למה וכיצד רכיבי LED שבב-על-לוח (COB) מקטינים עלויות וחוסכים אנרגיה בתכני תאורה

רכיבי LED מתחרים במקורות אור מסורתיים בדרכים שונות, כולל נצילות אנרגטית גבוהה יותר, משך חיים ארוך יותר וגודל קטן יותר. בכל זאת, החסרון האחד שמרגיז מתכנני תאורה רבים הוא העלות, שהיא הסיבה העיקרית של יצרני LED להמשיך ולחדש כדי לשפר את היתרונות לגודל. אחד הפתרונות החדשים ביותר המיועדים לסייע בהפחתת עלויות הוא מודולי מקור תאורה שבב-על-לוח (COB), בהם שבבי ה-LED הם בצורת שבב מוליך-למחצה שאינו עטוף וגם לא מחובר אלא מורכב ישירות על לוח מעגל מודפס, או באופן כללי יותר, על מצע. סוג מארז זה גם מעניק מספר יתרונות נוגעים בדבר, כגון גמישות תכן גדולה יותר, הפצת אור טובה יותר ותהליכי ייצור פשוטים יותר. 

ישנן סיבות נוספות מדוע מתכננים ירצו לשקול ברצינות שילוב רכיבי COB LED בתכנים הבאים שלהם. בדו"ח שפורסם לאחרונה על ידי Research and Markets, אנליסטים מציינים שרכיבי COB LED, שהם פולטי אור לאזור רחב (כך שניתן להשתמש בהם לתאורת רחובות וכבישים מהירים), מספקים שלושה יתרונות עיקריים: מיזוג צבעים טוב יותר, תאורה טובה יותר ודרישות נמוכות להתנגדות תרמית. בנוסף, מאחר ורכיבי COB LED אלה מספקים צפיפות הספק גבוהה יותר, פיזור חום יעיל יותר ודורשים פחות מקום בלוח, הם מתאימים מאד למגוון יישומי תאורה כלליים, לדברי האנליסטים של החברה. 

הבה נבחן עתה מספר דוגמאות COB LED, כולל מוצרי ™Vero של ‏Bridgelux, ‏Zenigata של ‏Sharp ו-CXA של ‏Cree, שידגימו כיצד התקנים אלה יכולים לפשט תכני תאורה תוך כדי חסכון באנרגיה והקטנת עלויות. 

בשנה שעברה, Bridgelux (ליברמור, קליפורניה) הציגה את הסדרה שלה ‏Vero של מערכי COB LED (תרשים 1) עם ביצועי נצילות הארה עיליים: 120‎ lm/W נומינלי, 110‎ lm/W ממוצע מינימלי. שיפור זה, אומרים שמספק חסכון באנרגיה של 11 אחוז בקירוב בהשוואה לדור המוצרים הקודם. סדרה זו זמינה בארבע תצורות של משטח פולט אור (LES) ויכולה לעבוד בתחום רחב של זרמים. בנוסף, מערכי Vero זמינים עם אפשרויות בקרת צבע של שני SDCM (Standard Deviation Color Match) ושלושה SDCM כדי להעניק דיוק גבוה של בקרת צבע ותאורה אחידה. 


תרשים 1: משפחת Bridgelux Vero מציעה אפשרויות CRI של 70, ‏80, ‏90 ו-97‎ Décor. (ספקטרום הצבע עבור לבן חמים הוא 3,000‎ K 80 CRI, עבור לבן ניטרלי 4,000‎ K 80 CRI ועבור לבן קריר 5,000‎ K 70 CRI. באדיבות Bridgelux).

לפי Bridgelux, בקרת צבע מדויקת יותר "משפרת את איכות האור על ידי הענקת עקביות ואחידות גבוהות יותר בין מקורות אור סמוכים,". בנוסף, סדרת ה-Vero עולה על דרישות California Energy Commission R9 עבור מנורות ופנסים. 

מפרט נצילות ההארה 120‎ lm/W הוא ביצוע ממוצע על פני כל גורמי-הצורה המבוססים על תצורות 3,000‎ K, ‏80‎ CRI שנדחפים בזרמים נומינליים, בהתאם ל-Bridgelux. מכל מקום, מתכננים יכולים להשיג נצילויות הארה עד 140‎ lm/w כאשר נדחפים בזרמים נמוכים יותר. 

פלטפורמת ה-Vero גם מאפשרת חיבוריות חבר-והפעל הודות ליציאת מחבר שנמצאת על הלוח והמאפשרת ליצרני תאורה חיבור חשמלי ללא הלחמה והרכבה קלה, דבר המסייע להם לפשט את תהליכי הייצור. היתרונות כוללים עלות נמוכה יותר, זמן יציאה לשוק מהיר יותר ודרישות מלאי נמוכות יותר. 

כאן המפרט העיקרי:

• תחומי הביצועים של יציאת לומן מ-240 עד 16,400 לומן
• אפשרויות CCT מ-2,700 עד 5,000‎ K
• אפשרויות CRI כוללות מוצרי 70‎ CRI Decor, ‏80, ‏90 ו-97
• סטנדרד של שלושה SDCM עבור 2,700‎ K עד 4,000‎ K CCT עם אפשרויות של שני SDCM
• עבודה אמינה בזרם עד 2x של זרם הדחיפה הנקוב
• תבנית רדיאלית משפרת את צפיפות הלומן ואת בקרת הקרן
• פדי הלחמה מבודדים תרמית
• יציאת מחבר ללא הלחמה עבור חיבוריות חבר-והפעל ויכולת שדרוג בשטח
• סימון מוצר בצד העליון וברקוד דו-מימדי

יתרונות אחרים כוללים תאימות עם מגוון דוחפים סטנדרטיים (קפיצות של 350‎ mA) ורכיבים אופטיים, שמספקת גמישות תכן גבוהה יותר ויותר אפשרויות, ותורמת למחזורי פיתוח קצרים יותר, מקטינה עלויות וכאבי ראש הקשורים למלאי.

טכנולוגיית ה-‏Zenigata COB מבית .Sharp Electronics Corp גם כן מספקת תכנים מפושטים. מודולים מסדרת Zenigata זמינים בשלושה סוגים: Mega, ‏Mini ו-Petite Zenigata. התכן של Sharp משתמש במצע קרמי במקום מתכת, שלטענת החברה מספק "פיזור חום אופטימלי ללא דהיה." פירוש הדבר הוא שינוי קטן בצבע ויציאת לומן קבוע עם הזמן. ה-LES האחיד מקל על התכנון האופטי תוך שיפור איכות האור במגוון יישומים. 

הבה נסתכל יותר מקרוב על מודולי Sharp COB. 

מודולי ‏Mega Zenigata בהספקים של 50 עד 80‎ W מיועדים ליישומי תאורה בהספק גבוה עם חסכון בהספק. אומרים שרכיבי ה-LED עם הבהירות הגבוהה מונעים בעיות אחידות סביב השימוש ברכיבי LED מרובים בגוף תאורה. מודולים אלה מאפשרים שימוש ב-LED אחד בלבד במתקן, אשר יחד עם פתירת בעיית האחידות גם חוסך מקום. משפחת ה-Mega Zenigata, שזמינה במידות מארז של 24 x ‏20 מ"מ, כוללת מודולים בעלי CRI גבוה ונורמלי, עם ביצועים מינימליים של 90‎ ‎CRI ו-80‎ CRI בהתאמה. ניתן להשתמש ברכיבי COB LED אלה ביישומי פנים כמו גם חוץ, כולל תאורה ארכיטקטונית, זרקורים, תאורה שקועה בתקרה,תאורה שקועה בפחית, תאורת אזור ותאורת חפץ בעוצמה גבוהה. 

עבור יישומי מוצר בגודל בינוני, Sharp מציעה את משפחת ה-COB ‏Mini Zenigata ‏15‎ W שמפשטת את תכן העדשה והרפלקטור הודות ל-LES ‏8 מ"מ העגול שלה. רכיבי ה-Mini Zenigata LED, שזמינים בגודל מארז 1.6 x ‏12 x ‏15 מ"מ, מציעים כשליש משטח המשטח של מוצרי Mega, יחד עם הקטנה בשטח הפליטה, לדברי Sharp. היישומים כוללים תאורה פנימית וחיצונית,תאורה ארכיטקטונית, מנורות קריאה, זרקורים, תאורה ניידת, תאורה תלוייה, גופי תאורה של שלטים וסמלים, כמו גם תאורת אזור וחפץ. 

עבור מוצרים בהספק נמוך יותר, רכיבי ה-Petite Zenigata COB LED (תרשים 2) בתחום מ-4 עד 6‎ W מתוכננים עבור יישומים הדורשים עדשות קטנות יותר, כולל עבור מתקני תאורה של נתיבים או זרקורים קטנים. רכיבי LED אלה מציעים מארז קטן בגודל 12 x ‏8 מ"מ ו-LES‏ ‎‎4 מ"מ. מוצרי ה-9.6‎ V מאפשרים את השימוש בממיר DC/DC מסוג Buck בנורות MR16 (הדורשות בדרך כלל 12‎ V), כאשר חלק שעובד במתח גבוה יותר של 40‎ V מפשט את תכנון הדוחף עבור נורות GU10 למתח קו. רכיבי LED אלה ניתנים לשימוש בתכנים הדורשים עדשות קומפקטיות קטנות מאד, כולל נורות החלפה MR16, נורות החלפה GU10, מנורות נתיב קטנות, זרקורים קטנים, מנורות תלויות, מנורות קריאה קטנות ומנורות הדגשה קטנות. קו המוצרים בעלי ה-CRI הגבוה (מינימום 90‎ CRI) מציעים בהירות של 300 עד 395 לומן. 


תרשים 2: רכיבי ה-Sharp Petite Zenigata COB LED מציעים גודל מארז קטן של 12 x ‏8 מ"מ ו-LES ‏4 מ"מ. מוצרי ה-9.6‎ V מאפשרים את השימוש בממיר DC/DC מסוג Buck בנורות MR16 (הדורשות בדרך כלל 12‎ V), כאשר חלק שעובד במתח גבוה יותר של 40‎ V מפשט את תכנון הדוחף עבור נורות GU10 למתח קו (באדיבות חברת Sharp). 

חברת (Cree Inc. (Durham, NC הרחיבה לאחרונה את משפחת ה-CXA שלה במערך CXA3070 LED שמספק יותר מ-11,000 לומן ב-85°C. מערכי ה-LED עם יציאת אור חזק, המיועדים לפשט תכנים ולהקטין עלויות כוללות של מערכות, מספקים עד 134 לומן-לוואט ב-85°C ואפשרויות 70-95‎ CRI. רכיבי ה-LED, המאופיינים ב-85°C, זמינים בטמפרטורות צבעים ANSI White ו-EasyWhite‏ (‎ 2,700 ‎K עד 5,000‎ K). 

מערך ה-CXA3070 LED, המספק יציאה בלומן גבוה ויעילות גבוהה, מסוגל לספק ביצועי מערכת של 8,000 עד מעל 10,000 לומן. תרגום: ניתן להשתמש בו ביישומי יציאה של לומן גבוה מאד כגון high bay ותחליפים קרמיים הלוגן מתכת.

הערכים היחסיים של השטף המאיר (luminous flux) הנקובים על ידי היצרן עבור מערך ה-CXA 3070 (תרשים 3 למטה) הם היחס בין ערכי המדידה של ה-CXA3070 בעבודה במצב מתמיד בתנאים הנתונים מחולק בשטף הנמדד במשך ה-binning (מדידה במתן פולס של 1,925‎ mA ב-TJ = 85°C). 

לדוגמא, בעבודה במצב מתמיד של T_C = 25°C, ‏I_F = 1,300 mA, יחס השטף המאיר (luminous flux) היחסי הוא 80 אחוז כפי שמראה התרשים. LED מסוג CXA3070 שבמשך ה-binning נותן מדידה של 8,500‎ lm יספק (6,800‎ lm (8,500 * 0.8 בעבודה במצב מתמיד של T_C = 25°C, ‏I_F = 1,300 mA. 


תרשים 3: הערכים היחסיים של השטף המאיר (luminous flux) מבוססים על היחס בין ערכי המדידה של ה-CXA3070 בעבודה במצב מתמיד בתנאים הנתונים מחולק בשטף הנמדד במשך ה-binning (מדידה במתן פולס של 1,925‎ mA ב-TJ = 85°C) (באדיבות חברת Cree). 

המפרט העיקרי של מערך ה-Cree CXA3070 כולל:

• זמינים ב-EasyWhite bins של ארבעה ושני צעדים ב-2,700‎ K, ‏3,000‎ K, ‏3,500‎ K, ‏4,000‎ K ו-5,000‎ K CCT
• זמינים ב-ANSI white bins של 4,000‎ K ו-5,000‎ K CCT
• זמינים באפשרויות CRI מינימלי של 70 ו-80
• מתח קדומני: 38.5‎ V
• binning ואפיון ב-85°C
• זרם דחיפה מקסימלי של 2,800‎ mA
• זווית צפייה 115°, פרופיל צבעוניות אחידה
• חיבורי הלחמה בצד העליון

לסיכום, עלות היא תמיד בעיה גדולה עבור מתכנני תאורה. מכל מקום, עם ירידת מחירי המכירה הממוצעים של רכיבי LED, האימוץ של רכיבי COB LED ימשיך לגדול מאחר והמתכננים מוצאים שהתקנים אלה מציעים את הפוטנציאל לחסכון גדול יותר באנרגיה, גמישות רבה יותר בתכנון, כמו גם הפצת אור טובה יותר לתועלת יצרני מערכות התאורה ומשתמשי הקצה.