Półprzewodnikowe źródła światła

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
2
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
3
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
4
Wprowadzenie (c.d.)
Cele
konstruktorów
źródeł światła
Wysoka
sprawność (lm/W)
Duży strumień
świetlny (lm)
Niski koszt
uzyskania
jednostkowego
strumienia światła
($/lm)
5
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
6
Diody LED mocy - historia
• 1930 – odkrycie zjawiska luminescencji węglika krzemu
• 1962 –
• 1968 –
• 1981 –
• 1992 –
• 1993 –
• 1994 –
przy przepływie prądu,
skonstruowanie pierwszej diody LED (czerwonej)
wprowadzenie na rynek zielonej diody LED
wprowadzenie na rynek niebieskich diod LED
o światłości 10 mcd
wprowadzenie na rynek tanich diod niebieskich
i ultrafioletowych,
opracowanie niebieskich diod emitujących światło
o natężeniu 1 cd
opracowanie pierwszych diod LED emitujących
światło białe - oświetlenie
7
Diody LED mocy - metody
uzyskiwania białego światła
3 diody (czerwona,
zielona, niebieska)
+ soczewka
Ultrafioletowa dioda Niebieska dioda
LED +luminofor
LED +żółty
RGB
luminofor
8
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)
9
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.
10
Luminancja diod LED mocy
Luminancja względna [%]
Luminancja względna
2
czerwona
zielona
1,6
1,2
niebieska
0,8 biała
bursztynowa
0,4
0
-20
0
20
40
60
80
o
Tj [ C]
100
120
140
160
100
TC = 38 oC
95
TC = 49 oC
90
85
TC = 58 oC
80
75
70
100
1000
10000 6 razy
100000
czas eksploatacji [h]
• 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
11
105
C
100
B
95
D
E
90
85
80
75
F
A
o
Ta = 35 C
I = 0,35 A
70
100
1000
luminancja względna [%]
luminancja względna [%]
Niezawodność diod LED mocy
120
100
dioda LED mocy
80
60
sygnalizacyjna dioda LED
40
żarówka
20
0
10000
0
3000
czas [h]
6000
9000
12000
15000
czas pracy [h]
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
12
60
70
50
60
czas życia [kh]
czas życia [kh]
Niezawodność diod LED
40
30
20
10
i=1A
50
40
i = 0,35 A
i = 1,5 A
i = 0,7 A
30
20
10
0
35
40
45
50
TC [oC]
55
60
0
100
120
140
160
180
200
Tj [oC]
• 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
13
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
14
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,
15
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
16
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
17
Regulacja luminancji diod LED
• Regulacja wartości prądu diody
luminancja względna
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
50
100
150
200
250
300
IF [mA]
• Regulacja współczynnika wypełnienia
prądu diody (PWM)
18
Zasilanie diod LED mocy (c.d.)
• Układy scalone
•
~
EMI
Filtr
AC
dedykowane do
zasilania diod LED
mocy: wielu
producentów, np.
ONSemiconductor,
STMicroelectronics,
~
Infineon Technologies, AC
Linear Technology
Przykładowe
rozwiązania układowe
PFC
Controler
PWM
Controler
EMI
Filtr
NCP1651
PFC
Controler
19
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.
20
Osiągane obecnie parametry diod
LED mocy
Nazwa konstrukcji
Osiągana wartość parametru
Światła samochodowe do
efektywności 50 lm/W
jazdy dziennej DRL (Philips)
Białe diody LED (Cree)
efektywność 129 lm/W przy chłodnej bieli
oraz 99 lm/W przy ciepłej bieli
Białe diody LED (Cree)
strumień świetlny 1000 lm – odpowiednik
żarówki 60 W
Białe diody LED (Acriche)
zasilane bezpośrednio z sieci
elektroenergetycznej 230 V
21
cena jednostkowa [$/lm]
Koszt światła z diody LED
1000
100
10
LED
1
0,1
0,01
0,001
0,0001
1960
żarówka 100 W
1970
1980
1990
2000
2010
2020
2030
lata
22
Prawo Haitza dla diod LED
strumień świetlny [lm]
1000
dioda
LED
mocy
100
10
1
wskaźnik LED
0,1
0,01
0,001
1960
1970
1980
1990
2000
2010
lata
Strumień świetlny emitowany przez diody LED jest
podwajany co 18 – 24 miesiące od ponad 30 lat
23
Ewolucja źródeł światła
sprawność [lm/W]
200
diody LED
160
lampy sodowe
120
lampy rtęciowe
80
świetlówki
40
0
1920
żarówki z reflektorem
żarówki żarówki halogenowe
1940
1980
1960
2000
białe
diody
LED
2020
lata
24
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
25
Dziękuję za uwagę
26