Светодиодный источник излучения

Изобретение может быть использовано в системах освещения. Светодиодный источник излучения содержит несколько полупроводниковых излучателей света оптического диапазона, объединенных электрической цепью, по меньшей мере, в один базовый элемент, держатель базового элемента с присоединительными выводами, покровную линзу и радиатор для отвода тепла от базового элемента. Согласно изобретению параметры базового элемента должны удовлетворять определенному соотношению: 20<ΔE_g/eRS≤35, где ΔE_g - ширина запрещенной зоны исходного материала базового элемента (eV); S - суммарная площадь P-N перехода базового элемента (см²); R - электрическое сопротивление базового элемента (Ом); е - заряд электрона 1,602·10^-19 Кл. Изобретение обеспечивает повышение ресурса работы светодиодных источников излучения. 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к средствам светоизлучения и может быть использовано в системах освещения.

Основными преимуществами полупроводниковых светодиодных источников излучения над остальными источниками света является:

- надежность - в настоящий момент светодиоды различных конструкций имеют срок службы до 50000 часов и более, лампы накаливания и люминесцентные лампы имеют срок службы не более 10000 часов;

- световая отдача светодиодов в настоящий момент превышает 80 лм/Вт и постоянно растет, тогда как световая отдача ламп накаливания и люминесцентных ламп находится в пределах 10-120 лм/Вт;

- излучение светодиодов близко к монохроматическому излучению и имеет широкий спектр цветов, что позволяет использовать их в различных устройствах без применения светофильтров.

Опыт применения полупроводниковых светодиодных источников излучения в различных системах освещения подтвердил вышеперечисленные преимущества таких источников над традиционными лампами накаливания.

Существующий способ отвода тепла от области P-N перехода заключается в естественной конвекции с применением радиаторов и тепловых труб.

Расчет тепловых сопротивлений для кристалла излучателя проводился с помощью метода эквивалентов, предложенного авторами [1].

Остальные тепловые сопротивления были рассчитаны на основании известных данных по теплопроводности слоев и геометрии излучателя, где основное уравнение теплопередачи следующее:

где Q - рассеиваемая мощность, Вт;

k - теплопроводность, Вт/см·К;

А - площадь радиатора, см²;

T₁-Т₂ - разность температур, К.

Как видно из (1), основная величина, определяющая отток тепла от кристалла излучателя на воздух - площадь радиатора. Тепловое сопротивление на воздух любого излучателя площадью 1 см² при свободной конвекции составляет ≈200 К/Вт. Таким образом, для эффективного отвода тепла от кристалла, площадь радиатора должна составлять не менее 100 см².

Другим методом решения тепловых проблем в светодиодных источниках излучения является применение импульсных источников питания. Однако увеличение тока через излучающий элемент приводит к увеличению плотности тока и, как следствие, к резкому увеличению Оже рекомбинации.

Лампы накаливания электрические осветительные, общего назначения, предназначены для внутреннего и наружного освещения при параллельном включении ламп в электрические сети напряжением 127 и 220 В. Световые и электрические параметры ламп указаны в Таблице 1 при расчетном напряжении. Нижнее значение мощности и верхнее значение светового потока не ограничиваются. В правой стороне таблицы приведены электрические и оптические характеристики предлагаемых светодиодных ламп на основе полупроводниковых излучателей.

Таблица 1
Типы ламп**	Расчетное напряжение, Вольт	Номинальные значения	Типы светодиодных ламп	Расчетное напряже- ние, Вольт	Номинальные значения	Площадь радиато- ра, см2.
Мощность, Вт	Световой поток, лм	Мощность, Вт	Световой поток, лм
В215-225-15-1	220	15	120	ЛСД-3-12	12	4,3	300	100
В215-225-25-1	220	25	230	ЛСД-3-12	12	4,3	300	100
БК220-230-40-1	220	40	450	ЛСД-5-12	12	8,4	500	200
БК215-225-60-1	220	60	800	ЛСД-6-12	12	12,0	900	200
Б215-225-75-1	220	75	960	ЛСД-9-12	12	12,0	900	300
Б215-225-100-1	220	100	1400	2 ЛСД-9-12*	12	24,0	1800	600
Б215-225-150-1	220	150	2000	3 ЛСД-9-12*	12	36,0	2700	900
Б215-225-200-1	220	200	3000	3 ЛСД-9-12*	12	36,0	2700	900
Г215-225-300-2	220	300	5000	6 ЛСД-9-12*	12	72,0	5400	1200
- ЛСД-лампа светодиодная, второй элемент цифра - количество чипов, третий элемент цифра - напряжение питания, цифра перед наименованием - количество базовых элементов или СД ламп.
** каталог российских ламп накаливания.

Анализ производимых осветительных ламп, различных фирм, на основе светодиодов, показал идентичность конструкторско-электрических подходов. В основном светодиодная лампа состоит:

- плата с определенным количеством штатных светодиодов, с параллельно-последовательным соединением, определяющим номинальное значение напряжения и световой поток;

- схема управления, в основном работающая на понижение напряжения с 220 В до значения, определяющегося последовательным соединением светодиодов и, как правило, работающая в импульсном режиме для увеличения тока через излучающие элементы;

- размеры и цоколь светодиодных ламп соответствуют аналогичным лампам накаливания;

- тело лампы представляет собой радиатор, размеры которого должны соответствовать мощности, потребляемой лампой.

Известен светодиодный источник излучения, содержащий несколько полупроводниковых излучателей света оптического диапазона, объединенных электрической цепью в, по меньшей мере, один базовый элемент, держатель базового элемента с присоединительными выводами, покровную линзу и радиатор для отвода тепла от базового элемента (2).

Недостатком подобных светодиодных источников излучения является наличие схем управления непосредственно в корпусе светодиодной лампы, работающих в импульсном режиме, что не позволяет в полной мере реализовать высокий внешний квантовый выход источника излучения, что, во-первых, это удорожает продукт, во-вторых, снижает надежность лампы в целом, что видно на примерах светодиодных ламп и энергосберегающих ламп на основе паров ртути, когда причиной выхода лампы из строя является выход из строя элементов схемы.

Подобных недостатков лишены светодиодные источники излучения, состоящие из кристаллов излучателей и идентичных по надежности элементов части схемы. Задача, поставленная при создании настоящего изобретения, состоит в создании светодиодного излучающего устройства, эксплуатационные возможности которого, с одной стороны, сочетают в себе все достоинства ламп накаливания, а с другой, имеют значительно больший ресурс, т.е. создании полного аналога лампы накаливания со всеми достоинствами полупроводниковых излучателей света.

Это достигается тем, что в светодиодном источнике излучения, содержащем несколько полупроводниковых излучателей света оптического диапазона, объединенных электрической цепью в базовый элемент, держатель базового элемента с присоединительными выводами, покровную линзу и радиатор для отвода тепла от базового элемента, согласно изобретению основные параметры базового элемента должны удовлетворять следующему соотношению

20<ΔE_g/eRS≤35,

где

ΔE_g - ширина запрещенной зоны исходного материала базового элемента (еВ);

S - суммарная площадь P-N перехода базового элемента (см²);

R - электрическое сопротивление базового элемента (Ом);

е - заряд электрона 1,602·10^-19 Кл.

Было установлено, что для большинства источников излучения на основе полупроводниковых материалов в указанном диапазоне соотношений находится максимум внешнего квантового выхода. При расширении указанного диапазона в большую или меньшую сторону работа источников излучения происходит либо при больших плотностях тока и, следовательно, уменьшении внешнего квантового выхода, либо в области нормальных плотностей тока, но еще не оптимального квантового выхода.

В предлагаемом светодиодном источнике излучения полупроводниковые излучатели света могут быть выполнены одноцветного либо разноцветного излучения, площадь его радиатора может составлять не менее 100 см², что обеспечивает минимальную температуру P-N перехода для базового элемента, он дополнительно может содержать стабилизирующее сопротивление, установленное последовательно полупроводниковым излучателям света, для того чтобы при резких изменениях напряжения в сети ток через P-N переход оставался расчетным, а покровная линза и излучатели света установлены с зазором относительно друг друга, в котором размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующий эластичный компаунд, который имеет коэффициент преломления ≥1,3. Компаунд и его указанные свойства обеспечивают герметичность, увеличение выхода излучения наружу и при изменении внешней температуры малые взаимные действующие силы системы металл-кристалл-герметик-стекло. Покровная линза может быть выполнена плоской или сферической или в виде линзы Френеля. Для увеличения мощности светодиодный источник может содержать несколько P-N переходов, а полупроводниковые излучатели света могут быть покрыты люминофором, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета толщиной не более 1 мкм.

Изобретение поясняется рисунками, где

- На рис.1 приведен общий вид заявляемого светодиодного источника излучения;

- На рис.2 - схема светодиодного излучателя с одним базовым элементом;

- На рис.3 - схема светодиодного излучателя с несколькими базовыми элементами.

D1,1, D1,2, D1,3 - излучающие элементы светодиодного источника, R₁ - чип резистор; D2,1, D2,2, D2,3, D2,4 - диоды Шоттки.

- На рис.4 и 5 - внешний вид светодиодного источника излучения.

Светодиодный источник излучения содержит полупроводниковые излучатели света 1 с одним или несколькими P-N переходами одноцветного или разноцветного излучения, покрытые люминофором толщиной не более 1 мкм, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета. Излучатели света размещены на стеклотекстолитовой плате 2 с топологией (электрической цепью), объединяющей полупроводниковые излучатели света в базовый элемент.

Базовый элемент - три последовательно соединенных кристалла излучающих элементов на основе гетероструктур A^IIIB^V, размером 1×1 мм и прямом падении напряжения от 2,8 до 3,5 В, при номинальном токе 0,35 А. Для стабилизации тока через излучающие элементы последовательно включено сопротивление 4-10 Ом мощностью 0,5-1,5 Вт. Надежность подобных ламп определяется надежностью представленных элементов и должна составить порядка 50000 часов. Размер светодиодных источников излучения определяется мощностью, потребляемой лампой, исходя из соотношения размеров радиатора от рассеиваемой мощности - 20 см² площади на 1 Вт потребляемой мощности.

Устройство содержит штатный патрон 3 для ламп освещения и корпус 4, одновременно являющийся радиатором для отвода тепла от излучателей света 1, при этом его площадь составляет не менее 100 см².

Сверху излучатели света накрыты покровной линзой 5, выполненной плоской, сферической или в виде линзы Френеля. Покровная линза и излучатели света установлены с зазором относительно друг друга, в котором размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующий эластичный компаунд 6 с коэффициентом преломления ≥1,3.

Светодиодные источники излучения питаются от общего блока питания напряжением 12 вольт, установленного в распределительном щите каждого потребителя. В среднем количество ламп в 20 штук с приведенной мощностью 8,4 Вт. Общая мощность блока питания 250 Вт.

Наличие полупроводниковых излучателей света размером 1×1 мм, с высоким значением кпд преобразования электрической энергии в световую, специальный радиатор, позволяющий эффективно отводить тепло от кристаллов, принципиальная электрическая схема и соотношение основных параметров базового элемента позволяют сохранить кпд светодиодного источника излучения.

Литература

[1] Захаров А.Л., Асвадурова Е.И., Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - 184 с.

[2] Абрамов В.С. и др. Патент на изобретение №2170995 от 31.08.2000 г. Светодиодное устройство.

1. Светодиодный источник излучения, содержащий несколько полупроводниковых излучателей света оптического диапазона, объединенных электрической цепью в, по меньшей мере, один базовый элемент, держатель базового элемента с присоединительными выводами, покровную линзу и радиатор для отвода тепла от базового элемента, отличающийся тем, что основные параметры базового элемента должны удовлетворять следующему соотношению 20<ΔE_g/eRS≤35,
где ΔE_g - ширина запрещенной зоны исходного материала базового элемента (eV);
S - суммарная площадь P-N перехода базового элемента (см²);
R - электрическое сопротивление базового элемента (Ом);
е - заряд электрона 1,602·10^-19 Кл.

2. Светодиодный источник излучения по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые излучатели света выполнены одноцветного либо разноцветного излучения.

3. Светодиодный источник излучения по п.1, отличающийся тем, что площадь радиатора составляет не менее 100 см².

4. Светодиодный источник излучения по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стабилизирующее сопротивление, установленное последовательно полупроводниковым излучателям света.

5. Светодиодный источник излучения по п.1, отличающийся тем, что покровная линза и излучатели света установлены с зазором относительно друг друга, в котором размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующий эластичный компаунд.

6. Светодиодный источник излучения по п.5, отличающийся тем, что герметизирующий компаунд имеет коэффициент преломления ≥1,3.

7. Светодиодный источник излучения по п.1, отличающийся тем, что покровная линза выполнена плоской или сферической или в виде линзы Френеля.

8. Светодиодный источник излучения по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый излучатель света содержит несколько P-N переходов.

9. Светодиодный источник излучения по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые излучатели света покрыты люминофором, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета.

10. Светодиодный источник излучения по п.9, отличающийся тем, что толщина люминофорного покрытия не превышает 1 мкм.