LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN...UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico Secades LEDS: Emisión de color. Cristal con dopado tipo P Ánodo.Cristal con dopado tipo N Cátodo Cuando

UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico Secades

LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN


LÁMPARAS DE ESTADO SÓLIDO (LEDs DE ALTA EFICIENCIA) SOLID-STATE LIGHTING

LA EMISIÓN ESPONTÁNEA DE LUZ EN SEMICONDUCTORES ES DEBIDA A LA RECOMBINACIÓN RADIANTE DE LOS EXCESOS DE HUECOS Y ELECTRONES

EL EXCESO DE HUECOS Y ELECTRONES SE PRODUCE MEDIANTE LA INYECCIÓN DE CORRIENTE CON PEQUEÑAS PÉRDIDAS

FENÓMENO FÍSICO DENOMINADO INYECCIÓN LUMINISCENTE

LA FORMA MAS EFICIENTE DE ELECTROLUMINISCENCIA ES LA INYECCIÓN LUMINISCENTE.

FENÓMENO DESCUBIERTO POR ROUND EN 1907: INYECTO CORRIENTE EN UNA UNIÓN DE METAL CON CARBURO DE SILICIO Y OBSERVO LUZ AMARILLA

LA INVENCIÓN DEL LED ROJO OCURRIÓ EN 1962 (HOLONYAK Y BEVACQUA)

EN LA ACTUALIDAD ES UNO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS MAS PROMETEDORES PARA PRODUCIR LUZ

Reference: "Introduction to Solid-State Lighting" Arturas Zukauskas, Michael S. Shur, Remis Gaska John Wiley&Sons 2002



LEDS:

Emisión de color.

Cristal con dopado tipo P Ánodo.

Cristal con dopado tipo N Cátodo

Cuando el diodo está polarizado directamente, las recombinaciones

en la zona de deplexión emiten luz.



LED´s DE ALTA EFICIENCIA: MATERIALES ADECUADOS

eVh

nm

5.1239

h = SALTO ENERGÉTICO EN EL

SEMICONDUCTOR

ALEACIONES TERNARIAS O CUATERNARIAS: MEZCLA DE Al, Ga, In EN EL CÁTODO Y

MEZCLAS DE As, P, N EN EL ANODO SON LA BASE DE LOS LED ACTUALES

SALTOS ENERGÉTICOS DE

MATERIALES ELEMENTALES Y

MEZCLAS BINARIAS



Materiales más utilizados

GaAs 870-900nm 10%

SiC 460-470nm 0,02%

GaP (Zn-O) 700 nm 3%

GaP (N) 565 nm 0,1%

Bin

ari

os

AlxGa1-xAs (x<0,4) 640-870nm 5-20%

GaAs1-yPy (y<0,45) 630-870nm <1%

GaAs1-yPy (y>0,45) 560-700nm <1% Tern

ari

os

In0,49AlxGa51-xP 560-700nm 1-10%

In1-xGaxAsyP1-y 1000-1600nm >10% Cu

at.



LED´s DE ALTA EFICIENCIA: EFICIENCIAS Y COLORES



LED´s DE ALTA EFICIENCIA: POSICIÓN EN EL DIAGRAMA CROMÁTICO CIE 1931



LEDS: Emisión de color.

Según el tipo de material con el que se dopa se emiten distintos colores.



LEDS:

Emisión de color.

La longitud de onda donde es mayor la potencia radiada se llama el pico de emisión o la longitud de onda dominante. Para algunos LED el pico de

emisión cambia según la corriente, provocando desplazamientos de color.



LED´s DE ALTA EFICIENCIA: ESPECTROS



LEDS DE COLOR BLANCO:

4 Opciones para conseguir el color blanco

LA MÁS UTILIZADA ES LA PRIMERA.

LED AZUL(InGaN) MÁS UN FÓSFORO AMARILLO



LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS (WHITE LED)

BÁSICAMENTE HOY HAY DOS FORMAS DE OBTENER LUZ BLANCA:

1.- MEZCLA DE LUZ DE DIFERENTES COLORES

2.- UTILIZAR FÓSFOROS PARA OBTENER O COMPLEMENTAR EL COLOR

-CON LA LUZ AZUL OBTENER LUZ ROJA

-CON LUZ UV OBTENER LUZ BLANCA (TRIFÓSFOROS)

Combinación de LED de Alta Eficiencia Rojos, Verdes, Azules

Luz Azul

Luz Roja

Fósforos



Luz Azul

Luz Roja

Fosforos

Longitud de onda [nm


MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N - 465 nm) Y FÓSFORO

AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO)



350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA

MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N - 465 nm) Y FÓSFORO

AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO)




YAG:Ce3+

Al In Ga N

460 nm





LED´s DE ALTA EFICIENCIA: REGIÓN ALCANZABLE CON LA MEZCLA DE COLORES



Los LED con emisión UV se encuentran hoy día (año 2007) en pleno desarrollo. El uso de un LED UV para excitar un trifósforo y producir luz blanca (similar a un tubo fluorescente), marcará un hito importantísimo en la industria y los hábitos de iluminación mundiales. El Oxido de cinc (Zn O) está en la base de los LED UV. Es barato, abundante y muy fácil de producir. Por el contrario el Nitruro de Galio (Ga N) utilizado en los LED actuales para iluminación, es escaso, caro y muy difícil de producir. El problema tecnológico actual esta en conseguir de forma estable la zona dopada P del diodo. En las pruebas actuales se ha demostrado que es muy poco estable y se convierte de nuevo en zona N a los pocos meses de operación del diodo. Por el contrario el Ga N dopado P o N es estable durante mas de 100.000 horas (10 años). El el estado actual de la técnica se ha conseguido duraciones en torno a los 16 meses dopando el Zn O con litio (Li) y Nitrogeno (N) con ayuda de un laser pulsante (Universidad de Zhejiang en China). No obstante, varias empresas en Japón, USA y China andan detrás de técnicas alternativas para conseguir el deseado semiconductor dopado P basado en Zn O. Fuente: IEEE Spectrum - Marzo 2007



1.- DURACIÓN DE MAS DE 150.000 HORAS

2.- NO TIENEN PROBLEMAS CON EL TEMA DE ENCENDIDOS Y APAGADOS

3.- RANGO DE TEMPERATURA DE FUNCIONAMIENTO AMPLIO (DESDE -20ºC HASTA 100ºC)

4.- REDUCCIÓN IMPORTANTE DEL CALOR RADIADO POR LA LÁMPARA

5.- NO SON PELIGROSAS ANTE ROTURAS, ALTAS PRESIONES, MATERIALES PELIGROSOS,

ETC

6.- RESISTEN CHOQUES, VIBRACIONES CONSIDERABLES, ETC.

7.- TRABAJAN CON TENSIONES SEGURAS

Importancia de futuro y uso de los diodos LED



LED´s DE ALTA EFICIENCIA

LOS RENDIMIENTO LUMINOSOS EMPIEZAN A SER ELEVADOS Y A COMPETIR

CON LAS LÁMPARAS FLUORESCENTES

FLUORESCENTES

INCANDESCENTES

LED BLANCO CREE

107 lm/W



UN DIODO LED (107 Lm/w)





Typical Flux Comparison Across All Colors

Notes 1. Drive current

350 mA 2. LUXEON® I,

LUXEON® K2, Cree and Seoul Semi typical flux values obtained from product datasheets

3. Nichia and

Osram typical flux values calculated by averaging min & max flux values on datasheet

Typical Flux Comparison - All Colors

0

10

20

30

40

50

60

70

Flu

x

Luxeon K2

Luxeon

Cree

Osram

Nichia

Seoul Semi

Wh

ite

Am

be

r

R-O

Re

d

Cya

n

Blu

e

Gre

en



350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

INCANDESCENTE - HALÓGENA

350 400 450 500 550 600 650 700 750 [ nm ]

VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC 23

HPS 150 W

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN

LPS

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN

VM

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

FLUORESCENTE (VAPOR DE MERCURIO BAJA PRESIÓN)

LUZ 927 BLANCO CÁLIDO

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

HALOGENUROS METÁLICOS TALIO Y TIERRAS RARAS

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA

10-30 lm/W 100 lm/W

183 lm/W

130 lm/W

90 lm/W

90 lm/W

70 lm/W



1.- Como se aprecia los LED en rendimiento luminoso presentan valores

totalmente comparables con las principales lámparas habituales en iluminación.

2.- El problema es que cada LED es una unidad muy pequeña de iluminación.

A igualdad de rendimiento luminoso (p.e. de forma optimista 100 lm/W)

1 Tubo fluorescente de 36 W podría sustituirse por 36 LED de 1 W

1 Lámpara de alumbrado público de vapor de sodio de alta presión de 400 W

requerirá 400 LED de 1 W

3.- Aparecen nuevos problemas:

Diseño de la luminaria, diseño de la óptica, orientación de la luz para

un determinado diagrama de radiación, sistema de alimentación y

control de la luz mas eficiente, evacuación térmica, etc)



PARTES QUE COMPONEN LOS LEDS:

LED DE MONTAJE SUPERFICIAL.

Unión con dopado tipo P Ánodo. Terminal negativo Cátodo

Luz Azul

Luz Roja

Fosforos



©2005 Lumileds Lighting, U.S. LLC

LUXEON LUXEON K2



Algunos ejemplos de diseño óptico para LED de alta eficiencia



DISTRIBUCIONES DE LUZ CON DOS ÓPTICAS DIFERENTES







LUMINARIA (Fixture)



ESTABILIDAD DE COLOR



ESTABILIDAD DE COLOR



CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS: El diodo LED como carga de potencia



LED´s DE ALTA EFICIENCIA:

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS. CURVA CARACTERÍSTICA




CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS. CAÍDA DE TENSIÓN




CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS. INFLUENCIA DE LA CAÍDA DE TENSIÓN CON LA

TEMPERATURA



La longitud de onta de los LED de InGaN depende de la corriente que pasa por ellos. Se recomienda utilizar PWM para hacer dimming de los LEDs basados en InGaN.



EL PROBLEMA TÉRMICO



EFECTOS TÉRMICOS. TEMPERATURA DE LA UNIÓN:

Temperaturas altas en la unión provocan que la intensidad luminosa sea menor, la tensión de codo sea menor, y provoca desplazamientos cromáticos en los LEDs blancos.

RthJS RthSA

Tj Ts TaPD



CURVAS CARÁCTERÍSTICAS:

La intensidad luminosa del LED depende de la corriente

y de la temperatura de la unión.





EFECTOS TÉRMICOS. TEMPERATURA DE LA UNIÓN:

Corrientes grandes por el LED originan:

•Sobrecalentamiento local. •Temperaturas altas en la unión. •Recombinaciones no radiantes DEGRADACIÓN FUERTE DE LA LUZ

Temperaturas altas en la unión

=>RUPTURA DEL LED

ES MUY IMPORTANTE RESPETAR LAS RECOMENDACIONES DEL FABRICANTE.



Thermal test points Dragon LED(OSRAM)

Double layer PCB board ( Cu coat 76 )

b.- Thermal Design

Thermal model

J1

J2

J3

J4

J5

RHA = 4 ºC/W

RCH

1.5 ºC/WTC1

TC2

TC3

TC4

TC5

RJC

9 ºC/W

WmAxVP 3.135.08.3

1.3 W Thermal contact

6.5 W

(TJ)MAX =88 ºC

TJ = 68.7 ºC

11.7 ºC 2 ºC

25 ºC TA = 30 ºC

TH = 55 ºC

(TA)MAX = 50 ºC

(TH)MAX = 75 ºC

TEST

LIMIT



HEATSINK

ALUMINUM

BASE

PCB BOARD

THERMAL

ADHESIVE

LUMILED

EMITTER





RELATIVE LUMINOUS FLUXIF = 350 mA

20% Light depreciation

Rough ambient temperature 50ºC

Junction temperature 88ºC

La temperatura tiene efecto instantáneo en la cantidad de luz emitida por el LED



100.000 hours 20%

La temperatura tiene efecto a largo plazo en la depreciación en el LED














EJEMPLO CON UN LED DE OSRAM


with 75 ºC 88%






J1

J2

J3

J4

J5

TA = 35 ºC

RHA = 4 ºC/W

TH = 61 ºC

RCH 1.5 ºC/W

TC1

TC2

TC3

TC4

TC5

RJC 9 ºC/W

WmAxVP 3.135.08.3

1.3 W

Thermal adhesive and contact

6.5 W

(TJ)MAX =125 ºC TJ = 74.7 ºC

11.7 ºC 1.95 ºC

26 ºC

TA = 20 ºC

TH = 46 ºC TJ = 59.7 ºC

(TA)MAX = 85 ºC

(TH)MAX = 111 ºC




DRAGON LED LW-W5SG

Nominal Current [mA] 350

Nominal Minimum

Luminous Flux [lm] 39,0 21,0

Operation Current [mA] 350 39,0 21,0

Number of LEDs 5 195,0 105,0Depreciation for Junction Temperature

below 75 ºC [%] 12 171,6 92,4

100,000 operation Hours depreciation [%] 20 137,3 73,9Plastic cover depreciation [%] 5 130,4 70,2

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