Przegląd rodzajów diod elektroluminescencyjnych dużej mocy

Jak wspomniano w rozdziale 3.1, wśród diod elektroluminescencyjnych o dużej mocy promieniowania wyróżnia się pięć rodzajów. Są to: pojedyncze diody SLED o wysokiej wartości promieniowania luminescencyjnego, lampy LED oraz matryce diod LED, które dzielą się na dwa typy: moduły LED i diody LED mocy.

SLED mają strukturę podobną do struktury diody krawędziowej i lasera półprzewodnikowego. Ich działanie opiera się na mechanizmie emisji wymuszonej, ale bez sprzężenia zwrotnego. Duże straty optyczne na jednym z końców zapobiegają odbiciom, a więc w konsekwencji także akcji laserowej. Charakteryzują się bardzo dużą luminescencją, dobrą koherencją przestrzenną, brakiem koherencji czasowej i mają duże moce optyczne.

Lampy LED mają formę umocowanego na cokole sześcianu lub czworościanu z zamontowanymi diodami, co pozwala na umieszczenie ich w zwykłej oprawie oświetleniowej stosowanej do żarówek bądź lamp halogenowych. Ze względu na pochodzenie światła z wielu punktów (od poszczególnych diod), problemem jest uzyskanie jednolitego strumienia świetlnego. Jako rozwiązanie stosuje się różnego typu konstrukcje opraw oświetleniowych, np. zestaw: reflektor paraboliczny, reflektor stożkowy i soczewki fresnelowskie [26].

Moduły LED tworzą zestawy od kilku do nawet kilkudziesięciu diod umieszczonych na płytce drukowanej wykonanej ze sztywnego lub elastycznego materiału, na której są również umieszczone elementy układu zasilającego. Można je podzielić na dwa główne typy:

zawierające skupiający światło układ optyczny i niezawierające elementów układu optycznego. Mogą m.in. mieć postać sztywnej linijki diod, np. moduł LINEARlight (32 diody na sztywnej płytce o wymiarach 448mm×10mm×4mm), elastycznej taśmy, np. moduł LINEARlight Flex (od 120 do 600 diod na elastycznej taśmie samoprzylepnej o długości nawet 8 400mm), panelu z podwójnym rzędem diod, np. moduł EFFECTlight lub łańcucha składającego się z paneli diodowych złożonych z dwóch diod, np. moduł BACKlight. Mogą mieć również formę okrągłą (diody montowane na okrągłej sztywnej płytce drukowanej, np. moduł COINlight), podświetlanej tabliczki czy oprawy wskaźnikowej np. moduły LEDtag i MARKERlight oraz płaskiego modułu ze światłowodem w kształcie płytki [112,113].

Moduły diodowe pozwalają na podział na mniejsze jednostki oraz na rozbudowę w większe systemy poprzez łączenie szeregowe (przy zasilaniu źródłem prądowym) lub łączenie równoległe (przy zasilaniu źródłem napięciowym). Typowe wartości napięcia

Diody elektroluminescencyjne 31

zasilania to 10V lub 24V, a w przypadku zasilania ze źródła prądowego: 350mA lub 700mA [112,113].

Diody LED mocy mają postać matrycy diod zamontowanej w jednej oprawie, np. grupy sześciu kryształów półprzewodnikowych niezależnie od siebie generujących promieniowanie, zabudowanych w jednej obudowie. O parametrach strumienia świetlnego generowanego przez tego rodzaju diody decydują cztery poziomy optyczne [38]:

 poziom pierwszy – "optyka" w chipie półprzewodnikowym (eliminacja bądź zmniejszenie wewnętrznego odbicia światła w celu zwiększenia wewnętrznej sprawności diody),

 poziom drugi – parametry optyczne obudowy (dopasowanie współczynnika załamania światła na granicy półprzewodnik – powietrze, zwiększenie sprawności zewnętrznej diody, funkcje ochronne),

 poziom trzeci – "optyka" instalowana nad obudową diody (definiowanie kąta rozsyłu promieniowania przy użyciu soczewki lub reflektora i uchwytu),

 poziom czwarty – oprawa oświetleniowa (wytwarzanie jednolitego strumienia świetlnego, odpowiednie wymieszanie i rozproszenie światła).

Sterowanie pojedynczą diodą LED można zrealizować na trzy sposoby: przy zasilaniu prądem stałym poprzez zmianę wartości prądu diody, a przy zasilaniu impulsowym poprzez zmianę wartości wysokości impulsu prądu oraz poprzez zmianę wartości współczynnika wypełnienia impulsu prostokątnego PWM (Phase Wave Modulation) [36,38,136]. Do zasilania diod LED stosuje się dwa rodzaje zasilaczy: liniowe, bazujące na transformatorach pracujących przy częstotliwości sieci zasilającej, oraz typu SMPS (Switched Mode Power Supplies), pracujące przy częstotliwości wyższej niż częstotliwość sieci zasilającej.

Natomiast sterowanie matrycami LED zależy od sposobu połączenia rezystorów i diod w matrycę. Wyróżnia się trzy podstawowe typy połączenia [36,39,136]:

 układ ekonomiczny  może występować nierównomierny dopływ prądu do poszczególnych diod, ale awaria jednej z nich nie wpływa na pracę pozostałych,

 układ podstawowy  można dokładnie określić wartość prądu płynącego przez każdą z gałęzi, natomiast awaria pojedynczej diody w danej gałęzi wpływa na jej pracę, ale nie ma wpływu na prądy płynące przez sąsiednie gałęzie,

 układ bezpieczny  każda dioda jest sterowana indywidualnie, a przy awarii pojedynczej diody pozostałe diody świecą, ale diody połączone równolegle z diodą uszkodzoną są przesterowane.

Diody elektroluminescencyjne 32

W przypadku układów ekonomicznego i bezpiecznego awarie są trudne do wykrycia [36,39].

Niezależnie od sposobu zasilania i typu zasilacza układ musi charakteryzować się:

 użyteczną trwałością porównywalną z trwałością diod LED,

 konstrukcją stworzoną do ciągłej pracy przy pełnym obciążeniu,

 odpornością na temperaturę wyższą niż temperatura otoczenia (praca w szerokim zakresie temperatury: od 40C do +60C),

 możliwością korekcji współczynnika mocy i nastawy wartości strumienia świetlnego (w przypadku zastosowań w technice oświetleniowej).

Ponadto diody LED dużej mocy wymagają dobrego odprowadzania ciepła, które wydziela się w chipie diody  w 50% następuje jego rozpraszanie przez promieniowanie cieplne i w 50%

przez konwekcję. Tak duża ilość ciepła w rozpraszaniu konwekcyjnym wymaga chłodzenia, gdyż wydajność oraz trwałość diody zależą od temperatury złącza. Wzrost temperatury pracy powoduje zmniejszenie napięcia przewodzenia diody, przez co powstaje różnica między napięciem zasilania a napięciem przewodzenia. Aby zabezpieczyć układ przed tego typu zmianą napięcia przewodzenia, do układu włącza się rezystor połączony szeregowo z diodą LED (rys. 3.11). Jego stabilizujący wpływ jest tym wyraźniejszy, im większy jest spadek napięcia przewodzenia diody, gdyż na rezystorze odkłada się powstała różnica napięć [38,44,76,123,136138].

Dioda LED UCC

R

Rys. 3.11. Dwójnik dioda LED  rezystor stosowany w celu zabezpieczenia diody przed wahaniami napięcia zasilania

Firmy zajmujące się produkcją diod LED mocy stosują różne konstrukcje w celu uzyskania określonych parametrów. W zależności od zastosowanych rozwiązań technologicznych otrzymuje się diody o mocy od 1W do około 2,5W, a w przypadku paneli diodowych do około 5W, natomiast otrzymany strumień świetlny osiąga wartości od 65 lm do 70lm, a nawet 160lm przy wartości prądu od 700mA do 1000mA, co odpowiada wydajności świetlnej w zakresie (30–40)lm/W [38,112,113].

Na rysunku 3.12 przedstawiono budowę standardowej diody LED mocy, a na rys. 3.13 pokazano przykłady dostępnych w sprzedaży konstrukcji: lampy LED w oprawie dostosowanej do konwencjonalnych żarówek firmy Philips, diody LED mocy firmy Osram i modułów LED firmy Luxeon [38].

Diody elektroluminescencyjne 33

a) b)

REFLEKTOR

CHIP NA PODSTAWCE

PODŁOŻE SZKLANA SOCZEWKA

Kontakt katodowy

Soczewka z tworzywa

Chip LED

Spoiwo

Złoty drut

Silikon chroniący przed wyładowaniami elektrostatycznymi Element z miedzi

odprowadzający ciepło z chipa

Rys. 3.12. Schemat budowy diody LED mocy: a) przekrój przez diodę XLamp b) przekrój przez diodę Luxeon [38,6163,138]

a) b) c)

d) e)

Rys. 3.13. Przykłady lamp elektroluminescencyjnych: Philips Master LED (a) i Osram Opto Semiconductors Golden DRAGON (b), diody dużej mocy XI3535 (c) oraz modułów LED: Luxeon Ring (d) i Luxeon (e)

[38,62,126,127,139,143,145]