Технологія Acrich дозволяє світлодіодам працювати безпосередньо від змінного струму (AC) без використання громіздких і недовговічних зовнішніх драйверів або AC/DC-перетворювачів. Назва утворена злиттям слів «AC» (змінний струм) і «rich» (багатий). Технологія Acrich — це сукупність трьох інженерних рішень:

• високовольтні світлодіоди MJT (Multi Junction Technology);
• AC DOB (Driver On Board);
• AC Direct.

Acrich — ця технологія була запатентована південнокорейською компанією Seoul Semiconductor.

Насправді технологія досить проста і працює як лопата. У своїй статті я хочу детально пояснити, чому це круто і чому це не використовують скрізь (або використовують?). Давайте розберемося!

• MJT (Multi Junction Technology) — це технологія, яка на одному чіпі дозволяє створювати безліч p-n переходів світлодіодів. Фактично це вже готова світлодіодна матриця в мініатюрі. Оскільки p-n переходи у світлодіоді MJT з'єднані послідовно, робоча напруга одного такого світлодіода в одному SMD корпусі може становити десятки вольт, наприклад 22 вольта або навіть 60 вольт. При цьому чим вища напруга, тим менший максимальний струм такого світлодіода.
• AC DOB (Driver On Board) — технологія, що дозволяє спаяти драйвер на одній алюмінієвій платі зі світлодіодами. Це робить конструкцію дешевшою, меншою в розмірах і сильно спрощує збірку.
• AC Direct (Direct AC Drive) — технологія управління світлодіодами, яка дозволяє ефективно живити світлодіоди безпосередньо (Direct) від мережі змінної напруги 220 або 110 вольт.

На фото зображений класичний світлодіодний модуль Acrich зі світлодіодами MJT та Driver On Board.

Щоб зрозуміти суть, потрібно вникнути в історію. Постараюся ввести в курс справи дуже коротко.

2006 рік: Технологія Acrich 1-го покоління

У цей час я тільки школу закінчив, пропустив найцікавіше — на кристалі одного світлодіода (в одному корпусі) розміщували два ланцюжки світлодіодів, де падіння напруги на кожному було близько 220 вольт або трохи менше. Ланцюжки з'єднувалися зустрічно-паралельно. Таким чином, одне коло вмикалося на позитивній напівхвилі мережі змінного струму 220 вольт, а друге коло вмикалося на негативній напівхвилі. Тобто ланцюги працювали по черзі один з одним, і тільки одне коло працювало в один момент часу.

Коли синусоїда переходила через нуль, світлодіод взагалі не працював. І не працював він аж доти, поки напівхвиля не дійде до значення мінімального відкриття одного з ланцюгів. Світлодіоди даного типу потрібно було навіть підключати до мережі через резистор потужністю 2Вт.

Продуктивність представленого світлодіода на той час становила близько 50-60 лм/Ват. Це було нижче, ніж класичні рішення, але дозволяло позбутися драйвера, спростити конструкцію і зробити її більш компактною.

Недоліки першого покоління Acrich:

• Низька світловіддача;
• Високий рівень нагрівання;
• Дуже високий рівень пульсацій світла.

Недоліки не дозволили технології стати проривною і широко захопити ринок. Але час ішов далі, інженери не спали, і настав 2011 рік.

2011 рік: Технологія Acrich 2-го покоління

Роботи, мабуть, виконали багато. У другому поколінні вперше застосована мікросхема IC Driver, яка східчасто вмикала світлодіоди залежно від напруги в моменті. Також з'явилася серія високовольтних світлодіодів MJT. Нові моделі світлодіодних модулів Acrich другого покоління стали конкурентоспроможними, світловіддача досягла 80-100 лм/Вт, що дуже добре для 2011 року. Power Factor зріс до 0.97. Навіть з'явилася можливість димувати модулі Acrich за допомогою класичних TRIAC димерів!

Спрощена схема світлодіодного модуля з технологією AC DOB (Driver On Board).

Головні недоліки збереглися:

• Високий рівень нагрівання;
• Дуже високий рівень пульсацій.

2014 рік: Технологія Acrich 3-го покоління

Час летить, технології їдуть. Тепер Acrich 3 IC — це не просто мікросхема-перемикач світлодіодів, це тепер і розумний контролер, до якого можна підключати датчики руху, бездротові модулі тощо. Більш плавне димування. Світловіддача досягла 100-140 лм/Вт.

Головні недоліки все ще з нами:

• Високий рівень нагрівання;
• Дуже високий рівень пульсацій.

Корейці із Seoul Semiconductor чудово знають про ці проблеми. В останніх поколіннях (Acrich3) вони додали можливість підключення зовнішніх плівкових конденсаторів або активних схем згладжування пульсацій (Valley-fill circuits). Це дійсно знижує флікер з жахливих 100% до прийнятних 15-20%.

Але тут виникає філософський парадокс: щойно ви починаєте обвішувати плату Acrich додатковими конденсаторами, супресорами для захисту від стрибків напруги та фільтрами електромагнітних перешкод (EMI), ваша плата знову обростає деталями. Вона втрачає свою головну перевагу — граничну простоту і компактність. Вона перетворюється на той самий драйвер, від якого ви намагалися втекти, тільки розмазаний як нутелла по поверхні світлодіодного модуля.

2016 рік: Технологія Acrich 4-го покоління?

Перехід на світлодіоди WICOP. Wafer Level Integrated Chip on PCB (кристали інтегровані прямо на алюмінієву плату) — привіт, китайські друзі з їхніми платами за 2$. Неочікувано, правда? Насправді Acrich 4-го покоління не існує, останнє покоління — третє. Далі Seoul Semiconductor пішли іншим шляхом і випустили MicroDriver. Тому що з'явилися більш жорсткі вимоги до пульсацій світла. MicroDriver — це окрема тема.

У підсумку оригінальна технологія померла, породивши те, що всі так люблять, те, що я називаю "прасками" — світлодіодні матриці для рослин або для звичайного освітлення з катастрофічним рівнем мерехтіння, смішною світловіддачею на рівні 100 лм/Ват або нижче. Але ціна перемогла всі недоліки: 45Вт тепла і 5Вт світла, зате всього за 2$. У Китаї є величезна безліч світлодіодних модулів, побудованих на спеціальних мікросхемах для живлення світлодіодів прямо з мережі 220 вольт. Модулі абсолютно для різного застосування зі світлодіодами WICOP або класичними SMD 3528, 3030. Але всі вони мають низький ККД і критичний рівень пульсацій. Технологія переродилася в щось непридатне.

Хочу зауважити, що китайські рішення мають дуже погану якість і низьку світловіддачу не тому, що використовують технологію Acrich, а тому, що їх такими роблять заради мінімальної вартості.

Переваги технології Acrich

Давайте тепер підсумуємо все хороше, що є у технології Acrich:

• Немає електролітичних конденсаторів, які не дуже люблять високі температури. Головний ворог надійності в будь-якому класичному драйвері — це електролітичні конденсатори. Всередині них знаходиться рідкий електроліт, який під впливом робочих температур (а всередині світильника завжди жарко) банально висихає. Щойно електроліт висох, конденсатор втрачає ємність, зростає його еквівалентний послідовний опір (ESR), і драйвер виходить з ладу. Лампа починає блимати або просто гасне. Технологія Acrich повністю виключає зі схеми електролітичні конденсатори.
• Концепція DOB (Driver-on-Board). Seoul Semiconductor інтегрувала мікросхему управління прямо на ту саму алюмінієву друковану плату (MCPCB), де розпаяні самі світлодіоди. Більше не потрібно розміщувати великий драйвер усередині корпусу або десь поруч, збірка світильника сильно спрощується. Світлодіодна лампа може стати плоскою, як млинець.
• Зниження вартості специфікації (BOM). З точки зору виробництва світильника, Acrich — це свято для фінансового директора. Замість того щоб купувати плату, світлодіоди, окремий драйвер, дроти, конектори і платити складальнику за їх з'єднання, завод закуповує один єдиний модуль. Прикрутив плату до радіатора, підвів два дроти від мережі 220В (L і N) — і пристрій готовий. Пайка модулів власного дизайну нічим не складніша за пайку звичайного світлодіодного модуля.
• Високий коефіцієнт потужності (Power Factor). Мікросхеми Acrich працюють за принципом східчастого перемикання. Вони нарізають світлодіоди на групи (стрінги) і підключають їх по черзі в міру зростання напруги в синусоїді змінного струму. Завдяки цьому струм споживання практично повторює форму напруги в мережі. Коефіцієнт потужності (PF) легко досягає значень 0.95–0.99 без застосування складних активних коректорів (APFC). Для промислових об'єктів, де за низький PF енергетики штрафують (або змушують ставити спеціальну шафу-компенсатор), це величезний плюс.

Недоліки та критичні проблеми Acrich

Виходить, що технологія Acrich дала можливість створювати прості, дешеві, надійні світлодіодні лампи абсолютно різного призначення. Круто? Давайте подивимося на всі наявні недоліки:

• Високий коефіцієнт пульсації — оскільки світлодіоди живляться безпосередньо від змінного струму, вони гаснуть у моменти, коли синусоїда напруги проходить через нуль 100 разів на секунду (120 разів для мережі з частотою 60Гц). Модулі Acrich мають пульсацію світла до 30–40% (тоді як хороші DC-драйвери видають менше 1%). Через це такі світлодіодні модулі категорично не можна використовувати в житлових кімнатах, школах та офісах, оскільки мерехтіння викликає сильну втому очей і головний біль. Їхнє застосування обмежене вулицею, складами та ЖКГ.
• Підвищений взаємний нагрів (Термічний стрес) — мікросхема лінійного драйвера (IC) і світлодіоди розпаяні на одній алюмінієвій платі (DOB) впритул один до одного. Лінійний драйвер гасить надлишкову напругу мережі, перетворюючи її на тепло. У підсумку світлодіоди гріють мікросхему, а мікросхема додатково гріє світлодіоди. Проблема вирішується ефективним радіатором.
• Чутливість до нестабільних мереж і стрибків напруги — у класичного блоку живлення є вбудований захист і широкий діапазон роботи (наприклад, від 100 до 240 В), усередині якого світло горить однаково яскраво. Світильники Acrich лінійно залежать від напруги в розетці. Якщо напруга в мережі падає до 180 В, яскравість світильника так само падає.
• Знижена загальна енергоефективність (Лм/Вт) системи — драйвери Acrich працюють за принципом лінійного регулювання: вони буквально «спалюють» зайву напругу, переводячи її в тепло. При цьому втрачається приблизно 15-20% ефективності. Хоча самі світлодіоди Seoul Semiconductor можуть бути дуже ефективними, загальна енергоефективність DOB-модуля (ККД системи) завжди нижча, ніж у зв'язки «хороший імпульсний DC-драйвер + світлодіодна плата». Частина оплаченої електроенергії йде на пусте нагрівання повітря.
• Складнощі з димуванням — хоча в поколіннях Acrich 2 і 3 заявлена підтримка настінних TRIAC-димерів, на практиці вони працюють не дуже стабільно. При зниженні яскравості світильник часто починає видавати ледь чутний гул.
• Відсутність гальванічної розв'язки — це найкритичніший мінус технології Acrich з точки зору безпеки. Увімкнена плата завжди знаходиться під потенціалом мережі 110 або 220 вольт. Тому доводиться застосовувати заходи для додаткової ізоляції світлодіодних модулів Acrich. Втім, ця проблема теж цілком вирішувана.

Що можна поліпшити в технології DOB та Acrich?

Для кардинального поліпшення доводиться використовувати гібридні топології: лінійний драйвер AC-Direct доповнюється крихітним імпульсним коректором на базі GaN (нітрид галію) транзисторів для заповнення "провалів" синусоїди. Але це вже зовсім інша ціна, технологія та конструкція. Згаданий вище MicroDriver використовує технологію Active Valley-Fill Hybrid AC-Direct: коли синусоїда вище нуля, система акумулює енергію в конденсатор, а коли синусоїда проходить через нуль — миттєво вмикається GaN-транзистор. Він починає "нарізати" запасену в конденсаторі енергію на ультрависокій частоті, підживлюючи світлодіоди. Діоди більше не гаснуть, а графік світлового потоку замість глибоких провалів до нуля перетворюється на плавну лінію. Це сильно знижує мерехтіння, але не вирішує проблему повністю. Виходить, що саме в оригінальній технології Acrich покращувати більше нічого. Але час покаже, можливо, ми побачимо щось цікаве в найближчі роки.

Підсумки: де застосовувати Acrich

Потрібно бути об'єктивним: оцінка залежить від сфери застосування. Якщо ви намагаєтеся використовувати технологію Acrich для складання фітоламп для теплиць, освітлення офісів або настільних ламп — це така собі ідейка. Рослинам не потрібен стробоскоп, а у людей болітимуть очі.

Але якщо ваше завдання — освітити складські комплекси, автомобільні парковки, рекламні щити або вулиці міста, тобто місця, де пульсація 100 Гц не критична, а ось здатність світильника провисіти на стовпі 7 років у спеку і мороз без висихання драйвера безцінна — Acrich стає геніальним рішенням.

Технологія не породила «вбивцю драйверів», як заявляв маркетинг. Це вузькоспеціалізований, суворий промисловий інструмент, який вимагає від інженера глибокого розуміння того, де його можна застосовувати, а де — категорично не можна. І так само ця технологія породила мільйонну індустрію наддешевих китайських COB-модулів з живленням від мережі 220 вольт. Ось така цікава історія.