МОДЕЛИРОВАНИЕ  СВЕТОВЫХ  ХАРАКТЕРИСТИК  СВЕТОДИОДА  ДЛЯ  СИСТЕМ  ОСВЕЩЕНИЯ

Серебренникова  Ирина  Вячеславовна

магистрант  ТУСУР,  г.  Томск

E-mail: 

Маломуж  Павел  Александрович

студент  ТУСУР,  г.  Томск

E-mail: 

Солдаткин  Василий  Сергеевич

старший  преподаватель  каф.  РЭТЭМ  ТУСУР,  г.  Томск

E-mail: issledowatel86@mail.ru

Туев  Василий  Иванович

д-р  техн.  наук,  заведующий  каф.  РЭТЭМ  ТУСУР,  г.  Томск

E-mail: 

SIMULATION  OF  LIGHT  CHARACTERISTICS  OF  LEDS  FOR  LIGHTING  SYSTEMS

Irina  Serebrennikova

undergraduate  TUSUR,  Tomsk

Pavel  Malomuzh

student  TUSUR,  Tomsk

Vasily  Soldatkin

Senior  Lecturer  of  Department.  RETEM  TUSUR,  Tomsk

Vasily  Tuiv

PhD,  Head  of  Department.  RETEM  TUSUR,  Tomsk

АННОТАЦИЯ

В  работе  приведены  результаты  моделирования  светового  потока  светодиода  в  зависимости  от  показателя  преломления  компаунда  и  вариантов  двухуровневой  герметизации  светодиода  компаундами  с  различными  значениями  показателей  преломления,  с  целью  определения  наиболее  эффективного  варианта  герметизации  светодиода  и  обеспечения  равномерности  излучения.  Моделирование  световых  характеристик  светодиода  осуществлялись  в  программе  Lambda  Research  Corporation  TracePro.  В  результате  исследования  установлено  наилучшее  соотношение  двухуровневой  послойной  герметизации  составляет  20  %  оптической  среды  с  n=1,45  у  поверхности  кристалла  и  80  %  с  n=1,41. 

ABSTRACT

The  paper  presents  the  results  of  modeling  the  LED  light  output  as  a  function  of  the  refractive  index  of  the  compound  and  the  two-level  options  sealing  compound  LEDs  with  different  refractive  indices,  with  a  view  to  determining  the  most  effective  option  sealing  the  LED,  and  to  ensure  uniformity  of  the  output  radiation.  Simulation  of  light  characteristics  LED  have  been  implemented  in  the  program  Lambda  Research  Corporation  TracePro.  In  the  simulation  shown  that  the  best  ratio  of  the  two  sealing  tier  waterline  at  20  %  of  the  optical  medium  with  n  =  1,45  on  the  surface  of  the  crystal  and  80  %  of  n  =  1,41. 

Ключевые  слова:  светодиод;  показатель  преломления;  двухуровневая  герметизация;  равномерность  излучения.

Keywords:  LED;  refractive  index;  two-level  sealing;  the  uniformity  of  the  radiation.

Светодиоды  уже  в  настоящее  время  стали  источниками  света,  которые  производятся  в  промышленных  масштабах  для  самых  разных  применений  в  светотехнике.  Светодиоды  эффективны,  имеют  малые  размеры  и  длительный  срок  службы  [1].  Линейки  и  матрицы  светодиодов  излучают  свет  такой  мощности,  которая  достаточна  для  освещения  внутри  помещений  и  улиц.  Они  также  используются  для  цветной  декоративной  подсветки  зданий.  Если  свойства  светодиодов  будут  полностью  контролироваться,  они  станут  гораздо  более  мощными,  чем  обычные  источники  света  и  появится  возможность  управлять  такими  свойствами  светодиодов,  как  их  спектр  излучения,  цветовая  температура,  угловая  диаграмма  и  т.  д.  Светодиоды  станут  универсальными  источниками  света,  превосходя  в  этом  отношении  все  другие  световые  источники,  которые  известны  человечеству  [2].

Преимущества  светодиодов:  1)  возможность  получения  разнообразных  стилистических  решений;  2)  возможность  регулирования  силы  света  в  диапазоне  0—100  %;  3)  большой  срок  службы;  4)  «моментальность»  выхода  на  рабочие  характеристики.  Одним  из  основных  параметров  светодиодов  является:  яркость  —  величина,  равная  отношению  силы  света  к  площади  светящейся  поверхности  (измеряется  в  канделах  на  квадратный  метр)  [3].  Спектральная  характеристика  светодиода  выражает  зависимость  интенсивности  излучения  от  длины  волны  излучаемого  света  и  дает  представление  о  цвете  свечения  светодиода.  Излучение  светодиода  характеризуется  диаграммой  направленности  (угол  половинной  яркости),  которая  определятся  конструкцией  светодиода,  наличием  линзы  и  оптическими  свойствами  защищающего  кристалл  материала.  Основные  параметры  светодиодов  зависят  от  окружающей  температуры.  С  увеличением  температуры  яркость  (сила  света),  а  также  падение  напряжения  при  питании  постоянным  током  на  светодиоде  уменьшаются.  Зависимость  яркости  от  температуры  практически  линейная  [4]. 

Основная  часть.

В  данной  работе  моделировали  светодиод,  изучая  выход  излучения  из  светодиода  далее  наносили  в  отражатель  оптическую  среду  с  показателями  преломления  1,41,  1,45  и  1,5  и  в  разных  соотношениях.  Анализ  проводился  с  помощью  программы  Lambda  Research  Corporation  —  TracePro.  На  рисунке  1  схематично  показано  расположение  светодиодного  кристалла  в  отражателе  с  оптическими  средами  с  показателями  преломления  n=1,  n=1,41,  n=1,45  и  n=1,5.  При  использовании  люминофора  происходит  потеря  оптической  мощности  при  переходе  от  синего  к  белому  свету  (рисунок  1  (в)).  Потери  могут  достигать  до  25  %  при  различной  плотности  тока.  Связано  это  может  быть  с  потерями  непосредственно  при  переизлучении  люминофора,  так  и  с  изменением  спектрального  состава  излучения  синего  кристалла  при  изменении  тока  [5].

Рисунок  1.  Светодиодный  кристалл  в  отражателе:  а)  с  оптической  средой  n=1,  б)  с  оптической  средой  n=1,41,  в)  с  оптической  средой  n=1,45,  г)  с  оптической  средой  n=1,5

Далее,  моделировали  светодиод  в  оптической  среде  из  двух  слоев  компаундов  с  соотношением  толщины  слоев  1  к  1  с  показателями  преломления  1,41  и  1,45  (рисунок  2),  в  случае  (а)  –  вблизи  светодиодного  кристалла  располагалась  оптическая  среда  с  коэффициентом  преломления  n=1.41,  в  случае  (б)  —  оптическая  среда  с  n=1,45.

Рисунок  2.  Светодиодный  кристалл  в  оптической  среде  из  двух  слоев  компаундов

На  рисунке  3  показаны  варианты  моделирования  светодиодного  кристалла  с  нанесением  в  отражатель  оптически  прозрачных  сред  в  разных  соотношениях  по  толщине.

Рисунок  3.  Светодиодный  кристалл  в  отражателе  оптически  прозрачных  сред  в  разных  соотношениях  по  толщине

Результаты.

В  таблицах  1,  2  и  3  приведены  значения  максимального  излучения  по  каждому  варианту  смоделированного  светодиода. 

Таблица  1. 

Значения  максимального  излучения

Таблица  2. 

Значения  максимального  излучения

Таблица  3. 

Значения  максимального  излучения

Во  всех  варианта  моделирования  светодиода,  получились  диаграммы  направленности  распределения  с  боковыми  лепестками  и  только  в  случае,  где  в  отражателе  нанесено  20  %  оптической  среды  с  n=1,45  и  80  %  с  n=1,41  вблизи  кристалла,  получилось  распределение  Гаусса.  При  использовании  светодиодов  в  качестве  источника  света  необходимо,  чтобы  диаграмма  направленности  была  плавной,  без  ярко  выраженных  дополнительных  максимумов  и  минимумов.  В  данном  случае  идеальным  можно  считать  случай  с  оптической  средой  с  показателем  преломления  1.

Список  литературы:

1.Вилисов  А.А.,  Дохтуров  В.В.,  Тепляков  К.В.,  Солдаткин  В.С.  Индикаторные  светодиоды  для  поверхностного  монтажа//  Полупроводниковая  светотехника.  —  2011.  —  Т.  5.  —  №  13.  —  С.    50—51.

2.Забелин  В.А.,  Гуревич  С.А.  Моделирование  процессов  распространения  излучения  в  светодиодах  на  основе  AlGaInN  и  методы  повышения  их  эффективности  //  Тез.  докл.  3-й  Всероссийской  конф.  «Нитриды  галлия,  индия  и  алюминия  —  структуры  и  приборы».  —  СПб.  —  2004.  —  С.  123—124. 

3.Никифоров  С.Г.  Проблемы,  теория  и  реальность  светодиодов  //  Компоненты  и  технологии.  —  №  5.  —  2005.  —  С.  48—57. 

4.Удальцов  В.Е.,  Уварова  (Титова)  А.А.  Моделирование  процессов  распространения  излучения  в  светодиодах  //  Известия  вузов:  Приборостроение.  —  Вып.  7.  —  2010.  —  С.  67—73.