Светодиоды
Cветодиод (LED) представляет собой полупроводниковое устройство, излучающее свет при прохождении через него электрического тока. Свет возникает, когда частицы, несущие ток (известные как электроны и дырки) объединяются в полупроводниковом материале в зоне p-n перехода.
Поскольку свет генерируется в твердом полупроводниковом материале, светодиоды описываются как твердотельные устройства. Термин твердотельное освещение, которое также включает в себя органические светодиоды (OLED), отличает эту технологию освещения от других источников света, таких как лампы накаливания, галогенные лампы, флуоресцентные лампы.
Рис. 1 — Светодиоды
Рис. 2 — Светодиодная лампа
Рис. 3 — Светодиодная лента
Различные цвета светодиодов
Внутри полупроводникового материала светодиода электроны и дырки находятся в энергетических зонах. Ширина запрещенной зоны определяет энергию фотонов (частиц света), излучаемых светодиодом.
Энергия фотона определяет длину волны испускаемого света и, следовательно, его цвет. Различные полупроводниковые материалы с различными запрещенными зонами создают разные цвета света. Точная длина волны (цвет) могут быть настроены путем изменения состава светоизлучающей или активной области.
Светодиоды состоят из соединений полупроводниковых элементов из III и V группы периодической таблицы химических элементов Менделеева. Примерами таких материалов, которые обычно используются в производстве светодиодов, являются арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP).
До середины 90-х годов светодиоды имели ограниченный диапазон цветов, в частности, коммерческие синие и белые светодиоды не существовали. Разработка светодиодов на основе нитрида галлия (GaN) завершила палитру цветов и открыла множество новых устройств.
Основные материалы, используемые при изготовлении светодиодов
Основными полупроводниковыми материалами, используемыми для производства светодиодов, являются:
- InGaN: синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости.
- AlGaInP: желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости.
- AlGaAs: красные и инфракрасные светодиоды.
- GaP: желтые и зеленые светодиоды.
Подключение светодиодов
Светодиоды имеют различные цвета и рабочие напряжения. Важной характеристикой светодиода является его номинальный ток. В зависимости от рабочего напряжения нам необходимо рассчитать резистор для светодиода, чтобы избежать повреждения светодиода большим током.
В электронных устройствах с напряжением питания 5 В для большинства маломощных светодиодов, как правило, резистора сопротивлением около 220 Ом вполне достаточно.
Светодиоды имеют полярность. Поэтому, чтобы светодиод светился, его анод должен быть соединен с плюсом источника питания, а катод с минусом. Обычно у светодиода ножка анода длиннее, чем ножка катода. К тому же, со стороны катода корпус светодиода скошен.
Рис. 4 — Устройство светодиодов
Не следует беспокоиться при ошибке в полярности подключения. Со светодиодом ничего не случиться, просто он не будет светиться. За исключением особого случая, когда вы подали очень большое напряжение.
Рис. 5 — Подключение светодиодов
RGB-светодиод
Полноцветный светодиод или по другому RGB-светодиод — Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий). Смешивая эти три цвета в разной пропорции можно отобразить любой цвет. К примеру, если зажечь все три цвета на полную мощность (красный: 100%, зеленый: 100%, синий: 100%), то получится свечение белого цвета. Если зажечь только два (красный: 100%, зеленый: 100%, синий: 0%), то будет светиться желтый цвет.
Рис. 6 — RGB-светодиоды
Конструктивно, RGB-светодиод состоит из трех кристаллов под одним корпусом и имеет 4 вывода: один общий и три цветовых вывода.
RGB-светодиоды бывают:
1. С общим анодом (CA)
2. С общим катодом (CC)
3. Без общего анода или катода (6 выводов). Как правило в SMD-исполнении.
Рис. 7 — Структурная схема RGB-светодиода
Самый длинный вывод RGB-светодиода, обычно является общим (анодом или катодом).
При подключении данных светодиодов, следует учесть, что напряжение, подаваемое для свечения цвета может быть разным для разных цветов.
К примеру, возьмем 5 мм светодиод MCDL-5013RGB ( I =20мА):
Ured = 2,0 В ,
Ugreen = 3,5 В,
Ublue = 3,5 В.
Рис. 8 — Свечение RGB-светодиода
Также следует отметить то, что для некоторых типов RGB-светодиодов необходимо использовать рассеиватель, иначе будут видны составляющие цвета.
Если у вас RGB-светодиод с общим катодом, то подключать его нужно по схеме на рисунке 9.
Рис. 9 — Схема подключения RGB-светодиода с общим катодом
Здесь мы видим, что три вывода подключаются через резисторы к источнику питания или к микроконтроллеру (например, Arduino), а четвертый вывод к минусу питания.
Для RGB-светодиода с общим анодом схема подключения показана рисунке 10.
Рис. 10 — Схема подключения RGB-светодиода с общим анодом
Следует обратить внимание, что нужно подключать сопротивления к каждому цвету, поскольку светодиоды работают с меньшим напряжением, чем выход микроконтроллера. Обычно для светодиода красного цвета достаточно резистора сопротивлением 150-180 Ом и 75-100 Ом для зеленого и синего цвета при напряжении питания 5 В.
За счет чего светодиоды меняют цвет?
Чтобы разобраться, за счет чего, в результате каких факторов внешнего и внутреннего воздействия, светодиоды меняют цвет, необходимо разобраться с общим устройством этого полупроводникового прибора. Оказывается, что изменение цветового спектра при свечении светодиода, независимо от типа и конструкции, происходит в результате изменения параметров напряжения. Оказывается, что под таким воздействием даже самый обыкновенный светодиод (например, оранжевый) изменит цвет по мере увеличения напряжения в сети. Сначала это будет желтый, затем светло-зеленый тон, а далее диод попросту перегорит.
Общий принцип явления
Внутреннее устройство любого полупроводникового диода (и светодиода, в том числе) – это два полупроводника, которые имеют разный уровень проводимости. В первом, электрический ток проходит за счет известного физического явления, обеспечивающего перемещение так называемых «свободных» электронов, а во втором – благодаря перемещению «дырок». Это места, где отсутствуют сами электроны.
На участке цепи, где обеспечено последовательное или параллельное соединение полупроводников, постоянно протекает процесс, называющийся рекомбинация. Электрон занимает положение «дырки», в результате, атом становится нейтральным. И вот в этот самый момент фиксируется излучение фотонов.
Эта излучаемая энергия, это не что иное, как цвет. Он может изменяться с учетом влияния следующих основных факторов:
- Тип полупроводника, из которого светодиоды сделаны.
- Какой вид примесей используется в месте контакта полупроводников.
- Размер запретной зоны по ширине, место, где протекает процесс рекомбинации.
- Параметры, величины, влияющие на проявление силы тока на данном участке электрической цепи.
Проще всего воздействовать на светодиод, добиваясь изменения цвета, регулируя величину электрического тока. Добиваются этого путем перемены параметров напряжения. В соответствии с законом Ома увеличение напряжения в цепи приводит к пропорциональному увеличению силы тока. Соответственно, в этот момент энергия фотона будет увеличиваться. Результатом будет перемещение цвета по направлению к холодной, синей части спектра.
Основные принципы формирования цвета с использованием светодиодов
Полезно будет вспомнить, что любой цвет и оттенок, формируется за счет трех основных цветов:
- Красный.
- Зеленый.
- Синий.
Комбинируя параметры этих трех цветов можно легко получать практически любые оттенки. Главное – правильно подбирать пропорции.
Исходя из этого параметра, чтобы любой световой прибор имел возможность менять цвета и оттенки, он должен иметь не менее трех источников света. Фактически, так оно и есть. Любой RGB-светодиод, это не что иное, как три излучающих кристалла, заключенных в едином корпусе.
Управление и контроль работы такого светодиода осуществляется за счет использования контроллера. Каждый светодиод, меняющий цвет, оснащен таким контроллером. Это устройство управляет каждым отдельным цветом.
Характерные особенности световых эффектов
Выясняя, как за счет рекомбинации дырок и электронов появляется неодинаковое излучение света, в результате чего светодиоды меняют цвет. Это излучение специалисты характеризуют параметрами квантового выхода. Эта величина получается в результате формирования определенного количества выделенных световых фантов.
- Внутренний. Находится внутри полупроводникового перехода.
- Внешний. Его место – непосредственно конструкция самого светодиода.
В первом случае теоретически можно обеспечить квантовый выход в параметрах, близких к 100% показателям. Но при одном условии – потребуется создавать экстремально высокие (для данного диода) токи и обеспечить эффективный отвод тепла.
Второй уровень предусматривает рассеивание части света внутри самого источника. Это свечение в основном поглощается элементами конструкции осветительного устройства, в результате снижается общая эффективность излучения.
RGBW светодиоды
Мы уже отмечали, что для формирования идеально белого цвета, необходимо обеспечить эффективную работу каждого RGB-светодиода, для чего максимально точно отбалансировать яркость свечения по каждому отдельному кристаллу. На практике это сделать достаточно сложно, поэтому, чтобы решить задачу кратчайшим путем, следует дополнить устройство диода кристаллом четвертого свечения. То есть, к красному, синему и зеленому кристаллам, являющимися обязательными компонентами современного диода, добавляется еще один кристалл – белый.
Подведем итог
Очевидно, что в конструкции современного светодиода имеются элементы, позволяющие при определенных условиях менять цвет. Основная причина этого – поведение контроллера, который под воздействием меняющегося напряжения передает соответствующие команды на RGB-светодиод.
Цвет и материалы светодиодов
Цвет и материалы свето излучающих диодов (СИД) определяют сферу их применения — от индикаторных целей до источников освещения. Цвет и спектр излучения светодиодных (СИД) излучателей определяется физическими параметрами P/N перехода используемых полупроводниковых материалов.
Содержание
Материалы [ ]
Длина волны излучаемого света зависит главным образом от ширины запрещённой энергетической зоны P/N перехода, при этом имеет силу следующая зависимость:
λ — длина волны, мкм E — ширина запрещённой зоны, эВ hc = 1,2398 1 эВ = 1,60218∙10‾ 19 Дж
Например у арсенид-галиевых ( Таблица цветов, материалов светодиодов и их характеристик
Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
Фосфид галлия (
синий с красным люминофором,
Ультрафиолетовые и синие светодиоды [ ]
Светодиоды c широкой запрещённой зоной обычно создают на основе GaN (нитрид галлия), и InGaN (нитрид галлия-индия).
Первые синие свето излучающие диоды (СИД) были созданы в 1971 Жаком Панковым в лаборатории [7] , [8] , [9]
В конце 1980-ых, были достигнуты ключевые крупные достижения в технологии эпитаксиального роста материала нитрида галия GaN с легированием p-типа, описанные в «современная эра оптоэлектронных устройств на базе GaN». Используя эти наработки, в 1993 были продемонстрированы синие светодиоды (СИД) высокой яркости.
К концу 1990-ых, синие светодиоды СИД стали широко доступным.
Зеленые СИД, изготовленные на базе системы InGaN-GaN, намного более эффективны и более ярки, чем зеленые СИД, произведенные из других полупроводниковых систем.
С полупроводниковыми системами, содержащими алюминий, чаще всего это AlGaN и AlGaInN, возможно достичь излучения еще более коротких длин волн. Уже сейчас на рынке становятся доступными ультрафиолетовые СИД, излучающие свет в диапазоне коротких длин волн. Почти все ультрафиолетовые СИД работающие в диапазоне длин волн
375-395 нм уже дёшевы в производстве и часто применяются, например, для заменены лампы невидимого (УФ) излучения, для проверки подлинности денежных знаков и документов в УФ лучах. Светоизлучающие диоды с излучением в области более коротких длин волн, пока более дороги. Однако и их производство возможно вплоть до для длин волн 247 нм. [10] Поскольку фоточувствительность микроорганизмов приблизительно соответствует спектру поглощения ДНК, с пиком приблизительно в 260 нм, ультрафиолетовое (невидимое) излучение в области 250–270 нм может использоваться в приборах для дезинфекции и устройствах для стерилизации помещений и инструментов. Недавнее исследование показало, что коммерчески доступные ультрафиолетовые СИД (365 нм) — уже применяются как более эффективное средство при дезинфекции и для устройств стерилизации инструментов. [11]
Светодиоды для получения дальнего УФ-излучения были созданы в лабораториях, с использованием нитрида алюминия (210 нм), [12] нитрид бора (215 нм) [13] [14] и алмаза (235 нм) [15] .
Белый цвет [ ]
Есть три основных способа получить интенсивный белый свет при использовании светодиодных излучателей СИД:
Первый способ заключается в использовании трёх светодиодных излучателей, каждый из которых должен излучать индивидуально один из трёх так называемых основных цветов (RGB) [16] — красный, зеленый, и синий — при одновременном восприятии этих цветов при определённых интенсивностях (Аддитивный синтез цвета) возможно получить ощущение белого света. Здесь используется эффект метамерии, при котором возможно подобрать различные наборы спектров, которые будут ощущаться нами как белый свет.
Другой способ также использует эффект метамерии. Он основан на использовании люминесцентного материала для того, чтобы к основному излучению синего светодиода добавить преобразованный люминофором жёлтый цвет в такой пропорции, чтобы глаз воспринимал их в виде белого цвета.
Ещё один способ основан также на использовании люминесцентного материала, но для того, чтобы полностью преобразовать монохроматический ультрафиолетовый свет УФ к широкому спектру воспринимаемому, как белый свет. Таким же образом работает например флуоресцентная лампа. В настоящее время этот принцип конструирования белых светодиодных излучателей — основной.
RGB системы [ ]
Спектральные характеристики для синего, зеленого, и красного полупроводниковых твердотельных светоизлучающих диодов высокой яркости. Спектральная ширина полосы излучения — приблизительно 24-27 нанометров для каждого из трех цветов.
Белый свет может быть произведен путём одновременного излучения нескольких СИД: — красного, зеленого и синего. Этот метод некоторые называют, разноцветный белый СИД (иногда называют RGB СИД). Его механизм связан с свойством нашего зрения воспринимать одновременное излучение нескольких различных цветов как белый цвет, но этот подход редко используется для производства белых излучателей. Однако он может быть интересен в других приложениях из-за гибкости при необходимости получать ощущения различных цветов, [17] кроме того, этот метод имеет более высокую квантовую эффективность при эмиссии белого света.
Существуют несколько типов белых СИД: двух, трёх, и четырёх цветные.
СИД с преобразованием спектра люминофором [ ]
Спектр «белого» излучателя использующего первичное излучение (синий цвет), которое непосредственно испускается переходом созданным на базе GaN (пик приблизительно в 465 нм) и преобразуется люминофором, в вторичное излучение с длинами волн в области примерно 500-700 нм.
Этот метод заключается в использовании покрытия светодиодного излучателя (главным образом излучающего в синей области, сделанного из InGaN) люминофорами различных цветов для того, чтобы получить ощущение белого света; полученный таким образом светоизлучающий диод называют белым светоизлучающим диодом на основе люминофора. [18] Излучение синего цвета подвергается «преобразованию» с помощью люминофора и при этом возможно преобразовать излучение кристалла светодиода с коротковолнового, в более длинноволновый диапазон. В зависимости от цвета излучателя исходного кристалла, использование различных люминофоров позволяет получать различные цвета свечения. Если используются несколько люминесцентных слоев отличающихся цветов, то испускаемый спектр расширяется, эффективно изменяя цвет, при высоком показателе эффективности излучателя. [19]
При использовании люминофоров, СИД имеют более низкую эффективность, чем классические СИД, из-за высокой потери отдачи при преобразовании, а также в связи с другими потерями связанными с возникающей проблемой деградации люминофоров. Однако, люминесцентный метод — не самая популярная технология для получения светодиодных излучателей с высокой интенсивностью белого света. Проектирование и производство источника света для широкого применения, используя одноцветный излучатель с люминесцентным преобразованием, более просто и более дешево, чем сложная система состоящая например из двух или трёх излучателей на разных длинах волн вызывающих при совместной работе ощущение белого света. Большинство чипов сверхярких излучателей на рынке, например белых СИД, теперь изготовлены, с использованием люминофоров, преобразовывающих основную полосу УФ излучателя в видимый свет.
Самая большая сложность на пути к высокой эффективности, по-видимому, обусловлено снижением потребляемой энергии. Большие усилия тратятся на оптимизацию этих устройств, чтобы обеспечить максимальную яркость при более высоких температурных режимах. Например, эффективность может быть увеличена, при использовании более эффективного излучателя или матрицы излучателей, или при использовании более подходящего типа люминофора. Патентованный конформный процесс покрытия Филипса Ламиледса обращается к проблеме переменной толщины люминофоров, излучая белым СИД более гомогенный белый цвет. [20] Продолжающееся развитие базируется на увеличении эффективности люминофора, и СИД, вообще и расширяется с появлением каждого нового продукта.
Белый СИД может быть также получен покрытием кристалла, свето излучающего диода с диапазоном ультрафиолетового излучения (УФ), плёнкой со смесью высокоэффективных люминофоров красно-синего света, полученных на основе «европия phosphors», добавляя излучение зелёного цвета легированием сульфида цинка медью и алюминием (ZnS:Cu, Ал). Этот метод, аналогичен работе флуоресцентных ламп. Он менее эффективен, чем метод преобразования синего цвета излучателя с люминофором YAG:Ce, поскольку является объёмным и требует больше энергии. Преобразования способствуют нагреву, но при этом удаётся получать при отдаче цвета с лучшими спектральными особенностями. Из-за более высокой энергии излучаемой ультрафиолетовыми СИД по сравнению с синими LEDами, оба подхода предлагают сопоставимую яркость. Однако существует проблема заключающаяся в том, что ультрафиолетовое излучение может проходить от излучающего чипа через внешние покрытия светодиодного источника света и тем самым может представлять опасность (или даже нанести вред) глазам или коже.
Органические светоизлучающие диоды (OLEDs) [ ]
Если светоизлучающий диод создан на базе органических материалов, то такой излучатель известен как светоизлучающий диод на базе органических соединений (OLED). Чтобы функционировать как полупроводник, органический материал излучателя должен иметь характеристики полупроводника. [21] Материалом такого излучателя могут быть органические молекулы или полимеры. Материалы из полимера могут быть гибкими; такие OLEDs известны как PLEDs или FLEDs.
По сравнению с стандартными неорганическими СИД, OLEDs легче, а материал для их изготовления может ещё иметь и специальные характеристики, для того чтобы обеспечить например гибкость светоизлучающей панели. Предполагается, что в будущем OLEDs будут: недорогими, гибкими устройствами для использования в дисплеях, источниках света и как элементы художественного оформления.
OLEDs используются в производстве дисплеев для портативных электронных устройств, типа сотовых телефонов, цифровых камер, и MP3-плееров. Демонстрировались также и большие дисплеи, [22] но их продолжительность работы все еще слишком мала (<1 000 часов) для того, чтобы стать широко применимыми в практических целях.
Сегодня, OLEDs работают с существенно более низкой эффективностью, чем неорганический СИД. [23]
Квантовый точечный (экспериментальный) СИД [ ]
Квантовые точки — свечение в нанокристаллах полупроводника при пропускании через них тока, обладающие уникальными оптическими свойствами. [24] Цвет их эмиссии может варьировать во всём спектре видимого света включая инфракрасный участок.
В сентябре 2009 Группа Nanoco объявила, что подписала объединенное соглашение развития с одной из ведущих японских компанией электроники, при содействии которой она будет разрабатывать свето излучающие диоды СИД созданные на базе излучающих квантовых точек. Предполагается, что они могут найти применение при создании нового поколения плоских экранов. [25]
Внешний вид дискретных светодиодных излучателей [ ]
Многообразие размеров, форм и цветов светодиодных излучателей
Миниатюрные СИД [ ]
Фото светоизлучающих диодов СИД, размещённых для наглядности рядом со спичкой, с внешними диаметрами 8 мм., 5 мм. и 3 мм.
Миниатюрные светоизлучающие диоды являются главным образом дискретными СИД, которые восновном используются как индикаторы, они имеют различные размеры с диаметром корпуса от 2 мм до 8 мм, изготавливаются в виде отдельных корпусных приборов или в виде чипов приспособленных для поверхностного монтажа. Они обычно просты в использовании и не требуют отдельного охлаждения. [26] Типичные токи потребления соответствуют от 1 миллиампера до 20 миллиампер. При этом несмотря на небольшие размеры приборов их поверхность более чем достаточна для естественного охлаждения излучающего перехода и не нуждается в дополнительном теплоотводе.
СИД Средней мощности [ ]
СИД средней мощности используются, когда необходима световая отдача на уровне нескольких люменов. Их иногда изготавливают в виде устройства состоящего из четырёх кристаллов, которое использует (два катода и два анода) с улучшенным отводом температуры от кристаллов, и имеет интегрированную полимерную линзу. Например светодиодные излучатели компании Philips Lumileds. Эти СИД обычно используются как аварийное освещение например при пожаре и в автомобильных задних фарах. Они в состоянии работать с более высокими токами (приблизительно до 100 миллиампер). Более высокий ток подразумевает и более высокую световую отдачу, требуемую для задних автомобильных фар и аварийного пожарного освещения.
Мощные СИД [ ]
Высокомощные излучатели СИД от Philips, Lumileds, которые применяются как элементы освещения, устанавливают на печатную плату в форме звезды диаметром 21 мм.
Высокомощные излучатели СИД от Philips, Lumileds, которые применяются как элементы освещения, устанавливают на печатную плату в форме звезды диаметром 21 мм. Мощные СИД (HPLED) могут работать при режимах с силой тока в цепи от сотен миллиампер до Ампера и больше, по сравнению с десятками миллиампер для обычных СИД. Некоторые излучатели могут достигать яркости более чем тысячи [27] , [28] люмен. Так как перегрев является разрушительным фактором для чипа, HPLEDs должен быть установлен на теплоотводящей основе, переносящей тепловое излучение от чипа к внешнему радиатору. Если высокое тепловое излучение HPLED не будет отведено, то устройство может быть сожжено за секунды. Единственный чип HPLED часто может заменять лампу накаливания в прожекторе, или может быть собран в виде матрицы чипов, формирующих мощный излучающий источник света.
Некоторые известные HPLEDs в этой категории — «Излучающий диод Lumileds, Osram Opto Полупроводниковый Золотой Дракон и X-лампа Cree». На сентябрь 2009 эффективность некоторых HPLEDs, изготовленных Cree Inc, теперь превышает 105 lm/W [29] (например XP-г XLamp светоизлучающий чип, испускающий холодный (характеристика цветовой температуры) белый свет), применяющийся в лампах, предназначенных, для замены ламп накаливания, галогенных, и даже флуоресцентных источников света, поскольку LEDs становятся всё более конкурентоспособными.
СИД используемые для индикаторных панелей [ ]
Калькулятор с дисплеем выполненным на светодиодных семисегментных индикаторах, 1970-ые годы.
Для сокращения числа выводов у многоразрядных светодиодных матриц их объединяют в одном корпусе и соединяют между собой равнозначные сегменты в каждом разряде. Количество выводов при этом сокращается до семи, плюс количество анодов (катодов) по одному на каждый разряд. При этом при отображении многоразрядного числа, на общие выводы подают поочерёдно коды каждого из отображаемых разрядов, при этом питание (в этот момент) подводится только к аноду (катоду) того разряда, код которого подан в данный момент на общую шину. Такой способ отображения называется динамической индикацией. При этом, используя специфику нашего зрения мы видим одновременное отображение всех разрядов индикатора.
Цветные СИД — фактически два различных СИД размещённых в одном случае. Они состоят из двух светоизлучающих диодов, и в нормальном состоянии подключены встречно, последовательно друг другу. Протекающий в одну сторону ток вызывает работу только одного из светоизлучающих диодов и вызывает излучение только одного цвета. Ток пропущенный в другом направлении вызывает излучение другого цвета. Чередование направления тока в устройстве в двух направлениях с достаточной частотой вызывает появление смешанного третьего цвета. Например, поочерёдное быстрое чередование красного/зеленого, излучения произведёт ощущение желтого цвета.
Трёхцветные СИД по сути являются теми же двумя СИД размещёнными в одном корпусе, при этом эти два СИД связаны так, чтобы они могли работать как одновременно, так и по отдельности. При этом этими двумя СИД можно управлять независимо и получать ощущения различного цвета. Например красный и зелёный излучатели при одновременной работе вызывают ощущение жёлтого цвета. Изменяя режимы обоих светодиодов можно получить ощущение цвета с любым оттенком от красного до зелёного цветов.
RGB СИД содержат красные, зеленые и синие эмитенты, используют для управления всего четыре отвода, при этом один из отводов является общим для всех. Эти СИД могут иметь, или общее Анод или общий Катод.
Алфавитно-цифровые излучатели обычно изготавливают в формате «starburst» в виде семисегментных светодиодных матриц. Семисегментные излучатели могут отобразить все числа и ограниченный набор знаков. Семисегментные светодиодные матрицы для экранов, ранее были широко распространенными и использовались восновном в 1970-ых и 1980-ых годах, но в дальнейшем, в связи с увеличением использования жидкокристаллических мониторов (с их более низким расходом энергии и большими возможностями при индикации), их популярность резко уменьшилась.
Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества
Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества
Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели — все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.
Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.
Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions — часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен — не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.
1. Что такое светодиод?
Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.
2. Из чего состоит светодиод?
Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.
Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.
3. Как работает светодиод?
Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?
Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.
5. Чем хорош светодиод?
В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и, теоретически, это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
6. Чем плох светодиод?
Только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2-3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.
7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?
Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.
В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.
К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.
8. От чего зависит цвет светодиода?
Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.
9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?
Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)
У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.
Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но. проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.
Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире — дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош. » — и работы Панкова не поддержали.
Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.
Это сделали японцы — профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.
Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.
Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10-20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.
10. Что такое квантовый выход светодиода?
Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.
Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.
11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?
Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.
12. Какой из трех способов лучше?
У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.
Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.
13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?
Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.
14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?
Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.
Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.
15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?
Как видно из рисунка 2, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.
 |
| Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода. |
16. Для чего светодиоду требуется конвертор?
Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.
17. Можно ли регулировать яркость светодиода?
Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.
18. Чем определяется срок службы светодиода?
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.
19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?
Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.
20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?
Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.
Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский — крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».
21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?
Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.
Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.
В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто — фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.
Одновременно специалисты из группы Бориса Ферапонтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!
Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова — выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.
Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.
22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?
Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.
| |
| Рис. 3. Схематическое представления светодиода. |
За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5-2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это технология, требующая высокой культуры.
Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.
Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.
Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.
Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.
Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.
23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?
Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей — электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.
Впрочем, существуют компании, специализирующиеся только на производстве чипов. Это предприятия радиоэлектронной промышленности, и они не занимаются светотехникой. К их числу относится Nichia Corporation.
24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?
Чипы и отдельные светодиоды производят компании Nichia Corporation, Сгее, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core. Массовое производство структур и чипов для светодиодов ведут тайваньские фирмы Lite-On, Taiwan Oasis и др.
В России светодиоды производят компании Корвет Лайт, Светлана Оптоэлектроника, Оптэл, Оптоника. По конструкции и технологическому исполнению наши светодиоды не уступают зарубежным, специалисты перечисленных компаний имеют соответствующие патенты. В Москве и Санкт-Петербурге есть возможность выращивать собственные чипы — например, эпитаксиальная установка имеется в Санкт-Петербургском физтехе, — но для промышленного производства необходимо крупное финансирование, и пока наши компании используют зарубежные чипы.
25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?
Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.
26. Возможности и применение
Изобретение первых светодиодов — полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку — относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.
Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе — мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.
Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, — оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.
Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.
27. Преимущества
Экономично.
Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения — максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.
За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!
Удобно.
Светодиодный модуль — многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.
Надежно.
Есть надежность совершенно особого рода — та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.
Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, — 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12 В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.
Красиво.
Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.
Представительно.
Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.