СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТОМ Российский патент 2011 года по МПК H01L33/50 

Изобретение относится к средствам светоизлучения, преимущественно для систем управления железнодорожным транспортом, таким как светофор, и может быть использовано в системах отображения информации.

Основными преимуществами полупроводниковых светодиодных источников излучения над остальными источниками света явились:

надежность - в настоящий момент светодиоды различных конструкций имеют срок службы до 50000 часов и более, лампы накаливания и люминесцентные лампы имеют срок службы не более 10000 часов;

световая отдача светодиодов в настоящий момент превышает 120 лм/Вт и постоянно растет, тогда как световая отдача ламп накаливания и люминесцентных находится в пределах 10-100 лм/Вт.

Применение ламп накаливания со светофильтрами неэффективно, поскольку из широкого спектра излучения ламп накаливания, от ультрафиолетового до инфракрасного, фильтр вырезает достаточно узкий спектр излучения, что составляет 1,4-50% световой мощности лампы накаливания, в зависимости от спектрального диапазона. Спектр светодиодного источника излучения белого цвета значительно уже и относительная световая мощность, получаемого после фильтра составляет 10-60%.

Опыт применения полупроводниковых светодиодных источников излучения в различных системах отображения информации подтвердил вышеперечисленные преимущества таких источников над традиционными лампами накаливания. Вместе с тем фундаментальные физические свойства полупроводниковых светодиодных источников излучения снижают эффективность их применения, в особенности в системах и устройствах светосигнальной аппаратуры.

Из зависимостей интенсивности излучения, прямого падения напряжения, длины волны (координат цветности) излучения от температуры окружающей среды, а значит и от температуры P-N перехода, видно, для того чтобы удовлетворить требованиям систем с неизменяемой эргономикой, необходима стабилизация температуры P-N перехода в некоторой области температур, вне зависимости от температуры окружающей среды. С другой стороны, применение полупроводниковых излучателей, слабо зависимых по физическим параметрам от изменения внешней температуры, также может решить проблему изменения координат цветности и изменения силы света в некотором интервале температур.

Существующий способ отвода тепла от области P-N перехода заключается в естественной конвекции с применением радиаторов и тепловых труб.

Расчет тепловых сопротивлений для кристалла излучателя проводился с помощью метода эквивалентов, предложенного авторами [1].

Остальные тепловые сопротивления рассчитывались на основании известных данных по теплопроводности слоев и геометрии излучателя, где основное уравнение теплопередачи следующее:

,

где: Q - рассеиваемая мощность, Вт;

k - теплопроводность, Вт/см·К;

А - площадь радиатора, см²;

Т - температура, К.

Как видно из (1), основная величина, определяющая отток тепла от кристалла излучателя на воздух, - площадь радиатора. Тепловое сопротивление на воздух любого излучателя площадью 1 см² при свободной конвекции составляет ≈200 К/Вт. Таким образом, для эффективного отвода тепла от кристалла площадь радиатора должна составлять не менее 100 см². Однако при изменении температуры окружающей среды, согласно (1), температура P-N перехода изменяется на величину изменения температуры, что однозначно показывает - существующий способ отвода тепла эффективен только при постоянной температуре окружающей среды, что накладывает существенные ограничения на область использования светодиодных излучающих устройств, использующих в своей конструкции подобный способ теплоотвода.

Задача, поставленная авторами при создании настоящего изобретения, состоит в создании светодиодного излучающего устройства, эксплуатационные возможности которого, с одной стороны, сочетают в себе все вышеописанные достоинства подобных устройств, а с другой, слабо зависят от температуры окружающей среды, т.е. создании аналога лампы накаливания со всеми достоинствами полупроводниковых излучателей света Таблица 1.

Возможность создания подобных устройств, по мнению авторов [2], обусловлена использованием электрического способа переноса тепла от P-N перехода к радиатору посредством использования эффекта Пельтье. В числе известных светодиодных устройств, использующих в своей конструкции подобный эффект, может быть упомянуто светодиодное устройство по патенту РФ №2170995. Указанное устройство, выбранное в качестве прототипа, содержащее один или несколько полупроводниковых излучателей света с присоединительными выводами, подложку, линзу и снабженное одним или несколькими соединенными последовательно термоэлементами Пельтье и одним или несколькими радиаторами. Излучатели света включены последовательно в цепь термоэлементов и размещены в области поглощения тепла термоэлементами, а радиаторы размещены в области выделения тепла термоэлементами. Конструкция известного устройства позволяет повысить его рассеиваемую мощность, сохранив пропорциональность параметров входа-выхода, в частности силы света излучения светодиодного устройства от прямого тока через светодиод, с возможностью варьирования угла обзора и пространственной диаграммы направленности излучения.

К недостаткам известного устройства следует отнести то, что тепло, выделяемое полупроводниковым кристаллом светодиодного источника излучения, который включен последовательно с элементом Пельтье, всегда намного больше, чем тепло отводимое элементом Пельтье. При разумных токах через элемент Пельтье прямое напряжение на кристалле излучающих элементов светодиода, при параллельном подключении элементов Пельтье, гораздо больше, чем на элементе Пельтье. Поэтому ток через элемент Пельтье возрастает до значений, при которых Джоулево тепло начинает превалировать над эффектом Пельтье, в результате чего светодиод перегревается и его цветовые параметры меняются. Во-вторых, при минусовых температурах окружающей среды элемент Пельтье начинает работать более эффективно и температура P-N перехода резко снижается, что недопустимо в приборах визуального отображения информации ввиду изменения их цветовых характеристик.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание светодиодного источника излучения, эксплуатационные возможности которого, с одной стороны, сочетают в себе все вышеописанные достоинства подобных устройств, а с другой, слабо зависят от температуры окружающей среды, т.е. создание аналога лампы накаливания со всеми достоинствами полупроводниковых излучателей света (Таблица 1). В Таблице 1 сравниваются лампа накаливания и светодиодный источник излучения. Лампа накаливания имеет широкий спектр от ближнего ультрафиолета до инфракрасной области спектра, спектр непрерывный, поэтому можно при применении фильтров получать любой цвет: синий, красный, зеленый и т.д. Температура окружающей среды от - 55 С° до +65 С° не влияет на цвет излучения и на силу света. Однако срок службы любой лампы накаливания не превышает 1000 часов.

Светодиодный излучатель света, в отличие от лампы накаливания, имеет срок службы не менее 50000 часов. Однако следующие физические свойства полупроводниковых излучателей по разному влияют на их применение. Полупроводниковые излучатели имеют узкий спектр излучения, а также имеют все нужные длины волн для применения в светофорах. С одной стороны, это хорошо и не нужно применение фильтров, но с другой стороны (см. графу "Температурный сдвиг" в Таблице1), при положительных и отрицательных температурах длина волны (или координата цветности) уходит от дозволенного; пример для желтого цвета из той же таблицы, 0,11 нм/C°·65 С° = 7,15 нм; 592,5 нм + 7,15 нм = 599,65 нм, что выходит за рамки дозволенного по техническим условиям на светофор. Также ведет себя и сила света (см. фиг.2), где при увеличении температуры она падает для желтого цвета в два раза.

Ранее нами было предложено применение элементов Пельтье для стабилизации температуры P-N перехода; недостатки данного метода описаны в данном патенте выше. Поэтому мы предлагаем воспользоваться самым малым температурным сдвигом длины волны излучения, что для синего цвета светодиодного источника составляет 0,03 nm/°C, тогда 0,03·65=1,95 nm, что вполне укладывается для любого цвета. Для получения любого цвета необходимо покрыть синий излучатель люминофором и получить белый цвет, а затем поставить штатный фильтр. Получили белый излучатель, с меньшим по протяженности спектром, что также нам в плюс, с малым температурным сдвигом по длине волны и с большим сроком жизни. Теперь некоторые тонкости.

Для достижения указанного технического результата в светодиодном источнике излучения, содержащем, по меньшей мере, один или несколько полупроводниковых излучателей света, одноцветного излучения ультрафиолетового или оптического диапазона, держатель излучателей света, с присоединительными выводами, радиатор и покровную линзу, согласно изобретению полупроводниковые излучатели света одноцветного излучения ультрафиолетового или оптического диапазона покрыты люминофором, при этом длина волны излучателей света, покрытых люминофором, лежит в диапазоне λ=405-460 нм, а координаты их цветности лежат в диапазоне Х=(0,36, 0,36, 0,47, 0,46)±0,001, Y=(0,37, 0,35, 0,43 0,39)±0,01, при этом светодиодный источник излучения может быть выполнен в виде Т-образной фигуры, с размерами: 6±0,5 мм, длинная сторона, и 3±0,5 мм, короткая сторона, люминофор выполнен Стоксовским на основе гранатов и силикатов, площадь радиатора составляет ≥100 см², объем между покровной линзой и излучателями света заполнен прозрачным или рассеивающим, герметизирующим эластичным компаундом с коэффициентом преломления ≥1,3, покровная линза выполнена с толщиной стенок ≤1 мм. Для получения нужных координат цветности, в желтом диапазоне, покровная линза выполнена в виде обрезного фильтра.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - светодиодный источник излучения с люминофором;

фиг.2 - график зависимости силы света от температуры окружающей среды;

фиг.3 - принципиальная электрическая схема заявленной конструкции;

фиг.4 - спектр излучения белого светодиодного источника;

фиг.5 - спектры излучения светодиодного источника, размещенного в светофоре с красным фильтром;

фиг.6 - спектры излучения светодиодного источника, размещенного в светофоре с зеленым фильтром;

фиг.7 - спектры излучения светодиодного источника, размещенного в светофоре с желтым фильтром;

фиг.8 - координаты цветности полученного желтого цвета излучения светодиодного источника излучения для систем управления транспортом (Т LED=6500 K). Пунктир - железнодорожный стандарт;

фиг.9 - радиатор светодиодного источника для карликовых светофоров;

фиг.10 - радиатор светодиодного источника для магистральных светофоров.

Светодиодный источник излучения состоит из полупроводникового излучателя света 1 одноцветного излучения ультрафиолетового или оптического диапазона, покрытого люминофором, держателя излучателей света 2, с присоединительными выводами 3, радиатора 4, покровной линзы 5. Длина волны излучателей света, покрытых люминофором, лежит в диапазоне λ=405-460 нм, а координаты их цветности лежат в диапазоне Х=(0,36, 0,36, 0,47, 0,46)±0,001, Y=(0,37, 0,35, 0,43, 0,39)±0,01, что позволяет при размещении светодиодного источника в железнодорожном светофоре со штатными фильтрами получать нужные координаты цветности светофора.

Полупроводниковый излучатель света 1 выполнен в виде Т-образной фигуры, где несколько полупроводниковых кристаллов объединены в блок, например четыре кристалла образуют верхнюю перекладину, с размерами: 6±0,5 мм, а два кристалла - основание, с размерами 3±0,5 мм, что позволяет получить узкую диаграмму направленности в горизонтальном направлении и достаточную диаграмму в вертикальном направлении для визуализации на близком расстоянии порядка 10 м. Блок размещен на держателе излучателей света 2 в плоскости фокусного расстояния фильтров светофора, выполненных в виде линз Френеля.

Люминофор применяют Стоксовский на основе гранатов и силикатов, для получения нужных координат цветности светодиодного излучателя.

Минимальная площадь поверхности радиатора 4 для карликовых светофоров составляет ≥100 см², что обеспечивает необходимый теплоотвод. При этом держатель излучателя света расположен параллельно присоединительным выводам. Для магистральных светофоров держатель излучателя света расположен перпендикулярно присоединительным выводам.

Объем между покровной линзой 5 и излучателями света 1 заполнен прозрачным или рассеивающим, герметизирующим эластичным компаундом 6 и имеет коэффициент преломления ≥1,3. Покровная линза 5 выполнена с толщиной стенок ≤1 мм для уменьшения поглощения света в ней.

Устройство работает следующим образом. Напряжение питания на светодиодном источнике колеблется от 9 В до 12 В. Согласно такому варианту при напряжении питания 7,0 В, сила тока, проходящего через светодиодный источник, равна 0,35 А. Характеристики остальных параметров следующие:

ограничивающие сопротивления 7(R1, R2, R₃) 17,5 Ом, 8 диоды Шоттки (D1, D2), 9 диоды Шоттки (D3, D4), сила тока 1,05 А.

При подаче на выводы 3 (VCC) переменного положительного электрического напряжения, обеспечивающего протекание прямого электрического тока через диоды Шоттки 8 (D1 и D2) и излучатели света 1, последние начинают испускать свет. При подаче отрицательного напряжения ток будет протекать через диоды Шоттки 9 (D3 и D4), и излучатели света также будут испускать свет. Таким образом, работают обе полуволны переменного напряжения. Наличие полимерного компаунда 6 обеспечивает снижение потерь мощности излучения. Требуемую диаграмму направленности обеспечивают фильтры - линзы Френеля светофора. Кроме того, полимерный компаунд обеспечивает влагозащищенность кристаллов излучателей.

Описанная конструкция светоизлучающего диодного источника излучения обеспечивает его высокие технические характеристики, позволяющие обеспечить мощное узконаправленное излучение. Предлагаемый СД может найти широкое промышленное применение в производстве полупроводниковых средств светоизлучения, преимущественно для систем управления железнодорожным транспортом.

Таблица 1 Тип прибора Цвет прибора Белый Синий Желтый Зеленый Красный СВЕТОДИОД
лампа Длина волны λ_max, nm typ 455 475 592 525 631 Температурный сдвиг, nm/°С 0,03 0,03 0,11 0,03 0,09 Границы области с фильтром 0,310 0,108 0,617 0,241 0,735 0,310 0,144 0,561 0,022 0,703 X 0,450 0,207 0,545 0,206 0,704 0,450 0,180 0,604 0,300 0,725 Y 0,335 0,090 0,383 0,746 0,265 0,306 0,030 0,439 0,420 0,297 0,390 0,129 0,427 0,376 0,290 0,420 0,164 0,383 0,490 0,267 Сила света I_v, cd. 2500-10000 200-1600 4350-21750 2600-7800 2100-19000 Лампа накаливания Спектр Непрерывный от 470 нм до ближней ИК области Температурный сдвиг, nm/°С Отсутствует Границы области с фильтром 0,310 0,108 0,617 0,241 0,735 0,310 0,144 0,561 0,022 0,703 X 0,450 0,207 0,545 0,206 0,704 0,450 0,180 0,604 0,300 0,725 Y 0.335 0,090 0,383 0,746 0,265 0,306 0,030 0,439 0,420 0,297 0,390 0,129 0,427 0,376 0,290 0,420 0,164 0,383 0,490 0,267 Сила света I_v, cd. 2500 200 4350 2600 2100

Литература

[1] Захаров А.Л., Асвадурова Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - 184 с.

[2] Абрамов В.С. и др. Патент на изобретение №2170995 от 31.08.2000 г. Светодиодное устройство.

Изобретение относится к средствам светоизлучения, преимущественно для систем управления железнодорожным транспортом, и может быть использовано в системах отображения информации. Техническим результатом изобретения является создание светодиодного источника излучения, эксплуатационные возможности которого сочетают в себе достоинства светодиодных устройств и слабо зависят при этом от температуры окружающей среды. Для достижения указанного технического результата в светодиодном источнике излучения, содержащем, по меньшей мере, один или несколько полупроводниковых излучателей света одноцветного излучения ультрафиолетового или оптического диапазона, держатель излучателей света с присоединительными выводами, радиатор и покровную линзу, согласно изобретению полупроводниковые излучатели света покрыты люминофором. Длина волны излучателей света при этом лежит в диапазоне λ=450-460 нм, а координаты цветности лежат в диапазоне Х=(0,36, 0,36, 0,47, 0,46)±0,001, Y=(0,37, 0,35, 0,43, 0,39)±0,01. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Светодиодный источник излучения для систем управления транспортом, содержащий, по меньшей мере, один или несколько полупроводниковых излучателей света одноцветного излучения, держатель излучателей света с присоединительными выводами, радиатор, покровную линзу, отличающийся тем, что полупроводниковые излучатели света одноцветного излучения ультрафиолетового или оптического диапазона покрыты люминофором, при этом длина волны излучателей света, покрытых люминофором, лежит в диапазоне ультрафиолетового или оптического диапазона, а именно λ=405-460 нм, а координаты его цветности лежат в диапазоне Х=(0,36, 0,36, 0,47, 0,46)±0,001, Y=(0,37, 0,35, 0,43, 0,39)±0,01.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светодиодный источник излучения выполнен в виде Т-образной фигуры с размерами: 6±0,5 мм длинная сторона и 3±0,5 мм короткая сторона.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что люминофор выполнен Стоксовским на основе гранатов и силикатов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь радиатора составляет ≥100 см².

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем между покровной линзой и излучателями света заполнен прозрачным или рассеивающим герметизирующим эластичным компаундом.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что герметизирующий компаунд имеет коэффициент преломления ≥1,3.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что покровная линза выполнена с толщиной стенок ≤1 мм.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что покровная линза выполнена в виде обрезного фильтра для получения нужных координат цветности, в желтом диапазоне.