Управление в светотехнических системах
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»
(ТУСУР)
Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга
(РЭТЭМ)
УТВЕРЖДАЮ Декан РКФ
__________________ Д.В. Озеркин
«___»__________ 2018 г.
УПРАВЛЕНИЕ В СВЕТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Учебное пособие
Зав. кафедрой РЭТЭМ
__________________ В.И. Туев
«___»__________ 2018 г.
Томск 2018
Туев В.И. Управление в светотехнических системах: учебное пособие. – Томск:
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2018. – 63
с.
Учебное пособие предназначено для магистрантов направления подготовки
27.04.04 Управление в технических системах, профиль «Управление в светотехнических системах», изучающих дисциплину «Управление в светотехнических системах» и также может быть полезно студентам иных профилей и направлений подготовки.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ................................................ |
4 |
||
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................ |
5 |
||
1 |
История создания источников света ......................................................................... |
6 |
|
2 |
Физические принципы работы светодиода .............................................................. |
9 |
|
3 |
Аналитический обзор светодиодных излучающих элементов ............................. |
12 |
|
|
3.1 |
Общие сведения ..................................................................................................... |
12 |
|
3.2 |
Светодиодный кристалл........................................................................................ |
16 |
|
3.3 |
Люминофорная композиция ................................................................................. |
19 |
|
3.4 |
Теплопроводящий клей ......................................................................................... |
23 |
|
3.5 |
Технология монтажа кристалла............................................................................ |
27 |
4 |
Обзор светодиодных ламп........................................................................................ |
33 |
|
|
4.1 |
Конструкция ламп.................................................................................................. |
33 |
|
4.2 |
Колба лампы........................................................................................................... |
38 |
|
4.3 |
Цоколь лампы......................................................................................................... |
41 |
|
4.4 |
Устройство питания............................................................................................... |
44 |
|
4.5 |
Технология изготовления и монтажа ножек ....................................................... |
46 |
|
4.6 |
Технология заварки, откачки и наполнения ламп .............................................. |
50 |
|
4.7 |
Технология припайки источника питания .......................................................... |
52 |
|
4.8 |
Технология цоколевания ламп ............................................................................. |
53 |
5 |
Обзор нормативно-методической литературы ....................................................... |
55 |
|
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ...................................................... |
58 |
3
|
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ |
|||||
ДК |
Диэлектрические композиции |
|
|
|
||
ДП |
Диэлектрические подложки |
|
|
|
||
ИП |
Индустриальный партнёр |
|
|
|
||
КД |
Конструкторская документация |
|
|
|
||
ККМ |
Корректор коэффициента мощности |
|
|
|||
КМ |
Композиционные материалы |
|
|
|
||
КПД |
Коэффициент полезного действия |
|
|
|
||
Кристалл |
Полупроводниковый |
светодиодный |
кристалл, |
|||
излучающий свет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КСС |
Кривая силы света |
|
|
|
|
|
ЛОН |
Лампы общего назначения |
|
|
|
||
Люминофор |
Материал, |
|
обладающий |
свойством |
||
фотолюминесценции |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
МКР |
Метод конечных разностей |
|
|
|
||
МКЭ |
Метод конечных элементов |
|
|
|
||
НТИ |
Научно-техническая информация |
|
|
|
||
НТО |
Научно-технический отчёт |
|
|
|
||
ПМ |
Программы и методики |
|
|
|
||
ПО |
Программное обеспечение |
|
|
|
||
ПНИЭР |
Прикладные |
научные |
исследования |
и |
||
экспериментальные разработки |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||
СД |
Светодиод |
|
|
|
|
|
СИЭ |
Светодиодный излучающий элемент |
|
|
|||
ТД |
Технологическая документация |
|
|
|
||
ТЗ |
Техническое задание |
|
|
|
|
|
ТЗС |
Термозвуковая сварка |
|
|
|
||
ТО |
Технологическая операция |
|
|
|
||
ТП |
Технологический процесс |
|
|
|
||
УЗС |
Ультразвуковая сварка |
|
|
|
||
ЭМП |
Электромагнитные помехи |
|
|
|
4
ВВЕДЕНИЕ
Светодиодная лампа на основе светодиодных излучающих элементов представляет собой конструкцию, в которой в колбе установлены светодиодные излучающие элементы,
а в цоколе расположено миниатюрное устройство питания [1].
Принцип работы светодиодных излучающих элементов аналогичен принципу работы светодиода белого цвета свечения. На светодиодный кристалл из полупроводникового материала GaN, излучающего в синей области оптического спектра,
нанесён люминофор из кристаллов YAG, который за счёт Стоксовского эффекта переизлучает в жёлто-зелёной области оптического спектра [2].
Известно из работы [3], что максимальное значение световой отдачи светодиодного осветительного прибора белого цвета свечения с комфортной коррелированной цветовой температурой и индексом цветопередачи составляет 250-370 лм/Вт [3].
Совершенствование конструкции лампы светодиодной, включая компонентную базу – светодиодный излучающий элемент направлено на увеличение световой отдачи от 90100 лм/Вт для доступной на рынке продукции до 125 лм/Вт для разрабатываемых ламп.
5
1 История создания источников света
Как известно [4], освещение бывает: естественное, совмещенное, искусственное.
Искусственное освещение делится:
–освещение помещений производственных и складских зданий;
–освещение помещений общественных, жилых и вспомогательных зданий;
–освещение площадок предприятий и мест производства работ вне зданий;
–освещение селитебных зон:
–освещение улиц, дорог и площадей;
–освещение пешеходных переходов;
–освещение автотранспортных тоннелей;
–освещение пешеходных пространств;
–освещение территорий жилых районов;
–наружное архитектурное освещение зданий и сооружений:
–витринное освещение;
–рекламное освещение;
–аварийное освещение;
–аварийное освещение автотранспортных тоннелей;
–охранное и дежурное освещение.
Для освещения помещений общественных, жилых и вспомогательных зданий нужны источники света с высокой световой отдачей, высоким значением индекса цветопередачи, тёплым комфортным светом, характеризующиеся низкой стоимостью,
общедоступностью, надёжностью и безопасностью. Таким требованиям отвечают полупроводниковые (светодиодные) источники света. Создание светодиодной лампы неразрывно связано с созданием светодиода белого цвета свечения.
Впервые английским инженером Г.Д. Раундом было обнаружено свечение вокруг точечного контакта радиочатотного детектора в 1907 году. В 20-е годы ХХ века О.В.
Лосевым обнаружено явление излучательной рекомбинации носителей тока в кристаллах карбида кремния и открыта электролюминесценция полупроводников. В 1946 году В.Е. Лошкаревым открыта биполярная диффузия неравновесных носителей заряда в полупроводниках. В 1947 году американскими учёными Дж. Бардиным, У. Бреттейном и У. Шокли был создан первый транзистор. Инженер А.В. Красилов и его группа разработали германиевые диоды для радиолокационных станций в НИИ «Исток»,
совместно с С.Г. Мадоян впервые обнаружили транзисторный эффект. Oбразцы германиевых транзисторов разработаны Б.М. Вулом, А.В. Ржановым, В.С. Вавиловым и
6
др. (ФИАН), В.М. Тучкевичем, Д.Н. Наследовым (ЛФТИ), С.Г. Калашниковым,
Н.А. Пениным и др. (ИРЭ АН СССР). В 1951 году в Америке на основе «эффекта Лосева»,
организован центр разработки «полупроводниковых лампочек», действовавщий, под руководством К. Леховец. В 1955 году У. Шокли основал в Санта Кларе компанию
"Shockley Semiconductor Laboratories" по разработке германиевых и кремниевых транзисторов [2]. В 1954 году, в Томском СФТИ В.А. Пресновым была открыта лаборатория полупроводников, томские исследователи присткпили к исследованию арсенида галлия. Совместная работа коллективов ТГУ, СФТИ и НИИ ПП позволила создать на основе арсенида галлия приборы для СВЧ-электроники и ИК-оптики.
Определяющую роль в разработке данных приборов сыграли профессора С.С. Хлудков,
О.П. Толбанов, В.Г. Воеводин, Н.П. Криворотов, А.А. Вилисов, В.Г. Божков,
А.В. Войцеховский [5].
В 1962 году в лабораториях Иллинойского Университета на основе структур
GaAsP/GaP Н. Холоньяком (США) созданы первые промышленные светодиоды. Первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto создана в 1968 году. В 60-е годы были созданы светодиоды из GaP c красным и желто-зеленым свечением. Внешний квантовый выход составлял не более 0,1%, спектр излучения 500-600 нм, что было достаточные для индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла 1-2 лм/Вт. В 1968 году в США изготовлен первый рекламный светодиодный экран от Hewlett-Packard.
В 70-е годы прошлого столетия Ж.И. Алферов с сотрудниками разработал многопроходные двойные гетероструктуры, позволившие значительно увеличить внешний квантовый выход (до 15%) за счет ограничения активной области рекомбинации для полупроводниковых материалов GaAs и AlGaAs Для красной части спектра значение световой отдачи достигло 10 лм/Вт и более 30% КПД – для инфракрасной. В 70-х годах группа Дж. Панкова из компании IBM создала фиолетовые и голубые диоды на основе полупроводникового материала GaN. В 1976 году компанией Hewlett Packard разработаны светодиоды на основе полупроводниковых материалов фосфидов алюминия-галлия-индия которые излучали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет. С 1985 года световой поток светодиодов увеличился до 1-100 лм. В 1991 года Ш. Накамура из японской компании Nichia Chemical с помощью гетероструктуры на основе нитрида индия-галлия
InGaN создал светодиод синего цвета свечения. С 1993 г. организовано серийное производство светодиодов на основе InGaN корпорацией Nichia. В 1996 году корпорацией
Nichia разработан и внедрён в массовое производство светодиод белого цвета свечения на основе кристалла InGaN и фотолюминофора YAG [2].
Для масштабного применения светодиодов в освещении необходимо было решить
7
две основные задачи:
–повысить световую отдачу светодиодов белого цвета свечения,
–снизить тепловое сопротивление светодиодов для повышения отвода тепла с целью повышения плотности их монтажа в источнике света.
С 1999 года произошёл переход от светодиодов с выводными корпусами (тепловое сопротивление 250-75 Вт/м∙К) к светодиодам с корпусами для поверхностного монтажа
(тепловое сопротивление не более 15 Вт/м∙К). Это позволило увеличить плотность монтажа светодиодов на печатную плату и применять автоматизированные средства технологического процесса производства светодиодных источников света.
С 2009 года появились COB (Chip-on-Board) конструкции – кристалл на плате, где на керамической основе монтируется большое количество светодиодных кристаллов и герметизируется люминофорной композицией [6].
Следующим шагом стала технология Glob Top изготовления светодиодных источников света, суть которой заключается в монтаже кристаллов на металлическую печатную плату и последующей герметизации каждого кристалла [7].
В настоящее время самым перспективным направлением развития светодиодных технологий является создание светодиодных ламп в форм-факторе лампы накаливания,
где вместо нити накаливания используются светодиодные источники света (LED filament bulb).
27 февраля 2017 г. в Мюнхене в Германии компания Seoul Semiconductor,
занимающая пятое место на мировом рынке по производству светодиодов, заявила о начале массового производства светодиодных ламп. Так по оценке компании мировой рынок ламп составляет 7 миллиардов штук ежегодно, из которых 2,5 миллиарда единиц светодиодные лампы на основе светодиодных излучающих элементов [8].
6 декабря 2017 г. Компания Cree (США) анонсировала светодиод белого цвета свечения с рекордным значением светового потока с единицы площади – 284 лм/мм2 –
светодиод XLamp XD16 [9].
Ключевыми тенденциями развития полупроводниковой светотехники в настоящее время являются:
–повышение световой отдачи при комфортной коррелированной цветовой температуре и значениях индекса цветопередачи;
–повышение светового потока с единицы площади кристалла.
8
2 Физические принципы работы светодиода Работа светодиода основана на явлении электролюминесценции – излучение
фотонов твёрдым телом под воздействием электрического тока.
Полупроводниковый материал для светодиода белого и синего (синий цвет свечения кристалла плюс люминофор) цвета свечения представляет собой гетероэпитаксиальную структуру GaN/InGaN с множественными квантовыми ямами
(МКЯ) (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Гетероструктура GaN/InGaN
На рисунке 2.1 видно, что на подложке из сапфира выращена полупроводниковая структура, состоящая из ростового слоя GaN, слоя n-типа GaN легированного Si, активной области и p-типа GaN легированного Mg [10, 11].
При p-n переходе, носители зарядов распределяются так, чтобы выровнять уровень Ферми. В области контакта слоев n и p-типов образуется дипольный слой, состоящий из ионизованных положительных доноров на n-стороне и ионизованных отрицательных акцепторов на p-стороне. Электрическое поле дипольного слоя создаёт потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов. При подаче на p- n-переход электрического смещения в прямом направлении потенциальный барьер понижается, вследствие чего в p-область войдет добавочное количество электронов, а в n-
область p-дырок. Концентрация инжектированных носителей заряда зависит только от равновесной концентрации неосновных носителей и приложенного напряжения [12-15].
Одной из проблем является формирование омического контакта к p-типу GaN.
Существующие технологии формирования p-контакта позволяют получать контакты с удельным сопротивлением от 5×10-4 до 2×10-3, это на один порядок хуже, чем для контактов к n-типу GaN. Основными проблемами для контактов к p-типу являются:
- высокая энергия активации акцепторной примеси (Mg – 160 эВ),
9
- тенденция поверхности GaN к формированию вакансий азота.
Указанные проблемы приводят к увеличению высоты барьера Шотки и повышают
сопротивление СД. Повышение сопротивления приводит к увеличению напряжения на структуре, перегреву омических контактов, потере мощности излучения, а так же может привести к выходу из строя СД [16].
Для светодиодов характерен эффект стягивания тока («current crowding») под омическими контактами, который также оказывает негативное влияние на надёжность и
срок службы СД [17].
Помимо металлизации золото-никель в качестве омических контактов применяют полупрозрачные контакты на основе ITO (indium tin oxide), такие контакты позволяют увеличить вывод излучения из кристалла, но создают дополнительное сопротивление на
омических контактах [18-20].
Таким образом, падение напряжения на современном СД составляет от 2.9 до 3.5 В.
Характеристиками эффективности работы кристалла СД являются внешний квантовый
выход и КПД. Внешний квантовый выход (характеризует кристалл): |
|
next = (P / (hv)) / (I/e)= nint × nextract,, |
(2.1) |
Коэффициент полезного действия (КПД) светодиода: |
|
npower= P/(I×U), |
(2.2) |
где P – мощность оптического излучения вышедшего за пределы светодиода, (I×U) –
потребляемая электрическая мощность (прямой постоянный ток, помноженный на прямое постоянное напряжение).
На сегодняшний день КПД кристалла СД составляет на промышленных образцах ~ 50%, а на лабораторных ~ 80% [2, 21-23].
Излучательная рекомбинация – единственный физический механизм генерации света в светоизлучающих диодах. Виды рекомбинации:
Межзонная рекомбинация, при которой электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону на место дырки непосредственно, излучая энергию, несколько большую ширины запрещенной зоны.
Рекомбинация свободных носителей заряда на примесных центрах: электрон – акцептор или дырка – донор, при которой носители захватываются примесными центрами,
а затем рекомбинируют со свободным носителем противоположного знака.
Межпримесная, или донорно – акцепторная, рекомбинация, при которой носители захватываются примесными центрами, а затем электрон переходит с донора на акцептор в процессе акта излучательной рекомбинации; для такого перехода необходимо частичное перекрытие волновых функций электрона и дырки.
10