LED There Be Light: amit a LED-es világításról tudni érdemes

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

LED There Be Light: amit a LED-es világításról tudni érdemes… Dr. Poppe András, egyetemi docens

eet.bme.hu

ÁLTALÁNOS TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS

eet.bme.hu

Poppe Aandrás, LED There Be Light: amit a LED-es világításról tudni érdemes... © BME Elektronikus Eszközök Tanszéke, 2015

2

A fénykeltés módjai

(relatív) spektrális teljesítményeloszlások Relatív intenzitás [-]

► Ízzólámpa: fekete test sugárzó folytonos spektrum

► Gázkisűlő lámpák: diszkrét elektron állapotátmenetek ionizált gázban / gőzben vonalas spektrum, esetleg több vonal is primer sugárzás

Hullámhossz λ [nm]

► Fénycső, kompakt fénycső, higanygőz lámpa: mint fent, de a primer sugárzás hullámhosszát fényporral konvertálják nagyobb hullámhosszra


► Színes LED: elektron állapotátmenetek félvezető egykristályban majdnem monokromatikus primer emisszió

► Fehér LED: elektron állapotátmenetek félvezető egykristályban primer emisszió + hullámhosz konverzió fényporral


► OLED: elektron-lyuk rekombináció szerves félvezető anyagban (LEP – light emitting polymer) eet.bme.hu



3

Vákuumtechnika → félvezető technológia Diszkrét energia szintek:

Egykristályban szinte folytonos sávokká hasadnak:

Gázkisülő lámpák / fénycső: állapotátmenetek ilyen diszkrét atomi szintek közt vonalas spektrum

Klasszikus fényforrások Elektroncső Vákuumtechnika Melegítés segíti a működést eet.bme.hu

LED-ek: állapotátmenetek a vezetési sáv és a vegyérték sáv között majdnem monokromatikus (primer) sugárzás

szilárdtest fényforrások tranzisztor / félvezető dióda félvezető technológia Hűtés szükséges működéshez


4

Technológia váltások az elektronikában: 1837 Morse: távíró

Elektron csövek (aktív eszközök: egyenirányítás, erősítés)

Elektro-mechanikus eszköz

Elektronok vákuum tér helyett a félvezető egykristályban mozognak: megszületett a szilárdtest elektronika

Elektronikus eszközök

Az elektronikus eszközök révén megszületett az elektronika

A mai elektronikus eszközök a félvezető eszközök. Az IC-vel megszületett a mikroelektronika

eet.bme.hu


5

A fényforrások fejlődése

Forrás: Heinz Seyringer (Zumtobel): Advances in Lighting Technologies and Applications, Lighting Symposium 2014, Como, Italy, June 2014

eet.bme.hu


6

A fényforrások fejlődése Fluoreszcens fényforrások ízzólámpa.

Félvezetők -

Gázlámpa

Fáklya Olaj mécses

- szervetlen - szerves 15..40 éve

Gyertya

Tűz

70..120 éve

160 éve 1..4 ezer éve

35 ..100 ezer éve

Nagyon szerteágazó alkalmazások (mint a mikroelektronika esetében is) - általános világítás - közlekedés - reklám - orvostudomány - autóipar

- autóipar - megjelenítés - jelzőfények - spec. világítás - adattárolás - adatátvitel

A mesterséges fényforrások innovációs ciklusa egyre rövidebb... eet.bme.hu


7

A technológiai fejlődés összehasonlítása Elektrotechnika / elektronika: ► Elektro-mechanikus eszközök

Világítástechnika: ► Termikusan (tűzzel) táplált fekete test sugárzók Csúcs: gázlámpa

► Elektronikus eszközök megjelenése Vákuumtechnika • Elektroncsövek

► Félvezető eszközök megjelenése Solid-state electronics Integrált áramkörök • mikroelektronika

Moore törvénye

eet.bme.hu

► Elektromos világítás megjelenése Vákuumtechnika • Ízzólámpák • Gázkisülő lámpák

► Félvezető eszközök (LED-ek) megjelenése Solid-state lighting Integrált LED modulok • Smart SSL

Haitz törvénye


8

A μelektronika és az SSL hasonló trendjei ► Moore törvénye

/

Haitz törvénye

22nm 14nm

► A fejlődés egy gátja: disszipációsűrűség

Mikroelektronika: órajel frekvencia egy ideje nem nő tovább SSL: HID lámpákat nem még nem győzték le a LED-ek, mert nem tudjuk jól kezelni a HID lámpák fényintenzitásához tartozó disszipációsűrűséget • TIM anyagok kutatása / mikrofluidikai alapú inetgrált hűtés

Termikus karakterizáció, SSL esetben fotometriával kombinálva eet.bme.hu


9

Mi az optikai teljesítmény és a fényáram? ► Optikai teljesítmény (radiant flux; radiometriai fluxus) [W]: Egy fényforrás által egységnyi idő alatt (látható) elektromágneses hullámok formájában kisugárzott energia.

Φ e = ∫ S ( λ ) dλ A kibocsájtott fényt energetikailag értékeljük → e index, radiometria

► Fényáram (luminous flux, Lichtstrom) [lm = cd⋅sd]: Egy fényforrás által a látható tartományba eső elektromágneses hullámok formájában időegység alatt kibocsájtott energia az átlagos emberi szem fotopos spektrális érzékenységével súlyozva 780 nm

ΦV = K m

∫ S ( λ ) ⋅ V ( λ ) dλ

380 nm

A kibocsájtott fényt vizuálisan értékeljük → V index, fotometria eet.bme.hu


10

A V(λ) görbe ► A CIE által vizuális kísérletek révén megállapított érzékenységi görbék (többször frissítették) Fotopos látás: nappali megvilágítás (csapok) Szkotopos látás: sötétben (pálcikák – nincs színérzékelés) Mezopos látás: szürkületkor – átmenet a kettő közt

V(λ) V′(λ)

V′(λ)

V(λ)

► V(λ) maximuma 555 nm-nél eet.bme.hu


11

Mezopos érzékenységi görbék ► A V(λ) és a V′(λ) súlyozott átlaga; a súlyozás az átlagos megvilágítás szintjétől függ (2o-os / 10o-os látótér), paraméterezett görbesereg

mezopos

eet.bme.hu


12

Fényhasznosítás (efficacy) performance metric ► Egy fényforrás energiahatékonyságának a mértéke ► Jele, definíciója: ηV = ΦV/Pel CIE ILV 17-729: luminous efficacy (of a source)

– quotient of the luminous flux emitted by the power consumed by the source

Egységnyi betáplált villamos teljesítményből mennyi látható fény keletkezik http://eilv.cie.co.at/term/729 Hogy értelmezhető ez nem villamos fényforrásra? • Sehogy

Helyette: sugárzás fényhasznosítása: K = ΦV /Φe CIE ILV 17-730: luminous efficacy (of radiation) –

quotient of the luminous flux, Φv, by the corresponding radiant flux, Φe

http://eilv.cie.co.at/term/730

► A két mennyiség kapcsolata: ηV = K⋅ ηe ahol ηe az energiakonverziós hatásfok: ηe = Φe/ Pel. eet.bme.hu


13

Fényhasznosítás (folytatás) ► Van-e a fényhasznosításnak elvi maximuma? Igen, mert K-nak maximuma van: Km = 683 lm/W Ez a V(λ) függvény definíciójából következik • Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (Comission Internationale d‘Éclairage, CIE) szabványosította a V(λ) görbét (világosban, fotopos látás)

• Ha egy 555 nm-en sugárzó (zöld) monokromatikus fényforrás kisugárzott optikai teljesítménye 1 W, akkor a fényárama 683 lm eet.bme.hu


14

Fényhasznosítás (folytatás) ► Az 555-nm-es monokromatikus sugárzóra ηV = 683 lm/W csak úgy lehet, ha az energiakonverziós hatásfoka 100%, azaz ha ηe = 1. A gyakorlatban ηe = 1 sosem lehetséges

► A fényhasznosítás a fényforrás S(λ) spektrális teljesítményeloszlásától függ: 780 nm

K=

ΦV = Φe

Km

∫ S (λ ) ⋅V (λ )dλ

380 nm 780 nm

∫ S ( λ ) dλ

780 nm

ΦV Φ e ηV = K ⋅η e = ⋅ = Φ e Pel

Km

∫ S ( λ ) ⋅ V ( λ ) dλ

380 nm

Pel

380 nm

Minél “szélesebb” a spektrum, annál kisebb lesz ηV Minél nagyobb rész esik a spektrumból V(λ) közepe tájára, annál nagyobb lesz ηV

► Mai LED-eknél: 200 lm/W .. 300 lm/W körül jár ηV eet.bme.hu


15

Példa különböző BB sugárzókra ► A fényhasznosítás függ a spektrális teljesítményeloszlástól:

► Kompromisszum a fehér fény minősége (pl. CRI) és a fényhasznosítás közt eet.bme.hu


16

Fényhasznosítás – történeti trendek

DoE 2008-as SSL roadmap és néhai Schanda János professzor nyomán

eet.bme.hu


17


A Lumileds 2008-as közlése szerint Forrás: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/nakamura-lecture-slides.pdf

eet.bme.hu


18


A Lumileds 2008-as közlése szerint

eet.bme.hu


19

Mai LED fényhasznosítás értékek ► Egy marketing és műszaki sikertörténet

► Kérdés mindig: tokozatlan LED chip vagy teljes LED-es világítási rendszer fényhasznosításáról van-e szó? Meghajtó elektronika vesztesége (pl. 95%-os hatásfok) Optikai veszteségek (pl. 95%-os hatásfok) Összesen: max. 90.25% rendszerhatásfok, 303 lm/W helyett csak 273 lm/W

► Ha valaki 700 lm/W-ot emleget, kezdjünk el gyanakodni… eet.bme.hu


20

A LED MŰKÖDÉS FÉLVEZETŐ FIZIKAI HÁTTERE

Kis ismétlés BSc Mikroelektronikából… ☺

eet.bme.hu


21

Mi a LED? ► Egy speciális félvezető dióda, egy speciális PN átmenet:

Forrás: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/nakamura-lecture-slides.pdf

eet.bme.hu


22

Vegyérték sáv, vezetési sáv conductance band

Tiltott sáv (bandgap)

Wg

valance band

v – valance band / legfelső betöltött sáv c – conductance band / legalsó üres sáv

► Vegyérték sáv – ezek az elektronok hozzák létre a kémiai kötéseket majdnem tele van

► Vezetési sáv – ezek az elektronok áramot tudnak vezetni majdnem üres eet.bme.hu


23

Töltéshordozók, generáció/rekombináció ► Mobilis töltéshordozók: Elektronok: a vezetési sáv alján Lyukak: a vegyértéksáv tetején Mindkettő szolgálja az áram-vezetést!

► Spontán folyamatok: Generáció: a termikus átlagenergia felhasználásával egy elektron a vezetési sávba kerül (egy lyukat hátrahagyva a vegyérték sávban) Rekombináció: átlagos élettartam elteltével egy elektron visszakerül a vegyértéksávba, egy lyukat eliminálva Dinamikus egyensúlyban

Elektron: Lyuk:

eet.bme.hu

negatív töltés, pozitív tömeg pozitív töltés, pozitív tömeg


24

Félvezetők sávszerkezete

indirekt direkt

1 2 W= p 2m

dP F= dt

h P= k 2π

1 W= P2 2meff GaAs: direkt sáv ⇒ opto-elektronika (pl. LED-ek) Si: indirekt sáv

Indirekt sávátmenet: fonon csatolt. Nem csak energiamegmaradás, hanem impulzusmegmaradás is. Energiaátadás a fononoknak – melegedő kristályrács eet.bme.hu


25

Valódi sávszerkezetek ► Simonyi Károly: Elektronfizika

eet.bme.hu


26

Generáció, rekombináció Spontán folyamatok: • termikus gerjesztés – ugrás a vezetési sávba. Ez a generáció • rekombináció: visszatérés a vegyérték sávba Equilibrium (dinamikus egyensúly)

~~~~> ν = Wg/h

Direkt rekombináció fényemisszióval jár(hat), lásd: LED-ek

eet.bme.hu

<~~~~ νh > Wg

Fényelnyelés generációt okozhat – lásd: napelemek


27

Fénykibocsájtás alapja: direkt sávátmenet ► Sávszerkezet: a megengedett energia szintek az impulzusvektor (k) függvényében Wel

Wel

Direkt átmenet

Indirekt átmenet

Δk k

vezetési sáv

ΔW = Wg

rekombináció vegyérték sáv

k

ΔW

fonon-csatolt átmenet

Fonon is emittálódik: melegszik a kristályrács

Hatásfok különbség!!

Wlyuk

Wlyuk

foton emisszió: ΔW = h·ν Frekvencia

hullámhosz: λ = c/ν

eet.bme.hu


28

N és P típusú réteg: két külön darab ► Fermi szintek az intrinsic szinthez képest az adalékolásnak megfelelően eltolódnak:

eet.bme.hu


29

PN átmenet: a két darab egy rendszerben ► A P és az N oldal között potenciál lépcső alakul ki. Ez pont akkora lesz, hogy kiegyenlítődjön a Fermi-szint. Homo-junction: Wc, Wv változnak, Wg változatlan

Mindkét oldal többségi hordozói áramolnak a túloldal felé, amíg a Fermi-szint ki nem egyenlítődik.

► Töltéshordozó gradiens a metallurgiai átmenet két oldala közt → diffúziós áram → kiürített réteg / tértöltés eet.bme.hu


30

A diffúziós potenciál ⎛ W − Win ⎞ n = ni exp⎜ F ⎟ ⎝ kT ⎠

⎛ WF − Wip ⎞ ⎟⎟ p = ni exp⎜⎜ − kT ⎝ ⎠

U D = U T ln

Homo-junction: Wc, Wv változnak, Wg változatlan

Nd Na ni2

„beépített” potenciál „built-in” voltage

eet.bme.hu


31

Rekombináció a PN átmenetben A stafétát rekombináció révén adják át

I = I 0 (exp(U / U T ) − 1) Lyukak vezetnek

Elektronok vezetnek

Elektronokat injektálunk a p-típusú anyagba

Nem mindegy, hogy milyen típusú rekombináció történik… eet.bme.hu


32

A LED-ek alapanyagai ► Vegyületfélvezetők: III-V-ös anyagok, pl. GaAs InP AlGaAs AlInGaP

LED-ek gyártására használt elemek: III és V oszlop a periódusos rendszerben:

► Összetétel változása: Sávszerkezet, tiltott sáv szélessége Kristályszerkezet, rácsállandó Törésmutató

► Bandgap engineering

eet.bme.hu


33

Korai LED struktúrák λ [nm] 700 660 630 610 590 565 555

szín vörös vörös vörös narancs sárga zöld zöld

LED anyag GaP:Zn-O/GaP GaAl0,3As/GaAs GaAs0,35P0,65:N/GaP GaAs0,25P0,75:N/GaP GaAs0,15P0,85:N/GaP GaP:N/GaP GaP/GaP

A hullámhossz (szín) a tiltott sáv szélességétől (ΔW) függ. Az pedig a PN átmenet anyagi minőségétől függ. ΔW = h·ν λ = c/ν eet.bme.hu

Az emittált fény színe a III és V oszlopbeli elemek arányával állítható


34

LED-ek fejlődéstörténete 1967: Első LED: GaAs + LaF3YbEr 1973: Sárgászöld LED (GaP) 1975: Sárga LED 1978: Nagy intenzitású vörös LED 1989: GaN homojunction LED Akasaki, Amano és Nakamura professzorok 1993: Hatékony kék LED 2014-es fizikai Nobel-díj 1997: Fehér LED (kék + fénypor) 2001: Fehér LED (UV LED + fénypor) Napjaink: Nagyteljesítményű LED-ek • 1 .. 10 .. 100 W Korábban csupán indikátorokként (berendezések előlapján) használták, ma már betörtek a világítástechnika területére eet.bme.hu


35

Kétféle anyagrendszer ► Két anyagrendszert használnak. Az így elérhető színek: a(z infra) vöröstől a sárgás zöldig (InGaAlP rendszer) a(z ultra ibolyától)/kéktől a kékes zöldig (InGaN/GaN rendszer) Létezik az ún. green gap – nincs igazán hatékony zöld LED Fehér LED: kéken sugárzó LED chip + fénypor

Forrás: C. J. M. Lasance – A. Poppe (eds), Thermal Mamagement for LED Applications, 2. fejezet © Springer, 2014.

eet.bme.hu


36

Bandgap engineering ► Csúcs hullámhosz / nyitófeszültség beállítása az anyagösszetétellel, adalékolással

eet.bme.hu


37

Bandgap engineering ► Nem csak a tiltott sáv szélessége számít. Az is fontos, hogy direkt sávú legyen az adott vegyület félvezető Fontos, hogy milyen a törésmutatója Ezek az anyagi összetétellel változnak, pl.: GaxAl1-xAs

Eddig jó... eet.bme.hu


38

Bandgap engineering ► Fontos tényező az egyes vegületfélvezető rétegek kristályszerkezetének egyezősége és rácsállandójának az illeszkedése

eet.bme.hu


39

Bandgap engineering ► A zöld probléma (green gap)

► A mester ábra:

InGaN/GaN

InGaAlP

Kétféle anyagrendszer • Kéktől (UV-től) a kékes-zöldig • Vöröstől (IR-től) a sárgás-zöldig eet.bme.hu


Nincs igazán jó hatásfokú és igazán zöld LED • A hatásfok problémát a V(λ) csúcsa enyhíti 40

Fényhasznosítás [Lumen / Watt]

A LED-ek fényhasznosítása – történelem 100 InGaAlP InGaN Modern lámpa

InGaAlP InGaN

10

InGaN

GaAlAs GaP:N InGaN GaAlAs

GaAsP:N

1

GaAsP

0,1 1970

eet.bme.hu

1975

Edison

SiC

1980

1985

1990

1995


2000

2005

2010 41

LED spektrumok Relatív spektrális teljesítményeloszlás InGaAlP

InGaN

rel.intenzitás

1

fehér kék 1

0.8

kék 2

0.6

zöld 1

0.4

zöld 2

0.2

narancs

sárga

0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

vörös

hullámhossz, nm Forrás: néhai Schanda János professzor

Fehér LED-ek: kék LED chip + fénypor eet.bme.hu


42

Miért nem monokromatikus?

Wel

Csúcs hullámhossz fél értékénél vett szélesség k

vezetési sáv vegyérték sáv

780 nm

Φe ≈ W lyuk

Csúcs hullámhossz eet.bme.hu

Sugárzás más hullámhosszakon (kisebb valószínűséggel: lásd a nyilak színét és vastagságát)


∫ S (λ )dλ

380 nm

Teljes emittált fényteljesítmény, vagy radiometriai fluxus vagy optikai teljesítmény 43

Miért nem 100% fény? Wel

k

vezetési sáv

Sugárzással nem járó rekombináció • indirekt állapotátmenet fonon emisszió kristályrács melegedése disszipáció

vegyérték sáv

Wlyuk

Radiatív rekombináció eet.bme.hu


44

Fehér fény előállítása LED-del ► Vörös + zöld + kék LED RGB modul

► Kék-LED + fénypor Fénypor felhordás új módozatai Sárga vagy zöld + vörös fénypor

► UV-LED + fénypor A hatásfok függ a fénypor (phosphor) konverziós hatásfokától is.

eet.bme.hu


45

Fehér fény problematikája LED-eknél ► Általánosan: színvisszaadás (color rendering) ► Fényporos fehér LED-eknél: Hideg/meleg fehér (kékes vagy sárgás) Korrelált színhőmérséklet (ekvivalens fekete test sugárzó hőmérséklete)

► RGB moduloknál:

hőmérsékletérzékenység ⇒ színvándorlás DE: nem csak fehér, hanem tetszőleges szín kikeverhető (az RGB háromszögön belül)

eet.bme.hu


46

ENERGIAKONVERZIÓS HATÁSFOK

eet.bme.hu


47

LED-ek hatásfokai ► Quantum efficiency (kvantumhatásfok) Emittált fotonok száma viszonyítva az elektronok számához Fehér LED-nél még: a fénypor konverziós hatásfoka

► Extraction efficiency (kicsatolási hatásfok) hogy aránylik a külvilágba kijutó fotonok száma a LED aktív régiójában generált fotonok számához

► Power efficiency / wall-plug efficiency – WPE / radiant efficiency ηe (energiakonverziós hatásfok) hogy aránylik a kisugárzott fényteljesítmény (teljes radiometriai fluxus, total radiant flux) a betáplált elektromos teljesítményhez, (Popt / Pel = Φe / Pel)

► Efficacy / luminous efficiency ηV (fényhasznosítás) hogy aránylik az emittált fényáram a betáplált elektromos teljesítményhez

eet.bme.hu


48

LED-ek energiakonverziós hatásfoka 5000 4500

Spectral power intensity [µW/nm]

20 oC

4000

30 oC

3500

40 oC

3000

50 oC

2500

60 oC

2000

70 oC

1500

IF = 300 mA

1000 500

λ [nm]

0

560 570 580 589 599 609 619 629 639 649 659 669 678 688 698 780 nm

Φe ≈

∫ S (λ )dλ

Növekvő hőmérséklettel ez a terület csökken

380 nm

A csúcs hullámhossz szintén eltolódik eet.bme.hu


49

Miért nem 100% fény? Wel

k

vezetési sáv

Sugárzással nem járó rekombináció • indirekt állapotátmenet fonon emisszió kristályrács melegedése disszipáció

vegyérték sáv

Wlyuk

Radiative recombination eet.bme.hu


50

Miért romlik a hatékonyság nagy IF-nél? W

W

k

Kis nyitóáram: kisebb a valószínűsége az indirekt sávátmenetnek

k

Nagy nyitóáram: nagyobb a valószínűsége az indirekt sávátmenetnek

Ezen felül még további disszipáció van a soros ellenálláson is… eet.bme.hu


51

KVANTUMHATÁSFOK NÖVELÉSE DUPLA HETEROÁTMENETES SZERKEZETTEL

eet.bme.hu


52

A heteroátmenet ► Olyan változás a félvezető anyagban, ahol nem csak a vezetési sáv alja és a vegyérték sáv teteje változik (ez az ún. homo-junction), hanem a tiltott sáv szélessége is változik:

eet.bme.hu


53

A heteroátmenet ► Példák:

eet.bme.hu


54

Dupla heteroátmenet ► Szinte minden modern LED-re jellemző a dupla heteroátmenetes szerkezet

► Magyarázat:

http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light-Emitting-Diodes-dot-org/chap07/chap07.htm

eet.bme.hu


55

Dupla heteroátmenet

Forrás: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/nakamura-lecture-slides.pdf

eet.bme.hu


56

Dupla heteroátmenet ► A töltéshordozók tipikus diffúziós hossza ~ 1..20 μm, a dupla heteroátmeneteben az aktív réteg ~0.01 .. 1 μm ► Nagyobb lesz a töltéshordozó koncentráció, mint egy több diffúziós hossznyi homojunction-ban R = B⋅n⋅p R: radiatív rekombinációs ráta B: ún. bimolekuláris együttható

eet.bme.hu


57

Dupla heteroátmenetes LED szerkezete ► A makroszkopikus szerkezet:

► A dupla heteroátmenetes szerkezet a kicsatolási hatásfokra nézve is előnyös A befoglaló (confinement) rétegek sávszélessége nagyobb, mint az aktív rétegé, ezért azok az aktív rétegben keltett fényre nézve átlátszóak eet.bme.hu


58

Pl. a kicsatolási hatásfok ► A fénykicsatolás hatásfoka a konstrukciótól függ:

Lumileds

► Sokféle reflexió; felületek texturálása alkalmas chip geometria eet.bme.hu


59

Fénykicsatolás – történelem

Forrás: James Hooker et al: Development of Gas-Cooled ‘LED Filament’ Lamps, Lighting Symposium 2014, Como, Italy, June 2014

eet.bme.hu


60

Fénykicsatolás problémája, javítása ► Az egyik fő gond: a belső teljes reflexió

Lehetséges javítás LED chip szinten • a felület texturálása • Belső tükrök, textúrált felületek • Alkalmas chip geometria (pl. csonka gúla)

LED tok optika szinten • Lehetséges javítás: távoli fénypor réteg (remote phospphor), ami egyben diffúzor is lehet eet.bme.hu


61

Az ún. remote phosphor LED szerelvények ► A fényporban elszenvedett konverziós veszteség miatti hő nem melegíti LED chip-et

Ha világít, szép felület, diffúzabb fény Kikapcsolt állapotban sokak szerint csúnya

eet.bme.hu


62

Egy klasszikus: 60 W replacement bulb ► Az első jó fényhasznosítású, jó színvisszaadási indexű, meleg fehér, majdnem a teljes térszögbe sugárzó E27-es retrofit LED lámpa 60 W-os normál lámpa helyett; • most már 100 W-os normál lámpát helyettesítő is van

• bonyolult szerelvény

eet.bme.hu


63

LED-EK JELLEMZÉSE

eet.bme.hu


64

Tokozott LED chip-ek jellemzése ► Elektromos paraméterek: Nyitófeszültség: 2.5 V .. 4 V, a színtől függ; • ennél nagyobb VF: több PN átmenet sorba kötve • CoB LED-ek: kb. 50 V, AC LED-ek: 120 V / 230 V

Nyitóáram: • kisteljesítményű, hagyományos LED-ek: ~10 mA • nagyteljesítményű LED-ek: 350 mA … 700 mA …1500 mA

Záróirány: kicsi letörési feszültség ⇒ védő dióda (az is LED – vörös)

► Tokozás Hőellenállás: 300 K/W .. 10 K/W .. 1 K/W .. 0.1 K/W tokozás fajtája: hűtőfelület/MCPCB/CoB, optika kivitele

► Optikai paraméterek fényáram [lm], fényhasznosítás [lm/W] optikai teljesítmény [W] spektrum + domináns hullámhossz (színes) vagy korrelált színhőmérséklet + x,y koordináták (fehér) sugárzási karakterisztika

► Hatásfokok – sokféle van Az adott LED-gyártó technológiáitól függenek... eet.bme.hu


65

Nyitófeszültség és a fény színe A LED-ek nyitófeszültsége a tiltott sáv szélességétől függ Kék: szélesebb tiltott sáv (rövidebb hullámhosszak) nagyobb VF (pl. 3 V) Vörös: keskenyebb tiltott sáv (hosszabb hullámhosszak) kisebb VF (pl. 1.5 V)

LED nyitófeszültség ~ Ug = Wg/q

Példa Ug = (c⋅h)/(λ⋅q) Kék LED spektrumából csúcs hullámhossz: 447nm

eet.bme.hu

c⋅h = 3e8 ⋅ 6.625e-34 = 1.988e-25 λ⋅q = 4.47e-7 ⋅ 1.602e-19 = 7.16e-26 Ug = 1.988/7.16 ⋅ 10 = 2.777 V


66

LED TOKOK ÉS LED SZERELVÉNYEK

eet.bme.hu


67

Toktípusok

Radial LED Chip 250 x 250 µm

OSRAM: High Power LED Chip 700 x 700 µm

Rth = 10 K/W Soldered heat sink

Metall core PCB

Rth = 200 K/W

Lumileds:

eet.bme.hu


68

Nagyteljesítményű LED tokok

5W

Lumileds eet.bme.hu


69

Toktípusok OSRAM:

eet.bme.hu


70

Toktípusok OSRAM: Teljesítmény LED-ek

Miniatűr LED-ek eet.bme.hu


71

Legújabb tokozási trendek ► Több chip-es tokok / gond a termikus tesztelés b) parallel

a) series

OSRAM Ostar eet.bme.hu

c) series/parallel

Cree MCE


d) individual

Avago RGB LED 72

Legújabb tokozási trendek ► Kerámia hordozók használata (level0): Lumileds Rebel Cree Xlamp

► A haogyományos soros hőellenállás model nem mindig alkalmazható

eet.bme.hu


73

Legújabb tokozási trendek

Forrás: A. Gasse előadása, ForumLED'09, 3-4 December 2009, Lyon

eet.bme.hu


74

Legújabb tokozási trendek: CoB ► Több chip-es tokok CoB (chip on board) Kerámia hordozóra közvetlenül szerelt lapkák Soros-párhuzamos • Nem lehet VF szórás • Termikusan jól tervezett elhelyezés

Fénypor közvetlenül felvíve Kis Rth Nagy teljesítmény (pl. Pel: ~150 W , ΦV: ~8000 lm, Rth = ~ 0.25 K/W) HID-ek kiváltása – nagyon nagy disszipációsűrűség, extrém hűtés!

eet.bme.hu


75

HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉS

eet.bme.hu


76

Energiakonverziós hatásfok: ηe(IF, TJ) ηe[%]

TeraLED: Radiant Efficiency (Popt/Pel) vs Junction Temperature CREE_XTE_S4_grease.tmd - IF = 350mA CREE_XTE_S4_grease.tmd - IF = 700mA

47

46

45

44

43

42 40

eet.bme.hu

50

60

70

80

90

100


110

TJ [°C]

77

Fényáram: ΦV (IF, TJ), fényhaszn.: ηV(IF, TJ) ΦV [lm]

TeraLED: Luminous Flux vs Junction Temperature

280 260 240

CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 350mA (SΦv= -0.276 lm/°C) CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 700mA (SΦv= -0.596 lm/°C)

220

TeraLED: Luminous Efficacy vs Junction Temperature ηV [lm]

200

CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 350mA CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF= 700mA

180 150 160 140

145

120 30

40

50

60

70

80

90

100

TJ [°C]

110

140

135

130 30

eet.bme.hu

40

50

60


70

80

90

100

110

TJ [°C] 78

Színkoordináták (CIE 1931 2 xy) o

TeraLED: Color Coordinates (Junction Temperature) y

CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 350mA CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 700mA

0.314

38 °C 0.312

53 °C 66 °C

0.31

82 °C 96 °C

0.308

53 °C

68 °C 0.306

80 °C 96 °C

0.304

110 °C 0.302 0.292

eet.bme.hu

0.294

0.296

0.298

0.3

0.302

0.304

0.306


x

79

Hőmérsékletfüggés – csúcshullámhossz ► Csúcshullámhossz eltolódása

eet.bme.hu


80

Hőmérsékletfüggés – tiltott sávszélesség ► Csúcshullámhossz eltolódása Wg hőmérsékletfüggése miatt

α ⋅T 2 Wg (T ) = Wg 0 − β +T

603.0 602.0 601.0 600.0 599.0 598.0 597.0 596.0 595.0 594.0 593.0 592.0 591.0 590.0

10 mA 100 mA 400 mA 700 mA

Temperature dependence of the bandgap energy of a blue LED (λp-nom = 465 nm) 2.8

0.0

20.0

40.0 60.0 80.0 o Junction temperature TJ [ C]

100.0

Bandgap energy Wg [eV]

Peak wavelength λp [nm]

Measured temperature and current dependence of the peak wavelenghth of an amber LED

2.7 700 mA, measured 700 mA, fitted 400 mA, measured 400 mA, fitted 100 mA, measured 100 mA, fitted 10 mA, measured 10 mA, fitted Average

2.6

2.5 0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

Temperature T [K]

eet.bme.hu


81

Miért fontos a LED-ek termikus jellemzése? ► A LED-ek megbízhatósága, élettartama erősen függ a hőmérséklettől: élettartam (termikusan asszisztált meghibásodási mechanizmusok) termo-mechanikai feszültségek ⇒ delaminálódó kötések / határfelületek

► Kibocsájtott fény jellemzői is erősen hőmérsékletfüggőek:

0.012

0.01

0.008

0.006

Spektrális intenzitás [W/nm]

spektrális teljesítményeloszlás (csúcs hullmhossz, szélesség) teljes fluxus (fényáram), teljes hatásfok, fényhasznosítás

Forrás: Philips Lumileds, Rebel Reliability Data, 2007

1W-os vörös LED spektrális teljesítményeloszlása különböző áram és hőmérséklet értékek esetében

T25_I200 T25_I500 T50_I200 T50_I500 T75_I200 T75_I500

0.004

0.002 Hullámhossz [nm] 0 570

eet.bme.hu

584

598

611

625


638

652

665

678

692

705

719

82

Miért fontos a LED-ek termikus jellemzése? ► Keletkező hőveszteség legnagyobb része hővezetéssel távozik Teljesítmény LED

► Konvekciós hűtés esetében is a hőleadás minden esetben hővezetéssel kezdődik

-

Fény: ~15..40%

► A retrofit LED-es lámpák a lámpatestet használják hűtőfelületként Hőveszteség: ~85-60%, a legnagyobb része kondukcióval

Forrasztási felület

► A termikus határfelületek átmeneti hőellenállása szignifikáns elem a hővezetési útban

Kikötő Hordozó vezeték chip Chip Láb rögzítés

Szigetelő réteg

Forrasztás

PN átmenet

► Túlmelegedés hatása: Műanyag tok aktív réteg és a hordozó chip közötti csökken az Az élettartam átmenet termikus megfutás, azonnali meghibásodás Chip rögzítés (die attach vagy TIM1) A LED tok alja és az MCPCB közötti rögzítés (forrasz vagy ragasztó)

Alumínium NYHL A termikus tranziens tesztelés az elmúlt másfél évtizedben lemez (MCPCB) Klasszikus réteg az MCPCB és a hűtőborda között kiváló eszköznek bizonyult ezekTIM jellemzésére... Hűtőborda (az ún. TIM2)

eet.bme.hu


83

Blokkolt légáramlás hatása ► Pl. álmennyezetbe sűllyesztett LED lámpa sokszor nem szellőzik jól, ezért magasabb lesz a pn-átmenet hőmérséklete… hiába van jó hőátadás a chip és a hűtőborda között

http://www.led-heatsink.com/LED_heat_sink_calculation_simulation_thermal_design.html

eet.bme.hu


84

Ideális esetben... ► A hűtést ne blokkolja semmi Legkisebb hőellenálású hővezető út Hatékony ”hűtőborda” Jól szellőző terek

Forrás: Mentor Graphics

Forrás: Mentor Graphics

eet.bme.hu


85

LED-EK ÉLETTARTAMA ÉS A HŐMÉRSÉKLET HATÁSA

eet.bme.hu


86

LED-ek élettartama és a hőmérséklet ► Nem mindegy, mik a termikus (öregítési) feltételek:

Forrás: Dr. Gerhard Kuhn: Challenges of LED Lighting Systems, Keynote at LpS, September 27-29, 2011, Bregenz, Austria

► IES LM80 élettartam mérési szabvány: emelt hőmérsékletű öregítés – független vizsgálatok a Pannon Egyetemen eet.bme.hu


87

LED élettartam vizsgálatok (LM80) A kísérletsorozatot a Pannon Egyetem kutató csoportjával együtt végeztük: • több, mint 8000 h égetés • 8 LED típus európai, USA és ázsiai gyártóktól • in-situ mérések

LM80-as öregítő kamra a LED mintákkal

eet.bme.hu

In-situ fotometriai mérések

A vizsgálatokat a KÖZLED projekt számára végeztük.

In-situ termikus mérések


88

Fényáram változások Relatív fényáram

[%]

Relatív fényáram

[%] 110

110

105

105 100

31

100

41

95

32

95

42

90

33

90

43

34

85

44

Stabil 35

85 80

36

75

aver

70

Column 3, USA 1, IF=350 mA

65

46

75

aver

70

45

80

Column 4, EU, IF=350 mA

65

60

60 0

2000

4000

6000

8000 Öregedés [h]

0

Relatív fényáram

[%] 110

2000

4000

6000

8000 Öregedés [h]

Relatív fényáram

[%] 110

Column 8, NONAME, IF=700 mA

105

105

100

100

81

95

51

95

82

90

52

90

83

53

85

84

80

54

80

75

55

75

70

56

70

aver

65

Nagyon stabil

85

Column 5, USA 2, IF=350 mA

65

85 86 aver

4500 óra után kiégtek

60

60 0

2000

eet.bme.hu

4000

6000

8000 Öregedés [h]

0

2000


4000

6000

8000 Öregedés [h]

89

A degradáció eredménye a gyakorlatban Reklámfelirat betűi egyenetlenül elsötétedtek 3-4 hónap alatt Epoxy gyantával (hőszigetelő!!!) kiöntött házban NONAME forrásból származó LED-ekkel szerelve

Hasonló gond: “LED cső”: szilikon gumiba ágyazott LED-ek Normál hőellenállás: 5..10..20 K/W, ezekben az esetekben: 400 K/W Hibás az ilyen termékek koncepciója

Megoldás: Megbízható LED gyártó Fém ház, jó hűtéssel Forrás: OSRAM

eet.bme.hu


90

LED-ES VILÁGÍTÁSTECHNIKAI MEGOLDÁSOK

eet.bme.hu


91

Lehetséges megoldások: retrofit ► Az ún. retrofit LED lámpák – Nem LED ízzók! Ha már ízzik, nagy baj van... Meglévő lámpatestbe becsavarható Csatlakozó interfész: a foglalat • Edison korából való • Nem volt cél a jó hőelvezetés biztosítása • ~1000 h lámpa élettartam mellett indokolt volt az ízzók egyszerű cserélhetősége

Fontos a fényeloszlás Fontos az esztétika • Hasonlítson a megszokotthoz

Majdnem a teljes térbe világít (~4π sr)

Csak kb. a fél térbe világít (~2π sr)

Majdnem olyan a fényeloszlása, mint egy hagyományos izzólámpáé (~4π sr)

Olajhűtésű LED lámpa

Fontos a fényáram (pl. 700 lm) , a fényhasznosítás (pl. 100 lm/W), a színhőmérséklet (pl. 2700 K), a színvisszaadási index (pl. 90), az élettartam (pl. 50 000 h) eet.bme.hu


92

Különböző E27-es/E14-es retrofit lámpák

eet.bme.hu


93

Izzólámpa vs. retrofit LED lámpa ► Hogy döntsünk a boltban, hogy mit vegyünk? 25 W-os, 40 W-os, 60 W-os, 100 W-os normál ízzólámpákhoz, illetve 20 W-os vagy 50 W-os halogén spot lámpákhoz vagyunk szokva...

► Az alapvető mennyiség, amivel összehasonlíthatjuk a LED-es retrofit lámpákat pl. az ízzólámpákkal a fényáram 100 W-os ízzólámpa, • fényhasznosítása: 8 lm/W • teljes fényárama: 800 lm • színhőmérséklete: kb. 2700 K

Ekvivalens LED-es lámpa teljes fényárama 800 lm legyen! • 2700 K színhőmérsékletű LED lámpát válasszunk, ha az ízzólámpa fényéhez hasonló érzetet keltő fényt szeretnénk • Ha lehet, Ra > 85 színvisszaadási indexű LED lámpát válasszunk • A fenti szempontok szerint ekvivalens LED lámpák közül a legjobb fényhasznosítású lámpát válasszuk → az kevesebb elektromos teljesítményt vesz fel • Pl.: ηV = 100 lm/W fényhasznosítás esetén Pel = 8 W

A lámpatesttől függ, milyen fényeloszlású LED lámpa felel meg a céljainknak • Normál ízzólámpa közel a teljes térszögbe (4π sr) sugároz eet.bme.hu


94

Izzólámpa vs. retrofit LED lámpa ► Ebben a lámpatestben nem kritikus, hogy nem a teljes térszögben sugároz a retrofit LED lámpa ► A természetes konvekciós hűtés zavartalansága persze kérdéses…

eet.bme.hu


95

Amikor fontos a jó helyettesítés: ► Pl. műemlék csillárok A retrofit LED-esítés után is azt várjuk, hogy a csillár ugyanúgy nézzen ki, mint korábban

↑ Saját lakásom, LED filament gyertya égőkkel ← Zeneakadémia nagyterme, ízzólámpás csillárokkal: fontos az autentikus megjelenés. Mindig van kiégett izzólámpa. Ide retrofit LED-es megoldás kellett volna.

Amit a LED-es megoldás nyújthat: hosszú élettartam olyan helyen, ahol nehéz a fényforrásokat cserélni eet.bme.hu


96

Szabványos, foglalatos LED modulok ► Zhaga szabvány Edison foglalatok meghaladása • Egységes mechanikai kivitel • Hűtés biztosítása fontos szempont volt

http://www.zhagastandard.org/specifications/lightengine.html

Fél úton a fixre szerelt LED-ek és a retrofit LED lámpák közt Csereszabatosság biztosítása különböző gyártók termékei közt • • • •

LED engine Hűtőborda Foglalat Optika

eet.bme.hu


97

Dedikált LED-es lámpatestek ► Hosszú LED élettartam: A világítótest élettartama alatt nem megy tönkre egy LED sem • Egy generációt ki tud szolgálni

Fixre lehet szerelni LED-eket A jó hűtés garantált, nem esetleges, mint retrofit esetben

► Van néhány hátrány is: Nagy kezdeti költség • A teljes cost of ownership mégis kicsi lehet

Nem követjetjük a LED-ek fejlődését Javítás, second sourcing: problémás eet.bme.hu


98

ESETTANULMÁNY: GYERTA ÍZZÓK HELYETTESÍTÉSE FILAMENT LED LÁMPÁKKAL

eet.bme.hu


99

Motiváció ► Ár erozió: maga a LED chip egyre kisebb tényező ► Optika, driver, hűtés, egyéb mechanika: ma ezeken kell spórolni


eet.bme.hu


100

Motiváció ► Spórolás Jól megfigyelhető a Philips teljes térszögbe sugárzó E27-es retrofit LED lámpájánál

• Drága és bonyolult fém szerelvény helyettesítése hővezető műanyaggal • Nagy sárga fényporos, 3 cikkből álló búra felszámolása üveg diffúzorral – Fénykibocsájtás kisebb térszögben, a színhőmérséklet 50 K-nel megváltozott

• A lámpafejben még van meghajtó elektronika eet.bme.hu


101

Motiváció ► A retrofit LED lámpa minél jobban hasonlítson egy klasszikus normál ízzólámpához, vagy akár egy régi szénszálas lámpához ► A helyzet a gyertya égőknél a legrosszabb Általában az egész égő látszik, felfelé áll A legtöbb LED-es retrofit gyertya égő ronda, nem jön ki belőlük a fény alul

eet.bme.hu


102

A LED-es gyertya égők evolúciója

A spirált imitáló ún. LED filament lámpa. Átlátszó ballonos gyertyaízzó helyett, kb. 40 W-ig

Olajhűtésű retrofit LED lámpa. Opál vagy festett fehér ballonos gyertyaízzó helyett, kb. 60 W-ig

eet.bme.hu


103

CoG – chip on glas ► CoB (chip on board) elv alkalamzása, de üveg szubstrátra Átlátszatlan kerámia szubsztrát helyett átlátszó üveg hordozó • ~2π sr térszög helyett majdnem a teljes 4π sr térszögbe sugárzó szerelvény

Üveg helyett egyes gyártók zafír hordozóra szerelik a LED-eket • Jobb hővezetőképesség (kb. 30 W/mK az üveg ~1 W/mK értékével szemben) • Segítheti a LED filament hűtését

eet.bme.hu


104

A LED ”spirál”


► Ízzólámpa: minimális hőátadás legyen a spirál felől a ballont kitöltő csökkentett byomású védőgáz felé dupla spirál: rövid, vastag (GE, Irving Langmuir, 1913)

► LED filament lámpa: ellentétes a követelmény – jó hőátadás kell Vékony, hosszú, viszonylag jó hővezetésű szubsztráton CoB technikával elhelyezett, elektromosan sorba kötött és fényporral bevont kék LED chip-ek Jó hővezetőképességű nemesgáz atmoszféra a ballon felületére vezeti a hőt

eet.bme.hu


105

A LED filament lámpák ► Nem kell hűtőborda Átlátszó szubsztrát Kevesebb reflexió, kisebb optikai veszteségek

► Sorba kötött elemi LED chip-ek: a teljes feszültségesés eléri a hálózati feszültséget 110 V-on egyszerűbb Nincs szükség bonyolult meghajtó elektronikára Ugyanahhoz a teljesítményhez nagy feszültség esetén kisebb áram elegendő • Hatékonyabb LED működés • Nagyobb élettartam

eet.bme.hu


106

A ballont kitöltő hűtőgáz ► Hűtés gázzal

► A hidrogén vagy hélium töltés jó hőátadást biztosít a ballon teljes felületére Onnan természetes konvekciós hűtés Nem kell drága hűtőborda A klasszikus lámpagyártási technológiák használhatóak A lámpafej egyszerű lehet, csak az Edison korabeli elektromos interfész funkciót kell ellátnia Forrás: James Hooker et al: Development of Gas-Cooled ‘LED Filament’ Lamps, Lighting Symposium 2014, Como, Italy, June 2014

eet.bme.hu


107

A ballont kitöltő hűtőgáz ► Gáztöltés, hőmérséklet, fényáram


eet.bme.hu


108

A ballont kitöltő hűtőgáz ► He töltés: nyomás vs hőmérséklet (LED filament)


eet.bme.hu


109

Összehasonlítás ► Olcsóbb, jobb fényhasznosítás:


eet.bme.hu


110

Filament LED lámpák előnyei ► A klasszikus lámpagyártási technológiák és a LED-ek kombinációjának számos előnye van Nincs szükség hűtőbordára Nincs szükség termikus határfelületi anyagra (TIM-re) Teljes térszögbe sugárzó lámpa, minimális optikai veszteséggel Egyszerű mechanikai kivitel, olcsó anyag (üveg), A lámpa kivitele jól illeszkedik a klasszikus lámpagyártásban használt teljesen automatizált végszerelő gyártósorokhoz Nagyon jó fényhasznosítás érhető el A lámpa alakja, megjelenése megfelel a vásárlói elvárásoknak

► Továbbfejlesztés még lehetséges az ilyen LED lámpák további termikus és optikai optimalizálásával ► A LED filamentek várhatólag a retrofit LED lámpák mellett egyéb alkalmazást is nyernek

eet.bme.hu


111

TOVÁBBI ÉRDEKES SZÁMPÉLDÁK Egy végső alkalmazásnál nagyon sok paramétert kell egyszerre optimalizálni... Kisebb-nagyobb példák jönnek erre...

eet.bme.hu


112

Fényhasznosítási adatok összevetése... ► Nem mindegy, hogy a fényforrás, vagy egy teljes világítótest fényhasznosítását tekintjük-e? Az egyéb rendszerkomponensek hatásfokán kívül az is fontos, hogy hogy hasznosul a fényforrásból kinyert teljes fényáram:

Forrás: BEKA LED Seminar 08 June 2010

ηV-LED < ηV-HID, de a HID lámpa fényáramának csak kisebb hányada hasznosul, így teljes rendszer szinten a LED-es megoldás a jobb. eet.bme.hu


113

LED-es rendszertervezés ► Összetett optimalizálási feladat; pl.: ηV ↔ CRI LED-ek száma (költség) ↔ áram ↔ TJ, élettartam

eet.bme.hu


114

A fényáram alakulása bekapcsolás után: ► A LED-ek hőmérsékleti tranziensétől függ ► Ezt a teljes rendszer termikus időállandója határozza meg tstab = 7060 s = 1 h 57 min 40 s (álló levegős kamrában mérve) ΔTJ = 54 oC SΦV ≈ - 0.2 lm/oC → ΔΦV = -10.8 lm TJ =25 oC / ΦV = 100 lm → 10%-kal kisebb fényáram 2 óra elteltével 7060

PN átmenet hőmérsékletváltozása ΔTJ [°C]

60

50

40

30 54 20

10

0 1e-6

1e-4

0.01

1

100

10000

Idő [s]

eet.bme.hu


115

A lámpatest időállandójának becslése ► Még hosszabb mérés kellene.. ► Becslés: Konvekciós hőellenállás: Rth_conv = 1/(A⋅h) • A – a lámpatestház, mint hűtőborda aktív felülete • h – hőátadási tényező természetes konvekció esetében (≈ 10 W/m2/K)

Hőkapacitás: Cth = V⋅cv • V – a lámpatestház, mint hűtőborda térfogata • cv – a lámpatestház anyagának volumetrikus hőkapacitása

Termikus időállandó: τ = Rth_conv⋅Cth = 1/(A⋅h)⋅V⋅cv Számpélda: • A = 30 cm × 50 cm = 0.15 m2, V = A × 10 cm = 0.015 m3 • h = 10 W/m2/K, alumíniumra: cv = 2.421⋅106 Ws/(m3K) • τ = 1/(10⋅0.15)⋅0.015⋅2.421⋅106 s = 2.421⋅104 s • A vastagságot durván túlbecsültük, az 1/3-a reálisabb, azaz τ = 8070 s ≈ 2 h 15 m

► Tehát az üzemi fényáram ~ 2 óra alatt stabilizálódik eet.bme.hu


116

Nem csak a LED-ek melegednek ► Hanem a tápegység is…

eet.bme.hu


117

Nem csak az áramló levegő hűthet: ► Adott esetben az oszlopfej hővezetése is besegíthet

► Ezt érdemes kihasználni, de nehéz jól megoldani A jó hőátadáshoz pontos méretilleszkedés kellene… eet.bme.hu


118

Az időjárás hatása a LED-es közvilágításra ► Melegebb időben kisebb fényáram, hidegebb időben nagyobb fényáram Nem mindegy, mikor mérünk megvilágítást Várható legkisebb megvilágítás: • meleg nyári éjszakán, a LED-es közvilágítás bekapcsolása után 1-2 órával Várható legnagyobb megvilágítás: • hideg téli éjszakán, azonnal a LED-es közvilágítás bekapcsolása után Energiatakarékossági lehetőség: hőmérsékletmérésen alapuló aktív fényáramszabályozás

► Nem mindegy, hogy ugyanaz a LED-es lámpatest Magyarországon hol van telepítve

eet.bme.hu


119

Az időjárás, mint környezeti hatás

Az évi átlagos középhőmérséklet Magyarországon az 1971-2000 közötti időszak alapján

A globálsugárzás (MJ/m2) átlagos évi összege Magyarországon (2000-2009)

http://www.met.hu/eghajlat/magyarorszag_eghajlata/altalanos_eghajlati_jellemzes/sugarzas/ http://www.met.hu/eghajlat/magyarorszag_eghajlata/altalanos_eghajlati_jellemzes/homerseklet/

► Besugárzás, átlagos középhőmérséklet ► Maximális mért hőmérsékletek ► Meleg éjszakák

eet.bme.hu


120

Maximális hőmérséklet

Az évi maximumhőmérséklet [°C] http://owww.met.hu/eghajlat/eghajlati_adatsorok/bp/Navig/Index2.htm

eet.bme.hu


121

A meleg éjszakák száma – Budapest

A meleg éjszakák (Tn≥20°C) száma

eet.bme.hu


122

A meleg éjszakák száma – Szombathely

A meleg éjszakák (Tn≥20°C) száma

eet.bme.hu


123

Számpélda (egy ~1W-os, 100 lm-es LED-re) ► LED paraméterek (adatlapi adatok pl. TJ = 20 oC-ra): , ΦV(20 oC) = 100 lm, SΦV = -0.3 lm/ oC VF(20 oC) = 3 V, SVF = -2 mV/ oC IF = 350 mA, Pel = 1.055 W Φe (20 oC) = 315 mW, SΦe = -1mW/ oC ηe (20 oC) = Φe / (IF⋅ VF) = 315 mW/1050 mW = 30% ηV (20 oC) = ΦV / (IF⋅ VF) = 100 lm/1.05 W = 95.24 lm/W

► Meleg nyári éjszaka: TJ = 100 oC (pl. Tamb > 30 oC) Pel(100 oC) = 0.350⋅(3-0.2⋅80) = 0.994 W ΦV(100 oC) = 100 – 0.2⋅80 = 84 lm Φe (100 oC) = 315 – 1⋅80 = 235 mW ηe (100 oC) = 235 / (350⋅(3-0.2⋅80) = 23% ηV (100 oC) = 84 / (350⋅(3-0.2⋅80) = 84.5 lm/W

Kisebb fogyasztás Kisebb fényáram Rosszabb hatásfok Rosszabb fényhasznosítás

► Hideg téli éjszaka: TJ = 60 oC (pl. Tamb < 0 oC) Pel(60 oC) = 0.350⋅(3-0.2⋅40) = 1.022 W ΦV(60 oC) = 100 – 0.2⋅40 = 92 lm Φe (60 oC) = 315 – 1⋅40 = 275 mW ηe (60 oC) = 275 / (350⋅(3-0.2⋅40) = 26.9% ηV (60 oC) = 92 / (350⋅(3-0.2⋅40) = 90.02 lm/W

De egyik paraméter sem az adatlapi érték… eet.bme.hu

Nagyobb fogyasztás (2.8%) Nagyobb fényáram (9.5%) Jobb hatásfok Jobb fényhasznosítás (8.9%)

Multi-domain szimuláció kéne


124

HOGY VÉGEZZÜNK JÓ NUMERIKUS BECSLÉSEKET TERVEZÉSKOR? Multi-domain mérés Multi-domain modellezés Multi-domain szimuláció

eet.bme.hu


125

Jó gyakorlat ► Alapos termikus tervezés pl. világítási rendszer szintű termikus szimulációval, üzemi fényáram számításával… ► Alkatrész szintű LED kompakt modelleket lámpatest szintű szimuláció során használunk a szimuláció egyszerűsítésére: Termikus modell CFD szimulációban – a lámpatest valós környezete szerinti hűtéssel számol. Eredmény: a PN-átmenet hőmérséklete. Ennek alapján üzemi fényáram számolható (“hot lumen”). JESD51-52 CIE 127-2007

JESD51-1 JESD51-51 KÖZLED projekt BME-EET és HungaroLux

eet.bme.hu


JESD15-14

126

LED TJ ellenőrzése szimulációval ► LED tok: ún. kompakt modellel ► A lámpatestház egyben hűtőborda is: részletes CAD modell

eet.bme.hu


127

LED + hűtőborda: az orientáció is fontos ► Méréskor is, és a használat során is ► CFD szimulációk integráló gömbbe helyezett retrofit LED lámpáról:

Műanyag falú gömb: a külső (labor) környezet termikus hatása kicsi, de a LED lámpa felmelegíti… eet.bme.hu

Fémből készült gömb: a külső (labor) környezet termikus hatása nagyobb és az visszahat a LED lámpára is

Az áramló levegő hűtő hatása függ a lámpa helyzetétől…


128

Termikus és optikai mérés és szimuláció MÉRÉS

TeraLED

CIE 127:2007

JESD51-14

JESD51-52

Termikus mérések eredményeinek kiértékelése

QA Hibaanalízis

T3Ster Master program

JESD51-1

TeraLED View program

JESD51-51

Kompakt modellezés

T3Ster

Termikus határfelületek degradációja

LED eszköz termikus karakterizációja és optikai paramétereinek mérése Optikai modell

Kész termikus modell

SZIMULÁCIÓ

Termikus modell FloEFD FloTHERM

Lámpatest szintű szimulációk kompakt LED modellel. FloEFD-ben az üzemi fényáram kiszámítása is része a szimulációnak. Az ehhez szükséges adatokat a TeraLED View program szolgáltatja.

eet.bme.hu


129

Gyakorlatban: konstans nyitó áram

► Egyszerűsített modellek

VF – lináris hőmrésékletfüggés VF ( I F 0 , TJ ) = VF 0 + SVF 0 ⋅ (TJ − T0 ) Nagyáramú karakterisztika szakaszon a fényáram (optikai teljesítmény) hőmérsékletfüggésére lineáris közelítés adható ΦV ( I F 0 , TJ ) = ΦV 0 + S ΦV 0 ⋅ (TJ − T0 )

Φ e ( I F 0 , TJ ) = Φ e0 + S Φe0 ⋅ (TJ − T0 )

Meredekség = SΦV0

ΦV0

Hőmérsékletfüggés: @700 mA ~ -2.2 lm/oC @350 mA ~ -1.2 lm/oC

T0

Üzemi fényáram számítása CFD szimulációban eet.bme.hu


130

LED-ek mért hőmérsékletfüggése ► Luxeon Rebel (fehér), IF = 350 mA 3

Nyitófeszültség

VF [V]

2.98 2.96

forw. V

295

linest forw. V

290

poly forw. V

285

2.94

Φe [W]

Optikai teljesítmény

Em. Opt. P linest P opt poly P opt

280

2.92

275

2.9

270

2.88

265

2.86

260

2.84

255

2.82 2.8

250

TJ [oC]

2.78 45

55

65

98

ΦV [lm]

96

75

85

95

245

105

Fényáram

TJ [oC] 45

115

55

65

75

85

95

105

115

Lum. Flux linest Lum. Flx.

94

poly Lum. Flx.

92 90

A fényáram hőmérsékletfüggése a regressziós görbe meredekségével jól jellemezhető

88 86

-0.23 lm/oC

84 82

TJ [oC]

80 78 45

eet.bme.hu

55

65

75

85

95

105

115


131

Üzemi fényáram számítása szimulációban ► KÖZLED projekt számára mérés, mérés alapján LED modellezés majd lámpatest szintű CFD szimuláció

122.4 oC 234.4 lm

117.9 oC 237.1 lm

eet.bme.hu


132

Bemelegedett lámpatest fényeloszlása ► A termikus szimulációból kapott teljes üzemi fényáram értékeket figyelembe véve egy optikai szimulátorban a valós üzemi körülményeket legjobban tükröző fényeloszlást számolhatjuk:

eet.bme.hu


133

KITEKINTÉS

Smart LED megoldások OLED-ek

eet.bme.hu


134

Okostelefonnal vezérelt retrofit LED lámpa ► Állítható szín, fényerősség ► Egyedi, gyártói megoldás Még nincsenek szabványok protokollokra, fizikai médiumokra

eet.bme.hu


135

Kitekintés: Smart SSL ► Probléma: protokoll, fizikai réteg

eet.bme.hu


136

Kitekintés: OLED-ek ► Retrofit alkalmazásra nem valók Új installációk Még mindig drága, csak presztízs célokra

► Évek óta a jövő fényforrásai Élettartam, fényhasznosítás problémák, homogenitás problémák

eet.bme.hu


137

Kitekintés: OLED alkalmazások

Exkluzív, dizájn világítótestek

Forrás: Manuel Bösing: OLED Tutorial, Lighting Symposium 2014, Como, Italy, June 2014

eet.bme.hu


138

Kitekintés: OLED alkalmazások Exkluzív, dizájn alkalmazások

Forrás: Manuel Bösing: OLED Tutorial, Lighting Symposium 2014, Como, Italy, June 2014

eet.bme.hu


139

LED There Be Light: amit a LED-es világításról tudni érdemes

Recommend Documents