Светодиодная матрица: описание, применение
Светодиодная матрица представляет собой как отдельные светодиоды, так и светодиодные сборки, выполненные на группе кристаллов. Такие матрицы нашли достаточно широкое применение в системах общего освещения объектов и помещений, дорог и фасадов домов, используют их и для индивидуального внутреннего освещения, например, в точечных светильниках. Светодиодная матрица может выдавать, в зависимости от назначения, как направленный световой поток, так и рассеиваемый.
Необходимость изучения процесса соединения светодиодных структур большой мощности, а также связанные с этим процессом конструктивно-технологические проблемы в настоящее время обусловлены стремительно растущей популярностью этих изделий, и, конечно же, влиянием этого направления на индустрию освещения. Причиной такого большого влияния является целый ряд преимуществ, которые были достигнуты в результате замены люминесцентных, вакуумных, газоразрядных источников инсоляции современными полупроводниковыми световыми приборами. Уже ни для кого не является секретом, что использование сверхмощных диодов позволило существенно снизить количество потребляемой энергии, а также повысить уровень надежности, долговечности и экологичности источников света.
Благодаря указанным выше преимуществам, разработка и производство новейших технологий в области светодиодного оборудования на сегодняшний день осуществляется огромными темпами. При этом требования к качеству рассеивания излучаемого светового потока, мощности свечения полупроводниковых светодиодов постоянно растут, а это значит, что возрастают требования и к матрицам.
Светодиодная матрица представляет собой группу кристаллов, включенных по смешанному принципу – параллельно-последовательно. Значение напряжения питания и тока в светодиодных матрицах немного выше, чем напряжение и ток у простых светодиодов. Это объясняется тем, что в состав матрицы входит целая группа полупроводниковых элементов. Для эффективной и долговечной работы светодиодная матрица должна быть оборудована мощным и стабилизированным источником постоянного тока (или источником тока и драйвером), а также теплоотводом. Чаще всего в роли теплоотвода применяется алюминиевый или медный радиатор.
Как показывает практика, в наши дни все большую популярность завоевывают мощные светодиодные матрицы. Ведь эти изделия позволили существенно снизить себестоимость конструкции мощного светильника за счет интеграции нескольких кристаллов в один. Такое объединение позволило производителям не только удешевить производство световых приборов, но и значительно повысить их качество. Это объясняется тем, что схема светодиодной матрицы значительно сократилась, а чем проще электрическая схема, тем она надежней.
Немаловажным параметром любой светодиодной матрицы является световая эффективность. Она зависит от качества используемых световых кристаллов. Однако надо понимать, что даже при условии применения высокого класса кристаллов, световой выход матрицы будет несколько ниже, чем суммарный выход кристаллов, входящих в конструкцию. Это объясняется эффектом наложения (взаимного поглощения) светового излучения, диодов, расположенных в непосредственной близости.
СВЕТОДИОДНАЯ МАТРИЦА
Считается, что одним из самых эффективных способов общего снижения уровня энергозатрат сегодня является организация систем искусственного освещения с использованием светодиодов.
При одинаковом световом потоке энергопотребление светодиодных источников света примерно в 10 раз ниже, чем у обычной лампы накаливания. При этом служат они во много раз дольше, чем люминесцентные светильники.
Массовое использование светодиодных ламп до последнего времени сдерживалось их высокой ценой, которая во многом определяется достаточно сложной технологией изготовления. Так, для того, чтобы установить единичный кристалл на подложку (печатную плату) используют пайку в конвекционной печи.
Для снижения трудоемкости изготовления энергосберегающих источников света были разработаны светодиодные матрицы, представляющие собой в общем случае совокупность единичных светодиодов с общим (параллельное включение) или раздельным питанием.
Эта технология значительно удешевила процесс изготовления светодиодных ламп и сделала их более доступными. Такие матрицы с успехом используются при изготовлении как осветительных приборов, так и индикационных устройств. Они не требуют пайки в конвекционной печи, их можно монтировать вручную или с помощью специальных крепежных модулей.
Динамичный рост рынка светодиодного освещения привел к появлению большого количества самых разнообразных их видов и типов. При этом каждый из производителей классифицирует матрицы по своему усмотрению.
Связано это с тем, что светодиоды имеют огромное количество самых разнообразных характеристик (цвет, мощность, область применения и пр.) и группировать их по видам и типамдостаточно сложно. Но две основные группы выделить можно:
- индикационные;
- осветительные.
Несколько лет тому назад южнокорейскими учеными был предложен оригинальный способ изготовления светодиодной матрицы, основанный на покрытии подложки полиэтилентерефталатом, волокна которого предварительно пропитывается специальным раствором PEDOT:PSS (поли 3,4этилендиокситиофена полистиролсульфоната).
Затем волокна покрываются оледдиодом и высушиваются. Завершающий этап нанесение слоя фтористого LiAl.
Использование матричных многокристальных конструкций позволило разработчикам создавать источники света с достаточно высоким напряжением питания. Подключая светодиоды в различных комбинациях (последовательно или параллельно), можно получать матрицы с различными значениями питающего напряжения и тока.
Светодиодные сборки определили и последующий переход от единичных светодиодов к графическим или символьным экранам. Они могут отличаться размерами, разрешением, цветом свечения и другими параметрами. Геометрические размеры полупроводниковых матриц, зависят только от расстояния между пикселями, их размеров и количества в матрице.
Однако для удобства работы разрешение ее чаще всего ограничивают значением для:
- полноцветных матриц 8х16 пикселей;
- остальных 16х32 пикселей.
Используются светодиодные матрицы и для создания уличных телевизоров. В этом случае применяют матрицы, собранные на овальных светодиодах, имеющих высокую яркость. Предусмотрена в них и защита от воздействия жестких климатических условий.
СВЕТОДИОДНЫЕ МАТРИЦЫ ДЛЯ ПРОЖЕКТОРОВ
В общем случае мощные светодиодные матрицы, которые используют при изготовлении прожекторов и других источников света для уличного освещения представляют собой совокупность кристаллов, соединенных последовательно параллельным способом.
Все они устанавливаются на одной, достаточно массивной цельнометаллической подложке, которая выполняет также роль радиатора, отводящего тепло от светодиодов.
Такая матрица способна отработать более 50 тысяч часов. Мощность светодиодных матриц этого типа находится в пределах от 5 до 500 Вт, обеспечивая при этом уровень светоотдачи порядка 110 лм/Вт.
Так например, в матрице мощностью:
- 10 Вт установлено 9 светодиодов мощностью 1 Вт, что позволяет получить в итоге светоотдачу немногим больше 950 лм/Вт;
- 30 Вт используется три параллельно соединенные цепочки из 10 кристаллов каждая. При этом светоотдача такой матрицы составляет 2720 лм/Вт.
При выборе мощной светодиодной матрицы необходимо обращать внимание на ее электрические характеристики, среди которых особо выделяют величину (значение):
- тока и напряжения электропитания;
- светоотдачи.
Для устойчивой работы мощная матрица должна иметь блок стабилизированного электропитания, выходное напряжение которого должно соответствовать количеству кристаллов в ней. Так, для 10-ваттной матрицы напряжение питания составляет 11. 12 В, а уже для 30-ваттной понадобится 26. 36 В.
В качестве источников стабилизированного электропитания мощных светодиодных матриц и прожекторов, собранных на их основе, используют специальные устройства (драйверы и диммеры) соответствующей мощности. Конструктивно их корпус чаще всего изготавливается из алюминия и обеспечивает класс защиты не ниже IP65.
При этом:
- диммер устройство, позволяющее регулировать напряжение питания светодиодов с целью изменения их яркости;
- драйвер блок питания, обеспечивающий подачу постоянного стабилизированного тока на один или несколько светодиодов.
Еще один важный аспект, о котором необходимо помнить, устанавливая мощную матрицу обеспечение эффективного отвода тепла. Корпуса светодиодов достаточно сильно нагреваются при работе, и для того, чтобы исключить их выход из строя из-за перегрева, нужно использовать дополнительные теплоотводящие элементы.
МАТРИЦЫ В СВЕТОДИОДНЫХ ЛЕНТАХ И ЛАМПАХ
Кроме однокристальных светодиодов широкое распространение получили светодиоды типов:
- SMD;
- СОВ;
- Filament,
изготовленные на основе матриц. В данном случае матрица это подложка, на которой смонтировано 3 и более кристалла.
Именно их используют в производстве светодиодных лент и ламп.
Диоды SMD (Surface Mounted Device с англ. «прибор, монтируемый на поверхность») несколько устаревший тип, конструктивно состоящий из металлической подложки (медь или алюминий), на которую монтируется кристалл, припаиваемый к контактам корпуса, где установлена подложка.
Кристалл накрывают линзой и/или покрывают люминофором. Такая технология дает возможность разместить на одной подложке до трех светодиодов. Используются они в производстве светодиодных лент для освещения и подсветки.
При этом в зависимости от количества кристаллов в матрице выпускаются ленты с количеством светодиодов 60 шт./м (1 кристалл) и 30 шт./м (3 кристалла). Яркость свечения лент со светодиодами, состоящими из трех кристаллов, естественно, выше, чем у лент со светодиодами на одном кристалле.
Выпускаются SMD матрицы и с кристаллами, имеющими разный цвет свечения ( RGB тип). Светодиоды RGB типа управляются специальными контроллерами, которые регулируют яркость или мощность свечения, используя метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Диоды СОВ (Chip On Board с англ. «чип на плате») наиболее распространенный тип матричных светодиодов. Конструктивно представляют собой подложку (плату), на которой монтируют большое количество бескорпусных кристаллов. Затем их заливают люминофором.
Большое количество кристаллов обеспечивает повышенную яркость светодиодов типа СОВ, которая на порядок превышает аналогичный параметр диодов SMD типа. Используются диоды типа СОВ как для освещения, так и в качестве индикационных устройств.
Filament светодиоды перспективная технология Chip On Glass, позволяющая устанавливать 28 кристаллов на стеклянную или сапфировую подложку.
Используются при изготовлении светодиодных ламп в прозрачных стеклянных колбах. При этом световой поток распространяется на 360°, что позволяет при одинаковой со светодиодами типа SMD и СОВ мощности получить большую освещенность.
© 2012-2021 г. Все права защищены.
Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов
Светодиодные матрицы
Светодиодные матрицы представляют собой технологическое объединение на одной подложке нескольких светоизлучающих полупроводниковых кристаллов, с общей заливкой смесью люминофора и силикона.
Появление LED-матриц связано с разработкой технологии COB (Chip-on-Board), что дословно переводится как «чип на плате». Эта технология пришла на смену SMD светодиодам, отличается высокой степенью автоматизации производства и привела к существенному снижению цен на светодиодные светильники и прожектора.
Виды и области применения
Сохраняя единый принцип размещения светодиодных кристаллов на теплопроводящей подложке, светодиодные матрицы существенно отличаются по количеству кристаллов на одном основании и способам их соединения между собой.
Количество кристаллов на одной подложке определяет итоговую мощность матрицы, которая может достигать сотен ватт на одно изделие. Мощные матричные источники света хорошо зарекомендовали себя в прожекторах и светильниках для уличного освещения. 
Способ соединения кристаллов между собой определяет возможности управления свечением отдельных кристаллов и параметры блока питания для матрицы. Последовательно-параллельная структура внутренних соединений дает возможность снизить ток и увеличить величину питающего напряжения, что находит свое отражение в характеристиках матричных изделий.
Еще одной особенностью внутренних соединений кристаллов между собой с внешними выводами выступает возможность использования светодиодных матричных структур в информационных табло и в графических или символьных экранах. Такие LED-матрицы находят свое применение в контрольно-измерительной аппаратуре и всевозможных инсталляциях рекламного характера. 
В устаревших моделях, для информационных табло, графических или символьных экранов, светодиодные матрицы конструировались на основе DIP или SMD-светодиодов.
Принципиальная схема
Как отмечалось выше, последовательно-параллельная схема соединения светодиодных кристаллов между собой определяет требования к источнику питания матрицы. Чем выше напряжения питания, тем больше светодиодов объединены в последовательные цепи. 
Такая особенность снижает требования к выходным токам драйверов, но в случае выхода из строя одного кристалла в последовательной цепи, перестает излучать свет вся цепочка. Ток перераспределяется на рабочие LED-чипы, тем самым ускоряя их деградацию и серьезно уменьшая срок службы светодиодной матрицы в целом.
Для решения проблемы, некоторые производители соединяют все светодиодные чипы внутри матрицы одновременно последовательно и параллельно. Такая особенность значительно уменьшает возможность выхода из строя LED-матрицы вследствие перегорания одного чипа. 
Параллельное соединение светодиодов между собой в пределах одной матричной структуры требует больших выходных токов драйвера, но общая излучающая способность практически не страдает от выхода из строя одного или двух кристаллов. 
Матрицы для светодиодных табло имеют в своем составе сложную систему внутренней коммутации, что определяется требованиями управления каждым светодиодом в отдельности. Для управления такими LED-матрицами созданы специальные интегральные процессоры и микросхемы. 
Подключение
В схемах подключения светодиодных матриц определяющими факторами их надежности выступают два ключевых момента — достаточная площадь радиатора для отвода тепла и стабилизация питающих токов. Оба этих фактора напрямую связаны с усиленной деградацией полупроводниковых кристаллов при превышении их температур выше максимально допустимой.
К повышению температуры кристалла приводит, как недостаточная площадь радиатора охлаждения, так и слишком высокий проходящий ток.
Рабочие величины постоянного тока указываются в параметрах светодиодных матриц, а для ориентировочного выбора площади радиатора можно использовать цифру 20-25 см² на 1 Вт мощности матрицы. При это следует учитывать, что такая площадь необходима при температурах окружающего воздуха до 35 °С. При более высоких температурах рабочую площадь радиатора следует увеличить либо дополнить активным охлаждением.
При выборе светодиодных матриц со встроенным драйвером и питанием от сети 220 В необходимо учесть, что такие источники света не подходят для освещения мест постоянного пребывания человека.
Отсутствие в схеме драйвера с питанием от сети 220 вольт электролитических конденсаторов большой емкости определяет высокий коэффициент пульсации излучаемого света, вредное влияние которого на здоровье человека доказано множеством научных исследований.
Заключение
Совершенствование параметров светоизлучающих светодиодных кристаллов ведет к появлению все более мощных матричных структур, выходная мощность которых уже достигла 300 и более Вт.
Такая тенденция, в сочетании с повышением удельного светового потока на 1 Вт подводимой мощности, определяет дальнейшее развитие светодиодных матриц и их опережающее развитие на рынке осветительной техники.