Диплом. Диплом Ионов А.В. 1. Теоретическая часть

• Название: 1. Теоретическая часть
• Анкор: Диплом
• Дата: 26.11.2019
• Размер: 1.71 Mb.
• Имя файла: Диплом Ионов А.В.docx
• Тип: Документы; #97181
• страница: 1 из 13

Содержание

1.Теоретическая часть………………………………………………..….……6

1.1 Общие характеристики мощных светодиодов…………… …..6

1.2 Строение светодиодов 7

1.3 Световые характеристики 10

1.4Охлаждение мощных светодиодов 15

1.5 Энергетический КПД 17

1.6 Управление тепловым режимом 18

1.7 Виды радиаторов 20

1.7.1 Алюминиевые радиаторы 21

1.7.2 Керамические подложки 21

1.7.3 Теплорассеивающие пластмассы 22

1.8 Элемент Пельтье 23

1.9 Управление светодиодами постоянным током 27

1.10 Источники стабильного постоянного тока 28

1.11 Виды соединений светодиодов 29

1.12 Стабилизаторы напряжения и тока в питании светодиодов 32

1.12.1 Линейные стабилизаторы 32

1.12.2 Импульсные стабилизаторы 34

1.13 Конструкция импульсного светодиодного драйвера 37

1.14 Использование светодиодов 38

2.Специальная часть…………………………………………………….…..39

2.1 Анализ схемы электрической принципиальной 39

2.1.1 Драйвер питания светодиодов 40

2.2Выбор элементной базы 43

2.3 Обоснование выбора элементной базы 48

2.4 Характеристики элементной базы 48

2.5 Трассировка печатного узла 49

3.Конструкторско-технологическая часть…………………….…………..50

3.1 Конструкторско технологические требования 50

3.1.1 Выбор класса точности 51

3.1.2 Выбор материала 51

3.1.3 Изготовление печатного узла 52

4.Экспериментальная часть……………..………………………..…………..55

4.1 Измерительные приборы 55

4.1.1 Люксметр 55

4.2 Термистор 57

4.2.1 Характеристики NTC термистора 60

4.3 Эксперимент 61

4.3.1 Измерение световых характеристик диода 61

4.3.3 Эффективность эл-та Пельтье 65

4.3.4 Измерение температуры подложки светодиода при пассивном и активном охлаждении. 67

4.3.5 Выводы по результатам эксперимента. 70

4.3.6 Недостатки эксперимента 70

4.3.7 Пути решения отмеченных недостатков 71

5.Экологическая часть………………………………………………………71

6.Безопасность жизни деятельности………………………………………..76

6.1 Эргономика зрительного восприятия 76

6.2 Величины и единицы света и цвета 77

6.3 Характеристики освещения 79

7. Экономическая часть……………………………………………………..81

7.1 Расчет себестоимости 81

8.Заключение………………………………………………………………...83

9.Приложения…………..……………………………………………………92

9.Библиографический список литературы…….………………………….……………..102

АННОТАЦИЯ

Дипломная работа посвящена исследованию проблем отвода тепла от мощных светодиодов.

В теоретической части проведен обзор параметров мощных светодиодов и способов их охлаждения.

В конструкторской части приведено описание ШИМ-контроллера для питания светодиода и разработана документация (принципиальная электрическая схема и трассировка печатной платы).

В экспериментальной части проведено исследование отвода тепла от светодиода фирмы CREE типа XREWHT-L1-0000-00C01 мощностью 1Вт и рабочим током 350-700 мА.

Эксперимент проводился с использованием различных конструкций для охлаждения светодиодов: алюминиевым радиатором, на который затем были установлены вентилятор, а после снятия вентилятора модуль Пельтье. Результаты эксперимента предоставлены в приложении.

Введение

Светодиодное освещение - одно из многообещающих направлений технологий искусственного освещения, основанное на применении светодиодов в виде источника света. Применение светодиодных ламп в освещении уже занимает существенную долю рынка. Развитие напрямую связано с технологическим совершенствованием светодиода.

В настоящее время светодиоды нашли применение в самых различных областях: светодиодные фонари, автомобильная светотехника, рекламные вывески, светодиодные панели и индикаторы, бегущие строки и светофоры и т.д.

В сравнении с обычными лампами накаливания, а также люминесцентными лампами светодиоды обладают многими преимуществами: миниатюрность, экологичность, безопасность, долгий срок службы, высокие световые характеристики, возможность работы в широком спектре температур, большой выбор цветов.

Ключевым моментом замены традиционных ламп накаливания, на светодиодные источники света является существенная экономия электроэнергии.

Среди производителей именно светодиодные источники света считаются наиболее функционально-перспективным направлением как с точки зрения энергоэффективности, так и затратности и практического применения. В основном применяются приборы на белых светодиодах[1].

Главные проблемы, останавливающие массовое внедрение этих перспективнейших источников света, на сегодня являются:

Первое это — высокая начальная стоимость устройств освещения на светодиодах, но расходы, требуемые при эксплуатации значительно меньше конкурентных источников освещения и в течение года окупаются.

Второй проблемой до сих пор остается отвод тепла мощных светодиодов, только 5% передается в виде теплого излучения в воздух и около 90% переходит в подложку самого светодиода.

Поэтому исследование отвода тепла в мощных светодиодах является актуальной задачей и это стало главной целью данной дипломной работы. Рассматриваются несколько различных методов охлаждения, а именно при помощи алюминиевого радиатора (с пассивным охлаждением) радиатора (с активным охлаждением) и охлаждение элементом Пельтье.

1. Теоретическая часть

1.1 Общие характеристики мощных светодиодов

Изобретение транзисторов стало одним из самых прогрессивных открытий в науке. Последующее развитие полупроводниковой электроники и создание компьютеров во второй половине XX в. привело к кардинальному скачку в эволюции высоко технологичных производств, организацию труда на всех уровнях управления.

Особые перспективы возникли в области физики полупроводников, изучающая люминесценцию. Прогресс в этой сфере позволил создать полупроводниковые источники света - светодиоды.

Первые открытия были сделаны в нашей стране еще в 1923 г. О.В.Лосевым, работавшим в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории. Однако реализованы на практике были лишь в 60-70-е годы, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа A^IIIB^V - фосфида и арсенида галлия и их твердых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники - оптоэлектроники [2].

Эффективные светодиоды для зеленовато-голубой, голубой, синей и фиолетовой частей спектра были созданы в 90-е годы. Производятся они на основе полупроводников со значительной шириной запрещенной зоны: карбида кремния SiC, соединений группы A^IIB^VI, нитридов группы A^IIIB^V. У излучателей на основе ZnSe (A^IIB^VI) большой квантовый выход, но они имеют маленький срок работы, но имеют большое электрическое сопротивление. У карбид-кремниевых диодов очень мал КПД, так как SiC - непрямозонный полупроводник.[2]

В последние годы был сделан настоящий прорыв в разработках голубых и зеленых светодиодов. В приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов GaN, In_xGa_1–xN, Al_xGa_1–xN внешний квантовый выход увеличен до η_e = 9-16 % [2]. Светоотдача диодных излучателей из разных материалов для всех основных цветов превысила светоотдачу ламп накаливания. Диоды стали приборами и оптоэлектроники, и светотехники.

1.2 Строение светодиодов



Рисунок 1 Строение 5мм светодиода

Светодиод « Рис.1» представлен двумя выводами – анодом и катодом. Катод крепится к алюминиевому параболическому рефлектору ( отражателю ).Внешне он представляет собой чашеобразное углубление. На дне располагают светоизлучающий кристалл.

Активный элемент представлен полупроводниковым монокристаллом ( в 5 мм светодиодах он выполнен в виде кубика-чипа ). Размеры небольшие - 0,3*0,3*0,25 мм. Он содержит p-n переход или гетеропереход и омический контакты.

Кристалл соединяется с анодом перемычкой, произведенной из золотой проволоки. Полимерный корпус - фокусирующая линза. Она с рефлектором и определяют угол излучения (диаграмма направленности) светодиода.

На следующем этапе разработок перешли к многослойным гетероструктурам GaN/ /Ga_1–xIn_xN с нелегированным активным слоем Ga_1–xIn_xN толщиной до 2-3 нм. Физические принципы, ранее использованные при создании приборов на основе GaAs/Ga_1–xAl_xAs и GaAs/In_xAl_yGa_1–x-yP, послужили применительно к новым структурам [2].

В сверхтонких слоях влияют эффекты размерного квантования - зависимости энергетического спектра электронов и дырок от толщины слоя, когда толщина слоя сравнима с длиной волны де Бройля. Таким образом, открылась возможность регулировать цвет свечения, изменяя не состав полупроводника, а толщину потенциальной ямы, называемой в этих условиях квантовой.

Было крайне важно разработать технологию выращивания новых структур, обеспечивая на границах минимальное число дефектов. Помогло то, что в сверхтонких слоях несоответствие параметров решетки в определенных случаях вызывает на гетерограницах лишь упругую деформацию растяжения или сжатия. А чисто упругая деформация не сопровождается образованием дислокаций и дефектов - центров безызлучательнаой рекомбинации.

Структура светодиода с множественными квантовыми ямами представляет собой довольно сложный “пирог” «рис 2». На сапфировой подложке, после буферного слоя AlN (толщиной 30 нм), выращен относительно толстый (4 мкм) слой n-GaN:Si. Затем идет активный нелегированный слой, состоящий из пяти чередующихся квантовых ям In_xGa_1–xN (3-4 нм) и барьеров GaN (4-5 нм). Эффективная ширина запрещенной зоны квантовых ям In_xGa_1–xN соответствует излучению от голубой до желтой области (450-580 нм), если состав активного слоя меняется в пределах x = 0.2-0.4; она зависит и от толщины d. Расположенный выше барьерный широкозонный слойp-Al_0.1Ga_0.9N:Mg (100 нм) инжектирует дырки и согласует решетку с решеткой верхнего слоя p-GaN:Mg (0.5 мкм), на который нанесен металлический контакт Ni-Au. Второй металлический контакт (Ti-Al) с нижним слоем n-GaN создается после стравливания части структуры.[2]



Рисунок 2 Схема светодиода на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN с множественными квантовыми ямами.

Путем 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. При использовании конверсионного люминофора (желтого) и голубого светодиода можно получить белое излучение «Рис 3». При использовании ультрафиолетового диода и трех люминофоров (R/G/B) возможно также получение белого излучения[4]. «Рис.4»



Рисунок 3. Голубой светодиод с желтым люминофором



Рисунок 4. Ультрафиолетовый диод с тремя люминофорами