Совсем недавно автор этой статьи стал свидетелем того, как в вагоне метро продавец-коробейник рекламировал светодиодный фонарь. "Сверхъяркие лампочки этого фонаря, - лихо перекрикивал шум движущегося поезда продавец, - потребляют мало энергии, а значит, вам не придется часто менять батарейки". Наверное, доля рекламной правды в его словах есть: про лампы накаливания знают все, а вот упомянуть принципиально новый источник света - пожалуй, задумаются, так ли хороши эти сверхъяркие светодиоды, и так ли уж надежно будет служить изготовленный на их основе фонарик, неизвестно. Хотя о такой тривиальной задаче, как использование светодиода в качестве прибора световой сигнализации, осведомлены очень и очень многие. Можно даже сказать, что по своей распространенности обычные светодиоды могут легко соперничать с лампами накаливания, и в быту они сегодня встречаются очень часто - достаточно вспомнить бытовые выключатели со световой индикацией, предназначенные для их поиска в темноте.
Современные сигнальные светодиоды LED (Light Emitting Diode) выпускаются в огромных количествах, имеют разный цвет свечения, что очень удобно для сигнализационных устройств, разные конструктивные исполнения. Можно приобрести двухцветные модели, которые плавно меняют свой цвет в зависимости от соотношения входных сигналов, можно - мигающие при подаче напряжения, можно - со стандартным цоколем для замены ламп накаливания в сигнальной арматуре. Но какой из стандартного светодиода источник света в том смысле, в котором мы понимаем источник света? Ведь максимум того, на что его хватит, - это подсветить жидкокристаллический индикатор мобильного телефона. Не правда ли, трудно представить, что человек сможет нормально жить в свете полупроводниковых источников света, что он выполняет повседневную работу, читает книгу, ведет приятные разговоры в уютной атмосфере... Скажете фантастика? Нет, это - всего лишь реальность настоящего времени.
Свойство испускания световых волн p-n-переходами - это фундаментальное свойство всех полупроводников. Но такой способностью они наделены в разной степени. Например, используемые для изготовления транзисторов и обычных диодов кремниевые p-n-переходы совершенно не годятся даже для обычных светодиодов: они испускают крайне мало световых волн. Значительно лучше излучают полупроводники на основе соединений галлия (фосфид галлия и арсенид галлия), поэтому именно на их основе выпускаются всем известные светодиоды красного, желто-зеленого и зеленого свечения. Световая отдача этих приборов, в 60-х гг прошлого века составляла всего 1,5 лм/Вт. Несколько позже результаты исследований позволили повысить эффективность излучения полупроводников до 10 лм/Вт. Освоение технологий получения нитрида галлия привело к появлению светодиодов синего свечения. И вот тут как раз настала пора задуматься о светодиодах, излучающих белый свет. Светодиоды белого свечения впервые появились на мировом рынке в 1998 году.
Достигнутые на сегодняшний момент показатели эффективности твердотельных источников света не впечатляют: световая отдача коммерческих образцов светодиодов, излучающих в красно-желтой части спектра, составляет 65...75 лм/Вт, в зеленой области - до 85 лм/Вт, а в области белого свечения до 100 лм/Вт. На подходе - коммерческие образцы белого свечения с эффективностью порядка 150 лм/Вт, и это не предел. То есть, в среднем, за 50 лет существования твердотельных источников их эффективность выросла практически на два порядка. В целом же светоотдача "очень среднего" светодиода с "белым" спектром излучения сегодня находится на уровне светоотдачи хорошей люминесцентной лампы, и рост светоотдачи продолжается. А высокая стоимость производства твердотельных источников окупается фантастическим сроком службы - более 100000 часов непрерывной безотказной работы, а также высочайшей механической и климатической надежностью,бесперебойной работой при очень низких температурах, отсутствием вредных материалов типа ртути, возможностью элементарной регулировки яркости, обеспечением требований противопожарной безопасности в части малых тепловых излучений, малых затрат на обслуживание. Правда, есть обстоятельство, которое вносит некоторый диссонанс в эту "победную песню" о фантастических ресурсах сверхъярких светодиодов. Дело в том, что светоизлучающие диоды имеют свойство "стареть" в процессе работы, что выражается в потере их излучающей способности, а значит, и эффективности излучения. Тем не менее, солидные мировые фирмы-производители сверхъярких светодиодов гарантируют сохранение на 80% их начальной излучающей способности к половине срока службы. На интернет-форумах автор статьи встречал безапелляционные заявления о реальном сроке службы светодиодных источников в пределах 2...3 тысяч часов. Это может оказаться правдой только в двух случаях: когда используется продукция сомнительного производства, она действительно может потерять до 40 % эффективности излучения на протяжении тех самых 3000 часов эксплуатации, или когда светодиоды эксплуатируют в значительно завышенных, по сравнению с номинальными, режимах работы.
А сейчас давайте познакомимся с технологиями получения белого "твердотельного" света из "многоцветья" излучений стандартных светодиодов. В настоящее время существует четыре метода получения белого света, причем все они активно используются в индустрии "твердотельных технологий".
На рис. 1 показан метод смешивания разных цветов, а именно - классической RGB-триады, то есть красного, зеленого и синего. На одном кристалле светодиодного источника близко компонуются в мозаичном порядке разноцветные светоизлучающие кристаллы, их свет фокусируется при помощи линзы так, чтобы суммарный спектр излучения оказался близким к естественно-солнечному. Отдельно управляя каналами R, G и B, можно получить любой цвет (или оттенок цвета) свечения светодиода. Недостаток способа также очевиден: это значительная трудоемкость (а значит - высокая стоимость) изготовления и необходимость цветовой балансировки каналов R, G, B, так как светодиоды разных цветов имеют разную эффективность излучения. Тем не менее, данный способ все чаще находит применение при создании цветных уличных рекламных дисплеев.
Рис. 1. Метод смешивания цветов
Основные положения второго метода получения белого света заимствованы от принципов работы люминесцентной лампы. В данном случае (см. рис. 2), на внутреннюю поверхность корпуса светодиода, излучающего волны в УФ диапазоне, наносится специальный трехцветный люминофор, который под действием излучения начинает светиться белым светом. Из недостатков метода следует упомянуть его не слишком высокую эффективность светоотдачи. Именно по этой причине наиболее технологичными и наиболее коммерчески выгодными оказались третий и четвертый методы. Но самое интересное, что данные методы являются логическим развитием второго метода, то есть, в них также используется эффект люминесценции.
Рис. 2. Метод полной УФ-люминесценции
В основе технологии третьего метода лежит использование светодиода голубого цвета, но светоизлучающий кристалл здесь окружается конструктивным рефлектором, на который наносится люминофор желтого цвета свечения. Таким образом, при смешении цветов образуется свет, спектральный состав которого очень близок к белому, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Метод люминесценции желтого люминофора
Четвертый метод имеет мало отличий от третьего и, по сути, является его логическим развитием, направленным на улучшение спектрального состава излучаемого света. В основе этого метода лежит тот же самый светодиод голубого цвета излучения, предусмотрен тот же самый конструктивный рефлектор, но на нем нанесены уже два типа люминофора - с зеленым и красным цветами свечения (см. рис. 4).
Рис. 4. Метод люминесценции зеленого и красного люминофоров
Подавляющее большинство коммерческих светодиодов со спектром излучения, близким к белому свету, изготовлено на основе именно технологии одно- и двух-люминофорной люминесценции. По этой причине свет таких светодиодов имеет небольшой синефиолетовый "холодный" оттенок.
Что можно сказать о стоимости "твердотельного света" и об экономической целесообразности его внедрения? На сегодняшний момент "твердотельный свет" - это самый дорогой источник световой энергии, если, конечно, учитывать только стоимость "производства" единицы световой энергии. Цена 1 люмена "твердотельного света" пока в 30...50 раз выше стоимости 1 люмена, произведенного классической лампой накаливания. К примеру, автору удалось приобрести светодиодною лампу с потребляемой мощностью 5 Вт за $15, в то время как обычная лампа накаливания с такой же светоотдачей и потребляемой мощностью 60 Вт стоит чуть меньше $1. Еще один расчет показывает, что матрица из 20 сверхъярких светодиодов с общей стоимостью стоимостью $20 по светоотдаче близка к галогенной лампе мощностью 20 Вт и стоимостью $1. Но не спешите делать выводы. Сравнивая сроки службы светодиодной и классической ламп накаливания, а также их эффективность световой отдачи можно сказать, что экономия очевидна. Просто экономия эта не сиюминутная, а долгосрочная.
По прогнозам специалистов, динамика снижения стоимости твердотельных источников света окажется не такой быстрой, как повышение их светоотдачи: ожидается падение стоимости всего на 20% при удвоении показателя эффективности использования. Продвижение светодиодных источников на рынки происходит по следующему сценарию: вначале их использовали как второстепенную (декоративную) подсветку, а сегодня уже активно ведется работа по выводу из обращения ламп накаливания и галогенных ламп.
Уже сейчас производители автомобилей ведут активные разработки фар дальнего и ближнего света на основе светодиодов белого свечения. Достижения разработок впечатляют: получен световой потока порядка 1000 лм, что коррелируется со стандартной ксеноновой лампой. С указателями поворотов за рубежом все гораздо проще - технологии отработаны и стремительно внедряются. На рис. 5 показана промышленная автомобильная светодиодная фара ближнего света диаметром 106 мм, изготовленная из 4-х сверхъярких светодиодов.
Рис. 5. Автомобильная фара ближнего света на основе сверхъярких светодиодов
А теперь мы поговорим об оптических характеристиках сверхъярких светодиодов и в особенности о том, каким образом представляются эти данные в технической документации. Любой светодиод излучает световой поток направленно, то есть неравномерно в зависимости от положения относительно наблюдателя. Некоторые светодиоды обладают ярко выраженной направленностью: они светят как маленькие прожекторы. Другие подобны лампе накаливания с отражателем - световые волны здесь распространяются в достаточно широком пространственном секторе. Если возникает необходимость обеспечения равномерности пространственного излучения, выручает конструктивный узел из светодиодов, направленных в разные стороны.
Главная пространственная оптическая характеристика светодиода - это его направленность (directivity). Фирмы-производители описывают вид направленности, во-первых, углом излучения (radiation angle), а во-вторых, диаграммой направленности. Если первая характеристика - это просто голая "цифра", то вторая - значительно более информативный график. Вид диаграммы направленности чрезвычайно важно знать инженеру-проекти-ровщику систем освещения.
На рис. 6 приведена наиболее информативная диаграмма направленности светодиода белого свечения типа NSPW515BS, который производится одним из мировых лидеров светодиодной индустрии - фирмой NICHIA. Правая часть диаграммы выполнена в полярных координатах, а левая - в декартовых. В подобных графиках аргументом выступает угол поворота относительно главной оси (линии максимума излучения), а функцией является безразмерная величина. График по линии функции нормирован к максимальной величине излучения, а в качестве нормирующей величины выступает сила света (luminous intensity), приводимая в мкд при определенном значении прямого тока светодиода. На диаграмме направленности этому параметру соответствует безразмерная "единица".
Рис. 6. Диаграмма направленности светодиода
В некоторых случаях, когда диаграмма направленности достаточно широкая (такие светодиоды обычно предназначены только для целей ненаправленного освещения), приводят значение светового потока (luminous flux) в лм, что весьма удобно для расчета освещенности по стандартным методикам.
Также фирмы приводят в технической документации вид спектральной характеристики излучения светодиодов. Зачем? Дело в том, что цветовая температура света в значительной степени оказывает влияние на эмоциональное состояние человека. До настоящего времени светодиодное освещение обладало имиджем "холодного", "мрачного", "неуютного". Однако недавно на рынке появились светодиоды теплого белого свечения (warm white), которые имитируют свет лампы накаливания. В частности, такие светодиоды есть и в номенклатуре фирмы NICHIA. Отличие излучения светодиодов типа warm white от излучения типа white наиболее наглядно демонстрируют рис. 7, на котором приведены спектры упомянутых светодиодов.
Рис. 7. Спектры излучения разных светодиодов белого свечения
Проанализируем представленные спектры. Излучению светодиода типа white придает "бледность" пик большой амплитуды в "синей" области спектра, а в светодиоде типа warm white синяя составляющая "задавлена" более интенсивным излучением желтого люминофора, окрашивающего излучение в "теплый" оттенок.
С другой стороны, необходимо оценивать электрические параметры светодиодов. Наиболее наглядно это описывает вольт-амперная характеристика (ВАХ), то есть зависимость проходящего через диод тока от приложенного к нему напряжения (рис. 8). При приложении обратного (запирающего) напряжения любой диод, в том числе и светодиод, ток не проводит. Но, в отличие от выпрямительных диодов, светодиоды не допускают больших значений обратных напряжений. Стандартное предельное обратное напряжение светодиода не превышает 5 В, поэтому рекомендуется быть осторожными с "переполюсовками".
Рис. 8. Вольт-амперные характеристики полупроводников
Прямая ветвь ВАХ светодиодов отличается от ВАХ обычных диодов только значением напряжения открывания и падением напряжения в открытом состоянии. Если германиевые диоды открываются при напряжении 0,1...0,2 В, кремниевые - при 0,6...0,7 В, то напряжение открывания светодиодов лежит в диапазоне 1,2...2,9 В. После открывания напряжение на светодиодах немного растет с увеличением тока, стабилизируясь на определенном уровне уже при токе порядка 1 мА. Из рис. 8 также хорошо видно, что разница между напряжением зажигания светодиода и неконтролируемым увеличением тока через него составляет всего 0,3 В. Светодиод, как и любой полупроводник, не может пропускать бесконечно большие токи - он просто расплавится от нагрева. Поэтому необходимо применять балласт, который "погасит" на себе излишек напряжения и ограничит протекающий ток. Так как светодиоды питаются постоянным (или импульсным) напряжением, в качестве простейшего балласта выступает преимущественно обычное активное сопротивление. Существуют также более сложные и более экономичные виды балластов на основе электронных источников тока. Об этом пойдет речь в соответствующей статье цикла об энергосберегающих технологиях.
В следующей статье мы расскажем о конкретных типономиналах сверхъярких современных светодиодов, выпускаемых ведущими мировыми фирмами.
Автор: Борис Семенов (г. Санкт-Петербург)
Источник: Ремонт и сервис