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UNIVERSIDAD DE OVIEDO Manuel Rico Secades
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LÁMPARAS DE ESTADO SÓLIDO (LEDs DE ALTA EFICIENCIA) SOLID-STATE LIGHTING
LA EMISIÓN ESPONTÁNEA DE LUZ EN SEMICONDUCTORES ES DEBIDA A LA RECOMBINACIÓN RADIANTE DE LOS EXCESOS DE HUECOS Y ELECTRONES
EL EXCESO DE HUECOS Y ELECTRONES SE PRODUCE MEDIANTE LA INYECCIÓN DE CORRIENTE CON PEQUEÑAS PÉRDIDAS
FENÓMENO FÍSICO DENOMINADO INYECCIÓN LUMINISCENTE
LA FORMA MAS EFICIENTE DE ELECTROLUMINISCENCIA ES LA INYECCIÓN LUMINISCENTE.
FENÓMENO DESCUBIERTO POR ROUND EN 1907: INYECTO CORRIENTE EN UNA UNIÓN DE METAL CON CARBURO DE SILICIO Y OBSERVO LUZ AMARILLA
LA INVENCIÓN DEL LED ROJO OCURRIÓ EN 1962 (HOLONYAK Y BEVACQUA)
EN LA ACTUALIDAD ES UNO DE LOS FENÓMENOS FÍSICOS MAS PROMETEDORES PARA PRODUCIR LUZ
Reference: "Introduction to Solid-State Lighting" Arturas Zukauskas, Michael S. Shur, Remis Gaska John Wiley&Sons 2002
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LEDS:
Emisión de color.
Cristal con dopado tipo P Ánodo.
Cristal con dopado tipo N Cátodo
Cuando el diodo está polarizado directamente, las recombinaciones
en la zona de deplexión emiten luz.
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA: MATERIALES ADECUADOS
eVh
nm
5.1239
h = SALTO ENERGÉTICO EN EL
SEMICONDUCTOR
ALEACIONES TERNARIAS O CUATERNARIAS: MEZCLA DE Al, Ga, In EN EL CÁTODO Y
MEZCLAS DE As, P, N EN EL ANODO SON LA BASE DE LOS LED ACTUALES
SALTOS ENERGÉTICOS DE
MATERIALES ELEMENTALES Y
MEZCLAS BINARIAS
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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Materiales más utilizados
GaAs 870-900nm 10%
SiC 460-470nm 0,02%
GaP (Zn-O) 700 nm 3%
GaP (N) 565 nm 0,1%
Bin
ari
os
AlxGa1-xAs (x<0,4) 640-870nm 5-20%
GaAs1-yPy (y<0,45) 630-870nm <1%
GaAs1-yPy (y>0,45) 560-700nm <1% Tern
ari
os
In0,49AlxGa51-xP 560-700nm 1-10%
In1-xGaxAsyP1-y 1000-1600nm >10% Cu
at.
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA: EFICIENCIAS Y COLORES
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA: POSICIÓN EN EL DIAGRAMA CROMÁTICO CIE 1931
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LEDS: Emisión de color.
Según el tipo de material con el que se dopa se emiten distintos colores.
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LEDS:
Emisión de color.
La longitud de onda donde es mayor la potencia radiada se llama el pico de emisión o la longitud de onda dominante. Para algunos LED el pico de
emisión cambia según la corriente, provocando desplazamientos de color.
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA: ESPECTROS
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LEDS DE COLOR BLANCO:
4 Opciones para conseguir el color blanco
LA MÁS UTILIZADA ES LA PRIMERA.
LED AZUL(InGaN) MÁS UN FÓSFORO AMARILLO
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS (WHITE LED)
BÁSICAMENTE HOY HAY DOS FORMAS DE OBTENER LUZ BLANCA:
1.- MEZCLA DE LUZ DE DIFERENTES COLORES
2.- UTILIZAR FÓSFOROS PARA OBTENER O COMPLEMENTAR EL COLOR
-CON LA LUZ AZUL OBTENER LUZ ROJA
-CON LUZ UV OBTENER LUZ BLANCA (TRIFÓSFOROS)
Combinación de LED de Alta Eficiencia Rojos, Verdes, Azules
Luz Azul
Luz Roja
Fósforos
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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Luz Azul
Luz Roja
Fosforos
Longitud de onda [nm
LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS (WHITE LED)
MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N - 465 nm) Y FÓSFORO
AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO)
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA
MEZCLA DE LED AZUL (Al In Ga N - 465 nm) Y FÓSFORO
AMARILLO (GARNET DOPADO CON CERIO)
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA: LED BLANCOS (WHITE LED)
YAG:Ce3+
Al In Ga N
460 nm
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LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA: REGIÓN ALCANZABLE CON LA MEZCLA DE COLORES
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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Los LED con emisión UV se encuentran hoy día (año 2007) en pleno desarrollo. El uso de un LED UV para excitar un trifósforo y producir luz blanca (similar a un tubo fluorescente), marcará un hito importantísimo en la industria y los hábitos de iluminación mundiales. El Oxido de cinc (Zn O) está en la base de los LED UV. Es barato, abundante y muy fácil de producir. Por el contrario el Nitruro de Galio (Ga N) utilizado en los LED actuales para iluminación, es escaso, caro y muy difícil de producir. El problema tecnológico actual esta en conseguir de forma estable la zona dopada P del diodo. En las pruebas actuales se ha demostrado que es muy poco estable y se convierte de nuevo en zona N a los pocos meses de operación del diodo. Por el contrario el Ga N dopado P o N es estable durante mas de 100.000 horas (10 años). El el estado actual de la técnica se ha conseguido duraciones en torno a los 16 meses dopando el Zn O con litio (Li) y Nitrogeno (N) con ayuda de un laser pulsante (Universidad de Zhejiang en China). No obstante, varias empresas en Japón, USA y China andan detrás de técnicas alternativas para conseguir el deseado semiconductor dopado P basado en Zn O. Fuente: IEEE Spectrum - Marzo 2007
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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1.- DURACIÓN DE MAS DE 150.000 HORAS
2.- NO TIENEN PROBLEMAS CON EL TEMA DE ENCENDIDOS Y APAGADOS
3.- RANGO DE TEMPERATURA DE FUNCIONAMIENTO AMPLIO (DESDE -20ºC HASTA 100ºC)
4.- REDUCCIÓN IMPORTANTE DEL CALOR RADIADO POR LA LÁMPARA
5.- NO SON PELIGROSAS ANTE ROTURAS, ALTAS PRESIONES, MATERIALES PELIGROSOS,
ETC
6.- RESISTEN CHOQUES, VIBRACIONES CONSIDERABLES, ETC.
7.- TRABAJAN CON TENSIONES SEGURAS
Importancia de futuro y uso de los diodos LED
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA
LOS RENDIMIENTO LUMINOSOS EMPIEZAN A SER ELEVADOS Y A COMPETIR
CON LAS LÁMPARAS FLUORESCENTES
FLUORESCENTES
INCANDESCENTES
LED BLANCO CREE
107 lm/W
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UN DIODO LED (107 Lm/w)
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LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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Typical Flux Comparison Across All Colors
Notes 1. Drive current
350 mA 2. LUXEON® I,
LUXEON® K2, Cree and Seoul Semi typical flux values obtained from product datasheets
3. Nichia and
Osram typical flux values calculated by averaging min & max flux values on datasheet
Typical Flux Comparison - All Colors
0
10
20
30
40
50
60
70
Flu
x
Luxeon K2
Luxeon
Cree
Osram
Nichia
Seoul Semi
Wh
ite
Am
be
r
R-O
Re
d
Cya
n
Blu
e
Gre
en
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
INCANDESCENTE - HALÓGENA
350 400 450 500 550 600 650 700 750 [ nm ]
VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC 23
HPS 150 W
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN
LPS
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN
VM
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
FLUORESCENTE (VAPOR DE MERCURIO BAJA PRESIÓN)
LUZ 927 BLANCO CÁLIDO
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
HALOGENUROS METÁLICOS TALIO Y TIERRAS RARAS
350 400 450 500 550 600 650 700 750
[nm]
LED BLANCO DE ALTA EFICIENCIA
10-30 lm/W 100 lm/W
183 lm/W
130 lm/W
90 lm/W
90 lm/W
70 lm/W
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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1.- Como se aprecia los LED en rendimiento luminoso presentan valores
totalmente comparables con las principales lámparas habituales en iluminación.
2.- El problema es que cada LED es una unidad muy pequeña de iluminación.
A igualdad de rendimiento luminoso (p.e. de forma optimista 100 lm/W)
1 Tubo fluorescente de 36 W podría sustituirse por 36 LED de 1 W
1 Lámpara de alumbrado público de vapor de sodio de alta presión de 400 W
requerirá 400 LED de 1 W
3.- Aparecen nuevos problemas:
Diseño de la luminaria, diseño de la óptica, orientación de la luz para
un determinado diagrama de radiación, sistema de alimentación y
control de la luz mas eficiente, evacuación térmica, etc)
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PARTES QUE COMPONEN LOS LEDS:
LED DE MONTAJE SUPERFICIAL.
Unión con dopado tipo P Ánodo. Terminal negativo Cátodo
Luz Azul
Luz Roja
Fosforos
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©2005 Lumileds Lighting, U.S. LLC
LUXEON LUXEON K2
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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Algunos ejemplos de diseño óptico para LED de alta eficiencia
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DISTRIBUCIONES DE LUZ CON DOS ÓPTICAS DIFERENTES
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LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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LUMINARIA (Fixture)
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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ESTABILIDAD DE COLOR
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ESTABILIDAD DE COLOR
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS: El diodo LED como carga de potencia
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA:
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS. CURVA CARACTERÍSTICA
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA:
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS. CAÍDA DE TENSIÓN
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LED´s DE ALTA EFICIENCIA:
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS. INFLUENCIA DE LA CAÍDA DE TENSIÓN CON LA
TEMPERATURA
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La longitud de onta de los LED de InGaN depende de la corriente que pasa por ellos. Se recomienda utilizar PWM para hacer dimming de los LEDs basados en InGaN.
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EL PROBLEMA TÉRMICO
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EFECTOS TÉRMICOS. TEMPERATURA DE LA UNIÓN:
Temperaturas altas en la unión provocan que la intensidad luminosa sea menor, la tensión de codo sea menor, y provoca desplazamientos cromáticos en los LEDs blancos.
RthJS RthSA
Tj Ts TaPD
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CURVAS CARÁCTERÍSTICAS:
La intensidad luminosa del LED depende de la corriente
y de la temperatura de la unión.
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EFECTOS TÉRMICOS. TEMPERATURA DE LA UNIÓN:
Corrientes grandes por el LED originan:
•Sobrecalentamiento local. •Temperaturas altas en la unión. •Recombinaciones no radiantes DEGRADACIÓN FUERTE DE LA LUZ
Temperaturas altas en la unión
=>RUPTURA DEL LED
ES MUY IMPORTANTE RESPETAR LAS RECOMENDACIONES DEL FABRICANTE.
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Thermal test points Dragon LED(OSRAM)
Double layer PCB board ( Cu coat 76 )
b.- Thermal Design
Thermal model
J1
J2
J3
J4
J5
RHA = 4 ºC/W
RCH
1.5 ºC/WTC1
TC2
TC3
TC4
TC5
RJC
9 ºC/W
WmAxVP 3.135.08.3
1.3 W Thermal contact
6.5 W
(TJ)MAX =88 ºC
TJ = 68.7 ºC
11.7 ºC 2 ºC
25 ºC TA = 30 ºC
TH = 55 ºC
(TA)MAX = 50 ºC
(TH)MAX = 75 ºC
TEST
LIMIT
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HEATSINK
ALUMINUM
BASE
PCB BOARD
THERMAL
ADHESIVE
LUMILED
EMITTER
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RELATIVE LUMINOUS FLUXIF = 350 mA
20% Light depreciation
Rough ambient temperature 50ºC
Junction temperature 88ºC
La temperatura tiene efecto instantáneo en la cantidad de luz emitida por el LED
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100.000 hours 20%
La temperatura tiene efecto a largo plazo en la depreciación en el LED
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LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
EJEMPLO CON UN LED DE OSRAM
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with 75 ºC 88%
LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
EJEMPLO CON UN LED DE OSRAM
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LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
EJEMPLO CON UN LED DE OSRAM
J1
J2
J3
J4
J5
TA = 35 ºC
RHA = 4 ºC/W
TH = 61 ºC
RCH 1.5 ºC/W
TC1
TC2
TC3
TC4
TC5
RJC 9 ºC/W
WmAxVP 3.135.08.3
1.3 W
Thermal adhesive and contact
6.5 W
(TJ)MAX =125 ºC TJ = 74.7 ºC
11.7 ºC 1.95 ºC
26 ºC
TA = 20 ºC
TH = 46 ºC TJ = 59.7 ºC
(TA)MAX = 85 ºC
(TH)MAX = 111 ºC
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LED DE ALTA EFICIENCIA PARA ILUMINACIÓN
EJEMPLO CON UN LED DE OSRAM
DRAGON LED LW-W5SG
Nominal Current [mA] 350
Nominal Minimum
Luminous Flux [lm] 39,0 21,0
Operation Current [mA] 350 39,0 21,0
Number of LEDs 5 195,0 105,0Depreciation for Junction Temperature
below 75 ºC [%] 12 171,6 92,4
100,000 operation Hours depreciation [%] 20 137,3 73,9Plastic cover depreciation [%] 5 130,4 70,2