Исследование режимов работы светодиодных источников излучения

Содержание работы

1. Изучить устройство светодиодных источников света, принцип работы и схемы их включения в сеть.

2. Исследовать зависимости электрических и светотехнических параметров светодиодных ламп от уровня подводимого напряжения.

3. Снять вольтамперные характеристики, для нескольких типов, светодиодных ламп

4. Снять осциллограммы тока и напряжения, провести анализ.

5.Определить координаты цвета, цветности и коррелированную цветовую температуру исследуемых источников излучения.

Общие сведения

Светодиод - полупроводниковое устройство с электронно-дырочным переходом дающий излучение оптического диапазона при прохождении через него электрического тока. Под действием приложенного напряжения электроны из n-области инжектируются в p-область, где происходит их рекомбинация с «дырками». При этом происходит выделение энергии в виде квантов света определенной длины волны. Но, не все носители заряда рекомбинируются, и не все сгенерированные фотоны покидают пределы кристалла. Значительная часть энергии рассеивается в виде тепла. Отношение количества вышедших фотонов к общему числу инжектированных носителей зарядов показывает эффективность светодиодов как источников видимого излучения [А,Б итал].

Ионы (дырки) электроны

Рисунок 2.45 - Схема включения и принцип работы СИД: синяя – p область; зеленая - n область; движение электронов из области n в область p.

Как указывалось ранее, СИД (LED) представляет собой электронный компонент с полупроводниковым p-n переходом и при подаче напряжения прямой полярности осуществляется процесс, описанный выше (рис.2.45). В ходе данного процесса светодиод излучает фотоны в оптическом диапазоне спектра (рис.2.46), в том числе в видимом диапазоне от 380 до 780 нм.

Зона p зона n

Фотоны

Рисунок 2.46 – Излучение фотонов при p-n переходе

Генерация излучения происходит за счет энергии, которая выделяется при рекомбинации носителей тока электронов и дырок, на границе полупроводниковых материалов с разным характером проводимости.

Характер проводимости определяется не только материалом полупроводника, но специальными добавками (легирующими примесями), которые вводятся в строго дозированном количестве. Материал, у которого в результате легирования проводимость определяется избытком электронов, относится к полупроводникам n- типа. Материал, который обладает избытком положительно заряженных ионов (дырок), способным поглощать электроны и становится нейтрально заряженными атомами относится к полупроводникам р - типа. На границе таких материалов и образуется р-n переход. Величина энергии квантов, выделяемой при рекомбинации, зависит от разницы энергетических уровней электронов, в возбужденном и нейтральном атомах (ширины запретной зоны). При ширине запретной зоны от 1,7 до 3,4 эВ энергия излучаемых квантов находится в зоне видимого излучения с длинами волн от 400 до 700 нм.

Рисунок 2.47 – СИД различной цветности излучения

СИД с требуемыми свойствами и шириной запретной зоны изготавливают методом эпитаксиального выращивания (МДГС) в жидкой или газообразной среде. Чаще всего используется метод выращивания МДГС за счет металлоорганического вакуумного нанесения на подложки из сапфира (Al₂O₃), карбида кремния (SiC), арсенида галлия (GaAs), фосфида галлия (GaP). На рисунке 2.48 приведен пример формирования структуры СИД [Айз ].

Рисунок 2.48 – Пример формирования структуры СИД

Выращенные на требуемой подложке структуры (диаметром 6-12 см) разрезаются на кристаллы необходимых размеров (от 0,1х0,1 до 0,5х0,5 мм). СИД с излучением в красной и желтой области спектра изготавливаются на основе GaAlAs или AlGaInP, в синей и зеленой областях на основе нитридов индия, галлия и их твердых соединений InN, GaN, InGaN, AlInGaN.

Белый свет можно получить за счет светодиодов светло синего цвета с последующим покрытием желто-зеленым люминофора, что позволяет преобразовать часть этого цвета в излучение с большей длиной волны. В результате этого образуется световой поток белого цвета с теплой или холодной цветностью излучения.

Возможно, возбуждение синим светодиодом люминофоров зеленого и красного цвета. Смешиваясь, эти цвета также дают излучение близкое к белому спектру. Кристалл покрывается слоем геля с порошком люминофора таким образом, чтобы часть излучения возбуждала люминофор, а часть проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма полимерного (из поликарбоната или эпоксидной смолы) купола подбираются так, чтобы излучение имело требуемый цвет и телесный угол. При необходимости, вместо купольной формы выполняется выходное окно в виде линзы Френеля [А,Б,К].

Еще один способ основан на смешении излучения трех люминофоров (красного, зеленого и синего) размещенного слоями. В этом случае применяются светодиоды, дающие ультрафиолетовое излучение.

Светодиоды изготавливаются различных цветов, при необходимости могут собираться в кластеры и управляться. Это позволяет генерировать динамичные спектры с использованием технологий RGB [А,Итал.] (рис.2.49).

Нм

Рисунок 2.49 – Интенсивность излучения и длина волны СИД

Для точного воспроизведения цвета освещаемого объекта, для светодиодов, так же как и для других источников излучения, используется хроматический показатель (индекс цветопередачи) R_a или CRI. Значение данного показателя находится в пределах от 0 до 100. Индекс цветопередачи определяется путем сравнения исследуемого светодиода с образцовым источником света. Освещается определенное количество цветных пластинок различного цвета, цветовые различия регистрируются на специальной диаграмме, и затем вычисляется индекс цветопередачи.

Цветовая температура излучения светодиодов определяется по существующей температурной шкале, выраженной в градусах Кельвина. Шкала значений находится в диапазоне от 1600К до 16000К, меньшее значение температуры указывает на более теплые тона, высокие значения температуры указывают на холодные тона (рис.2.50).

Рисунок 2.50 – Температурная шкала цветности излучения

С целью определения требуемого допуска в отношении отклонения цвета светодиодов от эталонных значений используются эллипсы Мак -Адама и параметр SDCM (Standard Deviation of Colour Matching – стандартное отклонение выравнивания цвета) цветовой плотности, которые делятся на семь фаз. Для органов зрения человека, изменение цвета в пределах трех фаз эллипса Мак - Адама являются неразличимыми [Итал] (рис.2.51).

Рисунок 2.51 – Эллипсы Мак - Адама

Основными характеристиками светодиодов, определяющими их эффективность, являются квантовый выход, коэффициент полезного действия, срок службы и световая отдача. Принято различать внутренний квантовый выход, определяемый характеристиками р-n перехода и внешний квантовый выход который определяет характеристику прибора в целом [K].

Параметры СИД делятся на входные и выходные [Айз]. К входным αпараметрам относятся: прямой ток СИД, I_пр., мА; прямое падение напряжения при номинальном токе, U_пр., В; максимально допустимое обратное напряжение, U_обр.max, В; зависимость прямого падения напряжения от тока (ВАХ).

Рисунок 2.52 – Зависимость тока при прямом (синяя кривая) и обратном (красная кривая) включении

К выходным параметрам относятся: световой поток, Ф, лм;

угол излучения, 2α_0,5; осевая сила излучения, I₀, кд; длина волны (λ_max), или цветность излучения; световая отдача Н, лм/Вт, (для инфракрасных диодов указывается КПД); инерционность, τ; зависимость потока излучения от прямого тока; яркость, L, кд/м² , для светящих пластин и светодиодных матриц .

Максимально допустимый прямой ток зависит от конструкции, размеров СИД и условий охлаждения. При импульсном режиме прямой ток зависит от скважности импульсов.

Прямое падение напряжения, при номинальном токе, зависит от энергии излучаемых квантов (для диодов с излучением в инфракрасной области находится в пределах 1,5 В, для диодов с излучением в синей и фиолетовой областях в пределах 4,2 В).

Максимально допустимое обратное напряжение у большинства светодиодов находится в пределах 10В.

В каталогах может указываться осевая сила света (I₀ ) и угол излучения (2α_0,5), полный угол, на границах которого сила света должна быть не менее 0,5 от осевой. В зависимости от типа СИД, углы могут быть в пределах 3-180⁰. Остальные характеристики аналогичны характеристикам других световых приборов и рассмотрены ранее. Некоторые типы вольт - амперных характеристик приведены на рисунке 2.53 [Айз]

Рисунок 2.53 – Вольт – Амперные характеристики для трех типов СИД

Зависимость потока излучения от прямого тока приведена на рисунке 2.54 (иногда называют люмен – амперной характеристикой). Как видно из графика, на большинстве участков, зависимость имеет линейный характер, но при токах значительно превышающих номинальные значения, у всех СИД отмечаются отклонения от линейности, в сторону насыщения [Айз].

Рисунок 2.54 – Зависимость потока излучения от прямого тока

Схемы включения СИД аналогичны схемам включения обычных диодов и могут соединяться последовательно или параллельно. В принципе, они могут включаться и на переменное напряжение 220В, при определенном наборе количества диодов и последовательном соединении. Но, следует иметь в виду, что в этом случае возникает практически 100% пульсация светового потока и, в отличие от газоразрядных ламп, с частотой 50 Гц, а не 100 Гц, что явно не допустимо. Поэтому, в световых приборах (лампах или светильниках) используются блоки питания, преобразующие переменное напряжение в постоянное (8,12,24В). К питающим устройствам и подключаются последовательно параллельные цепочки СИД.

Рисунок 2. 55 – Схемы включения СИД: а – последовательное включение; б – последовательно – параллельное включение

Светодиоды можно включать в сеть переменного тока, но не напрямую, а с использованием выпрямляющих устройств. В зависимости от типа выпрямительного устройства компонуются последовательно – параллельные цепочки в светодиодных лампах (рис.2.55).

Светодиоды могут работать и от импульсного источника питания, в этом случае импульсное значение тока может быть выше, чем значение постоянного тока (например, при частоте импульсов 1 кГц и длительности импульсов 100мкс, импульсный ток находится в пределах 150 мА). При необходимости управления светотехническими параметрами светодиодов используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [K].

.

Рисунок 2.55 – Схема включения СИД с источником переменного тока

В настоящее время выпускается значительное количество световых приборов с использованием светодиодов, имеющих достаточно хорошие и стабильные электрические и светотехнические характеристики, с требуемой цветностью излучения.

Кроме рассмотренных полупроводниковых СИД на основе металлов, в конце 1980 годов разработаны органические светодиоды (OLED). Светоизлучающий слой состоит из органических материалов, легированных металлами, и укладывается между двумя другими тонкими слоями органических материалов, которые за счет специальных добавок имеют проводимости n и p типов (т.е. тоже полупроводники). Катод, из прозрачной окиси олова (индия) нанесенной на стекло, подключается к полупроводнику типа n. Анод, на основе сплава серебра и магния, соединяется с полупроводником типа p. Толщина конструкции подбирается соизмеримой с длиной волны видимого излучения. При подаче напряжения генерируется видимое излучение, которое выходит через прозрачный катод. Срок службы органических СИД соизмерим со сроком службы обычных светодиодов, и зависит от цветности излучения. Яркость, может быть в пределах сотен кд/м², световая отдача значительно ниже, чем у СИД на основе металлов.

Из органических светодиодов, не очень сложно сформировать гибкие тонкие панели требуемых размеров, которые применяются в дисплеях ноутбуков и других устройствах отображения информации. На данный период, этим и определяется применение OLED.

Следует выделить два направления развития светодиодных приборов для освещения: разработка светодиодных ламп предназначенных, в первую очередь, для замены ламп накаливания с цоколями Е14 и Е27 и люминесцентных ламп со стандартным цоколем G13, в светильниках соответствующего типа; разработка комплектных светотехнических устройств, т.е. светильников с требуемыми характеристиками.

Светодиодные лампы выпускаются различной формы, мощности, с хорошим индексом цветопередачи (R_а =70 - 85). Срок службы, в зависимости от типа и назначения ламп находится в пределах от 15000 до 45000 часов [кат]. Следует отметить, что срок службы и световой поток в значительной мере зависят от условий охлаждения. Поэтому в светильниках применяются достаточно массивные радиаторы охлаждения. С течением времени световой поток, как ламп, так и светильников уменьшается. Зарубежные производители гарантируют снижение светового потока светильников не более 70%, после 50000 часов работы. В некоторых типах светильников применяются программируемые блоки питания с целью увеличения тока питания светодиодов, при снижении светового потока ниже гарантированного.

Светодиодные осветительные приборы могут работать в большем диапазоне температур. Но следует помнить, что при отклонении рабочей температуры от оптимальной температуры изменяется световой поток. Чаще всего световой поток уменьшается. В каталогах приводится значения светового потока при температуре 25 ⁰С. При отличающейся температуре следует производить пересчет светового потока. Например: при температуре 25 ⁰С коэффициент пересчета К_п =1; при 40⁰С – К_п =0,96; при 15⁰С – К_п =1,02; при 5⁰С – К_п =1,04; при 0⁰С – К_п =1,05.

Как указывалось ранее, все светодиодные лампы оснащаются

встроенными блоками питания, что позволяет подключать их

напрямую к сети переменного тока.

В каталогах указываются: тип ламп; напряжение питания; частота

питающей сети; мощность; цветовая температура; потребляемый ток;

световой поток; световая отдача; угол раскрытия светового потока

(ширина пучка); средний срок службы; тип цоколя.

В некоторых каталогах кроме основных параметров приводятся:

индекс цветопередачи; фактор мощности; количество светодиодов;

тип светодиодов (например, типа SMD, Luxeon T, Gree XM-L 2); тип

колбы; материал корпуса (алюминий-радиатор, матовое стекло);

рабочая температура; габаритные размеры. Некоторые

производители светодиодных ламп основные характеристики

указывают в маркировке. Например: фирмы PHILIPS, Econic 5W E27

WH 230- 240V A60; торговой марки ТМ ASD, LED-A60-eco 15 Вт;

торговой марки ТМ Geniled, Е27 А60 15W. Другие данные

приводятся в таблицах.

Некоторые типы светодиодных ламп приведены на рисунках 2.56, 2.57.

а) б) в)

Рисунок 2.56 – Светодиодные лампы TD MEGAPROM: а - СДЛ – Е27-68Д, мощность 5Вт, цветовая температура 3200 или 6500К; б - СДЛ – Е27 -3Д, мощность 3,5 Вт, цветовая температура 3200 или 6500К, световой поток 280 лм; в - СДЛ – Е27-88Д, мощность 13 Вт, цветовая температура 6000-7000К или 2500-3000К, световой поток 1100 лм.

а) б) в)

Рисунок 2.57 – Светодиодные лампы ТМ СВЕТО резерв:

а – УНИПРО 120-2, мощность 18 Вт, цветовая температура 4500 – 6000К, световой поток 1750 лм, угол раскрытия светового потока 120⁰, количество светодиодов 280 штук;

б – ЛМС 30 -1, мощность 1,5 Вт, цветовая температура 4500 – 6000К, световой поток 120 лм, угол раскрытия светового потока 120⁰, количество светодиодов 30 штук.

в – светодиодные лампы TD MEGAPROM, типа СДЛ – Е27 – 67Д, мощность 3,5 Вт, цветовая температура 6000-7000К (или 2500 – 3000К), световой поток 280 лм, количество светодиодов 67 штук.