автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Исследование характеристик светодиодных источников света при питании импульсным током

На правах рукописи

005019056

МЫШОНКОВ АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ПРИ ПИТАНИИ ИМПУЛЬСНЫМ ТОКОМ

Специальность 05.09.07 - Светотехника

3 МАЙ 2012

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саранск 2012

005019056

Работа выполнена на кафедре источников света ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

А.А. Ашрятов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.К. Свешников

кандидат технических наук В.Н. Ширчков

Ведущая организация: ОАО «Ардатовский

светотехнический завод»

Защита состоится «16» мая 2012 г. в 14:00 часов в 243 аудитории 2 корпуса на заседании диссертационного совета Д 212.117.13 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», г. Саранск, ул. Большевистская, д.68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва».

Отзыв на автореферат просим направить по адресу: 430000, г. Саранск, ул. Большевистская, д.68, Мордовский государственный университет, Диссертационный совет Д 212.117.13.

Автореферат разослан «14» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.117.13 кандидат технических наук >

С.Д. Шибайкин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время спектр применения светодиодных источников света очень широк. Успехи в разработке мощных эффективных светодиодов позволили использовать их для целей освещения. Для подключения светодиодов к стандартной электрической сети 220/380 В необходимы устройства стабилизации тока. Наиболее экономичные стабилизаторы тока для светодиодов основаны на методе широтно-импульсной модуляции, при этом всесторонние исследования импульсного режима питания светодиодов не проводились. Результаты научных исследований могут быть использованы при создании устройств стабилизации тока светодиодов. Использование оптимизированных режимов питания светодиодов с точки зрения светотехнических и тепловых характеристик является возможным путем повышения их эффективности и срока службы.

Цель работы состояла в исследовании тепловых процессов, происходящих при питании светодиодов импульсным током, и их влияния на светотехнические и электротехнические характеристики. Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние параметров импульсного тока на нагрев светодиодной структуры п на отвод тепла от кристалла.

2. Исследовать изменение спектров и цветности светодиодных источников света при изменении температуры кристалла.

3. Исследовать динамику тепловых процессов, происходящих в кристалле.

Объектом исследования являются светодиодные источники света различной цветности, особенности тепловых процессов и генерации излучения при работе в импульсном режиме.

Методы исследований:

- экспериментальные методы исследования тепловых характеристик светодиодов и их влияния на светотехнические параметры;

- методы расчета динамики тепловых процессов, происходящих при питании импульсным током;

- анализ и сопоставление экспериментальных и расчетно-теоретических данных.

Научная новизна полученных результатов

1. Впервые проведены комплексные исследования работы светодиодов в режиме импульсного питания.

2. Разработана методика и экспериментальная установка для проведения светотехнических, электротехнических, тепловых измерений параметров све-

тодиодов; разработан алгоритм и программа для проведения данных исследований и обработки их результатов.

3. Получены экспериментальные зависимости изменения спектра свечения при импульсном токе, экспериментальные данные динамики разогрева и остывания кристалла при протекании тока и установлена их аналитическая связь с тепловым сопротивлением светодиода.

4. Экспериментально определены зависимости температуры кристалла от параметров протекающего импульсного тока.

5. Разработана математическая модель разогрева кристалла при импульсном питании для расчета тепловых характеристик светодиодов при питании импульсным током.

6. Разработана методика измерений тепловых характеристик светодиодов в световом приборе.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Разработана экспериментальная установка и программное обеспечение для проведения косвенных измерений температуры активной области кристалла светодиода.

2. Получены экспериментальные данные зависимости параметров светодиодов от различных режимов импульсного питания.

3. Разработаны светодиодный проектор и светодиодный светофор в основу которых положен импульсный режим работы светодиодных источников света.

4. Разработана методика измерения температуры кристаллов светодиодов при проведении испытаний световых приборов.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Математическая модель разогрева кристалла светодиода при импульсном токе питания.

2. Методика, экспериментальная установка, программа для измерения электротехнических, светотехнических, тепловых параметров светодиодов.

3. Динамика разогрева и остывания кристалла светодиода носит экспоненциальный характер, определяется величинами теплового сопротивления и теплоемкостью элементов конструкции, для импульсного тока эта зависимость описывается теплоемкостью кристалла.

4. Вследствие локального перегрева рабочей области кристалла, увеличение максимально допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению максимально допустимого значения амплитуды импульсного тока. При улучшении теплоотвода, увеличение допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению допустимого значения амплитуды импульсного тока.

5. При импульсном питании увеличение частоты питающего тока приводит к снижению нагрева активной области кристалла.

6. Спектр светодиода белого цвета свечения при импульсном питании изменяется в связи с инерционностью процессов генерации излучения люминофора. Спектры свечения кристаллов светодиодов при увеличении длительности импульсов смещаются в длинноволновую область. Данное смещение определяется увеличением температуры кристалла.

7. Методика измерения температуры кристалла в световом приборе.

Апробация основных положений и результатов проведенного исследования. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на ряде профильных научных конференций: Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники» (г. Саранск, 2004 г., 2005 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г.); III Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (г. Рязань, 2010 г.); IV Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009 г.); научно-техническая конференция «Молодые светотехники России» (г. Москва, 2008 г., 2009 г., 2011 г.); Региональная научно-практическая конференция «Научный потенциал молодежи - будущему Мордовии» (г. Саранск, 2009 г.).

Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты работы, расчеты и обработка результатов получены и выполнены автором самостоятельно. Научным руководителем оказана помощь в интерпретации результатов экспериментов по спектральным зависимостям излучения светодиодов и в разработке математической модели разогрева кристалла протекающим током.

По теме диссертации опубликовано 20 работ в журналах, сборниках трудов и тезисов докладов конференций.

Структура н объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Общий объем диссертации 123 стр. Список литературы содержит 105 наименований.

Содержание работы

Введение. Во введении показана актуальность диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность, рассмотрена общая направленность, определены объекты и методы исследований, сформулированы основные результаты, выносимые на защиту.

1 Аналитический обзор публикаций. К настоящему времени за счет оптимизации технологических процессов и конструктивных элементов светодио-дов достигнуты следующие значения световой отдачи. Для светодиода с кристаллом 1 мм2 при токе питания 350 мА, значение светового потока 155 лм, световая отдача 136 лм/Вт. При этом, на токе 1,4 А можно получить световой поток до 500 лм, но при снижении световой отдачи [1]. Также существуют конструкции светодиодов, в которых совмещены несколько кристаллов светодио-дов, их световой поток превышает 1000 лм, но световая отдача значительно ниже. У лабораторных образцов светодиодов световая отдача на токе 350 мА достигает 208 лм/Вт [2].

Светоизлучающие устройства на светодиодах работают на постоянном токе и низком напряжении, следовательно, легко управляемы с помощью систем регулирования освещения. Допускается использование импульсного режима без негативного влияния на работу светодиода. На этом основан принцип работы многих драйверов - устройств стабилизации тока и управления яркостью светодиодных источников света [3]. В них используется принцип широт-но-импульсной модуляции - питания импульсным током с переменной скважностью. Это позволяет добиться изменения яркости свечения (за счет инерционности зрения) при постоянном амплитудном значении тока. Данные устройства работают на частотах превышающих критическую частоту мельканий (от килогерц до сотен мегагерц). КПД таких устройств составляет 85-95 %.

Основная проблема при создании светодиодов с высоким световым потоком заключается в эффективности преобразования электрической энергии в оптическое излучение. Увеличение рабочего тока с целью повысить яркость светодиодной лампы приводит к увеличению тепловыделения, и к повышению температуры активной области светодиодной структуры. Перегрев СД уменьшает световую отдачу, ограничивает максимальную оптическую мощность, влияет на срок службы. Поэтому анализ теплового режима светодиодных структур требует детального изучения.

Температура влияет на характеристики светодиодов, поэтому одним из основных направлений совершенствования конструкции светодиодов является снижение тепловыделения в кристалле и увеличение теплоотвода. Значительное повышение температуры кристалла над номинальной приводит к быстрой деградации светодиода и выходу его из строя. Существуют модели расчета температуры кристалла по известным тепловым сопротивлениям, при этом отсутствуют модели расчета максимальной температуры кристалла при импульсном питании, в то время как критичной для деградации параметров является именно максимальная температура, а не средняя, определенная по подводимой мощности. Также недостаточно изучено влияние различных режимов импульсного питания на цветовые характеристики светодиодов.

2 Моделирование тепловых процессов. При работе СД в импульсном режиме скорость разогрева и охлаждения кристалла, а, следовательно, и тепловой режим существенным образом зависят от параметров импульсного тока (длительности импульса /„, частоты следования импульсов/, периода следования импульсов тс = 1/Д электрической мощности, подводимой к кристаллу (Р), геометрических размеров кристалла и теплоотвода, теплопроводности элементов конструкции.

При рабочем цикле, за время импульса Г,„ происходит изменение температуры кристалла от первоначальной Топ.1 до некоторой Т„, определяемой описанными выше параметрами (рисунок 1). В зависимости от рода материалов, размеров, подводимой мощности, ход процесса нагрева и уровень значения температуры нагрева Т„ могут заметно отличаться. Характер этих изменений можно оценить с помощью уравнения:

Pdt = 4\dt + PTdt + CTdT

(1)

где Р - электрическая мощность, подводимая к кристаллу, Вт;

Фе и Рт - мощности, отводимые от кристалла излучением и путем теплопроводности, Вт;

Ст - теплоемкость светодиодной структуры, Дж/К; dТ - приращение температуры за время dt, °С.

В любой момент времени

Тх

Го,

То,

кГ 1---1 1 >Тч 1/ 1

г- - - - f

г с

Рисунок 1 - Изменение температуры при импульсе тока

справедлив закон изменения температуры, описываемый уравнением баланса энергии (1). Для баланса энергии светодиодов можно принять следующие упрощения.

Мощность, подводимая к кристаллу в течение импульса, определяется формулой

(Р = 1-и), постоянна и не зависит

от температуры (по результатам измерений в рабочем диапазоне температур ее изменение составляет 0,5%, в данном случае этими изменениями можно пренебречь). Временная зависимость мощности светодиода, работающего в импульсном режиме, описывается функцией, которая имеет следующий вид:

P(ih

'„,, при птс<1 <птс+!н, О, при /гтс +tu <I < (п + \)тс.

(2)

где P(t) - периодическая функция с периодом тс;

Р„ = Г U - амплитудное значение мощности.

Энергия, отводимая от кристалла в виде излучения (Фе), определяется внешним энергетическим выходом излучения, который также зависит от температуры, но из-за незначительной зависимости и небольшого вклада в теплоотдачу светодиода, ее можно считать постоянной и определять исходя из энергетического выхода излучения (для исследуемых светодиодов )/ = 0,05). Энергетический поток связан с подводимой электрической мощностью соотношением Фе - PXfJ.

Мощность отводимая от кристалла посредством теплопроводности определяется как Рт = х(Т-Т0Кр), где х ~ коэффициент теплопроводности (Вт/К). На практике также пользуются величиной теплового сопротивления Q-1/X (К/Вт), которая показывает, разницу температур при подведении к кристаллу мощности в 1 Вт.

Используя данные упрощения, получим уравнение баланса энергии для структуры светодиода:

Ра-Фе)-Х(Т-Т„кр) = СТ^. (3)

Решения данного уравнения, для каждого временного интервала функции (2) будут иметь следующий вид.

Для рабочего цикла, когда на светодиод подается питание, и он излучает световой поток:

по - Т„ ♦ м + (Г. - г., - М). Д'"-'. ,4)

X JC

где Т„ - температура в момент начала и-го импульса, °С;

Токр ~ температура окружающего воздуха, °С;

t - момент времени, с;

t„ - момент времени начала и-го импульса, с.

На постоянном токе, когда /—»со, формула (4) преобразуется к виду:

Т = = (5)

X

где 0 - тепловое сопротивление, К/Вт.

Отсюда, на основе экспериментальных данных можно определить полное тепловое сопротивление светодиода, зная разницу температур кристалла и температуры окружающей среды.

Для цикла остывания, когда электрическая мощность к кристаллу не подводится, функция (4) будет выглядеть следующим образом:

Т{() = Тмр+{Тп-Токр)-е т . (б)

Для определения параметров уравнений (4-6) необходимо провести экспериментальные исследования динамики изменения температуры. Измерение температуры кристалла светодиодов является сложной задачей вследствие малых размеров и невысокой температуры. Здесь сложно применить методы контактного измерения. В связи с этим целесообразно применять метод прямых напряжений, который позволяет проводить серии экспериментов на сравнительно недорогом оборудовании и с достаточно высокой точностью.

Данный метод основан на зависимости электрических параметров полупроводниковых структур от температуры. Суть его заключается в том, что первоначально производится калибровка - измеряются импульсные вольт - амперные характеристики светодиода, помещенного в печь с заданной температурой. При этом за время короткого импульса не происходит разогрев кристалла протекающим током, соответственно температура кристалла определяется температурой печи. Исходя из этого, на основе измеренных значений напряжения и тока при различных температурах печи, строится зависимость электрических параметров от температуры, которая используется для расчета температуры кристалла работающего светодиода.

В качестве измерительного прибора была использована универсальная плата расширения для персонального компьютера N1 РС1-6251 (АЦП-ЦАП), с помощью которой задавались токи питания светодиода и проводились измерения их характеристик. Измерение температуры внутри печи производилось отградуированной термопарой медь-константан. Нагрев осуществлялся посредством пропускания тока, регулируемого на основе измеренных значений температуры. Осевая сила света светодиода измерялась с помощью фотодиода. Схема установки приведена на рисунке 2.

В работе использовался программный комплекс LabView. Для проведения исследований температуры кристалла светодиода была разработана программа, состоящая из нескольких виртуальных приборов (ВП), взаимосвязанных друг с другом: ВП температурной калибровки светодиода; ВП генератора импульсов; ВП измерения вольт-амперной характеристики; ВП измерения электрических характеристик светодиода при импульсном питании.

Результаты экспериментальных исследований разогрева кристалла протекающим током для интервалов времени 60 с, 5 с приведены на рисунках 3, 4 соответственно.

60 50 40 30 20 10 0

0 10 20 30 40 50 60 j

ро - Разогрев - • - Остывание { i

Рисунок 3 - Аппроксимация кривых разогрева и остывания кристалла

при токе 30 мА

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0 1 2 3 4 5 Рисунок 4 - Кривая саморазогрева кристалла в начальный момент времени

Аппроксимация данных кривых с помощью функции вида T=T0+a-zxp(k-t), показывает, что в различные моменты времени коэффициенты а и к в формуле являются различными, т.е. они описывают разогрев различных участков светодиодной структуры. Это объясняется тем, что в начальный

т, -с.....—

i i

т,°с

--------------

; 1

' f......-i

------i-----;-------- " te

момент времени не установился градиент температур и мощность, отводимая от кристалла, шла на нагрев элементов конструкции. Поскольку тепловой поток распространяется не мгновенно, увеличение температуры кристалла в начальный момент времени идет с большей скоростью, т.к. теплоемкость кристалла значительно меньше теплоемкости всей конструкции светодиода и в формуле (4) оказывает влияние малая теплоемкость. По прошествии определенного времени, когда тепловая энергия распространилась по свей конструкции светодиода (по прошествии 10 секунд с момента включения) экспоненциальная зависимость описывает разогрев светодиода с участием в отведении тепла всей конструкции, при этом постоянные времени нагрева удовлетворяют полученным соотношениям для теплового сопротивления, и теплоемкости. Постоянная времени к =*/Ст = 0,043 для процессов разогрева и остывания, откуда можно выразить Ст, зная в = 267 К/Вт (Ст = //0,043 = //(0-0,043; = 0,087 Дж/К). Исходя из габаритных размеров индикаторного светодиода и характеристик материалов, эта цифра хорошо согласуется с теоретической.

Учитывая конечную скорость распространения тепла и принимая тепловое сопротивление между активной областью кристалла и монтажным основанием равным &КО = 25 К/Вт [4], можно произвести оценочный расчет перегрева кристалла при импульсе тока. Учитывая то, что теплоемкость кристалла значительно меньше теплоемкости монтажного основания, можно принять, что в установившемся режиме импульсного питания средняя температура монтажного основания пропорциональна мощности и в случае коротких импульсов его температура практически не изменяется в течение периода импульсов. В этом случае можно говорить, что в начале импульса тока температура кристалла равна температуре монтажного основания. То же самое можно говорить и о моменте окончания импульса (иначе будет происходить передача тепла от менее нагретого тела более нагретому). Таким образом, можно рассчитать перегрев кристалла в моменты импульсов, принимая, что температура монтажного основания при импульсном токе равна его температуре при постоянном токе с той же мощностью.

Для проверки предложенных положений произведем расчет кривой разогрева кристалла. Исходными данными для расчета будут являться: размеры кристалла 250x250x100 мкм; тепловое сопротивление активная область кристалла - монтажное основание кристалла вК0 = 25 К/Вт; удельная теплоемкость сапфира СГ!1пр = 779 Дж/кг К; плотность кристалла сапфира р = 3980 кг/м3 [5]. Результирующая теплоемкость кристалла составляет величину Ст= 12,4-10"6 Дж/К.

Анализ экспериментальных результатов показал, что в первые моменты работы светодиода происходит нагрев кристалла, при этом он описывается экспоненциальной функцией, позволяющей определить теплопроводность и теп-

ловое сопротивление структуры, которые составили соответственно X = 0,013 Вт/К, 0КО = 74,9 К/Вт для интервала времени 0<к0,001 с. В последующее время в интервале 0,001<Г<0,01 с эти показатели составили величины X = 0,0048 Вт/К, &т =210 К/Вт. Теплоемкость и в том и в другом случае составляла величину порядка Ст = 31-Ю"6 Дж/К. Полученные значения экспериментальных данных хорошо согласуются с рассчитанными, учитывая то, что кроме кристалла происходит быстрый нагрев токовых вводов, контактных площадок, контакта кристалл-монтажное основание. Величина теплового сопротивления 74,9 К/Вт в начальный момент времени показывает, что первоначально происходит процесс передачи тепла монтажному основанию, тепловое сопротивление на этом участке составило обозначенную величину. В последующие моменты времени начинается нагрев монтажного основания и здесь устанавливается значение теплового сопротивления равное 210 К/Вт, но поскольку нагрев не мгновенный, то он описывается не как нагрев монтажного основания, а как передача тепла в окружающую среду, поэтому в показателе степени стоит теплоемкость кристалла.

Дальнейшее питание током кристалла приводит к постепенному нагреву всех элементов держателя, установлению стабильного распределения температуры, и в данном случае, в интервале времени / > 10 с в уравнении в показателе степени тепловое сопротивление равно в = 267 К/Вт, теплоемкость Ст = 0,087 Дж/К. В данном случае кривая описывает нагрев всей конструкции светодиода при тепловом сопротивлении между активной областью кристалла и монтажным основание соответствующим установившемуся режиму.

Результаты экспериментальных исследования разогрева для различных частот в интервале 1000-10000 Гц приведены на рисунке 5. Измерения проводились последовательно с интервалом между измерениями 1 минута. Для каждого значения проводились 3 измерения, затем результаты усреднялись. Величина амплитуды импульсного тока составляла 30 мА. На диаграмме также приведены температуры кристаллов светодиодов при различных длительностях импульсов рассчитанные по разработанной модели на основе экспериментально измеренных значений коэффициентов теплопроводности и теплоемкости.

Данные зависимости могут быть объяснены исходя из того, что температура измерялась непосредственно после подачи импульса. Естественно, что в течение более короткого импульса тока кристалл в меньшей степени нагревается, по сравнению с материалом монтажного основания. А поскольку температура монтажного основания соответствует мощности, поэтому при равных скважностях, на более высоких частотах активная область кристалла нагревается в меньшей степени. Таким образом, для снижения локального перегрева активной области кристалла необходимо увеличивать частоту следования импульсов.

32,0 30,0

2000 ♦ д=1,5

, Гц

10000

■ 4=2,5

14=3

Рисунок 5 - Зависимость температуры кристалла от частоты при постоянном значении амплитуды тока

3 Экспериментальные исследования светотехнических характеристик светодиодов при импульсном режиме работы. Для определения влияния температуры на спектр излучения светодиодов при импульсном питании были проведены исследования зависимости свечения светодиодов от различных параметров питающего тока и температуры излучающего кристалла. Измерение температуры проводилось при питании постоянным током, и импульсным током малых скважностей, в связи с этим сказывалось влияние разогрева кристалла протекающим током.

При повышении температуры происходит снижение интенсивности свечения кристалла и люминофора. На основе измерения температурных зависимостей спектра свечения светодиодов, можно определить смещение положения максимумов спектральных интенсивностей при повышении температуры (рисунок 6, стрелками указано направление повышения температуры). Для свето-диода синего цвета свечения, питаемого постоянным током характерно незначительное смещение максимума спектральной интенсивности, что связано с нагревом кристалла протекающим током. Нагрев светодиодов, питаемых импульсным током с частотами 1 кГц и 10 кГц приводит к более значительному снижению интенсивности свечения, и смещению спектра излучения - в сторону длинных волн. Причем наиболее заметен данный эффект при частоте тока 10 кГц. По данным зависимостям можно заключить, что при импульсном питании увеличение частоты питающего тока приводит к снижению перегрева активной области кристалла.

25°С 25'С .. .

*.....\\ 80°С

80*С 80°С

н

477 478 479 480 481 482 483 484 485 I -х- Пост, ток _ ; 1 кГц -л-10 кГц ;

Рисунок 6 - Температурная зависимость положения максимумов спектров свечения синего светодиода на основе структуры ОаЫ при постоянном токе и при импульсном со скважностью 2

Таким образом, вклад нагрева протекающим через кристалл током, является определяющим в тепловом режиме при номинальном постоянном токе. При импульсном токе большее влияние оказывает внешний нагрев.

Спектр свечения белого светодиода приведен на диаграмме (рисунок 7), по которой видно, что при повышении частоты питающего тока с 1 до 100 кГц происходит перераспределение излучения между свечением кристалла и свечением люминофора.

Рисунок 7 - Спектры излучения белого светодиода при импульсном токе питания амплитудой 20мА с частотой от 1 кГц до 100 кГц

При питании светодиода импульсным током с действующим значением 20 мА излучение кристалла светодиода (левый пик) слабо зависит от частоты, при этом наблюдается увеличение интенсивности люминофора желто-зеленого

цвета свечения (правый пик) при повышении частоты питающего тока (рисунок 8). Это явление можно объяснить инерционностью свечения люминофора.

20 40 60 80 100

■ 20 МА--Аппрокс 5 мА - - - - Аппрокс 20 мА !

Рисунок 8 - Изменение соотношения излучения кристалла и излучения люминофора в зависимости от частоты импульсного тока

Смещение спектра светодиодов синего цвета свечения происходит в коротковолновую область на постоянном токе, и в длинноволновую - на импульсном (рисунок 9).

465

460

455

Л, нм ♦ ♦

в й а 1, мА

10

15

20

1 кГц

л 100 кГц

Рисунок 9 - Смещение спектров светодиодов синего цвета свечения в зависимости от тока

Поскольку импульсный ток отличался лишь длительностью импульса при неизменном значении его амплитуды, то можно сделать вывод о том, что смещение при импульсном токе вызывается большим нагревом кристалла в течение импульса. Смещение в коротковолновую область спектра при постоянном токе объясняется тем, что инжектируется большее число электронов с энергией, выше чем нижняя граница зоны проводимости, этим же объясняется уширение спектральных линий.

4. Практическое применение. Светодиодные устройства с импульсным режимом работы находят все более широкое применение в светотехнике. В процессе работы над диссертацией был разработаны светодиодный пешеходный светофор и светодиодный проектор, в которых импульсный режим питания источников света является перспективным.

Для снижения стоимости пешеходного светодиодного светофора, была разработана конструкция, в которой стандартные фигуры стоящего и идущего человека (красный и зеленый сигнал) размещены в одном светоблоке. Для повышения информативности также по краю информационного поля расположен индикатор обратного счета времени в виде постепенно уменьшающегося сектора окружности из светодиодов. В целях снижения электропотребления и повышения информативности, реализована регулировка яркости, для чего в конструкцию введены фотоприемник для определения степени загрязненности защитного стекла, фотоприемники для определения освещенности рабочего поля светофора, акустический датчик для определения громкости окружающего шума, микроконтроллер, регулирующий яркость светодиодов в зависимости от времени суток, освещенности, степени загрязнения защитного стекла, а также регулирующий громкость сигнала в зависимости от уровня шума и времени суток.

В результате происходит снижение стоимости, материалоемкости светофора, за счет замены двух светодиодных секций одной, при этом сохраняется информативность введением индикатора обратного счета времени в виде окружности светодиодов, повышается безопасность, поскольку при регулировке яркости светодиодов учитываются не только освещенности, но также время суток и загрязненность защитного стекла.

При такой реализации схемы управления регулировку яркости свечения целесообразно производить методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при котором яркость будет определяться не током через светодиод (он будет постоянным), а скважностью импульсов. Применение ШИМ также позволит избежать значительного изменения цветовых параметров светодиодов. Таким образом, реализация конструкции светофора с импульсным режимом работы, а именно применением ШИМ позволяет регулировать яркость светофоров в зависимости от внешних условий при сохранении цветовых характеристик в заданных пределах, используя сравнительно простую конструкцию.

Используемые в проекторных системах источники света, такие как галогенные лампы накаливания и ксеноновые разрядные лампы, имеют важный недостаток - у них очень высокая инерционность, а следовательно они не могут работать в импульсном режиме. Это приводит к необходимости применения обтюраторов в пленочных проекторах, что усложняет механическую часть прибора. В приборах с матрицами DLP и LCD при использовании одной мат-

рицы, применяется вращающийся секторный диск, который является дополнительной механической частью, усложняющей конструкцию. К тому же, при вращении диска, из-за постепенного перехода с одного цвета на другой, образуется размытость изображения, которая значительно снижает качество. Таким образом, и в пленочных и в цифровых проекторах имеется необходимость применения импульсного режима, который не может быть достигнут при использовании традиционных источников света. Применение импульсного режима работы светодиодов в цифровых одноматричных проекторах позволяет повысить качество проекции. Это достигается либо за счет исключения секторного диска, заменой его вращения периодическим включением светодиодов различных цветов свечения либо за счет прерывания потока белых светодиодов во время смены цветов секторного диска. И тот и другой способ исключают эффекты «смазанности», следовательно позволит повысить качество изображения.

В то же время, важным недостатком является низкий световой поток све-тодиода. Вследствие этого проекторы на основе единичных светодиодов не могут сравниться по световому потоку с приборами на основе других источников света. Для устранения этого недостатка предлагается применять модуль из нескольких СД, что может быть реализовано двумя способами - с использованием линзы и с использованием сферического модуля. В первом варианте оптическая схема проектора представлена плоским светодиодным модулем и кон-денсорной линзой, которая собирает световой поток в своем фокусе. Во втором варианте используется модуль светодиодов на сферической основе, при этом излучение светодиодов собирается в центре кривизны основы модуля. Применение данных модулей позволит повысить световой поток светодиодных проекторов и выйти на уровень освещенности, создаваемый галогенными лампами накаливания, используемыми в большинстве конструкций.

При разработке новых типов светодиодных световых приборов важным является расчет тепловых характеристик. Недостаточный отвод тепла от кристалла приводит к снижению световой отдачи прибора [6], превышение температуры кристалла над максимально допустимой вызывает быструю деградацию, снижение светового потока прибора в течение срока службы. Высокая температура также может вызвать выход светодиодов из строя. Поскольку на настоящий момент основным преимуществом светодиодных световых приборов, применяемых в целях освещения, является высокий срок службы, при высокой стоимости приборов, поэтому недопустимо превышение температуры кристалла над предельно допустимой температурой, установленной изготовителем светодиодов. Вместе с тем, хороший теплоотвод связан с увеличением габаритов и материалоемкости светового прибора, что повышает его стоимость, усложняет монтаж. Следовательно, для оптимизации конструкции в

процессе разработки световых приборов важным является контроль температуры кристалла при различных условиях работы прибора.

Метод прямых напряжений позволяет оценить температуру кристалла в работающем световом приборе. Последовательность измерений по данной методике следующая:

- при конструировании для измерения тока предусматривается резистор, включенный последовательно с самым теплонапряженным светодиодом в конструкции, другим вариантом является применение генератора токовых импульсов со стабилизированной амплитудой;

- в процессе климатических испытаний производится калибровка светодиода (определяется зависимость падения напряжения от температуры кристалла), при этом длительность измерительных токовых импульсов подбирается таким образом, чтобы они не успевали разогревать кристалл;

- зная зависимость прямого напряжения светодиода от его температуры, измеряется напряжение на светодиоде на рабочем токе, по которому рассчитывается температура кристалла, устанавливающаяся в режиме эксплуатации.

Данная методика может применяться для типовых и периодических испытаний световых приборов. Она позволяет с большей точностью определять температуру кристалла, по сравнению с определением контактными методами и последующим пересчетом по тепловому сопротивлению. Методику легко автоматизировать и встроить в комплекс климатических испытаний. Эти измерения могут также проводиться для выявления предельных температур эксплуатации приборов.

Для экспериментальной проверки разработанной методики были проведены исследования динамики изменения температуры кристалла светодиода при различных условиях теплоотвода - в корпусном и бескорпусном исполнении светового прибора. Для реализации поставленной цели был изготовлен макет светового прибора из 20 светодиодов. Предварительно откалиброванный светодиод был размещен в центре платы, поскольку в этой точке наблюдалась наибольшая температура. Светодиоды были подобраны с близкими электрическими параметрами, чтобы разница в рассеиваемой мощности светодиодов не оказывала влияния на распределение температуры. Результаты измерения динамики температуры кристалла приведены на графиках (рисунок 10). Наряду с температурой кристалла, на диаграмме приведена температура монтажного основания, измеряемая предварительно отградуированной термопарой, а также разница температуры кристалла и температуры монтажного основания.

Анализируя приведенный график можно заключить, что в течение 30 минут устанавливается стабильная температура платы (кривая 1) и температуры кристалла (кривая 2). При этом, в корпусном исполнении температура выше чем в бескорпусном на 4,1°С. Градиент температур между корпусом и платой

(кривая 3) устанавливается в течение первой минуты работы прибора, и в дальнейшем повышение температуры кристалла связано только с увеличением температуры платы. Превышение температуры кристалла над температурой платы в установившемся режиме в обоих случаях составляет величину порядка 7,6°С, что для индикаторного светодиода при токе 20 мА и напряжении 3,1 В характеризует величину теплового сопротивления кристалл - монтажная плата равную 122,5 К/Вт.

т, °с

----- --------- ----------

Ь с

_0___________10______________20

-1— Т платы -3— Т крист

30

-3-ДТ

а)

Рисунок 10 - Динамика изменения температуры в световом приборе: а) в корпусном исполнении; б) бескорпусном исполнении

Полученные результаты позволяют говорить о корректности разработанной методики и целесообразности ее применения для оценки условий теплоот-вода и перегрева кристалла светодиода в световом приборе.

Основные результаты и выводы

1. В работе были проведены исследования влияния параметров импульсного тока на нагрев светодиодной структуры, изменение спектров светодиодных источников света.

2. Построена математическая модель расчета тепловых характеристик светодиодов при питании импульсным током.

3. Установлено, что при улучшении отвода тепла от светодиода увеличение максимально допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению максимально допустимого значения амплитуды импульсного тока, вследствие локального перегрева рабочей области кристалла.

4. Показано, что динамика разогрева и остывания кристалла светодиода носит экспоненциальный характер, определяется величинами теплового сопротивления и теплоемкостью элементов конструкции, для импульсного тока эта зависимость описывается теплоемкостью кристалла.

5. Обнаружено, что спектр светоднода белого цвета свечения в течение периода импульса тока изменяется в связи с инерционностью процессов генерации излучения люминофора.

6. Установлено, что при импульсном питании в условиях внешнего нагрева светодиода происходит более значительное смещение максимума спектральной интенсивности излучения в сравнении с постоянным током при равных действующих значениях, объяснением этому служит больший разогрев рабочей области кристалла вследствие большей амплитуды импульса и инерционности процессов теплопередачи.

7. Показано, что увеличение частоты питающего тока приводит к снижению перегрева активной области кристалла.

8. Разработаны светодиодный проектор и светодиодный светофор в основу которых положен импульсный режим работы светодиодных источников света.

9. Разработана методика измерений тепловых характеристик светодио-дов, которая позволяет измерять температуру кристалла светодиода в световом приборе.

Список цитируемых источников

1. Мировой рекорд в лаборатории OSRAM: значительное увеличение яркости и эффективности белых светодиодов // Электронный ресурс: режим доступа http://www.osram.ru/osram_ru/News/Consumer/2008-07-21_LED_chiprecord.jsp 21.07.2008.

2. Cree перешагнула 200 лм/Вт // Электронный ресурс: режим доступа http://ledcommunity.ru/node/sandbox/versions/377after = 20091209001800.

3. Местечкина Г. Драйверы со стабилизацией выходного тока для питания светодиодов // Новости электроники, №7, 2008, С. 10-12.

4. Ефремов А. А. Исследование эффективности InxGai_xN/GaN светодиодов / Дисс. канд. техн. наук. - С.-Пб., 2006. - 104 с.

5. ООО НПФ «Экситон». Продукция. Сапфир. // Электронный ресурс: режим доступа http://www.npf-exiton.ru.

6. Никифоров С.Г. Температура в жизни и работе светодиодов. // Компоненты и технологии. - №9, 2005. С.48-54, №1, 2006. С.18-23.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях 1. Ашрятов A.A. Измерение температуры кристалла маломощных светодиодов / A.A. Ашрятов, С.А. Микаева, А.Б. Мышонков // Автоматизация и современные технологии. - 2011. - №3.- С. 10-13.

2. Ашрятов A.A. Измерение температуры кристалла маломощного свето-диода / A.A. Ашрятов, С.А. Микаева, А.Б. Мышонков // Приборы. - 2010. -№5(119). С. 56-61.

3. Ашрятов A.A. Пешеходный светодиодный светофор / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков // Патент на полезную модель № 100316. Заявка 2010124039/11, 11.06.2010. Кл. МПК G08G1/095. Опубл.: 10.12.2010. Бюл. №34.

4. Ашрятов A.A. Усовершенствование пешеходного светофора / A.A. Ашрятов, М.Б. Басов, А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники: Сб. науч. тр. II Всерос. науч.-техн. конф./ Под. ред. проф. Л.В. Абрамовой. - Саранск: СВМО, 2004. С. 41-42.

5. Ашрятов A.A. Модернизация пешеходного светофора / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб. науч. тр. III Всерос. науч.-техн. конф. Под. ред. проф. JI.B. Абрамовой. - Саранск: СВМО, 2005. С. 43-45.

6. Мышонков А.Б. Исследование зависимости спектра излучения светодиодов от режима питания // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. С. 40-43.

7. Ашрятов A.A. Температурная зависимость спектра излучения светодиодов при импульсном режиме питания / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков И Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. С. 20-23.

8. Абрамова JI.B. Светодиодный проектор: преимущества и перспективы / JI.B. Абрамова, Ю.А. Цюпак, А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. С. 1720.

9. Мышонков А.Б. Температурная зависимость спектра излучения светодиодов при импульсном режиме питания // Сборник тезисов докладов на научно-технической конференции «Молодые светотехники России». - М.: ВИГМА, 2008. С. 51-52.

10. Мышонков А.Б. Исследование возможности концентрации светового потока светодиодного модуля с целью создания оптической системы светодиодного проектора / А.Б. Мышонков, JI.B. Абрамова, Ю.А.Цюпак // Сборник тезисов докладов на научно-технической конференции «Молодые светотехники России». - М.: ВИГМА, 2008. С. 58-59.

П.Абрамова JI.B. Проектор на основе сферического светодиодного модуля / JI.B. Абрамова, Ю.А. Цюпак, А.Б. Мышонков // Проблемы и перспективы раз-

вития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб. науч. тр. VII Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск: СВМО, 2009. С. 18-20.

12. Ашрятов A.A. Измерение температуры активной области кристалла свето-диода / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков, B.C. Белоглазов // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб. науч. тр. VII Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск: СВМО, 2009. С. 9-11.

13. Мышонков А.Б. Возможные пути повышения эффективности светодиодных источников света / А.Б. Мышонков, A.A. Ашрятов // Материалы докладов IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред.д-ра физ.-мат. Наук, проф. Ю.Я.Петрушенко. В 4 т.; Т. 1. - Казань: Казан, гос.энерг. ун-т, 2009. С. 251-252.

14. Мышонков А.Б. Проблемы и перспективы создания проекторов на основе светодиодных модулей / А.Б. Мышонков, JI.B. Абрамова, Ю.А. Цюпак // Сборник тезисов докладов на научно-технической конференции «Молодые светотехники России». - М.: ВИГМА, 2009. С. 37-38.

15. Мышонков А.Б. Исследование светодиодов при импульсном питании / А.Б. Мышонков, A.A. Ашрятов // Материалы итоговой региональной научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи - будущему Мордовии». Часть 2: Естественные и технические науки. - Саранск: Изд-во Мор-дов. ун-та, 2010. С. 142-143.

16. Ашрятов A.A. Измерение температуры кристалла маломощных светодиодов / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков, С.А. Микаева // Вестник Московского государственного университета приборостроения и информатики. - М.: Издательство МГУПИ, 2010. С. 95-103.

17. Мышонков А.Б. Макет светодиодного проектора / А.Б. Мышонков, Ю.А. Цюпак // Светотехника и источники света: Сб. науч.-метод. тр. - Саранск: Прогресс, 2010. С. 94-95.

18. Мышонков А.Б. Динамика изменения температуры активной области кристалла светодиода / А.Б. Мышонков, A.A. Ашрятов // Светотехника и источники света: Сб. науч.-метод. тр. - Саранск: Прогресс, 2010. С. 101-103.

19. Ашрятов A.A. Температура кристалла светодиода в световом приборе / А.Б. Мышонков, A.A. Ашрятов // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб. науч. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск: СВМО, 2011. С. 103-104.

20. Ашрятов A.A. Аппроксимация кривых саморазогрева кристалла светодиода протекающим током / A.A. Ашрятов, А.Б. Мышонков, С.Д. Шибайкин //Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: Сб. науч. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск: СВМО, 2011. С. 148-151.

Подписано в печать 12.04.12. Объем 1,25 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 479. Типография Издательства Мордовского университета 430005, г. Саранск, ул. Советская, 24

61 12-5/2474

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева»

На правах рукописи

Мышонков Александр Борисович

Исследование характеристик светодиодных источников света при питании

импульсным током

Специальность 05.09.07 - Светотехника Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент А.А. Ашрятов

Саранск 2012

Содержание

Список сокращений и обозначений 5

Введение 8

1 Аналитический обзор публикаций 13

1.1 Конструкция и механизм генерации излучения светодиодов 13

1.1.1 Механизм протекания тока и генерации излучения в светодиодной структуре, электрические параметры светодиодов 13

1.1.2 Конструкция светоизлучающего кристалла 15

1.1.3 Конструкция и параметры светодиодов 18

1.1.4 Тепловая модель свето диода 21

1.2 Температурные зависимости работы светодиодов 25

1.2.1 Температурные зависимости эффективности люминесценции и электрических параметров 25

1.2.2 Влияние температуры на спектральные характеристики 31

1.3 Излучение полупроводниковых источников в импульсном режиме 33

1.3.1 Разогрев кристалла в импульсном режиме 33

1.3.2 Особенности восприятия импульсного излучения 36

1.3.3 Управление силой света светодиодов 39

1.3.4 Схемы питания светодиодов 40

1.4 Параметры люминофоров, применяемых в светодиодных источниках света 42

1.5 Выводы по разделу и постановка задач 45

2 Моделирование тепловых процессов 46

2.1 Характеристики импульсного тока 46

2.2 Математическая модель нагрева кристалла при импульсном режиме работы 51

2.3 Измерение температуры активной области кристалла свето диода 56

2.3.1 Обоснование выбора методики измерения температуры кристалла свето диода 56

2.3.2 Методика эксперимента 60

2.3.3 Результаты исследования динамики разогрева и остывания кристалла 65

2.3.4 Аппроксимация кривых разогрева и остывания кристалла светодиода 67

2.3.5 Исследование зависимости температуры кристалла от скважности тока 71

2.3.6 Исследование зависимости температуры кристалла светодиода от частоты протекающего тока 73 2.4 Заключение по главе 74

3 Экспериментальные исследования светотехнических характеристик светодиодов при импульсном режиме работы 76

3.1 Фотометрия светодиодов 76

3.2 Исследования спектральных характеристик излучения при различной температуре светодиода 77

3.2.1 Методика измерений 77

3.2.2 Результаты измерений спектральных характеристик светодиодов при изменении температуры 78

3.3 Исследование спектральных характеристик светодиодов в зависимости от режима питания 81

3.4 Исследование цветовых характеристик светодиодов при питании импульсным током 85

3.5 Заключение по главе 89

4 Практическое применение 91 4.1 Пешеходный светодиодный светофор 91 4.1.1 Конструкция 91

4.1.2 Схема управления 96

4.2 Проектор с импульсным режимом работы 98

4.3 Методика контроля температуры кристаллов светодиодов при разработке световых приборов на их основе 103 Основные результаты и выводы 108 Список использованных источников 110

Список сокращений и обозначений

Сокращения СД - светодиод;

КПД - коэффициент полезного действия;

КЯ - квантовая яма;

ВАХ - вольт-амперная характеристика;

ТТТИМ - широтно-импульсная модуляция;

ПК - персональный компьютер;

КЦТ - коррелированная цветовая температура.

Обозначения Латинские Т - температура;

7} - температура /?-и-перехода; Та - температура окружающей среды;

ЛТ]а - температурный перепад на тепловом сопротивлении между

кристаллом СД и окружающей средой; Л Тхр - температурный перепад на тепловом контакте подложка -

монтажное основание АТ^а - температурный перепад на тепловом сопротивлении катодного вывода

Токр - температура окружающей среды;

,1,.т - пиковая сила света;

<2 - скважность.

Г - частота импульсов тока;

1т - амплитуда импульса тока;

/ - мгновенное значение тока;

¿п - длительность паузы между импульсами тока;

¿и - длительность импульса тока;

1п - время начала «-го импульса;

V - Действующее напряжение импульса (среднеквадратичное

значение напряжения)

ит - максимальное значение напряжения импульса;

11сд - напряжение на светодиоде;

и - мгновенное значение напряжения импульса;

К3 - коэффициент заполнения;

1т - максимальный ток импульса (амплитуда тока);

I - действующий ток импульса (среднеквадратичное значение тока);

р - мгновенная мощность импульса;

Ра - активная мощность импульса;

Р - электрическая мощность, подводимая к кристаллу;

/у - сила света;

1Ш1 - пиковая сила света;

Фе - энергетический поток излучения;

Рг - мощность, отводимая путем теплопроводности;

Ст - теплоемкость;

Т - время;

к,Ь - коэффициенты калибровки светодиодов;

ССТ - коррелированная цветовая температура;

Греческие 0 - тепловое сопротивление; X ~ коэффициент теплопроводности;

Х]-.чР - теплопроводность между кристаллом и монтажным основанием;

Фмр ™ тепловое сопротивление подложки;

&аР - тепловое сопротивление теплового контакта подложка - монтажное основание

- тепловое сопротивление катодного вывода;

@7 - тепловое сопротивление /з-и-перехода;

@]а - тепловое сопротивление между кристаллом светодиода и окружающей средой;

г}^ - энергетическая эффективность излучения светодиода;

тс - период следования импульсов

Хт - длина волны максимума спектра излучения;

Ха - доминантная длина волны излучения люминофора.

Введение

Первые коммерческие светодиоды (СД) красного цвета на основе GaAsP/GaAs были изготовлены в 1968 г. и имели световую отдачу 0,2 лм/Вт. Данные светодиоды применялись в маломощных сигнальных устройствах. В 1970 г., была представлена система на основе GaP с удвоенной световой отдачей (0,4 лм/Вт). Через 15 лет было достигнута величина 4 лм/Вт, и в начале 90-х AlInGaP и AlInGaAs сплавы стали основанием для производства СД с излучением в зеленой и красной части спектра со световой отдачей до 10 лм/Вт. Но такая сравнительно высокая световая отдача была достигнута только для СД с излучением в желто-красной части спектра и стремительно снижалась в желто-зеленой части [1]. В конце 1993 г. были созданы сверхяр-кие синие СД на основе нитрида галлия (GaN) со световой отдачей до 10 лм/Вт. Тогда же были представлены зеленые СД на основе GaN со световой отдачей 20 лм/Вт. Первые светодиоды синего и зеленого диапазонов спектра, разработанные на фирме Nichia Chemical Industry, содержали одну квантовую яму, куда осуществлялась инжекция носителей заряда [2]. Поиски оптимальных структурно-технологических параметров привели к созданию светодиодных структур с 4-5-ю квантовыми ямами, которые в свою очередь различаются по характеру легирования барьеров по краям квантовых ям.

К настоящему времени за счет оптимизации технологических процессов и конструктивных элементов светодиодов достигнуты следующие значения световой отдачи. Для светодиода с кристаллом площадью 1 мм2 при токе питания 350 мА, значение светового потока 155 лм, световая отдача 136 лм/Вт. При этом, на токе 1,4 А можно получить световой поток до 500 лм, но при снижении световой отдачи [3]. Также существуют конструкции светодиодов, в которых совмещены несколько кристаллов светодиодов, их световой поток превышает 1000 лм, но световая отдача значительно ниже. У лабораторных образцов светодиодов световая отдача достигает 208 лм/Вт [4].

Светоизлучающие устройства на СД работают на постоянном токе и низком напряжении, следовательно, легко управляемы с помощью систем регулирования освещения. Допускается использование режимов смешения, отключения, пульсирующего режима без негативного влияния на работу СД [5]. На этом основан принцип работы ряда драйверов - устройств стабилизации тока и управления яркостью светодиодных источников света [6]. В них используется широтно-импульсная модуляция - питание импульсным током с переменной скважностью. Это позволяет добиться изменения яркости свечения (за счет инерционности процессов восприятия излучения человеческим глазом) при постоянном амплитудном значении тока. Данные устройства работают на частотах превышающих критическую частоту мельканий (от килогерц до сотен мегагерц). КПД таких устройств составляет 85-95 %.

Современные исследования светодиодов направлены на увеличение мощности и квантового выхода, на увеличение световой эффективности диода и люминофора, а также на снижение стоимости готового СД [7]. Основная проблема при создании светодиодов с высоким световым потоком заключается в эффективности преобразования электрического тока в оптическое излучение. Увеличение рабочего тока с целью увеличить световой поток СД приводит к увеличению тепловыделения, и к повышению температуры активной области светодиодной структуры. С ростом температуры СД уменьшается квантовый выход излучения, ограничивается максимальная оптическая мощность, снижается срок службы. Поэтому анализ теплового режима светодиодных структур требует детального изучения.

Цель работы состояла в исследовании тепловых процессов, происходящих при питании светодиодов импульсным током, и их влияния на светотехнические и электротехнические характеристики. Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние параметров импульсного тока на нагрев светодиодной структуры и на отвод тепла от кристалла.

2. Исследовать изменение спектров и цветности светодиодных источников света при изменении температуры кристалла.

3. Исследовать динамику тепловых процессов, происходящих в кристалле.

Объектом исследования являются светодиодные источники света раз-личной цветности, особенности тепловых процессов и генерации излучения при работе в импульсном режиме.

Методы исследований:

- экспериментальные методы исследования тепловых характеристик свето-диодов и их влияния на светотехнические параметры;

- методы расчета динамики тепловых процессов, происходящих при питании импульсным током;

- анализ и сопоставление экспериментальных и расчетно-теоретических данных.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые проведены комплексные исследования работы свето-диодов в режиме импульсного питания.

2. Разработана методика и экспериментальная установка для проведения светотехнических, электротехнических, тепловых измерений параметров светодиодов; разработан алгоритм и программа для проведения данных исследований и обработки их результатов.

3. Получены экспериментальные зависимости изменения спектра свече-ния при импульсном токе, экспериментальные данные динамики разогрева и остывания кристалла при протекании тока и установлена их аналитическая связь с тепловым сопротивлением светодиода.

4. Экспериментально определены зависимости температуры кристалла от параметров протекающего импульсного тока.

5. Разработана математическая модель разогрева кристалла при импульсном питании для расчета тепловых характеристик светодиодов при пита-нии импульсным током.

6. Разработана методика измерений тепловых характеристик свето-дио-дов в световом приборе.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель разогрева кристалла светодиода при импульсном токе питания.

2. Методика, экспериментальная установка, программа для измерения электротехнических, светотехнических, тепловых параметров светодио-дов.

3. Динамика разогрева и остывания кристалла светодиода носит экспоненциальный характер, определяется величинами теплового сопротивления и теплоемкостью элементов конструкции, для импульсного тока эта зависимость описывается теплоемкостью кристалла.

4. Вследствие локального перегрева рабочей области кристалла, увеличение максимально допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению максимально допустимого значения амплитуды импульсного тока. При улучшении теплоотвода, увеличение допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению допустимого значения амплитуды импульсного тока.

5. При импульсном питании увеличение частоты питающего тока приводит к снижению нагрева активной области кристалла.

6. Спектр светодиода белого цвета свечения при импульсном питании изменяется в связи с инерционностью процессов генерации излучения люминофора. Спектры свечения кристаллов светодиодов при увеличении длительности импульсов смещаются в длинноволновую область. Данное смещение определяется увеличением температуры кристалла.

7. Методика измерения температуры кристалла в световом приборе.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1. Разработана экспериментальная установка и программное обеспечение для проведения косвенных измерений температуры активной области кристалла светодиода.

2. Получены экспериментальные данные зависимости параметров светодиодов от различных режимов импульсного питания.

3. Разработаны светодиодный проектор и светодиодный светофор в основу которых положен импульсный режим работы светодиодных источников света.

4. Разработана методика измерения температуры кристаллов светодиодов при проведении испытаний световых приборов.

1 Аналитический обзор публикаций

1.1 Конструкция и механизм генерации излучения светодиодов

1.1.1 Механизм протекания тока и генерации излучения в светодиодной структуре, электрические параметры светодиодов

Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации инжектированных носителей в прямосмещенном /?-п-переходе (рисунок 1.1). Для источников видимого света необходимы полупроводники с шириной запрещенной зоны от 1,8 до 2,8 эВ или больше, если используются не межзонные переходы, а излучательные переходы через глубокие примесные уровни [8].

Рисунок 1.1- Излучательная рекомбинация

Наилучшие параметры излучения имеют светодиоды на основе гете-роструктур (или гетеропереходов). Гетеропереходом называется переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны [9]. Наряду с ординарной, в светодиодах используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительный запирающий широкозонный слой того же что и база типа проводимости. В двойной гете-роструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области, зона базы образует потенциальную яму, в которой скап-

ливаются инжектированные электроны. Избыточная концентрация носителей в активной (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры. Другой отличительной особенностью гетеростурктур является разница в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера. Поэтому излучение выводится из эмитерра практически без поглощения [8]. Все преимущества гетеропереходов достижимы только при высоком их качестве [10].

При увеличении напряжения на светодиоде с квантовыми ямами на основе структур из СаИ, протекание тока происходит в следующей последовательности: туннельный (безызлучательная рекомбинация) - при напряжениях меньших 1 В, туннельный (излучательная рекомбинация) - при напряжениях 1-2 В, инжекционный - при напряжениях 2-2,5 В, инжекционный (ограниченный последовательным сопротивлением) - 2,5-4 В [1112]. В работе [13] также показано, что при малых токах существенна роль туннельного излучения. В спектре голубого 1пСа1Ч/АЮаМ/СаК светодиода при малых токах (/<0,1 мА) наряду с основным максимумом с энергией 2,7 эВ, существует максимум туннельного излучения с энергией 2,28 эВ. При увеличении напряжения выше 2 В, начинает резко расти интенсивность голубой линии.

Максимальная квантовая эффективность в 1пОаК светодиодах наблюдается при небольших токах в диапазоне 0,1-1 мА и с последующим ростом уровня инжекции эффективность падает (рисунок 1.2) [14, 15].

Наряду со структурами АПпваЫ, излучающими в сине-зеленой области, в настоящее время существуют структуры АПпОаР, излучающие в оранжево-красной области [16]. При этом для создания СД с высокой цветопередачей необходимы СД с излучением в области 530-580 нм, эффективность которых пока невысокая, что вызвано либо непрямозонной структурой (ваР, 81С), либо недостаточным временем жизни (АпВх/!), либо недостаточно ис-

следованием материалов (оксиды II группы, нитриды редкоземельных элементов). В системе AlInGaP при создании СД на излучение короче 580 нм происходит переход к непрямозонной структуре при увеличении концентрации AI [17]. Для структур AinN фундаментальных проблем нет, но есть большое рассогласование решеток GaN-InN.

10"7 10"' 10° ю'

5, ма

Рисунок 1.2 - Зависимости от прямого тока для 1пОаК светодиода синего цвета свечения: а) световой мощности; б) квантовой эффективности

1.1.2 Конструкция светоизлучающего кристалла

Существуют различные конструкции кристаллов, отлич�