Главная  /  О светодиодах

О светодиодах

 

  1. Что собой представляет светодиод?
  2. Составные элементы светодиода?
  3. Как работает светодиод?
  4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?
  5. Чем хорош светодиод?
  6. Когда светодиоды начали применяться для освещения?
  7. От чего зависит цвет светодиода?
  8. Что такое квантовый выход светодиода?
  9. Как получить белый свет с использованием светодиодов?
  10. Какой из трех способов лучше?
  11. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?
  12. Как реагирует светодиод на повышение температуры?
  13. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?
  14. Для чего светодиоду требуется конвертор?
  15. Можно ли регулировать яркость светодиода?
  16. Чем определяется срок службы светодиода?
  17. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?
  18. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?
  19. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?
  20. Светодиодные светильники


Ответы

Светодиод — это элемент, созданный по технологии полупроводников, изменяющий электрический ток напрямую в свет.
К слову, на английском этот элемент носит название light emitting diode, или сокращенно LED.
Он состоит из полупроводникового кристалла на основе, корпуса с выводами для контактов и оптической системы. Передовые светодиоды слабо схожи с первыми моделями корпусных элементов, использующимися для индикации. Конструкция силового светодиода в общем виде приведена на рисунке.

Конструкция светодиода


Свечение образуется при рекомбинации электронов и дырок в месте p-n-перехода. Для этого, прежде всего необходим p-n-переход, то есть соединение двух полупроводников с противоположенными типами проводимости. С данной целью около контактные слои полупроводникового кристалла разбавляют всевозможными примесями: с одной стороны акцепторными, с прочей — донорскими.

Но не любой p-n-переход отдает свет. В чем причина? Во-первых, размер запрещенной области в активной зоне элемента должна быть приближена к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность свечения при слиянии электронно-дырочных пар должна быть большой, для чего полупроводниковый кристалл обязан иметь небольшое число дефектов, из-за которых рекомбинация идут без свечения. Эти условия, так или иначе, противоречат друг другу.

Действительно, чтобы соблюдения обоих, единого р-п-перехода в кристалле недостаточно, и необходимо производить многослойные полупроводниковые структуры, которые называются гетероструктуры, за работу с которыми российский физик Жорес Алферов был удостоен Нобелевской премии 2000 года.


Безусловно, да. Чем выше ток, тем больше электронов и дырок приходит в зону рекомбинации за единицу времени. Однако ток невозможно повышать до бесконечности. Ввиду внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода элемент перегреется и расплавиться.
В отличие от люминесцентного источника света или лампы накаливания в светодиоде электрический ток переходит непосредственно в свет, и теоретически данное явление возможно почти без потерь. На самом деле, светодиод (при правильном теплоотводе) слабо нагревается, что делает его уникальным для ряда приложений. Далее, светодиод испускает свет в узкой области спектра, его цвет точный, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, зачастую,нет. Светодиод стойкий к механическим повреждениям и исключительно стабилен, его срок работы достигает 100 тысяч часов, что превышает в 100 раз лампочку накаливания, и более в 5 — 10 раз люминесцентную лампу. На последок, светодиод — безопасен, так как использует низковольтный ток.
Изначально светодиоды использовались исключительно с целью индикации. Чтобы усовершенствовать их для освещения, нужно было, для начала, научиться производить белые светодиоды, а также повысить их яркость, а конкретнее светоотдачу, то есть отношение света к затраченной энергии.

В 60-х и 70-х годах были сделаны светодиоды на базе фосфида и арсенида галлия, которые светились в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их использовали в световых индикаторах, табло, приборных панелях машин и самолетов, рекламных щитах, всевозможных системах визуализации информации. Светодиоды по параметру светоотдачи обошли стандартные лампы накаливания. По параметрам долговечности, надежности, безопасности они оставили конкурентов позади. Оставался один недостаток — не разработанными оставались светодиоды синего, сине-зеленого и белого цвета.

К концу 80-х годов в СССР производилось свыше 100 млн светодиодов за год, а глобальное производство исчислялось несколькими десятками миллиардов.
Всецело от размера запрещенной зоны, в которой соединяются электроны и дырки, то есть от вещества полупроводника, и от комбинационных примесей. Чем «синее» светодиод, тем больше энергия квантов, а следовательно, тем выше должен быть размер запрещенной зоны.
Квантовый выход — это количество излученных квантов света на одну соединенную электронно-дырочную пару. Выделяют внутренний и внешний квантовый выход. Внешний — для элемента в целом (ведь свет может пропадать «по пути» — поглощаться, рассеиваться), внутренний — непосредственно в p-n-переходе. Внутренний квантовый выход для первоклассных кристаллов с идеальным теплоотводом достигает практически 100%, максимальный внешний квантовый выход для красных светодиодов равен 55%, а для синих на уровне 35%.

Внешний квантовый выход — базовая характеристика эффективности светодиода.
Есть три технологии как создать белый света от этих источников света. Первый — микс цветов по методике RGB. На единой матрице густо расположены красные, голубые и зеленые светодиоды, свет от которых смешивается с применением оптической системы, к примеру линзы. На выходе испускается белый свет. Второй способ состоит в том, что на поверхность элемента, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (на практике такие тоже существуют), применяют три люминофора, испускающие, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это напоминает, как излучает свет люминесцентная лампа. И третий способ состоит в нанесении желто-зеленого или зеленого и красного люминофор на голубой светодиод, ввиду чего два или три свечения смешиваются, получается белый или близкий к нему свет.
У каждого метода есть свои преимущества и слабые стороны. Технология RGB, конечно же, дает возможность получить не только белый цвет, но и переходить по цветовой диаграмме при изменении параметров тока через различные светодиоды. Данным процессом можно манипулировать вручную или применяя программы, можно вдобавок получать всевозможные цветовые температуры. Ввиду чего RGB-матрицы обильно применяют в свето динамических системах. Более того, значительное число светодиодов в матрице способствует высокому суммарному световому потоку и значительную осевую световую силу. Но световое пятно ввиду аберраций оптической системы обладает неодинаковым цветом в центре и по краям, а также, ввиду неравномерного выхода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды греются по-разному, и, как правило, по-разному меняется их цвет в процессе службы — общая цветовая температура и цвет изменяются по ходу эксплуатации. Это негативное явление очень сложно и дорого изменить.

Белые светодиоды с люминофорами значительно дешевле, чем RGB-матрицы светодиодов (в расчете на единицу светового потока), и дают возможность получить замечательный белый цвет. И для них, в общем, не сложно оказаться в точке с координатами (0.33, 0.33) на диаграмме цветов МКО. Минусы же их следующие: во-первых, у них ниже светоотдача, в сравнении с RGB-матрицой, ввиду преобразования света в слое люминофора; во-вторых, очень тяжело точно проконтролировать равномерность распределения люминофора в технологическом процессе и, как итог, цветовую температуру; и в-третьих - люминофор тоже подвержен старению, и даже быстрее, чем сам элемент.

В промышленных масштабах налажен выпуск как светодиодов с люминофором, так и RGB-матриц — у данных приборов различные области использования.
Светодиод – прибор, работающий при низком напряжении. Стандартный светодиод, используемый для индикации, расходует от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, применяющийся для освещения, расходует аналогичное напряжение, однако ток больше — от пары сотен мА до 1 А в элементе. В светодиодном модуле элементы могут быть составлены последовательно и суммарное напряжение будет более высоким (обычно 12 или 24 В).

При включении светодиода важно соблюдать полярность, в противном случае прибор может сломаться. Напряжение пробоя обозначается производителем и стандартно составляет более 5 В для одного элемента.

Яркость светодиода выражается потоком света и осевой световой силой, а также диаграммой направленности. Нынешние светодиоды всевозможных конструкций излучают в заданном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, стандартно, задаються координатами цветности и цветовой температурой, а также параметрами волны свечения.

Для сопоставления качества светодиодов и сравнения их с прочими источниками света применяется светоотдача: уровень светового потока на единый ватт электрической мощности. Также занятным маркетинговым параметром является цена одного люмена.


Рассказывая о температуре светодиода, необходимо выделить температуру на поверхности кристалла и в зоне p-n-перехода. От первой изменяется срок работы, от второй — световой выход. В общем, с увеличением температуры p-n-перехода свечение светодиода снижается, потому что сокращается внутренний квантовый выход из-за воздействия колебаний кристаллической решетки. Ввиду чего принципиально важен хороший теплоотвод.

Снижение яркости с ростом температуры не равномерна у элементов различных цветов. Оно выше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, или, по-другому у красных и желтых, и менее выражено у InGaN, проще говоря, у зеленых, синих и белых.
Из рисунка видно, в рабочих режимах ток имеет экспоненциальную зависимость от напряжения и малые изменения напряжения ведут к глобальным изменениям тока. Ввиду того, что световой выход напрямую зависит от тока, то и яркость свечения светодиода будет нестабильной. Поэтому ток важно стабилизировать. Более того, если ток превысит допустимый порог, то перегрев элемента может способствовать ускоренному выходу из строя.

стандартная вольт-амперная характеристика прибора

Конвертор (по-английски driver) для светодиода — аналогично балласту для лампы. Он делает проходит через светодиод ток стабильным.
Свечение светодиодов прекрасно поддается управлению, но не за счет понижения напряжения питания - этого-то не желательно делать, методом именуемом широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), для этого применяется специальный управляющий блок (на деле он может быть объединен с блоком питания и конвертора, а также с возможностью регулировки цветом RGB-матрицы). Технология ШИМ состоит в том, что на светодиод направляется не стандартный, а импульсно-модулированный ток, при этом частота сигнала достигает сотни или тысячи герц, а размер импульсов и перерывы между последними может варьироваться. Средняя яркость элемента становится регулируемой, в то же время светодиод не тухнет.

Слабое изменение цветовой температуры прибора при диммировании несопоставимо с подобным смещением для стандартных ламп накаливания.
Считается, что светодиоды имеют продолжительный срок службы. Однако это не точное утверждение. Чем выше ток проходит через световой элемент в процессе его эксплуатации, тем больше его температура и тем быстрее он выходит из строя. Поэтому период эксплуатации у мощных светодиодов меньше, чем у маломощных сигнальных, и равен на сегодняшний день 20 — 100 тысяч часов. Выход из строя проявляется в первую очередь в понижении яркости. Когда яркость падает на 30% или наполовину, светодиод необходимо заменить.
Старение элемента проявляется не только в падении его яркости, но и в изменении цвета свечения. На сегодняшний день нет стандартов, которые дают возможность выразить количественно смену цвета светодиодов в процессе эксплуатации и сравнить с прочими источниками.
Спектр свечения светодиода близок к монохроматическому, в чем заключается его главное отличие от спектра нашей звезды или лампы накаливания.
Что же до выращивания кристаллов, то базовая технология — металлоорганическая эпитаксия. Для данного процесса требуются крайне чистые газы. В передовых установках учтены автоматизация и регулирования состава газов, их отдельные потоки, точная корректировка температуры газов и подложек. Размер выращиваемых слоев определяются и регулируется в области от десятков ангстрем до пары микрон. Различные слои нужно разбавлять примесями, донорами или акцепторами, чтобы сделать p-n-переход с высокой содержанием электронов в n-области и дырок - в р-зоне.

За одну операцию, длящуюся несколько часов, можно создать структуры на 6 — 12 подложках размером 50 — 75 мм. Крайне важно проследить и проконтролировать единство структур на поверхности подложек. Цена оборудования для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, созданных в Европе (компании Aixtron и Thomas Swan) и штатах (Emcore), равна порядка 1,5 — 2 млн. долларов. Работа многих компаний свидетельствует, что отработать технологию производства на данном оборудовании пригодные структуры с заданными параметрами можно за период от года до нескольких лет. Данный процесс требует больших затрат времени и средств.

Основным этапом технологии есть планарная воздействие на пленки: их травление, создание проводников к п- и р-уровням, нанесение металлических пленок для контактных выводов. Пленку, созданную на одной подложке, можно разделить на несколько тысяч чипов с параметрами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2.

Вторым этапом является преобразование этих чипов в светодиоды. Нужно установить кристалл в корпусе, выполнить контактные выводы, сделать оптические покрытия, специальные поверхности для вывода света или отражающие его. Если речь идет о белом светодиоде, то необходимо одинаково нанести люминофор. Нужно сделать теплоотвод от кристалла и корпуса, выполнить пластиковый купол, концентрирующий излучение в заданный телесный угол. Примерно половину цены светодиода задается данными этапами высокой технологии.
Требование увеличения мощности для повышения светового потока ведет к тому, что стандартная форма корпусного светодиода стала неприемлемой для производителей ввиду слабого теплоотвода. Необходимо было максимально соединить чип с теплопроводящей поверхностью. Ввиду этого на замену базовой технологии и несколько более продвинутой SMD-технологии (surface montage details — поверхностная установка деталей) была создана технология СОВ (chip on board). Элемент, произведенный по технологии СОВ, образно показан на рисунке.

Светодиоды, произведенные по SMD- и СОВ-технологии, устанавливаются (приклеиваются) конкретно на общую подложку, которая выполняет роль радиатора – и поэтому выполнена из металла. Так делают светодиодные модули, имеющие линейную, прямоугольную или иную форму, могут быть твердыми или гибкими, в общем, призваны подойти для любого пожелания клиента. Разрабатываются и светодиодные лампы с аналогичным цоколем, как у низковольтных галогенных, которые вскоре должны их заменить. А для мощных светильников и прожекторов производятся светодиодные сборки на круглом большом радиаторе.

В прошлом в светодиодных сборках в наличии было много светодиодов. На данный момент, по мере повышения мощности, число светодиодов уменьшается, вместо этого оптическая система, корректирующая световой поток в заданный телесный угол, играет все более весомую роль.

 

технология СОВ

технология СОВ

Сфера применения светодиодных светильников очень широка. Ввиду тому, что светящийся элемент имеет небольшие размеры, стало реальным создавать надежные и устойчивые к внешнему воздействию светильники всевозможных форм. Срок эксплуатации LED-светильников превосходит в десятки раз срок работы стандартных ламп накаливания, намного экономичнее по затратам электроэнергии.
Светодиодные светильники в стиле hi-tech призваны реализовать самые дерзкие дизайнерские решения при декорировании интерьера квартир, баров, кафе, офисов, комнат переговоров и прочего.  Добавь изюминку своему стилю!
Потолочные светодиодные светильники будут решением задачи освещения помещений как обширных, так и скромных по площади. Небольшое энергопотребление данных ламп, простота установки, длительный срок работы,  небольшое тепловыделение и утонченный дизайн - преимущества которые не оставляют шанса конкурентным продуктам!
Витринные LED-светильники выделяют красоту и функциональность необходимого товара, приковывают внимание прохожих. Широкая палитра цветовых оттенков служит для создания цветопередачи наиболее выгодной для конкретного товара.

Изучить перечень нашей продукции, параметры, внешний вид и цены на потолочные, витринные и hi-tech светильники. Просто зайдите в раздел Светодиодные светильники.