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¿Qué significa espectro completo para un LED? Cómo se diseñan y funcionan los LED. Características de los LED de diferentes diseños.

Una banda con un máximo en la zona amarilla (el diseño más común). La emisión del LED y el fósforo, cuando se mezclan, producen luz blanca de varios tonos.

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Historia de la invención

Los primeros emisores semiconductores rojos para uso industrial los obtuvo N. Kholonyak en 1962. A principios de los años 70 aparecieron los LED amarillos y verdes. La potencia luminosa de estos aparatos, entonces aún ineficaces, alcanzó en 1990 el lumen. En 1993, Shuji Nakamura, ingeniero de Nichia (Japón), creó el primer LED azul de alto brillo. apareció casi de inmediato LED RGB dispositivos, desde azul, rojo y colores verdes hizo posible obtener cualquier color, incluido el blanco. Los LED de fósforo blanco aparecieron por primera vez en 1996. Posteriormente, la tecnología se desarrolló rápidamente y, en 2005, la eficiencia luminosa de los LED alcanzó 100 lm/W o más. Los LED aparecieron con diferentes tonalidades de brillo, la calidad de la luz permitió competir con las lámparas incandescentes y las que ya se habían vuelto tradicionales. Lámparas fluorescentes. Se inició el uso de dispositivos de iluminación LED en la vida cotidiana, en interiores y exteriores. alumbrado público.

LED RGB

Se puede crear luz blanca mezclando emisiones de LED de diferentes colores. El diseño tricromático más común está compuesto por fuentes rojas (R), verdes (G) y azules (B), aunque también se encuentran bicromáticos, tetracromáticos y más. opciones multicolores. Un LED multicolor, a diferencia de otros emisores semiconductores RGB (luminarias, lámparas, clusters), tiene una carcasa completa, que suele ser similar a un LED de un solo color. Los chips LED están situados uno al lado del otro y comparten una lente y un reflector comunes. Dado que los chips semiconductores tienen un tamaño finito y sus propios patrones de radiación, estos LED suelen tener características de color angulares desiguales. Además, para obtener la proporción de color correcta, a menudo no es suficiente configurar el diseño actual, ya que la salida de luz de cada chip se desconoce de antemano y está sujeta a cambios durante el funcionamiento. Para instalacion los tonos correctos Las lámparas RGB a veces están equipadas con dispositivos de control especiales.

El espectro de un LED RGB está determinado por el espectro de los emisores semiconductores que lo componen y tiene una forma de línea pronunciada. Este espectro es muy diferente del espectro del sol, por lo que el índice de reproducción cromática del LED RGB es bajo. Los LED RGB le permiten controlar fácil y ampliamente el color del brillo cambiando la corriente de cada LED incluido en la "tríada", ajustando el tono de color de la luz blanca que emiten directamente durante el funcionamiento, hasta obtener colores individuales independientes.

Los LED multicolores dependen de la eficiencia luminosa y el color de la temperatura debido a las diferentes características de los chips emisores que componen el dispositivo, lo que resulta en un ligero cambio en el color del brillo durante el funcionamiento. La vida útil de un LED multicolor está determinada por la durabilidad de los chips semiconductores, depende del diseño y, en la mayoría de los casos, supera la vida útil de los LED de fósforo.

Los LED multicolores se utilizan principalmente para iluminación decorativa y arquitectónica, en señalización electrónica y pantallas de vídeo.

LED de fósforo

La combinación de un emisor semiconductor azul (más a menudo), violeta o ultravioleta (no utilizado en la producción en masa) y un convertidor de fósforo permite producir una fuente de luz económica con buenas características. El diseño más común de un LED de este tipo contiene un chip semiconductor de nitruro de galio azul modificado con indio (InGaN) y un fósforo con una reemisión máxima en la región. color amarillo- granate de itrio-aluminio dopado con cerio trivalente (YAG). Parte de la potencia de la radiación inicial del chip sale del cuerpo del LED, disipándose en la capa de fósforo, la otra parte es absorbida por el fósforo y reemitida en la región de valores de energía más bajos. El espectro de reemisión cubre una amplia región del rojo al verde, pero el espectro resultante de un LED de este tipo tiene una caída pronunciada en la región verde-azul-verde.

Dependiendo de la composición del fósforo, los LED se fabrican con diferentes temperaturas de color (“cálidas” y “frías”). Combinando diferentes tipos de fósforo se consigue un aumento significativo del índice de reproducción cromática (CRI o Ra). Desde 2017, ya existen paneles LED para fotografía y filmación, donde la reproducción del color es fundamental, pero estos equipos son caros y los fabricantes son pocos y espaciados.

Una de las formas de aumentar el brillo de los LED de fósforo manteniendo o incluso reduciendo su coste es aumentar la corriente a través del chip semiconductor sin aumentar su tamaño, es decir, aumentando la densidad de corriente. Este método está asociado con un aumento simultáneo de los requisitos de calidad del chip en sí y de la calidad del disipador de calor. A medida que aumenta la densidad de corriente, los campos eléctricos en el volumen de la región activa reducen la salida de luz. Cuando se alcanzan las corrientes límite, dado que las secciones del chip LED con diferentes concentraciones de impurezas y diferentes anchos de banda prohibida conducen la corriente de manera diferente, se produce un sobrecalentamiento local de las secciones del chip, lo que afecta la salida de luz y la durabilidad del LED en su conjunto. Para aumentar la potencia de salida manteniendo la calidad de las características espectrales y las condiciones térmicas, los LED se fabrican con grupos de chips LED en una sola carcasa.

Uno de los temas más debatidos en el campo de la tecnología LED policromada es su fiabilidad y durabilidad. A diferencia de muchas otras fuentes de luz, un LED cambia su salida de luz (eficiencia), patrón de radiación y tono de color con el tiempo, pero rara vez falla por completo. Por lo tanto, para estimar el período uso beneficioso Tomemos, por ejemplo, para la iluminación, un nivel de reducción de la eficiencia luminosa de hasta el 70% del valor original (L70). Es decir, un LED cuyo brillo ha disminuido un 30% durante el funcionamiento se considera defectuoso. Para los LED utilizados en iluminación decorativa, se utiliza un nivel de atenuación del 50 % (L50) como estimación de vida útil.

La vida útil de un LED de fósforo depende de muchos parámetros. Además de la calidad de fabricación del propio conjunto LED (el método de fijación del chip al soporte de cristal, el método de fijación de los conductores conductores de corriente, la calidad y las propiedades protectoras de los materiales de sellado), la vida útil depende principalmente de la características del propio chip emisor y de los cambios en las propiedades del fósforo durante el funcionamiento (degradación). Además, como demuestran numerosos estudios, el principal factor que influye en la vida útil de un LED es la temperatura.

Efecto de la temperatura en la vida útil del LED

Durante el funcionamiento, un chip semiconductor emite parte de la energía eléctrica en forma de radiación y otra parte en forma de calor. Además, dependiendo de la eficiencia de dicha conversión, la cantidad de calor es aproximadamente la mitad o más para los emisores más eficientes. El material semiconductor en sí tiene una baja conductividad térmica; además, los materiales y el diseño de la carcasa tienen una cierta conductividad térmica no ideal, lo que conduce al calentamiento del chip a altas temperaturas (para una estructura semiconductora). Los LED modernos funcionan a temperaturas de chip de entre 70 y 80 grados. Y un aumento adicional de esta temperatura cuando se utiliza nitruro de galio es inaceptable. La alta temperatura conduce a un aumento en el número de defectos en la capa activa, a una mayor difusión y a un cambio en las propiedades ópticas del sustrato. Todo esto conduce a un aumento en el porcentaje de recombinación no radiativa y absorción de fotones por parte del material del chip. Se logra un aumento de potencia y durabilidad mejorando tanto la propia estructura del semiconductor (reduciendo el sobrecalentamiento local), como desarrollando el diseño del conjunto de LED y mejorando la calidad de refrigeración del área activa del chip. También se están realizando investigaciones con otros materiales o sustratos semiconductores.

El fósforo también es susceptible a las altas temperaturas. Con una exposición prolongada a la temperatura, los centros reemisores se inhiben y el coeficiente de conversión, así como las características espectrales del fósforo, se deterioran. En el primero y algunos diseños modernos Con los LED policromados, el fósforo se aplica directamente al material semiconductor y se maximiza el efecto térmico. Además de las medidas para reducir la temperatura del chip emisor, los fabricantes utilizan varias maneras reduciendo la influencia de la temperatura del chip sobre el fósforo. Las tecnologías de fósforo aislado y los diseños de lámparas LED, en los que el fósforo está físicamente separado del emisor, pueden aumentar la vida útil de la fuente de luz.

Carcasa LED de plástico de silicona ópticamente transparente o resina epoxica, está sujeto a envejecimiento bajo la influencia de la temperatura y con el tiempo comienza a desvanecerse y volverse amarillo, absorbiendo parte de la energía emitida por el LED. Las superficies reflectantes también se deterioran cuando se calientan: interactúan con otros elementos de la carrocería y son susceptibles a la corrosión. Todos estos factores juntos conducen al hecho de que el brillo y la calidad de la luz emitida disminuyen gradualmente. Sin embargo, este proceso se puede ralentizar con éxito garantizando una eliminación eficiente del calor.

Diseño LED de fósforo

Un LED de fósforo moderno es un dispositivo complejo que combina muchos originales y únicos. soluciones tecnicas. El LED tiene varios elementos principales, cada uno de los cuales realiza una función importante, a menudo más de una:

Todos los elementos de diseño LED se prueban cargas térmicas y deben seleccionarse teniendo en cuenta el grado de su expansión térmica. Y una condición importante para un buen diseño es la capacidad de fabricación y bajo costo ensamblar el dispositivo LED e instalarlo en la lámpara.

Brillo y calidad de la luz.

El parámetro más importante no es ni siquiera el brillo del LED, sino su eficiencia luminosa, es decir, la potencia luminosa de cada vatio de energía eléctrica consumida por el LED. La eficiencia luminosa de los LED modernos alcanza los 190 lm/W. El límite teórico de la tecnología se estima en más de 300 lm/W. Al evaluar, es necesario tener en cuenta que la eficiencia de una lámpara basada en LED es significativamente menor debido a la eficiencia de la fuente de energía, las propiedades ópticas del difusor, el reflector y otros elementos estructurales. Además, los fabricantes suelen indicar la eficiencia inicial del emisor a temperatura normal, mientras que la temperatura del chip durante el funcionamiento es mucho mayor. Esto lleva al hecho de que la eficiencia real del emisor es entre un 5 y un 7% menor y la de la lámpara suele ser el doble.

El segundo parámetro igualmente importante es la calidad de la luz producida por el LED. Hay tres parámetros para evaluar la calidad de la reproducción cromática:

LED de fósforo basado en un emisor ultravioleta

Además de la ya extendida combinación de LED azul y YAG, también se está desarrollando un diseño basado en un LED ultravioleta. Un material semiconductor capaz de emitir en la región cercana al ultravioleta está recubierto con varias capas de un fósforo a base de europio y sulfuro de zinc activado por cobre y aluminio. Esta mezcla de fósforos proporciona máximos de reemisión en las regiones verde, azul y roja del espectro. La luz blanca resultante tiene un efecto muy buenas caracteristicas calidad, pero la eficacia de dicha transformación sigue siendo baja. Hay tres razones para esto [ ]: el primero se debe a que la diferencia entre la energía del incidente y los cuantos emitidos se pierde durante la fluorescencia (se convierte en calor), y en el caso de la excitación ultravioleta es mucho mayor. La segunda razón es que parte de la radiación ultravioleta que no es absorbida por el fósforo no participa en la creación. flujo luminoso, a diferencia de los LED basados en un emisor azul, y un aumento en el espesor de la capa de fósforo conduce a un aumento en la absorción de luz luminiscente en ella. Y finalmente, la eficiencia de los LED ultravioleta es significativamente menor que la de los azules.

Ventajas y desventajas de los LED de fósforo.

Teniendo en cuenta el alto costo fuentes LED iluminación en comparación con las lámparas tradicionales, existen razones de peso para utilizar este tipo de dispositivos:

Pero también hay desventajas:

Los LED de iluminación también tienen características inherentes a todos los emisores semiconductores, teniendo en cuenta cuál es la aplicación más exitosa, por ejemplo, la dirección de la radiación. El LED brilla solo en una dirección sin necesidad de reflectores ni difusores adicionales. Luces led más adecuado para iluminación local y direccional.

Perspectivas de desarrollo de la tecnología LED blanca.

Tecnologías de fabricación LED blanco, adecuados para fines de iluminación, están en desarrollo activo. La investigación en esta área se ve estimulada por un mayor interés público. La perspectiva de importantes ahorros energéticos está atrayendo inversiones en investigación de procesos, desarrollo tecnológico y búsqueda de nuevos materiales. A juzgar por las publicaciones de los fabricantes de LED y materiales relacionados, especialistas en el campo de los semiconductores y la luminotecnia, podemos esbozar las vías de desarrollo en este ámbito:

ver también

Notas

, pag. 19-20.
LED MC-E de Cree, que contienen emisores rojos, verdes, azules y blancos Archivado el 22 de noviembre de 2012.
LED VLMx51 de Vishay, que contienen emisores rojos, naranjas, amarillos y blancos(Inglés) . LED Profesional. Consultado el 10 de noviembre de 2012. Archivado el 22 de noviembre de 2012.
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Reflectores para LED basados en cristales fotónicos(Inglés) . Profesional dirigido. Consultado el 16 de febrero de 2013. Archivado el 13 de marzo de 2013.
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LED blancos con alto emisión luminosa para necesidades de iluminación (Inglés) . Phys.Org™. Consultado el 10 de noviembre de 2012. Archivado el 22 de noviembre de 2012.

Una banda con un máximo en la zona amarilla (el diseño más común). La emisión del LED y el fósforo, cuando se mezclan, producen luz blanca de varios tonos.

Historia de la invención

Los primeros emisores semiconductores rojos para uso industrial los obtuvo N. Holonyak en 1962. A principios de los años 70 aparecieron los LED amarillos y verdes. La potencia luminosa de estos aparatos, entonces aún ineficaces, alcanzó en 1990 el lumen. En 1993, Shuji Nakamura, ingeniero de Nichia (Japón), creó el primer LED azul de alto brillo. Casi de inmediato aparecieron los dispositivos LED RGB, ya que los colores azul, rojo y verde permitían obtener cualquier color, incluido el blanco. Los LED de fósforo blanco aparecieron por primera vez en 1996. Posteriormente, la tecnología se desarrolló rápidamente y, en 2005, la eficiencia luminosa de los LED alcanzó 100 lm/W o más. Los LED aparecieron con diferentes tonos de brillo, la calidad de la luz hizo posible competir con las lámparas incandescentes y las lámparas fluorescentes ya tradicionales. Ha comenzado el uso de dispositivos de iluminación LED en la vida cotidiana, tanto en iluminación interior como exterior.

LED RGB

Se puede crear luz blanca mezclando emisiones de LED de diferentes colores. El diseño tricromático más común se elabora a partir de fuentes rojas (R), verdes (G) y azules (B), aunque se encuentran variantes bicromáticas, tetracromáticas y más multicromáticas. Un LED multicolor, a diferencia de otros emisores semiconductores RGB (lámparas, lámparas, clusters), tiene una carcasa completa, a menudo similar a un LED de un solo color. Los chips LED están situados uno al lado del otro y comparten una lente y un reflector comunes. Dado que los chips semiconductores tienen un tamaño finito y sus propios patrones de radiación, estos LED suelen tener características de color angulares desiguales. Además, para obtener la proporción de color correcta, a menudo no es suficiente configurar el diseño actual, ya que la salida de luz de cada chip se desconoce de antemano y está sujeta a cambios durante el funcionamiento. Para configurar las tonalidades deseadas, las lámparas RGB a veces están equipadas con dispositivos de control especiales.

Los LED multicolores se utilizan principalmente para iluminación decorativa y arquitectónica, en señalización electrónica y pantallas de vídeo.

LED de fósforo

La combinación de un emisor semiconductor azul (más a menudo), violeta o ultravioleta (no utilizado en la producción en masa) y un convertidor de fósforo permite producir una fuente de luz económica con buenas características. El diseño más común de un LED de este tipo contiene un chip semiconductor de nitruro de galio azul modificado con indio (InGaN) y un fósforo con máxima reemisión en la región amarilla: granate de itrio-aluminio dopado con cerio trivalente (YAG). Parte de la potencia de la radiación inicial del chip sale del cuerpo del LED, disipándose en la capa de fósforo, la otra parte es absorbida por el fósforo y reemitida en la región de valores de energía más bajos. El espectro de reemisión cubre una amplia región del rojo al verde, pero el espectro resultante de un LED de este tipo tiene una caída pronunciada en la región verde-azul-verde.

Una forma de aumentar el brillo de los LED de fósforo manteniendo o incluso reduciendo su costo es aumentar la corriente a través del chip semiconductor sin aumentar su tamaño, lo que aumenta la densidad de corriente. Este método está asociado con un aumento simultáneo de los requisitos de calidad del chip en sí y de la calidad del disipador de calor. A medida que aumenta la densidad de corriente, los campos eléctricos en el volumen de la región activa reducen la salida de luz. Cuando se alcanzan las corrientes límite, dado que las áreas del chip LED con diferentes concentraciones de impurezas y diferentes bandas prohibidas conducen la corriente de manera diferente, se produce un sobrecalentamiento local de las áreas del chip, lo que afecta la salida de luz y la durabilidad del LED en su conjunto. Para aumentar la potencia de salida manteniendo la calidad de las características espectrales y las condiciones térmicas, los LED se producen que contienen grupos de chips LED en un solo paquete.

Uno de los temas más debatidos en el campo de la tecnología LED policromada es su fiabilidad y durabilidad. A diferencia de muchas otras fuentes de luz, un LED cambia su salida de luz (eficiencia), patrón de radiación y tono de color con el tiempo, pero rara vez falla por completo. Por tanto, para evaluar la vida útil, por ejemplo para iluminación, se toma un nivel de reducción de eficiencia luminosa de hasta el 70% del valor original (L70). Es decir, un LED cuyo brillo ha disminuido un 30% durante el funcionamiento se considera averiado. Para los LED utilizados en iluminación decorativa, se utiliza un nivel de atenuación del 50 % (L50) como estimación de vida útil.

Efecto de la temperatura en la vida útil del LED

El fósforo también es susceptible a las altas temperaturas. Con una exposición prolongada a la temperatura, los centros reemisores se inhiben y el coeficiente de conversión, así como las características espectrales del fósforo, se deterioran. En los primeros diseños de LED policromados y en algunos modernos, el fósforo se aplica directamente al material semiconductor y se maximiza el efecto térmico. Además de las medidas para reducir la temperatura del chip emisor, los fabricantes utilizan varios métodos para reducir la influencia de la temperatura del chip sobre el fósforo. Las tecnologías de fósforo aislado y los diseños de lámparas LED, en los que el fósforo está físicamente separado del emisor, pueden aumentar la vida útil de la fuente de luz.

La carcasa del LED, hecha de plástico de silicona ópticamente transparente o resina epoxi, está sujeta a envejecimiento bajo la influencia de la temperatura y comienza a oscurecerse y amarillear con el tiempo, absorbiendo parte de la energía emitida por el LED. Las superficies reflectantes también se deterioran cuando se calientan: interactúan con otros elementos de la carrocería y son susceptibles a la corrosión. Todos estos factores juntos conducen al hecho de que el brillo y la calidad de la luz emitida disminuyen gradualmente. Sin embargo, este proceso se puede ralentizar con éxito garantizando una eliminación eficiente del calor.

Diseño LED de fósforo

Un LED de fósforo moderno es un dispositivo complejo que combina muchas soluciones técnicas originales y únicas. El LED tiene varios elementos principales, cada uno de los cuales realiza una función importante, a menudo más de una:

Todos los elementos de diseño LED experimentan estrés térmico y deben seleccionarse teniendo en cuenta el grado de expansión térmica. Y una condición importante para un buen diseño es la capacidad de fabricación y el bajo costo de ensamblar un dispositivo LED e instalarlo en una lámpara.

Brillo y calidad de la luz.

El parámetro más importante no es ni siquiera el brillo del LED, sino su eficiencia luminosa, es decir, la potencia luminosa de cada vatio de energía eléctrica consumida por el LED. La eficiencia luminosa de los LED modernos alcanza los 190 lm/W. El límite teórico de la tecnología se estima en más de 300 lm/W. Al evaluar, es necesario tener en cuenta que la eficiencia de una lámpara basada en LED es significativamente menor debido a la eficiencia de la fuente de energía, las propiedades ópticas del difusor, el reflector y otros elementos estructurales. Además, los fabricantes suelen indicar la eficiencia inicial del emisor a temperatura normal, mientras que la temperatura del chip aumenta significativamente durante el funcionamiento [ ] . Esto lleva al hecho de que la eficiencia real del emisor es entre un 5 y un 7% menor y la de la lámpara suele ser el doble.

El segundo parámetro igualmente importante es la calidad de la luz producida por el LED. Hay tres parámetros para evaluar la calidad de la reproducción cromática:

LED de fósforo basado en un emisor ultravioleta

Además de la ya extendida combinación de LED azul y YAG, también se está desarrollando un diseño basado en un LED ultravioleta. Un material semiconductor capaz de emitir en la región cercana al ultravioleta está recubierto con varias capas de un fósforo a base de europio y sulfuro de zinc activado por cobre y aluminio. Esta mezcla de fósforos proporciona máximos de reemisión en las regiones verde, azul y roja del espectro. La luz blanca resultante tiene características de muy buena calidad, pero la eficiencia de dicha conversión sigue siendo baja. Hay tres razones para esto [ ]: el primero se debe a que la diferencia entre la energía del incidente y los cuantos emitidos se pierde durante la fluorescencia (se convierte en calor), y en el caso de la excitación ultravioleta es mucho mayor. La segunda razón es que parte de la radiación UV no absorbida por el fósforo no participa en la creación del flujo luminoso, a diferencia de los LED basados en un emisor azul, y un aumento en el espesor de la capa de fósforo conduce a un aumento en la absorción de luz luminiscente en él. Y finalmente, la eficiencia de los LED ultravioleta es significativamente menor que la de los azules.

Ventajas y desventajas de los LED de fósforo.

Teniendo en cuenta el alto coste de las fuentes de iluminación LED en comparación con las lámparas tradicionales, existen razones de peso para utilizar dichos dispositivos:

Pero también hay desventajas:

Los LED de iluminación también tienen características inherentes a todos los emisores semiconductores, teniendo en cuenta cuál es la aplicación más exitosa, por ejemplo, la dirección de la radiación. El LED brilla solo en una dirección sin necesidad de reflectores ni difusores adicionales. Las luminarias LED son las más adecuadas para la iluminación local y direccional.

Perspectivas de desarrollo de la tecnología LED blanca.

Se están desarrollando activamente tecnologías para producir LED blancos adecuados para fines de iluminación. La investigación en esta área se ve estimulada por un mayor interés público. La perspectiva de importantes ahorros energéticos está atrayendo inversiones en investigación de procesos, desarrollo tecnológico y búsqueda de nuevos materiales. A juzgar por las publicaciones de los fabricantes de LED y materiales relacionados, especialistas en el campo de los semiconductores y la luminotecnia, se pueden delinear vías de desarrollo en esta área:

ver también

Notas

, pag. 19-20.
LED Cree MC-E que contienen emisores rojos, verdes, azules y blancos Archivado el 22 de noviembre de 2012.
LED Vishay VLMx51 que contienen emisores rojos, naranjas, amarillos y blancos(Inglés) . LED Profesional. Consultado el 10 de noviembre de 2012. Archivado el 22 de noviembre de 2012.
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, pag. 404.
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, pag. 61, 77-79.
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Reflectores para LED basados en cristales fotónicos(Inglés) . Profesional dirigido. Consultado el 16 de febrero de 2013. Archivado el 13 de marzo de 2013.
Lámpara XL XP-G3
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LED ultravioleta SemiLED con una longitud de onda de 390-420 nm.(Inglés) . LED Profesional. Consultado el 10 de noviembre de 2012. Archivado el 22 de noviembre de 2012.
, pag. 4-5.

EN Últimamente Hubo un gran revuelo en torno a las lámparas LED, que deberían sustituir a las habituales lámparas Ilich. Y como dijo el jefe nanotecnólogo de Rusia, estas lámparas pronto saldrán a la venta en Moscú y San Petersburgo. Por supuesto, todo se organizó con patetismo: V.V Putin fue el primero en apreciar el nuevo producto. Fui uno de los primeros en recibir una bombilla de Optogan, y además, tenía en mis manos otra bombilla de fabricación rusa (“SvetaLED” o “SvetaLED”), aunque maltrecha por la vida, pero funcionando, y una china. NoName, que se puede comprar fácilmente en eBay o dealextreme.com.

Cuando tengo en mis manos un objeto más o menos valioso e interesante (desde una sombra de ojos hasta un procesador o ), inmediatamente quiero desarmarlo y mirar dentro, para ver cómo funciona y funciona. Aparentemente, esto es lo que distingue a los científicos. De acuerdo, qué persona normal desmontaría una bombilla por 1000 rublos, pero ¿qué se puede hacer? El partido dijo: ¡es necesario!

parte teorica

¿Por qué cree que todo el mundo está tan preocupado por sustituir las lámparas incandescentes, que se han convertido en un símbolo de toda una época, por lámparas de descarga de gas y LED?

Por supuesto, en primer lugar, se trata de eficiencia energética y ahorro de energía. Desafortunadamente, un filamento de tungsteno emite más fotones “térmicos” (es decir, luz con una longitud de onda superior a 700-800 nm) de los que produce luz en el rango visible (300-700 nm). Es difícil discutir esto: el siguiente gráfico lo dirá todo por sí solo. Teniendo en cuenta el hecho de que el consumo de energía de las lámparas de descarga de gas y LED es varias veces menor que el de las lámparas incandescentes con la misma iluminación, que se mide en lux. Así, vemos que esto es realmente beneficioso para el consumidor final. Otra cosa son las instalaciones industriales (no confundir con oficinas): la iluminación puede ser una parte importante, pero aun así los principales costes energéticos están asociados precisamente al funcionamiento de las máquinas y las instalaciones industriales. Por tanto, todos los gigavatios generados se gastan en laminado de tuberías, hornos eléctricos, etc. Es decir, los ahorros reales en todo el estado no son tan grandes.

En segundo lugar, la vida útil de las lámparas que sustituyeron a las “bombillas de Ilich” es varias veces mayor. Para una lámpara LED, la vida útil es casi ilimitada si la disipación de calor se organiza adecuadamente.

En tercer lugar, se trata de innovaciones/modernizaciones/nanotecnologías (subrayar según corresponda). Personalmente, no veo nada innovador ni en las lámparas de mercurio ni en las LED. Sí, se trata de una producción de alta tecnología, pero la idea en sí es simplemente una aplicación lógica en la práctica del conocimiento sobre semiconductores, que tiene entre 50 y 60 años, y sobre materiales conocidos desde hace aproximadamente dos décadas.

Dado que el artículo está dedicado a las lámparas LED, me detendré en su diseño con más detalle. Se sabe desde hace mucho tiempo que la conductividad de un semiconductor iluminado es mayor que la conductividad de uno apagado (Wiki). De alguna manera desconocida, la luz hace que los electrones viajen a través del material con menos resistencia. Un fotón, si su energía es mayor que la banda prohibida del semiconductor (E g), es capaz de sacar un electrón de la llamada banda de valencia y arrojarlo a la banda de conducción.

Diagrama de la disposición de bandas en un semiconductor. E g – banda prohibida, E F – energía de Fermi, los números indican la distribución de electrones entre estados en T>0 ()

Compliquemos la tarea. Tomemos dos semiconductores con diferentes tipos Conductividad y conexión entre sí. Si en el caso de un semiconductor simplemente observamos un aumento en la corriente que fluye a través del semiconductor, ahora vemos que este diodo (que es otro nombre para la unión p-n que ocurre en el límite de semiconductores con diferentes tipos de conductividad) se ha convertido en una mini fuente corriente continua, y la magnitud de la corriente dependerá de la iluminación. Si apagas la luz, el efecto desaparecerá. Por cierto, este es el principio de funcionamiento de los paneles solares.

En la unión de semiconductores de tipo p y n, las cargas que surgen después de la irradiación con luz se separan y cada una "va" a su propio electrodo ()

Ahora volvamos a los LED. Resulta que puedes hacer lo contrario: conectar un semiconductor tipo p al positivo de la batería, y uno tipo n al negativo, y... Y no pasará nada, no habrá radiación en la parte visible. del espectro, ya que los materiales semiconductores más comunes (por ejemplo, silicio y germanio) son opacos en la región visible del espectro. La razón de esto es que el Si o el Ge no son semiconductores de separación directa. Pero existe una gran clase de materiales que tienen propiedades semiconductoras y al mismo tiempo son transparentes. Los representantes destacados son GaAs (arseniuro de galio), GaN (nitruro de galio).

En total, para obtener un LED, solo necesitamos hacer una unión p-n a partir de un semiconductor transparente. Probablemente me detendré aquí, porque cuanto más avanzamos, más complejo e incomprensible se vuelve el comportamiento de los LED.

Permítanme decir algunas palabras sobre tecnologías modernas Producción de LED. La llamada capa activa son capas alternas muy delgadas de semiconductores de tipo p y n de espesor de 10 a 15 nm, que se componen de elementos como In, Ga y Al. Dichas capas se cultivan epitaxialmente utilizando el método MOCVD (deposición química de vapor de óxido metálico o deposición química de vapor).

Representación esquemática del dispositivo LED.

Hay otro problema que impide implementar el 100% de conversión (conversión de 1 electrón en 1 fotón) de la electricidad, y es que incluso capas tan finas de semiconductores absorben la luz hasta cierto punto. Ni siquiera es que absorban fuertemente, es sólo que la luz “vaga” dentro del cristal debido al efecto de reflexión interna total en la interfaz cristal/aire: la longitud del camino antes de que la luz salga del cristal aumenta y, en última instancia, tal El fotón errante puede ser absorbido. Una solución es utilizar sustratos estructurados. Por ejemplo, el método del sustrato de zafiro moldeado se utiliza ampliamente en la industria LED moderna. Esta microestructuración conduce a un aumento en la eficiencia de salida de luz de todo el diodo ().

Para los lectores interesados, puedo sugerirles que se familiaricen con la física que subyace al funcionamiento de los LED. Además de este interesante trabajo realizado dentro de los muros de su Universidad Estatal de Moscú natal, Svetlana y Optogan cuentan con una maravillosa galaxia de equipos de investigación en el propio San Petersburgo. Por ejemplo, PhysTech. También puedes leer.

Parte metodológica

Todas las mediciones de los espectros de la lámpara se realizaron en 30 minutos (es decir, la señal de fondo cambió ligeramente) en una habitación oscura utilizando un espectrómetro Ocean Optics QE65000. Puede leer sobre el diseño del espectrómetro. Además de 10 dependencias para cada tipo de lámpara, se midió el espectro oscuro, que luego se restó del espectro de las lámparas. Se resumieron y promediaron las 10 dependencias de cada muestra. Además, cada espectro final se normalizó al 100%.

El espectrómetro Ocean Optics es una excelente herramienta en manos capaces

Parte practica

Entonces empecemos. Disponemos de seis bombillas en stock: 3 para análisis completo y 3 más para comparación (muestras de control, por así decirlo):
1. La bombilla de Ilich
2. Bombilla de Ilich M (es decir, una lámpara de descarga de gas con la forma de una bombilla de Ilich normal)
3. Espiral de Ilich (lámpara de descarga de gas convencional)
4. Lámpara LED de Optogan
5. Lámpara LED de SvetaLED
6. Lámpara LED de China NoName

Todas las bombillas están montadas. ¡Podemos empezar!

Espectros

No vimos nada sobrenatural aquí. La bombilla de Ilich utiliza descaradamente toda la electricidad para calentarse y su color es amarillo o naranja. Todas las lámparas de mercurio tienen un espectro rayado, que en el ojo humano es similar a la inclusión simultánea de 3 píxeles (RGB) en la pantalla (líneas azules - ~ 420 nm, verde - ~ 550 nm, naranja y roja - todo por encima de 600 nm) , se convierte en blanco.

Espectro de tres lámparas de comparación (a modo de comparación, debajo de la escala se muestra la parte del espectro que percibe el ojo humano)

Pero el espectro de las lámparas LED es sorprendentemente diferente. Hay dos componentes: en realidad, el azul procedente del propio diodo, y el segundo, repartido por todo el espectro, procedente del fósforo o, en ruso, tinte fluorescente, que se aplica sobre los propios LED y se vierte encima con una capa protectora de polímero. La relación entre el color azul del diodo y la banda de emisión del fósforo determina la temperatura de color de la lámpara. Podemos ver que Optogan tiene la luz más cálida, mientras que China tiene la más fría. Es ventajoso utilizar 1 fósforo para regular la temperatura del color; así, el espesor de la capa de fósforo, junto con la potencia del LED, determina la temperatura del color. Vale la pena señalar que las bombillas de China y de Svetlana aparentemente usan el mismo fósforo, pero Optogan usa el suyo propio (una diferencia significativa en la banda máxima de emisión del fósforo).

Comparación de los espectros de las lámparas LED y la lámpara Ilich tradicional (a modo de comparación, la parte del espectro que percibe el ojo humano se muestra debajo de la escala)

Recibimos la bombilla de Svetlana rota y tomamos el espectro sin el cristal esmerilado. Sin embargo, permítanme demostrar una situación similar usando el ejemplo de una lámpara de China, afortunadamente había dos. Los espectros normalizados difieren poco entre sí y el ligero aumento de intensidad se puede atribuir al hecho de que la radiación de longitud de onda más larga se dispersa mejor en el vidrio esmerilado.

Comparación de lámparas fabricadas en China con y sin bombilla de vidrio (a modo de comparación, debajo de la escala se muestra la parte del espectro que percibe el ojo humano)

Si alguien está interesado, se presenta un modelado bastante detallado de las características de los LED.

Precio, materiales y características.

A última hora de la noche, tres niñas fueron destrozadas debajo de la ventana... De izquierda a derecha: Optogan, SvetaLED y NoName China

chino sin nombre

La bombilla de China se pidió a través de dealextreme.com y se entregó a Rusia en 2 meses (comprende, Correo Ruso). Su coste es de unos 14 dólares o unos 420 rublos, envío incluido. La temperatura de color es de 5000-6000K, que corresponde a la luz blanca fría. Las dimensiones coinciden con las bombillas habituales de Ilich. El material del “matraz” es vidrio esmerilado. En mi opinión, es un sustituto ideal de una lámpara incandescente convencional, si la temperatura de color fuera 1000-2000K inferior a la especificada.

"Optógano"

La bombilla fue presentada a los simples mortales en una presentación especial. Diseño de Artemy Lebedev, materiales nobles de la carrocería: policarbonato y aluminio con la marca Optogan. Temperatura de color 3050 K. Una lámpara muy suave y agradable, pero el precio es elevado: 995 rublos por pieza. ¿Quién lo necesita por esa cantidad de dinero?

Por cierto, Optogan todavía tiene problemas de calidad: no pasa la prueba de resistencia. Lo atornillé y desenrosqué un par de veces y obtuve el siguiente resultado:

Cierre endeble. Lámpara de señora, ¿qué más puedo decir?

"SvetaLED"

Las lámparas LED de esta empresa aún no han aparecido en el mercado ruso, pero dicen que el precio rondará los 450-500 rublos. Sin embargo, llegó a mis manos, empaquetado en una elegante caja (aparentemente una especie de lote piloto), en la que se indica la temperatura como 3500-4500K (esto es lo mismo que indicar que la longitud del ecuador es de 35.000 km a 45.000 kilómetros). El radiador está escondido debajo de una tapa de aluminio (un detalle pequeño, pero bonito, como si tuvieras en tus manos una bombilla Ilich normal, sólo que un poco "modificada"), y alrededor de un disco de aluminio con módulos LED montados, todo está generosamente cubierto con pasta térmica del tipo KT-8. Dicen que "Svetlana" de alguna manera se refiere a los militares, que aparentemente viven según el principio de Jamie Hyneman: "¡En caso de duda, lubríquelo!" Por ejemplo, en una lámpara china se aplica pasta térmica solo debajo de los módulos LED.

Quienes golpean sin piedad a las bombillas SvetaLED y NoName de China dicen que el vidrio es bastante frágil y de calidad inferior (evaluación puramente subjetiva) a las bombillas incandescentes.

Entonces se estaba recogiendo la bombilla...

En el chip de la lámpara Optogan
¡Tienes que poner la etiqueta #RusNT!
Y #RusNT brillará sobre nosotros.
Tanto en septiembre como en febrero.
(gorra

Un pequeño reportaje fotográfico (por alguna razón la cámara de vídeo se negó a funcionar) sobre cómo desmontamos las bombillas:

¡Un experimento glamoroso debe abordarse de una manera glamorosa! (Aunque todas las coincidencias de colores son ficticias)

El arma más importante es el martillo, ¿qué harías sin él?

Honestamente, lo intenté, pero el policarbonato aún no cedió. Todo quedó destruido: la mesa, el linóleo, el radiador de aluminio, pero no el policarbonato, que luego fue retirado con un destornillador. Pero la bombilla, incluso a medio desmontar, seguía encendida.

Luego tuve que pasar mucho tiempo hurgando en el conductor, que estaba lleno de algún tipo de polímero. Como resultado, tanto el controlador como el orgullo de Optogan, el chip LED monolítico, salieron a la superficie.

Conductor

A continuación se muestran los 3 controladores juntos. Califica la dificultad de realizar cada uno de ellos...

De arriba a abajo: Optogan, SvetaLED y China

Empecemos desde abajo. Para ser honesto, me gustó el controlador chino: condensadores potentes, bobinas, un poco de electrónica de conversión (puente de diodos, etc.). Todo se hace de forma muy compacta, por lo que la lámpara tiene un tamaño bastante modesto. Además, una gran ventaja es que todos los cables de alimentación son largos, es decir. ¡De hecho puedes “reparar” una lámpara! O utilizar el controlador después de la vida útil de la lámpara para algún otro propósito. Por supuesto, a la mayoría de los usuarios comunes esto no les importa, pero aún así puede considerarse una ventaja potencial. El sustrato en sí con chips LED está sujeto a 2 pernos en miniatura (después de todo, es chino...), por lo que, en el sentido literal, puedes tratar la lámpara como un juego de construcción.

Controlador de bombilla LED china NoName

Los cables son realmente muy largos...

La lámpara de la empresa Optogan tiene un controlador muy complejo con condensadores de estado sólido y, como me convencieron los expertos, con bloqueo de pulso fuente de alimentación (aunque todas las lámparas LED deben tener dicha fuente de alimentación). Al mismo tiempo, el propio controlador, junto con el módulo emisor de luz, es la "característica" de la empresa y su principal orgullo. Hay rumores de que la empresa llevará a cabo investigaciones y desarrollo para minimizar este factor y podría reducir el tamaño de su bombilla gigante a un tamaño manejable en un futuro próximo.

El orgullo de "Optogan" es el controlador y el módulo emisor de luz, junto al archivo principal, la base.

"Sveta LED". Es difícil llamarlo conductor. Incluso China tiene algunos "beneficios" que mejoran las propiedades de la lámpara para el consumidor (por ejemplo, protegen contra el parpadeo), pero aquí no hay absolutamente nada excepto puente de diodos, un fusible, un condensador enorme (10 µF, 450 V, ¿es mucho o poco? Vale la pena decir que la energía almacenada en el condensador es suficiente para mantener la bombilla encendida durante 1,5 minutos después de que se apaga). ) y, aparentemente, se carga un interruptor. Todo es tan sencillo y primitivo que al principio me sorprendió un poco. La verdadera creación del sombrío genio ruso...

También el orgullo... del sombrío genio ruso.

Es posible que la simplicidad de ejecución sea la baza de la bombilla SvetaLED. Es muy poco probable que el ojo medio vea el parpadeo con una frecuencia de 50 Hercios, y no hay de dónde venir, ya que un potente condensador suaviza todo y el fósforo ciertamente no podrá iluminar la energía bombeada. en él tan rápidamente (nadie ha visto anulada la fosforescencia en tintes moleculares complejos). Esto debería llevar al bajo coste de la lámpara... mmm, pero aquí hay un problema, ya que está previsto que la lámpara se lance a un precio cercano al de su homóloga china, teniendo en cuenta el envío único a Rusia.

NÓTESE BIEN. Es importante recordar que, entre otras cosas, parámetros importantes que dependen del dispositivo conductor son: el coeficiente de ondulación, que puede afectar negativamente la actividad mental de una persona, y la radiación electromagnética de fondo, que inevitablemente surge debido al uso de diversos "rectificadores". circuitos. Pero esa es una historia completamente diferente...

LED

Ahora hemos llegado al detalle de nuestra investigación. Hay muchas publicaciones en Internet (una, dos, tres) donde se comparan los espectros de las lámparas. diferentes fabricantes, sus características de consumo (diseño, vida útil, etc.), pero ahora bajaremos un poco más para acercarnos a los elementos emisores de luz de las propias lámparas. Inmediatamente haré una reserva de que las 3 lámparas tienen aproximadamente la misma potencia de 5-6 W (si miras de cerca las características técnicas de la lámpara Optogan, encontraremos una imagen de este chip, diseñado para 5 W, mientras la potencia declarada de la lámpara es de 11 W) y tienen aproximadamente la misma área de emisión de luz. En total, tenemos un flujo luminoso por W (lúmenes por W): China - 70-90, Optogan - 65, Svetlana - 75. ¡Creo que esto es importante si, queridos lectores, quieren comparar lámparas entre sí!

Para ser sincero, me enamoré del LED chino, concretamente del chip en sí. La belleza de su estructura interna es simplemente asombrosa. Tuve suerte: mientras arrancaba todas las capas de este LED, dañé accidentalmente un chip de diodo grande, como resultado de lo cual quedó expuesto el sustrato de zafiro microestructurado:

Microfotografías ópticas de un chip chino, vista superior: las franjas doradas del chip son contactos portadores de corriente.

Estructura en capas de un chip emisor de luz con máximo aumento en un microscopio óptico. La zona oscura corresponde al sustrato de zafiro. Las flechas indican capas individuales o grupos de capas.

Por cierto, el chip en sí está aislado del mundo exterior por al menos 3 capas, pero me parece que todavía quedan 4 de ellas. La primera es un polímero con fósforo, que convierte parte de la radiación en azul. región del espectro en amarillo-naranja. La segunda es una pequeña capa de polímero blando, luego una capa convexa (a la lente) de polímero duro y dos capas más de polímeros blandos y duros.

Me gustaría señalar que, en comparación con otras lámparas, la china está diseñada de la forma más sencilla posible. Solo 4 cables conectan un chip grande con el mundo exterior (otras lámparas tienen muchos más), solo 1 chip emisor de luz por diodo, que ya está montado directamente en la placa, contactos conductores de corriente bien ubicados en el propio chip , permitiendo que la corriente eléctrica fluya uniformemente por toda la superficie (que “Optogan” tiene algo similar). No pude encontrar ninguna deficiencia obvia y significativa.

Imágenes SEM de un sustrato de zafiro estructurado.

La estructura en capas indica que estamos en el camino correcto (una consecuencia del método de creación de chips - MOCVD), pero es poco probable que sea posible discernir las capas individuales de la región activa...

El chip y los contactos que lo alimentan.

Comencemos con la bombilla Optogan. Lo más extraño, en mi opinión, es la ubicación del módulo emisor de luz. En el centro. Tanto China como Svetlana tienen varios módulos "en miniatura" con una potencia de 1 W cada uno, distribuidos uniformemente sobre el sustrato, por lo que la disipación de calor de los LED de estas empresas es mucho mejor que la del módulo Optogan. Sí, entiendo perfectamente que el módulo LED Optogan está hecho de cobre, conduce bien el calor y el gran radiador lo disipa eficazmente. Pero la bombilla Optogan tiene un tamaño enorme, lo que, por cierto, también se debe a que la bombilla de policarbonato debe fijarse de algún modo y no cabe en todos los casquillos.

Un módulo LED de este tipo está diseñado de forma muy sencilla: en forma de tablero de ajedrez, debajo de una capa de polímero pintada con fósforo amarillo anaranjado, se encuentran diodos individuales que están conectados entre sí (puede encontrar un diagrama de conexión de diodos y otros detalles técnicos).

Imagen SEM de LED individuales sobre un sustrato después de retirar la capa de polímero

La propia capa de polímero tiene una estructura bastante interesante. Consiste en pequeñas bolas (diámetro ~10 µm):

Micrografías ópticas de la "parte inferior" de la capa de polímero.

Sucedió por casualidad que un diodo cortado con un micrótomo permaneciera en la capa de polímero. Vale la pena señalar que el diodo en sí es verdaderamente transparente y los contactos en el otro lado del chip son visibles a través de él:

Micrografías ópticas del LED desde atrás: excelente transparencia para este tipo de producto

La capa de polímero está tan firmemente pegada tanto al sustrato de cobre como a los chips individuales que, después de retirarla, aún queda una fina capa de polímero en la superficie de los diodos. A continuación, en las imágenes obtenidas con un microscopio electrónico, se puede ver en todo su esplendor el “chip” de la capa muy activa del diodo en el que los electrones se “degeneran” en fotones:

Imágenes SEM de la capa emisora de luz de un LED separado (las flechas indican la ubicación de la capa activa)

Y aquí está la capa de búfer texturizada, eche un vistazo más de cerca a la imagen inferior derecha; nos será útil más adelante (las flechas indican la capa de búfer)

Después de un manejo descuidado del chip, algunos contactos resultaron dañados, mientras que otros permanecieron intactos.

Y la última lámpara es "SvetaLED". Lo primero que sorprende es el sustrato con módulos LED: ¡atención! – atornillado con un perno pesado al resto de la lámpara (como se hacía en China). Cuando lo desarmé, pensé que podría interferir con “separarlo” del resto de la lámpara, y luego vi un perno... Por cierto, ¡en la parte posterior de este sustrato de aluminio había un marcador! algún número está escrito. Parece que en la fábrica de Svetlana, cerca de San Petersburgo, hay trabajadores inmigrantes que montan estas lámparas a mano. Aunque no, espera, las bombillas las producen los militares... ...

No sólo el sustrato con los LED está atornillado con un tornillo, sino que en la parte posterior está escrito el número... CON UN MARCADOR - hecho a mano...

Los módulos están firmemente asentados sobre un sustrato de aluminio: es imposible arrancarlos por completo. Al parecer soldado para mejorar la conductividad térmica. No comentaré mucho aquí, ya que todos los comentarios se dieron anteriormente cuando se habló de la lámpara Optogan.

Micrografías ópticas de un diodo luminoso de la empresa Svetlana: en la imagen insertada se ve claramente la microestructura del sustrato

En una nota: Pude ver cómo están conectados los chips individuales en el módulo de Svetlana. Consistentemente, para mi gran decepción. Por lo tanto, si al menos 1 LED se funde, todo el módulo dejará de funcionar.

Imágenes SEM de un diodo emisor de luz de la empresa Svetlana (las flechas indican la región activa). En la imagen superior izquierda, se agregó una imagen de los contactos propuestos tal como deberían haberse enrutado en el módulo (4 x3 diodos).

El mismo sustrato de zafiro microestructurado familiar...

¿No evoca esta imagen un efecto déjà vu? Las flechas indican la capa de buffer.

Desafortunadamente, el sitio web de la empresa que produce las lámparas SvetaLED fue creado por verdaderos diseñadores: muchas imágenes hermosas y poco significado, no hay especificaciones meticulosas normales, como, por ejemplo, en el sitio web de Optogan (por cierto, existe en dos dominios y COM con aproximadamente el mismo contenido). Además, hay un sitio dedicado a solo 1 bombilla, hay un sitio para la propia empresa, pero por alguna razón las especificaciones están en un recurso completamente diferente.

Escándalos, intrigas, investigaciones…

Si alguien ha leído hasta este punto, ahora comienza la diversión. Es decir, permítanme presentarles los datos que me parecieron interesantes:
1. En esta figura intenté mostrar fotografías con algunos rasgos característicos de los diodos de “Svetlana” y “Optogan”:

2. Lea atentamente las especificaciones en el sitio web de Optogan y en el sitio web de Svetlana. El módulo Svetlana tiene unas dimensiones de 5 por 5 mm, 2 esquinas de la "tapa" están cortadas a 45 grados, etc. – coincide mucho con la especificación Optogan. ¿El efecto continuo del déjà vu no es atormentador? ¿O tal vez todo se acaba de comprar en Taiwán?

Y, por supuesto, conclusiones.

¿Estás listo para ser un patriota y llamar a una lámpara "nacional" (por ejemplo, los chips de Optogan se fabrican en Alemania) la mejor en términos de la combinación de todos los factores? Probablemente no. Sinceramente, quedé gratamente satisfecho con la lámpara LED de fabricación china: la relativa simplicidad del circuito de alimentación del diodo, materiales simples, colocación exitosa de LED en el sustrato. El problema de la temperatura del color se puede solucionar, pero lo único negativo que me confunde como comprador es la durabilidad de la bombilla del Reino Medio.

Las lámparas de producción “nacional” y, en particular, “Optogan”, como siempre, “agradan” con su precio. Estoy más que seguro de que sería posible comenzar con el diseño "artesanal", materiales baratos (vidrio en lugar de policarbonato) y llenar el nicho de las fuentes de luz económicas (parece que no hay tanta gente rica en Rusia, ¡¿O me estoy perdiendo algo?! ). Pero esto ni siquiera es lo principal; hay muchos que están dispuestos a invertir 1.000 rublos en una bombilla y no pensar en comprarla durante varios años. Dejemos de lado la sorprendente similitud externa entre los módulos; lo que más me preocupa es la similitud entre los chips LED individuales (dimensiones geométricas, ubicación, contactos, etc.). Parece que fueron fabricados utilizando equipos de la misma empresa, solo se diferencian las versiones de este equipo como v.1.0 y v.1.1. Por supuesto, entiendo que lo más importante en un LED es estructura interna zona activa, pero, como ve, es difícil conseguir 1 chip de 160 por 500 micrones (el grosor de un cabello humano es de 50 a 80 micrones) y comparar los espectros de emisión de los chips Optogan y Svetlana.

Sin embargo, si la empresa Optogan mejora la base, elimina materiales costosos (policarbonato), reduce el tamaño, reemplaza 1 chip potente por varios más simples y optimiza el controlador (en resumen, ya comprende, rediseña completamente la lámpara), entonces esa luz bulbo tendrá todas las posibilidades de ganar mercado ruso, ya que además de las desventajas indicadas, también hay muchas ventajas, como la correcta conexión de diodos en el módulo, un “controlador” inteligente, etc. Gracias a la documentación técnica.

En cuanto a "Svetlana", aparte del controlador más simple, que debería influir en el precio a la baja, y la ubicación de los módulos emisores de luz en el sustrato, prácticamente no hay ventajas. La documentación técnica está turbia, los LED están conectados en serie, lo que si 1 diodo "se quema" desactiva todo el módulo (es decir, en nuestro caso, reduce el flujo luminoso en un 12,5%), pasta térmica untada por todas partes, todo esto hace no añadir confianza. Pero esto fue sólo un prototipo, tal vez los diseños industriales sean mejores.

Este artículo no pretende denigrar o, por el contrario, exaltar los productos de unos fabricantes sobre otros. ¡Presento sólo los hechos y te dejo sacar la conclusión! Como dicen, piensa por ti mismo, decide por ti mismo...

Sección de vídeos

Muchas gracias a OSRAM por preparar un vídeo tan detallado sobre cómo produce LED (sin embargo, esta empresa fabrica LED utilizando una tecnología ligeramente diferente a todas las bombillas que hemos estudiado):

El proceso de transferencia de chips LED dentro de la caja de plástico:

Y así, en Taiwán, los chips LED se “empaquetan” en módulos de plástico con tinte aplicado y empaquetados en carretes:

Características espectrales

Los archivos mismos para su análisis se pueden descargar (espero que la gente no lo defraude). También agradecemos a su colega Anton por las características espectrales (si un colega necesita una invitación, escriba).

En breve:
La luz de mayor calidad proviene de una lámpara incandescente (Ra=96). En segundo lugar está la tecnología tradicional y probada: las lámparas fluorescentes (Ra = 82 y 85). El tercero tiene bombillas LED. Entre bombillas LED Los lugares se distribuyeron como se esperaba: en primer lugar están las bombillas germano-rusas Optogan (Ra=80), en segundo y tercer lugar están las bombillas chinas (Ra=70) y las bombillas rusas Svetlana (Ra=68).

PD El Foro de Nanotecnología comenzará el miércoles (26/10)

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Con el desarrollo de la tecnología LED, se le encuentran cada vez más áreas de aplicación y está reemplazando gradualmente a las lámparas fluorescentes e incandescentes convencionales. Los LED son mucho más prácticos durante el funcionamiento, consumen 10 veces menos electricidad, son más duraderos y resistentes al estrés mecánico. Debido a las propiedades de los LED para proporcionar radiación en ciertos espectros del rango de luz, comenzaron a usarse activamente para el cultivo de plantas.

Intervalos de espectro de luz que promueven el crecimiento de las plantas.

Se sabe que todas las plantas se desarrollan mediante el proceso de fotosíntesis; estudios más profundos han demostrado que ocurre más activamente con luz azul y roja. Las estadísticas de varios experimentos muestran cómo algunas plantas difieren en la composición de la clorofila, de esto depende la intensidad de la fotosíntesis. Dependiendo de la etapa de crecimiento, los diferentes cultivos absorben una determinada parte del espectro de luz.

Las verduras como la cebolla, el perejil y el eneldo crecen más activamente en el espectro azul (longitud de onda 445 nm). En una etapa temprana de desarrollo, esta gama también es la preferida por las plántulas de hortalizas. Cuando comienza el período de floración, ovario y maduración del fruto, se absorbe activamente la luz del espectro rojo en el rango de 660 nm. Alguno cultivos de hortalizas La luz blanca de amplio espectro es adecuada para un crecimiento favorable.

Habiendo estudiado estas propiedades, se puede comprender que los LED son los más fáciles de adaptar a la tecnología de cultivo de plantas en condiciones de invernadero con iluminación artificial.

Fuentes de iluminación artificial

Anteriormente, para las plantas de invernadero se utilizaban activamente LED blancos, lámparas fluorescentes o de descarga de gas con un amplio espectro de radiación. Esta iluminación no es del todo eficaz para estimular el crecimiento de las plantas. Se desperdicia mucha energía en la iluminación en la gama amarillo-verde, lo que es inútil para el crecimiento de las plántulas.

En la primera etapa se utilizaron simples LED rojos y azules, Tira de luces LED. Pero estos diodos tenían un rango de dispersión bastante amplio más allá del espectro rojo y azul, un alto costo y una baja intensidad de iluminación. En el proceso de sucesivas mejoras, los cristales LED comenzaron a cubrirse con una capa de fósforo, que tiene la propiedad de transmitir únicamente rayos azules y rojos. Las nuevas phytolamps emiten luz violeta. Las tecnologías que utilizan fósforo permitieron lograr el máximo efecto en todos los aspectos:

bajos costos de producción;
concentración máxima de energía de radiación en los rangos azul y rojo;
intensidad máxima de radiación;
modo económico de consumo de electricidad.

Estos LED aseguran el proceso activo de la fotosíntesis, estimulando el crecimiento de las plantas. Se trabaja constantemente para mejorar los parámetros del espectro emitido; los fabricantes intentan fabricar fitofotodiodos, acercándolos lo más posible al espectro de la luz solar. Uno de los ejemplos modernos son los fito-LED de espectro completo Bridgelux 35 mm y Epistar, el primero tiene una lente difusora más convexa.

Apariencia Puentelux 35mm

Características técnicas de Bridgelux 35 mm:

potencia nominal – 1 W;
voltaje de 3,0 a 3,4 V;
corriente – 350 mA;
espectro de colores completo para plantas de 400 a 840 nm;
vida útil: 50.000 horas;
dirección de dispersión del haz – 120 grados;
Dimensiones: Ø chip con carcasa 9 mm, Ø lente 5,6 mm, altura de toda la estructura del chip 6 mm.

La peculiaridad de estos fito-LED es que no requieren varios chips con diferentes espectros de emisión: azul o rojo. EN en este caso Todo está montado en un chip con un amplio espectro de iluminación, donde predominan los colores azul y rojo.

Análisis comparativo de los espectros de un LED rojo y un fitofotodiodo.

Los intervalos de espectros amarillo, verde y otros se reducen significativamente. Esto le permite concentrar energía en emitir colores útiles.

Las principales ventajas de los phytoLED.

El espectro de emisión cubre todo el rango de 400 a 840 nm.
La distribución de la intensidad de la radiación de partes del espectro es lo más cercana posible a la luz solar.
El problema de utilizar varios tipos de LED con diferentes espectros se resuelve insertando LED rojos y azules en la lámpara.
Phyto-LED estimula eficazmente el crecimiento de las plantas durante todo el período de desarrollo: antes de la floración, durante la floración, cuajado y maduración. No es necesario cambiar las fuentes de luz en diferentes etapas. El fitofotodiodo se ensambla sobre la base de un solo cristal.

Las lámparas con elementos fito-LED, que tienen un espectro completo de luz solar, funcionan 1,9 veces más eficientemente que las simples lámparas fito con picos en el rango rojo y azul. Y 1,2 veces mejor que los conjuntos que utilizan diodos individuales de diferentes espectros.

Un ejemplo de diseño para iluminar plántulas con fito-LED.

Se ha observado que bajo los phytolamps del espectro rojo y azul los brotes crecen más, pero hay menos ovarios en las flores. Los fitofotodiodos de espectro completo tienen una luz azul menos intensa que la luz roja. Los contrastes del espectro están equilibrados para que los LED para plantas no proporcionen un crecimiento significativo en altura, sino el número máximo de frutos.

La superioridad de los fitofotodiodos de espectro completo sobre otros modelos es obvia. Para que su uso sea aún más amplio, queda mejorar los detalles para aumentar la intensidad del flujo luminoso.

Emitiendo luz dispositivos semiconductores Ampliamente utilizado para sistemas de iluminación y como indicadores. corriente eléctrica. se refieren a dispositivos electrónicos, operando bajo la influencia del voltaje aplicado.

Dado que su magnitud es insignificante, estas fuentes pertenecen a dispositivos de bajo voltaje y tienen un mayor grado de seguridad en cuanto a los efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano. El riesgo de lesiones aumenta cuando se utilizan fuentes de alto voltaje para iluminarlos, por ejemplo, una red doméstica, que requieren la inclusión de fuentes de alimentación especiales en el circuito.

Una característica distintiva del diseño LED es la mayor resistencia mecánica de la carcasa que la de Ilyich y las lámparas fluorescentes. Cuando se usan correctamente, funcionan durante mucho tiempo y de manera confiable. Su vida útil es 100 veces mayor que la de los filamentos incandescentes, alcanzando las cien mil horas.

Sin embargo, este indicador es típico de las estructuras de indicadores. Las fuentes de iluminación potentes utilizan corrientes mayores y su vida útil se reduce de 2 a 5 veces.

Un indicador LED convencional está fabricado en una carcasa de epoxi con un diámetro de 5 mm y dos cables de contacto para conexión a circuitos de corriente eléctrica: . Visualmente difieren en longitud. El nuevo dispositivo sin contactos cortados tiene un cátodo más corto.

Una regla simple ayuda a recordar esta posición: ambas palabras comienzan con la letra “K”:

Cuando se cortan las patas del LED, el ánodo se puede determinar aplicando un voltaje de 1,5 voltios a los contactos de una simple batería AA: la luz aparece cuando las polaridades coinciden.

El monocristal semiconductor activo emisor de luz tiene la forma paralelepípedo rectangular. Se coloca cerca de un reflector de forma parabólica hecho de aleación de aluminio y montado sobre un sustrato con propiedades no conductoras.

Al final del cuerpo transparente y luminoso fabricado de materiales poliméricos se encuentra una lente que enfoca los rayos de luz. Junto con el reflector forma un sistema óptico que modela el ángulo del flujo de radiación. Se caracteriza por el patrón direccional del LED.

Caracteriza la desviación de la luz respecto del eje geométrico. diseño general hacia los lados, lo que conduce a una mayor dispersión. Este fenómeno se produce debido a la aparición de pequeños fallos tecnológicos durante la producción, así como al envejecimiento de los materiales ópticos durante el funcionamiento y algunos otros factores.

En la parte inferior de la carcasa puede haber una correa de aluminio o latón que sirve como radiador para eliminar el calor generado por el paso de la corriente eléctrica.

Este principio de diseño es ampliamente aceptado. Sobre esta base se crean otras fuentes de luz semiconductoras utilizando otras formas de elementos estructurales.

Principios de emisión de luz.

Unión de semiconductores tipo pn conectado a una fuente de voltaje constante de acuerdo con la polaridad de los terminales.

Dentro de la capa de contacto de sustancias de tipo p y n, bajo su influencia, comienza el movimiento de electrones y huecos libres cargados negativamente, que tienen signo positivo cargar. Estas partículas se dirigen hacia los polos que las atraen.

En la capa de transición las cargas se recombinan. Los electrones pasan de la banda de conducción a la banda de valencia superando el nivel de Fermi.

Debido a esto, parte de su energía se libera con la liberación de ondas de luz de diferente espectro y brillo. La frecuencia de las ondas y la reproducción del color dependen del tipo de materiales mezclados con los que está fabricado.

Para emitir luz dentro de la zona activa de un semiconductor se deben cumplir dos condiciones:

1. El ancho de la banda prohibida en la región activa debe ser cercano a la energía de los cuantos emitidos dentro del rango de frecuencia visible para el ojo humano;

2. Se debe garantizar que la pureza de los materiales cristalinos semiconductores sea alta y que el número de defectos que afecten al proceso de recombinación sea lo más bajo posible.

Este complejo problema técnico se puede resolver de varias maneras. Uno de ellos es la creación de varios capas pn transiciones cuando se forma una heteroestructura compleja.

Efecto de la temperatura

A medida que aumenta el nivel de voltaje de la fuente, aumenta la corriente a través de la capa semiconductora y aumenta el brillo: un mayor número de cargas ingresan a la zona de recombinación por unidad de tiempo. Al mismo tiempo se produce un calentamiento de los elementos portadores de corriente. Su valor es crítico para el material de las guías de corriente internas y la sustancia de la unión p-n. Una temperatura excesiva puede dañarlos y destruirlos.

En el interior de los LED, la energía de la corriente eléctrica se convierte en luz directamente, sin procesos innecesarios: a diferencia de las lámparas con filamentos incandescentes. En este caso, se forman pérdidas mínimas de potencia útil debido al bajo calentamiento de los elementos conductores.

Gracias a esto, se crea una alta eficiencia de estas fuentes. Pero solo se pueden utilizar donde la estructura misma esté protegida y bloqueada del calor externo.

Características de los efectos de iluminación.

Cuando los huecos y los electrones se recombinan en diferentes composiciones. sustancias p-n La transición crea una emisión de luz desigual. Generalmente se caracteriza por el parámetro de rendimiento cuántico: el número de cuantos de luz aislados para un único par de cargas recombinadas.

Se forma y ocurre en dos niveles del LED:

1. dentro de la propia unión del semiconductor: interno;

2. en el diseño de todo el LED en su conjunto: externo.

En el primer nivel, el rendimiento cuántico de monocristales correctamente fabricados puede alcanzar un valor cercano al 100%. Pero para garantizar este indicador, es necesario crear grandes corrientes y una potente disipación de calor.

Dentro de la propia fuente en el segundo nivel, parte de la luz es dispersada y absorbida por elementos estructurales, lo que reduce la eficiencia general de la radiación. El valor máximo del rendimiento cuántico es aquí mucho menor. Para los LED que emiten un espectro rojo, no alcanza más del 55%, y para los azules disminuye aún más, hasta el 35%.

Tipos de transmisión de luz cromática.

Los LED modernos emiten:

Luz blanca.

Espectro amarillo-verde, amarillo y rojo.

EN base pn En la transición se utilizan fosfuros y arseniuros de galio. Esta tecnología se implementó a finales de los años 60 para indicadores. dispositivos electrónicos y paneles de control de equipos de transporte, carteles publicitarios.

En términos de salida de luz, tales dispositivos superaron inmediatamente a las principales fuentes de luz de esa época, las lámparas incandescentes, y las superaron en confiabilidad, vida útil y seguridad.

espectro azul

Los emisores de espectro azul, azul verdoso y especialmente blanco se resisten desde hace mucho tiempo a la implementación práctica debido a las dificultades para resolver de manera integral dos problemas técnicos:

1. tamaño limitado de la banda prohibida en la que se produce la recombinación;

2. altos requisitos para el contenido de impurezas.

Para cada paso en el aumento del brillo del espectro azul, se requería un aumento en la energía de los cuantos ampliando el ancho de la banda prohibida.

El problema se resolvió incluyendo carburos de silicio SiC o nitruros en la sustancia semiconductora. Pero los desarrollos del primer grupo resultaron tener una eficiencia demasiado baja y un rendimiento de emisión cuántica demasiado bajo para un par de cargas recombinadas.

La inclusión de soluciones sólidas basadas en seleniuro de zinc en la transición a los semiconductores ayudó a aumentar el rendimiento cuántico. Pero estos LED tenían una mayor resistencia eléctrica en la unión. Debido a esto, se sobrecalentaron y se quemaron rápidamente, y las complejas estructuras de eliminación de calor para ellos no funcionaron de manera efectiva.

Por primera vez, se creó un diodo emisor de azul utilizando películas delgadas de nitruro de galio depositadas sobre un sustrato de zafiro.

espectro blanco

Para su obtención se utiliza una de las tres tecnologías desarrolladas:

1. mezclar colores mediante el método RGB;

2. aplicar tres capas de fósforo rojo, verde y azul a un LED ultravioleta;

3. cubrir un LED azul con capas de fósforo amarillo-verde y verde-rojo.

En el primer método, se colocan tres monocristales en una única matriz, cada uno de los cuales emite su propio espectro RGB. Debido al diseño del sistema óptico basado en lentes, estos colores se mezclan para producir un tinte blanco total.

En un método alternativo, la mezcla de colores se produce mediante la irradiación secuencial de tres capas constituyentes de fósforo con radiación ultravioleta.

Características de las tecnologías de espectro blanco.

técnica RGB

Eso permite:

utilizar varias combinaciones de monocristales en el algoritmo de control de iluminación, conectándolos uno por uno manualmente o mediante un programa automatizado;

provocar diferentes tonalidades de color que cambian con el tiempo;

crear espectaculares sistemas de iluminación para publicidad.

Un ejemplo sencillo de tal implementación es . Los diseñadores también utilizan ampliamente algoritmos similares.

Las desventajas del diseño LED RGB son:

color desigual del punto de luz en el centro y los bordes;

Calentamiento desigual y eliminación de calor de la superficie de la matriz, lo que lleva a diferentes velocidades. envejecimiento pn transiciones, lo que afecta el equilibrio del color y cambia la calidad general del espectro de blancos.

Estas desventajas son causadas por diferentes disposiciones de monocristales en la superficie base. Son difíciles de eliminar y configurar. Gracias a esta tecnología RGB, los modelos se encuentran entre los diseños más complejos y caros.

LED con fósforo

Son más simples en diseño, más baratos de fabricar y más económicos cuando se calculan por unidad de flujo luminoso.

Se caracterizan por desventajas:

en la capa de fósforo se producen pérdidas de energía luminosa, lo que reduce la emisión de luz;

la complejidad de la tecnología para aplicar una capa uniforme de fósforo afecta la calidad de la temperatura del color;

El fósforo tiene una vida útil más corta que el propio LED y envejece más rápido durante el funcionamiento.

Características de los LED diferentes diseños

Los modelos con productos de fósforo y RGB se crean para diversas aplicaciones industriales y domésticas.

Métodos de alimentación

El indicador LED de la primera producción en masa consumía unos 15 mA cuando se alimentaba con algo menos de dos voltios de tensión continua. Los productos modernos tienen características mejoradas: hasta cuatro voltios y 50 mA.

Los LED para iluminación funcionan con el mismo voltaje, pero consumen varios cientos de miliamperios. Los fabricantes ahora están desarrollando y diseñando activamente dispositivos de hasta 1 A.

Para aumentar la eficiencia de la salida de luz, se están creando módulos LED que pueden utilizar un suministro de voltaje secuencial para cada elemento. En este caso, su valor aumenta a 12 o 24 voltios.

Al aplicar voltaje al LED, se debe tener en cuenta la polaridad. Cuando se rompe, la corriente no pasa y no habrá brillo. Si se utiliza una señal sinusoidal alterna, la luminosidad se produce sólo cuando pasa una media onda positiva. Además, su fuerza también cambia proporcionalmente según la ley de aparición del valor de corriente correspondiente con una dirección polar.

Debe tenerse en cuenta que con voltaje inverso es posible que se rompa la unión del semiconductor. Ocurre al superar los 5 voltios en un solo cristal.

Métodos de control

Para ajustar el brillo de la luz emitida, se utiliza uno de dos métodos de control:

1. la magnitud del voltaje conectado;

El primer método es simple pero ineficaz. Cuando el nivel de voltaje cae por debajo de cierto umbral, es posible que el LED simplemente se apague.

El método PWM elimina este fenómeno, pero su implementación técnica es mucho más complicada. La corriente que pasa a través de la unión semiconductora de un monocristal no se suministra de forma constante, sino en forma de pulsos de alta frecuencia con un valor de varios cientos a mil hercios.

Al cambiar el ancho de los pulsos y las pausas entre ellos (el proceso se llama modulación), el brillo del resplandor se ajusta en un amplio rango. La formación de estas corrientes a través de monocristales se lleva a cabo mediante unidades de control programables especiales con algoritmos complejos.

Espectro de emisión

La frecuencia de la radiación que sale del LED se encuentra en una región muy estrecha. Se llama monocromático. Es radicalmente diferente del espectro de ondas que emana del Sol o de los filamentos incandescentes de las lámparas de iluminación convencionales.

Sobre la influencia de dicha iluminación en ojo humano hay mucha discusión en marcha. Sin embargo, desconocemos los resultados de análisis científicos serios sobre este tema.

Producción

En la fabricación de LED, sólo linea automatica, en el que máquinas robóticas operan utilizando tecnología prediseñadas.

Físico labor manual los humanos están completamente excluidos del proceso de producción.

Sólo especialistas capacitados controlan el correcto flujo de la tecnología.

El análisis de la calidad de los productos también forma parte de sus responsabilidades.