Светотехника
06.12.11 |
Светодиоды. Устройство, применение светодиодов.
Электрические источники света появились более 130 лет назад, и за все эти годы люди использовали два типа источников света — тепловые и газоразрядные. И только в самом конце 20-го века появился третий тип электрических источников света — полупроводниковые источники света или светоизлучающие диоды (светодиоды).
В светодиодах используется принцип генерации света при прохождении электрического тока через границу полупроводникового и проводящего материалов. Прохождение электрического тока можно представить как поток электронов в определенном направлении, движущийся под действием напряжения между концами проводника. Проводящие материалы или проводники можно сравнить с каналом, по которому течет поток воды, а полупроводники — с порогом на пути потока. В одну сторону («сверху вниз») поток без проблем преодолевает порог, при этом даже выделяя какое-то количество энергии. Но чтобы заставить этот поток преодолеть порог в обратную сторону, надо затратить какое-то усилие, необходимое для подъема потока на высоту порога.
В полупроводниках электрический ток в одну сторону (в проводящем направлении) течет при приложении даже небольшого напряжения (как бы уклона в канале с водой), свободно преодолевая порог. В потоке воды энергия, выделяющаяся при преодолении порога, может вращать турбины, мельничные колеса и т. п. — все зависит от высоты порога и количества протекающей воды. Точно также электроны при преодолении «энергетического порога» выделяют определенную энергию. Обычно эта энергия выделяется в виде тепла, но при определенных условиях может превращаться и в свет.
Факт свечения некоторых полупроводниковых материалов (вернее, границы между проводником и полупроводником) при прохождении электрического тока был замечен учеными очень давно (в 1920 году русским инженером А. Ф. Лосевым). Однако это свечение было очень слабым, и практического применения этот эффект долго не находил. В начале 60-х годов появились первые приборы, использующие этот эффект — индикаторные элементы со слабым красным, а через несколько лет и зеленым свечением. Приборы получили название светодиодов. В качестве полупроводникового материала в них использовались арсениды алюминия, индия и смеси этих веществ. Световая отдача светодиодов в те годы составляла не более 0,1 лм/Вт (в 100 раз меньше, чем у ламп накаливания), срок службы измерялся сотнями часов и, естественно, они даже не рассматривались как источники света в общепринятом понимании.
Положение коренным образом начало меняться в конце 80-х годов благодаря работам Ж. И. Алферова и других ученых, когда были созданы принципиально новые полупроводниковые материалы, позволившие сразу на несколько порядков увеличить мощность, яркость, световую отдачу и срок службы светодиодов. В новых материалах используются соединения индия, галлия, алюминия в различных сочетаниях. Светодиоды на основе этих материалов давали уже довольно яркий свет красного, зеленого, желтого и оранжевого цветов. В 1996 году японским специалистам из компании Nichia после двадцатилетних поисков удалось создать первые светодиоды с синим цветом излучения. Синий свет с помощью люминофоров стали превращать в желтый, дающий в комбинации с синим белый свет различных оттенков, и с 1997-98 гг. в разных странах одновременно стали появляться первые осветительные приборы, в которых светодиоды выполняли функции не индикаторных элементов, а именно источников света.
Сегодня светодиоды (иностранное обозначение — LED, Lighting Emitted Diode) — наиболее развивающееся направление в области источников света. Сейчас созданы светодиоды практически всех цветов радуги — от красного до фиолетового, а также диоды, излучающие в инфракрасной области. К производству светодиодов приступили мировые лидеры в области источников света Osram и Philips и десятки более мелких фирм во всех развитых странах.
В настоящее время достигнуты следующие параметры светодиодов массового производства: световая отдача белых до 25 лм/Вт (выше, чем у ламп накаливания общего назначения и большинства галогенных ламп), красных и зеленых — более 30 лм/Вт; срок службы — 50000 часов. На лабораторных образцах белых светодиодов достигнута световая отдача 125 лм/Вт.
Фирма Hewlett Packard сообщала о сроке службы светодиодов 1 миллион часов или 120 лет непрерывной работы! Несомненно, что светодиоды в ближайшие десятилетия смогут вытеснить с рынка и тепловые, и разрядные источники света. Типичное устройство светодиода показано на рис. 1.
Рис. 1. Устройство светодиода
Основу светодиодов составляет полупроводниковый кристалл 1, расположенный на проводящей подложке 2. К кристаллу и подложке подводится электрическое напряжение через вводы 3 и 4. Кристалл окружен отражателем 5, направляющим свет в одну сторону. От внешних воздействий кристалл защищен корпусом 6 из прозрачной эпоксидной смолы или поликарбоната. Верхняя часть корпуса, как правило, делается в виде купола с определенной кривизной, и исполняет роль линзы, формирующей световой пучок. Иногда вместо купола делаются «линзы Френеля», то есть наборы концентрических микролинз на общем плоском основании.
Внутренний отражатель и корпус-линза формируют световой поток, излучаемый кристаллом, надлежащим образом, поэтому в светильниках со светодиодами не требуется применения какой-либо дополнительной оптической системы, как при «обычных» источниках света.
Для питания светодиодов нужен постоянный ток низкого напряжения, величина которого зависит от цветности излучения: у красных светодиодов это 1,9-2,1 В, у зеленых 2,5 - 3 В, у синих и белых — около 4-х В.
Основную массу выпускаемых в настоящее время светодиодов составляют светодиоды с куполообразным корпусом диаметром 5 мм. Их номинальный рабочий ток — 20 мА. Некоторые фирмы производят светодиоды диаметром 10 мм с рабочим током 40 мА. Наибольшая мощность отдельного светодиода сегодня — 5 Вт.
Кроме большого срока службы, светодиоды имеют много других достоинств: высокую надежность; очень высокую устойчивость к внешним воздействующим факторам (окружающей температуре, влажности, механическим нагрузкам); малые габариты; высокий коэффициент использования светового потока; легкую управляемость; полную экологическую безопасность из-за отсутствия ртути и стекла; безопасность обслуживающего персонала. Широкая цветовая гамма и разнообразие углов излучения (от 3о, то есть очень узкого светового пучка, до 180о, то есть равномерного свечения в полусфере) способствуют использованию светодиодов в различных световых приборах.
В настоящее время светодиоды используются, прежде всего, в светосигнальных приборах — автодорожных и железнодорожных светофорах, информационных табло, указателях и т.п. В последние годы многие фирмы в России и за рубежом начали делать настольные и переносные светильники с белыми светодиодами, а также применять светодиоды в аварийных светильниках.
В Москве почти все перекрестки в пределах Садового кольца, а также Ленинградский проспект, проспект Мира, Третье транспортное кольцо, МКАД и другие магистрали оснащены светофорами и дорожными указателями с использованием светодиодов. На Пушкинской площади, у гостиницы «Россия» и в некоторых других местах установлены большие (примерно 10 х 5 метров) светодиодные рекламно-информационные щиты, изображение на которых хорошо видно даже в солнечные дни.
В России несколько фирм (Корвет-Лайтс, ОПТЭЛ, Светлана-Оптоэлектроника, Протон) делают светодиоды, по качеству не уступающие зарубежным, а часто и превосходящие их. Например, Корвет- Лайтс первым в мире начал делать «полноцветные» светодиоды, в которых красные, зеленые и синие кристаллы объединены в одном корпусе, что позволяет получать практически неограниченное количество цветовых оттенков излучения одного светодиода. Эта же фирма первой в мире стала производить светодиоды в шестигранных корпусах, допускающих сплошной монтаж и создание больших равномерно светящихся поверхностей, а также светодиоды с плоскими линзами Френеля. В научно-производственном центре ОПТЭЛ изготавливаются мощные светодиоды и светодиодные сборки (модули) разных цветов, а также инфракрасные диоды.
Недостатками светодиодов являются: малая единичная мощность, приводящая к необходимости использования большого их количества для создания необходимых уровней освещенности; низкое напряжение питания, требующее включения светодиодов только со специальными понижающими трансформаторами и выпрямителями; довольно высокая цена, особенно белых и синих. Несомненно, что со временем все эти недостатки будут устранены.
В светодиодах используется принцип генерации света при прохождении электрического тока через границу полупроводникового и проводящего материалов. Прохождение электрического тока можно представить как поток электронов в определенном направлении, движущийся под действием напряжения между концами проводника. Проводящие материалы или проводники можно сравнить с каналом, по которому течет поток воды, а полупроводники — с порогом на пути потока. В одну сторону («сверху вниз») поток без проблем преодолевает порог, при этом даже выделяя какое-то количество энергии. Но чтобы заставить этот поток преодолеть порог в обратную сторону, надо затратить какое-то усилие, необходимое для подъема потока на высоту порога.
В полупроводниках электрический ток в одну сторону (в проводящем направлении) течет при приложении даже небольшого напряжения (как бы уклона в канале с водой), свободно преодолевая порог. В потоке воды энергия, выделяющаяся при преодолении порога, может вращать турбины, мельничные колеса и т. п. — все зависит от высоты порога и количества протекающей воды. Точно также электроны при преодолении «энергетического порога» выделяют определенную энергию. Обычно эта энергия выделяется в виде тепла, но при определенных условиях может превращаться и в свет.
Факт свечения некоторых полупроводниковых материалов (вернее, границы между проводником и полупроводником) при прохождении электрического тока был замечен учеными очень давно (в 1920 году русским инженером А. Ф. Лосевым). Однако это свечение было очень слабым, и практического применения этот эффект долго не находил. В начале 60-х годов появились первые приборы, использующие этот эффект — индикаторные элементы со слабым красным, а через несколько лет и зеленым свечением. Приборы получили название светодиодов. В качестве полупроводникового материала в них использовались арсениды алюминия, индия и смеси этих веществ. Световая отдача светодиодов в те годы составляла не более 0,1 лм/Вт (в 100 раз меньше, чем у ламп накаливания), срок службы измерялся сотнями часов и, естественно, они даже не рассматривались как источники света в общепринятом понимании.
Положение коренным образом начало меняться в конце 80-х годов благодаря работам Ж. И. Алферова и других ученых, когда были созданы принципиально новые полупроводниковые материалы, позволившие сразу на несколько порядков увеличить мощность, яркость, световую отдачу и срок службы светодиодов. В новых материалах используются соединения индия, галлия, алюминия в различных сочетаниях. Светодиоды на основе этих материалов давали уже довольно яркий свет красного, зеленого, желтого и оранжевого цветов. В 1996 году японским специалистам из компании Nichia после двадцатилетних поисков удалось создать первые светодиоды с синим цветом излучения. Синий свет с помощью люминофоров стали превращать в желтый, дающий в комбинации с синим белый свет различных оттенков, и с 1997-98 гг. в разных странах одновременно стали появляться первые осветительные приборы, в которых светодиоды выполняли функции не индикаторных элементов, а именно источников света.
Сегодня светодиоды (иностранное обозначение — LED, Lighting Emitted Diode) — наиболее развивающееся направление в области источников света. Сейчас созданы светодиоды практически всех цветов радуги — от красного до фиолетового, а также диоды, излучающие в инфракрасной области. К производству светодиодов приступили мировые лидеры в области источников света Osram и Philips и десятки более мелких фирм во всех развитых странах.
В настоящее время достигнуты следующие параметры светодиодов массового производства: световая отдача белых до 25 лм/Вт (выше, чем у ламп накаливания общего назначения и большинства галогенных ламп), красных и зеленых — более 30 лм/Вт; срок службы — 50000 часов. На лабораторных образцах белых светодиодов достигнута световая отдача 125 лм/Вт.
Фирма Hewlett Packard сообщала о сроке службы светодиодов 1 миллион часов или 120 лет непрерывной работы! Несомненно, что светодиоды в ближайшие десятилетия смогут вытеснить с рынка и тепловые, и разрядные источники света. Типичное устройство светодиода показано на рис. 1.
Рис. 1. Устройство светодиода
Основу светодиодов составляет полупроводниковый кристалл 1, расположенный на проводящей подложке 2. К кристаллу и подложке подводится электрическое напряжение через вводы 3 и 4. Кристалл окружен отражателем 5, направляющим свет в одну сторону. От внешних воздействий кристалл защищен корпусом 6 из прозрачной эпоксидной смолы или поликарбоната. Верхняя часть корпуса, как правило, делается в виде купола с определенной кривизной, и исполняет роль линзы, формирующей световой пучок. Иногда вместо купола делаются «линзы Френеля», то есть наборы концентрических микролинз на общем плоском основании.
Внутренний отражатель и корпус-линза формируют световой поток, излучаемый кристаллом, надлежащим образом, поэтому в светильниках со светодиодами не требуется применения какой-либо дополнительной оптической системы, как при «обычных» источниках света.
Для питания светодиодов нужен постоянный ток низкого напряжения, величина которого зависит от цветности излучения: у красных светодиодов это 1,9-2,1 В, у зеленых 2,5 - 3 В, у синих и белых — около 4-х В.
Основную массу выпускаемых в настоящее время светодиодов составляют светодиоды с куполообразным корпусом диаметром 5 мм. Их номинальный рабочий ток — 20 мА. Некоторые фирмы производят светодиоды диаметром 10 мм с рабочим током 40 мА. Наибольшая мощность отдельного светодиода сегодня — 5 Вт.
Кроме большого срока службы, светодиоды имеют много других достоинств: высокую надежность; очень высокую устойчивость к внешним воздействующим факторам (окружающей температуре, влажности, механическим нагрузкам); малые габариты; высокий коэффициент использования светового потока; легкую управляемость; полную экологическую безопасность из-за отсутствия ртути и стекла; безопасность обслуживающего персонала. Широкая цветовая гамма и разнообразие углов излучения (от 3о, то есть очень узкого светового пучка, до 180о, то есть равномерного свечения в полусфере) способствуют использованию светодиодов в различных световых приборах.
В настоящее время светодиоды используются, прежде всего, в светосигнальных приборах — автодорожных и железнодорожных светофорах, информационных табло, указателях и т.п. В последние годы многие фирмы в России и за рубежом начали делать настольные и переносные светильники с белыми светодиодами, а также применять светодиоды в аварийных светильниках.
В Москве почти все перекрестки в пределах Садового кольца, а также Ленинградский проспект, проспект Мира, Третье транспортное кольцо, МКАД и другие магистрали оснащены светофорами и дорожными указателями с использованием светодиодов. На Пушкинской площади, у гостиницы «Россия» и в некоторых других местах установлены большие (примерно 10 х 5 метров) светодиодные рекламно-информационные щиты, изображение на которых хорошо видно даже в солнечные дни.
В России несколько фирм (Корвет-Лайтс, ОПТЭЛ, Светлана-Оптоэлектроника, Протон) делают светодиоды, по качеству не уступающие зарубежным, а часто и превосходящие их. Например, Корвет- Лайтс первым в мире начал делать «полноцветные» светодиоды, в которых красные, зеленые и синие кристаллы объединены в одном корпусе, что позволяет получать практически неограниченное количество цветовых оттенков излучения одного светодиода. Эта же фирма первой в мире стала производить светодиоды в шестигранных корпусах, допускающих сплошной монтаж и создание больших равномерно светящихся поверхностей, а также светодиоды с плоскими линзами Френеля. В научно-производственном центре ОПТЭЛ изготавливаются мощные светодиоды и светодиодные сборки (модули) разных цветов, а также инфракрасные диоды.
Недостатками светодиодов являются: малая единичная мощность, приводящая к необходимости использования большого их количества для создания необходимых уровней освещенности; низкое напряжение питания, требующее включения светодиодов только со специальными понижающими трансформаторами и выпрямителями; довольно высокая цена, особенно белых и синих. Несомненно, что со временем все эти недостатки будут устранены.