Intematix ChromaLit - nowa technologia białych lamp LED

W większości klasycznych białych diod LED światło obserwowane powstaje na warstwie luminoforu napylonego na strukturę (soczewkę) lub obudowę diody. Fotony o długości fali odpowiadającej barwie niebieskiej lub ultrafioletowi powodują wzbudzenie luminoforu, z którego emitowane jest światło białe.

Technologia ChromaLit opiera się na wykorzystaniu tej samej metody generacji światła, z tą różnicą, że warstwa luminoforu fosforyzującego nie jest napylona bezpośrednio na strukturę diody, ale oddalona od niej o pewną, niemałą odległość. Okazuje się, że podejście to cechuje się licznymi zaletami.

Idea ChromaLit

Rys. 1. Budowa diody LED w technologii ChromaLit

Konstrukcja białych lamp LED wykonanych w technologii ChromaLit różni się od klasycznych LED-ów głównie elementami mechanicznymi. Jako zasilane prądem elektrycznym źródło światła "pierwotnego" stosowane są niebieskie diody LED. Stanowią one swoiste źródło zasilania odseparowanej warstwy luminoforu, potocznie nazywanej fosforem.

Ponieważ luminofor ChromaLit znajduje się w pewnej odległości od samej struktury, konieczne jest odpowiednie poprowadzenie niebieskiego światła od złącza diody do płytki z fosforem. W tym celu stosuje się tzw. komorę mieszania wykonaną z materiału odbijającego światło. Ma ona najczęściej kształt ściętego stożka, którego podstawę stanowi płytka z luminoforem.

Ten natomiast wykonany jest z materiałów fosforyzujących, które pod wpływem niebieskiego światła powodują świecenie jednolitą, białą barwą we wszystkie strony. Fale skierowane w stronę obserwatora przechodzą jeszcze przez opcjonalne dodatkowe układy optyczne, które mogą nadawać im określoną barwę lub odpowiednio je kierować.

Promienie powstające w kierunku struktury są odbijane od lustrzanej powierzchni komory mieszania i również trafiają w kierunku obserwatora poprzez te same dodatkowe układy optyczne (rys. 1).

Szczegóły przemiany

Rys. 2. Straty mocy w trakcie pracy diody LED w technologii ChromaLit

W celu zapewnienia dużej skuteczności świetlnej omawianych diod LED, konieczny jest odpowiedni dobór parametrów struktury diody oraz warstwy fosforyzującej. Przykładowo, niebieska dioda LED zasilana jest prądem elektrycznym ze źródła, które dostarcza moc 10 W. Mniej więcej połowa z tej mocy zamieniana jest na ciepło i rozpraszana na strukturze diody.

Pozostałe 5 W zamieniane jest na niebieskie światło o ściśle określonej barwie. Pada ono na warstwę luminoforu i w około 60-70% zamieniane jest na światło białe. Pozostała moc rozpraszana jest głównie w postaci ciepła generowanego na warstwie ChromaLit, a część niebieskiego światła przechodzi przez nią niezmieniona (rys. 2).

Skuteczność konwersji światła niebieskiego na białe na luminoforze zależy zarówno od długości fali padającej na luminofor, jak i od jego temperatury oraz oczywiście od samego rodzaju luminoforu. W praktyce technologia ta pozwala uzyskać do ok. 240 lumenów na cal kwadratowy.

Zalety ChromaLit

Rys. 3. Rozproszenie światła odbitego od warstwy fosforyzującej na większą powierzchnię powoduje wzrost skuteczności świetlnej lampy LED

Duża skuteczność świetlna białych lamp LED wykonanych w technologii ChromaLit wynika przede wszystkim ze zdecydowanie polepszonego chłodzenia struktury i warstwy luminoforu. Rozdzielenie ich od siebie sprawia, że wszystkie straty mocy nie powstają w jednym miejscu, ale rozkładają się na kilka odseparowanych elementów.

Przykładowo, gdyby napylić identyczną warstwę fosforyzującą bezpośrednio na strukturę LED, ok. 70% mocy dostarczanej z zasilacza rozpraszane byłoby na niej w postaci ciepła. W przypadku ChromaLit, tylko połowa mocy powoduje nagrzewanie się struktury. Pozostałe 20% oddawane jest w postaci ciepła na luminoforze.

Tymczasem fakt, że luminofor ten jest napylony na znacznie większą powierzchnię, sprawia, że on sam również jest zdecydowanie lepiej chłodzony. Sprawność zachodzącej w nim przemiany spada właśnie ze wzrostem temperatury, a więc możliwość utrzymania go w temperaturze pokojowej zwiększa sumaryczną skuteczność świetlną lampy LED-owej.

Wzrasta też żywotność i niezawodność diody. Komora mieszania, im większa, tym światło odbijane od warstwy fosforu pada na większą powierzchnię, mniej ją nagrzewając. W przypadku klasycznych diod LED, światło odbite od napylonego na diodę luminoforu trafia z powrotem w strukturę, która nie jest przystosowana do odbijania go (rys. 3). Oczywiście, zbyt duża komora mieszania powodowałaby nadmierną liczbę odbić światła od ścianek (rys. 4).

Idealne struktury

Rys. 4. Optymalna wysokość komory mieszającej powinna być dobrana z uwzględnieniem kąta świecenia zastosowanej struktury LED. Warstwa luminoforu ChromaLit umieszczana jest u zamknięcia komory

Długość fali niebieskiego światła generowanego przez strukturę LED będącą podstawą lamp ChromaLit powinna mieścić się w zakresie od 450 do 460 nm. Długością dominującą powinno być 455 nm, dla której wynikowa skuteczność świetlna jest największa.

Przykładowo, firma Intematix dostarcza projekty referencyjne, w których używane są struktury Philips Lumiled Luxeon Rebel ES z koszy barw 4 i 5 i kosza strumienia K (od 900 do 1000 mW mocy świetlnej).

Sprawność przemiany zachodzącej na luminoforze jest wprost proporcjonalna do długości fali w zakresie od 450 nm do 463 nm i różni się o ok. 7% pomiędzy wartościami skrajnymi (rys. 5). Mimo to zaleca się używanie diod o dominującej długości fali na poziomie 455 nm, gdyż cechują się one największą wydajnością i w związku z powyższym, pozwalają uzyskać większą skuteczność świetlną całej lampy, niż gdyby użyć diod o długości fali 463 nm.

Warto też wziąć pod uwagę przewidywane temperatury pracy. W przypadku diod Lumiled Luxeon Rebel ES dominująca długość fali wzrasta o 0,04 nm/°C, w efekcie czego, jeśli złącze diody ma się nagrzewać do temperatury 60°C, jej długość dominującej fali wzrośnie o 2,4 nm w stosunku do wartości nominalnej. Dlatego dla lamp, które mają pracować z wyższymi temperaturami, warto korzystać z kosza 4, a dla lamp pracujących w chłodniejszych warunkach optymalnym wyborem będą diody z kosza 5 wymienionej serii Luxeona.

Luminofory ChromaLit

Rys. 5. Znormalizowana skuteczność pracy luminoforu w zależności od długości fali zasilającej go

Firma Intematix oferuje luminofory w postaci płytek, które mogą być umieszczone zgodnie z rysunkiem 1 i w ten sposób posłużyć do samodzielnego stworzenia gotowych lamp LED. Płytki ChromaLit są dostarczane w różnych rozmiarach i kształtach oraz różnią się parametrami fizykochemicznymi.

Wybór konkretnego luminoforu decyduje o temperaturze barwowej i odwzorowaniu kolorów całego modułu lampy. Warto dodać, że producent podaje sprawność w jednostkach lm/Wrad, gdyż Philips deklaruje sprawność swoich niebieskich diod w jednostkach radiometrycznych.

Podsumowanie

Zastosowanie technologii ChromaLit pozwala tworzyć bardzo wydajne i nieznacznie nagrzewające się białe lampy LED w oparciu o niebieskie diody. Sprawność tego typu konstrukcji jest nawet o 30% wyższa niż ich odpowiedników wykonywanych w tradycyjny sposób, a szeroki wybór płytek z luminoforem umożliwia ich precyzyjny dobór do aplikacji.

Świetnie nadają się do oświetlenia punktowego oraz do tworzenia świecących listew, a także tzw. żarówek LED. Intematix wprowadził na rynek serię Chromalit XT o zdecydowanie wyższych strumieniach wyjściowych oraz skuteczności świetlnej (luminofor o neutralnym kolorze został napylony tutaj na szkło). Luminofor może też być napylany na struktury przestrzenne (kształt świecy, elipsy, wycinek sfery).

Future Electronics Polska
www.futureelectronics.com