Содержание
1.Теоретическая часть………………………………………………..….……9
1.1 Общие характеристики мощных светодиодов…………… …..9
1.2 Строение светодиодов 10
1.3 Световые характеристики 14
1.4Охлаждение мощных светодиодов 20
1.5 Энергетический КПД 22
1.6 Управление тепловым режимом 23
1.7 Виды радиаторов 25
1.7.1 Алюминиевые радиаторы 26
1.7.2 Керамические подложки 27
1.7.3 Теплорассеивающие пластмассы 28
1.8 Элемент Пельтье 29
1.9 Управление светодиодами постоянным током 32
1.10 Источники стабильного постоянного тока 34
1.11 Виды соединений светодиодов 36
1.12 Стабилизаторы напряжения и тока в питании светодиодов 39
1.12.1 Линейные стабилизаторы 39
1.12.2 Импульсные стабилизаторы 41
1.13 Конструкция импульсного светодиодного драйвера 45
1.14 Использование светодиодов 47
2.Специальная часть…………………………………………………….…..48
2.1 Анализ схемы электрической принципиальной 48
2.1.1 Драйвер питания светодиодов 49
2.2Выбор элементной базы 52
2.3 Обоснование выбора элементной базы 60
2.4 Характеристики элементной базы 61
2.5 Трассировка печатного узла 62
3.Конструкторско-технологическая часть…………………….…………..63
3.1 Конструкторско технологические требования 63
3.1.1 Выбор класса точности 64
3.1.2 Выбор материала 65
3.1.3 Изготовление печатного узла 66
4.Экспериментальная часть……………..………………………..…………..70
4.1 Измерительные приборы 70
4.1.1 Люксметр 70
4.2 Термистор 72
4.2.1 Характеристики NTC термистора 75
4.3 Эксперимент 77
4.3.1 Измерение световых характеристик диода 77
4.3.3 Эффективность эл-та Пельтье 81
4.3.4 Измерение температуры подложки светодиода при пассивном и активном охлаждении. 83
4.3.5 Выводы по результатам эксперимента. 86
4.3.6 Недостатки эксперимента 86
4.3.7 Пути решения отмеченных недостатков 87
5.Экологическая часть………………………………………………………87
6.Безопасность жизни деятельности………………………………………..94
6.1 Эргономика зрительного восприятия 94
6.2 Величины и единицы света и цвета 96
6.3 Характеристики освещения 98
7. Экономическая часть……………………………………………………..101
7.1 Расчет себестоимости 101
8.Заключение………………………………………………………………...102
9.Приложения…………..……………………………………………………92
9.Библиографический список литературы…….………………………….……………..102
АННОТАЦИЯ
Дипломная работа посвящена исследованию проблем отвода тепла от мощных светодиодов.
В теоретической части проведен обзор параметров мощных светодиодов и способов их охлаждения.
В конструкторской части приведено описание ШИМ-контроллера для питания светодиода и разработана документация (принципиальная электрическая схема и трассировка печатной платы).
В экспериментальной части проведено исследование отвода тепла от светодиода фирмы CREE типа XREWHT-L1-0000-00C01 мощностью 1Вт и рабочим током 350-700 мА.
Эксперимент проводился с использованием различных конструкций для охлаждения светодиодов: алюминиевым радиатором, на который затем были установлены вентилятор, а после снятия вентилятора модуль Пельтье. Результаты эксперимента предоставлены в приложении.
Введение
Светодиодное освещение - одно из многообещающих направлений технологий искусственного освещения, основанное на применении светодиодов в виде источника света. Применение светодиодных ламп в освещении уже занимает существенную долю рынка. Развитие напрямую связано с технологическим совершенствованием светодиода.
В настоящее время светодиоды нашли применение в самых различных областях: светодиодные фонари, автомобильная светотехника, рекламные вывески, светодиодные панели и индикаторы, бегущие строки и светофоры и т.д.
В сравнении с обычными лампами накаливания, а также люминесцентными лампами светодиоды обладают многими преимуществами: миниатюрность, экологичность, безопасность, долгий срок службы, высокие световые характеристики, возможность работы в широком спектре температур, большой выбор цветов.
Ключевым моментом замены традиционных ламп накаливания, на светодиодные источники света является существенная экономия электроэнергии.
Среди производителей именно светодиодные источники света считаются наиболее функционально-перспективным направлением как с точки зрения энергоэффективности, так и затратности и практического применения. В основном применяются приборы на белых светодиодах[1].
Главные проблемы, останавливающие массовое внедрение этих перспективнейших источников света, на сегодня являются:
Первое это — высокая начальная стоимость устройств освещения на светодиодах, но расходы, требуемые при эксплуатации значительно меньше конкурентных источников освещения и в течение года окупаются.
Второй проблемой до сих пор остается отвод тепла мощных светодиодов, только 5% передается в виде теплого излучения в воздух и около 90% переходит в подложку самого светодиода.
Поэтому исследование отвода тепла в мощных светодиодах является актуальной задачей и это стало главной целью данной дипломной работы. Рассматриваются несколько различных методов охлаждения, а именно при помощи алюминиевого радиатора (с пассивным охлаждением) радиатора (с активным охлаждением) и охлаждение элементом Пельтье.
1. Теоретическая часть
1.1 Общие характеристики мощных светодиодов
Изобретение транзисторов стало одним из самых прогрессивных открытий в науке. Последующее развитие полупроводниковой электроники и создание компьютеров во второй половине XX в. привело к кардинальному скачку в эволюции высоко технологичных производств, организацию труда на всех уровнях управления.
Особые перспективы возникли в области физики полупроводников, изучающая люминесценцию. Прогресс в этой сфере позволил создать полупроводниковые источники света - светодиоды.
Первые открытия были сделаны в нашей стране еще в 1923 г. О.В.Лосевым, работавшим в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории. Однако реализованы на практике были лишь в 60-70-е годы, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа AIIIBV - фосфида и арсенида галлия и их твердых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники - оптоэлектроники [2].
Эффективные светодиоды для зеленовато-голубой, голубой, синей и фиолетовой частей спектра были созданы в 90-е годы. Производятся они на основе полупроводников со значительной шириной запрещенной зоны: карбида кремния SiC, соединений группы AIIBVI, нитридов группы AIIIBV. У излучателей на основе ZnSe (AIIBVI) большой квантовый выход, но они имеют маленький срок работы, но имеют большое электрическое сопротивление. У карбид-кремниевых диодов очень мал КПД, так как SiC - непрямозонный полупроводник.[2]
В последние годы был сделан настоящий прорыв в разработках голубых и зеленых светодиодов. В приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов GaN, InxGa1–xN, AlxGa1–xN внешний квантовый выход увеличен до ηe = 9-16 % [2]. Светоотдача диодных излучателей из разных материалов для всех основных цветов превысила светоотдачу ламп накаливания. Диоды стали приборами и оптоэлектроники, и светотехники.
1.2 Строение светодиодов
Рисунок 1 Строение 5мм светодиода
Светодиод « Рис.1» представлен двумя выводами – анодом и катодом. Катод крепится к алюминиевому параболическому рефлектору ( отражателю ).Внешне он представляет собой чашеобразное углубление. На дне располагают светоизлучающий кристалл.
Активный элемент представлен полупроводниковым монокристаллом ( в 5 мм светодиодах он выполнен в виде кубика-чипа ). Размеры небольшие - 0,3*0,3*0,25 мм. Он содержит p-n переход или гетеропереход и омический контакты.
Кристалл соединяется с анодом перемычкой, произведенной из золотой проволоки. Полимерный корпус - фокусирующая линза. Она с рефлектором и определяют угол излучения (диаграмма направленности) светодиода.
На следующем этапе разработок перешли к многослойным гетероструктурам GaN/ /Ga1–xInxN с нелегированным активным слоем Ga1–xInxN толщиной до 2-3 нм. Физические принципы, ранее использованные при создании приборов на основе GaAs/Ga1–xAlxAs и GaAs/InxAlyGa1–x-yP, послужили применительно к новым структурам [2].
В сверхтонких слоях влияют эффекты размерного квантования - зависимости энергетического спектра электронов и дырок от толщины слоя, когда толщина слоя сравнима с длиной волны де Бройля. Таким образом, открылась возможность регулировать цвет свечения, изменяя не состав полупроводника, а толщину потенциальной ямы, называемой в этих условиях квантовой.
Было крайне важно разработать технологию выращивания новых структур, обеспечивая на границах минимальное число дефектов. Помогло то, что в сверхтонких слоях несоответствие параметров решетки в определенных случаях вызывает на гетерограницах лишь упругую деформацию растяжения или сжатия. А чисто упругая деформация не сопровождается образованием дислокаций и дефектов - центров безызлучательнаой рекомбинации.
Структура светодиода с множественными квантовыми ямами представляет собой довольно сложный “пирог” «рис 2». На сапфировой подложке, после буферного слоя AlN (толщиной 30 нм), выращен относительно толстый (4 мкм) слой n-GaN:Si. Затем идет активный нелегированный слой, состоящий из пяти чередующихся квантовых ям InxGa1–xN (3-4 нм) и барьеров GaN (4-5 нм). Эффективная ширина запрещенной зоны квантовых ям InxGa1–xN соответствует излучению от голубой до желтой области (450-580 нм), если состав активного слоя меняется в пределах x = 0.2-0.4; она зависит и от толщины d. Расположенный выше барьерный широкозонный слойp-Al0.1Ga0.9N:Mg (100 нм) инжектирует дырки и согласует решетку с решеткой верхнего слоя p-GaN:Mg (0.5 мкм), на который нанесен металлический контакт Ni-Au. Второй металлический контакт (Ti-Al) с нижним слоем n-GaN создается после стравливания части структуры.[2]
Рисунок 2 Схема светодиода на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.
Путем выбора полупроводникового материала и присадки можно целенаправленно воздействовать на характеристики светового излучения светодиодного кристалла, прежде всего на спектральную область излучения и эффективность преобразования подводимой энергии в свет. При использовании конверсионного люминофора (желтого) и голубого светодиода можно получить белое излучение «Рис 3». При использовании ультрафиолетового диода и трех люминофоров (R/G/B) возможно также получение белого излучения[4]. «Рис.4»
Рисунок 3. Голубой светодиод с желтым люминофором
Рисунок 4. Ультрафиолетовый диод с тремя люминофорами
1.3 Световые характеристики
Диоды заняли место в передаче и визуализации информации: в световых индикаторах, табло, в приборных панелях автомобилей и самолетов, в рекламных экранах. Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (в люменах) к потребляемой электрической мощности (в ваттах). Эта величина, называемая светоотдачей, для светодиодов стала больше, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона.
Рисунок 5. Светоотдача приборов
Светоотдача приборов на основе гетероструктур с активными слоями InGaN и AlInGaP на длинах волн, отвечающих максимуму излучения. Стрелки справа показывают светоотдачу вакуумных и газонаполненных ламп; кривая - спектральную чувствительность глаза (кривая видности). «Рис.5»
Один из способов, использования светодиодов, это для обычного освещения, поскольку сочетание их с люминофорами позволяет получить белый свет. Потребление электроэнергии у них меньше, чем у обычных ламп, кроме того, они долговечнее, надежнее и безопаснее ламп накаливания, и люминесцентных ламп.
Замена ламп накаливания диодами особенно эффективна в цветной светосигнальной аппаратуре. Лампы должны иметь цветные фильтры, что уменьшает КПД - часть излучения поглощается фильтрами. Цвет оптического излучения полупроводниковых приборов задается энергией квантов в узкой области спектра, фильтры им не нужны. На цветовой диаграмме показано, как из “чистых” цветов, расположенных на внешнем подковообразном контуре, можно получить любой смешанный. Центр диаграммы соответствует белому цвету, на краях отмечены кружки для разных диодов. «Рис. 6»
Рисунок 6. Цветовой график МКО
.В центре - область белого цвета, пересекаемая дугой, соответствующей цвету черного тела при разных температурах. Кружками отмечены цветовые координаты разных светодиодов. «Рис 6»
Светодиод является нелинейным устройством. Если к нему приложить низкое напряжение, то он не будет проводить электрический ток. Если напряжение повышать, то, как только оно превысит пороговое значение, светодиод станет излучать, а ток резко возрастет. Если продолжить увеличение напряжения, ток будет возрастать, а полупроводниковый прибор быстро перегреется и сгорит. Нюанс заключается в поддержании светодиода в узкой области между полностью закрытым и полностью открытым состояниями (рис. 1.5).
Рисунок 6. Полезная рабочая область мощного светодиода
Напряжение полезной рабочей области у разных экземпляров различается (даже у приборов одной группы и одного производителя), кроме того, оно меняется в зависимости от окружающей температуры и степени деградации прибора. На «Рис.6» рабочая область показана более детально. В этом примере рассматривается четыре идентичных светодиода, которые, согласно техническим данным, имеют одинаковые характеристики. Все производители подобных приборов сортируют их по цвету излучаемого света (это называется типизация, биновка (binning) — в процессе производства проводится проверка и светодиоды разделяются по бункерам, бинам (bin), согласно их цветовой температуре). Впоследствии все диоды смешиваются и в одной поставке могут оказаться приборы из разных производственных партий, и следовательно, можно ожидать большого разброса порогового или прямого (Vf) напряжений. Большинство технических характеристик устройств декларируют 20%-й допуск на Vf, поэтому столь широкий разброс, показанный на «Рис.7», не является преувеличением.[4]
Рисунок 7. Характеристики светодиодов
Если мы увеличим напряжение примерно до, 3 В, то первый диод будет перегружен, ток второго составит 300 мА, третьего - 250 мА, а четвертого - только 125 мА. Более того, эти характеристики и в дальнейшем изменяются. Когда светодиод прогревается до своей рабочей температуры, кривые дрейфуют влево (прямое напряжение Vf с повышением температуры падает). Однако интенсивность излучения света светодиодов прямо пропорциональна проходящему через них току «Рис. 8»). Так, в приведенном выше примере при напряжении питания 3 В первый светодиод будет сверкать как совершенно новый, второй окажется немного ярче, чем третий, а вот четвертый будет восприниматься весьма тусклым.
Рисунок 8.Зависимость между выходом света и током светодиода
Восприятие излучения человеком, глаз которого по-разному воспринимает различные участки оптического спектра (в соответствии с кривой видности), выдвигает свои требования к световым и спектральным характеристикам излучателей.
Излучаемые световые кванты должны выходить во внешнюю среду в заданном телесном угле с минимальным их поглощением внутри прибора. Малые размеры полупроводниковых светодиодов отличают их от ламп накаливания, в противоположность лампам диод - почти точечный источник света с площадью кристалла (0.25x0.25)-(0.5x0.5) мм2.
Кристалл покрывается выпуклым или плоским пластмассовым колпачком размерами 3-10 мм.. Конструкция колпачка обеспечивает фокусировку излучения в нужном телесном угле 5-45°. Держатель кристалла отводит тепло от активной области.
Работая, одиночный светодиод потребляет очень небольшую энергию: при напряжении 2-4 В и токе 10-30 мА, электрическая мощность варьирует от 20 до 120 мВт. При КПД в 5-25% в виде света излучается 1-30 мВт (сила света 1-30 кд). Для сравнения - миниатюрная лампа накаливания работает при напряжении около 12 В и токе 50-100 мА. Для получения больших световых потоков десятки и сотни светодиодов объединяют в световые панели. Возможность фокусировки излучения в каждом элементе позволяет создавать световые панели с направленным излучением.[2]
1.4Охлаждение мощных светодиодов
Главной проблемой светодиодов является отвод тепла выделяемого LED-кристаллом. Большая его часть (> 90%) передается на его металлическую подложку за счет теплопроводности. Лишь 5% тепла уходят в виде теплового излучения. «Рис. 9»[5]
Рисунок 9. Различие в механизмах тепловыделения при работе традиционных ламп накаливания и светодиодных(LED)-ламп
С повышением температуры у мощных светодиодов снижается световая эффективность. Приведенные в технических характеристиках цифры выходного светового потока обычно даются только для 25 °С. При 65 °С происходит потеря 10% яркости, а при 100 °С — 20% «Рис. 10».
Чтобы мощные светодиоды имели время жизни, близкое к указанному в их технических характеристиках, необходим хороший теплоотвод. 100-Вт галогенный прожектор будет излучать 5 Вт света (мощность излучения). Из оставшихся 95 Вт потребленной мощности 80 Вт уйдет вовне в виде инфракрасного излучения и только 15 Вт будет рассеиваться корпусом в виде тепла. 50-Вт светодиод также будет излучать 5 Вт полезного света, но все оставшиеся 45 Вт мощности будут в виде тепла подведены к его конструктивному окружению. Хотя эффективность светодиодного светильника в два раза выше, чем у лампы накаливания, его охлаждение должно быть разработано так, чтобы справиться с в три раза большим потоком подводимого тепла.
Рисунок. 10. Зависимость светового потока светодиода от температуры его перехода
Буквально с точностью до наоборот выделяется тепло от обычных ламп накаливания: 90% - излучением, 5% - теплопроводностью (в цоколь). Это означает, что наработанные десятилетиями технические решения по поддержанию теплового режима ламп накаливания абсолютно не приемлемы при проектировании LED-светильников.
В подавляющем большинстве случаев для отвода тепла от кристалла и последующего теплорассеяния используются металлические, как правило, алюминиевые, медные, а также в редких случаях и радиаторы из теплопроводящих пластмасс, помимо всех вышеперечисленных способов, возможно и охлаждение при помощи термоэлектрического модуля.
1.5 Энергетический КПД
Энергетическая эффективность светодиодов (КПД) – отношение мощности излучения (в Ваттах) к электрической потребляемой мощности (в светотехнической терминологии это энергетическая отдача излучения - ηe).
Светодиоды преобразуют подводимую электроэнергию в видимое излучение в очень узкой спектральной области, причем в кристалле возникают тепловые потери.
У светодиодов для целей освещения и сигнализации ИК- и УФ-составляющие в спектре излучения практически отсутствуют и такие светодиоды имеют значительно более высокую энергетическую эффективность, чем тепловые излучатели. При благоприятном тепловом режиме у светодиодов в свет преобразуется 25% подводимой энергии. Поэтому, например, у белого светодиода мощностью 1 Вт примерно 0,75 Вт приходится на тепловые потери, что требует в конструкции светильника наличия теплоотводящих элементов или даже принудительно охлаждения[4]. Такое управление тепловым режимом светодиодов приобретает особую значимость. Желательно, чтобы производители светодиодов и светодиодных модулей приводили в перечне характеристик своих изделий значения энергетического КПД.
1.6 Управление тепловым режимом
Почти 3/4 электроэнергии, потребляемой светодиодом, преобразуется в тепло и только 1/4 – в свет. Поэтому при конструировании, освещения с использованием светодиодов, решающую роль в обеспечении их максимальной эффективности играет оптимизация теплового режима, интенсивное охлаждение.
Передача тепла от нагретого тела осуществляется за счет трех физических процессов: Излучение, Конвекция, Теплопроводность.
Излучение
Поверхность осветительного прибора, на которой монтируется светодиод или модуль с несколькими светодиодами не должна быть металлической, поскольку металлы обладают очень низким коэффициентом излучения. Поверхности светильников, контактирующие со светодиодами, должны, по возможности, иметь высокий спектральный коэффициент излучения ε.
Ф=Wλ =5,669·10-8·(Вт/м2·К4)ε·А·(Тs4 –Та5)
где: Wλ –поток теплового излучения, Вт
ε–коэффициент излучения
Тs –температура поверхности нагретого тела,
КТа – температура поверхностей, ограничивающих помещение,
К А – площадь излучающей тепло поверхности, м²
Конвекция
Желательно иметь достаточно большую площадь поверхности корпуса светильника для беспрепятственного контакт с потоками окружающего воздуха (специальные охлаждающие ребра, шероховатая структура и т.д.). Дополнительный отвод тепла могут обеспечить принудительные меры: мини вентиляторы или вибрирующие мембраны.
|
