Hurtigt design af en hvid LED

Fremkomsten af ​​den hvide lysdiode (LED), som består af en blå LED med et fosforlag, reducerer energiforbruget til belysning kraftigt. På trods af det hurtigt voksende marked, hvide LED'er bliver stadig designet med langsomme numeriske trial-and-error-metoder. Et team af forskere fra University of Twente, Eindhovens tekniske universitet, og førende industri Signify (tidligere Philips Lighting) har introduceret et radikalt nyt designprincip, der er baseret på en analytisk model i stedet for en numerisk tilgang. Modellen forudsiger en hvid LEDs farvepunkt for enhver kombination af designparametre og giver mulighed for et meget hurtigere design, op til 1 million gange, resulterer i reducerede design- og produktionsomkostninger. Resultaterne offentliggøres i ACS Photonics .

De vigtigste egenskaber ved en hvid lyskilde er farvepunktet og effektiviteten. Farvepunktet er defineret af det udsendte spektrum, og det er beskrevet af to parametre, der spænder over det såkaldte farveområde. Optiske designere bruger i øjeblikket numeriske simuleringer, ofte baseret på Monte-Carlo-strålesporingsteknikker for at udtrække farvepunktet, givet designparametrene for den hvide lyskilde. For at sigte mod et bestemt farvepunkt, optiske designere skal bruge disse simuleringer for hvert udvalgt sæt designparametre. Desværre, simuleringsmetoder er meget langsomme, og derfor kan kun en lille del af designparameterrummet udforskes. Derfor, designet af en hvid LED er afhængig af den optiske designers erfaring frem for en systematisk udforskning af det fulde designparameterrum.

Hvide LED'er har adskillige fordele i forhold til konventionelle lyskilder såsom glødelamper eller udladningslamper. Hvide lysdioder er blandt de mest energieffektive kilder, de er mekanisk robuste og termisk stabile, de har god tidsmæssig stabilitet, og de har en lang levetid. En typisk hvid LED består af en blå halvleder -LED og et phosphorlag, der består af en matrix af fosformikropartikler (se figur 1).

En del af det blå lys transmitteres gennem fosforlaget, og en del absorberes og genudsendes i den røde og grønne del af spektret for at give det ønskede hvide lys. De relative mængder af spredt og genudsendt lys (Figur 2) definerer farvepunktet for en hvid LED. For at justere farvepunktet, flere designparametre er tilgængelige, såsom fosforpartikeldensiteten r (se figur 3), phosphorlagets tykkelse L, den slags fosfor, typen af ​​blå LED, og yderligere optiske elementer.

Systematisk design af farvepunktet på en hvid LED kræver algoritmer, der er meget hurtigere end strålesporingsteknikker. Ledende forfatter IJzerman fra firmaet Signify siger, "Til dato er der ingen god model til at beskrive spredning i belysningsindustrien. Alle vores modeller er afhængige af avanceret kurvetilpasning, hvor en eller flere parametre bestemmes ved at matche målinger med simuleringer. For at forbedre denne tidskrævende og omkostningskrævende tilgang, en a priori -model baseret på fysiske målbare parametre ville have stor værdi og et stort skridt fremad. "Det er, hvad forskerne har udviklet.

Det hollandske team introducerer et ekstremt hurtigt og analytisk beregningsværktøj baseret på den såkaldte P3-approksimation til strålingsoverførselsligningen. Hovedforfatter Vos siger, "Vi er i stand til at forudsige farvepunktet for en hvid LED ud fra de valgte designparametre. Omvendt, vi kan få designparametrene for en hvid LED, der starter fra et målrettet farvepunkt. "

IJzerman siger, "I denne nye situation, det omvendte problem kræver ikke en iterationsprocedure for hver ny designcyklus. I betragtning af vores værktøjs hastighed, vi kan generere en opslagstabel for hele parameterpladsen til rådighed for ingeniører. Derved, vi opnår enorme fordele ved hastighed og effektivitet. "

Lagendijk siger, "Jeg er begejstret for, at hvide LED'er yderligere vil bidrage til en hurtig globalisering af belysning, og dermed til verdensomspændende læsefærdighed og demokratisering. Dette er relevant for regioner, hvor et par solceller er let tilgængelige, og hvor omfattende elnet er for dyrt eller kedeligt."