Półprzewodnikowe źródła Półprzewodnikowe źródła światłaświatła

Krzysztof GóreckiKrzysztof Górecki

Katedra Elektroniki MorskiejKatedra Elektroniki Morskiej

Akademia Morska w GdyniAkademia Morska w Gdyni

22

Plan prezentacjiPlan prezentacji• WprowadzenieWprowadzenie

• Diody LED mocy – historia, Diody LED mocy – historia, właściwościwłaściwości

• Parametry diod LED mocyParametry diod LED mocy

• Chłodzenie i zasilanie diod LED mocyChłodzenie i zasilanie diod LED mocy

• Zastosowania diod LED mocyZastosowania diod LED mocy

• Tendencje rozwojoweTendencje rozwojowe

• PodsumowaniePodsumowanie

33

WprowadzenieWprowadzenie• Oświetlenie – zużywa ponad 20% produkowanej Oświetlenie – zużywa ponad 20% produkowanej

energii elektrycznej energii elektrycznej • Parametry źródeł światłaParametry źródeł światła

– Strumień świetlnyStrumień świetlny (lm) – całkowite światło (lm) – całkowite światło wypromieniowane ze źródła światła,wypromieniowane ze źródła światła,

– Natężenie światła (cd),Natężenie światła (cd),– Natężenie oświetlenia (lx),Natężenie oświetlenia (lx),– Luminancja (cd/mLuminancja (cd/m22),),– Sprawność źródła światłaSprawność źródła światła (lm/W) – iloraz emitowanego (lm/W) – iloraz emitowanego

strumienia świetlnego do mocy elektrycznej pobranej strumienia świetlnego do mocy elektrycznej pobranej przez to źródłoprzez to źródło

– Widmo emitowanego promieniowania lub temperatura Widmo emitowanego promieniowania lub temperatura barwy światła białegobarwy światła białego

– Czas życiaCzas życia (h) (h)– Jasność źródła światłaJasność źródła światła

44

Wprowadzenie - żarówkaWprowadzenie - żarówka

• W 1879 roku Thomas Alva Edison W 1879 roku Thomas Alva Edison wynalazł żarówkę, która jest do tej wynalazł żarówkę, która jest do tej pory dominującym źródłem światłapory dominującym źródłem światła

• Podstawowe wady żarówki:Podstawowe wady żarówki:– niska sprawność - tylko kilka procent niska sprawność - tylko kilka procent

energii elektrycznej zamienia ona na energii elektrycznej zamienia ona na światłoświatło

– krótki czas pracy – do 1000 hkrótki czas pracy – do 1000 h– niska odporność na udary mechaniczneniska odporność na udary mechaniczne

55

Wprowadzenie (c.d.)Wprowadzenie (c.d.)

Cele konstruktorów źródeł światła

Wysokasprawność (lm/W)

Duży strumień świetlny (lm)

Niski koszt uzyskania

jednostkowego strumienia światła

($/lm)

66

Wprowadzenie - klasyczne Wprowadzenie - klasyczne źródła światłaźródła światła• Opracowane takie źródła światła jak:Opracowane takie źródła światła jak:

– żarówki halogenowe niskonapięcioweżarówki halogenowe niskonapięciowe– świetlówkiświetlówki– neonówki,neonówki,– lampy rtęciowe,lampy rtęciowe,– półprzewodnikowe źródła światła (SSL).półprzewodnikowe źródła światła (SSL).

• Wymienione źródła światła różnią się Wymienione źródła światła różnią się zasadą działania, żywotnością oraz zasadą działania, żywotnością oraz parametrami emitowanego światłaparametrami emitowanego światła

• Niektóre klasyczne źródła światła Niektóre klasyczne źródła światła zawierają substancje szkodliwe dla zawierają substancje szkodliwe dla środowiska, np. związki rtęci środowiska, np. związki rtęci

77

Diody LED mocy - historia Diody LED mocy - historia • 1930 – odkrycie zjawiska luminescencji węglika krzemu 1930 – odkrycie zjawiska luminescencji węglika krzemu

przy przepływie prądu, przy przepływie prądu,• 1962 – skonstruowanie pierwszej diody LED (czerwonej)1962 – skonstruowanie pierwszej diody LED (czerwonej)• 1968 – wprowadzenie na rynek zielonej diody LED1968 – wprowadzenie na rynek zielonej diody LED• 1981 – wprowadzenie na rynek niebieskich diod LED 1981 – wprowadzenie na rynek niebieskich diod LED

o światłości 10 mcd o światłości 10 mcd• 1992 – wprowadzenie na rynek tanich diod niebieskich 1992 – wprowadzenie na rynek tanich diod niebieskich

i ultrafioletowych, i ultrafioletowych,• 1993 – opracowanie niebieskich diod emitujących 1993 – opracowanie niebieskich diod emitujących

światło światło o natężeniu 1 cd o natężeniu 1 cd

• 1994 – 1994 – opracowanie pierwszych diod LED emitujących opracowanie pierwszych diod LED emitujących światło białe światło białe - oświetlenie- oświetlenie

88

Diody LED mocy - metody Diody LED mocy - metody uzyskiwania białego światłauzyskiwania białego światła

3 diody 3 diody ((czerwonaczerwona, , zielonazielona, , niebieskaniebieska) + ) + soczewkasoczewka

Ultrafioletowa Ultrafioletowa dioda LED dioda LED +luminofor +luminofor RRGGBB

NiebieskaNiebieska dioda dioda LED +LED +żółtyżółty luminoforluminofor

99

Półprzewodnikowe źródła Półprzewodnikowe źródła światła - zaletyświatła - zalety• Widmo emitowanego światła zbliżone do Widmo emitowanego światła zbliżone do

słonecznego,słonecznego,

• Możliwość łatwego doboru temperatury Możliwość łatwego doboru temperatury emitowanego światła,emitowanego światła,

• Niskie (bezpieczne) napięcie zasilania,Niskie (bezpieczne) napięcie zasilania,

• Wysoka odporność na udary mechaniczne,Wysoka odporność na udary mechaniczne,

• Wysoka sprawność energetyczna (35 – 50%),Wysoka sprawność energetyczna (35 – 50%),

• Długi czas pracy bezawaryjnej (do 50 000 h)Długi czas pracy bezawaryjnej (do 50 000 h)

• Niewielkie wymiary,Niewielkie wymiary,

• Łatwość regulacji jasności lub koloru (tylko w Łatwość regulacji jasności lub koloru (tylko w diodach RGB)diodach RGB)

1010

Półprzewodnikowe źródła Półprzewodnikowe źródła światła - wadyświatła - wady• Mała wartość emitowanego strumienia świetlnego, Mała wartość emitowanego strumienia świetlnego,

• Mały kąt świecenia – konieczność stosowania Mały kąt świecenia – konieczność stosowania soczewek rozpraszających,soczewek rozpraszających,

• Niska wartość dopuszczalnego napięcia wstecznego,Niska wartość dopuszczalnego napięcia wstecznego,

• Silny wpływ temperatury na parametry i Silny wpływ temperatury na parametry i niezawodność diod LED,niezawodność diod LED,

• Konieczność stosowania specjalnych układów Konieczność stosowania specjalnych układów zasilających,zasilających,

• Konieczność odprowadzanie ciepła wydzielonego w Konieczność odprowadzanie ciepła wydzielonego w diodzie.diodzie.

1111

Luminancja diod LED mocyLuminancja diod LED mocy

• Luminacja jest malejącą funkcją temperaturyLuminacja jest malejącą funkcją temperatury

• Luminancja maleje do 70% wartości nominalnej Luminancja maleje do 70% wartości nominalnej po po kilkudziesięciu tysiącach godzin pracy kilkudziesięciu tysiącach godzin pracy

• Wzrost temperatury obudowy o 20Wzrost temperatury obudowy o 20ooC powoduje C powoduje sześciokrotne skrócenie czasu bezawaryjnej pracy sześciokrotne skrócenie czasu bezawaryjnej pracy

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tj [oC]

Lu

min

ancj

a w

zglę

dn

a

czerwona

bursztynowa

zielona

niebieska

biała

70

75

80

85

90

95

100

100 1000 10000 100000

czas eksploatacji [h]

Lu

min

ancj

a w

zglę

dn

a [%

]

TC = 38 oC

TC = 49 oC

TC = 58 oC

6 razy

1212

Niezawodność diod LED Niezawodność diod LED mocymocy

• Różne typy diod wykazują różną zależność jasności od czasuRóżne typy diod wykazują różną zależność jasności od czasu

• Temperatura wyprowadzeń silnie wpływa na procesy degradacyjneTemperatura wyprowadzeń silnie wpływa na procesy degradacyjne

• Procesy degradacyjne zachodzą wolniej w diodach LED mocy niż w Procesy degradacyjne zachodzą wolniej w diodach LED mocy niż w żarówkach i sygnalizacyjnych diodach LEDżarówkach i sygnalizacyjnych diodach LED

Temperatury wyprowadzeń:Temperatury wyprowadzeń:A – 52A – 52ooC B – 38C B – 38ooC C – 40C C – 40ooC D – 38C D – 38ooC E – 44C E – 44ooC F – 59C F – 59ooCC

70

75

80

85

90

95

100

105

100 1000 10000

czas [h]

lum

inan

cja

wzg

lęd

na

[%]

A

B

C

DE

F

Ta = 35 oC I = 0,35 A

0

20

40

60

80

100

120

0 3000 6000 9000 12000 15000

czas pracy [h]

lum

inan

cja

wzg

lęd

na

[%]

dioda LED mocy

sygnalizacyjna dioda LED

żarówka

1313

Niezawodność diod LEDNiezawodność diod LED

• Obniżenie temperatury diody o 20Obniżenie temperatury diody o 20ooC powoduje C powoduje 6-krotny wzrost czasu pracy do uszkodzenia6-krotny wzrost czasu pracy do uszkodzenia

• Czas życia jest silnie uzależniony od prądu Czas życia jest silnie uzależniony od prądu diody i temperatury jej wnętrza diody i temperatury jej wnętrza

0

10

20

30

40

50

60

35 40 45 50 55 60

TC [oC]

czas

życ

ia [

kh

]

0

10

20

30

40

50

60

70

100 120 140 160 180 200

Tj [oC]

czas

życ

ia [

kh

]

i = 0,35 Ai = 0,7 A

i = 1 A

i = 1,5 A

1414

Wpływ temperatury (c.d.)Wpływ temperatury (c.d.)

• Wzrost temperatury wnętrza powoduje:Wzrost temperatury wnętrza powoduje:– Zmianę napięcia przewodzenia diody,Zmianę napięcia przewodzenia diody,– Spadek wartości emitowanego strumienia Spadek wartości emitowanego strumienia

świetlnego,świetlnego,– Skrócenie czasu bezawaryjnej pracy,Skrócenie czasu bezawaryjnej pracy,– Możliwość zmiany koloru świecenia diody,Możliwość zmiany koloru świecenia diody,

• Istotny problem chłodzenia diod LED Istotny problem chłodzenia diod LED mocymocy

1515

Chłodzenie diod LED mocyChłodzenie diod LED mocy

• Struktury diod LED nie emitują promieniowania Struktury diod LED nie emitują promieniowania podczerwonego podczerwonego – – całe wydzielone w nich ciepło odprowadzane całe wydzielone w nich ciepło odprowadzane jest do obudowy na drodze przewodnictwajest do obudowy na drodze przewodnictwa

• Specjalne konstrukcje ułatwiające chłodzenie:Specjalne konstrukcje ułatwiające chłodzenie:– Stosowanie laminatów z rdzeniem aluminiowym,Stosowanie laminatów z rdzeniem aluminiowym,– Specjalne radiatory,Specjalne radiatory,– Obudowy diod optymalizowane do odprowadzania Obudowy diod optymalizowane do odprowadzania

ciepła,ciepła,

1616

Rozwój konstrukcji obudów diod Rozwój konstrukcji obudów diod LEDLED

• Właściwości obudów współczesnych diod LED mocy:Właściwości obudów współczesnych diod LED mocy:– Radiator o dobrym kontakcie termicznymRadiator o dobrym kontakcie termicznym– Soczewka optyczna o małych stratach – wysoka sprawność Soczewka optyczna o małych stratach – wysoka sprawność

optyczna (powyżej 95%)optyczna (powyżej 95%)– Mała rezystancja termicznaMała rezystancja termiczna

Pierwsza dioda LED (1962)

Sygnalizacyjna dioda LED (1970)Rth = 200 K/WPmax = 0,1 W

Pierwsza dioda LED mocy (1994)Rth = 50 K/WPmax = 0,4 W

Współczesna dioda LED mocy (1998)Rth = 14 K/WPmax = 4 W

1717

Zasilanie diod LED mocyZasilanie diod LED mocy• Konieczne zasilanie prądowe - charakterystyka Konieczne zasilanie prądowe - charakterystyka

u(i) diody silnie zależy od temperatury,u(i) diody silnie zależy od temperatury,

• Zasilacz powinien zapewnić duży prąd zasilający Zasilacz powinien zapewnić duży prąd zasilający przy małej wartości napięcia wyjściowegoprzy małej wartości napięcia wyjściowego

• Potrzeba zasilania impulsowego – wysoka Potrzeba zasilania impulsowego – wysoka sprawność energetyczna,sprawność energetyczna,

• Konieczność stosowania układów PFC – wyższa Konieczność stosowania układów PFC – wyższa wartość współczynnika mocy,wartość współczynnika mocy,

• Problem odpowiedniego łączenia szeregowo-Problem odpowiedniego łączenia szeregowo-równoległego diod w celu uzyskania równoległego diod w celu uzyskania odpowiedniego strumienia świetlnego,odpowiedniego strumienia świetlnego,

• Możliwość regulacji luminancjiMożliwość regulacji luminancji

1818

Regulacja luminancji diod Regulacja luminancji diod LEDLED• Regulacja wartości prądu diodyRegulacja wartości prądu diody

• Regulacja współczynnika wypełnienia Regulacja współczynnika wypełnienia prądu diody (PWM)prądu diody (PWM)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 50 100 150 200 250 300

IF [mA]

lum

inan

cja

wzg

lęd

na

1919

Zasilanie diod LED mocy Zasilanie diod LED mocy (c.d.)(c.d.)• Układy scalone Układy scalone

dedykowane do dedykowane do zasilania diod LED zasilania diod LED mocy: wielu mocy: wielu producentów, np. producentów, np. ONSemiconductor, ONSemiconductor, STMicroelectronics, STMicroelectronics, Infineon Technologies, Infineon Technologies, Linear TechnologyLinear Technology

• Przykładowe Przykładowe rozwiązania układowe rozwiązania układowe

~ EMIFiltr

PFCControler

PWMControler

AC

~ EMIFiltr

NCP1651PFC

Controler

AC

2020

Zastosowania diod LED Zastosowania diod LED mocymocy• Oświetlenie budynków (wewnętrzne i zewnętrzne),Oświetlenie budynków (wewnętrzne i zewnętrzne),

• Oświetlenie dekoracyjne,Oświetlenie dekoracyjne,

• Oświetlenie awaryjne,Oświetlenie awaryjne,

• Światła samochodowe,Światła samochodowe,

• Oświetlenie drogowe,Oświetlenie drogowe,

• Tablice informacyjne,Tablice informacyjne,

• Tablice informacyjne dla transportu publicznego,Tablice informacyjne dla transportu publicznego,

• Latarki i zabawki,Latarki i zabawki,

• Światła dyskotekowe i estradowe,Światła dyskotekowe i estradowe,

• Lampy błyskowe w aparatach fotograficznych,Lampy błyskowe w aparatach fotograficznych,

• Oświetlenie ogrodowe z zasilaniem solarnym,Oświetlenie ogrodowe z zasilaniem solarnym,

• Drogowa sygnalizacja świetlna,Drogowa sygnalizacja świetlna,

• Reklamy, ekrany i telebimy. Reklamy, ekrany i telebimy.

2121

Osiągane obecnie parametry Osiągane obecnie parametry diod LED mocydiod LED mocy

Nazwa konstrukcjiNazwa konstrukcji Osiągana wartość parametruOsiągana wartość parametru

Światła samochodowe Światła samochodowe do jazdy dziennej DRL do jazdy dziennej DRL (Philips)(Philips)

efektywności efektywności 50 lm/W50 lm/W

Białe diody LED (Cree)Białe diody LED (Cree) efektywność efektywność 129 lm/W129 lm/W przy chłodnej przy chłodnej bieli oraz bieli oraz 99 lm/W99 lm/W przy ciepłej bieli przy ciepłej bieli

Białe diody LED (Cree) Białe diody LED (Cree) strumień świetlny strumień świetlny 1000 lm1000 lm – – odpowiednik żarówki 60 Wodpowiednik żarówki 60 W

Białe diody LED Białe diody LED (Acriche)(Acriche)

zasilane bezpośrednio z sieci zasilane bezpośrednio z sieci elektroenergetycznej elektroenergetycznej 230 V230 V

2222

Koszt światła z diody LEDKoszt światła z diody LED

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

lata

cen

a je

dn

ostk

owa

[$/l

m]

żarówka 100 W

LED

2323

Strumień świetlny emitowany przez diody LED jest podwajany co 18 – 24 miesiące od ponad 30 lat

Prawo Haitza dla diod LEDPrawo Haitza dla diod LED

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

1960 1970 1980 1990 2000 2010

lata

stru

mie

ń ś

wie

tln

y [l

m]

wskaźnik LED

dioda LED mocy

2424

Ewolucja źródeł światłaEwolucja źródeł światła

0

40

80

120

160

200

1920 1940 1960 1980 2000 2020

lata

spra

wn

ość

[lm

/W]

żarówki żarówki halogenoweżarówki z reflektorem

świetlówki

lampy rtęciowe

lampy sodowe

diody LED

białe diody LED

2525

PodsumowaniePodsumowanie• Duże nakłady finansowe (10 mld Euro) Unii Duże nakłady finansowe (10 mld Euro) Unii

Europejskiej na badania SSLEuropejskiej na badania SSL

• Przewiduje się, że za 10 lat SSL zastąpią żarówkiPrzewiduje się, że za 10 lat SSL zastąpią żarówki

• Uzyskano już wysoką niezawodnośćUzyskano już wysoką niezawodność

• Wymagana jest większa wartość sprawności oraz Wymagana jest większa wartość sprawności oraz strumienia świetlnegostrumienia świetlnego

• W tym celu konieczne jest:W tym celu konieczne jest:– Zastosowanie nowych materiałów o wysokiej sprawności Zastosowanie nowych materiałów o wysokiej sprawności

przetwarzania energii elektrycznej na świetlnąprzetwarzania energii elektrycznej na świetlną– Wzrost wymiarów struktur diod – większy prądWzrost wymiarów struktur diod – większy prąd– Poprawa skuteczności odprowadzania ciepła ze struktury Poprawa skuteczności odprowadzania ciepła ze struktury

półprzewodnikowejpółprzewodnikowej– Zastosowanie półprzewodników wysokotemperaturowych Zastosowanie półprzewodników wysokotemperaturowych – Nowe konstrukcje obudów zapewniające wysoką Nowe konstrukcje obudów zapewniające wysoką

sprawność optyczną oraz niską rezystancję termicznąsprawność optyczną oraz niską rezystancję termiczną

2626

Dziękuję za uwagęDziękuję za uwagę