Светодиоды и тепловой режим

Требования к тепловому режиму, практические возможности его оптимизации в конструкциях световых приборов на светодиодах.

Путем соответствующего выбора полупроводникового материала и присадки можно целенаправленно воздействовать на характеристики светового излучения светодиодного кристалла, прежде всего на спектральную область излучения и эффективность преобразования подводимой энергии в свет:

• GaAlAs – арсенид галлия алюминия; на его базе – красные и инфракрасные светодиоды.
• GaAsP – фосфид арсенида галлия; AlInGaP – фосфид алюминий-индий-галлий; красные, оранжевые и желтые светодиоды.
• GaP – фосфид галлия; зеленые светодиоды.
• SiC – карбид кремния; первый, коммерчески доступный голубой светодиод с низкой световой эффективностью.
• InGaN – нитрид индия-галлия; GaN – нитрид галлия; УФ-, голубые и зеленые светодиоды.

Для получения белого излучения с той или иной цветовой температурой имеются 3 принципиальные возможности:

1. Преобразование излучения голубого светодиода желтым люминофором (рис.1а).

2. Преобразование излучения УФ – светодиода тремя люминофорами (аналогично люминесцентным лампам с так называемым трехполосным спектром) (рис.1б).

3. Аддитивное смешение излучений красного, зеленого и голубого светодиодов (RGB-принцип, аналогичный технологии цветного TV).

Цветовой оттенок излучения белых светодиодов может быть охарактеризован значением коррелированной цветовой температуры.

Большинство типов современных белых светодиодов выпускается на базе голубых в комбинации с конверсионными люминофорами, которые позволяют получить белое излучение с широким диапазоном цветовой температуры – от 3000 К (тепло-белый свет) до 6000 К (холодный дневной свет).

Работа светодиодов в схемах питания.

Кристалл светодиода начинает излучать, когда в нем протекает ток в прямом направлении. Светодиоды имеют экспоненциально возрастающую вольт-амперную характеристику. Обычно они питаются постоянным стабилизированным током или постоянным напряжением с предвключенным ограничивающим сопротивлением. Это предотвращает нежелательные изменения номинального тока, которые влияют на стабильность светового потока, а в худшем случае могут даже привести к повреждению светодиода.

При небольших мощностях используются аналоговые линейные регуляторы, для питания мощных диодов – сетевые блоки со стабилизированным током или напряжением на выходе. Обычно светодиоды включаются последовательно, параллельно или в последовательно-параллельные цепочки (см. рис.).

Плавное снижение яркости («диммирование») светодиодов осуществляется регуляторами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) или уменьшением прямого тока. Посредством стохастической ШИМ можно добиться минимизации спектра помех (проблема электромагнитной совместимости). Но в данном случае при ШИМ может наблюдаться мешающая пульсация излучения светодиода.

Величина прямого тока варьируется в зависимости от модели: например, 2 мА – у миниатюризированных светодиодов плоскостного монтажа (SMD-LED), 20 мА – у светодиодов диаметром 5 мм с двумя внешними токовводами, 1А – у мощных светодиодов для целей освещения.

Прямое напряжение UF обычно лежит а пределах от 1,3 В (ИК-диоды) до 4 В (светодиоды на базе нитрида индия-галлия – белые, голубые, зеленые, УФ). Между тем, уже созданы схемы питания, позволяющие подсоединять светодиоды непосредственно к сети переменного тока 230 В. Для этого две ветви светодиодов включаются антипараллельно и подсоединяются к стандартной сети через омическое сопротивление. В 2008 г. проф. П. Маркс получил патент на схему регулирования яркости светодиодов, питаемых стабилизированным переменным током (см. рис. 3).