 |
|
|
Эффективность белых светодиодов
ВведениеНа данный момент большинство выпускаемых белых светодиодов построены по принципу сочетания синего излучения полупроводникового чипа и излучения люминофора(ов). Холодный и естественный белый свет с коррелированной цветовой температурой выше 4000К получают применением желтого или желто-зеленого люминофора. Для того, чтобы получить теплый белый свет необходимо использовать смесь желтого, зеленого и красного люминофоров. Также для достижения этой цели возможно применение смеси желтого и красного люминофоров или люминофора с более широким, чем обычно, спектром излучения, характеризующегося эффективной длиной волны в оранжевой области спектра. Поскольку почти все распространенные способы изготовления белого светодиода подразумевают использование люминофоров, в концепции белого светодиода заложены некоторые неизбежные энергетические потери, связанные с конечной эффективностью люминофоров и стоксовским сдвигом. Поэтому существует вопрос о максимально возможной эффективности белого светодиода. Этот вопрос в некоторой степени был освещен в работах 1,2,3. Описание методаРанее было показано4, что эффективность преобразования энергии в белом светодиоде может быть определена как отношение мощности излучения белого светодиода к мощности излучения синего светодиода, если разница между конструктивными исполнениями этих светодиодов заключается только в наличии в белом светодиоде люминофора. Рассмотрим подробно этот метод определения максимально возможной эффективности белого светодиода. Максимально возможная эффективность соответствует идеальному случаю конструктивного исполнения белого светодиода. Причины энергетических потерь в таком случае следующие:
Доля этих потерь зависит от цвета излучения светодиода. Чем больше синего излучения преобразуется в желтое излучение, тем большую долю от исходной энергии излучения составляют потери на преобразование. Пусть в белом светодиоде чип излучает энергию с мощностью P. Часть этой энергии с мощностью Pc может выходить из светодиода без контакта с частицами люминофора. Другая часть представляет собой энергию излучения с мощностью Рл, попадающего на поверхность частиц люминофора. Часть падающего на люминофор излучения отражается. Здесь можно сделать допущение о том, что эта часть – отраженное люминофором излучение, не выходит из светодиода, а теряется при поглощении элементами конструкции, попадает на которые, отражаясь под произвольным углом, невыгодным с точки зрения вывода излучения из линзы. Практика расчетов и сопоставление их результатов с экспериментальными данными показали, что они хорошо согласуются. В то же время расчеты без допущения дают заметно расходящиеся с экспериментальными результаты для люминофоров с коэффициентом отражения в синей области больше 30 %. Поэтому допущение, скорее всего, верно. Излучение, поглощенное люминофором частично преобразуется в тепловые колебания. Преобразованное излучательными центрами и выходящее из люминофора желтое излучение с мощностью Рж можно в упрощенном виде связать с излучением, попавшим на поверхность люминофора, следующим образом:  , (1)
В интегральной форме преобразование энергии излучения люминофором можно описать как  , (2) , (3)
Более подробно общий параметр эффективности люминофора рассмотрен в работе5. В белом светодиоде общая мощность синего и желтого излучения Рб будет равна Рж + Рс. Обозначим соотношение между мощностями желтого и синего излучения, зависящее от заданного цвета излучения светодиода, как С = Рж / Рс. В синем светодиоде люминофор отсутствует, и в соответствии с принятыми ранее обозначениями мощность излучения синего светодиода Р будет равна Рл + Рс. Согласно данному выше определению эффективность преобразования энергии в белом светодиоде может быть выражена как  . (4)Выразив все величины мощностей излучения, входящие в уравнение (4) через одну из них, например Рл, после преобразований получаем окончательное выражение для эффективности преобразования энергии в белом светодиоде:  . (5)ПримерРассмотрим пример применения формулы (5) для оценки эффективности реального белого светодиода. На основе чипов с размерами 0,3 х 0,33 мм с эффективной длиной волны излучения 462 нм были изготовлены белые и синие светодиоды. Конструктивное исполнение белых светодиодов отличалось наличием люминофора со следующими характеристиками (при возбуждении излучением, близким по спектральному составу к излучению чипа): квантовая эффективность 90 %, коэффициент отражения 10 %, эффективная длина волны 597 нм. Упрощенный расчет дает значение общего параметра эффективности данного люминофора в светодиоде с указанным чипом на уровне 0,63. Координаты цветности (по стандарту МКО1931) белых светодиодов составляли х = 0,38, у = 0,39. Соотношение между мощностями желтого и синего излучения при этом составляло около 4. Расчет по формуле (5) показывает, что в этом случае максимально возможная эффективность преобразования энергии в белом светодиоде составляет 0,68. В синем светодиоде отношение мощности излучения завершенного светодиода (с линзой) к мощности излучения светодиода с чипом без линзы составляло 1,6. В белом светодиоде это отношение составило 0,97. Таким образом, реальная эффективность преобразования энергии в белом светодиоде составляет 0,61, что на 10 % меньше максимально возможного значения. По оценкам, сделанным в работе2, потери относительно максимальной эффективности преобразования могут, в зависимости от конструктивного исполнения, составлять от 10 % (в лучших случаях) до 30 %. Полученные результаты говорят о том, что в данном примере разработанное для изготовления белых светодиодов конструктивное исполнение вполне эффективно. ЗаключениеВ заключение отметим, что разработанная концепция определения максимальной эффективности преобразования энергии математически описывает близкий к идеальному вариант изготовления белого светодиода. На преобразование энергии в реальных светодиодах могут оказывать влияние факторы, связанные, например, с типом применяемого чипа или неоднородным по спектру коэффициентом пропускания оптической системы. Это необходимо учитывать в процессе разработки конструктивного исполнения белого светодиода. Ссылки
1 R. Mueller-Mach, G.O. Mueller, M.R. Krames, T. Trottier, “High-power phosphor-converted light-emitting diodes based on III-nitrides”, IEEE J. Selected Topics Quantum Electron., vol.8, pp.339–345, Mar.-Apr., 2002. | |
info@ledcommunity.ru
LED Community
Пользователи узла
Lumileds
