Характеристики белые светодиоды


Светодиоды белые

Дневной свет мы получаем от солнца, и благодаря ему видим все вокруг. Этот свет можно разложить на спектр, и понять, что он состоит из множества красок. В этом плане белые светодиоды очень напоминают природное явление. Их делают, комбинируя несколько цветов.

Белый светодиод

Содержание статьи

Виды белых светодиодов

В зависимости от принципа работы бывают два типа белых светодиодов:

  • люминофорные;
  • многокристальные.

Помимо этого они отличаются по мощности, цветовой температуре, размерам, углу рассеивания света и т. д. Наиболее распространенными среди белых чиповых светодиодов являются тонкие пластинки размером 5мм на 5мм или 3,5мм на 2,8мм, но встречаются меньшие и большие размеры.

Каждый производитель указывает на его взгляд самые необходимые характеристики, но в них всегда входят электрические и цветовые параметры.

Люминофорные белые светодиоды

Основой для создания белого света в люминофорных источниках является голубой (синий) или ультрафиолетовый светодиод. В чем принцип действия такого прибора?

На синий светодиод наносят слой специального желтого люминофора. Как только на него попадает излучение от светодиода, он сам начинает светиться. Спектр люминофорного излучения довольно широк, но больше всего в нем желтого цвета. Часть первоначального синего света рассеивается и смешивается с переизлученным светом, в результате чего мы видим белый.

От качества люминофора будет зависеть качество белого света. Он может быть холодным, с преобладанием синего, или теплым, с повышенным содержание желтого.

На сегодняшний белый светодиод, полученный на основе люминофорного излучения, является наиболее дешевым и востребованным. Его применяют в подавляющем большинстве бытовых осветительных приборов.

Многокристальные белые светодиоды

Если в один корпус поместить сразу три светодиода красного, синего и зеленого цветов, то в результате можно будет увидеть белый свет. Это принцип работы многокристального белого источника излучения.

Надо заметить, что встречаются и другие наборы кристаллов, но красно-сине-зеленый является самым распространенным. Его схема получила название RGB. Если вы внимательный человек, то могли замечать такую маркировку на многоцветной светодиодной ленте.

Цветопередача белых светодиодов на основе схемы RGB не очень хорошая, зато у них легко регулируется тон свечения. Это свойство используют в декоративном, праздничном освещении, в освещении, не требующем высокого качества цвета, но позволяющем подчеркнуть некоторые внешние характеристики объекта, как в рекламе.

Основные характеристики

Требования к белому свету высоки, когда речь идет о безопасности зрения. Необходимо, чтобы свет помогал нашей работе, а глазам было комфортно. В связи с этим возникают соответствующие требования к белому свету, излучаемому светодиодом.

Белый светодиод обладает следующими характеристиками света и цвета:

  • световая отдача;
  • яркость;
  • цветовая температура;
  • индекс цветопередачи.

Световая отдача показывает, насколько эффективно в светодиоде преобразуется электроэнергия. Физически ее определяют как отношение светового потока прибора к мощности, им потребляемой (люмен/Ватт).

Для сравнения скажем, что у лампы накаливания светоотдача составляет порядка 10-20 люмен/Ватт, а у лампы с белым светодиодом 50-150 люмен/Ватт. Сразу видно, какой источник освещения эффективней.

К тому же совсем недавно начали выпускать сверхмощные белые светодиоды, у которых светоотдача достигает значения в 200 Лм/Вт, и согласно теоретическим исследованиям – это не предел.

Очень часто приходится встречать такие понятия, как «теплый свет», «холодный свет», «близкий к дневному» и т. д. Все это выраженные словами показания цветовой температуры.

Помимо цветовых и световых характеристик, существуют геометрические и электрические параметры белого светодиода:

  • размер;
  • рабочее напряжение или ток;
  • потребляемая мощность.

Когда речь идет о размерах, надо различать размеры чипа и размеры колбы, в которую помещаются кристаллы. Для описания чипа существует четырехзначное число, которое указывает на его длину и ширину. Например, 5050, означает, что чип квадратный, со стороной 5мм.

Колбы используются в RGB-структуре и чаще всего производятся цилиндрической формы. Диаметр цилиндра может составлять 3мм, 5мм или 10мм. Изредка встречаются 8 миллиметровые колбы.

Напряжение, на которое рассчитан белый светодиод, лежит в интервале от 3 до 3,7 Вольт. Мощность изменяется в зависимости от модели в пределах от нескольких мили Ватт до 20 и более Ватт.

Можно сказать, что сфера производства белых светодиодов находится только на первом этапе своего развития. Технологии постоянно совершенствуются и все возможности получения этих приборов еще не изучены до конца.

le-diod.ru

Белый светодиод - это... Что такое Белый светодиод?

Мощный белый светодиод

Белый светодиод — светодиод, многокомпонентный полупроводниковый прибор, излучающий свет, вызывающий в силу особенностей психофизиологии восприятия цвета человеком (метамерия), ощущение света близкого к белому.

Различают два вида белых светодиодов:

  • Многокристальные светодиоды, чаще — трехкомпонентные (RGB-светодиоды), имеющие в своём составе три полупроводниковых излучателя красного, зелёного и синего свечения, объединённые в одном корпусе.
  • Люминофорные светодиоды, создаваемые на основе ультрафиолетового или синего светодиода, имеющие в своем составе слой специального люминофора, преобразующего в результате фотолюминесценции часть излучения светодиода в свет в относительно широкой спектральной полосе с максимумом в области жёлтого (наиболее распространенная конструкция). Излучение светодиода и люминофора, смешиваясь, дают белый свет различных оттенков.

История изобретения

Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены Н. Холоньяком в 1962 году. В начале 70-х годов появились светодиоды желтого и зеленого цвета свечения. Световой выход в начале малоэффективных устройств к 1990 году достиг уровня в один люмен. В 1993 году Суджи Накамура, инженер компании Nichia (Япония) создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB устройства, поскольку синий, красный и зеленый цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем, технология быстро развивалась и к 2005 году световой выход светодиодов достиг значения 100 лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света позволило конкурировать с лампами накаливания и с ставшими уже традиционными люминисцентными лампами. Началось использование светодиодных осветительных устройств в быту, в внутреннем и уличном освещении[1].

RGB светодиоды

Типичный спектр RGB светодиода

Белый свет может быть создан путем смешивания излучений светодиодов различного цвета. Наиболее распространена трихроматическая конструкция из красного (R), зелёного (G) и синего (B) источников, хотя встречаются бихроматические, тетрахроматические[2][3][4] и более многоцветные[5] варианты. Многоцветный светодиод, в отличие от других RGB полупроводниковых излучателей (светильники, лампы, кластеры) имеет один законченный корпус, чаще всего аналогичный одноцветному светодиоду. Светодиодные чипы располагаются рядом друг с другом и используют одну общую линзу и отражатель. Поскольку полупроводниковые чипы имеют конечный размер и собственные диаграммы направленности, такие светодиоды чаще всего имеют неравномерные угловые цветовые характеристики[6]. Кроме того, для получения правильного соотношения цветов зачастую недостаточно установить расчётный ток, поскольку световой выход каждого чипа неизвестен заранее и подвержен изменениям в процессе работы. Для установки нужных оттенков, RGB светильники иногда оснащают специальными регулирующими устройствами[7].

Спектр RGB светодиода определяется спектром составляющих его полупроводниковых излучателей и имеет ярко выраженную линейчатую форму. Такой спектр сильно отличается от спектра солнца, следовательно индекс цветопередачи RGB светодиода невысок. RGB-светодиоды позволяют легко и в широких пределах управлять цветом свечения путем изменения тока каждого светодиода, входящего в триаду, регулировать цветовой тон излучаемого ими белого света прямо в процессе работы — вплоть до получения отдельных самостоятельных цветов.

Многоцветные светодиоды имеют зависимость светового выхода и цвета от температуры за счет различных характеристик составляющих прибор излучающих чипов, что сказывается в незначительном изменении цвета свечения в процессе работы[8][9]. Срок службы многоцветного светодиода определяется долговечностью полупроводниковых чипов, зависит от конструкции и чаще всего превышает срок службы люминофорных светодиодов.

Многоцветные светодиоды используются в основном для декоративной и архитектурной подсветки[10][11], в электронных табло[12] и в видеоэкранах.

Люминофорные светодиоды

Спектр одного из вариантов люминофорного светодиода

Комбинирование синего (чаще) или ультрафиолетового (реже) полупроводникового излучателя и люминофорного конвертера позволяет изготовить недорогой источник света с неплохими характеристиками. Самая распространенная конструкция[13] такого светодиода содержит синий полупроводниковый чип нитрида галлия, модифицированный индием (InGaN) и люминофор с максимумом переизлучения в области жёлтого цвета — иттрий-алюминиевый гранат, легированный трёхвалентным церием (ИАГ). Часть мощности исходного излучения чипа покидает корпус светодиода, рассеиваясь в слое люминофора, другая часть поглощается люминофором и переизлучается в области меньших значений энергии. Спектр переизлучения захватывает широкую область от красного до зелёного, однако результирующий спектр такого светодиода имеет ярко выраженный провал в области зелёного-синезелёного цвета.

В зависимости от состава люминофора, выпускаются светодиоды с разной цветовой температурой («тёплые» и «холодные»). Путем комбинирования различных типов люминофоров, достигается значительное увеличение индекса цветопередачи (CRI или Ra)[14][15], что позволяет говорить о возможности применения светодиодного освещения в критических для качества цветопередачи условиях.

Один из путей увеличения яркости люминофорных светодиодов при сохранении или даже снижении их стоимости — увеличение тока через полупроводниковый чип без увеличения его размеров — увеличение плотности тока. Такой метод связан с одновременным повышением требований к качеству самого чипа и к качеству теплоотвода. С увеличением плотности тока, электрические поля в объеме активной области снижают световой выход[16]. При достижении предельных токов, поскольку участки светодиодного чипа с различной концентрацией примеси и разной шириной запрещённой зоны проводят ток по-разному[17], происходит локальный перегрев участков чипа, что влияет на световой выход и долговечность светодиода в целом. В целях увеличения выходной мощности при сохранении качества спектральных характеристик, теплового режима, выпускаются светодиоды, содержащие кластеры светодиодных чипов в одном корпусе[18].

Одна из самых обсуждаемых тем в области технологии полихромных светодиодов — это их надёжность и долговечность. В отличие от многих других источников света, светодиод с течением времени меняет свои характеристики светового выхода (эффективности), диаграммы направленности, цветовой оттенок, но редко выходит из строя полностью. Поэтому для оценки срока полезного использования принимают, например для освещения, уровень снижения светотдачи до 70% от первоначального значения (L70)[19]. То есть, светодиод, яркость которого в процессе эксплуатации снизалась на 30% считается вышедшим из строя. Для светодиодов, используемых в декоративной подсветке используется в качестве оценки срока жизни уровень снижения яркости 50% (L50).

Срок службы люминофорного светодиода зависит от многих параметров[20]. Кроме качества изготовления самой светодиодной сборки (способа крепления чипа на кристаллодержателе, способа крепления токоподводящих проводников, качества и защитных свойств герметизирующих материалов), время жизни в основном зависит от особенностей самого излучающего чипа и от изменения свойств люминофора с течением наработки (деградация). Причём, как показывают многочисленные исследования, основным фактором влияния на срок службы светодиода считается температура.

Влияние температуры на срок службы светодиода

Полупроводниковый чип в процессе работы часть электрической энергии излучает в виде излучения, часть в виде тепла. При этом, в зависимости от эффективности такого преобразования, количество тепла составляет около половины для самых эффективных излучателей или более. Сам полупроводниковый материал обладает невысокой теплопроводностью, кроме того, материалы и конструкция корпуса обладают определенной неидеальной тепловой проводимостью, что приводит к разогреву чипа до высоких (для полупроводниковой структуры) температур. Современные светодиоды работают при температурах чипа в районе 70-80 градусов. И дальнейшее увеличение этой температуры при использовании нитрида галлия, недопустимо. Высокая температура приводит к увеличению количества дефектов в активном слое, приводит к повышенной диффузии, изменению оптических свойств подложки. Всё это приводит к увеличению процента безизлучательной рекомбинации[21] и поглощению фотонов материалом чипа. Увеличение мощности и долговечности достигается усовершенствованием как самой полупроводниковой структуры (снижение локального перегрева), так и развитием конструкции светодиодной сборки, улучшением качества охлаждения активной области чипа. Также, проводятся исследования с другими полупроводниковыми материалами или подложками[22][23].

Люминофор также подвержен действию высокой температуры. При длительном воздействии температуры переизлучательные центры ингибируются и коэффициент преобразования, а также спектральные характеристики люминофора ухудшаются. В первых и некоторых современных конструкциях полихромных светодиодов люминофор наносится прямо на полупроводниковый материал и тепловое воздействие максимально. Кроме мер по снижению температуры излучающего чипа, производители используют различные способы снижения влияния температуры чипа на люминофор. Технологии изолированного люминофора[24] и конструкции светодиодных ламп, в которых люминофор физически отделен от излучателя позволяют увеличить срок службы источника света.

Корпус светодиода, изготавливаемый из оптически прозрачной кремнийорганической пластмассы или эпоксидной смолы, подвержен старению под воздействием температуры и со временем начинает тускнеть и желтеть, поглощая часть излучаемой светодиодом энергии. Отражающие поверхности также портятся при нагреве — вступают во взаимодействие с другими элементами корпуса, подвержены коррозии. Все эти факторы в совокупности приводят к тому, что яркость и качество излучаемого света постепенно снижается. Однако, этот процесс можно успешно замедлить, обеспечивая эффективный теплоотвод.

Конструкция люминофорных светодиодов

Схема одной из конструкций белого светодиода. MPCB — печатная плата с высокой тепловой проводимостью.

Современный люминофорный светодиод — это сложное устройство, объединяющее много оригинальных и уникальных технических решений. Светодиод имеет несколько основных элементов, каждый из которых выполняет важную, зачастую не одну функцию[25][26]:

  • Светодиодный чип. Полупроводниковый материал, используемый в составе светодиодов должен, кроме собственно способности излучать свет, иметь хорошую оптическую прозрачность (для обеспечения свободного выхода квантов света из активной области), обладать малой шириной запрещённой зоны (параметр, определяющий прямое пороговое напряжение, при котором светодиод испускает свет), иметь хорошую электрическую проводимость (для снижения активных потерь при прохождении тока) и ещё удовлетворять многим критериям технологичности в производстве.
  • Люминофор. Слой люминофора или смеси люминофоров подбирается весьма тщательно. Кроме достаточно широкого спектра переизлучения, активный материал и вещество, которое играет роль носителя, должны обеспечивать минимальный уровень безизлучательного поглощения. Особое внимание уделяется температурной стойкости и стабильности при длительной работе. Способ нанесения люминофора во многом определяет цветовые характеристики, в том числе угловые характеристики цвета и яркости[27].
  • Кристаллодержатель. Медный или другой материал, обработанный специальным образом для обеспечения хороших отражающих свойств и максимальной теплопроводности. Современные конструкции светодиодов позволяют обеспечить достаточно низкое тепловое сопротивление, например за счет пайки на поверхность (SMD) теплопроводного элемента корпуса светильника. Кристаллодержатель обычно сочетает в себе и функцию отражателя света, поскольку часть переизлученной энергии, а также часть рассеянного в слое люминофора света возвращается обратно.
  • Клей или эвтектический сплав. Способ крепления светодиодного чипа в корпусе должен обеспечивать прочность соединения, хороший и равномерный электрический контакт и отличную теплопроводность. Кроме этого, должен иметь хорошую отражающую способность и выдерживать длительное воздействие высокой температуры.
  • Защитный компаунд, объединяющий собственно элемент, защищающий структуру светодиода от коррозии и воздействия окружающей среды, и линзу (в случае необходимости фокусирования светового потока).
  • Токоподводящие элементы. Проводники или токоподводящие нити подводят ток к верхней, направленной наружу, стороне полупроводникового чипа. Такой проводник и способ его крепления должен, с одной стороны, обеспечить хороший контакт и низкое активное сопротивление току, с другой стороны, не должен препятствовать выходу света.

Все элементы конструкции светодиода испытывают тепловые нагрузки и должны быть подобраны с учетом степени их теплового расширения. И немаловажным условием хорошей конструкции является технологичность и низкая стоимость сборки светодиодного прибора и монтажа его в светильник.

Яркость и качество света

Самым важным параметром считается даже не яркость светодиода, а его cветовая отдача, то есть световой выход с каждого Ватта потреблённой светодиодом электрической энергии. Световая отдача современных светодиодов достигает 150-170 лм/Вт. Теоретический предел технологии оценивается в 260-300 лм/Вт[28]. При оценке необходимо учитывать, что эффективность светильника на базе светодиодов существенно ниже за счет КПД источника питания, оптических свойств рассеивателя, отражателя и других элементов конструкции. Кроме того, производители зачастую указывают начальную эффективность излучателя при нормальной температуре. Тогда как температура чипа в процессе работы значительно выше. Это приводит к тому, что реальная эффективность излучателя ниже на 5 — 7%, а светильника зачастую — вдвое.

Второй не менее важный параметр — качество производимого светодиодом света. Для оценки качества цветопередачи существует три параметра:

  • Цветовая температура, цветовая кореллированная температура (correlated color temperature, CCT) — характеризует оттенок цвета, даётся производителями для указания субъективного восприятия цветового оттенка света, производимого источником в сравнении с Планковским чёрным телом, нагретым до указанной температуры (в Кельвинах). Для освещения жилых помещений, преимущественно используют излучатели тёплого света (от 2700K до 3000K) и в некоторых случаях нейтрального (от 3500K до 4000K).
  • Индекс цветопередачи (color rendering index, CRI) — характеризует полноту спектра излучения, способность передавать правильно цвет предметов, по сравнению с солнечным светом. Определяется по стандарту опытным путем при сравнении цвета восьми эталонов, освещённых тестовым источником и максимально приближенным к идеальному. Считается, что источник бытового освещения должен иметь индекс цветопередачи не менее 80.
  • Качество света. Цветовая температура и индекс цветопередачи во многих случаях не могут адекватно передать качество производимого светодиодами света. Это в основном определяется особенностями спектра с резкими выбросами и провалами. Некоторые цвета, такие как глубокий красный, не анализируются по стандарту измерения CRI. Для более полной оценки качества света принимаются новые методики, например основанные не на восьми, а на девяти эталонах (с дополнительным девятым эталоном красного цвета R9), шкала качества цвета (Color Quality Scale, CQS), которая в будущем, наверное заменит CRI[29][30].

Люминофорный светодиод на базе ультрафиолетового излучателя

Кроме уже ставшего распространённым варианта комбинации голубого светодиода и ИАГ, развивается также конструкция на базе ультрафиолетового светодиода. Полупроводниковый материал, способный излучать в близкой ультрафиолетовой области[31], покрывают несколькими слоями люминофора на базе европия и сульфида цинка, активированного медью и алюминием. Такая смесь люминофоров дает максимумы переизлучения в районе зелёной, синей и красной областей спектра. Полученный белый свет обладает весьма хорошими характеристиками качества, однако эффективность такого преобразования пока невелика.

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов

Учитывая высокую стоимость светодиодных источников освещения по сравнению с традиционными лампами, необходимы веские причины для использования таких устройств[32]:

  • Основное преимущество белых светодиодов — высокий КПД. Низкое удельное энергопотребление позволяет применять их в длительно работающих источниках автономного и аварийного освещения.
  • Высокая надежность и длительный срок службы позволяют говорить о возможной экономии на замене ламп. Кроме того, использование светодиодных источников света в труднодоступных местах и уличных условиях позволяет снизить затраты на обслуживание. В совокупности с высокой эффективностью, можно сказать о существенной экономии средств при использовании светодиодного освещения в некоторых применениях.
  • Малый вес и размер устройств. Светодиоды отличаются малыми габаритами и пригодны для использования в труднодоступных местах и малогабаритных переносных устройствах.
  • Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения в спектре позволяет использовать светодиодное освещение без вреда для человека и в специальных целях (например для освещения раритетных книг или других подверженных влиянию света предметов).
  • Отличная работа при отрицательных температурах без снижения, а зачастую и с улучшением параметров. Большинство типов светодиодов показывают бо́льшую эффективность и долговечность при снижении температуры, однако устройства питания, управления и элементы конструкции могут иметь противоположную зависимость.
  • Светодиоды — безинерционные источники света, они не требуют времни на прогрев или выключение, как например люминесцентные лампы и количество циклов включения и выключения не оказывает негативного влияния на их надежность.
  • Хорошая механическая прочность позволяет использовать светодиоды в тяжёлых условиях эксплуатации.
  • Легкость регулирования мощности как скважностью, так и регулированием тока питания без снижения параметров эффективности и надёжности.
  • Безопасность использования, нет опасности поражения электрическим током за счет низкого питающего напряжения.
  • Низкая пожароопасность, возможность использования в условиях взрывоопасности и опасности возгорания за счет отсутствия накальных элементов.
  • Влагостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред.
  • Химическая нейтральность, отсутствие вредных выбросов и отсутствие специальных требований к процедурам утилизации.

Но есть и недостатки:

  • Белые светодиоды в производстве значительно дороже и сложнее аналогичных по световому потоку ламп накаливания, хотя их цена постоянно снижается.
  • Обладают в большинстве невысоким качеством цветопередачи, которое, однако постоянно растет.
  • Требуют продуманной и надёжной системы охлаждения[33].
  • Принципиальная невозможность работы при повышенных температурах окружающей среды более 60 — 80°C.
  • В силу значительной нелинейности вольт-амперной характеристики, белые светодиоды не могут непосредственно питаться от распространённых источников энергии и требуют для сохранения высокого КПД всей системы применения достаточно сложных специализированных источников питания (обычно, импульсных преобразователей — драйверов).

Светодиоды освещения обладают также особенностями, присущими всем полупроводниковым излучателям, учитывая которые, можно найти наиболее удачное применение, например направленность излучения. Светодиод светит только в одну сторону без применения дополнительных отражателей и рассеивателей. Светодиодные светильники наилучшим образом подходят для местного и направленного освещения.

Перспективы развития технологии белых светодиодов

Технологии изготовления светодиодов белого цвета, пригодных для целей освещения находятся в стадии активного развития. Исследования в этой области стимулируются повышенным интересом со стороны общества. Перспективы значительной экономии энергии привлекают инвестиции в сферу изучения процессов, развития технологии и поиска новых материалов. Судя по публикациям производителей светодиодов и сопутствующих материалов, специалистов в области полупроводников и светотехники, можно обозначить пути развития в этой области:

  • Исследования и поиск более эффективных и качественных люминофоров. Коэффициент преобразования люминофора влияет на общую эффективность светодиода, кроме того, спектр переизлучения во многом определяет качество излучаемого света. КПД самого на сегодняшний день популярного люминофора ИАГ составляет немногим более 95 %[34]. Эффективность же других люминофоров, обеспечивающих лучший спектр белого света, существенно меньше. Получение более эффективного, долговечного и с нужным спектром люминофора является целью многочисленных исследований[35][36][37][38][39][40].
  • Комбинированные многокомпонентные светодиоды. Кроме комбинации полупроводниковых чипов различного цвета, появляются светодиоды, содержащие несколько цветных чипов и люминофорный компонент[4]. Результирующий многокристальный светодиод получается ярким и хорошего качества, но его стоимость пока высока.
  • Белые светодиоды на квантовых точках. Использование в качестве конвертора квантовых точек позволяет создать светодиод с хорошим качеством света[41]. Однако, эффективность такого метода пока невысока.
  • Увеличение эффективности полупроводниковых излучающих материалов. Самый большой резерв эффективности — светодиодный чип. Квантовый выход для большинства полупроводниковых структур не превышает 50 %. Пока что самый высокий уровень эффективности достигнут у красных светодиодов и составляет чуть больше 60 %[42].
  • Переход на более дешёвые полупроводниковые структуры. Эпитаксиальные структуры на базе нитрида галлия (GaN) традиционно выращивают на подложке из сапфира. Использование в качестве основы других материалов, например карбида кремния, чистого кремния, позволяет существенно снизить стоимость светодиода[43]. Кроме попыток легирования нитрида галлия разными веществами, исследования ведутся с другими полупроводниковыми материалами — ZnSe, InN, AlN, BN.
  • Светодиоды без люминофора на базе эпитаксиальной структуры ZnSe на подложке ZnSe, активная область которой испускает голубой, а подложка одновременно - желтый свет[44].
  • Светодиоды с полупроводниковими преобразователями излучения. Дополнительный слой полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны способен поглотить часть световой энергии, что приводит к вторичному излучению в области меньших значений энергии[45].

См. также

Примечания

  1. ↑ Philips, 2010, p. 19—20
  2. ↑ Светодиоды MC-E компании Cree, содержащие красный, зелёный, голубой и белый излучатели  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  3. ↑ Светодиоды VLMx51 компании Vishay, содержащие красный, оранжевый, жёлтый и белый излучатели  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  4. ↑ 1 2 Многоцветные светодиоды XB-D и XM-L компании Cree  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  5. ↑ Светодиоды XP-C компании Cree, содержащие шесть монохроматических излучателей  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  6. ↑ Никифоров С. «S-класс» полупроводниковой светотехники // Компоненты и технологии : журнал. — 2009. — № 6. — С. 88—91.
  7. ↑ Трусон П. Халвардсон Э. Преимущества RGB-светодиодов для осветительных приборов // Компоненты и технологии : журнал. — 2007. — № 2.
  8. ↑ Шуберт, 2008, p. 404
  9. ↑ Никифоров С. Температура в жизни и работе светодиодов // Компоненты и технологии : журнал. — 2005. — № 9.
  10. ↑ Светодиоды для интерьерной и архитектурной подсветки  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  11. ↑ Сян Лин Ун (Siang Ling Oon) Светодиодные решения для систем архитектурной подсветки // Полупроводниковая светотехника : журнал. — 2010. — № 5. — С. 18—20.
  12. ↑ Светодиоды RGB для использования в электронных табло  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  13. ↑ Туркин А. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // Компоненты и технологии : журнал. — 2011. — № 5.
  14. ↑ Светодиоды с высокими значениями CRI  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  15. ↑ Технология EasyWhite компании Cree  (англ.). LEDs Magazine. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  16. ↑ Никифоров С., Архипов А. Особенности определения квантового выхода светодиодов на основе AlGaInN и AlGaInP при различной плотности тока через излучающий кристалл // Компоненты и технологии : журнал. — 2008. — № 1.
  17. ↑ Никифоров С. Теперь электроны можно увидеть: светодиоды делают электрический ток очень заметным // Компоненты и технологии : журнал. — 2006. — № 3.
  18. ↑ Светодиоды с матричным расположением большого количества полупроводниковых чипов  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  19. ↑ Срок службы белых светодиодов  (англ.). U.S. Department of Energy. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  20. ↑ Виды дефектов LED и методы анализа  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  21. ↑ Шуберт, 2008, p. 61, 77—79
  22. ↑ Светодиоды компании SemiLEDs  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  23. ↑ GaN-on-Si Программа исследований светодиодов на кремниевой основе  (англ.). LED Professional. Проверено 10 ноября 2012.
  24. ↑ Технология изолированного люминофора компании Cree  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  25. ↑ Туркин А. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы // Полупроводниковая светотехника : журнал. — 2011. — № 5. — С. 28—33.
  26. ↑ Иванов А. В., Фёдоров А. В., Семёнов С. М. Энергосберегающие светильники на основе высокоярких светодиодов // Энергообеспечение и энергосбережение – региональный аспект : XII Всероссийское совещание: материалы докладов. — Томск: СПБ Графикс, 2011. — С. 74—77.
  27. ↑ Шуберт, 2008, p. 424
  28. ↑ Белые светодиоды с высоким световым выходом для нужд освещения  (англ.). Phys.Org™. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  29. ↑ Основы светодиодного освещения  (англ.). U.S. Department of Energy. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  30. ↑ Шаракшанэ А. Шкалы оценки качества спектрального состава света — CRI и CQS // Полупроводниковая светотехника : журнал. — 2011. — № 4.
  31. ↑ Ультрафиолетовые светодиоды SemiLED с длиной волны 390-420 нм.  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  32. ↑ Philips, 2010, p. 4—5
  33. ↑ Системы активного охлаждения кампании Nuventix  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  34. ↑ Н.П.Сощин Современные фотолюминофоры для эффективных приборов твердотельного освещения. Материалы конференции.  (рус.) (february 1, 2010). Архивировано из первоисточника 27 октября 2012.
  35. ↑ О.Е.Дудукало, В.А.Воробьев Синтез люминофора на основе алюмоиттриевого граната для источников белого света на основе сид методом горения. Материалы конференции.  (рус.) (may 31, 2011). Архивировано из первоисточника 27 октября 2012.
  36. ↑ Тесты ускоренной температурной деградации люминофоров  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  37. ↑ Research and Markets Releases New 2012 Report on LED Phosphor Materials  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 10 декабря 2012. Проверено 30 ноября 2012.
  38. ↑ Intematix представил набор люминофоров для качественной цветопередачи  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  39. ↑ Lumi-tech предложил SSE люминофор для белых светодиодов  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  40. ↑ Красный фосфор от компании Intematix  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  41. ↑ Светодиоды на квантовых точках  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  42. ↑ Прототип красного всетодиода с длиной волны 609 нм компании Osram с эффективностью 61 %  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  43. ↑ Переход на структуру GaN-on-Si  (англ.). LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  44. ↑ Tim Whitaker Joint venture to make ZnSe white LEDs  (англ.) (December 6, 2002). Архивировано из первоисточника 27 октября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
  45. ↑ Шуберт, 2008, p. 426

Литература

Ссылки

dic.academic.ru

Светоизлучающие диоды, или LED, – характеристики и преимущества

Сегодня много говорят о LED-освещении как о самом выгодном, безопасном и перспективном способе получения искусственного света (аббревиатура происходит от английского названия светоизлучающих диодов – light-emitting diodes). Поскольку эти приборы стали широко использоваться относительно недавно, многих интересует информация о светодиодах: характеристиках, особенностях работы, преимуществах перед другими источниками света. Попробуем в этом разобраться.

Сила света

сравнение эффективности ламп освещения

Чтобы оценить, насколько эффективно работает светоизлучающий прибор, необходимо рассчитать показатель его светоотдачи. Для этого следует разделить световой поток (указан на упаковке лампы) на мощность. Самый высокий показатель светоотдачи демонстрируют LED, эта их характеристика стала настоящей притчей во языцех. Для сравнения: светоотдача ламп накаливания всего около 10-11 лм/Вт, у люминесцентных приборов освещения – не более 40 лм/Вт, у газоразрядных – максимум 60 лм/Вт. Светодиоды же отличаются исключительно высокой эффективностью работы: показатель светоотдачи у современных приборов достигает 120, а у некоторых и всех 140 лм/Вт!

Цветовая температура

цветовая температура светодиодов

О цветовой температуре светильников заговорили после появления энергосберегающих источников искусственного света. В отличие от ранее безальтернативных «лампочек Ильича», светивших в основном одним оттенком желтого, люминесцентные лампы могли излучать как в теплом, так и в холодном диапазоне спектра. После появления светодиодов характеристика эта стала еще более обсуждаемой. Цветовая температура измеряется в Кельвинах. Сегодня производят светодиодные лампы разного спектра свечения – от 2600 К (теплый желтый) до 8000 К (синий). Для домашнего освещения обычно используют лампы теплого и нейтрального белого свечения с цветовой температурой 2700-4000 К. В офисах и на производстве иногда устанавливают приборы, производящие более холодный белый свет.

Мощность и угол свечения

угол свечения светодиодов

Как уже упоминалось выше, LED- лампы отличаются высоким показателем светоотдачи, поэтому для получения аналогичного уровня освещенности помещения можно установить гораздо менее мощную светодиодную лампу. Некоторые производители уверяют, что светодиоды в 10 раз эффективнее ламп накаливания по показателю светоотдачи. Разница на самом деле велика, но не настолько. При покупке можно ориентироваться на соотношение 1:7. То есть для замены 75-ватной лампы накаливания достаточно купить 10-ваттную LED-лампу.

Еще одна характеристика светодиодов, о которой стоит знать, – это относительно узкий угол свечения LED-ламп. Они излучают не рассеянный, а направленный пучок света, угол которого составляет около 120-130 °. Если вы вкрутите такую лампу в люстру, потолок останется несколько затемненным.

Рабочий ресурс

У светодиодов есть еще одна преимущественная характеристика: LED лампы имеют сверхпродолжительный срок службы. Ранее говорили о 80000 и даже 100000 часах работы LED-ламп. Сегодня большинство производителей сообщают на упаковке своей продукции более скромные данные, которые, тем не менее, все равно впечатляют: срок эксплуатации – от 30000 до 50000 часов. По истечении этого времени светодиоды начинают деградировать, то есть давать более тусклый свет. Деградация светодиодов наступает быстрее, если они работают при высоких температурах. Но если в приборе установлен качественный радиатор, хорошо отводящий тепло от светодиодной платы, то светильник вполне может проработать заявленное количество часов независимо от температуры помещения.

RGB светодиоды

Отличительной особенностью LED-светильников стала возможность управления оттенками их свечения. Для этого нет необходимости устанавливать специальные светофильтры. Световой поток регулируют с помощью контроллера. Известно, что для отображения разнообразной цветовой палитры достаточно трех колеров: красного, зеленого и синего. В RGB лампах светодиоды этих цветов расположены под одной линзой. Управляя их свечением можно задавать различные цветовые сценарии. Это достаточно дорогие светильники, но они активно используются в светодизайне и рекламе.

Технология LED непрерывно развивается. Еще несколько лет назад светодиоды, несмотря на их привлекательные характеристики, стоили очень дорого. Сегодня качество этих осветительных приборов стало лучше, а цена снизилась. Поэтому повсеместно наблюдается замена традиционных светильников на более эффективные, безопасные и экономичные LED-лампы.

isvetodiod.ru

Пример выгорания светодиодов после 17500 часов работы

Производители светодиодных ламп и светодиодов обещают большую длительность работы, обычно составляет от 20 тысяч часов для старых моделей, и 30-50 тысяч часов для последних популярных моделей, таких как SMD 5630 и SMD 5730. На самые современные диоды длительность может составлять уже до 100 тыс. часов.

Характеристики кукурузы

В качестве примера с большим временем эксплуатации будет рассмотрена кукуруза с цоколем Е27 и напряжением 220В. Примерное непрерывное время работы этой лампы составляет 2 года, то есть 17,000 – 20,000 часов.

Светодиодная лампочка на SMD 5630

Светодиодная лампа была куплена на Aliexpress, и была поставлена в коридор на лестничной площадке, из-за того, что я заказывал белого света, а одна а оказалась холодного свечения. Эксплуатировалась в замкнутом пространстве, в прозрачном рифленом плафоне, и плафон при этом был температуры окружающего воздуха. За это время пластик на кукурузе пожелтел и явно стали видны следы деградации люминофора на диодах, которые обнажили внутренности светодиодов SMD 5630 под силиконовой поверхностью.

В ней использованы диоды низкого качества от мелкокитайского производителя, которые включены на 30% от общепринятой мощности, на 0,15 Вт вместо 0,5 Ватт. Таким образом, производитель защищает его от преждевременного снижения характеристик и обеспечивает приемлемую длительность использования.

Диоды бюджетные китайские, на 0,15W, вместо положенных популярных 0,5W.  Этим китайцы умело пользуются, то есть обманывают. Выдают их за полватные. Кто покупает первый раз и не разбирается в этом, не поймет что его обманули. Это я подробно описал в статье про выбор светодиодных лент, сравнивая цены, мощность и конечную выгоду.

Деградация

Пример, слева новый, справа старый (2 года работы)

По мере эксплуатации, светодиод подвергается воздействиям, которые негативно сказываются на его характеристиках.

Основные факторы:

  1. помутнение оптической части, выполненной из силикона;
  2. выгорание люминофора под воздействием температур;
  3. деформации корпуса из-за нагрева и напряжения корпуса;
  4. деградация кристалла.

Светодиод белого света изначально светит холодным синим цветом. Для получения нейтрального белого дневного света, кристалл покрывают люминофором, который преобразует синий в белый цвет.

Во время деградации кристалла, появляются дефекты, при которых участок кристалла перестает светить, но продолжает нагреваться. При этом начинает увеличиваться ток утечки, то есть ток проходит не излучая свет. Самым плохими катализаторами деградации являются ток выше номинального и повышенная температура. Поэтому надо быть осторожным при покупке сомнительных экземпляров, потому что наши китайские братья по разуму могут «разгонять» светодиоды, подавая ток выше номинального.

Ресурс

График деградации  от температуры и времени

Что же будет, когда он отработает указанное производителем время?Общепринятым стандартом считается, что за период указанной длительности работы яркость светодиода упадет на 30%.

Это правило в основном действует на именитых производителей, который соблюдают стандарты, а мелкие и неизвестные производители могут отходить от стандартных правил, с целью завышения параметров и технических характеристик светодиодных ламп. Они могут запросто указать стандартную длительность работы для модели, при этом умолчав, что при этом яркость упадет до 50%.

Во избежание различных неприятных сюрпизов, требуйте  продавца настоящие сертификаты на продукцию. Если сертификатов нет, то подсунуть могут что угодно. Еще одна сопутствующая проблема, это будет непонятно, относится сертификат к этим диодам или он от другой партии.

Измеряем падение яркости через 2 года

На торце обеих  установлено 8 штук

Выгорание люминофора и деградация налицо, но это лишь внешние признаки. Так как я покупал несколько одинаковых, из которых непрерывно в течение 2 лет работала одна, то сравним их яркость. Для теста берем такую же лампу с цоколем Е14 220В, которая практически не работала и отработавшую 17 – 20 тыс. часов.

Фото тестируемых кукуруз, одна в цилиндре

Для получения более точных результатов, будем сравнивать освещенность, создаваемую  SMD 5630, которые находятся только на торце, в количестве 8 штук. Для исключения влияния боковых светодиодов, одеваем неё цилиндр из бумаги.

Измеряем освещенность новой лампочки

Измеряем освещенность старой

В результате тестирования получаем:

  • после 2 лет дает освещенность 49 Люкс;
  • новая  светит на 73 Люкс.

Разница между старой и новой составляет 24 люкса, получается, что яркость  упала за время двухлетней непрерывной эксплуатации на 33%. Так как они неизвестного китайского производства и низкого качества, то можно сказать, что ресурс этих светодиодов составляет 20,000 часов.

Определяем режим работы

Чтобы определить светодиоды, которые не в номинальном режиме, а в заниженном или завышенном, то необходимо узнать тип диодов и вычислить суммарную потребляемую мощность и световой поток. Полученные данные сопоставляем с характеристиками светодиодной лампы, в результате чего делаем выводы. Основная проблема, это невозможность определить модель диода из-за наличия матовой колбы. Один из выходов, это найти такие же у другого продавца (например, если покупаете на Aliexpress), у которых указан тип диодов или есть фото без колбы.

led-obzor.ru

pobedashop.narod.ru

pobedashop.narod.ru

Сверхъяркие светодиоды белого свечения

В начале девяностых годов прошлого века японская фирма Nichia наладила выпуск светодиодов в десятки раз более ярких и тех цветов свечения, которых прежде недоставало: синего и белого. Приборы стали применять не только для индикации в аппаратуре, но и в различного рода табло, устройствах иллюминации.

С 1998 г. американская фирма HewtettРасkаrd начала производить светодиоды, пригодные для освещения салона автомобиля. Их светоотдача уже была лучше, чем у традиционных ламп накаливания, а ресурс - существенно выше. Кроме того, светодиодам присущи и многие другие достоинства - весьма малые габариты при большой механической прочности, способность работать при напряжении всего лишь в несколько вольт, практически неограниченная долговечность, простота управления свечением. "Светодиодные лампы" абсолютно безопасны, их можно монтировать в любых, в том числе труднодоступных местах.

Пока светодиоды еще не заменили лампы накаливания в наших домах. Но вполне вероятно, что в ближайшем будущем это произойдет. И тогда плата за электроосвещение станет просто символической.

В Москве в начале 2004 г. была принята трехлетняя программа энергосберегающего освещения на базе светодиодных технологий, которая предполагает использовать светодиоды в опытном строительстве, ЖКХ и других областях. Например, светодиодные светильники будут устанавливать в подземных переходах, подъездах, на лифтовых площадках, там, где не нужна большая освещенность, но требуется минимум обслуживания и энергозатрат, а также важна высокая вандалоустойчивость.

Собственно светодиод представляет собой полупроводниковый р-п переход, который преобразует электрический ток непосредственно в световое излучение с длиной волны, зависящей исключительно от ширины энергетической запрещенной зоны перехода, где происходит рекомбинация электронов и дырок, т. е. от материала полупроводника и от легирующих примесей. Поскольку белый свет есть сумма всех цветов, он, строго говоря, не может быть воспроизведен одним светодиодом. Сегодня почти все "белые" светодиоды на самом деле не совсем белые. Их р-п переход излучает синий свет, который падает на слой люминофора, излучающего в желтой и красной частях видимого спектра. Спектральная характеристика "белого" светодиода показана на рисунке 1. Человеческий глаз воспринимает такую комбинацию как практически белый свет с синим опенком, поскольку по интенсивности излучения синий немного превышает желтый и красный.

Рисунок 1

В таблицу сведены параметры некоторых отечественных и зарубежных "белых" светодиодов с силой света не менее 1 кд.

Таблица 1 - Параметры сверхъярких светодиодов

Большинство приборов оформлены в цилиндрическом корпусе из прозрачной пластмассы. Со стороны излучения корпус выполнен в виде линзы. Выводы у таких светодиодов, как правило, штампованные квадратного сечения, луженые; удлиненный вывод - анодный.

Рисунок 2

Отечественный светодиод 1П48 выпускают в металлическом корпусе двух конструктивных модификаций, и обе в двух вариантах - с линзой и без линзы (осевая высота светодиода без линзы - 1,85 мм). В таблице указаны параметры светодиодов с линзой; без линзы сила света равна 5 КД, а полный угол излучения - 120 град. Светодиоды 1П47 и 1П48 работоспособны в широком интервале рабочей температуры - от -60 до +85 оС, гарантированная наработка на отказ равна 100000 ч. Максимальный прямой ток светодиода 1П47 - 500 мА (с дополнительным теплоотводом - 1000 мА), светодиода 1П48 - 400 мА.

Рисунок 3 Рисунок 4

Светодиоды, наименование которых начинается с буквы N, - производства фирмы Nichia. Первая цифра в их числовом индексе обозначает диаметр корпуса светодиода в миллиметрах. Светодиоды NFCW036 и NBCW011 предназначены для поверхностного монтажа.

Рисунок 5 Рисунок 6

Обозначение светодиодов фирмы Lеdtroпiсs начинается с букв L или LD и числового индекса. Максимальный прямой ток этих приборов - 30 мА (сила света при этом больше на 30 ... 35 %), допустимая рассеиваемая мощность 120 мВт. Корпус светодиодов с числовым индексом 120 имеет диаметр 3 мм, 200 - 5 мм и 400 - 10 мм.

Рисунок 7 Рисунок 8 Рисунок 9

Светодиоды, наименование которых начинается с буквы L и дефиса, изготовлены фирмой Кingbright. Прибор L-7676CPWC-H-04 рассчитан на поверхностный монтаж.

Рисунок 10

Источники материала: ж-л "РАДИО" №9 2004г. стр.47,48; www.nichia.com, www.radiodetali.com, www.ledtronics.com, www.kingdright.com

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          


Смотрите также