|
|
Всё о светодиодах
Светодиоды
Светодиод, или светоизлучающий диод (СИД, в английском варианте LED — light emitting diode) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход. Основные типы светодиодов: 1. обычные светодиоды LED (light emitting diode), 2. светодиоды высокой яркости» (HB LEDs), 3. органические светодиоды OLED (organic light-emitting diodes)
1. Основные сведения о светодиодах
1.1. Принцип действия светодиодов
Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.
1.2. Внешний вид и основные параметры
У светодиодов есть несколько основных параметров: 1. Тип корпуса 2. Типовой (рабочий) ток 3. Падение (рабочее) напряжения 4. Цвет свечения (длина волны, нм) 5. Угол рассеивания. В основном под типом корпуса понимают диаметр и цвет колбы (линзы). Светодиод – это полупроводниковый прибор, который необходимо запитать током. Ток, которым следует запитать тот или иной светодиод, называется типовым. При этом на светодиоде падает определенное напряжение. Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями. Важнейшими элементами, используемыми в светодиодах, являются: Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In), Фосфор (P), вызывающие свечение в диапазоне от красного до жёлтого цвета. Индий (In), Галлий (Ga), Азот (N) используют для получения голубого и зелёного свечений. Кроме того, если к кристаллу, вызывающему голубое (синее) свечение, добавить люминофор, то получим белый цвет светодиода. Угол излучения также определяется производственными характеристиками материалов, а также колбой (линзой) светодиода.
1.3. Получение белого света 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.
1.4. Электрические и оптические характеристики светодиодов
Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В 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.
1.5. Проблема стабилизации тока через светодиод
В рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения. 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.
1.6. 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.
1.7. Вредность 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, 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.
1.8. Преимущества
1. Светодиоды оказались единственными источниками света, способными создать яркость, сравнимую с прежней, при энергопотреблении, составляющем всего 10% от уровня потребления энергии лампами. 2. Светодиоды не имеют никаких стеклянных колб и нитей накаливания, что обеспечивает высокую механическую прочность и надежность (ударная и вибрационная устойчивость), что обеспечивает антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. 3. Отсутствие разогрева и высоких напряжений гарантирует высокий уровень электро- и пожаробезопасности. 4. Безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда требуется высокое быстродействие. 5. Миниатюрность. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. 6. Долгий срок службы (долговечность) Срок службы светодиодов - 10 лет. 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%! 7. Относительно низкие напряжения питания и потребляемые токи, низкое энергопотребление. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, - 3-4 вольта Рабочее напряжение светодиодных модулей составляет 10-12В. В условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. 8. Большое количество различных цветов свечения, направленность излучения. 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. 9. Регулируемая интенсивность свечения. 10. Способность надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих 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.
1.9. Недостатки
1. Относительно высокая стоимость. Отношение деньги/люмен для обычной лампы накаливания по сравнению со светодиодами составляет примерно 100 раз. Но с другой стороны, практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 - 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники. 2. Малый световой поток от одного элемента, из-за чего требуется объединять многочисленные отдельные светодиоды в группы. Чтобы обеспечить яркий и красочный свет, мгновенно привлекающий внимание, требуется большое количество светодиодов. В данном случае возникает необходимость использования универсальных модулей: один или два светодиода, которые можно интегрировать практически в любой рекламный образ. 3. Деградация параметров светодиодов со временем. 4. Повышенные требования к питающему источнику.
1.11. Сравнение величин затрат на электроэнергию
Источник освещения
|
Флюоресцентное
|
Неон
|
Светодиоды
| Тип
| Н/О F-96
| Трубка диаметром 12мм, стандарт
| Белый
| Требуемая мощность Вт/м
| 91,5 Вт/м
| 60 Вт/м
| 4,8 Вт/м
| Для конструкции длиной 10 м
| 915 Вт
| 600Вт
| 48 Вт
| Потребление электроэнергии за 12 часов работы, КВт/час
| 10,98 КВт
| 7,2 КВт
| 0,58 КВт
|
|
|
