работа

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уральский государственный университет

им. А.М. Горького

Физический факультет

Кафедра компьютерной физики

Разработка оптической схемы светильника на светодиодах

Курсовая работа студента гр. Ф-4ОЭ Куприянова Григория Анатольевича _____________________

Допустить к защите:

заведующий кафедрой

компьютерной физики

Германенко А.В.

___________________

Научный руководитель: начальник лаборатории Козлов Д.А. _____________________

Екатеринбург

2008

Оглавление

1. Введение 3

2. Обзор литературы 4

2.1. Принцип действия светодиода 4

2.2. Материалы светодиодов 5

2.3. Квантовый выход светодиода 5

2.4. Светодиоды белого света 6

2.5. Электрические и оптические характеристики светодиодов 6

2.6. Светодиоды и постоянный ток 7

2.7. Светодиодные кластеры 8

2.8. Технологии изготовления светодиодов 8

2.9. Использование светодиодов 10

3. Цель работы 12

4. Экспериментальная часть 13

4.1. Измерение характеристик светодиода CREE XR-E7090 13

4.2. Измерение характеристик линейки-кластера с 10 светодиодами CREE XR-E7090 14

1. Введение 2. Обзор литературы 2.1. Принцип действия светодиода

Светодиод или светоизлучающийдиод - полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком участке спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в светодиоде полупроводника.

Рис.1

Светодиод CREE XR-E7090.

Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоняк.

Как и в обычном полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда (электроны и дырки) рекомбинируют с излучением фотонов.

Чем больший ток протекает через светодиод, тем ярче он светит, так как больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод может перегреется и выйти из строя.

2.2. Материалы светодиодов

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Хорошими излучателями являются, как правило, прямозонные полупроводники типа AIIIBV (GaAs, InP и т.п.) и AIIBVI (ZnSe CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Рис.2

Обозначение светодиода в электрических схемах.

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремниевый Si или германиевый Ge диоды, а также сплавы SiGe, SiC) свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитостью кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светоизлучающих диодов на основе кремния. Последнее время большие надежды связывают с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

2.3. Квантовый выход светодиода

Квантовый выход - это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару.

Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний - в самом p-n-переходе, внешний - для прибора в целом (с учетом поглощения и рассеяния).

Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.

2.4. Светодиоды белого света

В последнее время получили широкое распространение так называемые «белые светодиоды». Белый светодиод – на самом деле, своеобразный гибрид светодиода и люминисцентной лампы. Это монохроматический синий диод, покрытый слоем люминофора, который под действием синего излучения светодиода излучает цвет в широкой области спектра – от зеленого до красного. При смешении с собственным излучением светодиода получается свет, который человеческим глазом воспринимается как весьма близкий к обычному дневному свету, иногда с небольшим смещением в сторону холодных тонов.

Существует еще один способ получения белого светодиода. Цветные светодиоды содержат в одном корпусе «вперемешку» красные, зеленые и синие кристаллы, что позволяет получить при смешении их излучения белый цвет и всю цветовую гамму.

2.5. Электрические и оптические характеристики светодиодов

Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2В до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1 А. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода.

Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

Цветопередача находится в районе Ra>80.

2.6. Светодиоды и постоянный ток

Всем светодиодам требуется постоянный ток, максимальное значение которого определяется для каждой модели светодиода индивидуально. От этого зависит и световой поток.

Рис.3

Типичная ВАХ светодиода.

Как видно из рисунка 3, в рабочих режимах ток, текущий через светодиод экспоненциально зависит от напряжения, и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

2.7. Светодиодные кластеры

Кластер – источник света, представляющий собой компактный прибор с некоторым количеством светодиодов, помещенных в общий влагозащищенный корпус. Чем большее количество светодиодов входит в состав кластера, тем выше его сила света и стоимость. По форме кластеры бывают цилиндрические, прямоугольные и шестигранные. По количеству используемых светодиодов показатели могут варьироваться от 4 до 62. Кластеры могут быть одноцветными, двуцветными и полноцветными (RGB).

2.8. Технологии изготовления светодиодов

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6 — 12 подложках диаметром 50 — 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24x0,24 до 1x1.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке 4.

Рис.4

Светодиод, изготовленный по технологии СОВ.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера.

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

2.9. Использование светодиодов

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники. Благодаря широкому спектру цветов, компактности и разнообразию модулей светодиоды дают возможность реализации множества оригинальных инновационных светотехнических решений в области дизайна. Компактные размеры светодиодных модулей обеспечивают монтаж в стесненных условиях. При этом монохроматическое излучение светодиодов способствует высокой насыщенности цвета.

В пользу применения светодиодов, кроме их декоративных свойств, говорит также малое потребление энергии, большой срок службы и обусловленные этим низкие затраты на техническое обслуживание. Затраты на эксплуатацию светодиодного оборудования также минимальны.

Светодиодные модули применяются:

в световой рекламе

в оформлении интерьеров

в сигнализации на автотранспорте

в освещении для ориентации в зданиях

в обозначении путей эвакуации

в декоративных и встроенных светильниках

в световых указателях

Светодиоды уже используются в светофорах на автострадах, железных дорогах и в аэропортах – там, где перегоревшая лампа представляет значительную угрозу, и цена не является доминирующим фактором.

Правительство США не так давно выступило с инициативой создания светильников нового поколения. В связи с этим традиционные компании, такие как OSRAM, General Electric, Phillips, скооперировались в изготовлении полупроводников с целью наладить массовое производство светодиодов. По некоторым оценкам, к 2012 году «белые светодиоды» могут занять до четверти рынка искусственного освещения.

3. Цель работы

Основной целью данной работы является разработка оптической схемы уличного светильника на полупроводниковых лампах, с использованием в качестве источников света линеек-кластеров шириной 35 мм с 10 светодиодами CREE XR-E7090 расположенными по оси линейки на расстоянии 29,5 мм между лампами.

Для достижения этой цели необходимо:

ознакомиться с принципами работы светодиодов;

собрать лабораторную установку для определения характеристик используемых в работе светодиодов;

ознакомиться с используемым для проектирования оптической схемы светильника программным обеспечением;

спроектировать оптическую схему светильника в соответствии с измеренными на лабораторной установке характеристиками светодиодов и необходимыми характеристиками светильника.

4. Экспериментальная часть 4.1. Измерение характеристик светодиода CREE XR-E7090

Для измерения потока и силы света, излучаемого светодиодом, была собрана установка в соответствии со следующей схемой:

Рис.5

Схема измерительной установки.

1. Источник света (светодиод CREE XR-E7090);

2,3. Люксметр ДК-20

2. Селеновый фотоприёмник ДК-20-5 №760540;

3. Миллиамперметр М 1200;

4. Амперметр Ц4360 (0-500мА);

5. Источник питания Б5-9 (0-90В, выставляли 30В);

Результаты измерения представлены в Таблице 1.

Таблица 1.Измерение потока и силы света, излучаемого одним светодиодом, через который протекает ток в 350 мА.

Угол поворота	E1, дел	E2, дел	(E1+E2)/2,дел	E,Лк	I=E*r^2	ω=4π*(Sin(α/2))^2	P=I*ω
0	100	100	100	4,2	37,8	0	0
5	98	99	98,5	4,137	37,233	0,023907303	0,890141
10	96	97	96,5	4,053	36,477	0,071539969	2,609563
15	91	93	92	3,864	: 0in;">34,776	0,118628206	4,125414
20	86	87	86,5	3,633	32,697	0,164813663	5,388912
25	80	81	80,5	3,381	30,429	0,209744863	6,382326
30	75	77	76	3,192	28,728	0,253079872	7,270479
35	66	68	67	2,814	25,326	0,294488904	7,458226
40	58	59	58,5	2,457	22,113	0,33365683	7,378153
45	50	51	50,5	2,121	19,089	0,370285575	7,068381
50	38	38	38	1,596	14,364	0,40409639	5,804441
55	33	34	33,5	1,407	12,663	0,434831968	5,506277
60	23	22	22,5	0,945	8,505	0,462258408	3,931508
65	13	15	14	0,588	5,292	0,486166989	2,572796
70	12	13	12,5	0,525	4,725	0,506375764	2,392625
75	8	9	8,5	0,357	3,213	0,522730941	1,679535
80	7	7	7	0,294	2,646	0,535108055	1,415896
85	4	3	3,5	0,147	1,323	0,543412913	0,718935
90	1	1	1	0,042	0,378	0,547582314	0,206986

4.2. Измерение характеристик линейки-кластера с 10 светодиодами CREE XR-E7090

Для измерения потока и силы света, излучаемого линейкой-кластером с 10 светодиодами, была собрана установка в соответствии со схемой изображенной на рисунке 2, с линейкой кластером в качестве источника света.

Результаты измерения представлены в Таблице 2.

Таблица 2.Измерение потока и силы света, излучаемого кластером, состоящим из 10 светодиодов, через которые протекает ток в 350 мА.

Угол поворота	E1, дел	E2, дел	(E1+E2)/2,дел	E,Лк	I=E*r^2	ω=4π*(Sin(α/2))^2	P=I*ω
0	110	109	109,5	49,275	443,475	0	0
5	109	109	109	49,05	441,45	0,023907303	10,55388
10	106	104	105	47,25	425,25	0,071539969	30,42237
15	101	101	101	45,45	409,05	0,118628206	48,52487
20	95	94	94,5	42,525	382,725	0,164813663	63,07831
25	90	86	88	39,6	356,4	0,209744863	74,75307
30	82	80	81	36,45	328,05	0,253079872	83,02285
35	73	71	72	32,4	291,6	0,294488904	85,87296
40	63	59	61	27,45	247,05	0,33365683	82,42992
45	52	39	45,5	20,475	184,275	0,370285575	68,23437
50	39	30	34,5	15,525	139,725	0,40409639	56,46237
55	27	15	21	9,45	85,05	0,434831968	36,98246
60	16	12	14	6,3	56,7	0,462258408	26,21005
65	11	10	10,5	4,725	42,525	0,486166989	20,67425
70	9	8	8,5	3,825	34,425	0,506375764	17,43199
75	7	5	6	2,7	24,3	0,522730941	12,70236
80	4	6	5	2,25	20,25	0,535108055	10,83594
85	6	5	5,5	2,475	22,275	0,543412913	12,10452
90	5	3	4	1,8	16,2	0,547582314	8,870833