plik pdf 11.50MB - Polska Izba Inżynierów Budownictwa

technologie
Rys. 2 | Przykłady soczewek
Konstrukcja LED rozwija się
bardzo dynamicznie, dlatego
w krótkim artykule nie
można przedstawić wszystkich
obecnie stosowanych
rozwiązań. Przedstawione
zostaną te najbardziej typowe
rozwiązania, które stosowane
są już w oświetleniu.
Rys. 3 | Przykład diody, w której
zastosowano reflektor
Ogólna zasada działania LED
Projektując diody elektroluminescencyjne, dąży się przede wszystkim
do uzy skania możliwie dużej skuteczności świetlnej. Sprawność
emisji promieniowania (pośrednio skuteczności świetlnej)
ograniczona jest głównie przez zjawisko absorpcji promieniowania
w półprzewodniku i występo wanie odbicia wewnętrznego
promieni na granicy półprzewodnik–powietrze. Na rys. 1 pokazane
jest w sposób poglądowy zjawisko absorpcji i odbicia wewnętrznego
w złączu p-n.
W obszarze typu p promieniowanie jest silniej absorbowane
przez pół przewodnik niż w obszarze typu n. Promieniowanie
będzie ulegało całkowitemu odbiciu wewnętrznemu, jeżeli
kąt, pod jakim pada na granicę półprzewodnik–powietrze, jest
większy od kąta granicznego θ c
. Ponieważ materiały półprzewodnikowe
charakteryzują się dużymi współczynnikami załamania
światła, kąty graniczne θ c
są małe. W celu ograniczenia liczby
wewnętrznych odbić światła w półprzewodniku (aby tym samym
zwiększyć skuteczność świetlną diody) zwiększa się wartość kąta
granicznego, np. przez stosowanie soczewek z tworzywa sztucznego
lub materiału półprzewodnika. Przykładowa konstrukcja
soczewek pokazana jest na rys. 2.
Kulista soczewka wykonana z półprzewodnika powoduje, że promieniowanie
generowane w obszarze złącza pada na granicę półprzewodnik–powietrze
zawsze pod kątem mniejszym niż kąt graniczny
i nie ulega całkowitemu odbi ciu wewnętrznemu. Soczewka
tego typu nie ma zdolności skupiających, a dioda emituje promieniowanie
w półpełnym kącie bryłowym. Soczewka z tworzywa
sztucznego ma większy współczynnik załamania światła niż powietrze,
w związku z tym zwiększa się kąt graniczny całkowitego odbicia
wewnętrznego w półprzewodniku. Tworzywo ukształtowane
w soczewkę sprawia, że promieniowanie pada na granicę tworzywo–powietrze
zawsze pod kątem mniejszym od kąta granicznego.
Soczewka powoduje jednocześnie skupie nie wiązki światła. Kształt
diody elektroluminescencyjnej ma bardzo duży wpływ na jej własności
użytkowe. W niektórych konstrukcjach diod stosuje się reflektory
odbijające światło, dzięki czemu znacznie wzrasta ich skuteczność
świetlna. Zwykle światło, które kierowane jest w dolną część
diody, jest tracone. Umieszczenie reflektora na dole diody powoduje
jego odbicie i skierowanie w stronę okna wyjściowego (rys. 3).
Diody elektroluminescencyjne pracują przy gęstościach prądu
w zakresie 1–10 A/cm 2 , przy mocach 2–20 W. Taka gęstość prądu
powoduje znaczące zwiększenie temperatury diody. Zwiększenie
temperatury diody powoduje znaczne zmniejszenie jej trwałości
i skuteczności świetlnej. Dobre odprowadzanie ciepła ma duży
wpływ na prawidłowe działanie LED. Za dobre odprowadzenie ciepła
odpowiedzialne są m.in. jakość kontaktów elektrycznych i jakość
stosowanych radiatorów. Dioda elektroluminescencyjna ma dwa
kontakty elektryczne. Są one tak wykonywane, aby nie zwiększały
rezystancji szeregowej diody i nie utrudniały emisji światła ze złącza.
Te dwa wymagania – mała rezystancja i małe pochłanianie światła
– są ze sobą sprzeczne i wymagają projektów optymalizacyjnych.
Jedna z popularniejszych konstrukcji kontaktów jest taka, że jeden
kontakt wykonany jest na półprzewodniku typu n i pokrywa całą
powierzchnię struktury. Ten kontakt montuje się na radiatorze. Drugi
kontakt wykonany jest na półprzewodniku typu p i pokrywa jak naj-
Rys. 4 | Przykład oznaczenia punktu T c
na diodzie
trwałość [1000 godz.]
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Trwałość
T c
– miejsce pomiaru
Temperatury
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Temp w punkcie Tc [°C]
InGaN
InGaAlP
Rys. 5 | Przykład wpływu temperatury w punkcie T c
na trwałość LED
grudzień 09 [68]
61