СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОДНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использована при изготовлении мощных высокоэффективных источников излучения, пригодных для замены традиционных ламповых источников света.
Известен светоизлучающий диод (СИД) (см. свидетельство РФ №8836, МПК H01L 33/00, опубликована 16.12.1998), включающий корпус и светоизлучающий кристалл, размещенный в прозрачном для излучения материале корпуса с показателем преломления, большим показателя преломления воздуха, но меньшим показателя преломления кристалла. Часть поверхности корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в форме эллиптического параболоида. Светоизлучающий кристалл расположен на круглой площадке, причем обращенная к упомянутому
В известном СИД достигается эффективное использование светового потока за счет применения для сбора излучения физического явления полного внутреннего отражения света на границе двух сред. Известно, что в оптической системе, где свет выходит из оптически более плотной среды в среду оптически менее плотную, при определенных углах падения может выполняться условие полного внутреннего отражения света. Сплошной прозрачный корпус СИД должен иметь такую форму, что бы на его боковой, не выводящей излучение поверхности, происходило отражение света, излучаемого полупроводниковым кристаллом. В этом случае форма боковой поверхности прозрачного корпуса СИД, отражающая излучение, должна быть такой, чтобы направление распространения света, выходящего из светоизлучающего кристалла, образовывало в точке падения на нее с касательной плоскостью к этой точке угол больше угла полного внутреннего отражения. При выполнении этого условия свет, выходящий из излучающего кристалла, испытывает только отражение без какого-либо преломления. После отражения он полностью выводится через плоскую световыводящую часть поверхности корпуса. В случае использования для изготовления корпуса СИД широко распространенного в настоящее время прозрачного эпоксидного оптического компаунда с показателем преломления n~1,5 этот угол составляет ~40°. Сбор и фокусировка излучения в такой конструкции СИД происходит не за счет преломления света, как у СИД с куполообразной световыводящей поверхностью, а за счет отражения на боковой поверхности параболоида, где на границе с воздухом выполняется условие полного внутреннего отражения света.
Известная конструкция СИД не обеспечивает получение мощного излучения и имеет ограничения по световому потоку вследствие того, что теплоотвод в данной конструкции осуществляется только через подводящие электроды, площадь которых мала и не может обеспечить эффективного рассеяния тепловой энергии, выделяющейся при работе СИД на больших значениях тока.
м
к
Известен светоизлучающий диод (см. патент РФ №2055420, МПК H01L 33/00, опубликован 27.12.1996). Он включает светоизлучающий кристалл, помещенный в прозрачный материал отражающего корпуса, выполненного из материала, прозрачного для излучения с показателем преломления 1<n<n. Часть поверхности корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии, а форма не выводящей излучение поверхности корпуса удовлетворяет соотношению:
b
где: n - показатель преломления окружающей среды (воздуха);
m
n - показатель преломления материала корпуса;
f'(x) - производная функции f(x);
x - координата точки на кривой f(x);
ξ - расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла.
В пространственном изображении искомая форма отражающего корпуса СИД представляет собой объемную фигуру, полученную путем вращения кривой функции f(x), удовлетворяющей представленному выше уравнению относительно оси симметрии. Этому уравнению удовлетворяет целое семейство кривых функций f(x), используя которые можно изготовить различные формы полимерного корпуса СИД. Такие светоизлучающие диоды при расположении излучающего кристалла на оси симметрии полностью собирают и выводят через световыводящую поверхность корпуса все излучение, испускаемое полупроводниковым кристаллом. В случае если форма корпуса СИД выполнена в виде геометрической фигуры, которая, кроме сбора, позволяет и фокусировать излучение, например, в виде эллиптического параболоида, то фокусировку света в такой конструкции СИД легко осуществлять путем изменения месторасположения светоизлучающего кристалла на его оси симметрии.
Однако известная конструкция СИД не позволяет получать мощные источники излучения, обладающие повышенным световым потоком. Известно, что мощность излучения и величина светового потока СИД зависит от величины тока, протекающего через полупроводниковый кристалл. Поэтому для увеличения мощности излучения и величины светового потока СИД через полупроводниковый кристалл стараются пропустить как можно больший ток. Однако с увеличением величины тока, протекающего через полупроводниковый кристалл, наряду с повышением мощности излучения происходит и разогрев объема кристалла. Вредное влияние разогрева даже при его относительно небольшой величине приводит к резкому ухудшению светотехнических параметров СИД. В результате изменяется длинна волны излучения и, в конечном итоге, уменьшается и возросшая в первоначальный момент мощность излучения. Более того, работа СИД в таком режиме приводит к быстрой деградации полупроводникового кристалла и выходу излучателя из строя. Обычно рабочая температура полупроводниковых излучательных кристаллов не должна превышать величины 100-120°C. Поэтому через СИД не рекомендуется пропускать ток, при котором температура объема полупроводникового кристалла была бы выше. При этом необходимо учитывать особенности конструкции СИД. В известной конструкции, где полупроводниковый кристалл расположен на достаточно тонком металлическом электроде, недопустимый разогрев объема кристалла достигается уже при токе 50-100 мА. В результате в таких конструкциях СИД световой поток не превышает несколько люменов, и получить большую мощность излучения не представляется возможным.
Известен светоизлучающий диодный модуль (см. патент 47136, МПК H01L 33/00, опубликован 15.02.2005 г.), совпадающий с настоящей полезной моделью по наибольшему числу признаков и принятый в качестве прототипа. Светоизлучающий диодный модуль (СИДМ) включает полупроводниковый светоизлучающий диод, расположенный на теплоотводящем элементе и помещенный в отражающий сплошной корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения, боковая поверхность которого, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида, усеченного фокальной плоскостью, перпендикулярной его оси симметрии, при этом полупроводниковый светоизлучающий диод расположен в центре фокальной плоскости.
Размещение полупроводникового светоизлучающнго диода в центре фокальной плоскости эллиптического параболоида, обеспечивает получение, в зависимости от геометрических размеров отражающего сплошного корпуса, достаточно узкие углы излучения ~2-3 градусов. Для отвода избыточного тепла полупроводниковый светоизлучающий диод располагают непосредственно на теплоотводящем элементе. В известном СИДМ обеспечивается эффективный сбор и фокусировка излучения полупроводникового светоизлучающего диода, а его непосредственный контакт с теплоотводящим элементом позволяет пропускать через полупроводниковый светоизлучающий диод повышенные токи. Такая интеграция обеспечивает создание мощных СИДМ, где эффективно используется весь световой поток, излучаемый полупроводниковым светоизлучающим диодом. Однако такая конструкция СИДМ не позволяет выполнить отражающий сплошной корпус достаточно малых размеров, из-за того, что размер фокальной плоскости параболоида (совпадающий с основанием отражающего сплошного корпуса) не может быть равным или меньшим размера полупроводникового светоизлучающего диода, так как в этом случае не будет обеспечен контакт корпуса полупроводникового светоизлучающего диода с основанием отражающего сплошного корпуса. Кроме того, закрепление отражающего сплошного корпуса только за счет контакта со световыводящей поверхностью полупроводникового светоизлучающего диода приводит к разрушению этой световыводящей поверхности даже при небольших нагрузках, например вибрационных, из-за значительного веса отражающего сплошного корпуса, и выходу из строя полупроводникового светоизлучающего диода. Необходимо отметить, что светоизлучающая поверхность у современных светодиодов не является достаточно прочной.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка такого мощного монолитно интегрированного светоизлучающего диодного модуля, который имел бы меньшие габариты по сравнению со светоизлучающим диодным модулем-прототипом той же мощности излучения и к тому же обеспечивал надежное соединение полупроводникового светоизлучающего диода с отражающим сплошным корпусом.
Поставленная задача решается тем, что светоизлучающий диодный модуль включает полупроводниковый светоизлучающий диод, расположенный на теплоотводящем элементе и помещенный в отражающий сплошной корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения, боковая поверхность которого, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида, усеченного плоскостью, перпендикулярной его оси симметрии. Полупроводниковый светоизлучающий диод расположен в центре фокальной плоскости эллиптического параболоида. Новым в настоящем светоизлучающем диодном модуле является выполнение боковой поверхности отражающего сплошного корпуса в виде усеченного эллиптического параболоида, переходящего в круглую цилиндрическую поверхность, расположение плоскости перехода усеченного эллиптического параболоида в круглую цилиндрическую поверхность выше фокальной плоскости эллиптического параболоида, и выполнение диаметра упомянутого перехода больше диаметра светоизлучающего диода.
Выполнение такой конструкции светоизлучающего диодного модуля позволяет уменьшить габариты отражающего сплошного корпуса, так как размер его основания уже не зависит от площади фокальной плоскости эллиптического параболоида, а определяется плоскостью перехода поверхности эллиптического параболоида в круглую цилиндрическую поверхность. При этом надежное крепление корпуса излучателя, в этом случае, обеспечивается за счет прочного соединения его с металлическим основанием теплоотводящего элемента.
Отражающий сплошной корпус СИДМ может быть выполнен из светопрозрачного полимерного материала, например, из поликарбоната, из эпоксидного оптического компаунда, из оптического полиуретана, из оптически прозрачного силикона.
Между сплошным светопрозрачным корпусом и полупроводниковым оптически прозрачный эластичный полиуретан, или оптически прозрачный силикон, или оптически прозрачный гель, или оптически прозрачная силиконовая жидкость.
Теплоотводящий элемент СИДМ может быть выполнен, например, в виде радиатора или в виде толстой металлической пластины.
Настоящий светоизлучающий диодный модуль поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 изображен в продольном разрезе светоизлучающий диодный модуль-прототип;
на фиг. 2 показан в продольном разрезе настоящий светоизлучающий диодный модуль;
на фиг. 3 приведен вид сверху на настоящий светоизлучающий диодный модуль.
Светоизлучающий диодный модуль-прототип (см. фиг. 1) включает полупроводниковый светоизлучающий диод 1 со светоизлучающим кристаллом 2 с p-n переходом, расположенный на теплоотводящем элементе 3 (в виде, например, металлической пластины с полированной поверхностью) и помещенный в отражающий сплошной корпус 4, выполненный из материала, прозрачного для излучения. Боковая поверхность 5 отражающего сплошного корпуса 4, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде эллиптического параболоида, усеченного фокальной плоскостью 6, перпендикулярной его оси 7 симметрии. Полупроводниковый светоизлучающий диод 1 расположен в центре фокальной плоскости 6. К светоизлучающему кристаллу 2 полупроводникового светоизлучающего диода 1 присоединены электроды 8, выполненные, например, в виде дорожек на печатной плате.
Настоящий светоизлучающий диодный модуль (см. фиг. 2 - фиг. 3) включает полупроводниковый светоизлучающий диод 1 со светоизлучающим кристаллом 2 с p-n переходом, расположенный на теплоотводящем элементе 3 в виде, например, радиатора или металлической пластины с полированной поверхностью. Полупроводниковый светоизлучающий диод 1 помещен в отражающий сплошной корпус 9, выполненный из материала, прозрачного для излучения. Боковая поверхность отражающего сплошного корпуса 9, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, выполнена в виде усеченного эллиптического параболоида 10, переходящего в круглую цилиндрическую поверхность 11. Торцовая поверхность 12 отражающего сплошного корпуса 9 выполнена световыводящей. Внутри круглой цилиндрической поверхности 11 размещен полупроводниковый светоизлучающий диод 1, расположенный в центре фокальной плоскости 13 эллиптического параболоида 10. Плоскость перехода 14 усеченного эллиптического параболоида 10 в круглую цилиндрическую поверхность 11 расположена выше фокальной плоскости 13 эллиптического параболоида 10 и перпендикулярна его оси 7 симметрии. Диаметр перехода 14 больше диаметра полупроводникового светоизлучающего диода 1. Отражающий сплошной корпус 9 может быть выполнен, например, из поликарбоната или из эпоксидного оптического компаунда. К светоизлучающему кристаллу 2 полупроводникового светоизлучающего диода 1 присоединены электроды 8. Для получения белого света светоизлучающий кристалл 2 может быть покрыт слоем люминофора (на чертеже не показан). Между сплошным отражающим сплошным корпусом 4 и полупроводниковым светоизлучающим диодом 1 может быть залит оптически прозрачный гель, или оптически прозрачный силикон, или оптически прозрачный эластичный полиуретан, или оптически прозрачная силиконовая жидкость (на чертеже не показаны).
Настоящий светоизлучающий диодный модуль работает следующим образом. При приложении положительного смещения к подводящим электродам 8 световые лучи, испускаемые кристаллом 2 полупроводникового светоизлучающего диода 1, попадают на границу раздела двух сред: отражающий сплошной корпус 9 - воздух, где за счет преломления света отражаются от не выводящей излучение боковой поверхности усеченного эллиптического параболоида 10 и выходят через световыводящую торцовую поверхность 12 поверхности отражающего сплошного корпуса 9 наружу.
Пример 1. Был изготовлен светоизлучающий диодный модуль для полупроводникового светоизлучающего диода со световыводящей поверхностью диаметром 7 мм. На его основе изготовлен СИДМ, где прозрачный полимерный корпус выполнен в виде параболоида y=-√7x с диаметром фокальной плоскости 7 мм. Мощность светового потока при энергопотреблении 350 м Вт составляла 110 люмен. Высота СИДМ при диаметре световыводящей поверхности 20 мм составляла 16,7 мм. Высота СИДМ, принятого в качестве прототипа, изготовленного на основе полупроводникового светоизлучающего диода со световыводящей поверхностью диаметром 7 мм, составила при том же световом потоке 21 мм.
Пример 2. Был изготовлен светоизлучающий диодный модуль на основе светодиода со световыводящей поверхностью диаметром 7 мм. На его основе изготовлен СИДМ где прозрачный полимерный корпус выполнен в виде параболоида y=√5x с диаметром фокальной плоскости 5 мм. Мощность светового потока при энергопотреблении 350 м Вт составляла НО люмен. Высота СИДМ при диаметре световыводящей поверхности 20 мм составляла 14 мм. Высота СИДМ, принятого в качестве прототипа, изготовленного на основе полупроводникового светоизлучающего диода со световыводящей поверхностью диаметром 7 мм, составила при том же световом потоке 21 мм.