Por qué y cómo los ledes con chip integrado (COB) reducen el costo y ahorran energía en los diseños de iluminación

Por Gina Roos

Colaboración de Electronic Products


Los ledes compiten con fuentes de iluminación tradicionales de distintas maneras, entre ellas mayor eficiencia de energía, vida útil más prolongada y tamaño más pequeño. Sin embargo, el único inconveniente que fastidia a los diseñadores de iluminación es el costo, que es el motivo principal por el cual los fabricantes de LED continúan innovando para mejorar la economía de escala. Una de las últimas soluciones de empaquetado diseñada para ayudar a reducir los costos son los módulos de fuente de luz con chip integrado (COB), en el que los chips del LED tienen la forma de chip de semiconductor que no está empotrada ni conectada, pero está directamente montada en una placa de CI o, de manera más general, en un sustrato. Este estilo de empaquetado también ofrece varios beneficios relacionados, como mayor flexibilidad de diseño, mayor distribución de la luz y procesos de fabricación más simples.

Existen otros motivos por los que los diseñadores quieren analizar seriamente los ledes COB para su próximo diseño. En un informe reciente de Research and Markets, los analistas destacaron que los ledes COB, que son emisores de luz en áreas amplias (por lo que se pueden utilizar en autopistas e iluminación de calles), ofrecen tres beneficios principales: mejor mezcla de color, mejor efecto de iluminación y requisitos de resistencia térmica baja. Además, gracias a su mayor densidad de potencia, una disipación térmica más eficiente y menos espacio necesario en la placa, son ideales para una variedad de aplicaciones generales de iluminación según los analistas de la firma.

Ahora veamos otros ejemplos de ledes COB, entre ellos Vero™ de Bridgelux, Zenigata de Sharp CXA de Cree, que mostrarán cómo estos dispositivos pueden simplificar los diseños de iluminación mientras ahorran energía y reducen el costo.

El año pasado, Bridgelux (Livermore, CA) presentó la serie Vero de arreglos de ledes COB (Figura 1) con una eficacia de alto rendimiento: 120 lm/W nominal, 110 lm/W promedio mínimo. Esta mejora permite ahorrar energía en un 11 por ciento aproximadamente en comparación con la generación anterior del producto. Esta serie está disponible en cuatro configuraciones de superficie emisoras de luz (LES) y puede operar sobre un rango amplio de corriente. Además, los arreglos Vero están disponibles con dos opciones de control del color SDCM (desviación estándar de correspondencia de colores) y tres opciones de SDCM para ofrecer precisión del control del color e iluminación uniforme.

La familia Bridgelux ofrece opciones de CRI.

Figura 1: La familia Bridgelux Vero ofrece opciones CRI de 70, 80, 90 y 97 Décor. (El espectro de color para blanco cálido es CRI 80 a 3,000 K, CRI 80 a 4,000 K para blanco neutral y CRI 70 a 5,000 K para blanco frío. Cortesía de Bridgelux).

Un control del color de mayor precisión "mejora la calidad de la luz al ofrecer mayor consistencia e uniformidad entre las fuentes de luz adyacentes" según Bridgelux. Además, la serie Vero supera los requisitos R9 de la California Energy Commission para luminarias y lámparas.

La especificación de eficacia de 120 lm/W es un rendimiento promedio para todos los factores de forma basados en las configuraciones de CRI 80 a 3000 K impulsados por corriente nominal según Bridgelux. No obstante, los diseñadores pueden alcanzar eficacias de hasta 140 lm/w cuando se los impulsa a niveles de corriente más baja.

La plataforma Vero también permite la conexión de plug-and-play (conectar y usar) gracias al puerto de conector integrado que permite conexiones eléctricas sin soldadura y facilidad de montaje para fabricantes de iluminación que ayudan a simplificar los procesos de producción. Entre los beneficios se incluyen menor costo, tiempo más rápido de comercialización y menores requisitos de inventario.

Aquí se incluyen las especificaciones clave:
  • El rendimiento de salida de lumen oscila de 240 a 16,400 lúmenes.
  • Las opciones de CCT de 2,700 a 5,000 K
  • Las opciones de CRI incluyen productos Decor de CRI 70, 80, 90 y 97.
  • Tres estándares SDCM para CCT de 2700 K a 4000 K con dos opciones de SDCM.
  • Funcionamiento confiable con una corriente con el doble de velocidad
  • El patrón del molde radial mejora la densidad de lúmen y el control del haz.
  • Almohadillas de soldadura aisladas térmicamente
  • Puerto de conector sin soldar para conectividad plug-and-play y actualización de campo
  • Marca en la parte superior del producto y código de barra 2D
Otros beneficios incluyen compatibilidad con una variedad de controladores estándares (incrementos de 350 mA) y componentes ópticos, que ofrece mayor flexibilidad de diseño y más opciones, contribuyendo a acortar los ciclos de desarrollo del producto, reducir los costos y los dolores de cabeza por el inventario.

Otro producto que también ofrece diseños simplificados es la tecnología Zenigata COB de Sharp Electronics Corp. La serie Zenigata de módulos está disponible en tres variedades: Mega, Mini y Petite Zenigata. El diseño de Sharp utiliza un sustrato de cerámica, en vez de metal, que la empresa sostiene que ofrece "una disipación térmica óptima sin descoloración". Esto se traduce en menos cambio de color con salida de lumen consistente con el tiempo. El LES uniforme facilita el diseño óptico mientras mejora la calidad de la luz en una variedad de aplicaciones.

Miremos de cerca a los módulos COB de Sharp.

Los módulos Mega Zenigata de 50 a 80 W están orientados a aplicaciones de iluminación más potentes gracias a su capacidad de ahorro de energía. Los ledes con brillo alto eliminan los problemas de uniformidad relacionados con el uso de varios ledes en una luminaria. Estos módulos permiten el uso de solo un LED en un dispositivo que además de resolver el problema de uniformidad, ahorra espacio. Disponible en dimensiones de paquetes de 20 x 24 mm, la familia Mega Zenigata incluye módulos CRI altos y normales con rendimiento mínimo de CRI 90 y CRI 80, respectivamente. Estos ledes COB se pueden utilizar en aplicaciones de iluminación interior y exterior, entre ellos iluminación arquitectónica, luces embutidas, descendentes, luces empotradas, iluminación de área y objetos e iluminación de alta intensidad.

Para aplicaciones de productos medianos, Sharp ofrece la familia COB Mini Zenigata de 15 W que simplifica el diseño de lentes y reflectores gracias al LES circular de 8 mm. Los ledes Mini Zenigata disponibles en un tamaño de paquete de 15 x 12 x 1.6 mm ofrecen alrededor de un tercio del área de la superficie para los productos Mega junto con una reducción en el área emisora según Sharp. Las aplicaciones incluyen iluminación interior y exterior, iluminación arquitectónica, lámparas de lecturas, lámparas empotradas, iluminación móvil, iluminación colgante, iluminaria de señales y símbolos así como la iluminación de áreas y objetos.

Para productos de menor vatiaje, los ledes COB Petite Zenigata (Figura 2), que oscilan de 4 a 6 W, están diseñados para aplicaciones que requieren lentes más pequeñas, entre ellas dispositivos de luz pequeña de seguimiento y concentrada. Estos ledes ofrecen un paquete pequeño de 8 x 12 mm y LES de 4 mm. Los productos de 9.6 V permiten el uso de un convertidor CC-CC reductor en lámparas MR16 (que normalmente requieren 12 V) mientras que una pieza con voltaje mayor de 40 V simplifica el diseño del controlador para las lámparas GU10 de voltaje de línea. Estos ledes se pueden utilizar en diseños que necesitan lentes compactos muy pequeños, entre ellos lámparas de reemplazo MR16, lámparas de reemplazo GU10, lámparas de seguimiento pequeñas, lámparas concentradas pequeñas, lámparas colgantes, lámparas pequeñas de lectura y lámpara pequeñas para destacar. La línea CRI alta (mínimo CRI 90) ofrece 300 a 395 lúmenes de brillo.

Ledes COB Sharp Petite Zenigata

Figura 2: The Sharp Petite Zenigata COB LEDs offer a small package size of 8 x 12 mm and a 4 mm LES. Los productos de 9.6 V permiten el uso de un convertidor CC-CC reductor en lámparas MR16 (que normalmente requieren 12 V) mientras que una pieza de mayor voltaje de 40 V simplifica el diseño del controlador para las lámparas GU10 de voltaje de línea (cortesía de Sharp).

Cree Inc. (Durham, NC) amplió recientemente su familia de CXA con el arreglo LED CXA3070 que ofrece más de 11,000 lúmenes a 85°C. Con el objetivo de simplificar el diseño y reducir el costo total del sistema, los arreglos LED de salida de luz alta ofrece hasta 134 lúmenes por vatio a 85º C y opciones de CRI 70-95. Los ledes caracterizados y clasificados a 85 ºC están disponibles en temperaturas de color Blanco y EasyWhite de ANSI (2,700 K a 5,000 K).

Al ofrecer una salida de lumen alto y eficacia alta, el arreglo de LED CXA3070 puede ofrecer un rendimiento del sistema de 8000 a más de 10,000 lúmenes. Traducción: se puede utilizar en aplicaciones de salida de lumen muy alto como reemplazo de halogenuros metálicos de cerámica y bahía alta.

Los valores del flujo relativamente luminoso proporcionados por el arreglo CXA 3070 (Figura 3 a continuación) son la proporción de la medida del CXA3070 en un funcionamiento estable en condiciones dadas, dividido por el flujo medido durante el binning (medida pulsada en 1,925 mA a TJ = 85 ºC).

Por ejemplo, el funcionamiento estable a TC = 25 °C, IF = 1,300 mA, la proporción de flujo luminoso relativo es del 80 por ciento tal como se indica en el gráfico. Un LED CXA3070 que mide 8,500 lm durante el binning emitirá 6,800 lm (8,500 * 0.8) en funcionamiento estable de TC = 25°C, IF = 1,300 mA.

Cree CXA3070 en funcionamiento estable

Figura 3: Los valores de flujo luminoso relativo se basan en la proporción de mediciones del CXA3070 en condicione dadas, dividida por el flujo medido durante el binning (medición pulsada en 1,925 mA a TJ = 85°C) (Cortesía de Cree).

Especificaciones clave del arreglo CXA3070 de Cree:
  • Disponible en bins EashyWhite de dos y cuatro pasos a CCT de 2,700 K, 3,000 K, 3,500 K, 4,000 K y 5,000 K
  • Disponibles en bins blancos ANSI a CCT de 4,000 K y 5,000 K
  • Disponible en opciones de CRI de 70 y 80 mínimo
  • Voltaje directo: 38.5 V
  • Binning y caracterización de 85 ºC
  • Corriente de impulso máxima de 2,800 mA
  • Ángulo de visualización de 115°, perfil de cromaticidad uniforme
  • Conexiones de soldadura superiores
En resumen, el costo siempre es un gran problema para los diseñadores de iluminación. No obstante, como el precio de venta promedio de los ledes ha disminuido, la adopción de ledes COB continuará aumentando a medida que los diseñadores vean en estos dispositivos la posibilidad de ahorrar más energía, mayor flexibilidad de diseño y mejor distribución de la luz que beneficiará a los fabricantes del sistema de iluminación y a los usuarios finales.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.