Sisteme de Iluminat Cu Leduri

Universitatea Politehnica din Bucureti Facultatea de Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia Informaiei

Ilu

m

inIng. Sereteanu NicolaeAnul 2010http://www.iluminare-led.ro/

ar

e-

le

Sisteme moderne de iluminare bazate pe diode LED

d.

ro

Cuprins

I Introducere 1.1 Considerente generale..1 1.2 Teorie despre propagarea si perceperea luminii: .....2 1.2.1 Spectrul, raspunsul ochiului uman..2 1.2.2 Unitati de lumina.5 1.2.3 Puterea si Intensitatea luminii.8 II Continutul lucrarii9 2 Leduri ca surse de lumina9 2.1 Led uri(Diodele emitatoare de lumina)..9 2.2 Lentile si amestecul culorilor....10 2.2.1 Modul de realizare10 2.2.2 Amestecul culorilor..13 2.3 Led-uri pentru sisteme de iluminat16 2.3.1 Ledurile SSL si beneficiile acestora..16 2.3.2 Progrese tehnologice..17 2.3.3 Eficienta luminoasa18 2.3.3.1 Vederea fotopica..20 2.3.4 Durata de viata....21 2.3.5 Fluxul/bec...22 2.3.6 Costul de achizitionare...23 2.3.7 Costul de detinere...24 2.3.8 Randarea culorilor..27 2.3.9 Temperatura de culoare..31 2.3.10 Densitatea de putere la intrare in cazul cipurilor si costul per arie de unitate..33 2.3.11 Lungimile de unda si eficientele cipurilor si fosforilor37 2.3.12 Provocari...39 2.4 Beneficii ale sistemelor de iluminat pe baza de Leduri SSL....42 2.4.1 Beneficii in ceea ce priveste energia si mediul inconjurator.....42 2.4.2 Beneficii in ceea ce priveste calitatea luminii si a productivitatii umane..43 2.5 Tehnologia realizarii blocurilor componente.45 2.5.1 Substraturi, tampoane(bufferuri) si epitaxie.45 2.6 Montarea Chip Sus vs Chip jos.48 III Concluzii (pag 51)

Ilu

http://www.iluminare-led.ro/

m

in

ar

e-

le

d.

ro

I Introducere

1.1 Considerente generalePotentialul de reducere al energiei consumate prin utilizarea schemelor si dispozitivelor de iluminat bazate pe Diode Emitatoare de Lumina este motivul pentru care am ales realizarea acestei teme de licenta. Pe langa acest lucru, iluminarea cu LEDuri prezinta o serie de multe alte avantaje, dupa cum vom vedea pe parcursul lucrarii, cum ar fi o lumina rece, cost scazut de intretinere al dispozitivelor de iluminat, durata de viata mai lunga decat cea a dispozitivelor conventionale, folosite in prezent, flexibilitate marita, precum si o manevrabilitate a acestora mai facila. Aceste aspecte sunt foarte bune intrucat, odata cu cresterea crizei de energie(resurse naturale in scadere), se cauta, pe langa alte surse de energie, si reducerea consumului acesteia, sub orice forma, fara insa a pierde din comfort.Cea mai viabila schema de iluminat in ceea ce priveste consumul redus de energie o reprezinta, fara doar si poate, cea bazata pe LED-uri, acestea avand avantaje majore in ceea ce priveste o viata mult mai lunga si consum de putere aproape neglijabil in comparatie cu orice alt tip de sursa de lumina. O varietate de surse de lumina cu diferite spectre de emisie pot fi realizate cu ajutorul diodelor LED.(Diode emitatoare de lumina).Acest lucru se poate realiza prin mai multe modalitati tehnice: Intr-una din acestea, lumina reflectata poate fi redirectionata afara. O alta metoda consta in utilizarea unui LED de baza de lumina alba care se foloseste de un LED albastru si elementele asociate acestuia, care include o prisma din sticla, un strat de polimer flourescent si un element optic de marire a extractiei, sau o lentila, astfel incat intreaga lumina emisa de catre stratul de polimer sa fie redirectionata in afara.

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


1

1.2 Teorie despre propagarea si perceperea luminii

1.2.1 Spectrul, raspunsul ochiului uman Lumina reprezinta o forma de energie.Practic, toata energia utilizata zilnic a fost la inceput energia solara care ajungea pe Pamant.Plantele capteaza si stocheaza o parte din energia solara si o convertesc in energie chimica.Mai tarziu, omul va folosi acea energie sub forma de hrana sau sub forma de combustibil.Restul energiei solare incalzeste suprafata terestra, aerol si oceanele. Cu ajutorul unei prisme din sticla se poate demonstra ca lumina alba ce vine de la soare este in fapt constituita din mai multe culori diferite asa cum voi arata in figura 1.1.

Ilu

m

O parte din lumina se afla in partea vizibila a spectrului, pe cand anumite lungimi de unda, cum ar fi infrarosul sau ultravioletele(rezele ultraviolete), sunt in partea invizibila a spectrului. Ochiul omenesc are raspunsul la lumina asa cum este aratat in figura 1.2a

inFig 1.1

ar

e-

le

d.

ro


2

Spectrul aflat chiar in afara limitei de sensibilitate la rosu a ochiului omenesc se numeste aproape infrarosu sau prescurtat IR. Aceasta reprezinta portiunea din spectru utilizata de majoritatea sistemelor actuale de comunicatii bazate pe unde luminoase.Asa cum se poate observa in figura 1.1, razele solare reprezinta o sursa foarte puternica pentru aceasta banda de lumina, la fel ca si lampile incandescente standard sau lumina de la Blitzurile aparatelor de fotografiat. Insa multe alte surse de lumina create de om, cum ar fi lampile flourescente si lampile stradale de culoare galbena sau alb cu albastru, emit o cantitate foarte mica, chiar infima de lumina infrarosie.

Ilu

m

Emisia(%) functie de lungime de unda(nm)

in

Figura 1.2 a

ar

e-

le

d.

ro


3

Ilu

Sensibilitatea relativa functie de lungimea de unda

m

Sensibilitatea relativa la lungimea de unda a ochiului omenesc fata de un senzor CCD http://www.iluminare-led.ro/ 4

in

Figura 1.2 b

Figura 1.2b

ar

e-

le

d.

ro

1.2.2 Unitati de luminaAsa cum se observa in figura 1.2c, un bec incandescent standard cu wolfram emite un spectru variat de lumina. Daca am lua in considerare toate lungimile de unda, incluzandu-le si pe cele vizibile de catre ochiul omenesc, puterea electrica a becului la eficienta de conversie a puterii luminii se apropie de 100%. Totusi, o cantitate foarte mare din lumina emisa de o asemenea sursa ia forma de lungimi de unda infrarosii de caldura. Desi considerate ca fiind lumina, lungimile de unda de caldura se afla cu mult in afara curbei de raspuns atat in ceea ce priveste ochiul omenesc, cat si detectorul cu Silicon. In cazul in care se ia in calcul numai portinuea vizibila a spectrului, eficienta becului ar fi numai de 10%, dar pentru un detector care ar fi sensibil la lungimile de unda ale caldurii, eficienta becului ar parea sa se apropie de valoarea de 90%.Acest lucru ne aduce in cea mai confuza zona a stiintei:Cum definim luminozitatea sau intensitatea unei surse de lumina?

Ilu

m

Emisia (procente) functie de lungimea de unda(nm)http://www.iluminare-led.ro/ 5

inFigura 1.2 c

ar

e-

le

d.

ro

Nu este deajuns sa emitem ipoteza ca un bec standard de 100 de Wati emite mai multa lumina decat un bec micut de 1 Watt.Desigur, ca in cazul in care am plasa un bec mare de 100Watti alaturi de unul mult mai mic, de lanterna, de 1Watt, becul mare va parea ca emite mai multa lumina. Dar sunt multi factori de luat in considerare in cadrul definirii luminozitatii unei surse de lumina.Anumiti factori se refera la natura luminii emise si altii la natura detectorului folosit pentru masurarea luminii. In cazul unor dispozitive emitatoare de lumina, cum ar fi becul incandescent cu wolfram, lumina este proiectata in afara in toate directiile(omni-directional).Comparata vizual cu un bec de 1 Watt, lumina emisa de un bec de 100 Watti va aparea intoatdeauna mai puternica.

Prin urmare, modalitatea de proiectie a luminii de la sursa poate influenta luminozitatea aparenta a sursei. Un exemplu extrem de sursa directionala la nivel foarte inalt il reprezinta laserul. Anumiti laseri cu gaz, la aceasta categorie fiind inclusi si multi laseri comuni cu fascicul rosu din domeniu vizibil(acei pointeri) sunt intr-atat de directionali incat raza emisa se imprastie foarte putin. Spotul puternic de lumina emis poate ramane mic chiar si dupa cateva sute de metri.De asemenea, tratarea diferentiala a anumitor lungimide unda, in detrimentul altora, de catre un detector de lumina, poate cauza faptul ca anumite surse de lumina sa apara mai puternice decat altele. Ca exemplu, se foloseste un detector de lumina cu silicon, in cadrul comparatiei luminii emisa de o lampa de lumina neagra de 100 de Watti care emite lumina ultravioleta(invizibila pentru ochiul omenesc) si a unui bec cu wolfram tot de 100 de Watti.La o distanta de doar cativa metri, detectorul cu silicon va indica o cantitate mare de lumina emisa de catre becul cu wolfram, insa va detecta foarte putina de la becul cu ultraviolete, cu toate ca lumina ultravioleta ar putea cauza arsuri de piele in decurs de doar cateva minute.

Ilu

m

in

ar

Totusi, daca am pozitiona becul mic de 1 Watt in fata unei oglinzi, asemenea unui reflector ca la lanterna, lumina care va rezulta din ansamblul astfel format, cu puterea tot de 1 Watt, va aparea mult mai intensa decat cea emisa de becul de 100 de Watti, observatia fiind facuta de la distanta de 30 de metri.

e-

le

d.

ro


6

Prin urmare se pune intrebarea care din cele doua becuri este mai puternic in ceea ce priveste intensitatea luminii.Pentru a defini cata lumina este emisa de catre o sursa trebuie specificat mai intai ce lungimi de unda trebuie luate in consideratie. De asemenea, trebuie asociata o anumita valoare fiecarei lungimi de unda luata in calcul, lucru care se bazeaza pe fiecare detector ce va fi utilizat. In acelasi timp, intrucat multe surse de lumina emit lumina in toate directiile, trebuie totodata definita geometria masurarii luminii. Se poate dori a fi luata in calcul cantitatea de lumina care este detectata la o anumita distanta.Lungimile de unda care se doresc a fi masurate depind de instrumentele utilizate pentru masura. Daca acest instrument este reprezentat chiar de ochiul omenesc, atunci trebuie luate in calcul lungimile de unda vizibile, iar acestea trebuie luate in calcul conform curbei de sensibilitate a ochiului omenesc. Daca instrumentul utilizat este un detector cu silicon, atunci se va utiliza graficul curbei de raspuns al acestuia.In cadrul studiului luminii, exista diferite unitati de masura cum ar fi candela, luxii, lumenii, candela putere, sau Watti pe steradian. Anumite unitati de masura se refera la energia sursei de lumina, iar altele la putere.Multe unitati de masura iau in considerare numai sensibilitatea ochiului omenesc. Unitatile de masura a luminii pot fi cu atat mai confuze cand luam in calcul faptul ca anumite surse de lumina, cum ar fi becul obisnuit, emit in toate directiile, in timp ce altele, cum ar fi laserii, concentreaza lumina in fascicole inguste. Se presupune ca fiecare sursa de lumina are un spectru distinct de emisie si o geometrie anume de emisie.Fiecare sursa de lumina va trebui astfel tratata diferit, in functie de modalitatea de utilizare. Daca este utilizata in sisteme de comunicatii optice, va fi luata in calcul doar lumina transmisa pe directia detectorului.De asemenea, trebuie luata in calcul lumina care se incadreaza in curba de raspuns a detectorului utilizat.restul luminii trebuie tratata ca fiind pierduta si nefolositoare. Din moment ce toate sursele de lumina tratate in aceasta lucrare se bazeaza pe electricitate pentru a produce lumina, fiecare sursa va aveao putere electrica aproximativa masurata in watti si putere optica, masurata tot in watti, asa cum un detector cu silicon va percepe. Se poate utiliza eficienta de putere aproximativa si geometria cunoscuta a luminii emise pentru a calcula cantitatea de lumina emisa, trimisa pe directia detectorului de lumina si colectata de acesta.

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


7

1.2.3 Puterea si Intensitatea luminii

Unitatea stiintifica de masurare a puterii este wattul.Cumintensitatea unei surse de lumina poate fi descrisa ca fiind puterea luminii, watt-ul reprezinta cea mai buna unitate de masura pentru definirea intensitatii luminii. Totusi, nu trebuie facuta confuzie intre putere si energie.Energia reprezinta puterea inmultita cu timpul.Cu cat o sursa de lumina ramane functionala mai mult timp, cu atat mai multa energie transmite.Majoritatea detectorilor de lumina sunt independenti de energie.Acestia convertesc puterea luminii in putere electrica Aproape in acelasi mod cum o sursa de lumina poate converti puterea electrica in putere luminoasa.De specificat ca acesta conversie este independenta de timp.Acesta reprezinta un concept foarte important si reprezinta baza multor circuite utilizate in comunicatii. Pentru a ilustra cum acest lucru influenteaza detectia luminii, se considera doua surse de lumina.Una dintre acestea va emite un watt de lumina timp de o secunda , iar cealalta emite un milion de watii pentru doar a milioana parte de secunda.In ambele cazuri se emite aceeasi cantitate de energie.Totusi, intrucat detectoarele de lumina sunt sensibile la puterea luminii, pulsul mai scurt de lumina va aparea ca fiind de un milion de ori mai puternic, si , prin urmare, va fi mai facul de detectat. Acest conceptde sensibilitate a puterii de varf a procesarii luminii reprezinta un concept foarte important si este adeseori neglijat in cadrul multor sisteme optice de comunicatii care au aparut in diverse publicatii

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


8

II Continutul lucrarii 2.1 Led uri(Diodele emitatoare de lumina)Exista o varietate larga de surse de lumina care se pot utiliza in scopul iluminarii.Categoria pe care o voi trata in aceasta lucrare o reprezinta LED-urile. Diodele emitatoare de lumina deschid calea unei eficacitate in iluminare, precum si unei eficiente in ceea ce priveste consumul energiei electrice.Pentru dioda InGaN, eficienta totala scade odata cu cresterea lungimii de unda. Asadar, cu toate ca Led-urile rosii si LED-urile albastre au atins o eficienta record, eficienta LED urilor verzi este redusa dramatic.Led-urile verzi nu sunt utilizate in producerea luminii albe datorita acestei eficiente scazute. In schimb, solutia practica este de a utiliza un fosfor, tipic Ce dopat YAG plasat direct pe LED ul albastru in scopul realizarii unui element de lumina aproximativ alba. Aceasta metoda a devenit foarte eficace, in ciuda faptului carandarea de culoare este oarecum slaba datorita fosforului, care are un maxim larg in zona galbena, si o zona de cadere in regiunea rosie. Fosforul trebuie plasat uniform, cu aceeasi grosime, plasat intr-o matrice de silicon astfel incat sa stea fix, insa dezavatajul este ca daca devine prea gros va constitui un impediment luminii emise de el insusi.Functionalitatea se pastreaza, astfel ca lumina albastra sa fie absorbita, iar lumina galbena emisa,insa lumina galbena emisa din directia opusa intampina probleme intrucat aceasta trebuie emisa din interiorul LED ului si implicit trebuie sa treaca prin stratul de fosfor(care este dens si prezinta un grad de imprastiere destul de ridicat). In ciuda dificultatilor acestei metode, aceasta are un foarte mare succes datorita simplitatii in comparatie, de exemplu, cu utilizarea separata a ledurilor rosii, verzi(portiunea verde a spectrului include, de asemenea, lumina galbena) si albastre, combinate in scopul realizarii unei lampi albe. Un alb cald poate fi creat cu o pierdere de eficacitate prin adaugarea unui fosfor rosu YAG:Ce-ului galben, si exista o abundenta de fosfori din care se poate face alegerea. Exista o noua dezvoltare a acestei tehnici care promite realizarea unui fosfor solid ieftin, oferita de firma Nippon Sheet Glass.Lumina emisa din spate poate trece prin stratul de fosfor cu mai multa usurinta din moment ce stratul de fosfor nu mai prezinta imprastiere.

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


9

Exista de asemenea solutii propuse care permit ambelor emisfere(intreaga emisie sferica dintr-un strat de fosfor) sa scape.

Led-ul poate fi plasat la un capat al unei baghete de index foarte refractiv.Intreaga lumina emisa de Led va fi capturata de fata de intrare a baghetei si canalizata catre fata de iesire.Acolo, un plastic sau un o portiune de polimer poate fi pozitionat astfel incatsa aiba incastrat un strat de vopsea. Aceasta va trebui sa fie foarte sensibila la lumina emisa de catre Led si sa emita, de asemenea, lumina, pe o lungime de unda mai mare, cu eficienta cuantica interna mai mare de 80%.O lentila sau alta structura cu rol de extractie va fi pozitionata dupa polimer(in mod ideal cuplata optic cu acesta), astfel incat lumina emisa de pe stratul de polimer vopsit sa iasa in aer in emisfera dinainte. Lumina va fi emisa izotrop in mediul polimeric(care este de preferat sa fie polistiren sau toluen de polivinil).Se ia in calcul si lumina emisa spre emisfera din spate. Reflectia Interna Totala(RIT-en.TIR) are efect in lateralul baghetei, prin urmare nu va scapa lumina pe fetele laterale.Partea din spate este imbracata cu o oglinda, cu o mica deschizatura astfel incat lumina Led-ului sa patrunda, iar marimea ideala a baghetei estehttp://www.iluminare-led.ro/ 10

Ilu

2.2.1 Modul de realizare

m

in

ar

2.2 Lentile si amestecul culorilor

e-

le

d.

O vopsea, spre deosebire de pudra de fosfor anorganica, poate fi cu usurinta facuta foto-permisiva.Astfel incat, prin imprastierea unei vopsele avand o suprafata mai mare(sau volum mai mare) si avand densitati de energie mai mici, se asigura conditiile necesare ca un sistem de vopseluri sa functioneze. La polul opus, o pudra anorganica de fosfor poate fi aplicata direct pe suprafata ledului.Mai mult, multe pudre de fosfor anorganice sunt suficient de robuste incat sa permita aplicarea directa pe o suprafata de iluminare intensa(lumina albastra si UV prezinta, de asemenea energie mai mare)

ro

determinata de considerentele de cost, dar cu intelegerea faptului ca cu cat mai mare va fi zona de Led a baghetei, cu atat eficienta va creste.

Ilu

m

In figura de mai sus, Ledul notat cu 310 este montat pe o placa imbracata de metal(notata 320). cu o prisma optica rectangulara sau in forma de piramida 330 care are rolul de a redirectiona lumina care se duce in spate generata de stratul de polimer convertor de lungime de unda(340), catre o directie inainte notata pe figura cu 360. Dupa ce va trece fara imprastiere prin polimerul vopsit(340), poate sa iasa in aer 370, cu ajutorul unui dispozitiv optic exterior, cum este lentila 350(emisferica, confectionata din plastic, sticlasau polimer tratat cum ar fi siliconul) Avem un led de 1x1 mm, o prisma de 8x8x8 mm plasata astfel incat aproape sa atinga suprafata Led-ului.La fata de intrare se monteaza o oglinda pentru apertura de 1x1 mm.In acest caz, mai mult de 99% din lumina emisa in spate de catre polimer este redirectionata in emisfera din fata si devine lumina folositoare, asa cum este ilustrat in figura 2.2.

inFigura 2.1

ar

e-

le

d.

rohttp://www.iluminare-led.ro/ 11

Ilu

m

Micsorand bagheta la dimensiunile de 5x5x5 mm se observa ca eficienta frontala(de inainte) ma scadea numai cu 1%.Multe din razele care lovesc suprafata de intrare a aperturii Led sunt de un unghi suficient de mare astfel incat vor fi in totalitate reflectate intern, asadar aceasta apertura nu trebuie sa fie cat de mica cu putinta..Prin urmare, tolerantele la realizare sunt reduse. Cu o distanta mai mare dintre Led si bagheta, se poate lua in calcul o deschizatura oglindita mai mare in partea frontala a bagghetei. Pentru o bagheta de 6x6x6 mm cu o fata de intrare avant o deschizatura de 2x2 mm, eficienta luminii emise in spate si apoi reflectata inafara de catre sistemul optic va fi de 96%.

inFigura 2.2

ar

e-

le

d.


2.2.2 Amestecul culorilorPentru a se realiza un cost redus, se utilizeaza un mediu flourescent plasat pe Led care are rolul de a schimba culoarea radiatiei emise. Exista anumite vopseluri care sunt mixate in polimeri cu aplicatii care sa converteasca lumina albastra in lungimi de unda verzi, oranj sau rosu.Aceaste asa numite Fibre de schimbare a lungimilor de unda sunt confectionate din polistiren vopsit, dar aceleasi vopseluri pot fi mixate in acrilici , poliviniltroluen sau orice alt plastic potrivit..De asemenea, aceste vopseluri pot fi combinate cu rasena epoxilica sau siliconata, si utilizate ca parte din adeziv optic.mai mult, aceste vopseluri pot fi combinate in scopul crearii luminii de iesire galbena, in orice concentratie sau cantitate. Alegand concentratia ideala de doar 30% a luminii albastre emisa de Led, 70% din aceasta poate fi absorbita si convertita in lungimi de unda corespunzatoare culorilor verde si rosu, asadar realizand o lumina alba sau un sistem de iluminat RGB, cu caracteristicile spectrale de iesire dorite, date de caracteristicile spectrale de emisie a vopselei , precum si a spectrului Led-ului. Un sistem bazat pe Led multicolor include o sursa emitatoare de lumina Led de cel putin o culoare selectata, o vopsea flourescenta pozitionata astfel incat sa receptioneze lumina emisa de Led, pe cand lumina Led-ului ce va trece prin vopseaua flourescenta sa emita lumina flourescenta in directia inainte, dar si inapoi, iar un element optic pozitionat intre Led-ul emitator de lumina si vopseaua flourescenta sa redirectioneze lumina florescenta emisa din directia inapoi in directia inainte. Figura 5 arata intensitatea luminantei de iesire in functie de lungimea de unda in cazul vopselei Kurray Y-11(vopsea K27) 510, BCF-60,530, si Kurray R-3, 540, si de asemenea Led Cree albastru 520, ca referinta Vopselurile disponibile acopera spectrul vizibil si pot fi cu usurinta combinate in orice cantitate dorita si in asemenea maniera astfel incat sa devina o tehnica repetitiva care sa poata fi integrata cu usurinta intr-un mediu de productie.Asemenea vopseluri sunt produse de firme atat din USA cat si din Japonia

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


13

m

Adaugand o culoare galben-verzuie emisa de catre polimerul vopsit unui Led pur albastru se obtine un Led aproape alb.Mai mult, adaugand o vopsea rosie polimerului, sau punand un polimer vopsit in rosu peste un polimer vopsit in verde, se poate obtine un sistem echilibrat de culoare alba. Figura 2.4 arata un grafic al lungimilor de unda emise de o combinatie de Led albastru cu vopsea verde 610 sau dintre Led albastru cu vopsea verde si rosie 620.Curba 620 prezinta un punct alb la CIE(Comisia internationala de iluminare) x, y=0.30,0.30 care este foarte apropiat de standardul de iluminare D65(x=0.3127,y=0.3291).Aceasta culoare va fi perceputa de catre ochiul uman ca fiind un alb de o calitate foarte ridicata.

Ilu

inFigura 2.3

ar

e-

le

d.


m

Intrucat polimerul vopsit este practic transparent pentru lungimile mai mari de unda(neabsorbant), lumina rosie poate fi adaugata prin adaugarea de Leduri rosii aproape de cele albastre si emitand cel putin partial prin stratul vopsit, combinand spatial cu emisia Ledului albastru si cu emisia vopselei verde pentru a obtine alburi de diferite calitati(de remarcat ca oricare din aceste spectre sunt acceptate pentru iluminat general). Adaugarea lungimilor de unda corespunzatoare culorii rosu este de preferat, in scopul imbunatatirii calitatii culorii sursei de lumina.. O alta metoda de combinare a culorilor consta dintr-un sistem bazat pe o dioda emitatoare de lumina multicolora, constand din sursa emitatoare de lumina rosie, unde sursa Led poate avea una sau mai multe colori. vopsea flourescenta pozitionata astfel incat sa receptioneze lumina emisa de Led, in timp ce lumina emisa de \led ce trece prin vopseaua flourescenta sa emita lumina flourescenta de una sau mai multe culori, pe cand vopseaua flourescenta sa fie inhttp://www.iluminare-led.ro/ 15

Ilu

inFigura 2.4

ar

e-

le

d.

ro

mod general transparenta luminii flourescente emise, si sa existe de ademenea, un spatiu intre vopseaua flourescenta si Led. O metoda de a genera un sistem de iluminare RGB(rosu albastru verde), utilizand un Led ca element de baza de iluminat, are urmatorii pasi: aplicarea unui potential Ledului pentru a genera lumina in cel putin o culoare selectata pozitionarea unei vopsele flourescente in scopul captarii luminii emise de Led, iar lumina emisa de led ce va trece prin stratul de vopsea flourescenta sa emita lumina flourescenta de una sau mai multe culori , alta/altele decat culoarea selectata, iar vopseaua flourescenta sa fie transparenta pentru lumina flourescenta emisa.De asemenea trebuie sa existe un spatiu intre vopseaua flourescenta si Led. Lumina florescenta este emisa in directia inainte, dar si in directia inapoi.Cea emisa in directia inapoi va fi reflectata in directia inainte de catre un element optic pozitionat in spatiul dintre sursa Led si vopseaua flourescenta, iar lumina flourescenta va cuprinde lumina RGB

2.3.1 Ledurile SSL si beneficiile acestoraLuminarea in stare solida(Solid-State Lighting) prin intermediul Ledurilor(SSLLEDs) reprezinta utilizarea de diode semiconductoare anorganice, in stare solida pentru producerea de lumina alba in scopul iluminarii.Asemenea tranzistorilor semiconductori anorganici, Ledurile SSL reprezinta o tehnologie disruptiva ce are potentialul de inlocui tuburile cu vid sau cu gaz(cum ar fi cele utilizate in lampile incandescente traditionale) utilizate cu scopul iluminarii. Eficienta sporita si versabilitatea asigurata de catre Ledurile SSL, in detrimentul tuburilor traditionale cu vid sau gaz va asigura: Reduceri substantiale in ceea ce priveste consumul de energie electrica Reduceri substantiale in ceea ce priveste poluarea cu carbon sau derivatele acestuia Imbunatatire substantiala in ceea ce priveste experienta vizuala umana generala.http://www.iluminare-led.ro/ 16

Ilu

m

2.3 Led-uri pentru sisteme de iluminat

in

ar

e-

le

d.

ro

Crearea de noi tehnologii ale semiconductorilor cu beneficii vadite in ceea ce priveste competitivitatea economica. Crearea unei industrii cu totul noua in domeniul optoelectronicii, cu multe locuri de munca, de calitate inalta Economii substantiale pentru consumatorul de rand, fie el persoana fizica, persoana juridica sau municipalitate.

2.3.2 Progrese si tinte tehnologiceTintele de performanta ale ledurilor SSL(presupunandu-se sprijin financiar pentru cercetare asigurat atat de stat cat si de universitati), sunt ca in tablelul urmator:

Observam asadar cum au stat lucrurile in 2002, 2007, si cum se pronosticheaza sa fie pentru 2012 si 2020. Odata cu tehnologia utilizata a crescut atat timpul de viata al Ledurilor ssl, cat si eficacitatea luminoasa , fluxul , gama de randare a culorilor emise, in acelasi timp scazand costul atat per lumen cat si per lampa.Toate aceste aspecte in detrimentul surselor de lumina incandescente sau flourescente. In prezent sursele de lumina bazate pe Leduri SSL deja concureaza cu sursele de lumina incandescente, iar in viitorul foarte apropiat vor concura lejer si cu sursele flourescente.

Ilu

m

in

arTabel 2.1

e-

le

d.

ro


17

2.3.3 Eficienta luminoasaUna din principalele caracteristici ale unei surse de lumina o reprezinta eficienta luminoasa (lm/W): eficienta conversiei din putere electrica (W) in putere optica (W), combinata cu eficienta conversiei din putere optica(W) in flux luminos (lumen = lm) perceput de ochiul omenesc in cadrul curba de raspuns spectral, despre care am discutat anterior. Eficienta luminoasa a radiatiei monocromatice K() la o anume lungime de unda este prezentata in figura 2.5, si se defineste ca K() = Km x V(), unde Km = 683 lm/W, si V() reprezinta CIE- definita ca dependenta de lungimea de unda eficienta luminoasa spectrala. K() reprezinta maximul teoretic al eficientei sursei de lumina la o lungime de unda data. Lumina monocromatica la 555nm, la care isi are maximul sensibilitatea vederii omeneasti are o eficienta luminoasa maxima de 683 lm/W; lumina monocromatica la 450 nm are e eficienta kuminoasa maxima de numai 26lm/W. Eficienta luminoasa a radiatiei policromatice reprezinta o convolutie dintre distributia sa spectrala S() si eficienta luminoasa a radiatiei K():

Figura 2.5. Eficienta luminoasa, K(), a radiatiei monocromatice de lungime de unda . Mai sunt prezentate si eficiente luminoase ale unor Leduri monocromatice de cea mai noua tehnologie, si, de asemenea, diverse tehnologii(sagetile din partea dreapta) Sursa graficului: M.G. Craford, LumiLeds.

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


18

Prin urmare, pentru a produce o eficienta luminoasa marita, distributia spectrala de putere a sursei de lumina S() va trebui sa acopere cat de bine cu putinta eficienta luminoasa a viziunii fotopice V().Intr-adevar, diferenta dintre eficienta luminoasa a unui emitator de banda larga si a unuia de banda ingusta este descrisa de ecuatia urmatoare, pe care am enuntat-o si in pagina precedenta:

Dezavantajul major a unui emitator de lumina cu corp negru de banda larga, este faptul ca emite lumina la anumite lungimi de unda la care eficienta luminoasa a viziunii fotopice este aproape zero. Principalul si marele avantaj al unui emitator de lumina de banda ingusta este faptul ca poate fi setat astfel incat sa emita lumina la anumite lungimi de unda unde eficienta luminoasa a vederii fotopice este mare. In figura urmatoare este descrisa evolutia din ultimele patru decenii ale eficientei luminoase totale a unur surse de iluminat variate de stare solida(SSL) Progresul este pur si simplu spectaculos.Recent, firmele LumiLeds si Philips au anuntat dezvoltarea unui LED de 610 nm (orange/red) cu o eficienta luminoasa de 100lm/W; Totodata a fost dezvoltat si un Led bazat pe InGaN ce are eficienta luminoasa aproximativ 50 lm/W. Progresele de genul acesta nu pot continua la infinit, intrucat eficientele luminoase sunt limitate de catre K() in cazul luminii monocromatice si de ecuatia de mai sus in cazul luminii albe. Totusi se anticipeaza un progres continuu si semnificant in ceea ce priveste acest lucru. Momentan, eficienta luminoasa pentru Ledurile albe este de ordinul 25 lm/W.Tinetel acestei tehnologii este sa se ajunga la , 150 lm/W pana in 2012, si 200 lm/W pana in anul 2020. Ca o comparatie,eficienta luminoasa a surselor de lumina incandescente si flourescente sunt de 16 lm/W respectiv de 85 lm/W, care sunt de 10 ori, respectiv de doua ori mai mici decat ceea ce este anticipat pentru 2012 in cazul Ledurilor SSL.

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


19

2.3.3.1 Vederea fotopicaPentru ca in subcapitolul anterior am discutat depre vederea fotopica, trebuie sa mentionez ca aceasta reprezinta tipul de vedere al ochiului in conditii de iluminare foarte buna. La om si la multe animale, vederea fotopica permite perceptia culorilor.Aceasta este mediata de celulele con. Ochiul omenesc utilizeaza trei tipuri de conuri pentru a percepe lumina in trei benzi de culori.Pigmentii naturali ai conurilor a au valori maxime de absorptie la lungimi de unda de aproximativ 420 nm (albastru), 534 nm (verde albastrui), respectiv 564 nm (verde galbui).Ariile lor de sensibilitate se suprapun astfel incat se asigura vederea intregului spectru de culori. Eficienta maxima este de 683 de lumeni per Wat la o lungime de unda de 555 nm(verde).http://www.iluminare-led.ro/ 20

Ilu

m

Figura 2.6. Evolutia eficientei totale a tehnologiei de iluminat bazata pe stare solida.(SSL). Avem si eficientele tipice pentru tehnologiile traditionale cu surse incandescente si flourescente.

in

ar

e-

le

d.

ro

Ca o adaugire, ochiul omenesc utilizeaza vederea scotopica in conditii de iluminare slaba si vederea mesopica in conditii intermediare.

2.3.4 Durata de viata

O caracteristica primara si foarte importanta a unei surse de iluminat o reprezinta, fara doar si poate, durata de viata a acesteia.Aceasta poate fi (si este), definita in mai multe feluri, depinzand de sursa de lumina. In eraincandescenta a lui Edison, durata de viata era definita ca fiind momentul in care 50% din becuri cedeaza. In cazul Ledurilor SSL, durata de viata poate fi considerata uneori durata medie dinainte de cedare, dar recent este considerata ca fiind 50% din nivelul de depreciere a lumenului.Indiferent de cum se masoara, duratele de viata pentru Ledurile SSL sunt lungi, ceea ce reprezinta un factor important in ceea ce priveste penetrarea Ledurilor in cadrul aplicatiilor de semnalizare(semafoare, afisaje, automatizari), care au costuri mari pentru munca de inlocuire(manopera) si consecinte majore in ceea ce priveste siguranta in cazul in care cedeaza. Desigur ca, pretul sigurantei si cel al inlocuirii variaza mult cu aplicatia in care sunt folosite Ledurile, si acest fapt determina un spectru de nevoi pentru durate de viatahttp://www.iluminare-led.ro/ 21

Ilu

Figura 2.7.Luminozitatea fotopica.Pe axa x avem lungimea de unda in nanometri.

m

in

ar

e-

le

d.

ro

Lampile indicatoare tipice cu Leduri conventionale au aria de (0.25mm)x(0.25mm), si sunt montate in grupuri, astfel incat sa poata utiliza aproximativ 0.1 Watti, si sa emita intre 1-2 lumeni.Chipurile mai mari, de pana la 1mm patrat in suprafata, erau cuplate astfel incat sa poata functionala la cativa Watti, iar acum sunt disponibile cu iesire de zeci de lumeni, si sute de miliwati ca putere optica.Asemenea grupari sunt utilizate pentru lumini de semnalizare rosii sau verzi, in special la semaforizari. Chiar si chipurile mai mari, care emit sute sau chiar mii de lumeni la o putere de intrare de zeci de W, vor concura cu tehnologiile traditionale incandescente si flourescente. Un bec incandescent traditional de 75W, cu o eficienta luminoasa de 16 lm/W, emite 1.2klm.http://www.iluminare-led.ro/ 22

Un al treilea atribut al unei sursa de lumina este reprezentat de lumina totala produsa per bec, sau lumeni per lampa. In figura 2.8 este prezentat progresul substantial care a fost facut in ultimele 3 decenii in ceea ce priveste cresterea fluxului luminos obtinut de la lampi Led monocromatice de culoare rosie.

Ilu

m

in

ar

e-

2.3.5 Fluxul/Bec

le

d.

ro

variate.Pentru utilizarea dominanta a luminii albe, in cazul iluminatului industrial si de birou, o durata de viata de 20.000 de ore poate fi considerata foarte lunga. Intr-un birou tipic, unde un bec poate fi utilizat si 60 de ore pe saptamana, 50 de saptamani pe an, 20.000 de ore corespund unei durate de viata de 7 ani.Totusi, intr-o fabrica ce functioneaza in regim 24/7, 20.000 de ore ar corespunde unei durate de viata de 2.3 ani. 20.000 de ore insa erau durata de viata a ledurilor SSL in anul 2007, iar in 2012 va fi de peste 100.000 de ore. .Ceea ce insemna practic ca nu veti mai inlocui becurile sau neoanele de cate ori acestea se ard.Coroborat cu consumul extrem de redus de electricitate, nu numai ca se va amortiza cheltuiala, dar se va iesi si in castig. Aceasta cifra, de 100.000 de ore ca durata de viata, va satisface pana si cele mai solicitante aplicatii, insa o durata de viata de peste 20.000 de ore este mai mult decat suficienta pentru marea majoritate a aplicatiilor.

Un neon traditional de 40 W, cu o eficienta luminoasa de 85 lm/W, emite aproximativ 3.4klm. In 2007 se atinsesera valori de flux/pachet de 200 lm/lampa, in 2012 vor fi 1000 lumeni/lampa, iar in 2050 se estimeaza o valoare de 1500 lm/ lampa.

2.3.6 Costul de achizitionareAl patrulea atribut al unei surse de lumina reprezinta costul OEM de realizare(pentru furnizor), sau, cu adaosul de rigoare, costul de cumparare de la distribuitor(pretul platit de catre consumator), care se masoara in unitati de dolar/klumen. Pentru a putea concura cu sursele clasice de iluminat, costurile acestei tehnologii de solid state lightning(SSL) trebuie sa fie undeva la 5$/Klm.In 2007 costul era de 20$/Klmhttp://www.iluminare-led.ro/ 23

Ilu

Figura 2.8:Evolutia in lumeni/pachet si cost/lm pentru Led rosu

m

in

ar

e-

le

d.

ro

iar in 2012 va fi mai mic de 5$/Klm, estimandu-se ca in 2020 costul sa fie mai mic de 2$/klm. De remarcat ca costul de iluminare per lampa reprezinta costul pe lumen inmultit cu numarul de lumeni per lampa, prin urmare, tinta de cost la achizitie pentru 2012 va fi mai mica de 5$/bec.Ceea ce se intampla si in prezent pentru anumite becuri cu led, insa doar la pretul de achizitie de la fabrica.Insa pana in 2012 preturile vor scadea considerabil, iar costul de realizare(OEM) al unei lampi va fi de 2 ordine mai mic. De asemenea trebuie remarcat faptul ca costul per klm trebuie sa scada de 40 de ori, ceea ce in mod clar reprezinta o provocare,insa este clar ca acest lucru este realizabil.Una dintre metode reprezinta o crestere in eficienta conversiei de putere(probabil chiar de 6 ori mai mare). De remarcat este faptul ca in general prin astfel de cresteri ale eficientei de conversie in putere costurile Ledurilor ilustrate in figura 10 au scazut atat de mult in ultimii ani, de aproape 10 ori pe decada. O alta metoda ar fi cresterea densitatii puterii de intrare, si management termic imbunatatit al chipului, de inca 5 ori, si inca o metoda ar fi prin scaderea costului de realizare al chipului(de inca o data si jumatate).Produsul acestor factori reprezinta o scadere a costului de 40 de ori.

2.3.7 Costul de detinereAl cincilea atribut al oricarei sursa de lumina, care reprezinta o combinatie a caracteristicilor discutate precedent, este reprezentat de costul de detinere. Acesta poate fi vazut ca fiind cifra de merit pentru caracteristica economica a Ledurilor bazate pe tehnologie SSL.O cifra de merit reprezinta cantitatea utilizata pentru caracterizarea performantei unui dispozitiv, sistem sau metoda, relativ la alternativele acestuia.In inginerie, cifrele de merit sunt adesea definite pentru materiale sau dispozitive particulare in scopul determinarii utilizatii relative a acestora pentru o anume aplicatie.In comert, aceste cifre sunt adesea utilizate ca o unealta de marketing pentru convingerea consumatorilor sa aleaga o anumita marca(un anume brand) Aceasta cifra de merit, in cazul nostru, reprezinta suma a doua costuri:operare si capital:http://www.iluminare-led.ro/ 24

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro

Costul de operare reprezinta media dintre costul combustibilului si eficienta luminoasa(eficienta cu care combustibilul este consumat pentru a crea lumina utilizabila).Acest cost se calculeaza direct, fiind dat un pret de electricitate, si eficientele luminoase discutate mai devreme. Consideram, de exemplu, un cost al energiei electrice de 10 /(kWhr).

Costurile de operare si achizitie asociate tehnologiilor traditionale de iluminat, cat si cele asumate pentruLeduri SSL, discutate precedent, sunt ilustrate grafic in figura 2.9

Ilu

Costul capital reprezinta costul de achizitie a becului sau lampii, plus costul manoperei de inlocuire a becului sau lampii, cand aceasta se defecteaza, ambele fiind amortizate pe parcursul duratei de viata. Pentru costul de achizitie, utuilizam costurile discutate anterior.Totusi, pentru durata de viata, consideram un timp de defectare de 20.000 de ore-cu alte cuvinte, din moment ce o lampa are o durata de viata mai mare de 20.000 de ore, poate fi, considerata, pentru marea majoritate a aplicatiilor, infinita durata de viata.Mai degraba s-ar defecta montajul in care este fixat becul, decat becul insusi, sau vreun alt aspect al sistemului de iluminat care tine de infrastructura. Pentru manopera de inlocuire a lampii, utilizam 1$ pe inlocuire, impartit la flux/lampa, cifrele aflandu-se mai sus.Acest cost de manopera presupune o rata de 15$/ora si 4 minute per lampa in cazul inlocuirii.

m

in

ar

e-

le

d.

ro


25

Pentru lampile incandescente si flourescente, costurile de detinere sunt in principal determinate de costurile de operare, si , pentru un pret comun al energiei electrice, de eficacitatile luminoase.Din moment de lampile flourescente sunt aproximativ de 5 ori mai eficiente decat lampile incandescente, costul acestora de detinere, si costul iso de detinere, este de asemenea aproximativ de 5 ori mai mic. In cazul iluminariii bazata pe tehnologia SSL, opusul este adevarat:costurile de detinere sunt in prezent determinate indeosebi de costul capital.Prin urmare, o provocare majora pentru tehnologia cu Leduri SSL este aceea de a reduce costul capital. In cazul in care tintele propuse pentru Ledurile SSL atat pentru costurile de achizitie, cat si pentru cele de operare sunt indeplinite simultan, se poate observa cu usurinta din figura 2.9 ca costurile de detinere vor scadea dramatic. Cu 4 ani in urma, costurile de detinere al Ledurilor SSL erau de 2 ori mai mari decat cele ale becurilorhttp://www.iluminare-led.ro/ 26

Figura 2.9. Costurile de Achizitie si Operare asociate lampilor traditionale cat si lampilor cu LedSSL. Suma celor doua costuri reprezinta costul de detinere.Curba verde reprezinta curba de cost pentru detinere ISO pentru iluminat bazat pe tehnologie incandescenta.Curba Mov reprezinta curba de cost pentru detinere ISO pentru iluminat bazat pe tehnologie incandescenta

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro

Figura 2.10.Costul estimat de detinere al luminii, pentru becuri incandescente, pentru lampi flourescente si pentru Leduri SSL

2.3.8 Randarea CulorilorA sasea caracteristica a unei sursa de lumina este reprezentata de abilitatea acesteaia de a randa fidel culorile obiectelor non albe pe care le ilumineazaO masura cantitativa a fidelitatii randarii culorilor este indexul randarii culorilor(CRI).http://www.iluminare-led.ro/ 27

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

incandescente si de 10 ori mai mari decat cele ale neoanelor flourescente.In 2007, aceste costuri au scazut sub cele ale surselor de lumina incandescente, dar erau inca mai mari decat ale celor flourescente.In 2012 costul de detinere va fi comparabil, si chiar mai mic decat costurile surselor flourescente.In 2020, costurile de detinere pe viata a Ledurilor SSL vor fi de doua ori mai mici decat cele ale lampilor flourescente. Pentru a prezenta aceste data din perspectiva istorica, figura 2.10 arata costurile de detinere ale luminii pentru ultimii 200 de ani.Trendul reprezinta o decimare in scadere odata la 50-60 de ani.De asemenea, pe graficul tintelor SSL-LED II, se ilustreaza anii 2007, 2012 si 2020 in ceea ce priveste trendul acestor tinte.Atunci cand costul capital al Ledurilor SSl devine mic astfel incat costurile de detinere sunt dominate de costurile de operare, iar eficientele luminoase se apropie de 100%, nu prea va mai exista loc de imbunatatiri. O scadere mai mare in ceea ce priveste costurile de detinere va trebui sa vina din scaderea costului energiei electrice, sau a eficientei cu care lumina este utilizata.

ro

Aceasta masura este bazata pe compararea culorilor randate de o sursa data de lumina cu colorile randate de o sursa perfecta considerata de referinta, care sa aibe acelasi CCT-iluminarea pe timp de zi pentru CCTuri este mai mare decat 5000K si luminarea Plankiana de corp negru pentru CCT uri este mai mica decat 5000K. Comparatia este facuta pentru un set de culori esantion.Media randarii de culori pentru fiecare dintre eceste esantioane da Indexul General de Randare a Culorilor Ra pentru o sursa de lumina. Avand o valoare maxima de 100, Ra ofera o scara care se potriveste destul de bine cu impresia vizuala a randarii culorilor a scenelor iluminate.De exemplu, lampile care au Ra ul mai mare decat 80 sunt considerate de calitate mare si potrivite pentru iluminatul de interior, cat timp lampile ce au un Ra mai mare decat 95 sunt bune pentru a fi utilizate pentru aplicatii de inspectie vizuala. Totusi, Ra nu este un tip perfect de masurare a calitatii randarii culorilor.Se bazeaza pe presupunerea ca spectrul continuu al unui corp negru va randa cel mai bine culorile.Datorita complexitatii sistemului vizual omenesc, acest lucru nu va fi intotdeauna adevarat:inlaturand anumite regiuni de lungime de unda(de exemplu regiunea lungimii de unda la 590nm, utilizata la lampile incandescente de tip Revealdescopera) se poate uneori amplifica perceptia culorilor a sistemului vizual omenesc. Asadar, este important sa se dezvolte noi masuri pentru calitatea culorilor, in particular pentru Ledurile SSL, care sa aiba capacitatea unei umpleri selective a spectrului lungimilor de unda. Cum CRI este cea mai buna masura actuala acceptata in ceea ce priveste randarea culorilor, il folosim ca masura interimara pentru Ledurile SSL.In 2007 se atinsese o valoare de 80 a CRI ului, ceea ce insemna o iluminare de calitate medie, iar in prezent valoarea CRI a depasit 80 ceea ce insemna o iluminare de calitate superioara. Ce remarcat este faptul ca exista o legatura invers proportionala intre randarea buna a culorii si eficacitatea luminoasa.Cea mai buna randare a culorii este realizata de lumina la multe lungimi de unda, in timp ce cea mai buna eficacitate luminoasa este atinsa la lumina concentrata la lungimea de unda verde-galbuie(555nm), la care este cel mai sensibil ochiul omenesc. La o extrema, o lampa cu sodiu de presiune scazuta(avand o culoare orange deschis, utilizata la iluminatul stradal sau al parcarilor) are o eficienta luminoasa de aproape 200 lm/W, cea mai mare dintre lampile cu descarcare, insa culorile nu se disting prea bine: o masina rosie va aparea sa aiba culoarea gri. La cealalta extrema, o lampa cu xenon, cu un spectru foarte similar cu cel al luminii naturale de zi, care prezinta o randare excelenta a culorii , are o eficacitate luminoasa de numai 30 lm/W. Pentru a ilustra aceasta legatura de natura invers proportionala dintre CRI si eficacitatea luminoasa, figura 2.11 arata rezultatele simularilor in care, pentru o temperatura de culoare stabilita, lungimile de unda si densitatile de putere ale 2 3 4 si 5-

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


28

surse colore de lumina alba au fost modificate in scopul deducerii anvelopei maximului CRI si al eficacitatii luminoase. Pe masura ce eficacitatea luminoasa maxima descreste, CRI ul maxim creste, cat timp lungimile de unda se umplu si se indeparteaza spre extremele spectrului vizibil. Mai mult, anvelopa CRI ului maxim si al eficientei luminoase depinde foarte mult de numarul lungimilor de unda.CRI-ul maxim incepe sa fie saturat la 3 pentru a 2 a sursa de culoare, la 85 pentru a 3 a sursa de culoare, la95 pentru a 4 a sursa de culoare si la 98 pentru a cincea sursa de culoare.

Desigur ca, cu cat mai multe culori sunt, cu atat mai complexa va trebui sa fie lampa.Prin urmare, este probabil ca o sursa de lumina tri-colora, care sa atinga si sa depaseasca valoarea de 80 pentru CRI, va asigura cea mai buna combinatie intre CRI, eficienta luminoasa, si complexitate de lampa. Intr-adevar, situatia pentru surse tri-colore de lumina alba compuse din fosfor alb, sau dintr-o combinatie de Leduri debanda ingusta si fosfor de banda larga, este chiar mai favorabila, si CRI mai mare de 85 este foarte posibil.ehnologia Ledurilor SSL are avantajele si dezavantajele relative fata de tehnologia flourescenta.http://www.iluminare-led.ro/ 29

Figura 2.11.Anvelopa maximului CRI si al eficientei luminoase pentru surse multi LED de lumina alba cu latimi de linie FWHM de 30 nm la o temperatura de culoare de 4870K

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro

Pe de o parte, lumina initiala de banda ingusta a acestora este disponibila intr-o gama mult mai variata de lungimi de unda, incluzand-o pe cea vizibila si pe cea apropiata de UV(ultraviolet), fata de emisiile limitate ale unei surse cu gaz. Pe de cealalta parte, fosforul care poate fi excitat simultan de catre aceste lungimi de unda in timp ce emit la lungimi de unda optime pentru a avea un CRI bun a fost limitate.

Figura 2.12.Diagrama cromatica CIE 1932.Zona spectrala reprezentata de aria in forma de potcoava reprezinta lumina monocromatica.Curba din centru, reprezinta lumina alba.Aceasta curba leaga coordonatele cromatice a corpurilor negre la temperaturi intr 1000 si 20.ooo de K, care sunt percepute de sistemul vizual uman ca fiind alb

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.


2.3.9 Temperatura de culoareUn al saptelea atribut al unei surse de lumina este reprezentat de culoarea aparenta a acesteia in cazul de vizionare directa, sau in cazul in care aceasta ilumineaza un obiect perfect alb.Acest atribut poate fi cuantificat prin intermediul utilizarii coordonatelor de cromaticitate(x,y) pe diagrama de cromaticitate CIE 1931 din fugura de mai sus (Figura 2.12). Aceste coordonate de cromaticitate se aplica atat luminii albe, cat si celei monocromatice.Coordonatele de cromaticitate sunt reprezentate de extremitatile potcoavei. Coordonatele de cromaticitate ale combinatiilor de lumina monocromatica sunt combinatii liniare ale intensitatilor coordonatelor de cromaticitate ale luminilor monocromatice individuale. Cu alte cuvinte, o combinatie de doua culori va produce o coordonata de cromaticitate ce se va situa pe linia dintre coordonatele de cromaticitate aferente. Coordonatele de cromaticitate ale luminii albe sunt situate dealungul curbei Plankiene in centrul diagramei.Tipul de alb de pe curba Plankiana este specificat de catre temperatura corpului negru exprimata in grade Kelvin si poarta denumirea de temperatura de culoare. De exemplu, daca combinam doua Leduri de intensitate egala cu lungimi de unda de 485 nm (albastru) respectiv 583 nm (oranj), se va produce culoarea alba cu o temperatura de culoare de aproximativ 4000K.Din punct de vedere al strictetii, temperatura de culoare nu poate fi utilizata pentru coordonatele de culoare(x,y) ale curbei Plankiene.In aceste situatii, este utilizata temperatura de culoare corelata(CCT-en:Corelate Colour of Temperature). CCT reprezinta temperatura corpului negru a carui culoare perceputa se aseamana cel mai mult cu cea a sursei de lumina in cauza.Principial, CCT poate fi dedus prin trasarea unor linii iso-CCT, care vor intersecta curba Plankiana.In practica, sursele de lumina alba trebuie sa fie situate foarte aproape de curba Plankiana, intrucat ochiul omenesc este extrem de sensibil chiar si la cele mai mici deviatii. De remarcat ca CCT, desi reprezinta un factor extrem de important, nu este deloc dificil de implementat si realizat.Pentru o sursa de lumina cu Led SSL tricolor, gama de culori disponibile, asa cum este indicata si de catre triunghiul alb din figura de mai sus(Figura 2.12), este mai mult decat suficienta pentru specificarea practic a oricarui CCT dorit. Totusi, la fel ca si in cazul CRI, exista o relatie de invers proportionalitate extrem de puternica intre CCT si eficienta luminoasa..Aceasta invers-proportionalitate este ilustrata in figura 2.13, pentru o sursa tricolora de lumina alba.

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


31

Pe masura ce CCT ul descreste, proportia de lumina rosie si albastra creste.Din moment ce, in scopul realizarii uneri randari rezonabile de culoare, lungimea de unda pentru albastru este prea scurta astfel incat ochiul este mai sensibil la rosu decat la albastru, eficienta luminoasa totala creste. La o temperatura de culoare de aproximativ 3900K, situata intre valorile tipice pentru lumina incandescenta si lumina zilei, eficienta luminoasa totala este de 400lm/W.Aceasta valoare este utilizata pentru reprezentarea eficientei luminoase a unei surse tricolore de lumina bazata pe tehnologia solid-state, 100% eficiente.

Figura 2.13.Eficienta luminoasa maxima ca functie de temperatura de culoare pentru o sursa tricolora de lumina alba cu un CRI de 80 si latimi de linie FWHM de 20nm

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.


2.3.10 Densitatea de putere la intrare in cazul cipurilor si costul per arie de unitateMai sus am abordat costul de vanzare cu amanuntul, in $, pentru a achizitiona o lampa de-a gata care sa produca un anumit numar de lumeni.Acest cost se imparte in trei costuri distincte:pretul lampii de la OEM la distribuitor, impachetarea(sub ce forma va fi lampa) si cipul semiconductor. Aproximam aceste trei costuri: : 50% in cazul primului, 25% pentru pachetul sub care se va prezenta lampa and 25% pentru cip. Intrucat prezinta o mare importanta cipul semiconductor din lampa, trebuie acordata o atentie sporita costului acestuia OEM.Tipic, insa, costurile cipului este in unitati de $ per arie de unitate sau per cm patrat, decat $ per kilolumen. Prin urmare, va trebui sa trecem in $/cm*cm din $/klm. Acest lucru este cu putinta in cazul in care este cunoscut procentul de cost al cipului din costul lampii, asa cum am spus mai sus, eficienta luminoasa a lampii, in lm/W, si densitatea de putere de la intrare, in W/cm*cm. Atunci, costul OEM per cm*cm poate fi calculat din:

Eficienta luminoasa a fost discutata precedent, insa nu am abordat densitatea puterii de intrare.Cu cat aceasta este mai mare, cu atat mai multi lumeni pot fi creati per cm*cm de cip semiconductor., si cu atat mai scump va fi pretul pe cm*cm de cip. Limitele densitatii de putere de intrare vor depinde de capacitatea de extractie a caldurii de pe cip, si de abilitatea acestuia din urma sa-si mentina eficienta de conversie la temperaturi mari de functionare. Pot exista doua situatii extreme: Intr-un caz, calitatea materialului semiconductor ramane relativ mica, cauzand eficientele cuantice interne sa creasca odata cu temperatura jonctiiunilor.Prin urmare in acest caz temperaturile de jonctiune vor fi mici, iar densitatile puterii de intrare vor fi limitate.De exemplu, densitatile de curent de intrare pentru Leduri albe cu GaN aflate pe piata sunt limitate la 33A/cm*cm, care cu o tensiune de 3V, dau o densitate de putere la intrare de 100W/cm*cm. In cazul in care calitatea materialului semiconductor ramane la aceasta valoare mica, densitatile puterii de intrare raman limitate la aceasta valoare, iar cipurile vor trebui sa devina foarte ieftine.

Ilu

$/ cm*cm = 25% x $/lm x lm/W x W/ cm*cm.

m

in

ar

e-

le

d.

ro


33

Tabelul 2.2:Puterea cipurilor si a fosforului si estimate de cost

La cealalta extrema, calitatea materialului semiconductor se imbunatateste, asigurand ca eficienta cuantica interna sporita sa persiste pana la temperaturi de jonctiune de 200-300C.Coroborat cu un management termic imbunatatit in ceea ce priveste tehnologia, acest lucru va asigura densitati ale puterii de intrare mult mai mari. De exemplu, densitatile de curent de intrare(medii per chip, nu per dispozitiv sau suprafata), pentru laseri infrarosii de inalta putere bazati pe GaAs sunt de ordinul a 0.5 kA/cm*cm; pentru o cadere de tensiune de aproximativ 3V, densitatea puterii de intrare poate fi de 1.5kW/cm*cm. Aceasta comparatie cu Leduri pe GaN este in oaresce masura delicata.Laserii GaN pot functiona, in principiu la tensiuni de jonctiune si mai mari decat laserii bazati pe GaAs, insa calitatea materialului GaN este improbabil sa fie la fel de buna ca cea a GaAs. Totusi, ofera un estimat rezonabil al legaturii superioare in ceea ce priveste densitatile puterii de intrare permise. Materialul semiconductor imbunatatit este necesar pentru a asigura o eficienta luminoasa sporita nu doar la temperaturi mari, dar la orice temperatura. In tabelul de mai sus sunt datele pentru temperaturile chipurilor si fosforilor utilizati in iluminarea cu leduri, densitatile puterii de intrare si costurile.Acestea sunt listate in intervale.Primul numar din interval reprezinta minimul necesar pentru a fi respectate minimele de iluminare din tabelul 1.1.Cel de al doilea numar din interval reprezinta o tinta chiar agresiva care va permite estimatelor de iluminat sa fie depasite, sau va permite uneia din subestimate sa fie trecute cu vederea, in timp ce totusi vor fi indeplinite tintele de iluminat estimate.http://www.iluminare-led.ro/ 34

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro

Ilu

m

Pentru temperaturi de cip permise, acestea au crescut de la 75C in 2002 la 125175 in 2007, iar pana in prezent sunt de 175-225, si se estimeaza a fi intre 200-250 pentru 2020. In ceea ce priveste temperaturile de fosfor permise, au fost cresteri constante de la 75C in 2002 la 100-155 in 2007, iar pana in prezent sunt de 155-200, si se estimeaza a fi intre 175-225 pentru 2020. Pentru densitate de putere permisa la intrarea cipului, consideram ca combinatia de imbunatatiri in ceea ce priveste temperaturile cipurilor si fosforilor, precum si in management tehnologic termic au permis si vor permite o crestere constanta in densitatea puterii de intrare de la 100W/cm2 in 2002, la 300-600 W/cm2 in 2007, si se estimeaza 500-750 W/cm2 in 2012, si 600-1000 W/cm2 in 2020. Pe de o parte, daca temperaturile de functionare permise de chip si fosfor raman mici, atunci managementul tehnologic termic va trebui imbunatatit dramatic. Pe de alta parte, daca acest management tehnologic va fi prea scump, atunci se va pune accent pe cresterea temperaturilor permise de utilizare pentru cip si fosfor. Utilizand aceste date enuntate precedent, se pot deduce preturile OEM in cazul cipurilor, estimate in cost per cm*cm: de la $125 $/cm2 in 2002 la 110-70 $/cm2 by 2007, la 9050 $/cm2 pana in 2012, si de 60-30 $/cm2 pana 2020. Din aceste preturi si estimate in ceea ce priveste costul cipurilor se pot estima costurile permise in ceea ce priveste fabricarea 20% pentru substraturi, 40% pentru epitaxie si 40% pentru procesare.

in

ar

e-

le

d.

ro


35

De asemenea, in tabelul 2.2 au fost listate cateva costuri reprezentative OEM pentru tehnologii siminale, dar mult mai mature, in sensul ca implementate de foarte mult timp. Costul unor Leduri de inalta intensitate bazate pe AlGaInP/GaAs este de aprox 30$/cm*cm. Costul celulelor solare GaInPAs/Ge este de 10$/cm patrat Costul Si CMOS este de aproximativ 5$/cm*cm Prin urmare, pentru aceste trei tehnologii semiconductoare mature, costurile de achizitionare sunt mult mai mici decat cele estimate pentru Leduri SSL, fapt care indica cifre rezonabile in studiul de mai sus, si , de asemenea, si loc de imbunatatire peste aceste estimate. Mai mult, chiar si o tehnologie relativ complexa, laseri de mare putere cu GaAs la 810nm, au costuri care se incadreaza in intervalul de 170-200$/cm*cm.Aceste costuri sunt deja in 3-5x din estimatele precedente, chiar si fara volumele mari de confectionare si reducerile de costuri asociate care vor permite penetrarea pietei de iluminare generala.http://www.iluminare-led.ro/ 36

Ilu

m

Tabelul 2.2:Lungimile de unda pentru cip si fosfor, si tintele de eficienta

in

ar

e-

le

d.

ro

In plus, costurile continua sa se micsoreze ca raspuns al cererii mari de diode de inalta putere pentru laserii utilizati la procesarea materialelor.

2.3.11 Lungimile de unda si eficientele cipurilor si fosforilorPrecedent am discutat despre tintele eficientelor luminoase pentru lampi.Aceasta eficienta luminoasa se imparte in cinci eficiente separate: 1. Eficienta cipului semiconductor in ceea ce priveste conversia puterii electrice in putere optica primara 2. Sensibilitatea sistemului vizual omenesc la culoarea/culorile luminii primare generata de cipul semiconductor,sau la culoarea/culorile luminii secundare generate de fosfor, sau..ambele. 3. Energia pierduta in cadrul conversiei fotonului albastru sau UV intr-un foton de lungime de unda mai mare(asa numita schimbare/shiftare Stokes) 4. Eficienta de conversie Stokes datorata energiilor diferite de fotoni absobiti si emisi de fosfor. 5. Eficienta totala de pachet, datorata absorptiei de lumina de catre componentele interne ale pachetului sum ar fi cipul, cadrul sau elementele de (sub)montaj Daca tintele pentru ultimele patru eficiente sunt cunoscute, sau macar estimate, si daca tinta eficatitatii luminoase totale a lampii este cunoscuta, atunci se poate deduce care va trebui sa fie prima tinta a eficientei de conversie a puterii a cipului semiconductor. Pentru cea de-a cincea eficienta, presupunem ca va fi aproximativ aceeasi pentru cele trei abordari:pentru abordarea mixarii culorilor, dificultatile in combinarea surselor separate de lumina sunt in offset, pentru abordarea conversiei lungimilor de unda si cea hibrid, apar dificultati in reducerea imprastierii fosforului. Eficientele sunt de 0.75 in 2007, 0.9 pana in 2012 si 0.95 pana in 2020. Pentru cele trei eficiente de mijloc, trebuie sa presupunem lungimile de unda si numerele lungimilor de unda. Presupunand o sursa tricolora cu tinta in ceea ce priveste lungimile de unda discutate precedent, putem deduce tinte derivative pentru fosfor si pentru eficienta cuantica, dar si eficienta de conversie Stokes sau pentru eficienta optica inginereasca asociata cu impachetarea lampilor. Aceste trei eficiente vor depinde de abordarea iluminarii cu lumina alba care va fi utilizata-conversii de lungimid e unda, mixarea culorilor si abordarea hibrida.

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


37

Ultima si cea mai dificila presupunere de facut este aceea a lungimii de unda pentru Led UV prin abordarea conversiei lungimii de unda.Aceasta lungime de unda este probabil sa fie determinata prin combinatia: -Eficienta Ledului(pana acum, cu cat era mai scurta lungimea de unda, cu atat mai mica era eficienta); -Eficienta cuantica a fosforului(pana acum, cu cat era mai scurta lungimea de unda, cu atat mai mare era eficienta); -Eficienta de conversie Stokes a fosforului(pana acum, cu cat era mai scurta lungimea de unda, cu atat mai mica era eficienta); Bazandu-ne pe datele de mai sus, presupunem ca o lungime de unda rezonabila se va afla in intervalul 370-410nm. Aceste presupuneri derivative si tinte sunt ilustrate sumar in Tabelul 3 pentru cele trei abordari diferite in ceea ce priveste productia de lumina alba. Asa cum poate fi vazut, abordarea conversiei de lungime de unda impune cele mai mari solicitari in ceea ce priveste eficientele puterii de conversie a cipului=acestea trebuie sa se apropie de 0.7 pentru a se incadra in tintele pentru 2012 a lampilor bazate pe Leduri SSL. In contrast, abordarea mixarii de culoare, necesita doar eficienta de putere de conversie a cipului de aproximativ 0.4 pentru a intampina tintele de lampi cu Leduri SSL pentru 2012. Abordarea hibrida, asa cum era de asteptat, este situata undeva la mijloc, intre cele doua abordari precedente, si necesita, eficiente de conversie a puterii pe cip de 0.6 pentru a se incadra in tintele lapilor cu Led SSL pentru 2012

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

Eficienta cuantica a fosforului este posibil sa fie ceva mai buna decat abordarea conversiei lungimii de unda, din moment ce exista o gama variata de fosfori disponibili care sa absoarba UV.Prin urmare, pentru abordarea conversiei lungimii de unda, presupunem ca eficientele cuantice ale fosforului vor creste in mod constant, asa cum au facut o de la 0.75 in 2007 la 0.85 in 2010 pana la 0.95 in 2020. Pentru abordarea hibrid, care converteste lumina albastra in detrimentul celei UV, presupunem ca eficientele cuantice ale fosforului vor creste mult mai incet, de la 0.7 in 2007 la 0.8 in 2012 pana la 0.9 in 2020. Pentru abordarea mixarii culorilor, desigur, ca, nefiind fosfor, nu apar nici pierderile asociate acestuia. Eficienta de conversie Stokes a fosforului, in cosntrast, va fi cea mai mica pentru abordarea conversiei lungimii de unda, din moment ce este o diferenta mare de energieintre UV si lumina rosie/verde/albastra decat lumina albastra si rosie/verde. Calculam o eficienta de conversie Stokes utilizand formula:

ro


38

De remarcat ca aceste eficiente sunt mari, si inca nu este clar daca pot fi atinse.Totusi, asa cum este ilustrat in figura 2.14, eficientele conversiei de putere ale laserilor infrarosii (710-850 nm) si Leduri rosii (650 nm) se afla in intervalul 40%-60%. Ambele dintre aceste tehnologii semiconductoare sunt relativ mature si reprezinta dovezi existente ca eficiente comparabile vor fi realizate in spectrul vizibil.

2.3.12 ProvocariAm argumentat in sectiunile precedente ca tintele pentru Ledurile bazate pe tehnologia SSL sunt rezonabile din punct de vedere fizic si Consistente cu cunostintele prezente in ceea ce priveste fundamentele fizicii si alte materii, mult mai mature, tehnologii de realizare a semiconductorilor. Totusi, iluminarea in stare solida se afla relativ la inceput, asa cum circuitele integrate cu silicon se aflau in urma cu doua decade.http://www.iluminare-led.ro/ 39

Ilu

m

in

ar

Figura 2.14:Eficientele de putere ale surselor de lumina la diferite lungimi de unda

e-

le

d.

ro

Prin urmare, pentru a se incadra in tintele de iluminare si subtintele de lampi discutate precedent, trebuiesc depasite provocari semnificante in mai multe domenii.Acestea ar fi: 1. Substraturi, buffer(tampon, si epitaxie) 2. Fizica, Procesare si dispozitive 3. Lampi, dispozitive luminare si sisteme Zonele de provocare vor diferi, desigur, in ceea ce priveste riscul si avantajele relative la iluminarea pe baza de stare solida. Zonele de provocare de mare risc sunt revolutionare(nu exista inca o abordare cunoscuta), in timp ce zonele de provocare de risc redus sunt evolutionare(exista cel putin cateva abordari). Zonele de provocare de mare recompensa sunt cele care necesita un progres rapid, in timp ce zonele de provocare de recompensa mica sunt acelea care necesita progres constant pentru a depasi problemele ce se pot ivi pe masura trecerii timpului. Aceste domenii de provocare sunt sumarizate in tabelul urmator, organizate in concordanta cu riscul si recompensa percepute ale acestora:

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


40

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.


2.4 Beneficii ale sistemelor de iluminat pe baza de Leduri SSLGenerarea electricitatii reprezinta utilizarea crescanda a energiei.Numai in Statele Unite ale Americii, producerea electicitatii costa aproape 50 bilioane de dolari pe an. Mai mult, costul energiei electrice nu se masoara numai in dolari, mai este si costul in ceea ce priveste poluarea mediului; smogul si poluarea cu dioxid de carbon asociate producerii de energie electrica. Asa cum sursele de lumina flourescente au asigurat reduceri enorme de energie electrica in ultimele decenii, Ledurile SSL, cu potentialul acestora in imbunatatirile semnificative in ceea ce priveste economisirea energiei, ofera un potential semnificant pentru reducerile de energie pentru urmatoarele decade.

2.4.1 Beneficii in ceea ce priveste energia si mediul inconjuratorCel mai semnificativ beneficiu adus de inlocuirea in masa a tehnologiile de iluminare clasice cu cele bazate pe Leduri SSL va fi in domeniul energiei si mediului inconjurator. In Statele Unite ale Americii, aproximativ 20% din toata electricitatea generata este utilizata pentru iluminat, iar in lume procentul variaza cam in jurul aceleiasi cifre. Ca si consecinta a acestui fapt, imbunatatiri semnificative in eficienta luminarii ar avea un impact major asupra consumuluimondial de energie.In plus, electricitatea generata prin arderi de carbune si petrol reprezinta o sursa majora de poluare. Exista o legatura crescanda intre emisiile de carbon, efectul de sera si incalzirea globala. Prin urmare, Ledurile SSL, prin eficienta lor sporita, ar putea reduce semnificativ poluarea mediului.Mai mult, un beneficiu secundar este ca Ledurile SSL nu contin mercur si prin urmare sunt mai usor de aruncat decat lampile flourescente. Daca Ledurile SSL vor avea 50% eficienta (200lm/W) coroborat cu penetrarea completa a pietei, beneficiile asupra Statelor Unite ar fi spectaculoase: Oscadere de 50% din cei 600 TW/ora/an de electricitate utilizata pentru iluminat, sau o economisire de 300TW/ora/an sau 25 bilioane de dolari pe an. O eliberare de peste 30 GW de capacitate de generare a energiei electrice pentru alti utilizatori,sau , alternativ, eliminarea nevoii de generare de electricitate a 30 de centrale. O scadere de 50% din cele 50Mtone/an din emisiile de carbon create in timpul generariielectricitatii pentru iluminat, sau o scadere cu 25Mtone/an. Desigur ca beneficiile reale vor depinde de cat de mult si cat de repede va fi penetrata piata, si de cat de repede va evolua tehnologia.Acest fapt poate fi privit si ca un ciclu virtuos: pe masura ce tehnologia avanseaza(performanta crescuta si cost scazut) ,penetrarea pietei creste, generand investitii crescute in avantul tehnologic.http://www.iluminare-led.ro/

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro

42

Mai multe scenarii au fost propuse pentru evolutia penetrarii pietei si a avansului tehnologic, insa cel mai agresiv dintre acestea propune pentru aplicatii CRI medii un cost si o eficienta de 7 $/klm pana in 2012, si 110 lm/W, iar pana in 2020 0.5 $/klm si 120 lm/W. Economisirea de carbon asociata cu predictiile acestea este substantiala: aproape 3Mtone de carbon pe an.

2.4.2 Beneficii in ceea ce priveste calitatea luminii si a productivitatii umaneProbabil ca cel de-al doilea ca insemnatate, dar usor mai putin cuantificat beneficiu este acela ca o noua cultura a iluminarii va fi creata si ca noi tehnologii de iluminat se vor crea. Aceste noi aplicatii vor schimba modul in care utilizam si interactionam cu lumina. Printre aceste trasaturi unice care vor permite aceste noi utilizari se afla: Culoare de iesire constanta indiferent de nivelul de iluminare. Posibilitatea de a varia in mod continuu culoarea de iesire. Design simplificat si flexibil pentru montaj si incapsulare. Integrare usora in cadrul dispozitivelor de control avansate din cladiri. Voltaj scazut si distribuirea de putere intr-un mod care sa confere siguranta. Simplificarea miniaturizarii datorata marimii scazute a sursei de iluminatechipamentul de iluminat va fi mai mic, mai usor si mai subtire. Structura simpla- nu necesita niciun dispozitiv special in scopul controlului echipamentului de iluminat, iar numarul de componente din echipament va fi redus. O siguranta sporita datorata utilizarii a tuturor dispozitivelor de stare solida(SSL) , fara gaz sau filament- foarte sigur in ceea ce priveste socurile mecanice. Distributie de lumina flexibila si eficienta-dispozitivele bazate pe tehnologia SSL pot fi produse ca si pachete plate de orice forma care pot fi plasate pe podele, pereti, tavanuri, sai chiar incorporate in obiecte de mobilier, si cuplate la orice sistem de distributie.

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


43

Ilu

Fig 2.15 Penetrarea pietei si si economia de energie.Graficul se bazeaza pe inventarul tehnologiilor de iluminat utilizate in Statele Unite.[grafic preluat din Mark Kendall and Michael Scholand, "Energy Savings Potential of Solid State Lighting in General Lighting Applications" (U.S. Department of Energy, Office of Building Technology, State and Community Programs, Apr, 2001).]

m

in

ar

e-

le

d.


2.5 Tehnologia realizarii blocurilor componente Tehnologia realizarii blocurilor componente se imparte in trei blocuri componente de baza: 1. Substraturi, tampoane(bufferuri) si epitaxie 2. Fizica, procesare si dispozitive 3. Lampi si sisteme de iluminat 2.5.1 Substraturi, tampoane(bufferuri) si epitaxie Doua sisteme de materiale semiconductoare reprezinta centrul atentiei pentru tehnologia SSL. AlGaInN(nitritii din coloana III) si AlGaInP(fosfitele din coloana III).Acestea sunt singurele materiale semiconductoare cunoscute ca avand urmatoarea combinatie de proprietati cerute pentru iluminarea de stare solida(SSL): Golurile acestora de banda maresc intervalul necesar spectrului vizibil si aproapeultraviolet in cazul luminii emise, emitand eficient lumina.Materialele AlGaInP maresc intervalul de la rosu intens pana la verde galbui;Materialele cu AlGaInN maresc intervalul de la verde galbui(si potential rosu) pana la ultraviolet. Reprezinta familii de materiale a caror compozitie poate fi implementata in nanostructuri optimizate pentru electroni si injectie cu goluri, transport si recombinare radiativa. Sunt suficient de robuste sa suporte procese de realizare a semiconductorilor, si , de asemenea, operatii sub densitate mare de curenti inalti si conditii de stres puternic.

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro


45

2.5.1.1 Substraturi

Substraturile de baza sunt realizate din materiale AlGaInP si sunt relativ bine stabilite. Din punct de vedere al costului, substraturile GaAs sunt aproximativ $5/cm2, iar substraturile Ge sunt chiar mai ieftine. Prin urmare, atentia este indreptata asupra substraturilor pentru sistemele materiale cu AlGaInN: GaN si AIN reprezinta un compus chimic aproape perfect, cristalografic, si cu o expansiune termica apropiata de AlGaInN; Safirul este un substrat relativ unic fata de AlGaInN, dar pentru care s-au putut creste straturi tampon pe straturile epitaxiale.Acest substrat este relativ ieftin, aproximativ 10 dolari pe centimetrul patrat. Carbidul de Silicon este un substrat care se apropie de AlGaInN mai mult decat safirul, dar costul sau de 40$ pe centimetrul patrat il face extrem de scump.http://www.iluminare-led.ro/ 46

Ilu

m

Figura 2.16 Dependenta eficientei luminoase a variatilor compusi formati din materiale semiconductoare bazate pe densitatea de dislocare.Preluata din Shuji Nakamura, "Status of GaN LEDs and Lasers for Solid-State Lighting and Displays," OIDA Solid-State Lighting Workshop (Albuquerque, May 30, 2002), modified and augmented from S. D. Lester, F. A. Ponce, M. G. Craford, and D. A. Steigerwald, "High dislocation densities in high-efficiency GaN-based light-emitting diodes," Appl. Phys. Lett. 66 (1955) 1249.

in

ar

e-

le

d.

ro

Un substrat interesant este reprezentat de Silicon.Acesta se apropie mai putin de AlGaInN fata de carbidul siliconta sau safir, prin urmare nu au fost realizate inca dispozitive de performanta ridicata bazate pe silicon. Daca insa se va dovedi un compus de succes, un AlGaInN pe substrat de silicon va fi extrem de productiv. Va avea avantajul de maturitatea si pretul scazut al tehnologiei cu substrat de silicon, si de asemenea de posibilitatea integrarii cu alte tehnologii avansate bazate pe silicon, cum ar fi MEM si CMOS. 2.5.1.1.2 Tampoanele(Bufferii) Al doilea pas in procesul ingineresc de substrat este acela de a creste un strat tampon pe un substrat imperfect in ceea ce priveste potrivirea.Pentru tehnologia AlGaInN, care se bazeaza pe cresterea unor straturi de GaN pe safir, acest buffer poate fi cel mai important pas in realizarea unui material GaN folosit la dispozitive de calitate ridicata. Scopul acestui strat tampon este acela de a realiza un material compatibil.

Cel mai bun lucru pe care aceste tampoane l-au putut realiza este ca pe orice substrat, incluzand safirul si SiC, a putut fi realizata o dislocare de densitate in gama 1e81e9/cm2 Acesta este un numar foarte mare pentru standardele semiconductorilor, si dispar si multe din deficientele buferilor simpli.

2 Tampoane ELO GaN

Ilu

Tehnologia dispozitivelor AlGaInN este bazata in mod curent pe tampoane GaN si AIN crescuti pe carbid siliconat sau pe safir, urmat de epitaxia dispozitivului AlGaInN.Demostrarea realizata de Amano si Akasaki la finalul anilor 80 afirma ca straturi tampon de o calitate foarte buna pot fi realizate din safir, reprezinta un punct de referinta pentru progresul in tehnologia SSL LED.

m

in

ar

1 Tampoane subtiri de GaN.

e-

le

d.

ro


47

Figure 2.18. Schema eliminarii cu laser a unei folii groase de GaN de pe substrat Sursa: Robert F. Davis, "Alternative Substrates for IIINitride LED Structures," OIDA Solid-State Lighting Workshop

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.

ro

Figure 2.17 GaN crescut epitaxial pe un substrat SiC. Dupa Robert F. Davis, "Alternative Substrates for III-Nitride LED Structures," OIDA Solid-State Lighting Workshop (Albuquerque, May 30, 2002).


48

2.6 Montarea Chip Sus vs Chip jos

Ilu

m

in

Exista doua posibilitati generale de montare ilustrate in figura 2.19 de mai jos, pentru montajul actual al cipului pe lampa de iluminat cu Led. Prima o reprezinta montarea cipului sus, in care epistraturile emitoare de lumina sunt situate pe fata de sus a cipului, iar substratul este atasat lampii.In aceasta realizare curentul poate fi condus in lampa printr-un substrat de contact situat in partea de jos, si in afara lampii printr-un contact de epistrat in partea de sus a cipului.. Prin urmare aceasta metoda este recomandata pentru cipuri de substrat conductor, desi poate fi aplicata si cipurilor cu substrat neconducator. A doua metoda o reprezinta montarea in partea de jos a cipului, in care epistraturile active emitoare de lumina sunt montate pe partea de jos a cipului.Curentul va intra si iesi din dispozitiv(lampa) prin doua contacte de epistrat. Prin urmare, aceasta abordare este mai potrivita pentru cipurile cu substrat neconducator, desi poate fi aplicata si celor cu substrat conducator. Lampile cu cea mai amre putere aflate pe piata, de la firma LumiLed, se folosesc de aceasta metoda pentru a crea pachete de 5W care produc 180 de lumeni de lumina alba dintr-o singura lampa.

ar

e-

le

d.

ro


49

Figure 2.19. Geometriile Chip-up and chip-down . Sursa: D. A. Steigerwald, J. C. Bhat, D. Collins, R. M. Fletcher, M. O. Holcomb, M. J. Ludowise, P. S. Martin, and S. L. Rudaz, "Illumination With Solid State Lighting Technology," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 8 (2002)

Ilu

m

in

ar

e-

le

d.


III Concluzii Concluzionez ca iluminarea cu Led este mai buna decat orice alt tip de sistem de iluminare generala, in termeni de econimosire de energie si eficacitate a costurilor.Tehnologia este intr-o imbunatatire continua si va face posibila implementarea acestui sistem de iluminat la scara larga. Avantajele iluminarii cu Leduri:

Becurile economice uzuale nu reprezinta o alternativa viabila. Nu rezista la aprinderi frecvente, sunt sensibile la variatii de tensiune si de temperatura si au nevoie de un timp de incalzire pana lumineaza normal. Contin substante toxice si sunt casabile! Daca sunt scapate din mana, exista chiar si riscul imbolnavirii. Sunt deseuri toxice, nu se pot arunca. Singura solutie viabila o reprezinta becurile bazate pe tehnologia SSL.

Ilu

m

in

ar

Consum de pana la 10 ori mai mic(economii mai mult decat substantiale la factura electrica) Nu emite ultraviolete(nu afecteaza vederea pe termen lung, nu atrage insecte) Nu se incalzeste Rata de defectare 0 => costuri de inlocuire si mentenanta zero Lumina de o calitate mult mai buna Durata de viata foarte mare >40.000 ore Preturi din ce in ce mai accesibile Surse nepoluante de lumina(nu contin substante care afecteaza mediul,asa cum se intampla in mod prezent cu sersele clasice de iluminat).

e-

le

d.

ro


51

Documents

Sisteme de Iluminat Cu Leduri