Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 11
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный университет им. А.М. Горького Физический факультет Кафедра компьютерной физики Разработка оптической схемы светильника на светодиодах студента гр. Ф-4ОЭ Куприянова Григория Анатольевича _____________________ Допустить к защите: заведующий кафедрой компьютерной физики Германенко А.В. ___________________ Научный руководитель: начальник лаборатории Козлов Д.А. _____________________ Екатеринбург 2008 Оглавление 2.1. Принцип действия светодиода 4
2.3. Квантовый выход светодиода 5
2.4. Светодиоды белого света 6
2.5. Электрические и оптические характеристики светодиодов_ 6
2.6. Светодиоды и постоянный ток_ 7
2.8. Технологии изготовления светодиодов_ 8
2.9. Использование светодиодов_ 10
4.1. Измерение характеристик светодиода CREE XR-E7090_ 13
4.2. Измерение характеристик линейки-кластера с 10 светодиодами CREE XR-E7090_ 14
2.1
. Принцип действия светодиода Светодиод или светоизлучающий диод - полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком участке спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в светодиоде полупроводника.
Рис.1 Светодиод CREE XR-E7090. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоняк. Как и в обычном полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда (электроны и дырки) рекомбинируют с излучением фотонов. Чем больший ток протекает через светодиод, тем ярче он светит, так как больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод может перегреется и выйти из строя. Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Хорошими излучателями являются, как правило, прямозонные полупроводники типа AIII
BV
(GaAs, InP и т.п.) и AII
BVI
(ZnSe CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Рис.2 Обозначение светодиода в электрических схемах. Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремниевый Si или германиевый Ge диоды, а также сплавы SiGe, SiC) свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитостью кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светоизлучающих диодов на основе кремния. Последнее время большие надежды связывают с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов. 2.3. Квантовый выход светодиода
Квантовый выход - это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний - в самом p-n-переходе, внешний - для прибора в целом (с учетом поглощения и рассеяния). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%. В последнее время получили широкое распространение так называемые «белые светодиоды». Белый светодиод – на самом деле, своеобразный гибрид светодиода и люминисцентной лампы. Это монохроматический синий диод, покрытый слоем люминофора, который под действием синего излучения светодиода излучает цвет в широкой области спектра – от зеленого до красного. При смешении с собственным излучением светодиода получается свет, который человеческим глазом воспринимается как весьма близкий к обычному дневному свету, иногда с небольшим смещением в сторону холодных тонов. Существует еще один способ получения белого светодиода. Цветные светодиоды содержат в одном корпусе «вперемешку» красные, зеленые и синие кристаллы, что позволяет получить при смешении их излучения белый цвет и всю цветовую гамму. 2.5. Электрические и оптические характеристики светодиодов
Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2В до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1 А. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В). При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения. Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена. Цветопередача находится в районе Ra>80. 2.6. Светодиоды и постоянный ток
Всем светодиодам требуется постоянный ток, максимальное значение которого определяется для каждой модели светодиода индивидуально. От этого зависит и световой поток.
Рис.3 Типичная ВАХ светодиода. Как видно из рисунка 3, в рабочих режимах ток, текущий через светодиод экспоненциально зависит от напряжения, и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению. Кластер – источник света, представляющий собой компактный прибор с некоторым количеством светодиодов, помещенных в общий влагозащищенный корпус. Чем большее количество светодиодов входит в состав кластера, тем выше его сила света и стоимость. По форме кластеры бывают цилиндрические, прямоугольные и шестигранные. По количеству используемых светодиодов показатели могут варьироваться от 4 до 62. Кластеры могут быть одноцветными, двуцветными и полноцветными (RGB). 2.8. Технологии изготовления светодиодов
Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области. За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6 — 12 подложках диаметром 50 — 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24x0,24 до 1x1 Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии. Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке 4.
Рис.4 Светодиод, изготовленный по технологии СОВ. Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль. 2.9. Использование светодиодов
Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники. Благодаря широкому спектру цветов, компактности и разнообразию модулей светодиоды дают возможность реализации множества оригинальных инновационных светотехнических решений в области дизайна. Компактные размеры светодиодных модулей обеспечивают монтаж в стесненных условиях. При этом монохроматическое излучение светодиодов способствует высокой насыщенности цвета. В пользу применения светодиодов, кроме их декоративных свойств, говорит также малое потребление энергии, большой срок службы и обусловленные этим низкие затраты на техническое обслуживание. Затраты на эксплуатацию светодиодного оборудования также минимальны. Светодиодные модули применяются: · в световой рекламе · в оформлении интерьеров · в сигнализации на автотранспорте · в освещении для ориентации в зданиях · в обозначении путей эвакуации · в декоративных и встроенных светильниках · в световых указателях Светодиоды уже используются в светофорах на автострадах, железных дорогах и в аэропортах – там, где перегоревшая лампа представляет значительную угрозу, и цена не является доминирующим фактором. Правительство США не так давно выступило с инициативой создания светильников нового поколения. В связи с этим традиционные компании, такие как OSRAM, General Electric, Phillips, скооперировались в изготовлении полупроводников с целью наладить массовое производство светодиодов. По некоторым оценкам, к 2012 году «белые светодиоды» могут занять до четверти рынка искусственного освещения. Основной целью данной работы является разработка оптической схемы уличного светильника на полупроводниковых лампах, с использованием в качестве источников света линеек-кластеров шириной 35 мм с 10 светодиодами CREE XR-E7090 расположенными по оси линейки на расстоянии 29,5 мм между лампами. Для достижения этой цели необходимо: ознакомиться с принципами работы светодиодов; собрать лабораторную установку для определения характеристик используемых в работе светодиодов; ознакомиться с используемым для проектирования оптической схемы светильника программным обеспечением; спроектировать оптическую схему светильника в соответствии с измеренными на лабораторной установке характеристиками светодиодов и необходимыми характеристиками светильника. 4.1. Измерение характеристик светодиода
CREE XR-E7090 Для измерения потока и силы света, излучаемого светодиодом, была собрана установка в соответствии со следующей схемой: Рис.5 Схема измерительной установки. 1. Источник света (светодиод CREE XR-E7090); 2,3. Люксметр ДК-20 2. Селеновый фотоприёмник ДК-20-5 №760540; 3. Миллиамперметр М 1200; 4. Амперметр Ц4360 (0-500мА); 5. Источник питания Б5-9 (0-90В, выставляли 30В);
Результаты измерения представлены в Таблице 1.
Таблица 1.Измерение потока и силы света, излучаемого одним светодиодом, через который протекает ток в 350 мА. Угол поворота E1, дел E2, дел (E1+E2)/2,дел E,Лк I=E*r^2 ω=4π*(Sin(α/2))^2 P=I*ω 0 100 100 100 4,2 37,8 0 0 5 98 99 98,5 4,137 37,233 0,023907303 0,890141 10 96 97 96,5 4,053 36,477 0,071539969 2,609563 15 91 93 92 3,864 34,776 0,118628206 4,125414 20 86 87 86,5 3,633 32,697 0,164813663 5,388912 25 80 81 80,5 3,381 30,429 0,209744863 6,382326 30 75 77 76 3,192 28,728 0,253079872 7,270479 35 66 68 67 2,814 25,326 0,294488904 7,458226 40 58 59 58,5 2,457 22,113 0,33365683 7,378153 45 50 51 50,5 2,121 19,089 0,370285575 7,068381 50 38 38 38 1,596 14,364 0,40409639 5,804441 55 33 34 33,5 1,407 12,663 0,434831968 5,506277 60 23 22 22,5 0,945 8,505 0,462258408 3,931508 65 13 15 14 0,588 5,292 0,486166989 2,572796 70 12 13 12,5 0,525 4,725 0,506375764 2,392625 75 8 9 8,5 0,357 3,213 0,522730941 1,679535 80 7 7 7 0,294 2,646 0,535108055 1,415896 85 4 3 3,5 0,147 1,323 0,543412913 0,718935 90 1 1 1 0,042 0,378 0,547582314 0,206986 4.2. Измерение характеристик линейки-кластера с 10 светодиодами
CREE XR-E7090 Для измерения потока и силы света, излучаемого линейкой-кластером с 10 светодиодами, была собрана установка в соответствии со схемой изображенной на рисунке 2, с линейкой кластером в качестве источника света. Результаты измерения представлены в Таблице 2. Таблица 2.Измерение потока и силы света, излучаемого кластером, состоящим из 10 светодиодов, через которые протекает ток в 350 мА. Угол поворота E1, дел E2, дел (E1+E2)/2,дел E,Лк I=E*r^2 ω=4π*(Sin(α/2))^2 P=I*ω 0 110 109 109,5 49,275 443,475 0 0 5 109 109 109 49,05 441,45 0,023907303 10,55388 10 106 104 105 47,25 425,25 0,071539969 30,42237 15 101 101 101 45,45 409,05 0,118628206 48,52487 20 95 94 94,5 42,525 382,725 0,164813663 63,07831 25 90 86 88 39,6 356,4 0,209744863 74,75307 30 82 80 81 36,45 328,05 0,253079872 83,02285 35 73 71 72 32,4 291,6 0,294488904 85,87296 40 63 59 61 27,45 247,05 0,33365683 82,42992 45 52 39 45,5 20,475 184,275 0,370285575 68,23437 50 39 30 34,5 15,525 139,725 0,40409639 56,46237 55 27 15 21 9,45 85,05 0,434831968 36,98246 60 16 12 14 6,3 56,7 0,462258408 26,21005 65 11 10 10,5 4,725 42,525 0,486166989 20,67425 70 9 8 8,5 3,825 34,425 0,506375764 17,43199 75 7 5 6 2,7 24,3 0,522730941 12,70236 80 4 6 5 2,25 20,25 0,535108055 10,83594 85 6 5 5,5 2,475 22,275 0,543412913 12,10452 90 5 3 4 1,8 16,2 0,547582314 8,870833
|