СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК H01L33/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к светоизлучающим диодам (СИД), и может найти применение в полупроводниковой технике при разработке и производстве СИД.

Уровень техники

Технология твердотельного освещения начинает завоевывать рынок белого освещения благодаря последним достижениям в разработке эффективных СИД, особенно, нитридных (InGaN), и наиболее высокой достижимой эффективности освещения среди всех известных источников белого света. Светодиодные решения находят широкое применение в тех осветительных устройствах типа линейных и уличных светильников, в которых осветитель относительно велик и сильно нагревающиеся СИД могут быть распределены так, чтобы обеспечить эффективный отвод тепла от них. Разработка светодиодных заменителей традиционных ламп накаливания и галогенных ламп с малым форм-фактором, обладающих высоким световым потоком, ввиду значительных перспектив в решении проблемы энергосбережения является одной из наиболее актуальных современных научно-технических задач, но ее решение сильно затруднено ограничениями объема для размещения управляющей электроники (драйверов) и относительно малой поверхностью для отвода тепла, выделяемого СИД, в таких лампах. Белые СИД часто содержат синий СИД, покрытый YAG:Ce фосфором. Мощные (один ватт или больше) синие СИД имеют эффективность приблизительно на 30-50% больше, чем белые СИД. Кроме того, считается, что при преобразовании фосфором синего света в желтый свет в белых СИД приблизительно 20% падающей световой энергии уходит на нагревание фосфора. Технические спецификации указывают, что падение мощности излучения синих СИД составляет приблизительно 7-10% при инкапсуляции кристалла СИД и 7-10% при температуре 25-125°C, в то время как падение мощности белых СИД составляет приблизительно 15-20% при той же самой температуре. Таким образом, в мощных белых СИД имеются существенные ограничения на тепловые и световые потоки.

Основу любого СИД светильника, предназначенного для замены стандартных светильников, составляют кристаллы СИД. Белый свет зачастую получается в результате смешения излучения комбинации кристаллов СИД с различными цветами излучения, например, синего, зеленого и красного или синего и оранжевого и др.

Однако в последние годы на первый план по масштабам использования выходят источники белого света на основе СИД с фотолюминофорами-конвертерами, которые излучают желтое или оранжевое (красное) излучение при поглощении синего или УФ-излучения кристалла СИД. Такое устройство содержит кристалл СИД, излучающий первичное относительно коротковолновое излучение, и конверсионную люминофорную среду, облучаемую упомянутым относительно коротковолновым излучением, которая при облучении упомянутым относительно коротковолновым излучением возбуждается, излучая в ответ второе, относительно более длинноволновое излучение. Например, монохромное синее или УФ-излучение, выходящее из кристалла, конвертируется в белый свет посредством упаковки кристалла в органические и/или неорганические люминофоры в полимерной матрице.

Известно устройство источника белого света на основе СИД с фотолюминофором-конвертером, который включает в себя нитридный кристалл СИД, который при возбуждении испускает первичное синее излучение. Кристалл размещен на проводящей рамке чаши отражателя и электрически соединен с проводниками. Проводники подводят электрическую мощность к кристаллу. Кристалл покрыт слоем прозрачной смолы, которая включает в себя конверсионный материал для преобразования длины волны излучения. Тип конверсионного материала, используемого для формирования слоя, может выбираться в зависимости от желательного спектрального распределения вторичного излучения, которое продуцируется конверсионным материалом. Кристалл и флуоресцентный слой накрыты линзой. Линза обычно изготавливается из прозрачной эпоксидной смолы или силикона. При работе источника белого света электрическое напряжение прикладывается к кристаллу, при этом из верхней поверхности кристалла испускается первичное излучение. Часть испускаемого первичного излучения поглощается конверсионным материалом. Затем конверсионный материал в ответ на поглощение первичного света испускает вторичное излучение, то есть преобразованный свет, имеющий более длинноволновый пик. Часть испускаемого первичного излучения, которая остается не поглощенной, передается через конверсионный слой вместе с вторичным излучением. Линза направляет не поглощенное первичное излучение и вторичное излучение в общем направлении, как выходящий свет. Таким образом, выходящий свет - это сложный свет, который составлен из первичного излучения, испускаемого кристаллом, и вторичного излучения, испускаемого конверсионным слоем. Конверсионный материал может также быть сконфигурирован таким образом, чтобы лишь малая часть или весь первичный свет не покидали устройства, как в случае кристалла, который испускает УФ первичный свет, объединенный с одним или более конверсионными материалами, которые испускают видимый вторичный свет (патент США №US6351069, МПК H05B /3314, опубликовано 26.02.2002).

Вышеупомянутое известное устройство, в котором слой люминофора сформирован на поверхности СИД, имеет несколько недостатков, а именно трудно достигнуть цветовой однородности, из-за того, что люминофор находится в прямом механическом, оптическом и тепловом контакте с поверхностью СИД, что обуславливает значительные изменения в длине пути света в зависимости от угла распространения излучения через толщу слоя люминофора, кроме того, высокая температура от нагретого СИД нежелательным образом изменяет цветовые координаты люминофора и приводит к его деградации. Так же имеется высокое тепловое сопротивление кристалл-радиатор.

Для устранения вышеупомянутых недостатков предложены источники белого света с удаленным от СИД конвертером длины волны. Известно светоизлучающее устройство, построенное на данном принципе, в котором источник белого света включает в себя оболочку, формируемую прозрачной средой, с внутренним объемом. Упомянутая среда может быть сформирована из любого подходящего материала, пропускающего свет, такого как прозрачный полимер или стекло. Упомянутая среда содержит во внутреннем объеме кристалл СИД, размещенный на основании. Первый и второй электрические контакты соединены с излучающей и тыльной сторонами кристалла СИД, соответственно, и с излучающей стороной кристалла СИД, присоединенной к первому электрическому контакту проводником. Со светопропускающей средой связаны флуоресцентные и/или фосфоресцентные компоненты, или их смеси, иначе говоря, люминофорная среда, которая конвертирует излучение, испускаемое стороной СИД, в белый свет. Люминофор рассеян в оболочке свотопропускающей среды и/или размещен в виде пленочного покрытия на внутренней стенке поверхности оболочки. Альтернативно люминофор может быть покрытием на внешней стенке оболочки сборки, если оболочка используется исключительно в условиях окружающей среды, в которых такое внешнее покрытие может удовлетворительно поддерживаться в рабочем состоянии (например, там, где оно не подвержено истиранию или деградации). Люминофор может, например, быть распределен в полимере или расплаве стекла, из которого затем сформирована оболочка, чтобы обеспечить гомогенный ее состав и обеспечить выход света со всей поверхности оболочки (патент США № US 6600175, МПК H01L 33/50, опубликовано 29.07.2003).

Также известен светодиодный белый протяженный светильник с удаленным конвертером цилиндрической формы. Данный светильник включает в себя линейный теплоотвод, множество СИД, установленных на теплоотводе вдоль длинной стороны теплоотвода, и светоиспускающий плафон, установленный на теплоотводе в линию с СИД, где полукруглая в сечении часть плафона, расположенная напротив СИД, включает люминофор, который возбуждается светом от СИД. Теплоотвод изготовлен из теплопроводящего материала, например алюминия. Плафон изготовлен из прозрачного материала, например, стекла или пластмассы. Люминофор может быть нанесен как покрытие на внутреннюю сторону плафона или введен в материал покрытия. Не содержащие люминофора плоские части, которые прикреплены к теплоотводу по обе стороны от СИД, имеют внутренние отражающие поверхности, например алюминиевые покрытия, отражающие свет, попадающий на них от СИД, к части плафона (патент США № US 7618157 B1, МПК F21V 29/00, опубликовано 17.11.2009).

Конверсионный слой может включать люминофорный материал, материал квантовых точек или сочетание таких материалов, а также может включать прозрачный основной материал, в котором диспергированы люминофорный материал и/или материал квантовых точек.

Известно, что слои, которые содержат порошковые люминофорные материалы, могут пропускать, поглощать, отражать и рассеивать падающий на них свет. Когда такой слой рассеивает свет, он может также пропускать, поглощать и отражать часть рассеянного света.

В связи с этим обстоятельством общим недостатком вышеупомянутых двух изобретений является то, что излучение, возбуждаемое в зернах люминофора при воздействии излучения СИД, равно как и отраженное излучение СИД, неизбежно частично поглощается в слое люминофора и на внутренних элементах устройства, что приводит к уменьшению эффективности источника белого света.

Известно исследование, при котором синие светодиодные кристаллы были закреплены посредством содержащего серебро клея на кристаллодержатель с золотыми проводниками. Корпуса светодиодов имеют размер 5x7 мм, а размер кристалла составляет 24 mils (тысячная доля дюйма), что равно 600×600 мкм квадратной формы с толщиной 220 мкм. Затем был измерен поток излучения. Были выбраны корпусы светодиодов с голыми синими кристаллами с выходом мощности 123 мВт при силе тока 150 мА для обеспечения одинаковых начальных условий. В ходе исследования было определено соотношение долей излучения, распространяющегося вперед и назад от конверсионного слоя люминофора YAG:Ce, возбуждаемого синим излучением с длиной волны около 470 нм, которое конвертируется в излучение желтого диапазона длин волн. Так же выяснилось, что при этом более 60% света, испускаемого и отражаемого конверсионным слоем, распространяется назад к источнику возбуждения и большая часть этого света теряется в пределах сборки СИД. В данном исследовании показано, что даже в случае использования люминофора http://yag.ce/ (Алюмоиттриевый гранат легированный церием) с коэффициентом оптического преломления 1,8, замешенного в эпоксидной смоле с коэффициентом оптического преломления 1,6 при плотности люминофора 8 мг/см², позволяющей создавать сбалансированный белый свет, доли направленного обратно и прошедшего вперед излучения, включая синее и желтое излучение, составляют 53% и 47%, соответственно, а для только желтого излучения 55% и 45%, соответственно. Таким образом, разработанный в ходе данного исследования корпус с рассеянием фотонов может повысить эффективность выхода света на 61% по сравнению с обычным люминофорным белым светодиодом. Также известно, что корпус с рассеивающей линзой может увеличить световую эффективность и снизить процесс реабсорбции в конструкции с изолированным люминофором (публикация Improved performance white LED. Narendran, N. Fifth International Conference on Solid State Lighting, Proceedings of SPIE 5941, 45-50. Bellingham, WA: International Society of Optical Engineers, 2005 см. Интернет-ресурс http://www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/pdf/narendranSPIE2005.pdf).

Недостатки упомянутого разработанного корпуса заключаются в том, что в нем не решена проблема охлаждения кристалла СИД, существуют высокие потери светового потока через линзу, формирующую диаграмму направленности.

Прототипом заявленной полезной модели является устройство по заявке на патент US 20120140466, в котором осветительное устройство с СИД, приспособленное для излучения света с выборочным углом излучения, взятым относительно оси излучения осветительного устройства, содержит чашеобразный (параболический) рефлектор и множество СИД, при этом СИД выполнены так, что во время работы каждый излучает свет в определенном радиальном направлении к оси излучения осветительного устройства, и при этом ось излучения света СИД выполнена под углом по меньшей мере 40 градусов к оси излучения осветительного устройства. В предпочтительных вариантах осуществления СИД выполнены так, что их ось излучения по существу перпендикулярна оси излучения осветительного устройства, и рефлектор содержит соответствующей часть параболической светоотражающей поверхности, связанную с соответствующим одним из упомянутых СИД (заявка на патент США № US 20120140466 (А1), МПК F21V 7/00, опубликовано 07.06.2012).

Вышеупомянутый прототип имеет следующие недостатки. За счет того, что используются инкапсулированные по обычной технологии СИД синего и ультрафиолетового спектра, имеются тепловые (за счет большого количества тепловых переходов кристалл-радиатор СИД) и световые (при традиционной инкапсуляции СИД потери синего цвета 7-10% светового потока и потери, связанные с высокой температурой СИД кристалла, до 10%) потери. Используется сложная в технологичном исполнении конструкция рефлектора, которая состоит из нескольких частей. Данное решение применимо только для круглых диаграмм направленности, соответственно имеет ограниченное применение. Алюминиевая печатная плата или подложка, на которую установлены СИД, не имеют отражающей способности, что значительно увеличивает световые потери. Не имеет решения по увеличению квантового выхода кристалла СИД.

Раскрытие заявляемого изобретения

Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение возможности задавать диаграмму направленности испускаемого светового потока при малом размере светодиодного источника света. Дополнительным техническим результатом является обеспечение высокой цветовой однородности излучаемого света и высокой эффективности светодиодного источника света. Возможность задавать диаграмму направленности испускаемого светового потока при малом размере светодиодного источника белого света достигается за счет использования сегментированного рефлектора.

Высокая цветовая однородность достигается за счет использования сегментированного рефлектора и люминофорного конвертера.

Обеспечение высокой эффективности светодиодного источника белого света достигается за счет использования сегментированного рефлектора, точечного люминофорного конвертера, отведения тепла корпусом СИД (сокращения количества тепловых переходов) и возможности использования различных типов кристаллов СИД.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает схематический вид светоизлучающего диода в разрезе.

Фиг. 2 изображает схематический вид светоизлучающего диода с применением рассекающего элемента в разрезе.

Фиг. 3 изображает схематический вид светоизлучающего диода со сферической формой рефлектора и несколькими кристаллами СИД (матрицей кристаллов СИД) в разрезе.

Фиг. 4 изображает график отражающей способности материалов на основе серебра по данным компании Almeco Group.

Фиг. 5 изображает вид сверху люминофорного конвертера с точечным нанесением люминофора.

Фиг. 6 изображает вид люминофорного конвертера с точечным нанесением люминофора в поперечном разрезе.

Фиг. 7 изображает график зависимости коррелированной цветовой температуры от угла при использовании различных форм люминофора.

Фиг. 8 изображает график зависимости соотношения интенсивностей желтого и синего света от угла при использовании различных форм люминофора.

Осуществление изобретения

В соответствии с фиг. 1, светоизлучающий диод (матрица светоизлучающих диодов) включает в себя корпус 1, внутренняя часть которого выполнена в виде сегментированного рефлектора 2, состоящего из слоя 3 отражающего материала и слоя 4 светопропускающего диэлектрического материала, по меньшей мере один кристалл 5 светоизлучающего диода (СИД), закрепленный посредством светопропускающего теплопроводного силиконового или эпоксидного композитного материала 6 и конвертер 7. Корпус 1 выполнен из теплопроводного материала, такого как полимеры, керамика, металл и т.п. Кристалл 5 СИД, предназначенный для излучения первичного излучения 8 синего цвета, устанавливается в углубление в основании корпуса 1, на светопропускающий теплопроводный силиконовый или эпоксидный композитный материал 6 таким образом, чтобы нижняя поверхность кристалла (матрицы кристаллов) 5 СИД имела минимальный зазор со слоем 4 светопропускающего диэлектрического материала сегментированного рефлектора 2. Это позволяет увеличить мощность квантового выхода кристалла (матрицы кристаллов) 5 СИД. На излучающую поверхность кристалла (матрицы кристаллов) 5 СИД наносится светопрозрачный теплопроводный силиконовый или эпоксидный композитный материал 6 толщиной слоя менее 10 мкм, что позволяет защитить кристалл (матрицу кристаллов) 5 СИД от окисления и также не препятствует проникновению лучей к рефлектору 2.

Сверху корпус 1 накрыт конвертером 7, выполненным из люминофора, который предназначен для преобразования первичного излучения 8 синего цвета, вторичного излучения 10 синего цвета и т.д. в излучение белого цвета.

Предлагаемый светодиод работает следующим образом.

Первичное излучение 8 синего цвета кристалла (матрицы кристаллов) 5 СИД формируется в сегментированном рефлекторе 2 в световой поток максимальной интенсивности и предопределенной диаграммы направленности и направляется к поверхности люминофорного конвертера 7, где часть первичного излучения 8 синего цвета преобразуется в излучение белого цвета, а около 60% излучения 9 отражается от поверхности зерен люминофора люминофорного конвертера 7 и возвращается к слою 3 отражающего материала сегментированного рефлектора 2, где формируется и отражается, преобразуясь в лучи вторичного излучения 10, и вновь направляется к поверхности люминофорного конвертера 7, где часть вторичного излучения 10 синего цвета преобразуется в излучение белого цвета, а часть отражается и возвращается на поверхность рефлектора 2, в котором вновь формируется и отражается, преобразуясь в лучи третичного излучения и т.д.

Сегментированный рефлектор 2 может также состоять из двух или более рефлекторов, например, первый формирует предопределенную диаграмму направленности первичного излучения светового потока 8 кристалла (матрицы кристаллов) 5 СИД и находится на месте углубления корпуса сегментированного рефлектора 2, а второй является рефлектором, формирующим диаграмму направленности вторичного излучения 10 из лучей светового потока 9, отраженных конвертером 7.

Коэффициент полезного действия выхода светового потока сегментированных рефлекторов в два раза больше, чем у параболических, конусных и других рефлекторов.

Для достижения необходимых диаграмм направленности сегментированный рефлектор может быть выполнен квадратным, прямоугольным, круглым и т.п., отражающая поверхность может быть выполнена в форме:

- эллипсоида, параболы и т.п. с оптической поверхностью, гладкой, с фасетами или выполненной в виде сегментов;

- ступенчатого рефлектора, представляющего собой ступени, состоящие из параболических элементов или элементов, форма которых сочетает параболу и эллипс;

- гомофокальных или софокусных рефлекторов, состоящих из основного и дополнительного рефлекторов;

- многофокусного рефлектора с применением деталей рефлектора, форма которых сочетает параболу и эллипс, в котором формируется множество точек фокусов;

- фасетного рефлектора;

- любого сочетания элементов рефлекторов, указанных в предыдущих пунктах.

Для увеличения эффективности отражения первичного излучения 8 синего цвета, испускаемого кристаллом (матрицей кристаллов) 5 СИД и отраженного излучения люминофорного конвертера 7 на поверхность сегментированного рефлектора 2, вторичного излучения 10 и т.д., на поверхность сегментированного рефлектора 2 необходимо нанести покрытие с высоким коэффициентом оптического отражения. Примерами материалов для покрытий с высоким коэффициентом оптического отражения являются серебро, алюминий, дихроические покрытия и алюминий, объединенный с дихроическим покрытием, для увеличения коэффициента оптического отражения алюминия, и такие материалы, как окись титана и окись алюминия, сформированные золь-гельным методом.

В предлагаемой конструкции СИД, слой 3 отражающего материала выполнен из серебра 99,99% чистоты, имеющего высокую отражательную способность для света с длинной волны 440-850 нм (до 96%) и теплопроводную характеристику 430 Вт/м*К.

Для предотвращения окисления слоя 3 отражающего материала, на него наносится слой 4 светопропускающего диэлектрического материала (например, SiO₂, SiO и т.п.), имеющего высокие характеристики светопропускания. Слой 3 отражательного материала и слой 4 светопропускающего диэлектрического материала наносятся, например, методом физического осаждения паров. В соответствии с данными, опубликованными компанией ООО «Люмен», Россия (презентация «Удаленный люминофор. Возможности и перспективы», Маракулин М.Е., Саранск, 2012 см. Интернет-ресурс http://lumeon.ru/index.php?route=information/spec&spec id=11) и компанией Intematix Corporation, США (публикация Mixing Chamber Design Considerations for ChromaLit™ Remote Phosphor Light Sources, 10.01.2013, см Интернет-ресурс http://www.intematix.com/uploads/files/intematix mixing chamber design for chromalit.pdf), увеличение коэффициента оптического отражения поверхности сегментированного отражателя с 95% до 99% дает увеличение светового потока на 19%.

В таблице приводятся данные компании ООО «Люмен», Россия и компании Intematix Corporation, США.

Коэффициент отражения стенок камеры смешения Улучшение излучения света системой с удаленным люминофором 95% 11% 96% 15% 97% 19% 98% 22% 99% 30%

Из данных, приведенных в таблице, видно, что увеличение отражательной способности рефлектора на 4% приводит к увеличению светового потока на 19%. Согласно данным компании Almeco Group (фиг.4), при длине волны 455-465 нм, материал V98100 на основе серебра имеет отражательную способность 96% (в данных на материал указывается значение 99% на весь спектр видимого света, но фактически на длине волны 455-465 нм отражательная способность составляет только 96%). За счет нанесения на слой 3 отражающего материала из серебра слоя 4 светопропускающего диэлектрического материала, который также является защитным слоем, пленки SiO₂ толщиной 124 нм, отражательная способность сегментированного рефлектора 1, в спектре длины волны 455-465 нм, увеличивается до 98%. Коэффициент оптического отражения серебра с нанесенным на него слоем SiO₂ описан в научной работе Polarization compensating protective coatings for TPF-Coronagraph optics to control contrast degrading cross polarization leakage Kunjithapatham Balasubramanian*, Daniel J. Hoppe, Pantazis Z. Mouroulis, Luis F. Marchen, and Stuart B. Shaklan Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology. Таким образом, применение нанесения слоя SiO₂ в предлагаемом СИД дает увеличение светового потока белого света СИД еще на 15-20% (по сравнению с расчетными данными, приведенными в таблице).

Дальнейшее увеличение КПД СИД возможно за счет нанесения дополнительных пленок из оксидов и фторидов металлов, имеющих диэлектрические свойства. Таким образом, достигается возможность увеличения коэффициента оптического отражения сегментированного рефлектора 2 до 99,9%.

Существуют различные диаграммы направленности распределения света, излучаемого светодиодом, такие как: распределение «летучая мышь», распределение по Ламберту и распределение с боковыми лепестками. Для расчета конструкции сегментированного рефлектора необходимо учитывать диаграмму направленности распределения света, излучаемого кристаллом (матрицей кристаллов) СИД. При распределении типа «боковые лепестки» проще сформировать заданную диаграмму направленности света, излучаемого кристаллом (матрицей кристаллов) СИД.

В соответствии с Фиг.2, при диаграмме направленности распределения света типа «распределение по Ламберту» или «летучая мышь», для широкофокусных диаграмм направленности СИД, при проектировании рефлектора предлагается использовать элемент 11 для рассечения светового потока (рассекающий элемент 11), состоящий из любого теплорассеивающего материала с нанесенным слоем 12 отражающего материала и слоем 13 светопропускающего диэлектрика, предохраняющим слой 12 отражающего материала от окисления. Применение рассекающего элемента снижает величину светового потока кристалла (матрицы кристаллов) 5 СИД на от 1% до 3%, в зависимости от отражательной способности упомянутого рассекающего элемента 11. В зависимости от требуемой диаграммы направленности распределения света, рассекающий элемент 11 может иметь форму конуса, пирамиды и т.п. Для усиления светового потока и завершения диаграммы направленности распределения светового потока, верхняя часть рассекающего элемента 11 представляет собой сегментированный рефлектор.

В соответствии с фиг.3, для достижения необходимой диаграммы направленности распределения света, при создании матрицы СИД можно применять любую форму дна сегментированного рефлектора 2 (трапециевидная, треугольная, сферическая и т.п.).

Для создания круговых диаграмм направленности распределения света с углом от 150 градусов до 350 градусов по вертикали (например, для использования в лампах ненаправленного свечения) используется конструкция из по меньшей мере двух сегментированных рефлекторов (в зависимости от требуемого светового потока и мощности используемых СИД), накрытых единым люминофорным конвертером 7, имеющим форму полусферы, полуцилиндра, трапеции и т.п.

Например, стандартная лампа с цоколем Е27, имеющая угол излучения 360 градусов по горизонтали и 270 градусов по вертикали, при использовании трех кристаллов СИД будет состоять из трех сегментированных рефлекторов, каждый из которых формирует диаграмму направленности распределения света 120 градусов по горизонтали и 135 градусов по вертикали, при использовании четырех кристаллов СИД - из четырех сегментированных рефлекторов, каждый из которых формирует диаграмму направленности распределения света 90 градусов по горизонтали и 135 градусов по вертикали, при использовании пяти кристаллов СИД - из пяти сегментированных рефлекторов, каждый из которых формирует диаграмму направленности распределения света 72 градуса по горизонтали и 135 по вертикали и т.д.

Для расчетов оптической модели СИД, а именно для расчета поглощения, оптического отражения, пропускания, флуоресценции, рассеяния лучей светового потока и для расчета сегментированного рефлектора, можно использовать систему автоматизированного проектирования (САПР).

У кристаллов СИД, излучающих свет с другой длиной волны, при обычной инкапсуляции также существуют оптические и тепловые потери. При применении метода инкапсуляции, предложенного в данном описании, увеличивается световой поток, формируется предопределенная диаграмма направленности распределения света и улучшается отвод тепла от кристалла (матрицы кристаллов) СИД.

Если кристалл СИД излучает свет с длиной волны менее 440 нм или более 850 нм, то для слоя 3 отражающего материала используются материалы, имеющие максимальный коэффициент отражения (99,9%), для необходимой длины волны излучения инкапсулируемого кристалла (матрицы кристаллов) СИД.

Корпус 1 светодиода изготавливается из теплорассеивающего материала. В данной конструкции используются теплорассеивающие полимерные композиты (ТРПК). Корпус 1 светодиода может быть изготовлен из теплопроводных диэлектрических композитов, с использованием таких добавок, как оксид алюминия (теплопроводность до 5 Вт/(м*К)), нитрид алюминия (теплопроводность до 20 Вт/(м*К)), гексональный нитрид бора (теплопроводность до 100 Вт/(м*К)), графит (имеет теплопроводность свыше 200 Вт/(м*К), но при этом имеет высокую электропроводность) и т.п. Изготовление корпуса 1 светодиода из теплорассеивающих полимерных композитов позволяет сократить расход серебра, используемого при нанесении слоя 3 отражающего материала, за счет низкой шероховатости, достигаемой при изготовлении отливок (практически зеркальная поверхность).

Также сэкономить серебро, используемое при нанесении слоя 3 отражающего материала сегментированного рефлектора 2, поможет применение следующих технологий: на поверхность корпуса 1 наносится слой любого высокотеплопроводного недорогого металла (например, алюминий), уменьшающий шероховатость отливки, затем на слой металла наносится слой серебра и слой 4 светопропускающего диэлектрического материала.

Кроме того, в заявляемом изобретении обеспечивается возможность создавать токоведущие дорожки для кристалла (матрицы кристаллов) СИД непосредственно на поверхности сегментированного рефлектора, что позволяет использовать метод автоматической установки кристаллов на плату «chip-on-board». Для создания на отражающей поверхности сегментированного рефлектора 2 токоведущих дорожек, сначала на поверхность рефлектора наносится слой меди с толщиной, необходимой для максимального тока кристалла (матрицы кристаллов) 5 СИД, что также уменьшает шероховатость отливки. Затем наносится слой 3 отражающего материала (например, серебро). Далее лазерной машиной нарезаются токоведущие дорожки и наносится слой 4 светопропускающего диэлектрического материала, затем с помощью лазерной машины в местах формирования контактных площадок испаряется слой 4 светопропускающего диэлектрического материала, куда затем размещаются кристаллы СИД.

Кроме того, изготовление СИД предлагаемой конструкции позволяет дополнительно отводить тепло от кристалла (матрицы кристаллов) СИД. Слой 6, выполненный из светопрозрачного теплопроводного силиконового или эпоксидного композитного материала (теплопроводность до 5 Вт/(м*К)) толщиной менее 10 мкм, дает низкое тепловое сопротивление. Слой 4, выполненный из светопропускающего диэлектрического материала, имеет теплопроводность 1,2 Вт/(м*К), что при толщине слоя 123 нм дает возможность не учитывать тепловое сопротивление слоя 4. Слой 3 отражающего материала, выполненный из серебра 99,99% чистоты (теплопроводность 430 Вт/(м*К)), эффективно отводит тепло от кристалла (матрицы кристаллов) 5 СИД в корпус 1, выполненный из теплорассеивающего полимерного композита.

Для дополнительного увеличения внешней квантовой эффективности p-n-перехода кристалла 5 СИД необходимо уменьшить толщину подложки кристалла (матрицы кристаллов) СИД по любой известной технологии, например скрайбированием, и тогда при установке кристалла с утонченной подложкой, в данную конструкцию увеличивается излучение светового потока кристалла (матрицы кристаллов) СИД за счет уменьшения теплового сопротивления подложки и увеличения светопропускающей способности подложки (пленка карбида кремния пропускает до 50% светового потока в зависимости от структуры, а при толщине 0,2 мкм может достигать 90%).

Углубление на дне сегментированного рефлектора 2 и корпуса 1 может быть использовано в качестве основания для установки кристаллов СИД, полученных по технологии лифт-офф (LLO), кристаллов СИД, полученных по технологии тонкопленочных перевернутых кристаллов (Thin Film Flip Chip - TFFC), и кристаллов СИД, изготовленных по другим технологиям.

Конструкция люминофорного конвертера 7

Люминофорный конвертер 7, которым накрывается корпус 1 СИД, является светопреобразующим элементом и изготовлен из светопропускающего материала, например, полимера, полиметилметакрилата, поликарбоната и т.п., на который наносится слой смеси люминофора, и выполненный в виде пластины или изделия более сложной пространственной формы и геометрии, например, полусфера, полуцилиндр и т.п. Нанесенный слой люминофора может быть сплошным, точечным (в виде сфер, полусфер и т.п.), линейным (в виде цилиндров, полуцилиндров и т.п.) и любой другой формы.

На фиг. 5 и 6 изображен люминофорный конвертер, используемый в предлагаемом светодиоде. Люминофорный конвертер 7 является точечным. Основание 14 люминофорного конвертера 7 выполнено из светопропускающего материала, такого как полимер, полиметилметакрилат, поликарбонат и т.п. На основании 14 конвертера 7 расположены точки 15 люминофора, предназначенные для преобразования излучения синего цвета в белый свет. Нижняя сторона конвертера 7 (сторона, направленная к кристаллу (матрице кристаллов) 5 СИД) покрыта слоем 16 металла и слоем 17 отражающего материала вокруг точек 12 люминофора. Вся нижняя сторона основания 14 закрыта пластиной 18, выполненной из светопропускающего силиконового или эпоксидного материала.

Между краями точек 15 люминофора и краями слоев 16 и 17 имеются зазоры 19, предназначенные для пропускания излучения синего цвета.

В предлагаемой конструкции, для уменьшения шероховатости светопропускающего материала, из которого выполнено основание 14 конвертера 7, на нижнюю сторону основания 14 наносится слой 16 метала, например, алюминий, медь и т.п., а затем на слой 16 металла наносят слой 17 отражающего материала, имеющего высокую отражательную способность, например, серебро с отражательной способностью до 99%.

Затем на основание 14 конвертера 7 наносятся точки 15 люминофора предопределенной формы.

Основание 14 люминофора соединяется с пластиной 18 посредством светопропускающего силиконового или эпоксидного материала. При формировании конвертера необходимо оставлять зазоры 19 для выхода излучения синего и желтого цвета между точками 15 люминофора и слоями 16 и 17, что позволяет сохранить угловое соотношение корреляционной цветовой температуры. Точки 15 люминофора, а также размеры зазоров 19 между точками 15 и слоями 16 и 17 могут быть оптимизированы в части формы, толщины слоя, размера и снижения или повышения концентрации люминофора для увеличения общего светового выхода и создания необходимой диаграммы направленности СИД. Вместо металлов можно использовать любые материалы, имеющие высокий коэффициент оптического отражения в спектре излучения синего цвета.

Вместо пластины 18 светопропускающего материала можно нанести слой SiO₂, что даст увеличение отражательной способности слоя 17 отражающего материала.

Слой 16 металла и слой 17 отражающего материала имеют высокую теплопроводность. Они эффективно отводят тепло от люминофора, эффективность преобразования синего света в белый в конвертере будет уменьшаться с ростом температуры конвертера 0,03%/К, что подтверждается исследованием Determining phosphors′ effective quantum efficiency for remote phosphor type led modules, A. Keppens.

Применение предлагаемого точечного люминофорного конвертера позволяет увеличить эффективность светового потока по сравнению со сплошным люминофором, за счет отведения тепла от люминофора и в то же время позволяет уменьшить угловую зависимость коррелированной цветовой температуры (по сравнению со сплошным люминофором), что необходимо при создании широкофокусных диаграмм направленности распределения света светодиодного светильника. Вышеупомянутые преимущества хорошо видны на фиг.7 и 8, где сравнивается использование традиционного удаленного люминофорного конвертера и точечного удаленного люминофорного конвертера.

Для соединения корпуса 1 и люминофорного конвертера 7 необходимо использовать теплопроводные композитные материалы. Для лучшей теплоотдачи люминофорного конвертера 7 делается паз 20 (фиг.6) с открытым слоем серебра.

Для создания светодиодных модулей (многокристальной матрицы СИД) для агрессивных сред и в антивандальном исполнении, светопреобразующий люминофорный конвертер склеивается прозрачным термопроводящим силиконовым или эпоксидным композитным материалом с полированным закаленным стеклом, например, BOROFLOAT® (светопропускание до 94% по данным компании Abrisa Industrial Glass, США (см. Интернет-ресурс http://www.us.schott.com/borofloat/enqlish/index.html)). Основные потери на светопропускание в стекле - это переход воздух-стекло-воздух (примерно 4-5%). Потери на светопропускание в предлагаемой конструкции составят от 1-5% в зависимости от используемого прозрачного композитного материала и качества склеивания.

Если кристалл СИД излучает свет с длиной волны менее 440 нм и более 850 нм, то в качестве светопропускающих материалов используются материалы, имеющие высокий коэффициент светопропускания, для необходимой длины волны инкапсулируемого кристалла (матрицы кристаллов) СИД.

Для эффективного отведения тепла от СИД может быть использован, например, сотовый радиатор, состоящий из основания, вокруг внешней поверхности которого закреплены ребра радиатора. На ребрах радиатора закреплены поперечные пластины. Смежные поперечные пластины, находящиеся в одной секции радиатора, формируемой ребрами радиатора, соединены между собой связующими пластинами, образуя, таким образом, сотовую структуру. При этом внутри основания радиатора расположена поперечная платформа, на которой расположен термонагруженный СИД.

Для повышения КПД СИД светильников и увеличения их срока службы предлагается использовать источник стабилизированного тока на основе транзисторного однокаскадного AC/DC преобразователя с коррекцией коэффициента мощности и применения последовательно- параллельных схем керамических конденсаторов.

Данная схема однокаскадного импульсного источника стабилизированного тока (драйвера) обладает рядом преимуществ перед традиционными двухкаскадными преобразователями с входными мостовыми выпрямителями: при использовании соответствующих ключей их КПД может превышать 98%, а коэффициент мощности - достигать 0,999, а суммарный коэффициент гармоник (THD) не более 2%; они обладают меньшими размерами и весом; имеют более низкую стоимость магнитопроводов; характеризуются стопроцентным использованием всех компонентов как при отрицательной, так и при положительной полуволне входного напряжения. Имеют более стабильные характеристики выходного напряжения и тока по сравнению с прямоходовыми и обратноходовыми преобразователями. Принцип работы такого преобразователя описан в источниках Slobodan Cuk. Modelling, Analysis and Design of Switching Converters, PhD thesis, November 1976, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA. и Slobodan Cuk, R.D. Middlebrook. Advances in Switched-Mode Power Conversion, Vol.1, II, and III, TESLAco 1981 and 1983.

Существует большое количество интегральных схем (ИС) корректоров мощности и регуляторов токов, поэтому в этой работе представлены общие решения.

Одним из основных требований является обеспечение компактности и технологичности источника стабилизированного тока. В конструкции источника стабилизированного тока предлагается использовать диэлектрический ТРПК в качестве материала основания печатной платы, токопроводящие дорожки изготавливаются химическим методом, методом физического осаждения паров металлов или любым другим способом. Учитывая, что данный светильник имеет ограниченное пространство для расположения источника питания, печатная плата трассируется под компоненты поверхностного монтажа.

Примеры используемых источников стабилизированного тока

Пример 1. Источник стабилизированного тока без гальванической развязки целесообразно использовать в устройствах небольшой мощности. Схему таких источников питания необходимо рассчитывать, применяя элементы с большим запасом мощности. В данной схеме диодный мост заменен двумя MOSFIT транзисторами с резонансным контуром, состоящим из резонансной катушки индуктивности L1 и резонансного конденсатора C1. Использование такого метода переключения ведет к тому, что коэффициент передачи по постоянному напряжению определяется только параметрами рабочего цикла. Как при отрицательном, так и при положительном входном напряжении, рабочий цикл совпадает с коэффициентом передачи по постоянному напряжению обычного повышающего преобразователя, что автоматически приводит к выпрямлению напряжения сети без применения входного мостового выпрямителя, что приводит к созданию транзисторного преобразователя, в данной схеме которого все компоненты - три ключа, входная катушка индуктивности L1, катушка индуктивности L2 и конденсатор C1 резонансного контура - используются на 100%, так как все они принимают участие в преобразовании как положительной, так и отрицательной полуволны переменного входного напряжения.

Пример 2. Источник стабилизированного тока с гальванической развязкой. Состоит из резонансного контура, в который входит катушка L1 и два конденсатора C1 и C2. Пока первый конденсатор C1 заряжается, второй конденсатор С2 разряжается. Во второй половине цикла процесс повторяется: первый конденсатор C1 разряжается, а второй конденсатор C2 заряжается. Поэтому результирующее пульсирующее напряжение на последовательных конденсаторах равно удвоенному напряжению пульсаций на каждом конденсаторе. Развязывающий трансформатор в данной схеме использует как положительную, так и отрицательную части петли гистерезиса. Катушка индуктивности L1 и первичная обмотка трансформатора оказываются включенными параллельно друг другу. Поэтому несмотря на возбуждение переменным напряжением, оба элемента - и катушка индуктивности L1 и трансформатор Тр1, имеют идентичные формы переменных сигналов, что позволяет разместить их на одном сердечнике. В дополнение к развязке трансформатором Тр1, такое решение добавляет схеме гибкость, поскольку позволяет понижать выходное постоянное напряжение до любого заданного значения путем изменения количества витков в обмотках развязывающего трансформатора.

Пример 3. Источник стабилизированного тока с гальванической развязкой и нейтральным проводом. Одной из ранних систем передачи постоянного тока была трехпроводная система, предложенная Эдисоном, с одним нейтральным проводом, в котором нет тока, по сравнению с двухпроводными системами постоянного тока в таких системах наблюдалось удвоение переданной мощности при том же количестве использованной меди, т.е. они являются более предпочтительными, поскольку транзисторный преобразователь способен вырабатывать выходное постоянное напряжение как положительной, так и отрицательной полярности. Изменение полярности обоих выпрямителей на противоположное постоянное напряжение на выходе преобразователя станет отрицательным. Для дальнейшего снижения размеров и веса, а также для повышения эффективности (КПД) импульсного источника стабилизированного тока, необходимо использовать интеграцию двух отдельных преобразователей в один преобразователь с двумя выходами, имеющий одну катушку индуктивности L1, и один активный ключ (см. Интернет-ресурсы http://powerelectronics.com/power_management/regulator_ics/true-bridgeless-pfc-http://http.7/powerelectronics.com/power_managementyregulator_ics/true-bridgeless-pfc-converter-part2-201008/ и http://http.v/www.russianelectronics.ru/developer-r/review/micro/doc/55155/)

Во всех схемах, представленных выше, могут использоваться как, активные корректоры мощности, так и пассивные. ИС регуляторов токов могут применяться как со встроенными MOSFIT транзисторами, так и с внешними.

В большинстве импульсных источников питания, на сегодняшний день применяют электролитические конденсаторы, которые имеют небольшой срок службы (максимум 10000 часов) и большой разброс параметров (+/- 20%). Поэтому для длительного ресурса эксплуатации источников питания (100000 часов) необходимо применять керамические или танталовые конденсаторы. При этом необходимо учитывать, что керамические конденсаторы имеют следующие отличия от танталовых:

- более низкое значение полного сопротивления и лучшие ESR фильтрующие свойства;

- емкость, не изменяющаяся в широком диапазоне частот;

- выдерживают значительные перегрузки по напряжению;

- имеют лучшие температурные характеристики.

Учитывая вышеизложенное, в схемах источников стабилизированного тока, представленных выше, необходимо применять керамические конденсаторы.

Пример применения керамических конденсаторов для выходного конденсатора изображен на фиг.9. В данном примере выходной электролитический конденсатор емкостью 1000 мкФ и напряжением 160 В в импульсном источнике стабилизированного тока с частотой 100 кГц заменяется на двадцать четыре керамических конденсатора 1206-X5V-25 B-10 мкФ. Для соблюдения жестких требований к стабильности номинала, например, во времязадающих цепях, рекомендуется использование керамических конденсаторов с диэлектриком X5R и X7R.

Преимущество использования предлагаемой конструкции светодиодного источника белого света в том, что диаграмма излучения кристалла (матрицы кристаллов) СИД формируется сегментированным рефлектором в диапазоне излучения волн кристалла (матрицы кристаллов) СИД, а не после преобразования люминофорным конвертером излучения белого цвета в рефлекторах и оптических линзах. Данное конструктивное решение по инкапсуляции кристалла (матрицы кристаллов) СИД позволяет увеличить световой поток белого СИД, более чем на 100%, по сравнению с традиционными люминофорными диодами, позволяет улучшить равномерность углового распределения коррелированной цветовой температуры (ССТ), способствует достижению высокой хроматической стабильности в широком диапазоне рабочего тока СИД, позволяет получить предопределенную диаграмму направленности, получить равномерный световой поток, увеличить величину максимального тока кристалла СИД.

Изобретение относится к области электронной техники. Техническим результатом является обеспечение высокой эффективности светодиодного источника белого света с удаленным конвертером, обеспечение высокой цветовой однородности, а также возможность задавать диаграмму направленности испускаемого светового потока при малом размере светодиодного источника белого света. В светодиодном источнике белого света, содержащем корпус и рефлектор, корпус выполнен из теплорассеивающего материала, внутренняя часть корпуса выполнена в виде по меньшей мере одного сегментированного рефлектора, формирующего диаграмму направленности распределения светового потока, содержащего слой отражающего материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя, и слой светопропускающего диэлектрического материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя. По меньшей мере один кристалл светоизлучающего диода (СИД) закреплен внутри корпуса. Сверху корпус накрыт конвертером, выполненным из по меньшей мере одного слоя светопропускающего материала. По меньшей мере на одну сторону конвертера нанесен слой точечного люминофора. Сторона конвертера, направленная к по меньшей мере одному кристаллу СИД, покрыта слоем отражающего материала, состоящим из по меньшей мере одного слоя. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Светодиодный источник света, содержащий корпус и рефлектор, отличающийся тем, что корпус выполнен из теплорассеивающего материала, внутренняя часть корпуса выполнена в виде по меньшей мере одного сегментированного рефлектора, формирующего диаграмму направленности распределения светового потока, содержащего слой отражающего материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя, и слой светопропускающего диэлектрического материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя, по меньшей мере один кристалл светоизлучающего диода (СИД), закрепленный внутри корпуса, сверху корпус накрыт конвертером, выполненным из по меньшей мере одного слоя светопропускающего материала.

2. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна сторона конвертера выполнена рельефной.

3. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере один элемент рассечения светового потока, включающий в себя слой отражающего материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя.

4. Источник света по п. 3, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент рассечения светового потока интегрирован в по меньшей мере одну часть конвертера или корпуса.

5. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что часть сегментированного рефлектора выполнена в форме эллипсоида.

6. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что часть сегментированного рефлектора выполнена в форме параболы.

7. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что сегментированный рефлектор имеет по меньшей мере одну ступень.

8. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что сегментированный рефлектор состоит из основного и по меньшей мере одного дополнительного рефлекторов.

9. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что поверхность сегментированного рефлектора имеет по меньшей мере один фасет.

10. Светодиодный источник белого света, содержащий корпус и рефлектор, отличающийся тем, что корпус выполнен из теплорассеивающего материала, внутренняя часть корпуса выполнена в виде по меньшей мере одного сегментированного рефлектора, формирующего диаграмму направленности распределения светового потока, содержащего слой отражающего материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя, и слой светопропускающего диэлектрического материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя, по меньшей мере один кристалл светоизлучающего диода (СИД), закрепленный внутри корпуса, сверху корпус накрыт конвертером, выполненным из по меньшей мере одного слоя светопропускающего материала, при этом на по меньшей мере одну сторону конвертера нанесен слой люминофора.

11. Источник света по п. 10, отличающийся тем, что по меньшей мере одна сторона конвертера выполнена рельефной.

12. Источник света по п. 10, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере один элемент рассечения светового потока, включающий в себя слой отражающего материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя.

13. Источник света по п. 12, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент рассечения светового потока интегрирован в по меньшей мере одну часть конвертера или корпуса.

14. Источник света по п. 10, отличающийся тем, что люминофор включен внутрь светопропускающего материала основания конвертера.

15. Источник света по п. 10, отличающийся тем, что часть сегментированного рефлектора выполнена в форме эллипсоида.

16. Источник света по п. 10, отличающийся тем, что часть сегментированного рефлектора выполнена в форме параболы.

17. Источник света по п. 10, отличающийся тем, что сегментированный рефлектор имеет по меньшей мере одну ступень.

18. Источник света по п. 10, отличающийся тем, что сегментированный рефлектор состоит из основного и по меньшей мере одного дополнительного рефлекторов.

19. Источник света по п. 10, отличающийся тем, что поверхность сегментированного рефлектора имеет по меньшей мере один фасет.

20. Светодиодный источник белого света, содержащий корпус и рефлектор, отличающийся тем, что корпус выполнен из теплорассеивающего материала, внутренняя часть корпуса выполнена в виде по меньшей мере одного сегментированного рефлектора, формирующего диаграмму направленности распределения светового потока, содержащего слой отражающего материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя, и слой светопропускающего диэлектрического материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя, по меньшей мере один кристалл светоизлучающего диода (СИД), закрепленный внутри корпуса, сверху корпус накрыт конвертером, выполненным из по меньшей мере одного слоя светопропускающего материала, при этом на сторону конвертера, направленную к по меньшей мере одному кристаллу СИД, нанесен слой точечного люминофора, и при этом сторона конвертера, направленная к по меньшей мере одному кристаллу СИД, покрыта слоем отражающего материала, состоящим из по меньшей мере одного слоя.

21. Источник света по п. 20, отличающийся тем, что по меньшей мере одна сторона конвертера выполнена рельефной.

22. Источник света по п. 20, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере один элемент рассечения светового потока, включающий в себя слой отражающего материала, состоящий из по меньшей мере одного слоя.

23. Источник света по п. 22, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент рассечения светового потока интегрирован в по меньшей мере одну часть конвертера или корпуса.

24. Источник света по п. 20, отличающийся тем, что люминофор включен внутрь светопропускающего материала основания конвертера.

25. Источник света по п. 20, отличающийся тем, что часть сегментированного рефлектора выполнена в форме эллипсоида.

26. Источник света по п. 20, отличающийся тем, что часть сегментированного рефлектора выполнена в форме параболы.

27. Источник света по п. 20, отличающийся тем, что сегментированный рефлектор имеет по меньшей мере одну ступень.

28. Источник света по п. 20, отличающийся тем, что сегментированный рефлектор состоит из основного и по меньшей мере одного дополнительного рефлекторов.

29. Источник света по п. 20, отличающийся тем, что поверхность сегментированного рефлектора имеет по меньшей мере один фасет.