+7 (3822)

224-338

Светодиод и начало его истории!


СВЕТОДИОД (СИД, Led, light emitting diode)

светодиод для чайников
Светоизлучающий диод (СИД) является полупроводниковым источником света. Светодиоды используются в качестве индикаторов во многих устройствах и все чаще используются для освещения. В качестве электронного компонента, пригодного для практического использования, был разработан в 1962 году. Первые образцы излучали красный свет низкой интенсивности, но современные версии излучают во всей видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра с очень высокой яркостью.

Светодиод разработан на базе полупроводникового диода. Когда на диод подается рабочее напряжение, электроны с дырками меняются местами, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией и цвет света (соответствует энергии фотона) определяется энергией запрещенной зоны полупроводника. Светодиодные кристаллы, как правило, небольшие по площади (менее 1 мм2), диаграмма распределения света и индекс отражения формируется дополнительной оптической системой, входящей в конструкцию светодиода. Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с лампами накаливания и другими источниками света, включая низкое потребление энергии, большой срок службы, повышенную надежность, меньший размер, быстрое включение и большую долговечность. Тем не менее, они достаточно дороги и имеют повышенные требования к питанию и рассеиванию тепла по сравнению с традиционными источниками света. Текущие образцы светодиодной продукции для общего освещения являются более дорогостоящими, чем флуоресцентные источники сопоставимых параметров.сверхяркий светодиод

Светодиоды все чаще используются в автомобильной электронике в качестве указателей поворотов, габаритных огней и стоп-сигналов. Светодиодные светофоры уже являются обыденным способом регулировки движения. Компактные размеры светодиодов позволяют разрабатывать новые типы дисплеев и экранов, а их высокая скорость переключения полезна в передовых коммуникационных технологиях.

Электролюминесценция кристалла карбида кремния (зеленого цвета ) была обнаружена в 1907 году английским ученым Раундом в лаборатории Маркони. Этому явлению тогда не придали значения. В 1923 году советский ученый О.В. Лосев, работая в НРЛ (Нижегородской радиолаборатории), проводил глубокие исследования такого явления, как излучательная рекомбинация, а так же наблюдал излучение света, исходящее из кристаллов карбида кремния SiC (карборунда). Длительные исследования позволили сформулировать основной принцип электролюминесценции полупроводниковых структур - инжекционная рекомбинация. В 1927 Лосев запатентовал принцип полупроводникового свечения. Изобретение было опубликовано в российских, немецких и английских научных журналах, но практического применения не получило. В 1955 году Р.Браунштейн из Radio Corporation of America заявил о наличии инфракрасного излучения арсенида галлия (GaAs) в комбинации с другими полупроводниковами сплавами. Браунштейн наблюдал инфракрасное излучение, генерируемое простой диодной структурой на основе антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия, фосфида индия (InP) и кремниево - германиевого сплава (SiGe) при комнатной температуре.

В 1961 году разработчики Р.Бард и Г.Питман, работающие в компании Texas Instruments, обнаружили что сплав арсенида галлия производит инфракрасное излучение при пропускании через него электрического тока и получили патент на ИК светодиод.

Первый светодиод, излучающий свет видимого спектра, был изобретен в 1962 году Н.Холоньяком, работающим в компании General Electric. С тех пор многие называют его "отцом" современных светодиодов. Чтобы понять, что это не так, достаточно изучить исторические справки о исследованиях О.В.Лосева и других именитых ученых 20-50 г.г. двадцатого века. Однако история несправедлива, и мы имеем то, что имеем, и в 60-х годах Россия потеряла приоритет в изобретении полупроводниковых источников света.

В 1972 году бывший студент Холоньяка Г.Грэфорд изобрел желтый светодиод и увеличил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз. В 1976 году Т.Пирсэлл создал первый сверхяркий светодиод для световолоконных телекоммуникаций, изобретя новые полупроводниковые сплавы, специально приспособленные для передачи света по оптоволокну.

Вплоть до 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды имели огромную себестоимость, около 200 USD за штуку, что создавало трудности для практического применения. Но в 1968 году фирма Monsanto впервые организовала массовое производство светодиодов видимого света на базе арсенида-фосфида галлия (GaAsP), пригодных для применения в качестве индикаторов. Компания Hewlett Paccard, представившая светодиоды в 1968 году, использовала светодиоды Monsanto для производства цифровых дисплеев и калькуляторов.

Преимущества перед другими искусственными источниками свечения


  • Экономичность энергопотребления. В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений.
  • Высокая надежность, механическая прочность светодиодных светильников. Отсутствие нити накаливания дает высокую виброустойчивость.
  • Срок службы светодиодных светильников значительно превышает существующие аналоги (срок непрерывной работы светильника не менее 100 000 реальных часов, что эквивалентно более 20 годам эксплуатации, при 12 часовой работе в день). С течением времени такие его основные характеристики как световой поток и сила света практически не претерпевают изменений. Все элементы светильника долговечны, в отличии от ламп, где применяются нити накала. Для сравнения галогенная лампа работает 1000 часов, металлогалогенная лампа – 3000 часов.
  • Отсутствует необходимость замены светодиодов и обслуживания светильников в течение всего срока эксплуатации позволяет значительно экономить на обслуживающих мероприятиях и персонале.
  • В светодиодных светильниках достигается высокая контрастность, что обеспечивает лучшую четкость освещаемых объектов (зданий, строений, подъездов, дворов, рекламных щитов, складов, охраняемых территорий, парков) и цветопередачу (индекс цветопередачи 75-85).
  • Полная экологическая безопасность позволяет сохранять окружающую среду, не требуя специальных условия по утилизации (не содержит ртути, ее производных и других ядовитых, вредных или опасных составляющих материалов и веществ).
  • Cветодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
  • Светодиоды дают возможность получить любой необходимый цвет излучения.
  • Конструкции на основе светодиодов оказываются весьма компактными и удобными в установке.

Уже в настоящее время светодиоды вполне способны заменить лампы накаливания, а в ближайшем и люминесцентные лампы. Почти 30% мировой электроэнергии уходит на освещение, и проблема энергосбережения стала одной из важнейших, связанной с экономикой и охраной окружающей среды. В том случае, если все прогнозы, касающиеся светодиодов оправдаются, то затраты на электроэнергию уменьшаться в 2 раза. Скорее всего, что уже совсем скоро мы станем свидетелями новых открытий и увидим появление абсолютно новых оптоэлектронных приборов и устройств освещения.

Угол половинной яркости

Производитель обычно указывает такой параметр, как двойной угол половинной яркости. Что означает этот термин ? Как мы выяснили, максимум света светодиод дает в центре, то есть угол равен нулю. Соответственно, чем дальше от центра, тем меньше света. Угол половинной яркости - это когда на "0" градусов светодиод дает 100 условных единиц света, а, например, на 30 градусах (относительно оси "0") - 50. На рисунке I - сила света, Imax - максимальная сила света. ImaxCos - половина силы света. Почему "двойной" - умножаем градусы на два, светодиод же симметрично светит. В итоге угол половинной яркостимы получаем симпатичный равнобедренный треугольник света. За пределами этого треугольника тоже свет есть, у нас же шарик света, но точка отсчета для характеристики светодиода - это половинный угол.
Кандела
Теперь можно рассмотреть, что же такое Кандела. Кандела - это, по старому, "свеча". Помните, раньше говорили - люстра или лампа в сто свечей ? В прежние времена нужна была какая-то точка отсчета. Договорились взять нужной толщины свечку, зажечь и считать ее эталоном, этим самым канделом. В наши времена, конечно, считают по-другому. Я не буду подробно объяснять - как, это за рамки статьи уже выходит. Просто есть единица измерения силы света, и она называется Кандела. Ее основная особенность - применение для измерения силы света направленных источников. Вот почему для 5 мм светодиодов значения указываются в канделах, точнее, милликанделах (1 cd=1000 mcd).
Пришло время разобраться, чем 5 мм светодиоды или любые другие в пластиковом корпусе отличаются от мощных.

Конструкции светодиодов

Особенности конструкции индикаторных 5 мм светодиодов

Как уже говорилось выше, светодиод - это излучающий свет кристалл. Рассмотрим конструкцию светодиода в 5 мм пластиковом корпусе. При внимательном рассмотрении мы обнаруживаем две важных вещи - линзу и рефлектор. В рефлекторустройство светодиода помещается кристалл светодиода. Этот рефлектор и задает первоначальный угол рассеивания. Затем свет проходит через корпус из эпоксидной смолы. Доходит до линзы - и тут начинает рассеиваться по сторонам на угол, зависящий от конструкции линзы. На практике - от 5 до диаграмма светодиода160 градусов. Для обозначения силы света таких светодиодов как раз и используется кандела. Светодиоды с направленным свечением излучают свет в некотором телесном угле. Чтобы понять, что такое телесный угол, достаточно представить следующую картину. Вы берете фонарик, включаете и помещаете его в пожарное ведро в самый низ, затем закрываете крышкой. Свет внутри, соответственно, имеет вид конуса по форме нашего ведра. Вот этот конус, ограниченный крышкой - и есть телесный угол. Попробую объяснить смысл распределения света попроще. Допустим, сила света нашего фонаря - 1 кандела, то есть 1000 милликандел(чтобы было более образно, можно считать милликанделы фотонами :)) Если и дальше идти по аналогии, у нас есть полное ведро милликандел. Объем ведра при желании можно вычислить - добро пожаловать в геометрию :) Соответственно, если мы возьмем ведро в два раза больше - милликанделы равномерно по нему распределятся, то есть больше их не станет, просто снизится плотность. Поэтому не гонитесь за канделами, когда выбираете светодиод - чем шире его угол, тем меньше кандел - у одного и того же.

Особенности конструкции мощных светодиодов

В отличие от индикаторных светодиодов, мощные - это не только прибор, но и маркетиновый продукт. На сегодняшний день между крупными производителями происходит настоящая гонка за люмены - кто больше ? И никого не волнует, что люмены эти надо еще применить. Давайте по порядку.
Основное отличие мощного светодиода от индикаторного в чистом виде - сведение к минимуму каких-либо препятствий для выхода света из корпуса светодиода. Поэтому мощные светодиоды имеют ламбертовскую диаграмму. К чему это приводит на практике ? Вы включаете светодиод и получаете симпатичный световой шарик над ним. И что дальше делать ? Как им осветить нужную вам поверхность ? Вам приходится применять различную оптику или рефлекторы, что неизбежно ведет к потерям, а значит и снижению светового потока. Поэтому, если, купив мощный светодиод, вы не обзавелись хорошей оптикой, причем рассчитанной именно на его конструкцию - рано радуетесь - головная боль еще впереди.
Доставить нужные вам люмены до поверхности, которую нужно осветить - непростая задача.

Люмен

светодиод для чайников

Как вы уже поняли, канделы для оценки силы света мощных светодиодов не подходят. Для этого существуют люмены - это общее количество света, которое может дать светодиод при подключении с заданными значениями тока и напряжения. Будем считать, что если светодиод имеет силу света 100 люмен . Обычная электрическая лампочка на 100 Вт - это тоже ламбертовский источник. Средняя светоотдача этой лампочки - 10-15 люмен на ватт. То есть 100 ватт лампы накаливания дадут нам, скажем, 1000 люмен. Значит, чтобы заменить лампу 100 вт светодиодами, нужно 10 шт по 100 люмен. Вот так вот все просто ? Нет, к сожалению. Мы подходим к такому термину, как ЛЮКС.

Люкс

Люкс - это соотношение количества люмен и освещаемой площади. 1 люкс - это 1 люмен на квадратный метр. Допустим, у нас есть квадратная поверхность площадью один метр. Вся она равномерно освещена лампочкой, расположенной на некотором расстоянии отвесно сверху . Для этой лампочки производитель заявил освещенность 100 люкс. Берем прибор, называемый люксметр и померяем в любой точке нашего квадрата, мы должны получить 100 люкс. Если это так - производитель нас не обманул. Это касается источника света, который во все стороны светит одинаково (ламбертиановский источник ). Но светодиод - это точечный источник. А это означает, что наибольшую силу света он имеет на оси, перпендикулярной плоскости кристалла. Иными словами, подвесив светодиод на потолок и померяв люксметром, мы увидим, что чем дальше от оси, тем меньше показания прибора. Все вы наверняка сталкивались с точечными лампами накаливания - это так называемые "зеркалки". Задняя часть колбы у этих ламп покрыта зеркальным составом, и светят они только вниз. Вот вам и аналог.

Что такое деградация светодиодов?

В процессе работы светодиоды, в отличии от традиционныхе источников света, не излучают тепло. Они проводят его в направлении от p-n перехода к расположенному на корпусе теплоотводу. При этом образуется множеством тепловых сопротивлений: «p-n переход – теплоотвод корпуса», «теплоотвод корпуса – печатная плата», «печатная плата – теплоотвод», «теплоотвод – окружающая среда». Таким образом различают температуру: TB - монтажной платы, TS - подложки, TJ - p-n-перехода, TA - окружающей среды.

деградация светодиодов

Вследствие этого, использование мощных светодиодов связано с потенциальной возможностью чрезмерного увеличения температуры перехода, от которой напрямую зависят надежность и световые характеристики светодиодов. Если соблюдать рекомендации тепловых режимов от производителей, светодиод способен проработать десытки лет. Нарушение же теплового режима (обычно это работа с температурой перехода более 120...125°С) может привести к снижению срока службы до 10 раз. Кроме того, повышение температуры перехода приводит к снижению яркости свечения и смещению рабочей длины волны светодиода. Этот процесс называется - деградация кристала светодиода. Он приводит к разрушению кристалической решетки, в ней появляются дефекты. Эти области попросту грееются и не излучают свет. Также это происхродит из-за электрической миграции материала, из которого сделаны электроды, приваренные к кристаллу. В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру.

При деградации кристалла возрастает ток утечки, то есть значительная часть тока начинает проходить не через те участки кристалла, которые излучают свет. В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода, а значит, уменьшается мощность. Деградация кристалла проявляет себя также снижением напряжения на светодиоде. Эта особенность используется для автоматического отключения вышедшего из строя светодиода.

Следует различать максимальную рабочую температуру светодиода и максимально допустимую температуру p-n-перехода. Срок службы светодиода определяется температурой p-n-перехода. Но поскольку эту температуру можно измерить только в лабораторных условиях с применением сложных и дорогостоящих методов, при проектировании используются математические методы, позволяющие связать ее с температурой в тех или иных точках корпуса светодиода.

Скорость деградации светодиода значительно увеличивается при повышении силы тока свыше номинального значения, а также при повышении температуры. Также возникновение дефектов в кристаллической решетке может происходить от действия статического электричества, поэтому рекомендуется осуществлять монтаж светодиодов с соблюдением стандартных мер по защите от статического электричества.

Вывод: отвод тепла от кристалла светодиода является одним из основных требований при проектировании и производстве светодиодных светильников.


Драйвер

В общем случае драйвер - это источник тока для светодиодов. Для него обычно не бывает параметра "выходное напряжение". Только выходной ток и мощность. Впрочем, вы уже знаете, как можно определить допустимое выходное напряжение - делим мощность в ваттах на ток в амперах.
На практике это означает следующее. Допустим , параметры драйвера следующие : ток - 300 миллиампер, мощность - 3 ватта. Делим 3 на 0,3 - получаем 10 вольт. Это максимальное выходное напряжение , которое может обеспечить драйвер. Предположим, что у нас есть три светодиода, каждый из них рассчитан на 300 мА, а напряжение на диоде при этом должно быть около 3 вольт. Если мы подключим один диод к нашему драйверу, то напряжение на его выходе будет 3 вольта, а ток 300 мА. Подключим второй диод последовательно (см. пример с лампами выше) с первым - на выходе будет 6 вольт 300 мА, подключим третий - 9 вольт 300 мА. Если же мы подключим светодиоды параллельно - то эти 300 мА распределятся между ними примерно поровну, то есть примерно по 100 мА. Если мы подключим к драйверу на 300 мА трехваттные светодиоды с рабочим током 700 мА - они будут получать только 300 мА.
Надеюсь, принцип понятен. Исправный драйвер ни при каких условиях не выдаст больше тока, чем он рассчитан - как бы вы не подключали диоды. Надо отметить, что есть драйвера, которые рассчитаны на любое количество светодиодов, лишь бы их общая мощность не превышала мощность драйвера, а есть те, которые рассчитаны на определенное количество - 6 диодов, например. Некоторый разброс в меньшую сторону они, впрочем, допускают - можно подключить пять диодов или даже четыре. КПД универсальных драйверов хуже чем у их собратьев, рассчитанных на фиксированное количество диодов в силу некоторых особенностей работы импульсных схем. Также драйвера с фиксированным количеством диодов обычно содержат защиту от нештатных ситуаций. Если драйвер рассчитан на 5 диодов, а вы подключили три - вполне возможно , что защита сработает и диоды либо не включатся либо будут мигать , сигнализируя об аварийном режиме. Надо отметить, что большинство драйверов плохо переносят подключение к питающему напряжению без нагрузки - этим они сильно отличаются от обычного источника напряжения.