Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время спектр применения светодиодных источников света очень широк. Успехи в разработке мощных эффективных светодиодов позволили использовать их для целей освещения. Для подключения светодиодов к стандартной электрической сети 220/380 В необходимы устройства стабилизации тока. Наиболее экономичные стабилизаторы тока для светодиодов основаны на методе широтно-импульсной модуляции, при этом всесторонние исследования импульсного режима питания светодиодов не проводились. Результаты научных исследований могут быть использованы при создании устройств стабилизации тока светодиодов. Использование оптимизированных режимов питания светодиодов с точки зрения светотехнических и тепловых характеристик является возможным путем повышения их эффективности и срока службы.
Цель работы состояла в исследовании тепловых процессов, происходящих при питании светодиодов импульсным током, и их влияния на светотехнические и электротехнические характеристики. Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние параметров импульсного тока на нагрев светодиодной структуры и на отвод тепла от кристалла.
-
Исследовать изменение спектров и цветности светодиодных источников света при изменении температуры кристалла.
-
Исследовать динамику тепловых процессов, происходящих в кристалле.
Объектом исследования являются светодиодные источники света различной цветности, особенности тепловых процессов и генерации излучения при работе в импульсном режиме.
Методы исследований:
экспериментальные методы исследования тепловых характеристик светодиодов и их влияния на светотехнические параметры;
методы расчета динамики тепловых процессов, происходящих при питании импульсным током;
анализ и сопоставление экспериментальных и расчетно-теоретических данных.
Научная новизна полученных результатов
-
Впервые проведены комплексные исследования работы светодиодов в режиме импульсного питания.
-
Разработана методика и экспериментальная установка для проведения светотехнических, электротехнических, тепловых измерений параметров све-
то диодов; разработан алгоритм и программа для проведения данных исследований и обработки их результатов.
-
Получены экспериментальные зависимости изменения спектра свечения при импульсном токе, экспериментальные данные динамики разогрева и остывания кристалла при протекании тока и установлена их аналитическая связь с тепловым сопротивлением светодиода.
-
Экспериментально определены зависимости температуры кристалла от параметров протекающего импульсного тока.
-
Разработана математическая модель разогрева кристалла при импульсном питании для расчета тепловых характеристик светодиодов при питании импульсным током.
-
Разработана методика измерений тепловых характеристик светодиодов в световом приборе.
Практическая ценность и реализация результатов работы
-
Разработана экспериментальная установка и программное обеспечение для проведения косвенных измерений температуры активной области кристалла светодиода.
-
Получены экспериментальные данные зависимости параметров светодиодов от различных режимов импульсного питания.
-
Разработаны светодиодный проектор и светодиодный светофор в основу которых положен импульсный режим работы светодиодных источников света.
-
Разработана методика измерения температуры кристаллов светодиодов при проведении испытаний световых приборов.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Математическая модель разогрева кристалла светодиода при импульсном токе питания.
-
Методика, экспериментальная установка, программа для измерения электротехнических, светотехнических, тепловых параметров светодиодов.
-
Динамика разогрева и остывания кристалла светодиода носит экспоненциальный характер, определяется величинами теплового сопротивления и теплоемкостью элементов конструкции, для импульсного тока эта зависимость описывается теплоемкостью кристалла.
-
Вследствие локального перегрева рабочей области кристалла, увеличение максимально допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению максимально допустимого значения амплитуды импульсного тока. При улучшении теплоотвода, увеличение допустимого значения постоянного тока не эквивалентно увеличению допустимого значения амплитуды импульсного тока.
-
При импульсном питании увеличение частоты питающего тока приводит к снижению нагрева активной области кристалла.
-
Спектр светодиода белого цвета свечения при импульсном питании изменяется в связи с инерционностью процессов генерации излучения люминофора. Спектры свечения кристаллов светодиодов при увеличении длительности импульсов смещаются в длинноволновую область. Данное смещение определяется увеличением температуры кристалла.
-
Методика измерения температуры кристалла в световом приборе.
Апробация основных положений и результатов проведенного исследования. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на ряде профильных научных конференций: Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники» (г. Саранск, 2004 г., 2005 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г.); III Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (г. Рязань, 2010 г.); IV Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009 г.); научно-техническая конференция «Молодые светотехники России» (г. Москва, 2008 г., 2009 г., 2011г.); Региональная научно-практическая конференция «Научный потенциал молодежи - будущему Мордовии» (г. Саранск, 2009 г.).
Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты работы, расчеты и обработка результатов получены и выполнены автором самостоятельно. Научным руководителем оказана помощь в интерпретации результатов экспериментов по спектральным зависимостям излучения светодиодов и в разработке математической модели разогрева кристалла протекающим током.
По теме диссертации опубликовано 20 работ в журналах, сборниках трудов и тезисов докладов конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Общий объем диссертации 123 стр. Список литературы содержит 105 наименований.
