Тема светодиодов становится все популярнее – времена, когда они вызывали интерес лишь у ученых, давно в прошлом. Сегодня это уже не праздный интерес – потенциальная сфера применения светодиодов растет очень быстрыми темпами. Эксперты же утверждают, что будущее именно за светодиодными технологиями.

1. Что собой представляет светодиод?

Светодиодом (LED) принято называть прибор на основе полупроводников, который трансформирует электрический ток в световое излучение.

2. Как устроен светодиод?

Современные светодиоды сильно отличаются от первых корпусных приборов, которые использовались в качестве индикаторов. Сейчас это полупроводниковый кристалл, расположенный на подложке, снабженный оптической системой и корпусом.

3. Каков принцип работы светодиода?

Свечение появляется в результате рекомбинации дырок и электронов в районе p-n-перехода. Для этого необходимо взаимодействие двух полупроводников, имеющих разные типы проводимости, поэтому приконтактные слои кристалла легируются различными примесями. Причем, чтобы свечение появлялось, необходима реализация нескольких p-n-переходов, для чего полупроводниковые структуры выполняются многослойными.

4. Зависит ли яркость свечения светодиода от параметров тока?

Естественно, при большем токе в единицу времени поступает больше электронов в район рекомбинации. Но на увеличение тока существуют ограничения, поскольку при излишнем напряжении светодиод может выйти из строя из-за перегрева.

5. Какими достоинствами обладает светодиод?

Главным преимуществом светодиода в сравнении с такими источниками света, как люминесцентные лампы либо лампы накаливания, является то, что электрическая энергия трансформируется в световое излучение непосредственно, поэтому потери энергии минимальны. При этом светодиод почти не нагревается, что в некоторых случаях очень важно. Благодаря узкому диапазону спектра излучения, свет получается «чистым», что особенно ценно для дизайнерских проектов. А механическая прочность и надежность позволяет достигнуть срока эксплуатации в 100 тыс. часов, что превышает срок службы классической лампы накаливания практически в 100 раз! К значимому достоинству можно отнести и безопасность прибора, которая вызвана низким рабочим напряжением.

6. Каковы недостатки светодиода?

Пока можно назвать лишь один – это цена прибора. По подсчетам специалистов, один люмен, выданный светодиодом, стоит в сотню раз больше, чем галогенной лампой. Однако, эксперты считают, что в скором времени можно снизить данный показатель в 10 раз.

7. Как давно светодиоды используются для освещения?

Первой областью использования светодиодов была индикация. Для того, чтобы можно было их применять в качестве светового прибора, нужно было увеличить яркость излучения, а прежде всего, нужно было создать белый светодиод.

Светодиоды, имеющие излучение в желтой, зеленой, красной и синей части спектра, научились изготавливать еще в 60-70 годах двадцатого века. Они использовались в рекламных щитах, световых табло, приборных панелях и других системах, где необходима визуализация информации. По долговечности и светоотдаче они превзошли лампы накаливания уже тогда, однако не было светодиодов белого и синего света. Голубой светодиод был получен лишь 1989 году.

8. Что влияет на цвет светодиода?

Материал полупроводника и состав легирующих смесей, которые определяют ширину зоны рекомбинации дырок и электронов. Чем шире эта зона, тем более высокой энергией обладают кванты, и тем больше синего в спектре излучения светодиода.

Процесс изготовления и эксплуатационные качества светодиодов

1. Что влияет на срок эксплуатации светодиода?

Принято считать, что светодиоды очень долговечны, однако это не всегда так. Скорость старения зависит от температуры и тока: чем выше эти параметры, тем быстрее светодиод выйдет из строя. Поэтому мощные светодиоды служат меньше, чем обычные сигнальные. Их срок эксплуатации составляет от 20 до 50 тыс. часов. Признаком старения является снижение яркости прибора.

2. Меняется ли цвет светодиода со временем?

В процессе старения меняется не только яркость, но и цвет излучения прибора. Если при снижении яркости на 30-50% светодиод необходимо заменять, то стандартов для цвета излучения, по которым можно было бы определить степень старения, пока не существует.

3. Может ли навредить светодиод человеческому зрению?

Излучение светодиодов характеризуется очень узким спектром, что отличает его от солнечного света или света лампы накаливания. Насколько это хорошо или плохо, пока не известно, серьезные исследования в этом направлении пока лишь планируются. Однако данных о негативном влиянии светодиодов на зрение также нет.

4. Какова сегодняшняя область применения светодиодов?

В настоящее время светодиоды уже используются фактически в каждой сфере светотехники. Исключением можно назвать производственное освещение, хотя они вполне могут использоваться в качестве аварийного освещения. Чистый свет делает светодиоды идеальным вариантом для светодинамических систем и дизайнерского освещения. Очень удобно их использовать в местах, где проблематично частое обслуживание, а также там, где предъявляются повышенные требования к вандалоустойчивости, электробезопасности и экономичности приборов. Например, в Москве светодиоды используются в подземных переходах, лифтах, подъездах, опытном строительстве.

5. Какие технологии применяются для создания светодиодов?

Основной технологией для выращивания кристаллов можно назвать металлорганическую эпитаксию. Современные установки контролируют составы и температуру газов в автоматическом режиме. Толщина слоя, который выращивается, может иметь от нескольких десятков ангстрем до нескольких микрон.

После того, как разные слои легируются акцепторами и донорами, кристалл помещается в корпус, создаются контактные выводы и оптические покрытия. В случае белого светодиода наносится люминофор. Заключительные этапы – создание теплового отвода корпуса и самого кристалла, а также изготовление пластикового купола, который фокусирует излучение.

Светодиодные модули создаются путем монтирования светодиодов на общую обложку. Если она при этом выполняет одновременно функцию радиатора, то производится из металла. Модули могут иметь практически любую форму и степень гибкости, изготавливаются даже светодиодные лампы, способные заменить низковольтные галогенные лампы. Мощные светильники или прожекторы собираются на больших круглых радиаторах. По мере увеличения мощности светодиодов, их количество в оптических системах постепенно снижается.

1. Каким образом получается белое свечение светодиодов?

Для получения белого света используются три методики. Первым способом является смешивание цветов по методу RGB. Оптическая система (линза) объединяет свет голубых, зеленых и красных светодиодов, расположенных на одной матрице, благодаря чему образуется белый цвет. Второй способ напоминает принцип работы люминесцентной лампы: поверхность светодиода, имеющего ультрафиолетовое излучение, обрабатывается люминофорами, образующими голубой, зеленый и красный цвет. Третий метод заключается в нанесении на голубой светодиод люминофоров, образующих красный, зеленый и желто-зеленый цвет. В результате получается близкий к белому цвет.

2. Как лучше получить белый цвет?

Любой из перечисленных трех методов имеет плюсы и минусы. Технология RGB хороша тем, что дает возможность создавать не только белый цвет, но и различные цветовые оттенки и цветовые температуры как вручную, так и с помощью специальных программ. Эта методика особенно хороша для светодинамических систем. Дополнительное достоинство метода заключается в хорошей осевой силе света и высоком световом потоке. Минусом данного способа являются различные цветовые оттенки по краям и в центре светового пятна. А неравномерный теплоотвод центральных диодов и тех, что расположены по краям матрицы, ведет к изменению суммарной цветовой температуры в процессе эксплуатации.

Белые светодиоды на основе люминофорной технологии обходятся гораздо дешевле, чем RGB-матрицы, и дают отличный белый цвет излучения. К минусам можно отнести меньшую светоотдачу и необходимость нанесения равномерного слоя люминофора, что усложняет получение нужной цветовой температуры. Кроме того, люминофор стареет значительно быстрее, чем непосредственно светодиод.

На сегодняшний день, производятся как RGB-матрицы, так и светодиоды, имеющие слой люминофора.

3. Какими оптическими и электрическими параметрами обладают светодиоды?

Светодиоды относятся к классу низковольтных приборов. Индикаторные диоды рассчитаны на постоянное напряжение 2 В-4 В при силе тока до 50 мА. В освещении используются светодиоды с таким же напряжением, но сила тока колеблется от сотен мА до 1 А. Более высокое напряжение (12 В-24 В) применяется в светодиодных модулях, где отдельные светодиоды включаются последовательно.

Параметры, определяющие яркость светодиода – это осевая сила света и диаграмма направленности, а также световой поток. Различные конструкции приборов могут иметь угол излучения от 4º до 140º. Основным показателем эффективности для сравнения светодиодов с другими источниками света и между собой, является светоотдача.

4. Как ведет себя светодиод при повышении температуры?

Повышение температуры снижает срок службы светодиода и яркость свечения. Поэтому качественному отводу тепла уделяется большое значение.

5. Зачем необходима стабилизация тока для светодиода?

Даже небольшие изменения напряжения приводят к значительным скачкам силы тока, что ведет к нестабильной яркости прибора, а перегрев светодиода вызывает ускоренное старение.

6. Поддается ли яркость светодиода регулировке?

Регулировка возможна, но она производится не за счет уменьшения напряжения тока. Яркость меняется при помощи широтно-импульсной модуляции, которая управляется при помощи специального блока. При этом на светодиод подается импульсно-модулированный ток с высокой частотой сигнала, а яркость регулируется изменением пауз между импульсами и их ширины.