Електронно-оптичний випромінювач

Реферат: Винахід належить до напівпровідникової електроніки і електронної оптики. Електроннооптичний випромінювач містить принаймні один активний напівпровідниковий випромінюючий елемент, який підключений до джерела живлення, містить термоелектричний модуль, що складається з охолоджувальної і нагрівальної електроізоляційних підкладок і впаяних між ними термоелементів N- і Р-типів провідності, і тепловідвід. Згідно з винаходом, ланцюг живлення активного напівпровідникового випромінюючого елемента є інтегрованим в конструкцію термоелектричного модуля. Між електроізоляційними підкладками термоелектричного модуля встановлено два додаткових термоелементи N- і Р-типу провідності, контакти яких з боку нагрівальної електроізоляційної підкладки приєднані до проводів живлення активного напівпровідникового випромінюючого елемента, а з боку охолоджувальної електроізоляційної підкладки приєднані до активного напівпровідникового випромінюючого елемента за допомогою електропровідних шин. Винахід забезпечує зменшення розміру випромінювача і підвищення ефекту охолодження. UA 104787 C2 (12) UA 104787 C2 UA 104787 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до сфери напівпровідникової електроніки і електронної оптики, включаючи напівпровідникову квантову електроніку і термоелектричне охолодження та може бути використаний при створенні ефективних й надійних світловипромінювальних приладів, а також систем волоконно-оптичного зв'язку, оптичного підсилення, лазерної спектроскопії та для інших оптоелектронних та електронних застосувань. Відомі електронно-оптичні випромінювачі, що містять один або більше активних напівпровідникових випромінюючих елементів (світлодіодів або лазерів), що підключені до джерела живлення, містять термоелектричний охолоджувач модульного типу і тепловідвід (корпус випромінювача, ребристий теплообмінник або інший тепловідвідний пристрій) (Див. наприклад, патенти США: US 6837059 B2, US 7855396 B2, US 20060165353 A1, US 20090175035 A1, US 20110148304 A1, US 20110085767 A1, US 20090167134 A1, US 20050207458 A1, US 6964501 B2, US 6747820 B2, US 20060086096 A1, US 20040114355 A1, US 20100127299 A1. У відомих пристроях термоелектричний охолоджуючий модуль (ТЕО) має стандартну конструкцію, а саме включає охолоджувальну і нагрівальну електроізоляційні підкладки, які встановлені паралельно одна одній, а між ними впаяні термоелементи N- i Р-типів провідності, які з'єднані у послідовний електричний ланцюг за допомогою електропровідних перемичок на внутрішній поверхні електроізолюючих підкладок. Охолоджувана пластина термоелектричного модуля з боку її зовнішньої поверхні забезпечена металевим шаром необхідної конфігурації для приєднання активного електронного елемента і його електричних контактів, а також пасивних електронних елементів (в разі їх наявності). Активний електронний елемент приєднаний (наприклад, припаяний) до металевого шару на охолоджувальній ізоляційній підкладці термоелектричного модуля і підключений до джерела живлення за допомогою дротів. Нагрівальна підкладка термоелектричного модуля знаходиться в тепловому контакті з корпусом випромінювача. При цьому проводи живлення електронного елемента приєднані безпосередньо до корпусних деталей випромінювача, які мають температуру, яка значно перевищує температуру охолоджувального елементу. Недоліком відомих технічних рішень є значний теплоприплив по проводах живлення електронного елемента, який може перевищувати його власні тепловиділення та призвести до його перегріву та виходу із ладу. Крім того, розміщення неактивних електронних елементів на охолоджувальній підкладці термоелектричного модуля поряд з активними елементами призводить до підвищення теплоприпливів до охолоджувача з навколишнього середовища. При цьому для забезпечення заданої температури охолоджуваного об'єкта холодопродуктивність термоелектричного модуля повинна відповідати повною мірою тепловим навантаженням від активних і пасивних елементів (включаючи теплоприпливи з навколишнього середовища конвекцією і теплопровідністю по проводах). Відтак, у відомих пристроях термоелектричний модуль матиме більші власні розміри та вище енергоспоживання при їх експлуатації. Найбільш близьким до рішення, що заявляється, є технічне рішення пристрою "електроннооптичний випромінювач" згідно з патентом США № US 6747820, в якому частково усунутий зазначений вище недолік шляхом конструктивного поділу активних і неактивних елементів і приєднання останніх до неохолоджуваних частин конструкції. Однак, і в цьому технічному рішенні проводи живлення активної частини електрооптичного елемента утворюють тепловий міст між холодною та гарячими підкладками термоелектричного модуля. При цьому виникають надмірні теплоприпливи до охолоджуваної підкладки термоелектричного модуля проводами живлення охолоджуваного об'єкта, що призводить до перевитрати енергії охолоджувача і до зниження ефекту самого охолодження. В основу винаходу, що заявляється, поставлено задача створити такий електроннооптичний випромінювач, що шляхом удосконалення конструкції його термоелектричного модуля дозволив би виключити теплоприпливи через дроти живлення активного електронно-оптичного випромінювача й таким чином знизити витрати енергії в охолоджувачі, та, відповідно, зменшити його розмір (досягнути більшої компактності) й підвищити ефект охолодження. Поставлена задача вирішується шляхом створення пристрою "електронно-оптичний випромінювач", що містить принаймні один активний напівпровідниковий випромінюючий елемент, підключений до джерела живлення, також містить термоелектричний модуль, який складається з охолоджувальної і нагрівальної електроізоляційних підкладок та впаяних між ними термоелементів N- і Р-типів провідності та тепловідвід (корпус випромінювача, ребристий теплообмінник або інший тепловідвідний пристрій), при цьому ланцюг живлення активного напівпровідникового випромінюючого елемента інтегрований в конструкцію термоелектричного модуля, а саме: між електроізоляційними підкладками модуля встановлено два додаткових термоелементи N- і Р-типу провідності, контакти яких з боку нагрівальної електроізоляційної підкладки приєднані до проводів живлення активного напівпровідникового випромінюючого 1 UA 104787 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 елемента, а з боку охолоджувальної електроізоляційної підкладки приєднані до активного напівпровідникового випромінюючого елемента за допомогою електропровідних шин, причому "плюс" («+») джерела живлення приєднаний до термоелемента N-типу провідності. При цьому термоелектричний модуль та активний напівпровідниковий випромінюючий елемент підключені послідовно або паралельно до одного джерела живлення. Суть винаходу наведена на кресленні, на якому міститься приклад виконання термоелектричного модуля з інтегрованим ланцюгом живлення електронно-оптичного випромінювача. Охолоджуваний активний напівпровідниковий випромінюючий елемент 1, наприклад, напівпровідниковий світлодіод (СІД) під'єднаний (припаяний) до металевого шару 2 на охолоджувальній підкладці 3 термоелектричного модуля 4. Нижня нагрівальна підкладка 5 ТЕО (термоелектричний охолоджувальний модуль) приєднана до корпусу випромінювача 6, що використовується, як тепловідвід. Термоелементи охолоджувача N- і Р-типів провідності з'єднані в послідовний електричний ланцюг за допомогою електропровідних шин 7 і 8. Проводи живлення ТЕО 9 і 10 приєднані до контактних майданчиків 11 та 12. Встановлені між підкладками ТЕО два додаткових термоелемента N- і Р-типу провідності 13 і 14 забезпечуються контактними майданчиками 15, 16 на нагрівальній підкладці та 17, 18 на охолоджувальній підкладці ТЕО. Проводи живлення електронно-оптичної частини 19, 20 припаяні до контактних майданчиків 15 і 16, причому до елемента N-типу провідності підведений дріт від клеми "плюс", а до елемента Р-типу - провід від клеми "мінус" джерела живлення. Контактні майданчики 17 і 18 на внутрішній стороні холодної підкладки ТЕО з'єднані перемичками 21 і 22 з контактними майданчиками електронно-оптичного елемента 23 і 24 на зовнішній стороні охолоджувальної підкладки. Переріз додаткових термоелементів N- і Р-типів провідності 13 і 14 обирається таким чином, щоб щільність струму в них збігалася з щільністю струму в інших елементах ТЕО. Якщо струми ТЕО та оптичного елемента IТЕО та Iopt задані, то площа перерізу додаткових термоелементів Sopt визначається згідно з формулою: Iopt , Sopt  S TEO ITEO де SТЕО - площа перерізу термоелементів модуля. Живлення ТЕО і активного електронно-оптичного елемента може здійснюватися від двох незалежних джерел струму або від одного джерела з одночасним включенням і вимиканням обох об'єктів. Для перевірки ефективності запропонованого технічного рішення виготовлені дослідні зразки пристрою, що включають активний електронно-оптичний елемент (об'єкт охолоджування), термоелектричний модуль і ребристий теплообмінник. Як об'єкт охолодження використовувався світлодіод W724C0 фірми Seoul Semiconductor (www.acrice.com). При значенні струму 2,8 А електрична потужність світлодіода 11,8 Вт, теплова потужність, що розсіюється - близько 9,5 Вт, світловий потік - 900 лм. Виготовлені і випробувані термоелектричні модулі двох типів: один - у стандартному виконанні з підведенням проводів живлення безпосередньо до об'єкта охолодження на охолоджувальній підкладці ТЕО, другий - в пропонованому виконанні з інтегрованим в конструкцію ТЕО ланцюгом живлення об'єкта охолодження. В обох варіантах використовувалися електроізоляційні підкладки з кераміки на основі нітриду алюмінію з теплопровідністю 180 Вт/(мК). Параметри модулів наведені в Таблиці 1. 45 Таблиця 1 Порівняння термоелектричних модулів Верхня Розміри Число термоелементів термо(мм) елементів Нижня Товщина Переріз Висота Стандартний 21×15 18×22 1 1×1 0,5 100 Згідно з заявленим рішенням 21×15 18×22 1 1×1 0,5 102 Тип модуля у випромінювачі Розміри підкладок (мм) 2 Параметри живлення ТЕО Струм живлення СІД (А) Струм Напруга (А) (В) 3.6 3.2 2.8 UA 104787 C2 5 10 Для відводу теплоти від термоелектричного модуля використаний ребристий теплообмінник LPD 80 фірми Alpha Company, Ltd (www.micforg.co.jp) розміри 80×80×40 мм з термічним опором в умовах природної конвекції - 2.2 К/Вт. Підключення СІД та ТЕО до джерел живлення здійснено проводами 20 AWG перерізом 0.52 мм. Проводи припаювалися до відповідних контактних майданчиків і закріплювалися на корпусі теплообмінника на відстані 10 мм від місця контакту. Випробування показали, що при використанні запропонованого технічного рішення температура світлодіода знижується на 6-8°С у порівнянні з варіантом стандартного ТЕО з підведенням проводів живлення безпосередньо до контактів СІД. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 1. Електронно-оптичний випромінювач, що містить принаймні один активний напівпровідниковий випромінюючий елемент, який підключений до джерела живлення, містить термоелектричний модуль, що складається з охолоджувальної і нагрівальної електроізоляційних підкладок і впаяних між ними термоелементів N- і Р-типів провідності і тепловідвід, який відрізняється тим, що ланцюг живлення активного напівпровідникового випромінюючого елемента є інтегрованим в конструкцію термоелектричного модуля, а саме між електроізоляційними підкладками термоелектричного модуля встановлено два додаткових термоелементи N- і Ртипу провідності, контакти яких з боку нагрівальної електроізоляційної підкладки приєднані до проводів живлення активного напівпровідникового випромінюючого елемента, а з боку охолоджувальної електроізоляційної підкладки приєднані до активного напівпровідникового випромінюючого елемента за допомогою електропровідних шин, причому "плюс" джерела живлення приєднаний до термоелемента N-типу провідності. 2. Електронно-оптичний випромінювач за п. 1, який відрізняється тим, що як тепловідвід використовують корпус випромінювача або ребристий теплообмінник, або будь-який інший тепловідвідний пристрій. 3. Електронно-оптичний випромінювач за будь-яким із пп. 1-2, який відрізняється тим, що термоелектричний модуль та активний напівпровідниковий випромінюючий елемент підключені послідовно або паралельно до одного джерела живлення. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3