásra. A LED-es világítás tervezésére a világítástechnikai és elektronikai tervező együttműködése szükséges. A tervezés a megfelelő világítóforrás kiválasztásával kezdődik, amelyben mind az optikai, mind a villamos szempontok dominálnak. A kiválasztott LED(ek) működtetésére kapcsolóüzemű áramforrás szolgál, amelynek méretezése körültekintő munkát igényel. A kész világítótest tokozása, majd típusvizsgálata és minősítése zárja a tervezést. Irodalom 1. Majoros András: Belsőterek világítása. Műszaki Könyvkiadó, 1998. 2. Világítástechnikai Társaság: Világítástechnikai kislexikon. 2001. 3. Kiss Zoltán: Nagy fényerejű, fehér LED-családok. Elektronet 2008/6. 30. oldal. 4. Poppe András: Teljesítmény LED-ek kombinált termikus és radiometriai karakterizációja (BME-EET-(MicReD)/Mentor Graphics prezentáció. 5. www.coolpolymers.com 6. www.thermacore.com, www.supercool.se