RU2444091C1 - Light-emitting diode radiation source - Google Patents
Light-emitting diode radiation source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2444091C1 RU2444091C1 RU2010129462/28A RU2010129462A RU2444091C1 RU 2444091 C1 RU2444091 C1 RU 2444091C1 RU 2010129462/28 A RU2010129462/28 A RU 2010129462/28A RU 2010129462 A RU2010129462 A RU 2010129462A RU 2444091 C1 RU2444091 C1 RU 2444091C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- base element
- radiation source
- source according
- light emitters
- led radiation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Led Device Packages (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам светоизлучения и может быть использовано в системах освещения.The invention relates to means of light emission and can be used in lighting systems.
Основными преимуществами полупроводниковых светодиодных источников излучения над остальными источниками света является:The main advantages of semiconductor LED radiation sources over other light sources are:
- надежность - в настоящий момент светодиоды различных конструкций имеют срок службы до 50000 часов и более, лампы накаливания и люминесцентные лампы имеют срок службы не более 10000 часов;- reliability - at the moment, LEDs of various designs have a service life of up to 50,000 hours or more, incandescent and fluorescent lamps have a service life of not more than 10,000 hours;
- световая отдача светодиодов в настоящий момент превышает 80 лм/Вт и постоянно растет, тогда как световая отдача ламп накаливания и люминесцентных ламп находится в пределах 10-120 лм/Вт;- the light output of the LEDs currently exceeds 80 lm / W and is constantly growing, while the light output of incandescent and fluorescent lamps is in the range of 10-120 lm / W;
- излучение светодиодов близко к монохроматическому излучению и имеет широкий спектр цветов, что позволяет использовать их в различных устройствах без применения светофильтров.- LED radiation is close to monochromatic radiation and has a wide range of colors, which allows them to be used in various devices without the use of light filters.
Опыт применения полупроводниковых светодиодных источников излучения в различных системах освещения подтвердил вышеперечисленные преимущества таких источников над традиционными лампами накаливания.The experience of using semiconductor LED radiation sources in various lighting systems has confirmed the above advantages of such sources over traditional incandescent lamps.
Существующий способ отвода тепла от области P-N перехода заключается в естественной конвекции с применением радиаторов и тепловых труб.The existing method of heat removal from the P-N junction area consists in natural convection using radiators and heat pipes.
Расчет тепловых сопротивлений для кристалла излучателя проводился с помощью метода эквивалентов, предложенного авторами [1].The calculation of thermal resistances for the emitter crystal was carried out using the equivalent method proposed by the authors of [1].
Остальные тепловые сопротивления были рассчитаны на основании известных данных по теплопроводности слоев и геометрии излучателя, где основное уравнение теплопередачи следующее:The remaining thermal resistances were calculated on the basis of known data on the thermal conductivity of the layers and the geometry of the emitter, where the basic heat transfer equation is as follows:
где Q - рассеиваемая мощность, Вт;where Q is the power dissipation, W;
k - теплопроводность, Вт/см·К;k is the thermal conductivity, W / cm · K;
А - площадь радиатора, см2;A is the area of the radiator, cm 2 ;
T1-Т2 - разность температур, К.T 1 -T 2 - temperature difference, K.
Как видно из (1), основная величина, определяющая отток тепла от кристалла излучателя на воздух - площадь радиатора. Тепловое сопротивление на воздух любого излучателя площадью 1 см2 при свободной конвекции составляет ≈200 К/Вт. Таким образом, для эффективного отвода тепла от кристалла, площадь радиатора должна составлять не менее 100 см2.As can be seen from (1), the main quantity that determines the outflow of heat from the crystal of the radiator to air is the area of the radiator. The thermal resistance to air of any radiator with an area of 1 cm 2 with free convection is ≈200 K / W. Thus, for efficient heat removal from the crystal, the area of the radiator should be at least 100 cm 2 .
Другим методом решения тепловых проблем в светодиодных источниках излучения является применение импульсных источников питания. Однако увеличение тока через излучающий элемент приводит к увеличению плотности тока и, как следствие, к резкому увеличению Оже рекомбинации.Another method for solving thermal problems in LED radiation sources is the use of switching power supplies. However, an increase in the current through the radiating element leads to an increase in the current density and, as a consequence, to a sharp increase in Auger recombination.
Лампы накаливания электрические осветительные, общего назначения, предназначены для внутреннего и наружного освещения при параллельном включении ламп в электрические сети напряжением 127 и 220 В. Световые и электрические параметры ламп указаны в Таблице 1 при расчетном напряжении. Нижнее значение мощности и верхнее значение светового потока не ограничиваются. В правой стороне таблицы приведены электрические и оптические характеристики предлагаемых светодиодных ламп на основе полупроводниковых излучателей.Incandescent electric lamps for general use, designed for indoor and outdoor lighting with parallel connection of lamps to electric networks with a voltage of 127 and 220 V. The light and electric parameters of the lamps are shown in Table 1 at the rated voltage. The lower power value and the upper luminous flux value are not limited. On the right side of the table are the electrical and optical characteristics of the proposed LED lamps based on semiconductor emitters.
ние, ВольтRated voltage
volt
ра, см2.The area of the radio
RA, cm 2 .
Анализ производимых осветительных ламп, различных фирм, на основе светодиодов, показал идентичность конструкторско-электрических подходов. В основном светодиодная лампа состоит:An analysis of the produced lighting lamps of various companies, based on LEDs, showed the identity of the design and electrical approaches. The main LED lamp consists of:
- плата с определенным количеством штатных светодиодов, с параллельно-последовательным соединением, определяющим номинальное значение напряжения и световой поток;- a board with a certain number of standard LEDs, with a parallel-serial connection that determines the nominal voltage value and the light flux;
- схема управления, в основном работающая на понижение напряжения с 220 В до значения, определяющегося последовательным соединением светодиодов и, как правило, работающая в импульсном режиме для увеличения тока через излучающие элементы;- a control circuit mainly working to lower the voltage from 220 V to a value determined by the series connection of the LEDs and, as a rule, operating in a pulsed mode to increase the current through the radiating elements;
- размеры и цоколь светодиодных ламп соответствуют аналогичным лампам накаливания;- the dimensions and base of the LED lamps correspond to similar incandescent lamps;
- тело лампы представляет собой радиатор, размеры которого должны соответствовать мощности, потребляемой лампой.- the lamp body is a radiator, the dimensions of which must correspond to the power consumed by the lamp.
Известен светодиодный источник излучения, содержащий несколько полупроводниковых излучателей света оптического диапазона, объединенных электрической цепью в, по меньшей мере, один базовый элемент, держатель базового элемента с присоединительными выводами, покровную линзу и радиатор для отвода тепла от базового элемента (2).A known LED radiation source containing several semiconductor light emitters of the optical range, combined by an electric circuit into at least one base element, a base element holder with connecting leads, a cover lens and a radiator for removing heat from the base element (2).
Недостатком подобных светодиодных источников излучения является наличие схем управления непосредственно в корпусе светодиодной лампы, работающих в импульсном режиме, что не позволяет в полной мере реализовать высокий внешний квантовый выход источника излучения, что, во-первых, это удорожает продукт, во-вторых, снижает надежность лампы в целом, что видно на примерах светодиодных ламп и энергосберегающих ламп на основе паров ртути, когда причиной выхода лампы из строя является выход из строя элементов схемы.The disadvantage of such LED radiation sources is the presence of control circuits directly in the housing of the LED lamp operating in a pulsed mode, which does not allow to fully realize the high external quantum output of the radiation source, which, firstly, makes the product more expensive, and secondly, reduces reliability lamps as a whole, as can be seen in the examples of LED lamps and energy-saving lamps based on mercury vapor, when the cause of lamp failure is the failure of circuit elements.
Подобных недостатков лишены светодиодные источники излучения, состоящие из кристаллов излучателей и идентичных по надежности элементов части схемы. Задача, поставленная при создании настоящего изобретения, состоит в создании светодиодного излучающего устройства, эксплуатационные возможности которого, с одной стороны, сочетают в себе все достоинства ламп накаливания, а с другой, имеют значительно больший ресурс, т.е. создании полного аналога лампы накаливания со всеми достоинствами полупроводниковых излучателей света.Similar disadvantages are deprived of LED radiation sources, consisting of emitter crystals and elements of a circuit part identical in reliability. The task set when creating the present invention is to create a LED emitting device, the operational capabilities of which, on the one hand, combine all the advantages of incandescent lamps, and on the other, have a significantly longer resource, i.e. creating a complete analogue of an incandescent lamp with all the advantages of semiconductor light emitters.
Это достигается тем, что в светодиодном источнике излучения, содержащем несколько полупроводниковых излучателей света оптического диапазона, объединенных электрической цепью в базовый элемент, держатель базового элемента с присоединительными выводами, покровную линзу и радиатор для отвода тепла от базового элемента, согласно изобретению основные параметры базового элемента должны удовлетворять следующему соотношениюThis is achieved by the fact that in an LED radiation source containing several semiconductor light emitters of the optical range combined by an electric circuit into a base element, a base element holder with connecting leads, a cover lens and a radiator for removing heat from the base element, according to the invention, the basic parameters of the base element must satisfy the following relation
20<ΔEg/eRS≤35,20 <ΔE g / eRS≤35,
гдеWhere
ΔEg - ширина запрещенной зоны исходного материала базового элемента (еВ);ΔE g is the band gap of the source material of the base element (eV);
S - суммарная площадь P-N перехода базового элемента (см2);S is the total area PN of the transition of the base element (cm 2 );
R - электрическое сопротивление базового элемента (Ом);R is the electrical resistance of the base element (Ohm);
е - заряд электрона 1,602·10-19 Кл.e is the electron charge of 1.602 · 10 -19 C.
Было установлено, что для большинства источников излучения на основе полупроводниковых материалов в указанном диапазоне соотношений находится максимум внешнего квантового выхода. При расширении указанного диапазона в большую или меньшую сторону работа источников излучения происходит либо при больших плотностях тока и, следовательно, уменьшении внешнего квантового выхода, либо в области нормальных плотностей тока, но еще не оптимального квантового выхода.It was found that for most radiation sources based on semiconductor materials in the specified range of ratios is the maximum external quantum yield. With the expansion of this range to a greater or lesser extent, the work of radiation sources occurs either at high current densities and, consequently, a decrease in the external quantum yield, or in the region of normal current densities, but not yet the optimal quantum yield.
В предлагаемом светодиодном источнике излучения полупроводниковые излучатели света могут быть выполнены одноцветного либо разноцветного излучения, площадь его радиатора может составлять не менее 100 см2, что обеспечивает минимальную температуру P-N перехода для базового элемента, он дополнительно может содержать стабилизирующее сопротивление, установленное последовательно полупроводниковым излучателям света, для того чтобы при резких изменениях напряжения в сети ток через P-N переход оставался расчетным, а покровная линза и излучатели света установлены с зазором относительно друг друга, в котором размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующий эластичный компаунд, который имеет коэффициент преломления ≥1,3. Компаунд и его указанные свойства обеспечивают герметичность, увеличение выхода излучения наружу и при изменении внешней температуры малые взаимные действующие силы системы металл-кристалл-герметик-стекло. Покровная линза может быть выполнена плоской или сферической или в виде линзы Френеля. Для увеличения мощности светодиодный источник может содержать несколько P-N переходов, а полупроводниковые излучатели света могут быть покрыты люминофором, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета толщиной не более 1 мкм.In the proposed LED light source, the semiconductor light emitters can be made of single-color or multi-colored radiation, the area of its radiator can be at least 100 cm 2 , which provides a minimum PN transition temperature for the base element, it can additionally contain a stabilizing resistance installed in series with the semiconductor light emitters, so that with sharp changes in the voltage in the network, the current through the PN junction remains calculated, and the cover lens and emitter Light mounted with clearance relative to each other, wherein the transparent or diffusing placed elastic sealing compound, which has a refractive index ≥1,3. The compound and its specified properties ensure tightness, increase the radiation output to the outside and, when the external temperature changes, small mutual acting forces of the metal-crystal-sealant-glass system. The coating lens can be made flat or spherical or in the form of a Fresnel lens. To increase the power, an LED source can contain several PN junctions, and semiconductor light emitters can be coated with a phosphor that transforms the radiation of semiconductor light emitters into white radiation with a thickness of not more than 1 μm.
Изобретение поясняется рисунками, гдеThe invention is illustrated by drawings, where
- На рис.1 приведен общий вид заявляемого светодиодного источника излучения;- Fig. 1 shows a General view of the inventive LED radiation source;
- На рис.2 - схема светодиодного излучателя с одним базовым элементом;- In Fig. 2 - a diagram of an LED emitter with one basic element;
- На рис.3 - схема светодиодного излучателя с несколькими базовыми элементами.- Fig. 3 is a diagram of an LED emitter with several basic elements.
D1,1, D1,2, D1,3 - излучающие элементы светодиодного источника, R1 - чип резистор; D2,1, D2,2, D2,3, D2,4 - диоды Шоттки.D1,1, D1,2, D1,3 - emitting elements of the LED source, R 1 - chip resistor; D2,1, D2,2, D2,3, D2,4 are Schottky diodes.
- На рис.4 и 5 - внешний вид светодиодного источника излучения.- Figs. 4 and 5 show the appearance of the LED radiation source.
Светодиодный источник излучения содержит полупроводниковые излучатели света 1 с одним или несколькими P-N переходами одноцветного или разноцветного излучения, покрытые люминофором толщиной не более 1 мкм, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета. Излучатели света размещены на стеклотекстолитовой плате 2 с топологией (электрической цепью), объединяющей полупроводниковые излучатели света в базовый элемент.The LED radiation source contains semiconductor light emitters 1 with one or more P-N junctions of single-color or multi-color radiation, coated with a phosphor of a thickness of not more than 1 μm, transforming the radiation of semiconductor light emitters into white radiation. Light emitters are placed on a fiberglass plate 2 with a topology (electric circuit), combining semiconductor light emitters into a base element.
Базовый элемент - три последовательно соединенных кристалла излучающих элементов на основе гетероструктур AIIIBV, размером 1×1 мм и прямом падении напряжения от 2,8 до 3,5 В, при номинальном токе 0,35 А. Для стабилизации тока через излучающие элементы последовательно включено сопротивление 4-10 Ом мощностью 0,5-1,5 Вт. Надежность подобных ламп определяется надежностью представленных элементов и должна составить порядка 50000 часов. Размер светодиодных источников излучения определяется мощностью, потребляемой лампой, исходя из соотношения размеров радиатора от рассеиваемой мощности - 20 см2 площади на 1 Вт потребляемой мощности.The basic element is three series-connected crystals of radiating elements based on A III B V heterostructures, 1 × 1 mm in size and a direct voltage drop of 2.8 to 3.5 V, with a nominal current of 0.35 A. To stabilize the current through the radiating elements a resistance of 4-10 Ohms with a power of 0.5-1.5 W is connected in series. The reliability of such lamps is determined by the reliability of the elements presented and should be about 50,000 hours. The size of the LED radiation sources is determined by the power consumed by the lamp, based on the ratio of the size of the radiator from the dissipated power - 20 cm 2 area per 1 W of power consumption.
Устройство содержит штатный патрон 3 для ламп освещения и корпус 4, одновременно являющийся радиатором для отвода тепла от излучателей света 1, при этом его площадь составляет не менее 100 см2.The device contains a
Сверху излучатели света накрыты покровной линзой 5, выполненной плоской, сферической или в виде линзы Френеля. Покровная линза и излучатели света установлены с зазором относительно друг друга, в котором размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующий эластичный компаунд 6 с коэффициентом преломления ≥1,3.On top of the light emitters are covered with a cover lens 5, made flat, spherical or in the form of a Fresnel lens. The coating lens and the light emitters are installed with a gap relative to each other, in which a transparent or diffusing sealing
Светодиодные источники излучения питаются от общего блока питания напряжением 12 вольт, установленного в распределительном щите каждого потребителя. В среднем количество ламп в 20 штук с приведенной мощностью 8,4 Вт. Общая мощность блока питания 250 Вт.LED radiation sources are powered by a common 12 volt power supply installed in the distribution panel of each consumer. The average number of lamps is 20 pieces with a rated power of 8.4 watts. The total power of the power supply is 250 watts.
Наличие полупроводниковых излучателей света размером 1×1 мм, с высоким значением кпд преобразования электрической энергии в световую, специальный радиатор, позволяющий эффективно отводить тепло от кристаллов, принципиальная электрическая схема и соотношение основных параметров базового элемента позволяют сохранить кпд светодиодного источника излучения.The presence of semiconductor light emitters with a size of 1 × 1 mm, with a high value of the efficiency of converting electrical energy into light, a special radiator that allows you to efficiently remove heat from crystals, the circuit diagram and the ratio of the basic parameters of the base element allow you to save the efficiency of the LED radiation source.
ЛитератураLiterature
[1] Захаров А.Л., Асвадурова Е.И., Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - 184 с.[1] Zakharov AL, Asvadurova EI, Calculation of thermal parameters of semiconductor devices: Method of equivalents. - M .: Radio and communications, 1983. - 184 p.
[2] Абрамов В.С. и др. Патент на изобретение №2170995 от 31.08.2000 г. Светодиодное устройство.[2] Abramov V.S. and others. Patent for the invention No. 2170995 from 08.31.2000, LED device.
Claims (10)
где ΔEg - ширина запрещенной зоны исходного материала базового элемента (eV);
S - суммарная площадь P-N перехода базового элемента (см2);
R - электрическое сопротивление базового элемента (Ом);
е - заряд электрона 1,602·10-19 Кл.1. LED radiation source containing several semiconductor light emitters of the optical range, connected by an electric circuit to at least one base element, a base element holder with connecting leads, a cover lens and a radiator for removing heat from the base element, characterized in that the main the parameters of the base element must satisfy the following ratio 20 <ΔE g / eRS≤35,
where ΔE g is the band gap of the source material of the base element (eV);
S is the total area PN of the transition of the base element (cm 2 );
R is the electrical resistance of the base element (Ohm);
e is the electron charge of 1.602 · 10 -19 C.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010129462/28A RU2444091C1 (en) | 2010-07-16 | 2010-07-16 | Light-emitting diode radiation source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010129462/28A RU2444091C1 (en) | 2010-07-16 | 2010-07-16 | Light-emitting diode radiation source |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2444091C1 true RU2444091C1 (en) | 2012-02-27 |
Family
ID=45852428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010129462/28A RU2444091C1 (en) | 2010-07-16 | 2010-07-16 | Light-emitting diode radiation source |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2444091C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2170995C1 (en) * | 2000-08-31 | 2001-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Корвет - Лайтс" | Light-emitting diode device |
| EP2071886A1 (en) * | 2007-10-05 | 2009-06-17 | STMicroelectronics Belgium N.V. | Coexistence of wireless personal area network and wireless local area network with reduced interference |
| US20090227050A1 (en) * | 2006-04-21 | 2009-09-10 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Light emitting diode package having multi-stepped reflecting surface structure and fabrication method thereof |
-
2010
- 2010-07-16 RU RU2010129462/28A patent/RU2444091C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2170995C1 (en) * | 2000-08-31 | 2001-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Корвет - Лайтс" | Light-emitting diode device |
| US20090227050A1 (en) * | 2006-04-21 | 2009-09-10 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Light emitting diode package having multi-stepped reflecting surface structure and fabrication method thereof |
| EP2071886A1 (en) * | 2007-10-05 | 2009-06-17 | STMicroelectronics Belgium N.V. | Coexistence of wireless personal area network and wireless local area network with reduced interference |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101419954B1 (en) | Lighting device and lighting method | |
| US8272757B1 (en) | Light emitting diode lamp capable of high AC/DC voltage operation | |
| US8038314B2 (en) | Light emitting diode troffer | |
| TWI425859B (en) | Circuit for lighting device, and method of lighting | |
| US8450748B2 (en) | Solid state light emitting device | |
| US20080093998A1 (en) | Led and ceramic lamp | |
| US9648673B2 (en) | Lighting device with spatially segregated primary and secondary emitters | |
| US8757845B2 (en) | Wide angle based indoor lighting lamp | |
| US8471494B2 (en) | LED white-light devices for direct form, fit, and function replacement of existing fluorescent lighting devices | |
| WO2011112210A1 (en) | Light emitting diode sign lighter | |
| CN104396036A (en) | Light emitter packages, systems, and methods | |
| WO2014098931A1 (en) | Led lamp | |
| US20140268698A1 (en) | Self cooling, magnetically connected fixtures for large area directional and isotropic solid state lighting panels | |
| US20100148652A1 (en) | Solid state lighting | |
| TW200926883A (en) | High voltage LED lighting system | |
| WO2016197963A1 (en) | Led light plate structure | |
| RU2444676C1 (en) | Light-emitting diode radiation source | |
| RU2392539C2 (en) | Light diode source of radiation | |
| RU2444091C1 (en) | Light-emitting diode radiation source | |
| RU2436196C1 (en) | Light-emitting diode radiation source for transport control systems | |
| US9054278B2 (en) | Lighting apparatuses and driving methods regarding to light-emitting diodes | |
| RU2402108C1 (en) | Light-emitting diode radiation source for transport control systems | |
| RU147088U1 (en) | LED SOURCE OF RADIATION | |
| CN205824970U (en) | A kind of electricity-saving lamp | |
| RU127518U1 (en) | LED SOURCE OF RADIATION |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160717 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180411 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190717 |