Главная Ступени

Что значит полный спектр у светодиода. Как устроены и работают светодиоды. Особенности светодиодов разных конструкций

Полосе с максимумом в области жёлтого (наиболее распространённая конструкция). Излучение светодиода и люминофора, смешиваясь, дают белый свет различных оттенков.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Короткие белые светодиоды

✪ White LED vs Red Blue White LED Grow Test - Amazon Lights (Intro)

✪ Cool White Vs Neutral White LED"s In Flashlights (Thrunite TN12 Models)

✪ White LED vs Red/Blue LED Grow light Grow Test - Part 1 (Educational) 2016

✪ White LED vs Red Blue White LED Grow Test w/Time Lapse - Lettuce Ep.1

Субтитры

История изобретения

Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены Н. Холоньяком в 1962 году. В начале 70-х годов появились светодиоды жёлтого и зелёного цвета свечения. Световой выход этих, в то время ещё малоэффективных, устройств к 1990 году достиг уровня в один люмен . В 1993 году Сюдзи Накамура , инженер компании Nichia (Япония), создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB устройства, поскольку синий, красный и зелёный цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем технология быстро развивалась, и к 2005 году световая отдача светодиодов достигла значения 100 лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света позволило конкурировать с лампами накаливания и ставшими уже традиционными люминесцентными лампами. Началось использование светодиодных осветительных устройств в быту, во внутреннем и уличном освещении .

RGB-светодиоды

Белый свет может быть создан путём смешивания излучений светодиодов различного цвета. Наиболее распространена трихроматическая конструкция из красного (R), зелёного (G) и синего (B) источников, хотя встречаются бихроматические, тетрахроматические и более многоцветные варианты. Многоцветный светодиод, в отличие от других RGB полупроводниковых излучателей (светильники , лампы , кластеры) имеет один законченный корпус, чаще всего аналогичный одноцветному светодиоду. Светодиодные чипы располагаются рядом друг с другом и используют одну общую линзу и отражатель . Поскольку полупроводниковые чипы имеют конечный размер и собственные диаграммы направленности , такие светодиоды чаще всего имеют неравномерные угловые цветовые характеристики . Кроме того, для получения правильного соотношения цветов зачастую недостаточно установить расчётный ток , поскольку световая отдача каждого чипа неизвестна заранее и подвержена изменениям в процессе работы. Для установки нужных оттенков RGB светильники иногда оснащают специальными регулирующими устройствами .

Спектр RGB светодиода определяется спектром составляющих его полупроводниковых излучателей и имеет ярко выраженную линейчатую форму. Такой спектр сильно отличается от спектра солнца, следовательно индекс цветопередачи RGB светодиода невысок. RGB-светодиоды позволяют легко и в широких пределах управлять цветом свечения путём изменения тока каждого светодиода, входящего в «триаду », регулировать цветовой тон излучаемого ими белого света прямо в процессе работы - вплоть до получения отдельных самостоятельных цветов.

Многоцветные светодиоды имеют зависимость световой отдачи и цвета от температуры за счёт различных характеристик составляющих прибор излучающих чипов, что сказывается в незначительном изменении цвета свечения в процессе работы . Срок службы многоцветного светодиода определяется долговечностью полупроводниковых чипов, зависит от конструкции и чаще всего превышает срок службы люминофорных светодиодов.

Многоцветные светодиоды используются в основном для декоративной и архитектурной подсветки , в электронных табло и в видеоэкранах .

Люминофорные светодиоды

Комбинирование синего (чаще), фиолетового или ультрафиолетового (не используются в массовой продукции) полупроводникового излучателя и люминофорного конвертера позволяет изготовить недорогой источник света с неплохими характеристиками. Самая распространённая конструкция такого светодиода содержит синий полупроводниковый чип нитрида галлия , модифицированный индием (InGaN) и люминофор с максимумом переизлучения в области жёлтого цвета - иттрий -алюминиевый гранат, легированный трёхвалентным церием (ИАГ). Часть мощности исходного излучения чипа покидает корпус светодиода, рассеиваясь в слое люминофора, другая часть поглощается люминофором и переизлучается в области меньших значений энергии. Спектр переизлучения захватывает широкую область от красного до зелёного, однако результирующий спектр такого светодиода имеет ярко выраженный провал в области зелёного-сине-зелёного цвета.

В зависимости от состава люминофора выпускаются светодиоды с разной цветовой температурой («тёплые» и «холодные»). Путём комбинирования различных типов люминофоров достигается значительное увеличение индекса цветопередачи (CRI или R a) . На 2017 год уже существуют светодиодные панели для фото- и киносъёмки, где цветопередача критична, но такое оборудование дорого, а производители - единичны.

Один из путей увеличения яркости люминофорных светодиодов при сохранении или даже снижении их стоимости - увеличение тока через полупроводниковый чип без увеличения его размеров - увеличение плотности тока . Такой метод связан с одновременным повышением требований к качеству самого чипа и к качеству теплоотвода. С увеличением плотности тока электрические поля в объёме активной области снижают световой выход . При достижении предельных токов, поскольку участки светодиодного чипа с различной концентрацией примеси и разной шириной запрещённой зоны проводят ток по-разному , происходит локальный перегрев участков чипа, что влияет на световой выход и долговечность светодиода в целом. В целях увеличения выходной мощности при сохранении качества спектральных характеристик, теплового режима, выпускаются светодиоды, содержащие кластеры светодиодных чипов в одном корпусе .

Одна из самых обсуждаемых тем в области технологии полихромных светодиодов - это их надёжность и долговечность. В отличие от многих других источников света, светодиод с течением времени меняет свои характеристики светового выхода (эффективности), диаграммы направленности, цветовой оттенок, но редко выходит из строя полностью. Поэтому для оценки срока полезного использования принимают, например для освещения, уровень снижения светоотдачи до 70 % от первоначального значения (L70) . То есть, светодиод, яркость которого в процессе эксплуатации снизилась на 30 %, считается вышедшим из строя. Для светодиодов, используемых в декоративной подсветке, используется в качестве оценки срока жизни уровень снижения яркости 50 % (L50).

Срок службы люминофорного светодиода зависит от многих параметров . Кроме качества изготовления самой светодиодной сборки (способа крепления чипа на кристаллодержателе, способа крепления токоподводящих проводников, качества и защитных свойств герметизирующих материалов), время жизни в основном зависит от особенностей самого излучающего чипа и от изменения свойств люминофора с течением наработки (деградация). Причём, как показывают многочисленные исследования, основным фактором влияния на срок службы светодиода считается температура.

Влияние температуры на срок службы светодиода

Полупроводниковый чип в процессе работы часть электрической энергии отдаёт в виде излучения , часть в виде тепла . При этом, в зависимости от эффективности такого преобразования, количество тепла составляет около половины для самых эффективных излучателей или более. Сам полупроводниковый материал обладает невысокой теплопроводностью , кроме того, материалы и конструкция корпуса обладают определённой неидеальной тепловой проводимостью, что приводит к разогреву чипа до высоких (для полупроводниковой структуры) температур. Современные светодиоды работают при температурах чипа в районе 70-80 градусов. И дальнейшее увеличение этой температуры при использовании нитрида галлия недопустимо. Высокая температура приводит к увеличению количества дефектов в активном слое, приводит к повышенной диффузии , изменению оптических свойств подложки. Всё это приводит к увеличению процента безызлучательной рекомбинации и поглощению фотонов материалом чипа. Увеличение мощности и долговечности достигается усовершенствованием как самой полупроводниковой структуры (снижение локального перегрева), так и развитием конструкции светодиодной сборки, улучшением качества охлаждения активной области чипа. Также проводятся исследования с другими полупроводниковыми материалами или подложками .

Люминофор также подвержен действию высокой температуры. При длительном воздействии температуры переизлучательные центры ингибируются , и коэффициент преобразования, а также спектральные характеристики люминофора, ухудшаются. В первых и некоторых современных конструкциях полихромных светодиодов люминофор наносится прямо на полупроводниковый материал и тепловое воздействие максимально. Кроме мер по снижению температуры излучающего чипа, производители используют различные способы снижения влияния температуры чипа на люминофор. Технологии изолированного люминофора и конструкции светодиодных ламп, в которых люминофор физически отделён от излучателя, позволяют увеличить срок службы источника света.

Корпус светодиода, изготавливаемый из оптически прозрачной кремнийорганической пластмассы или эпоксидной смолы, подвержен старению под воздействием температуры и со временем начинает тускнеть и желтеть, поглощая часть излучаемой светодиодом энергии. Отражающие поверхности также портятся при нагреве - вступают во взаимодействие с другими элементами корпуса, подвержены коррозии. Все эти факторы в совокупности приводят к тому, что яркость и качество излучаемого света постепенно снижается. Однако, этот процесс можно успешно замедлить, обеспечивая эффективный теплоотвод.

Конструкция люминофорных светодиодов

Современный люминофорный светодиод - это сложное устройство, объединяющее много оригинальных и уникальных технических решений. Светодиод имеет несколько основных элементов, каждый из которых выполняет важную, зачастую не одну функцию :

Все элементы конструкции светодиода испытывают тепловые нагрузки и должны быть подобраны с учетом степени их теплового расширения. И немаловажным условием хорошей конструкции является технологичность и низкая стоимость сборки светодиодного прибора и монтажа его в светильник.

Яркость и качество света

Самым важным параметром считается даже не яркость светодиода, а его световая отдача , то есть световой выход с каждого ватта потреблённой светодиодом электрической энергии. Световая отдача современных светодиодов достигает 190 лм/Вт . Теоретический предел технологии оценивается более чем в 300 лм/Вт . При оценке необходимо учитывать, что эффективность светильника на базе светодиодов существенно ниже за счёт КПД источника питания, оптических свойств рассеивателя, отражателя и других элементов конструкции. Кроме того, производители зачастую указывают начальную эффективность излучателя при нормальной температуре, тогда как температура чипа в процессе работы значительно выше. Это приводит к тому, что реальная эффективность излучателя ниже на 5-7 %, а светильника - зачастую вдвое.

Второй не менее важный параметр - качество производимого светодиодом света. Для оценки качества цветопередачи существует три параметра:

Люминофорный светодиод на базе ультрафиолетового излучателя

Кроме уже ставшего распространённым варианта комбинации голубого светодиода и ИАГ, развивается также конструкция на базе ультрафиолетового светодиода. Полупроводниковый материал, способный излучать в близкой ультрафиолетовой области , покрывают несколькими слоями люминофора на базе европия и сульфида цинка, активированного медью и алюминием. Такая смесь люминофоров дает максимумы переизлучения в районе зелёной, синей и красной областей спектра. Полученный белый свет обладает весьма хорошими характеристиками качества, однако эффективность такого преобразования пока невелика. Этому есть три причины [ ] : первая связана с тем, что разница между энергией падающего и излученного квантов при флюоресценции теряется (переходит в тепло), и в случае ультрафиолетового возбуждения она значительно больше. Вторая причина - в том, что часть УФ излучения, не поглощенная люминофором, не участвует в создании светового потока, в отличие от светодиодов на основе синего излучателя, а увеличение толщины люминофорного покрытия приводит к повышению поглощения в нём света люминесценции. И наконец, КПД ультрафиолетовых светодиодов значительно ниже КПД синих.

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов

Учитывая высокую стоимость светодиодных источников освещения по сравнению с традиционными лампами, необходимы веские причины для использования таких устройств :

Но есть и недостатки:

Светодиоды освещения обладают также особенностями, присущими всем полупроводниковым излучателям, учитывая которые, можно найти наиболее удачное применение, например, направленность излучения. Светодиод светит только в одну сторону без применения дополнительных отражателей и рассеивателей. Светодиодные светильники наилучшим образом подходят для местного и направленного освещения.

Перспективы развития технологии белых светодиодов

Технологии изготовления светодиодов белого цвета, пригодных для целей освещения, находятся в стадии активного развития. Исследования в этой области стимулируются повышенным интересом со стороны общества. Перспективы значительной экономии энергии привлекают инвестиции в сферу изучения процессов, развития технологии и поиска новых материалов. Судя по публикациям производителей светодиодов и сопутствующих материалов, специалистов в области полупроводников и светотехники, можно обозначить пути развития в этой области:

См. также

Примечания

, p. 19-20.
Светодиоды MC-E компании Cree, содержащие красный, зелёный, голубой и белый излучатели Архивировано 22 ноября 2012 года.
Светодиоды VLMx51 компании Vishay, содержащие красный, оранжевый, жёлтый и белый излучатели (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Многоцветные светодиоды XB-D и XM-L компании Cree (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Светодиоды XP-C компании Cree, содержащие шесть монохроматических излучателей (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Никифоров С. «S-класс» полупроводниковой светотехники // Компоненты и технологии: журнал. - 2009. - № 6 . - С. 88-91 .
Трусон П. Халвардсон Э. Преимущества RGB-светодиодов для осветительных приборов // Компоненты и технологии: журнал. - 2007. - № 2 .
, p. 404.
Никифоров С. Температура в жизни и работе светодиодов // Компоненты и технологии: журнал. - 2005. - № 9 .
Светодиоды для интерьерной и архитектурной подсветки (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Сян Лин Ун (Siang Ling Oon). Светодиодные решения для систем архитектурной подсветки // Полупроводниковая светотехника: журнал. - 2010. - № 5 . - С. 18-20 .
Светодиоды RGB для использования в электронных табло (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
High CRI LED Lighting | Yuji LED (неопр.) . yujiintl.com. Дата обращения 3 декабря 2016.
Туркин А. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // Компоненты и технологии: журнал. - 2011. - № 5 .
Светодиоды с высокими значениями CRI (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Технология EasyWhite компании Cree (англ.) . LEDs Magazine. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Никифоров С., Архипов А. Особенности определения квантового выхода светодиодов на основе AlGaInN и AlGaInP при различной плотности тока через излучающий кристалл // Компоненты и технологии: журнал. - 2008. - № 1 .
Никифоров С. Теперь электроны можно увидеть: светодиоды делают электрический ток очень заметным // Компоненты и технологии: журнал. - 2006. - № 3 .
Светодиоды с матричным расположением большого количества полупроводниковых чипов (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Срок службы белых светодиодов (англ.) . U.S. Department of Energy. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Виды дефектов LED и методы анализа (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
, p. 61, 77-79.
Светодиоды компании SemiLEDs (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
GaN-on-Si Программа исследований светодиодов на кремниевой основе (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012.
Технология изолированного люминофора компании Cree (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Туркин А. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы // Полупроводниковая светотехника: журнал. - 2011. - № 5 . - С. 28-33 .
Иванов А. В., Фёдоров А. В., Семёнов С. М. Энергосберегающие светильники на основе высокоярких светодиодов // Энергообеспечение и энергосбережение – региональный аспект: XII Всероссийское совещание: материалы докладов. - Томск: СПБ Графикс, 2011. - С. 74-77 .
, p. 424.
Отражатели для светодиодов на основе фотонных кристаллов (англ.) . Led Professional. Дата обращения 16 февраля 2013. Архивировано 13 марта 2013 года.
XLamp XP-G3 (англ.) . www.cree.com. Дата обращения 31 мая 2017.
Белые светодиоды с высоким световым выходом для нужд освещения (англ.) . Phys.Org™. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.

История изобретения

Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены Н. Холоньяком в 1962 году. В начале 70-х годов появились светодиоды жёлтого и зелёного цвета свечения. Световой выход этих, в то время ещё малоэффективных, устройств к 1990 году достиг уровня в один люмен . В 1993 году Сюдзи Накамура , инженер компании Nichia (Япония), создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB-устройства, поскольку синий, красный и зелёный цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем технология быстро развивалась, и к 2005 году световая отдача светодиодов достигла значения 100 лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света позволило конкурировать с лампами накаливания и ставшими уже традиционными люминесцентными лампами. Началось использование светодиодных осветительных устройств в быту, во внутреннем и уличном освещении .

RGB-светодиоды

Белый свет может быть создан путём смешивания излучений светодиодов различного цвета. Наиболее распространена трихроматическая конструкция из красного (R), зелёного (G) и синего (B) источников, хотя встречаются бихроматические, тетрахроматические и более многоцветные варианты. Многоцветный светодиод, в отличие от других RGB полупроводниковых излучателей (светильники , лампы , кластеры), имеет один законченный корпус, чаще всего аналогичный одноцветному светодиоду. Светодиодные чипы располагаются рядом друг с другом и используют одну общую линзу и отражатель . Поскольку полупроводниковые чипы имеют конечный размер и собственные диаграммы направленности , такие светодиоды чаще всего имеют неравномерные угловые цветовые характеристики . Кроме того, для получения правильного соотношения цветов зачастую недостаточно установить расчётный ток , поскольку световая отдача каждого чипа неизвестна заранее и подвержена изменениям в процессе работы. Для установки нужных оттенков RGB-светильники иногда оснащают специальными регулирующими устройствами .

Спектр RGB-светодиода определяется спектром составляющих его полупроводниковых излучателей и имеет ярко выраженную линейчатую форму. Такой спектр сильно отличается от спектра солнца, следовательно индекс цветопередачи RGB-светодиода невысок. RGB-светодиоды позволяют легко и в широких пределах управлять цветом свечения путём изменения тока каждого светодиода, входящего в «триаду », регулировать цветовой тон излучаемого ими белого света прямо в процессе работы - вплоть до получения отдельных самостоятельных цветов.

Люминофорные светодиоды

Один из путей увеличения яркости люминофорных светодиодов при сохранении или даже снижении их стоимости - увеличение тока через полупроводниковый чип без увеличения его размеров - увеличение плотности тока . Такой метод связан с одновременным повышением требований к качеству самого чипа и к качеству теплоотвода. С увеличением плотности тока электрические поля в объёме активной области снижают световой выход . При достижении предельных токов, поскольку участки светодиодного чипа с различной концентрацией примеси и разной шириной запрещённой зоны проводят ток по-разному , происходит локальный перегрев участков чипа, что влияет на световой выход и долговечность светодиода в целом. В целях увеличения выходной мощности при сохранении качества спектральных характеристик, теплового режима выпускаются светодиоды, содержащие кластеры светодиодных чипов в одном корпусе .

Влияние температуры на срок службы светодиода

Люминофор также подвержен действию высокой температуры. При длительном воздействии температуры переизлучательные центры ингибируются , и коэффициент преобразования, а также спектральные характеристики люминофора ухудшаются. В первых и некоторых современных конструкциях полихромных светодиодов люминофор наносится прямо на полупроводниковый материал и тепловое воздействие максимально. Кроме мер по снижению температуры излучающего чипа, производители используют различные способы снижения влияния температуры чипа на люминофор. Технологии изолированного люминофора и конструкции светодиодных ламп, в которых люминофор физически отделён от излучателя, позволяют увеличить срок службы источника света.

Конструкция люминофорных светодиодов

Яркость и качество света

Самым важным параметром считается даже не яркость светодиода, а его световая отдача , то есть световой выход с каждого ватта потреблённой светодиодом электрической энергии. Световая отдача современных светодиодов достигает 190 лм/Вт . Теоретический предел технологии оценивается более чем в 300 лм/Вт . При оценке необходимо учитывать, что эффективность светильника на базе светодиодов существенно ниже за счёт КПД источника питания, оптических свойств рассеивателя, отражателя и других элементов конструкции. Кроме того, производители зачастую указывают начальную эффективность излучателя при нормальной температуре, тогда как температура чипа в процессе работы значительно повышается [ ] . Это приводит к тому, что реальная эффективность излучателя ниже на 5-7 %, а светильника - зачастую вдвое.

Люминофорный светодиод на базе ультрафиолетового излучателя

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов

Но есть и недостатки:

Перспективы развития технологии белых светодиодов

См. также

Примечания

, p. 19-20.
Светодиоды MC-E компании Cree, содержащие красный, зелёный, голубой и белый излучатели Архивировано 22 ноября 2012 года.
Светодиоды VLMx51 компании Vishay, содержащие красный, оранжевый, жёлтый и белый излучатели (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Многоцветные светодиоды XB-D и XM-L компании Cree (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Светодиоды XP-C компании Cree, содержащие шесть монохроматических излучателей (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Никифоров С. «S-класс» полупроводниковой светотехники // Компоненты и технологии: журнал. - 2009. - № 6 . - С. 88-91 .
Трусон П. Халвардсон Э. Преимущества RGB-светодиодов для осветительных приборов // Компоненты и технологии: журнал. - 2007. - № 2 .
, p. 404.
Никифоров С. Температура в жизни и работе светодиодов // Компоненты и технологии: журнал. - 2005. - № 9 .
Светодиоды для интерьерной и архитектурной подсветки (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Сян Лин Ун (Siang Ling Oon). Светодиодные решения для систем архитектурной подсветки // Полупроводниковая светотехника: журнал. - 2010. - № 5 . - С. 18-20 .
Светодиоды RGB для использования в электронных табло (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
High CRI LED Lighting | Yuji LED (неопр.) . yujiintl.com. Дата обращения 3 декабря 2016.
Туркин А. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // Компоненты и технологии: журнал. - 2011. - № 5 .
Светодиоды с высокими значениями CRI (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Технология EasyWhite компании Cree (англ.) . LEDs Magazine. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Никифоров С., Архипов А. Особенности определения квантового выхода светодиодов на основе AlGaInN и AlGaInP при различной плотности тока через излучающий кристалл // Компоненты и технологии: журнал. - 2008. - № 1 .
Никифоров С. Теперь электроны можно увидеть: светодиоды делают электрический ток очень заметным // Компоненты и технологии: журнал. - 2006. - № 3 .
Светодиоды с матричным расположением большого количества полупроводниковых чипов (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Срок службы белых светодиодов Архивировано 22 ноября 2012 года.
Виды дефектов LED и методы анализа (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
, p. 61, 77-79.
Светодиоды компании SemiLEDs (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
GaN-on-Si Программа исследований светодиодов на кремниевой основе (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012.
Технология изолированного люминофора компании Cree (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Туркин А. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы // Полупроводниковая светотехника: журнал. - 2011. - № 5 . - С. 28-33 .
Иванов А. В., Фёдоров А. В., Семёнов С. М. Энергосберегающие светильники на основе высокоярких светодиодов // Энергообеспечение и энергосбережение – региональный аспект: XII Всероссийское совещание: материалы докладов. - Томск: СПБ Графикс, 2011. - С. 74-77 .
, p. 424.
Отражатели для светодиодов на основе фотонных кристаллов (англ.) . Led Professional. Дата обращения 16 февраля 2013. Архивировано 13 марта 2013 года.
XLamp XP-G3
Белые светодиоды с высоким световым выходом для нужд освещения (англ.) . Phys.Org™. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Cree First to Break 300 Lumens-Per-Watt Barrier (англ.) . www.cree.com. Дата обращения 31 мая 2017.
Основы светодиодного освещения (англ.) . U.S. Department of Energy. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
Шаракшанэ А. Шкалы оценки качества спектрального состава света - CRI и CQS // Полупроводниковая светотехника: журнал. - 2011. - № 4 .
Ультрафиолетовые светодиоды SemiLED с длиной волны 390-420 нм. (англ.) . LED Professional. Дата обращения 10 ноября 2012. Архивировано 22 ноября 2012 года.
, p. 4-5.

В последнее время был поднят ажиотаж вокруг светодиодных ламп, которые должны заменить собой обычные лампы Ильича. И как поведал главный нанотехнолог России, такие лампы скоро поступят в продажу в Москве и Санкт-Петербурге. Конечно, всё было обставлено с пафосом: первым оценил новинку В.В.Путин. Мне удалось достать лампочку от «Оптогана» одним из первых, к тому же в руках у меня оказались ещё одна лампочка российского производства («СветаLED» или «SvetaLED»), правда побитая жизнью, но рабочая, и китайский NoName, которую с лёгкостью можно купить на ebay или dealextreme.com.

Когда мне в руки попадает хоть какой-либо мало-мальски ценный и интересный предмет (от теней для век до процессора или , мне сразу хочется его разобрать и заглянуть внутрь, увидеть, как это всё устроено и работает. Видимо, это и отличает учёных от обывателей. Согласитесь, какой нормальный человек будет разбирать лампочку за 1000 рублей, но что поделать – партия сказала: надо!

Часть теоретическая

Как Вы думаете, почему все так озабочены заменой ламп накаливания , которые стали символом целой эпохи, на газоразрядные и светодиодные ?

Конечно, во-первых, это энергоэффективность и энергосбережение. К сожалению, вольфрамовая спираль больше излучает «тепловых» фотонов (т.е. свет с длинной волны более 700-800 нм), чем даёт света в видимом диапазоне (300-700 нм). С этим трудно спорить – график ниже всё расскажет сам за себя. С учётом того, что потребляемая мощность газоразрядных и светодиодных ламп в несколько раз ниже, чем у ламп накаливания при той же освещённости, которая измеряется в люксах . Таким образом, получаем, что для конечного потребителя это действительно выгодно. Другое дело – промышленные объекты (не путать с офисами): освещение пусть и важная часть, но всё-таки основные энергозатраты связаны как раз с работой станков и промышленных установок. Поэтому все вырабатываемые гигаватты уходят на прокатку труб, электропечи и т.д. То есть реальная экономия в рамках всего государства не так уж и велика.

Во-вторых, срок службы ламп, пришедших на замену «лампочкам Ильича», выше в несколько раз. Для светодиодной лампы срок службы практически неограничен, если правильно организован теплоотвод.

В-третьих, это инновации/модернизации/нанотехнологии (нужное подчеркнуть). Лично я ничего инновационного ни в ртутных, ни в светодиодных лампах не вижу. Да, это высокотехнологичное производство, но сама идея – это всего лишь логичное применение на практике знания о полупроводниках, которому лет 50-60, и материалов, известных около двух десятилетий.

Так как статья посвящена светодиодным лампам, то я более подробно остановлюсь на их устройстве. Давно известно, что проводимость освещённого полупроводника выше, чем проводимость неосвещённого (Wiki). Каким-то неведомым образом свет заставляет электроны бегать по материалу с меньшим сопротивлением. Фотон, если его энергия больше ширины запрещённой зоны полупроводника (E g), способен выбить электрон из так называемой валентной зоны и закинуть в зону проводимости.

Схема расположения зон в полупроводнике. E g – запрещённая зона, E F – энергия Ферми, цифрами указано распределение электронов по состояниям при T>0 ()

Усложним задачу. Возьмём два полупроводника с разным типом проводимости и и соединим вместе. Если в случае с одним полупроводником мы просто наблюдали увеличение тока, протекающего через полупроводник, то теперь мы видим, что этот диод (а именно так по-другому называется p-n-переход, возникающий на границе полупроводников с различным типом проводимости) стал мини-источником постоянного тока, причём величина тока будет зависеть от освещённости. Если выключить свет, то эффект пропадёт. Кстати, на этом основан принцип работы солнечных батарей .

На стыке полупроводников p и n типа возникающие после облучения светом заряды разделяются и «уходят» каждый к своему электроду ()

Теперь вернёмся к светодиодам. Получается, что можно провернуть и обратное: подключить полупроводник p-типа к плюсу на батарейке, а n-типа – к минусу, и… И ничего не произойдёт, никакого излучения в видимой части спектра не будет, так как наиболее распространенные полупроводниковые материалы (например, кремний и германий) – непрозрачны в видимой области спектра. Всему виной то, что Si или Ge являются не прямозонными полупроводниками . Но есть большой класс материалов, которые обладают полупроводниковыми свойствами и одновременно являются прозрачными. Яркие представители – GaAs (арсенид галия), GaN (нитрид галлия).

Итого, чтобы получить светодиод нам надо всего-то сделать p-n-переход из прозрачного полупроводника. На этом я, пожалуй, остановлюсь, ибо, чем дальше, тем сложнее и непонятнее становится поведение светодиодов.

Позволю себе лишь несколько слов о современных технологиях производства светодиодов. Так называемый активный слой представляет собой очень тонкие 10-15 нм толщиной перемежающиеся слои полупроводников p- и n-типа, которые состоят из таких элементов как In, Ga и Al. Такие слои эпитаксиально выращивают с помощью метода MOCVD (metal-oxide chemical vapor deposition или химическое осаждение из газовой фазы).

Схематичное представление устройства светодиода

Есть ещё одна проблема, которая мешает реализовать 100% конверсию (преобразование 1 электрона в 1 фотон) электричества, и заключается она в том, что даже такие тонкие слои полупроводников в определённой степени поглощают свет. Даже не то, чтобы сильно поглощают, просто свет «блуждает» внутри кристалла из-за эффекта полного внутреннего отражения на границе кристалл/воздух: увеличивается длина пути до выхода света из кристалла и, в конечном счёте, такой блуждающий фотон может поглотиться. Один из путей решения – использование структурированных подложек. Например, в современной светодиодной промышленности широко используется метод формованной сапфировой подложки. Такое микроструктурирование приводит к повышению эффективности светоотдачи всего диода ().

Для заинтересованных читателей могу предложить познакомиться с физикой , лежащей в основе работы светодиодов. Помимо этой интересной работы, выполненной в стенах родного МГУ, у Светланы и Оптогана есть прекрасная плеяда научных коллективов в самом Санкт-Петербурге. Например, ФизТех . А ещё можно почитать .

Часть методическая

Все измерения спектров ламп были сделаны в течение 30 минут (т.е. фоновый сигнал менялся слабо) в затемнённой комнате с помощью спектрометра Ocean Optics QE65000. можно почитать об устройстве спектрометра. Помимо 10 зависимостей на каждый вид ламп был измерен темновой спектр, который затем вычитали из спектров лампочек. Все 10 зависимостей для каждого образца суммировались и усреднялись. Дополнительно каждый итоговый спектр был нормирован на 100%.

Спектрометр Ocean Optics – отличный инструмент в умелых руках

Часть практическая

Итак, приступим. В наличии у нас есть шесть лампочек: 3 для полного разбора и ещё 3 для сравнения (так сказать контрольные образцы):
1. Лампочка Ильича
2. Лампочка Ильича М (т.е. газоразрядная лампа, формой повторяющая привычную лампочку Ильича)
3. Спираль Ильича (обычная газоразрядная лампа)
4. LED-лампа от «Оптогана»
5. LED-лампа от «СветаLED»
6. LED-лампа из Китая NoName

Все лампочки в сборе. Можем начинать!

Спектры

Ничего сверхъестественного тут мы не увидели. Лампочка Ильича безбожно пускает всё электричество в нагрев и цвет её то ли жёлтый, то ли оранжевый. Все ртутные лампы имеют полосатый спектр, который в человеческом глазе, как одновременное включение 3 пикселов (RGB) на экране (синие линии – ~420 нм, зелёные - ~550 нм, оранжевые и красные – всё, что выше 600 нм), преобразуется в белый.

Спектр трёх лампочек сравнения (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

А вот у светодиодных ламп спектр разительно отличается. Есть две компоненты: собственно, синяя от самого диода, и вторая, размазанная по всему спектру, – от люминофора или, по-русски, флуоресцентного красителя, который наносят на сами светодиоды и заливают сверху защитным слоем полимера. Соотношение между синим цветом диода и полосой эмиссии (испускания) люминофора определяет цветовую температуру лампы. Мы можем видеть, что у «Оптогана» самый тёплый свет, а у Китая самый холодный. Выгодно использовать 1 люминофор для регулирования цветовой температуры, таким образом, толщина слоя люминофора в купе с мощностью светодиода и определяет цветовую температуру. Стоит отметить, что в лампочках из Китая и от «Светланы» используется, по всей видимости, один и тот же люминофор, а вот «Оптоган» применяет свой собственный (существенное отличие максимума полосы испускания люминофора).

Сравнение спектров светодиодных ламп и традиционной лампы Ильича (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Лампочка от Светланы нам досталась в поломанном виде, и спектр мы снимали уже без матового стекла. Однако позвольте продемонстрировать аналогичную ситуацию на примере лампы из Китая, благо их было две штуки. Нормированные спектры мало различаются между собой, а небольшое увеличение интенсивности можно списать на то, что более длинноволновое излучение лучше рассеивается на матовом стекле.

Сравнение ламп китайского производства с и без стеклянной колбы (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Если кому-то будет интересно, то представлено довольно обстоятельное моделирование характеристик светодиодов.

Цена, материалы и характеристики

Трёх девиц под окном ломали поздно вечерком… Слева направо: Оптоган, СветаLED и NoName Китай

Китайский NoName

Лампочка из Китая была заказана через dealextreme.com и доставлена в Россию в течение 2 месяцев (сами понимаете, Почта России). Её стоимость около 14$ или примерно 420 рублей, включая доставку. Цветовая температура 5000-6000К, что соответствует белому холодному свету. Размеры совпадают с обычной лампочкой Ильича. Материал «колбы» - матовое стекло. На мой взгляд, идеальная замена обычной лампе накаливания, если бы цветовая температура была на 1000-2000К ниже указанной.

«Оптоган»

Лампочка была представлена простым смертным на специальной презентации . Дизайн от Артемия Лебедева, благородные материалы корпуса – поликарбонат и алюминий с фирменной символикой «Оптогана». Цветовая температура 3050 К. Очень мягкая и приятная лампа, но цена кусается – 995 рублей за штуку. Кому она нужна за такие деньги?!

Кстати, с качеством у Оптогана пока проблемы: тест на выносливость не проходит. Пару раз ввернул/вывернул и получил следующий результат:

Хлипкое крепление. Дамская лампочка, что тут ещё сказать!

«СветаLED»

LED-ламы этой фирмы пока ещё не появились на российском рынке, но говорят, что цена будет около 450-500 рублей. Однако ко мне в руки она попала, упакованной в стильную коробочку (видимо, какая-то пилотная партия), на которой значится температура 3500-4500К (это всё равно, что указать, что длина экватора от 35 000 км до 45 000 км). Радиатор запрятан под алюминиевым колпаком (мелочь, а приятно, как будто держишь в руках обычную лампочку Ильича, только немножко «переделанную»), а вокруг алюминиевого диска со смонтированными светодиодными модулями всё обильно замазано термопастой типа КТ-8. Говорят, что «Светлана» каким-то образом относится к военным, которые, видимо, живут по принципу Джейми Хайнемана : «Сомневаешься – смажь!». К примеру, у китайской лампы термопаста нанесена только под самими светодиодными модулями.

Те, кто нещадно бил лампочки «СветаLED» и NoName из Китая говорят, что стекло довольно хрупкое, и по качеству (чисто субъективная оценка) уступает лампочкам накаливания.

Так ковырялась лампочка…

На чипе лампы «Оптогана»
Тег #RusNT поставить надо!
И нам засветит #RusNT
И в сентябре, и в феврале
(с) АП

Небольшой фотоотчёт (видеокамера почему-то отказалась работать) о том, как мы разбирали лампочки:

К гламурному эксперименту надо подходить гламурно! (Хотя все совпадения цветов вымышлены)

Самое главное оружие – молоток, как же без него?!

Честно, я старался, но поликарбонат так и не поддался. Разрушалось всё, стол, линолеум, алюминиевый радиатор, но не поликарбонат, который в последствие был удалён отвёрткой. Но лампочка даже в полуразобранном состоянии продолжала гореть.

Далее пришлось очень долго ковырять драйвер, который залит каким-то полимером. В результате и драйвер, и гордость Оптогана – монолитный светодиодный чип – были извлечены на поверхность.

Драйвер

Ниже представлены все 3 драйвера вместе. Оцените сложность исполнения каждого из них…

Сверху вниз: «Оптоган», «СветаLED» и Китай

Начнём с самого нижнего. Китайский драйвер, честно говоря, мне понравился: мощные конденсаторы, катушки, немножко преобразующей электроники (диодный мост и т.д.). Всё выполнено очень компактно, из-за чего сама лампа имеет довольно скромные размеры. Также, большим плюсом является то, что все подводящие провода длинные, т.е. реально можно «отремонтировать» лампу! Или использовать драйвер после срока службы лампы в каких-то иных целях. Конечно, большинству обычных пользователей до этого нет дела, но всё-таки это можно отнести к потенциальным плюсам. Сама подложка со светодиодными чипами крепится на 2 миниатюрных болтика (ведь китайская же…), так что, в прямом смысле, с лампой можно обходиться как с конструктором.

Драйвер из китайской NoName LED-лампочки

Проводки действительно очень длинные…

Лампа производства компании «Оптоган» имеет очень сложный драйвер с твердотельными конденсаторами и, как меня убеждали специалисты, с импульсным блоком питания (хотя все светодиодные лампы должны иметь такой блок питания). При этом сам драйвер наравне со светоизлучающим модулем является «фишкой» фирмы и её основной гордостью. Ходят слухи, что компания будет вести R&D в области минимизации этого драйвера и, возможно, в ближайшем будущем уменьшит размер своей гигантской лампочки до приемлемых размеров.

Гордость «Оптогана» – драйвер и светоизлучающий модуль – рядом с главным фейлом – цоколем

«СветаLED». Назвать это драйвером язык не поворачивается. Даже у Китая есть какие-то «плюшки», которые улучшают потребительские свойства лампы (например, защищают от мигания), но здесь нет ничего ровным счётом, кроме диодного моста, предохранителя, огромнейшего конденсатора (10 мкФ, 450 В – много это или мало?! стоит сказать, что энергии, запасённой в конденсаторе, хватает на то, чтобы лампочка светила 1,5 минуты после отключения питания) и, по всей видимости, коммутатора нагрузки. Всё настолько просто и примитивно, что я сначала был слегка удивлён. Истинное детище сумрачного российского гения …

Тоже гордость…сумрачного российского гения

Возможно, что простота исполнения – козырь лампочки «СветаLED». Мерцания с частотой 50 Герц, скорее всего, среднестатистический глаз вряд ли увидит, да и неоткуда им там взяться, так как мощный конденсатор всё сглаживает, а люминофор и подавно не сможет так быстро высвечивать закачанную в него энергию (фосфоресценцию в сложных молекулярных красителях никто не отменял). Отсюда должна вытекать низкая стоимость лампы… хм, но где-то тут есть подвох, так как лампа планируется к выпуску по цене, близкой к китайскому аналогу с учётом разовой доставки в Россию!

N.B. Важно помнить, что помимо всего прочего важными и зависящими от устройства драйвера параметрами являются: коэффициент пульсаций, которые могут негативно влиять на умственную активность человека, и фоновое электромагнитное излучение, которое неизбежно возникает из-за использования различных «выпрямляющих» схем. Но это уже совсем другая история…

Светодиоды

Вот мы и дошли до самого лакомого кусочка нашего исследования. В Интернете есть множество публикаций (раз , два , три), где приводится сравнение спектров ламп разных производителей, их потребительских характеристик (дизайн, срок службы и т.д.), но сейчас мы опустимся чуть ниже, чтобы стать ближе к самим светоизлучающим элементам ламп. Сразу оговорюсь, что все 3 лампы примерно одной и той же мощности 5-6 Вт (если внимательно посмотреть технические характеристики лампы «Оптогана», то мы обнаружим изображение данного чипа , рассчитанный на 5 Вт, тогда как заявленная мощность лампы 11 Вт) и имеют примерно одинаковую светоизлучающую площадь. Итого мы имеем световой поток на Вт (люме н на Вт): Китай – 70-90, Оптоган – 65, Светлана – 75. Мне кажется, это важно, если уважаемые читатели захотят сравнить лампы между собой!

Если честно, то к китайскому светодиоду, именно к самому чипу, я проникся симпатией. Красота его внутреннего устройства просто восхитительна. Мне повезло: пока я отрывал все слои с этого светодиода, нечаянно повредил большой диод-чип, в результате чего обнажилась микроструктурированная сапфировая подложка:

Оптические микрофотографии китайского чипа вид сверху: золотистые полосы на чипе – токоподводящие контакты.

Слоистая структура светоизлучающего чипа при максимальном увеличении на оптическом микроскопе. Темная область соответствует сапфировой подложке. Стрелками отмечены отдельные слои или группы слоёв.

Кстати, сам чип изолирован от внешнего мира как минимум 3 слоями, но мне кажется, что их всё-таки там 4. Первый – полимер с люминофором, превращающий часть излучения в синей области спектра в жёлто-оранжевую. Второй – небольшой слой мягкого полимера, затем выпуклая оболочка (а-ля линза) из твёрдого полимера, и ещё два слоя из мягкого и твёрдого полимеров.

Мне хотелось бы отметить, что по сравнению с остальными лампами китайская максимально просто устроена. Всего 4 проводка соединяют большой чип с окружающим миром (у остальных ламп их гораздо больше), всего 1 светоизлучающий чип на диод, который уже непосредственно монтируется на плату, грамотно разведённые токоподводящие контакты на самом чипе, позволяющие равномерно по всей поверхности протекать электрическому току (что-то подобное есть и у «Оптогана»). Каких-то явных, существенных недостатков мне найти не удалось.

SEM-изображения структурированной сапфировой подложки

Слоистая структура выдаёт, что мы на правильном пути (следствие метода создания чипов - MOCVD), но разглядеть отдельные слои активной области вряд ли удастся…

Чип и контакты, которые его питают

Приступим к лампочке от «Оптогана». Самое странное, на мой взгляд, – расположение светоизлучающего модуля. По центру. И у Китая, и у «Светланы» несколько «миниатюрных» модулей мощностью по 1 Вт равномерно распределены по подложке, таким образом, теплоотвод от светодиодов этих фирм намного лучше, чем от модуля «Оптогана». Да, я прекрасно понимаю, что светодиодный модуль «Оптогана» выполнен из меди, она хорошо проводит тепло, а большой радиатор эффективно его рассеивает. Но лампочка от «Оптогана» имеет огромные размеры, которые, кстати, ещё и обусловлены тем, что надо как-то крепить поликарбонатную колбу, и влезет не в каждый патрон.

Такой светодиодный модуль устроен довольно просто: в шахматном порядке под полимерным слоем, окрашенным жёлто-оранжевым люминофором, расположены отдельные диоды, которые соединены друг с другом (схему соединения диодов и прочие технические детали можно найти ).

SEM-изображение отдельных светодиодов на подложке после удаления полимерного слоя

Сам же полимерный слой имеет довольно интересную структуру. Он состоит из маленьких (диаметр ~10 мкм) шариков:

Оптические микрофотографии «изнанки» полимерного слоя

Случайно получилось так, что один разрезанный микротомом диод остался в полимерном слое. Стоит отметить, что сам диод действительно прозрачен и сквозь него видны контакты на другой стороне чипа:

Оптические микрофотографии светодиода с тыльной стороны: отличная прозрачность для такого рода изделий

Полимерный слой настолько прочно приклеен как к самой медной подложке, так и к отдельным чипам, что после его удаления на поверхности диодов всё равно остаётся тонкий слой полимера. Ниже на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа можно во всей красе увидеть «скол» того самого активного слоя диода, в котором электроны «перерождаются» в фотоны:

SEM-изображения светоизлучающего слоя отдельного светодиода (стрелками указано расположение активного слоя)

А вот и текстурированный буферный слой, внимательно присмотритесь к правому нижнему изображению – оно нам ещё пригодится (стрелками указан буферный слой)

После неаккуратного обращения с чипом некоторые контакты повредились, а некоторые остались целыми

И последняя лампа – «СветаLED». Первое, что удивляет, – подложка со светодиодными модулями – внимание! – прикручена на здоровенный болтик к остальной лампе (прям как в Китае делали). Когда разбирал, думал, что может мешать «оторвать» её от остальной лампы, а потом увидел болтик… Кстати, на обороте этой алюминиевой подложки маркером! написан какой-то номер. Такое создаётся ощущение, что на заводе Светланы под Питером работают гастарбайтеры, которые собирают эти лампы вручную. Хотя нет, погодите, ведь лампочки производят военные… …

Мало того, что подложка со светодиодами прикручена на шурупчик, так на обратной стороне написан номер… МАРКЕРОМ – ручная работа…

Сами модули намертво посажены на алюминиевую подложку: оторвать целиком не получается. Видимо припаяны, чтобы улучшить теплопроводность. Здесь я много комментировать не буду, так как все комментарии приведены выше при обсуждении лампы «Оптогана».

Оптические микрофотографии светоизлучающего диода от компании Светлана: на изображении-вставке отчётливо видна микроструктура подложки

На заметку: удалось разглядеть, как соединены отдельные чипы в модуле от «Светланы». Последовательно, к моему великому разочарованию. Таким образом, если «перегорит» хотя бы 1 светодиод, то весь модуль перестанет работать.

SEM-изображения светоизлучающего диода от компании Светлана (стрелочками показана активная область). На левом верхнем рисунке добавлено изображение предполагаемых контактов так, как они должны были быть проложены в модуле (4 x3 диода).

Всё та же знакомая микроструктурированная сапфировая подложка…

Не вызывает ли эта картинка эффекта déjà vu?! Стрелочками указан буферный слой.

К сожалению, сайт компании, производящей лампы «СветаLED», выполнен истинными дизайнерами: много красивых картинок и мало смысла, нет нормальных дотошных спецификаций, как, например, на сайте «Оптогана» (кстати, он существует на двух доменах и COM с примерно одинаковым содержанием). К тому же, есть сайт, посвящённой только 1 лампочке , есть сайт собственно самой компании , но спецификации вообще почему-то лежат на совершенно ином ресурсе .

Скандалы, интриги, расследования…

Если кто-то дочитал до этого момента, то сейчас начнётся всё самое интересное. А именно, давайте я просто представлю на Ваш суд данные, которые мне показались интересными:
1. На этом рисунке я попытался привести фотографии с какими-то характерными особенностями диодов от «Светланы» и «Оптогана»:

2. Внимательно почитайте спецификацию на сайте «Оптогана» и на сайте «Светланы» . Модуль у «Светланы» имеет размеры 5 на 5 мм, 2 уголка на «крышке» срезаны под 45 градусов и т.д. – многое совпадает со спецификацией «Оптогана». Продолжающийся эффект déjà vu не мучает?! А может просто всё закупается на Тайване?!

И, конечно же, выводы

Готов ли быть патриотом и назвать лампу «отечественного» (например, у «Оптогана» чипы производятся в Германии) производства лучшей по совокупности всех факторов?! Пожалуй, что нет. Честно, светодиодная лампа китайского производства меня приятно порадовала: относительная простота схемы питания диодов, простые материалы, удачное размещение светодиодов на подложке. Проблема с цветовой температурой решаема, а вот единственный минус, который меня как покупателя смущает, это долговечность лампочки из Поднебесной.

Лампы «отечественного» производства, а в особенности, «Оптоган» как всегда «радуют» своей ценой. Я больше, чем уверен, что можно было бы начать с «кустарного» дизайна, дешёвых материалов (стекло вместо поликарбоната) и заполнить нишу бюджетных источников света (вроде как богачей в России не так уж много, или я чего-то не знаю?!). Но даже не это главное, готовых вложить 1000 рублей в лампочку и не думать об их покупке в течение нескольких лет найдётся не мало. Оставим внешнее поразительное сходство между модулями, меня больше заботит другое – сходство между отдельными светодиодными чипами (геометрические размеры, расположение, контакты и т.д.). Такое ощущение, что изготавливали их на оборудовании одной и той же фирмы, только версии этого оборудования отличаются как v.1.0 и v.1.1. Конечно, я понимаю, что самое главное в светодиоде – внутренняя структура активной зоны, но, согласитесь, трудно достать 1 чип размером 160 на 500 мкм (толщина человеческого волоса 50-80 мкм) и сравнить эмиссионные спектры у чипов «Оптогана» и «Светланы».

Тем не менее, если компании «Оптоган» доработает цоколь, уберёт дорогие материалы (поликарбонат), уменьшит размеры, заменит 1 мощный чип на несколько более простых и оптимизирует драйвер (короче, вы поняли – полностью переделает лампу), то у такой лампочки будут все шансы завоевать российский рынок, так как помимо указанных недостатков, есть и масса плюсов таких, как грамотное соединение диодов в модуле, умный «драйвер» и т.д. Спасибо технической документации.

Что же касается «Светланы», то кроме простейшего драйвера, который должен влиять на цену в сторону понижения, расположения светоизлучающих модулей на подложке, плюсов-то практически и нет. Техническая документация мутная, светодиоды соединены последовательно, что при «перегорании» 1 диода выводит целый модуль из строя (т.е. в нашем случае снижает световой поток на 12,5%), размазанная повсюду термопаста – всё это уверенности не добавляет. Но, это был всего лишь прототип, может быть, промышленные образцы будут лучше.

Данная статья не имеет целью очернение или наоборот превознесение продукции одних производителей над другими. Привожу только факты, а уж вывод делать вам! Как говорится, думайте сами, решайте сами…

Видео раздел

Спасибо большое OSRAM, что подготовил столь подробное видео о том, как производит светодиоды (правда, эта компании делает светодиоды по несколько иной технологии, нежели все нами изученные лампочки):

Процесс переноски светодиодных чипов внутрь пластикового корпуса:

А так на Тайване «фасуют» светодиодные чипы по пластиковым модулями с нанесением красителя и упаковкой в бобины:

Спектральные характеристики

Сами файлы для анализа можно скачать (надеюсь народюру не подведёт). За спектральные характеристики благодарим и его коллегу Антона(если коллеге нужен инвайт - пишите).

Если кратко, то:
Свет высшего качества у лампы накаливания (Ra=96). На втором месте традиционная и хорошо отработанная технология - люминисцентные лампы (Ra=82 и 85). На третьем светодиодные лампочки. Среди светодиодных лампочек места распределились ожидаемым образом - на первом месте немецко-российские лампочки Оптоган (Ra=80), на втором и третьем месте китайские лампочки (Ra=70) и российские лампочки Светлана (Ra=68).

P.S. В среду (26.10) начнётся Форум по нанотехнологиям

В-третьих , если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)

Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале - милости просим;)

С развитием светодиодной техники для нее постоянно находится все больше областей применения, она постепенно вытесняет люминесцентные и обычные лампы накаливания. Светодиоды намного практичнее в процессе эксплуатации, в 10 раз меньше потребляют электроэнергии, долговечнее, устойчивы к механическим воздействиям. Благодаря свойствам светодиодов обеспечивать излучение в определенных спектрах светового диапазона, их стали активно использовать для выращивания растений.

Интервалы спектров освещения, способствующие росту растений

Известно, что все растения развиваются благодаря процессу фотосинтеза, более глубокие изучения показали, что он активнее происходит в освещении синего и красного диапазона. Статистика различных экспериментов показывает, как некоторые растения отличаются по составу хлорофилла, от этого зависит интенсивность протекания фотосинтеза. Разные культуры растений в зависимости от этапа роста поглощают определенный участок спектра освещенности.

Зелень типа лука, петрушки, укропа активнее растет при синем спектре (длина волны 445 nm). На раннем этапе развития этот диапазон предпочитают и саженцы овощных культур. Когда наступает период цветения, завязи и созревания плодов, активно поглощается свет красного спектра в диапазоне 660 nm. Некоторым овощным культурам для благоприятного роста подходит белый свет широкого спектра.

Изучив эти свойства, можно понять, что для технологии выращивания растений в тепличных условиях при искусственном освещении легче всего адаптировать светодиоды.

Источники искусственного освещения

Ранее для растений в теплицах активно использовались белые светодиоды, люминесцентные или газоразрядные лампы широкого спектра излучения. Такая подсветка не совсем эффективна для стимулирования роста растений. Большая энергия тратится на освещение желто-зеленого диапазона, который бесполезен для роста саженцев.

На первом этапе использовались простые светодиоды красного и синего света, светодиодная лента. Но эти диоды имели довольно широкий рассеянный интервал за пределами красного и синего спектра, высокую стоимость и низкую интенсивность освещения. В процессе последовательных доработок кристаллы светодиодов стали покрывать слоем люминофора, который обладает свойствами пропускать только синие и красные лучи. Новые фитолампы излучают свет пурпурного цвета. Технологии с применением люминофора позволили добиться максимального эффекта по всем параметрам:

низкая себестоимость производства;
максимальная концентрация энергии излучения в синем и красном диапазонах;
максимальная интенсивность излучения;
экономичный режим потребления электроэнергии.

Такие светодиоды обеспечивают активный процесс фотосинтеза, стимулируя рост растений. Работы по совершенствованию параметров излучаемого спектра постоянно продолжаются, производители пытаются сделать фитофотодиоды, максимально приближая его к спектру солнечного света. Одним из современных образцов являются фитосветодиоды излучения полного спектра Bridgelux 35 мм и Epistar, первый имеет более выпуклую рассеивающую линзу.

Внешний вид Bridgelux 35 мм

Технические характеристики Bridgelux 35 мм:

номинальная мощность – 1 Вт;
напряжение от 3.0 до 3.4 В;
ток – 350 мА;
полный спектр цвета для растений 400–840 nm;
ресурс работы – 50 000 часов;
направленность рассеивания луча – 120 градусов;
габариты – Ø чипа с корпусом 9 мм, Ø линзы 5.6 мм, высота всей конструкции чипа 6 мм.

Особенность этих фитосветодиодов в том, что не требуется несколько чипов с разными спектрами излучения – синим или красным. В данном случае все смонтировано в одном чипе с широким спектром подсветки, где преобладают синий и красный цвета.

Сравнительный анализ спектров красного светодиода и фитофотодиода

Интервалы желтого, зеленого и других спектров значительно снижены. Это позволяет сконцентрировать энергию на излучении полезного цвета.

Основные достоинства фитосветодиодов

Спектр излучения охватывает полностью диапазон от 400 до 840 nm.
Распределение интенсивности излучения участков спектра, она максимально приближена к солнечному свету.
Решается проблема использования нескольких видов светодиодов с разными спектрами, когда в светильник вставляют красные и синие светодиоды.
Фитосветодиод эффективно стимулирует рост растений весь период развития: до цветения, во время цветения, завязи плодов и созревания. Не требуется смены источников света на различных стадиях. Фитофотодиод собирается на основе одного кристалла.

Светильники с фитосветодиодными элементами, имеющими полный спектр солнечного света, работают в 1,9 раза эффективнее, чем простые фитолампы с пиками красного и синего диапазона. И в 1,2 раза лучше, чем сборки на отдельных диодах различного спектра.

Пример конструкции для подсветки саженцев фитосветодиодами

Замечено, что под фитолампами красного и синего спектра ростки растут выше, но завязей на цветках меньше. Фитофотодиоды с полным спектром имеют менее интенсивное излучение синего диапазона по сравнению с красным. Контрасты спектра сбалансированы так, что светодиоды для растений обеспечивают не значительный рост по высоте, а максимальное количество плодов.

Превосходство фитофотодиодов с полным спектром перед другими моделями очевидно. Чтобы они еще более широко применялись, остается совершенствовать детали по увеличению интенсивности светового потока.

Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.

Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.

Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.

Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: . Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.

Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:

Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.

На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.

Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.

Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.

За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан .

Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:

1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;

2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.

Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.

Влияние температуры

При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.

Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.

За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.

Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:

1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;

2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.

На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.

Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.

Виды цветовой передачи света

Современные светодиоды излучают:

белый свет.

Желто-зеленый, желтый и красный спектр

В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.

Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.

Голубой спектр

Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:

1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;

2. высоких требований к содержанию примесей.

Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.

Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.

Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.

Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.

Белый спектр

Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;

3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.

У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.

Особенности технологий белого спектра

Методика RGB

Она позволяет:

задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;

вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;

создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.

Простым примером такой реализации служат . Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.

Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:

неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;

неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.

Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.

Светодиоды с люминофором

Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.

Для них характерны недостатки:

в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;

сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.

Особенности светодиодов разных конструкций

Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.

Способы питания

Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.

С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.

При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.

Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.

Способы управления

Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:

1. величиной подключаемого напряжения;

Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.

Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.

За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.

О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.

Производство

При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.

Физический ручной труд человека полностью исключен из производственного процесса.

Подготовленные специалисты осуществляют только контроль за правильным протеканием технологии.

Анализ качества выпускаемой продукции тоже входит в их обязанности.