|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Надяскравий світлодіод – основа енергозберігаючого освітлення. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Освітлення Нещодавно автор цієї статті став свідком того, як у вагоні метро продавець-коробійник рекламував світлодіодний ліхтар. "Надяскраві лампочки цього ліхтаря, - хвацько перекрикував шум поїзда продавець, що рухається, - споживають мало енергії, а значить, вам не доведеться часто міняти батарейки". Напевно, частка рекламної правди в його словах є: про лампи розжарювання знають усі, а от згадати принципово нове джерело світла - мабуть, замисляться, чи такі хороші надяскраві світлодіоди, і чи так вже надійно служитиме виготовлений на їх основі ліхтарик, невідомо. Хоча про таку тривіальну задачу, як використання світлодіода як прилад світлової сигналізації, обізнано дуже і дуже багато. Можна навіть сказати, що за своєю поширеністю звичайні світлодіоди можуть легко змагатися з лампами розжарювання, і в побуті вони сьогодні зустрічаються дуже часто - досить згадати побутові вимикачі зі світловою індикацією, призначені для їхнього пошуку в темряві. Сучасні сигнальні LED світлодіоди (Light Emitting Diode) випускаються у величезних кількостях, мають різний колір світіння, що дуже зручно для сигналізаційних пристроїв, різні конструктивні виконання. Можна придбати двоколірні моделі, які плавно змінюють свій колір залежно від співвідношення вхідних сигналів, можна - напруги, що миготять при подачі, можна - зі стандартним цоколем для заміни ламп розжарювання в сигнальній арматурі. Але яке зі стандартного світлодіода джерело світла в тому сенсі, в якому ми розуміємо джерело світла? Адже максимум того, на що його вистачить - це підсвітити рідкокристалічний індикатор мобільного телефону. Чи не так, важко уявити, що людина зможе нормально жити у світлі напівпровідникових джерел світла, що вона виконує повсякденну роботу, читає книгу, веде приємні розмови у затишній атмосфері... Скажете фантастика? Ні, це - лише реальність теперішнього часу. Властивість випромінювання світлових хвиль pn-переходами - це фундаментальна властивість всіх напівпровідників. Але такою здатністю вони наділені по-різному. Наприклад, кремнієві pn-переходи, що використовуються для виготовлення транзисторів і звичайних діодів, зовсім не годяться навіть для звичайних світлодіодів: вони випускають вкрай мало світлових хвиль. Значно краще випромінюють напівпровідники на основі сполук галію (фосфід галію та арсенід галію), тому саме на їх основі випускаються всім відомі світлодіоди червоного, жовто-зеленого та зеленого світіння. Світлова віддача цих приладів, у 60-х рр. минулого століття становила лише 1,5 лм/Вт. Дещо пізніше результати досліджень дозволили підвищити ефективність випромінювання напівпровідників до 10 лм/Вт. Освоєння технологій отримання нітриду галію призвело до появи світлодіодів синього свічення. І ось тут якраз настав час задуматися про світлодіоди, що випромінюють біле світло. Світлодіоди білого світіння вперше з'явилися на світовому ринку 1998 року. Досягнуті на сьогодні показники ефективності твердотільних джерел світла не вражають: світлова віддача комерційних зразків світлодіодів, що випромінюють у червоно-жовтій частині спектру, становить 65...75 лм/Вт, у зеленій області - до 85 лм/Вт, а в області білого світіння до 100 лм/Вт. На підході - комерційні зразки білого світіння з ефективністю близько 150 лм/Вт, і це межа. Тобто, в середньому, за 50 років існування твердотільних джерел їхня ефективність зросла практично на два порядки. В цілому ж світловіддача "дуже середнього" світлодіода з "білим" спектром випромінювання сьогодні знаходиться на рівні світловіддачі хорошої люмінесцентної лампи, і зростання світловіддачі продовжується. А висока вартість виробництва твердотільних джерел окупається фантастичним терміном служби - понад 100000 годин безперервної безвідмовної роботи, а також найвищою механічною та кліматичною надійністю, безперебійною роботою при дуже низьких температурах, відсутністю шкідливих матеріалів типу ртуті, можливістю елементарного регулювання яскравості, забезпеченням малих теплових випромінювань, малих витрат за обслуговування. Щоправда, є обставина, яка вносить певний дисонанс у цю "переможну пісню" про фантастичні ресурси надяскравих світлодіодів. Справа в тому, що світловипромінюючі діоди мають властивість "старіти" в процесі роботи, що виявляється у втраті їхньої випромінюючої здатності, а значить, і ефективності випромінювання. Тим не менш, солідні світові фірми-виробники надяскравих світлодіодів гарантують збереження на 80% їхньої початкової випромінюючої здатності до половини терміну служби. На інтернет-форумах автор статті зустрічав безапеляційні заяви про реальний термін служби світлодіодних джерел у межах 2...3 тисячі годин. Це може виявитися правдою лише у двох випадках: коли використовується продукція сумнівного виробництва, вона дійсно може втратити до 40 % ефективності випромінювання протягом тих самих 3000 годин експлуатації, або коли світлодіоди експлуатують у значно завищених порівняно з номінальними режимах роботи. А зараз давайте познайомимося з технологіями отримання білого "твердотільного" світла з "багатоцвіття" випромінювань стандартних світлодіодів. В даний час існує чотири методи отримання білого світла, причому всі вони активно використовуються в індустрії "твердотільних технологій". На рис. 1 показаний метод змішування різних кольорів, а саме – класичної RGB-тріади, тобто червоного, зеленого та синього. На одному кристалі світлодіодного джерела близько компонуються в мозаїчному порядку різнокольорові світловипромінюючі кристали, їхнє світло фокусується за допомогою лінзи так, щоб сумарний спектр випромінювання виявився близьким до природно-сонячного. Окремо керуючи каналами R, G і B можна отримати будь-який колір (або відтінок кольору) світіння світлодіода. Недолік способу також очевидний: це значна трудомісткість (а значить - висока вартість) виготовлення та необхідність балансування кольорів каналів R, G, B, так як світлодіоди різних кольорів мають різну ефективність випромінювання. Проте цей спосіб все частіше знаходить застосування при створенні кольорових вуличних рекламних дисплеїв.
Основні положення другого способу отримання білого світла запозичені від принципів роботи люмінесцентної лампи. В даному випадку (див. рис. 2), на внутрішню поверхню корпусу світлодіода, що випромінює хвилі в УФ діапазоні, наноситься спеціальний триколірний люмінофор, який під дією випромінювання починає світитися білим світлом. З недоліків методу слід згадати його не надто високу ефективність світловіддачі. Саме з цієї причини найбільш технологічними та найбільш комерційно вигідними виявилися третій та четвертий методи. Але найцікавіше, що ці методи є логічним розвитком другого методу, тобто, в них також використовується ефект люмінесценції.
В основі технології третього методу лежить використання світлодіода блакитного кольору, але світловипромінюючий кристал оточується конструктивним рефлектором, на який наноситься люмінофор жовтого кольору світіння. Таким чином, при змішуванні кольорів утворюється світло, спектральний склад якого дуже близький до білого, як показано на рис. 3.
Четвертий метод має мало відмінностей від третього і, по суті, є його логічним розвитком, спрямованим на покращення спектрального складу світла, що випромінюється. В основі цього методу лежить той же світлодіод блакитного кольору випромінювання, передбачений той же конструктивний рефлектор, але на ньому нанесені вже два типи люмінофора - із зеленим і червоним кольорами світіння (див. рис. 4).
Переважна більшість комерційних світлодіодів зі спектром випромінювання, близьким до білого світу, виготовлено на основі саме технології одно- та дволюмінофорної люмінесценції. Тому світло таких світлодіодів має невеликий синефіолетовий "холодний" відтінок. Що можна сказати про вартість "твердотільного світла" та про економічну доцільність його впровадження? На сьогодні "твердотільне світло" - це найдорожче джерело світлової енергії, якщо, звичайно, враховувати лише вартість "виробництва" одиниці світлової енергії. Ціна 1 люмена "твердотільного світла" поки що в 30...50 разів вище вартості 1 люмена, виробленого класичною лампою розжарювання. Наприклад, автору вдалося придбати світлодіодну лампу із споживаною потужністю 5 Вт за $15, тоді як звичайна лампа розжарювання з такою ж світловіддачею і споживаною потужністю 60 Вт коштує трохи менше $1. Ще один розрахунок показує, що матриця з 20 надяскравих світлодіодів із загальною вартістю вартістю $20 за світловіддачею близька до галогенної лампи потужністю 20 Вт та вартістю $1. Але не поспішайте робити висновки. Порівнюючи терміни служби світлодіодної та класичної ламп розжарювання, а також їх ефективність світлової віддачі можна сказати, що економія очевидна. Просто економія ця не миттєва, а довгострокова. За прогнозами фахівців, динаміка зниження вартості твердотільних джерел світла виявиться не такою швидкою, як підвищення їхньої світловіддачі: очікується падіння вартості всього на 20% при подвоєнні показника ефективності використання. Просування світлодіодних джерел на ринки відбувається за наступним сценарієм: спочатку їх використовували як другорядне (декоративне) підсвічування, а сьогодні вже активно ведеться робота з виведення з обігу ламп розжарювання та галогенних ламп. Вже зараз автовиробники ведуть активні розробки фар далекого і ближнього світла на основі світлодіодів білого світіння. Досягнення розробок вражають: отримано світловий поток близько 1000 лм, що корелюється зі стандартною ксеноновою лампою. З покажчиками поворотів за кордоном все набагато простіше – технології відпрацьовані та стрімко впроваджуються. На рис. 5 показана промислова автомобільна світлодіодна фара ближнього світла діаметром 106 мм, виготовлена з 4-х надяскравих світлодіодів.
А тепер ми поговоримо про оптичні характеристики надяскравих світлодіодів і особливо про те, яким чином надаються ці дані в технічній документації. Будь-який світлодіод випромінює світловий потік спрямовано, тобто нерівномірно, залежно від положення щодо спостерігача. Деякі світлодіоди мають яскраво виражену спрямованість: вони світять як маленькі прожектори. Інші подібні до лампи розжарювання з відбивачем - світлові хвилі тут поширюються в досить широкому просторовому секторі. Якщо виникає необхідність забезпечення рівномірності просторового випромінювання, рятує конструктивний вузол зі світлодіодів, спрямованих у різні боки. Головна просторова оптична характеристика світлодіода – це його спрямованість (directivity). Фірми-виробники описують вид спрямованості, по-перше, кутом випромінювання (radiation angle), а по-друге, діаграмою спрямованості. Якщо перша характеристика - це просто гола "цифра", то друга - значно інформативніший графік. Вигляд діаграми спрямованості дуже важливо знати інженеру-проектувальнику систем освітлення. На рис. 6 наведено найбільш інформативну діаграму спрямованості світлодіода білого світіння типу NSPW515BS, який виробляється одним із світових лідерів світлодіодної індустрії - фірмою NICHIA. Права частина діаграми виконана у полярних координатах, а ліва – у декартових. У таких графіках аргументом виступає кут повороту щодо головної осі (лінії максимуму випромінювання), а функцією є безрозмірна величина. Графік по лінії функції нормований до максимальної величини випромінювання, а як нормуючу величину виступає сила світла (luminous intensity), що приводиться в мкд при певному значенні прямого струму світлодіода. На діаграмі спрямованості цьому параметру відповідає безрозмірна "одиниця".
У деяких випадках, коли діаграма спрямованості досить широка (такі світлодіоди зазвичай призначені тільки для цілей неспрямованого освітлення), наводять значення світлового потоку (luminous flux) в лм, що дуже зручно для розрахунку освітленості за стандартними методиками. Також фірми наводять у технічній документації вид спектральної характеристики випромінювання світлодіодів. Навіщо? Справа в тому, що колірна температура світла значною мірою впливає на емоційний стан людини. До цього часу світлодіодне освітлення мало імідж "холодного", "похмурого", "незатишного". Однак нещодавно на ринку з'явилися світлодіоди теплого білого свічення (warm white), які імітують світло лампи розжарювання. Зокрема такі світлодіоди є і в номенклатурі фірми NICHIA. Відмінність випромінювання світлодіодів типу warm white від випромінювання типу white найбільше наочно демонструють рис. 7, на якому наведено спектри згаданих світлодіодів.
Проаналізуємо представлені спектри. Випроміненню світлодіода типу white надає "блідість" пік великої амплітуди в "синій" області спектру, а у світлодіоді типу warm white синя складова "задавлена" більш інтенсивним випромінюванням жовтого люмінофора, що фарбує випромінювання в "теплий" відтінок. З іншого боку, слід оцінювати електричні параметри світлодіодів. Найбільш наочно це описує вольт-амперна характеристика (ВАХ), тобто залежність струму, що проходить через діод, від прикладеної до нього напруги (рис. 8). При додатку зворотної (замикаючої) напруги будь-який діод, у тому числі світлодіод, струм не проводить. Але, на відміну випрямних діодів, світлодіоди не допускають великих значень зворотних напруг. Стандартна гранична зворотна напруга світлодіода не перевищує 5 В, тому рекомендується бути обережними з "переполюсуванням".
Пряма гілка ВАХ світлодіодів відрізняється від ВАХ звичайних діодів лише значенням напруги відкривання та падінням напруги у відкритому стані. Якщо германієві діоди відкриваються при напрузі 0,1...0,2, кремнієві - при 0,6...0,7, то напруга відкривання світлодіодів лежить в діапазоні 1,2...2,9 В. Після Відкриття напруги на світлодіодах трохи зростає зі збільшенням струму, стабілізуючись на певному рівні вже при струмі близько 1 мА. З рис. 8 добре видно, що різниця між напругою запалювання світлодіода і неконтрольованим збільшенням струму через нього становить всього 0,3 В. Світлодіод, як і будь-який напівпровідник, не може пропускати нескінченно великі струми – він просто розплавиться від нагрівання. Тому необхідно застосовувати баласт, який "погасить" на собі надлишок напруги і обмежить струм, що протікає. Оскільки світлодіоди живляться постійною (або імпульсною) напругою, як найпростіший баласт виступає переважно звичайний активний опір. Існують також більш складні та економічніші види баластів на основі електронних джерел струму. Автор: Б. Семенов
Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами
05.05.2024 Приміальна клавіатура Seneca
05.05.2024 Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія
04.05.2024
▪ SAMSUNG випустив перший мобільник із вінчестером ▪ Прототип резистивної пам'яті Elpida ▪ Повітря в метро руйнує організм людини ▪ ПЕТ-пластик із відходів біомаси ▪ Вітроустановки впливають на клімат
▪ розділ сайту ВЧ підсилювачі потужності. Добірка статей ▪ стаття Турбореактивний літак. Історія винаходу та виробництва ▪ стаття З чого складається око? Детальна відповідь ▪ стаття Мокрий полуштик. Поради туристу ▪ стаття Фіксатуари для волосся. Прості рецепти та поради ▪ стаття Рука, що обертається. Секрет фокусу
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page