Светодиоды, их основные параметры и характеристики

 

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Сибирский федеральный университет

Институт инженерной физики и радиоэлектроники, приборостроения и наноэлектроники

РЕФЕРАТ

Светодиоды, их основные параметры и характеристики

Студент РФ 09-03Б 050902025

М.Г. Кожурина

Руководитель А.П. Гардымова

Красноярск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.История создания светодиодов и область применения

2.Устройство светодиодных световых приборов

2.1Получение различных цветов видимого света

2.2Создание белого света

3.Виды светодиодов

4.Преимущества светодиодного освещения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED - light emitting diode) - полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока (рисунок 1). 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. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Основными параметрами светодиодов являются мощность (мощные светодиоды предполагают мощность 1-100 Вт.), цветовые характеристики (сверхяркие светодиоды могут иметь зеленый, синий и иные цвета), угол освещения, нагрев, вес и энергопотребление (мощные светодиоды обычно более энергозатратны, чем обычные) [1].

Рисунок 1 - Схема светодиода

1.История создания светодиодов и область применения

Первое сообщение об излучении света твёрдотельным диодом сделал в 1907 году британский экспериментатор Генри Раунд из лаборатории Маркони.

Как и в обычном полупроводниковом диоде, в диоде светоизлучающем, ток легко проходит в прямом направлении и не проходит в обратном. Электроны при этом теряют энергию, которая в большей или меньшей степени, в зависимости от материала полупроводника, преобразуется в фотоны - это называется электролюминесценцией. Открытие такого понятия, как «электролюминесценция» полупроводников, принадлежит нашему соотечественнику, Олегу Владимировичу Лосеву.

В 1923 году двадцатилетний руководитель Нижегородской радиотехнической лаборатории, О.В. Лосев заметил голубоватое свечение, испускаемое некоторыми полупроводниковыми детекторами, которые преобразуют высокочастотный сигнал радиостанции в низкочастотный звуковой в простейших радиоприёмниках. Холодный свет рождался внутри карбидокремниевого кристалла вследствие неизвестных тогда электронных превращений. Интенсивность излучения была столь ничтожной, что научная общественность фактически не увидела его, по крайне мере, в переносном смысле.

Вообще О.В. Лосев обессмертил свое имя двумя открытиями: что полупроводниковый кристалл может усиливать и генерировать высокочастотные радиосигналы, и именно этим - обнаружением испускания ими света при протекании тока.

Он вполне оценил практическую возможность создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с низким напряжением питания (менее 10 В) и высоким быстродействием. Он получил два авторских свидетельства на «Световое реле» - это в 1927 г. закрепило за СССР приоритет в области светодиодов.

Но лишь четверть века спустя учёные всерьёз занялись «полупроводниковым светом» - промышленная разработка светоиспускающих полупроводниковых диодов (LED, СИД) началась в 1951 г. в США в Центре по разработке ламп, работающих на основе эффекта Лосева.

В 1961 г. американцы Гари Питтман и Роберт Байард из компании Texas Instruments запатентовали светодиод инфракрасного излучения. Но он имел сложную, непрактическую структуру.

<#"justify">К концу 2006 года светодиоды заняли прочные позиции на современном рынке, и сфера их применения значительно расширилась. Основной объем рынка мощных светодиодов к этому году распределяется следующим образом:

·Мобильные устройства - около 50%

·Автомобильная светотехника - не менее 15%

·Всевозможные табло, экраны и пр. - 15%

Применение светодиодов в качестве альтернативного общего освещения не превышало 5%, что составляет около 200 миллионов долларов. К 2011 году эта цифра возросла до 1 миллиарда долларов.

В последнее время:

·Только на Московских перекрестках к 850-летнему юбилею Столицы было установлено 1000 светофоров на основе светодиодов.

·Фирма "Osram-Optosemiconductors" создала плафон с 14 тысячами разноцветных светодиодов и продемонстрировала его в одном из служебных помещений.

·При помощи полупроводниковых светильников, вмонтированных в оградительные столбы, воплощено в жизнь освещение моста в городе Дуйсбург (Германия).

·В Нью-Йорк, на небоскребе, расположенном на Таймс-Сквер, поставлен полноцветный светодиодный дисплей, имеющий площадь в несколько квадратных метров. Этот экран был смонтирован из 16 миллионов элементов. Подобный дисплей, только меньшего размера, был установлен в Москве на Манежной Площади.

·На сегодняшний день, уличные светодиодные светильники повсеместно применяются для уличного освещения.

·Светодиодные модули <#"justify">Светодиодные лампы - идеальная альтернатива обычным лампам накаливания. В наше время появилась возможность использовать светодиоды в лампочках с привычным размером цоколя. Кроме этого, светодиодные лампы, благодаря возможности энергосбережения, пользуются огромной популярностью в тех случаях, когда необходимо оригинальное нестандартное освещение [2].

2.Устройство светодиодных световых приборов

Для использования в целях освещения светодиоды должны быть объединены в систему, включающую оптику, драйверы, источники питания и теплоотводы. Все названные компоненты присутствуют в световом приборе (рисунок 2).

Проектировщикам и инсталляторам светодиодных систем освещения, вероятно, никогда не придется вскрывать корпуса световых приборов, подобно тому, как пользователю персонального компьютера нет необходимости открывать системный блок ПК и разбирать его содержимое. В некоторых световых приборах, предназначенных для театрального освещения, предусмотрены замена и ремонт компонентов на месте установки, но в большинстве случаев разбирать светодиодные приборы не рекомендуется: это не одобряется производителями и может привести к аннулированию гарантии. К счастью, светодиодные световые приборы и их компоненты очень редко выходят из строя. Как правило, производители самостоятельно ремонтируют или заменяют вышедшую из строя светодиодную осветительную арматуру в соответствии с гарантийными обязательствами или на основании других соглашений.

Тем не менее, знать, что находится внутри «черного ящика», все же весьма полезно. К основным компонентам светодиодного светового прибора относятся:

·собственно сами светодиоды и электроника, обеспечивающая их работу;

·источник питания с микропроцессорным управлением, преобразователи напряжения и схемы управления;

·устройства для отвода тепла (вентиляционные отверстия и радиаторы);

·линзы и средства нацеливания для направления, смешивания и рассеивания света.

Рисунок 2 - Светодиодный световой прибор

Светодиодный световой прибор представляет собой систему, состоящую из светодиодов, источников питания и преобразователей напряжения, драйверов светодиодов, цепей контроля и управления, устройств для отвода тепла, а также линз и других оптических устройств для смешивания, рассеивания и выведения света.

Дополнительно светодиодные световые приборы обычно включают постоянно подсоединенные или отсоединяемые кабели для подключения к источнику питания. Линейные светильники, например, осветительные приборы для световых карнизов и рабочего освещения, обычно снабжены стыковочными разъемами, кабельными перемычками и другими устройствами для установки приборов с различными интервалами и в различной конфигурации.

.1 Получение различных цветов видимого света

Светодиоды, изготовленные из разных полупроводниковых материалов, излучают свет разных цветов. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам видимого света (рисунок 3).

В первых светодиодах использовались такие материалы, как фосфид галлия (GaP), тройное соединение AIGaAs и тройное соединение GaAsP. Они создавали излучение от красного до желто-зеленого цвета. В настоящее время GaP, AIGaAs и GaAsP используются только для изготовления индикаторных светодиодов, так как большие токи, необходимые для получения излучения, и большое тепло, выделяющееся при работе светодиодов, изготовленных из этих материалов, значительно сокращают срок их службы.

Рисунок 3 - Получение черного и белого цветов

Для производства осветительных светодиодов используются новые материалы, способные выдерживать необходимые уровни тока, высокий нагрев и высокую влажность. В красных и янтарных светодиодах высокой яркости применяются полупроводники алюминий индий - галлий (AllnGaP), в синих, зеленых и голубых - индий - нитрид галлия (InGaN).

Светодиоды, изготовленные из AllnGaP и InGaN, в совокупности перекрывают почти всю область спектра видимого излучения с промежутком в области зелено-желтого и желтого цветов. Корпоративные цвета с применением желтого (например, Shell или McDonalds) трудно получить с помощью одноцветных светодиодов.

Одним из способов получения «сложных» цветов является совместное использование в одном осветительном приборе светодиодов разных типов (рисунок 4).и InGaN покрывают почти весь спектр видимого излучения для светодиодов высокой интенсивности, кроме желто-зеленой и желтой областей спектра с длиной волны 550-585 нанометров (нм).

Цвета, соответствующие этому диапазону длин волн, могут быть получены с помощью совместного использования зеленых и красных светодиодов.

Рисунок 4 - Основные материалы для производства монохромных светодиодов

.2 Создание белого света с помощью светодиодов

Существует два способа получения белого света с помощью светодиодов.

Согласно цветовой модели RGB, белый цвет получается с помощью пропорционального смешивания красного, зеленого и синего цветов. При использовании метода RGB белый свет получается при объединении излучения красного, зеленого и синего светодиодов.

Рисунок 5 - Получение белого света

Люминофорные технологии получения белого света предполагают использование одного светодиода коротковолнового излучения, например, синего или ультрафиолетового, в комбинации с желтым люминофорным покрытием. Фотоны синего или ультрафиолетового излучения, генерируемые светодиодом, либо проходят через слой люминофора без изменения, либо преобразуются в нем в фотоны желтого света. Комбинация фотонов синего и желтого цвета создает белый свет (рисунок 5, 6).

Рисунок 6 - Создание белого света

Метод RGB дает возможность создавать белый свет точного оттенка, имеющий способность подчеркивать освещаемые цвета. Однако для создания белого цвета RGB требуется сравнительно сложное оборудование, так как в одном источнике необходимо использовать сразу три светодиода. При этом получаемый свет неестественно передает пастельные тона, что является основным следствием низкого индекса цветопередачи белого света, полученного методом RGB.

Белые люминофорные светодиоды обеспечивают лучшую цветопередачу, чем белые RGB-светодиоды, в большинстве случаев сравнимую с люминесцентными источниками света. От белых RGB-источников света они также отличаются высокой энергоэффективностью. Именно высокая энергоэффективность и хорошая цветопередача делают люминофорные технологии предпочтительным способом получения белого света.

В процессе производства белых светодиодов на светодиодный кристалл наносится слой люминофора. Оттенок или цветовая температура белого света, излучаемого светодиодом, определяется длиной волны света, испускаемого синим светодиодом и составом люминофора.

Цветовая температура излучения светодиода зависит от толщины слоя люминофора. Производители стараются минимизировать цветовые вариации с помощью строгого контроля толщины и состава слоя люминофора. Компания Philips Lumileds использует защищенный патентом процесс изготовления светодиодов Philips LUXEON, излучающих холодный и нейтральный белый свет с высоким постоянством цвета.

В настраиваемых световых приборах, позволяющих получать белый свет из определенного диапазона цветовых температур, используется принцип смешивания трех цветов. Эти приборы обычно содержат светодиоды холодного и теплого белого света, индивидуально управляемые по принципу, применяемому в полноцветных источниках света RGB. Регулирование относительной интенсивности холодного и теплого белого света изменяет цветовую температуру настраиваемого светового прибора по тому же принципу, как регулируется интенсивность излучения красных, зеленых и синих светодиодов полноцветного (RGB) [3].

светодиод полупроводниковый электронный оптический

3.Виды светодиодов

Индикаторные светодиоды являются наиболее компактным видом и имеют совсем небольшую силу света (относительно) - до ста мКд. Рабочий диапазон тока здесь составляет около 20 миллиампер. Выпускается такой вид в стандартном корпусе, оснащенном выводами с диаметром основания в три миллиметра, или пять миллиметров. Чаще всего используются в оптических индикаторах.

Индикаторные светодиоды (рисунок 7) для поверхностного монтажа широко применяются в системах отображения информации в качестве основных излучающих элементов, для подсветки жидкокристаллических матриц и др. Основные тенденции их развития - повышение световой эффективности и надежности. Важной отличительной особенностью светодиодов такой конструкции является возможность автоматизации сборки как диодов, так и плат с их использованием.

Рисунок 7 - Индикаторный светодиод

Сверхъяркие светодиоды (рисунок 8) состоят из полупроводниковых кристаллов малого или среднего размера (до 500 микрометров). Световые характеристики их достаточно высоки - до десяти мкд, а световой поток (белый цвет) - до 30 лм, и даже более. Рабочий диапазон тока здесь может составлять до 100 миллиампер. Используются в световой рекламе, мобильных телефонах и др.

Рисунок 8 - Сверхяркий светодиод

Мощные светодиоды (рисунок 9) имеют наибольшие размеры и, как следствие, значительное значение световой отдачи - более 50 лм/Вт (белый цвет). Мощность равна одному ватту (с током в 350 миллиампер). Используется для общего наружного светодиодного освещения <#"justify">

Рисунок 9 - Мощный светодиод

Виды светодиодов по сферам их применения

Данная классификация предлагает следующие разновидности СИД:

1.Моргающие светодиоды используют в качестве индикатора привлечения внимания. Моргающие светодиоды практически не отличаются от обычных светодиодов, однако в них используется встроенный кругооборот мультивибратора, предназначенный мерцания светодиода с периодом в секунду. Основа моргающих светодиодов излучает однотонные световые лучи, но более сложные СИД способны вспыхивать двумя-тремя цветами одновременно либо поочередно, благодаря RGB.

2.Разноцветные моргающие светодиоды - это фактически два различных светодиода в одном, работающие навстречу, поэтому при загорании одного, второй гаснет. В одном направлении током производится один цвет, а в противоположном - другой, чередование же двух цветов с определенной частотой является причиной появления третьего цвета, смешанного.

.Трёхцветные светодиоды - это пара светоизлучающих диодов в одном, но они связаны, чтоб работать отдельно, точнее, чтоб два светодиода одновременно светили и управлялись независимо.

4. Светоизлучающие диоды RGB с красным, синим и зеленым эмитентами, в которых применяется связь с 4-мя проводами с общим анодом или катодом.

. Монохромные дисплеи с семью сегментами, а также starburst - формат. Дисплеи монохромные отображают все цифры и некоторый набор букв, а дисплеи Starburst - все символы. Популярные в 1980-х алфавитно-цифровые и числовые светодиодные дисплеи стали менее востребованными с появлением ж/к мониторов.

. Преимущества светодиодного освещения

Будучи сравнительно новой технологией, светодиоды в большинстве случаев превосходят традиционные источники света по энергоэффективности, качеству света, рентабельности и экологичности. Светодиодные осветительные приборы превосходят лампы накаливания практически во всех областях применениях, а разрядные лампы высокого давления - в областях, требующих использования цветного света.

Но светодиодное освещение еще не решает всех задач. Белые светодиоды уже зарекомендовали себя в качестве альтернативы для разрядных ламп высокого давления и люминесцентных трубчатых ламп, но должно пройти еще некоторое время, пока светодиодные световые решения начнут более широко применяться в системах общего освещения.

Рисунок 10 - Многоуровневый атриум Центра международной торговли (World Market Center) в Лас-Вегасе

Многоуровневый атриум Центра международной торговли (World Market Center) в Лас-Вегасе имеет огромное количество сводов. Тысячи погонных метров светодиодных светильников для карнизов eW Cove Powercore, разработанных компанией Philips Color Kinetics, обеспечивают бесшовное соединение освещенных пролетов протяженностью до 15 метров. Светодиодный светильник потребляет на 60% меньше электроэнергии, чем КЛЛ мощностью 13 Вт. Увеличенный срок службы светодиодов существенно сокращает затраты на обслуживание светильников, установленных на высоте 24 метра над первым этажом.

Тем не менее, уже сегодня светодиодные системы способны обеспечить ряд преимуществ перед традиционными системами освещения:

·Энергоэффективность светодиодов может быть до пяти раз выше, чем у ламп накаливания и галогенных ламп, и сравнима с КЛЛ. Постоянное развитие светодиодной технологии повышает энергоэффективность светодиодов, по сравнению, например, с люминесцентными лампами.

·Светодиодные источники света являются направленными и излучают свет только в нужном направлении. Значительно меньшая, чем у КЛЛ, светящая поверхность позволяет использовать более эффективную оптику и лучше управлять светом.

·Качество света белых светодиодов теперь сравнимо с качеством света КЛЛ, разрядных ламп высокого давления и люминесцентных ламп. Последние достижения в области производства светодиодов обеспечивают постоянство цвета и цветовую температуру, эквивалентные или превосходящие эти характеристики у традиционных источников света.

·Существенно увеличенный полезный срок службы светодиодов по сравнению с традиционными источниками света. В результате этого сокращаются затраты на замену и обслуживание. Так, галогенные лампы следует менять в 12-20 раз чаще, чем светодиодные.

Рисунок 11 - Креггс Пик (Creggs Pic), ведущая розничная сеть по продаже хлебобулочных изделий в Великобритании

Креггс Пик (Creggs Pic), ведущая розничная сеть по продаже хлебобулочных изделий в Великобритании, полностью оборудовала торговый зал своего магазина в г. Бромли (гр. Кент) светодиодными светильниками Philips. Ожидается, что установка светодиодной системы позволит на 50% снизить потребление электроэнергии и сократить на 2 тонны годовой выброс углекислого газа в атмосферу. Уменьшение количества тепла, выделяемого системой освещения, обеспечивает в летнее время дополнительную экономию средств, затрачиваемых на кондиционирование воздуха.

В отличие от традиционных источников света, светодиоды могут использоваться даже после существенного снижения светового потока. При этом полный выход из строя происходит очень редко.

С момента появления светодиодов ежегодно отмечается 35%-ное повышение их эффективности по параметрам светового потока. При этом вот уже в течение нескольких десятилетий происходит ежегодное снижение стоимости светодиодов в среднем на 20%. Другими словами, общая эффективность светодиодов удваивается каждые 1,5-2 года.

Светодиоды не производят ИК-излучения и могут устанавливаться в термочувствительных зонах, вблизи людей и материалов, а также там, где установка традиционных источников света может быть небезопасной.

В отличие от люминесцентных ламп, светодиоды не излучают вредных ультрафиолетовых лучей, разрушающих материалы и обесцвечивающих краски, что делает их идеальным световым решением для установки в витринах магазинов, музеях и художественных галереях.

Светодиодные осветительные приборы генерируют тепло, но испускаемые ими пучки света являются холодными. Светодиодные световые приборы с хорошо сконструированным теплоотводом защищают пользователей от чрезмерного и вредного тепла.

Светодиодные источники света могут работать при низких температурах и выдерживать воздействие вибраций, что позволяет использовать их в суровых условиях, где невозможно установить и обслуживать традиционные лампы. В светодиодах нет подвижных частей и нитей накала, которые могут легко разрушаться и выходить из строя.светильники и приборы с настраиваемым белым светом могут легко воспроизводить миллионы цветов и иметь различные цветовые температуры без использования светофильтров.

Управление работой светодиодных систем освещения может осуществляться при помощи цифровых контроллеров, обеспечивающих максимальную эффективность и высокую гибкость.

Светодиодные световые приборы является безынерционными: не требуется времени для прогрева или отключения, отсутствует вредное воздействие циклической подачи питания и диммирования.

Качественно разработанные светодиодные системы освещения обеспечивают простоту и гибкость установки, не требуя балластов и дополнительных источников питания - достаточно обычной электропроводки. Повысить энергоэффективность и упростить установку призваны разъемы быстрого подключения, а также устройства для ограничения потребляемого тока, защиты от неправильного подключения и коррекции коэффициента мощности.

В отличие от люминесцентных ламп, содержащих ртуть и требующих специального обращения и утилизации, светодиоды не содержат ртути и являются безопасными для окружающей среды.

Многие выпускаемые светодиодные осветительные приборы не только отвечают требованиям стандартов по энергоэффективности и экологичности, но и зачастую превосходят их. В настоящее время разрабатываются стандарты на испытания и измерения параметров, которые обеспечат базу для точного сравнения характеристик разных светодиодных осветительных приборов между собой и с традиционными источниками света.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Но светодиодное освещение еще не решает всех задач. Белые светодиоды уже зарекомендовали себя в качестве альтернативы для разрядных ламп высокого давления и люминесцентных трубчатых ламп, но должно пройти еще некоторое время, пока светодиодные световые решения начнут более широко применяться в системах общего освещения.

Освещение дорог и туннелей, спортивных сооружений и арен, улиц и площадей, городских ландшафтов и взлетно-посадочных полос аэропорта невозможно представить без светодиодных осветительных приборов белого света с фиксированной цветовой температурой. Светодиодные лампы бывают самых разнообразных технических спецификаций, кроме того, у них привлекательный внешний дизайн, - все это составляет большой список преимуществ, которые предоставляют светодиодные технологии в осветительные системы современного поколения. Белые светодиоды активно используются в системах общего освещения. Светодиодные световые приборы белого света находят применение в системах световых карнизов отраженного света, рабочего освещения и в потолочных светильниках, устанавливаемых в магазинах, музеях, офисах, школах, лабораториях, больницах и частных квартирах. По своей функциональности, эксплуатационным характеристикам и экономичности правильно сконструированные светодиодные световые приборы превосходят традиционные.

Светодиодное освещение занимает лидирующие позиции на светотехническом рынке, ведь это световое решение максимально экологично с точки зрения того, что оно помогает сберечь бесценные ресурсы нашей планеты. В условиях общего сокращения расходов, разработки новых стандартов, зеленых инициатив и принятия законодательных актов, направленных на защиту окружающей среды, создаются большие возможности для использования светодиодного освещения как на национальном, так и на международном уровне.

Одним из барьеров, препятствующих широкому распространению светодиодного освещения, является довольно низкая осведомленность людей об этой технологии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.С.Л. Бухарин // Методические указания: «Специальные источники света» 2011 г.

2.Справочник // Светодиодное освещение. Принципы работы, преимущества и области применения. // Автор: Джонатан Вейнерт, иллюстрации: Чарльз Сполдинг.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет Институт инженер

Больше работ по теме: