Технология Acrich позволяет светодиодам работать напрямую от переменного тока (AC) без использования громоздких и недолговечных внешних драйверов или AC/DC-преобразователей. Название образовано слиянием слов «AC» (переменный ток) и «rich» (богатый). Технология Acrich — это совокупность трех инженерных решений:

• высоковольтные светодиоды MJT (Multi Junction Technology);
• AC DOB (Driver On Board);
• AC Direct.

Acrich — эта технология была запатентована южнокорейской компанией Seoul Semiconductor.

На самом деле технология достаточно простая и работает как лопата. В своей статье я хочу подробно пояснить, почему это круто и почему это не используют везде (или используют?). Давайте разберемся!

• MJT (Multi Junction Technology) — это технология, которая на одном чипе позволяет создавать множество p-n переходов светодиодов. По факту это уже готовая светодиодная матрица в миниатюре. Так как p-n переходы в светодиоде MJT соединены последовательно, рабочее напряжение одного такого светодиода в одном SMD корпусе может составлять десятки вольт, например 22 вольта или даже 60 вольт. При этом чем выше напряжение, тем меньше максимальный ток такого светодиода.
• AC DOB (Driver On Board) — технология, позволяющая спаять драйвер на одной алюминиевой плате со светодиодами. Это делает конструкцию дешевле, меньше в размерах и сильно упрощает сборку.
• AC Direct (Direct AC Drive) — технология управления светодиодами, которая позволяет эффективно запитывать светодиоды напрямую (Direct) от сети переменного напряжения 220 или 110 вольт.

На фото изображен классический светодиодный модуль Acrich со светодиодами MJT и Driver On Board.

Чтобы понять суть, нужно вникнуть в историю. Постараюсь ввести в курс дела очень коротко.

2006 год: Технология Acrich 1-го поколения

В это время я только школу закончил, пропустил самое интересное — на кристалле одного светодиода (в одном корпусе) размещали две цепочки светодиодов, где падение напряжения на каждой было около 220 вольт или немного меньше. Цепочки соединялись встречно-параллельно. Таким образом, одна цепь включалась на положительной полуволне сети переменного тока 220 вольт, а вторая цепь включалась на отрицательной полуволне. То есть цепи работали поочередно друг с другом, и только одна цепь работала в один момент времени.

Когда синусоида переходила через ноль, светодиод вообще не работал. И не работал он вплоть до тех пор, пока полуволна не дойдет до значения минимального открытия одной из цепей. Светодиоды данного типа нужно было даже подключать к сети через резистор мощностью 2Вт.

Производительность представленного светодиода в то время составляла около 50-60 лм/Ватт. Это было ниже, чем классические решения, но позволяло избавиться от драйвера, упростить конструкцию и сделать ее более компактной.

Недостатки первого поколения Acrich:

• Низкая светоотдача;
• Высокий уровень нагрева;
• Очень высокий уровень пульсаций света.

Недостатки не позволили технологии стать прорывной и широко захватить рынок. Но время шло дальше, инженеры не спали, и настал 2011 год.

2011 год: Технология Acrich 2-го поколения

Работы, видимо, проделали много. Во втором поколении впервые применена микросхема IC Driver, которая ступенчато включала светодиоды в зависимости от напряжения в моменте. Также появилась серия высоковольтных светодиодов MJT. Новые модели светодиодных модулей Acrich второго поколения стали конкурентоспособными, светоотдача достигла 80-100 лм/Вт, что очень хорошо для 2011 года. Power Factor вырос до 0.97. Даже появилась возможность диммировать модули Acrich с помощью классических TRIAC диммеров!

Упрощенная схема светодиодного модуля с технологией AC DOB (Driver On Board).

Главные недостатки сохранились:

• Высокий уровень нагрева;
• Очень высокий уровень пульсаций.

2014 год: Технология Acrich 3-го поколения

Время летит, технологии едут. Теперь Acrich 3 IC — это не просто микросхема-переключатель светодиодов, это теперь и умный контроллер, к которому можно подключать датчики движения, беспроводные модули и так далее. Более плавное диммирование. Светоотдача достигла 100-140 лм/Вт.

Главные недостатки все еще с нами:

• Высокий уровень нагрева;
• Очень высокий уровень пульсаций.

Корейцы из Seoul Semiconductor прекрасно знают об этих проблемах. В последних поколениях (Acrich3) они добавили возможность подключения внешних пленочных конденсаторов или активных схем сглаживания пульсаций (Valley-fill circuits). Это действительно снижает фликер с кошмарных 100% до приемлемых 15-20%.

Но тут возникает философский парадокс: как только вы начинаете обвешивать плату Acrich дополнительными конденсаторами, супрессорами для защиты от скачков напряжения и фильтрами электромагнитных помех (EMI), ваша плата снова обрастает деталями. Она теряет свое главное преимущество — предельную простоту и компактность. Она превращается в тот самый драйвер, от которого вы пытались убежать, только размазанный как нутелла по поверхности светодиодного модуля.

2016 год: Технология Acrich 4-го поколения?

Переход на светодиоды WICOP. Wafer Level Integrated Chip on PCB (кристаллы интегрированы прямо на алюминиевую плату) — привет, китайские друзья с их платами за 2$. Неожиданно, правда? На самом деле Acrich 4-го поколения не существует, последнее поколение — третье. Далее Seoul Semiconductor пошли другой дорогой и выпустили MicroDriver. Потому что появились более жесткие требования к пульсациям света. MicroDriver — это отдельная тема.

В итоге оригинальная технология умерла, породив то, что все так любят, то, что я называю "утюгами" — светодиодные матрицы для растений или для обычного освещения с катастрофическим уровнем мерцания, смешной светоотдачей на уровне 100 лм/Ватт или ниже. Но цена победила все недостатки: 45Вт тепла и 5Вт света, зато всего за 2$. В Китае есть огромное множество светодиодных модулей, построенных на специальных микросхемах для питания светодиодов прямо из сети 220 вольт. Модули совершенно для разного применения со светодиодами WICOP или классическими SMD 3528, 3030. Но все они имеют низкий КПД и критический уровень пульсаций. Технология переродилась в нечто непригодное.

Хочу заметить, что китайские решения имеют очень плохое качество и низкую светоотдачу не потому, что используют технологию Acrich, а потому, что их такими делают ради минимальной стоимости.

Преимущества технологии Acrich

Давайте теперь подытожим все хорошее, что есть у технологии Acrich:

• Нет электролитических конденсаторов, которые не очень любят высокие температуры. Главный враг надежности в любом классическом драйвере — это электролитические конденсаторы. Внутри них находится жидкий электролит, который под воздействием рабочих температур (а внутри светильника всегда жарко) банально высыхает. Как только электролит высох, конденсатор теряет емкость, возрастает его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), и драйвер выходит из строя. Лампа начинает мигать или просто гаснет. Технология Acrich полностью исключает из схемы электролитические конденсаторы.
• Концепция DOB (Driver-on-Board). Seoul Semiconductor интегрировала микросхему управления прямо на ту же алюминиевую печатную плату (MCPCB), где распаяны сами светодиоды. Больше не нужно размещать большой драйвер внутри корпуса или где-то рядом, сборка светильника сильно упрощается. Светодиодная лампа может стать плоской, как блин.
• Снижение стоимости спецификации (BOM). С точки зрения производства светильника, Acrich — это праздник для финансового директора. Вместо того чтобы покупать плату, светодиоды, отдельный драйвер, провода, коннекторы и платить сборщику за их соединение, завод закупает один единственный модуль. Прикрутил плату к радиатору, подвел два провода от сети 220В (L и N) — и устройство готово. Пайка модулей собственного дизайна ничем не сложнее пайки обычного светодиодного модуля.
• Высокий коэффициент мощности (Power Factor). Микросхемы Acrich работают по принципу ступенчатого переключения. Они нарезают светодиоды на группы (стринги) и подключают их по очереди по мере роста напряжения в синусоиде переменного тока. Благодаря этому ток потребления практически повторяет форму напряжения в сети. Коэффициент мощности (PF) легко достигает значений 0.95–0.99 без применения сложных активных корректоров (APFC). Для промышленных объектов, где за низкий PF энергетики штрафуют (или заставляют ставить специальный шкаф-компенсатор), это огромный плюс.

Недостатки и критические проблемы Acrich

Получается, что технология Acrich дала возможность создавать простые, дешевые, надежные светодиодные лампы совершенно разного назначения. Круто? Давайте посмотрим на все имеющиеся недостатки:

• Высокий коэффициент пульсации — поскольку светодиоды питаются напрямую от переменного тока, они гаснут в моменты, когда синусоида напряжения проходит через ноль 100 раз в секунду (120 раз для сети с частотой 60Гц). Модули Acrich имеют пульсацию света до 30–40% (в то время как хорошие DC-драйверы выдают менее 1%). Из-за этого такие светодиодные модули категорически нельзя использовать в жилых комнатах, школах и офисах, так как мерцание вызывает сильную усталость глаз и головную боль. Их применение ограничено улицей, складами и ЖКХ.
• Повышенный взаимный нагрев (Термический стресс) — микросхема линейного драйвера (IC) и светодиоды распаяны на одной алюминиевой плате (DOB) вплотную друг к другу. Линейный драйвер гасит избыточное напряжение сети, превращая его в тепло. В итоге светодиоды греют микросхему, а микросхема дополнительно греет светодиоды. Проблема решается эффективным радиатором.
• Чувствительность к нестабильным сетям и скачкам напряжения — у классического блока питания есть встроенная защита и широкий диапазон работы (например, от 100 до 240 В), внутри которого свет горит одинаково ярко. Светильники Acrich линейно зависят от напряжения в розетке. Если напряжение в сети падает до 180 В, яркость светильника так же падает.
• Сниженная общая энергоэффективность (Лм/Вт) системы — драйверы Acrich работают по принципу линейного регулирования: они буквально «сжигают» лишнее напряжение, переводя его в тепло. При этом теряется примерно 15-20% эффективности. Хотя сами светодиоды Seoul Semiconductor могут быть очень эффективными, общая энергоэффективность DOB-модуля (КПД системы) всегда ниже, чем у связки «хороший импульсный DC-драйвер + светодиодная плата». Часть оплаченной электроэнергии уходит на пустой нагрев воздуха.
• Сложности с диммированием — хотя в поколениях Acrich 2 и 3 заявлена поддержка настенных TRIAC-диммеров, на практике они работают не очень стабильно. При снижении яркости светильник часто начинает издавать едва слышный гул.
• Отсутствие гальванической развязки — это самый критический минус технологии Acrich с точки зрения безопасности. Включенная плата всегда находится под потенциалом сети 110 или 220 вольт. Поэтому приходится применять меры для дополнительной изоляции светодиодных модулей Acrich. Впрочем, эта проблема тоже вполне решаема.

Что можно улучшить в технологии DOB и Acrich?

Для кардинального улучшения приходится использовать гибридные топологии: линейный драйвер AC-Direct дополняется крошечным импульсным корректором на базе GaN (нитрид галлия) транзисторов для заполнения "провалов" синусоиды. Но это уже совсем другая цена, технология и конструкция. Упомянутый выше MicroDriver использует технологию Active Valley-Fill Hybrid AC-Direct: когда синусоида выше нуля, система аккумулирует энергию в конденсатор, а когда синусоида проходит через ноль — мгновенно включается GaN-транзистор. Он начинает "нарезать" запасенную в конденсаторе энергию на ультравысокой частоте, подпитывая светодиоды. Диоды больше не гаснут, а график светового потока вместо глубоких провалов до нуля превращается в плавную линию. Это сильно снижает мерцание, но не решает проблему полностью. Выходит, что именно в оригинальной технологии Acrich улучшать больше нечего. Но время покажет, возможно, мы увидим что-то интересное в ближайшие годы.

Итоги: где применять Acrich

Нужно быть объективным: оценка зависит от сферы применения. Если вы пытаетесь использовать технологию Acrich для сборки фитоламп для теплиц, освещения офисов или настольных ламп — это такая себе идейка. Растениям не нужен стробоскоп, а у людей будут болеть глаза.

Но если ваша задача — осветить складские комплексы, автомобильные парковки, рекламные щиты или улицы города, то есть места, где пульсация 100 Гц не критична, а вот способность светильника провисеть на столбе 7 лет в жару и мороз без высыхания драйвера бесценна — Acrich становится гениальным решением.

Технология не породила «убийцу драйверов», как заявлял маркетинг. Это узкоспециализированный, суровый промышленный инструмент, который требует от инженера глубокого понимания того, где его можно применять, а где — категорически нельзя. И так же эта технология породила миллионную индустрию сверхдешевых китайских COB-модулей с питанием от сети 220 вольт. Вот такая занимательная история.