Półprzewodnikowe źródła światła

1. Półprzewodnikowe źródła światła Krzysztof Górecki Katedra Elektroniki Morskiej Akademia Morska w Gdyni

2. Plan prezentacji • Wprowadzenie • Diody LED mocy – historia, właściwości • Parametry diod LED mocy • Chłodzenie i zasilanie diod LED mocy • Zastosowania diod LED mocy • Tendencje rozwojowe • Podsumowanie

3. Wprowadzenie • Oświetlenie – zużywa ponad 20% produkowanej energii elektrycznej • Parametry źródeł światła • Strumień świetlny (lm) – całkowite światło wypromieniowane ze źródła światła, • Natężenie światła (cd), • Natężenie oświetlenia (lx), • Luminancja (cd/m2), • Sprawność źródła światła (lm/W) – iloraz emitowanego strumienia świetlnego do mocy elektrycznej pobranej przez to źródło • Widmo emitowanego promieniowania lub temperatura barwy światła białego • Czas życia (h) • Jasność źródła światła

4. Wprowadzenie - żarówka • W 1879 roku Thomas Alva Edison wynalazł żarówkę, która jest do tej pory dominującym źródłem światła • Podstawowe wady żarówki: • niska sprawność - tylko kilka procent energii elektrycznej zamienia ona na światło • krótki czas pracy – do 1000 h • niska odporność na udary mechaniczne

5. Wprowadzenie (c.d.)

6. Wprowadzenie - klasyczne źródła światła • Opracowane takie źródła światła jak: • żarówki halogenowe niskonapięciowe • świetlówki • neonówki, • lampy rtęciowe, • półprzewodnikowe źródła światła (SSL). • Wymienione źródła światła różnią się zasadą działania, żywotnością oraz parametrami emitowanego światła • Niektóre klasyczne źródła światła zawierają substancje szkodliwe dla środowiska, np. związki rtęci

7. Diody LED mocy - historia • 1930 – odkrycie zjawiska luminescencji węglika krzemu przy przepływie prądu, • 1962 – skonstruowanie pierwszej diody LED (czerwonej) • 1968 – wprowadzenie na rynek zielonej diody LED • 1981 – wprowadzenie na rynek niebieskich diod LED o światłości 10 mcd • 1992 – wprowadzenie na rynek tanich diod niebieskich i ultrafioletowych, • 1993 – opracowanie niebieskich diod emitujących światło o natężeniu 1 cd • 1994 – opracowanie pierwszych diod LED emitujących światło białe- oświetlenie

8. Diody LED mocy - metody uzyskiwania białego światła

9. Półprzewodnikowe źródła światła - zalety • Widmo emitowanego światła zbliżone do słonecznego, • Możliwość łatwego doboru temperatury emitowanego światła, • Niskie (bezpieczne) napięcie zasilania, • Wysoka odporność na udary mechaniczne, • Wysoka sprawność energetyczna (35 – 50%), • Długi czas pracy bezawaryjnej (do 50 000 h) • Niewielkie wymiary, • Łatwość regulacji jasności lub koloru (tylko w diodach RGB)

10. Półprzewodnikowe źródła światła - wady • Mała wartość emitowanego strumienia świetlnego, • Mały kąt świecenia – konieczność stosowania soczewek rozpraszających, • Niska wartość dopuszczalnego napięcia wstecznego, • Silny wpływ temperatury na parametry i niezawodność diod LED, • Konieczność stosowania specjalnych układów zasilających, • Konieczność odprowadzanie ciepła wydzielonego w diodzie.

11. Luminancja diod LED mocy • Luminacja jest malejącą funkcją temperatury • Luminancja maleje do 70% wartości nominalnej po kilkudziesięciu tysiącach godzin pracy • Wzrost temperatury obudowy o 20oC powoduje sześciokrotne skrócenie czasu bezawaryjnej pracy

12. Niezawodność diod LED mocy • Różne typy diod wykazują różną zależność jasności od czasu • Temperatura wyprowadzeń silnie wpływa na procesy degradacyjne • Procesy degradacyjne zachodzą wolniej w diodach LED mocy niż w żarówkach i sygnalizacyjnych diodach LED Temperatury wyprowadzeń: A – 52oC B – 38oC C – 40oC D – 38oC E – 44oC F – 59oC

13. Niezawodność diod LED • Obniżenie temperatury diody o 20oC powoduje 6-krotny wzrost czasu pracy do uszkodzenia • Czas życia jest silnie uzależniony od prądu diody i temperatury jej wnętrza

14. Wpływ temperatury (c.d.) • Wzrost temperatury wnętrza powoduje: • Zmianę napięcia przewodzenia diody, • Spadek wartości emitowanego strumienia świetlnego, • Skrócenie czasu bezawaryjnej pracy, • Możliwość zmiany koloru świecenia diody, • Istotny problem chłodzenia diod LED mocy

15. Chłodzenie diod LED mocy • Struktury diod LED nie emitują promieniowania podczerwonego – całe wydzielone w nich ciepło odprowadzane jest do obudowy na drodze przewodnictwa • Specjalne konstrukcje ułatwiające chłodzenie: • Stosowanie laminatów z rdzeniem aluminiowym, • Specjalne radiatory, • Obudowy diod optymalizowane do odprowadzania ciepła,

16. Rozwój konstrukcji obudów diod LED • Właściwości obudów współczesnych diod LED mocy: • Radiator o dobrym kontakcie termicznym • Soczewka optyczna o małych stratach – wysoka sprawność optyczna (powyżej 95%) • Mała rezystancja termiczna Pierwsza dioda LED (1962) Sygnalizacyjna dioda LED (1970) Rth = 200 K/W Pmax = 0,1 W Pierwsza dioda LED mocy (1994) Rth = 50 K/W Pmax = 0,4 W Współczesna dioda LED mocy (1998) Rth = 14 K/W Pmax = 4 W

17. Zasilanie diod LED mocy • Konieczne zasilanie prądowe - charakterystyka u(i) diody silnie zależy od temperatury, • Zasilacz powinien zapewnić duży prąd zasilający przy małej wartości napięcia wyjściowego • Potrzeba zasilania impulsowego – wysoka sprawność energetyczna, • Konieczność stosowania układów PFC – wyższa wartość współczynnika mocy, • Problem odpowiedniego łączenia szeregowo-równoległego diod w celu uzyskania odpowiedniego strumienia świetlnego, • Możliwość regulacji luminancji

18. Regulacja luminancji diod LED • Regulacja wartości prądu diody • Regulacja współczynnika wypełnienia prądu diody (PWM)

19. Zasilanie diod LED mocy (c.d.) • Układy scalone dedykowane do zasilania diod LED mocy: wielu producentów, np. ONSemiconductor, STMicroelectronics, Infineon Technologies, Linear Technology • Przykładowe rozwiązania układowe

20. Zastosowania diod LED mocy • Oświetlenie budynków (wewnętrzne i zewnętrzne), • Oświetlenie dekoracyjne, • Oświetlenie awaryjne, • Światła samochodowe, • Oświetlenie drogowe, • Tablice informacyjne, • Tablice informacyjne dla transportu publicznego, • Latarki i zabawki, • Światła dyskotekowe i estradowe, • Lampy błyskowe w aparatach fotograficznych, • Oświetlenie ogrodowe z zasilaniem solarnym, • Drogowa sygnalizacja świetlna, • Reklamy, ekrany i telebimy.

21. Osiągane obecnie parametry diod LED mocy

22. Koszt światła z diody LED

23. Prawo Haitza dla diod LED Strumień świetlny emitowany przez diody LED jest podwajany co 18 – 24 miesiące od ponad 30 lat

24. Ewolucja źródeł światła

25. Podsumowanie • Duże nakłady finansowe (10 mld Euro) Unii Europejskiej na badania SSL • Przewiduje się, że za 10 lat SSL zastąpią żarówki • Uzyskano już wysoką niezawodność • Wymagana jest większa wartość sprawności oraz strumienia świetlnego • W tym celu konieczne jest: • Zastosowanie nowych materiałów o wysokiej sprawności przetwarzania energii elektrycznej na świetlną • Wzrost wymiarów struktur diod – większy prąd • Poprawa skuteczności odprowadzania ciepła ze struktury półprzewodnikowej • Zastosowanie półprzewodników wysokotemperaturowych • Nowe konstrukcje obudów zapewniające wysoką sprawność optyczną oraz niską rezystancję termiczną

26. Dziękuję za uwagę