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

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

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

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

Wprowadzenie (c.d.)

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

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

Diody LED mocy - metody uzyskiwania białego światła 3 diody (czerwona, zielona, niebieska) + soczewka Ultrafioletowa dioda LED +luminofor RGB Niebieska dioda LED +żółty luminofor

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)

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.

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

Niezawodność diod LED mocy Temperatury wyprowadzeń: A – 52oC B – 38oC C – 40oC D – 38oC E – 44oC F – 59oC 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

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

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

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,

Rozwój konstrukcji obudów diod LED 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 Właściwości obudów współczesnych diod LED mocy: Radiator o dobrym kontakcie termicznym Soczewka optyczna o małych stratach – wysoka sprawność optyczna (powyżej 95%) Mała rezystancja termiczna

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

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

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

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.

Osiągane obecnie parametry diod LED mocy Nazwa konstrukcji Osiągana wartość parametru Światła samochodowe do jazdy dziennej DRL (Philips) efektywności 50 lm/W Białe diody LED (Cree) efektywność 129 lm/W przy chłodnej bieli oraz 99 lm/W przy ciepłej bieli strumień świetlny 1000 lm – odpowiednik żarówki 60 W Białe diody LED (Acriche) zasilane bezpośrednio z sieci elektroenergetycznej 230 V

Koszt światła z diody LED

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

Ewolucja źródeł światła

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

Dziękuję za uwagę