Світлодіодні лампи вже давно і міцно увійшли до наших будинків. Ми постійно бачимо їх на прилавках на прилавках наших магазинів, ринках. Нещодавно ми навчилися правильно, залежно від виробника та. Але для повної картини необхідно розуміти про пристрій світлодіодних ламп та принципи роботи. випускають у різних формах і під різну напругу. Однак, пристрій ламп як на 12 так і світлодіодних ламп на 220 В принципово не різняться. Часто від обивателів доводиться чути питання: "Навіщо мені це потрібно?". Зараз у країні величезна кількість різноманітних світлодіодних ламп на будь-який смак, виробника та ціни. Не факт, що, купуючи твердотільне джерело освітлення, Ви отримаєте якість. Добре, якщо продукт відпрацює більше за встановлений термін, а якщо гарантія пройшла і лампа перегоріла, перестала світити? Що робити? Знову йти на ринок вибирати і так недешеву лампу? Навряд... Її треба ремонтувати. А знати пристрій, схеми живлення світлодіодних ламп на 220, 12 В, щоб з легкістю їх ремонтувати - необхідно.
Основні складові світлодіодних ламп
Світлодіоди, LED, LEDs;
- Світлодіодні драйвери;
- цоколь;
- корпус
- Радіатор
Світлодіоди, що встановлюються в сучасних світлодіодних лампах
Раніше, на зорі становлення твердотільного освітлення, влаштування світлодіодних ламп не сильно відрізнялося, в силу убогої наявності світлодіодів. Найпоширенішими світлодіодами були 3-5 мм чіпи. З часом великий попит мали лампи з 10 мм світлодіодами. Зараз у світлодіодні лампи монтують надяскраві світлодіоди різноманітних типів. Найбільш поширені: SMD3528, SMD5730, SMD2835, 3W, 1W, 5W надяскраві світлодіоди. Про те, чому саме такі світлодіоди популярні – заглиблюватися не будемо, так само як і про влаштування світлодіодних чіпів – про це Ви дізнаєтесь, прочитавши інші наші матеріали.
Кількість світлодіодів у лампі може обмежуватися лише фантазією виробника. Звичайно, що їх напоюють не просто так, а використовують ряд розрахунків, в яких враховується оптимальний струм споживання. Напоюються світлодіоди на плати (текстолітові або алюмінієві) і з'єднують до груп, з'єднаних послідовно. Таких груп може бути велика кількість. При послідовному з'єднанні груп струм через них проходитиме постійний. Таке підключення має один недолік: як тільки вийде з ладу один світлодіод, то перестає працювати вся конструкція. Але світлодіод, що вийшов з роботи, - не перешкода для тих, хто на "ти" з паяльником і здатний ремонтувати світлодіодну лампу.
Плати для світлодіодних ламп мають різноманітну форму. Від прямокутної, до круглої і обмежується тільки "хотілками" виробника.
Плати для світлодіодів
Драйвери для світлодіодних ламп
Живлення світлодіодних ламп здійснюється за допомогою постійної напруги до кожної групи світлодіодів за допомогою спеціального пристрою – світлодіодних драйверів. перетворюють вхідну напругу на оптимальну величину живлення кожної групи світлодіодів.
Ще раз нагадаємо, що з'єднання груп (плат) світлодіодних ламп здійснюється послідовно. Стабілізовану напругу за паралельною схемою дуже рідко, т.к. технічно зробити це складно. Найбільш поширені трансформаторні схеми драйверів. Подивимося деякі з них:
Інші схеми підключення світлодіодних ламп можна переглянути
У звичайних світлодіодних ламп колба закривається полікарбонатним пластиком або склом. Світлопропускання трохи падає, особливо, якщо колба матова, але це вже витрати виробництва.
Світлодіоди дуже бояться перегріву. Тому для довгої їхньої служби необхідне хороше відведення тепла. Крім того, що плати виконані на алюмінієвій пластині - цього недостатньо. І в дорогих екземплярах пристрій світлодіодних ламп передбачає встановлення додаткового радіатора. Залежно від використовуваних світлодіодів, радіатори використовують різних розмірів, але не менше 10 кв.см на 1 світлодіод. Домогтися за таких умов мінімальних розмірів лампи проблематично, тому виробники часто експериментують з ребра та іншими властивостями алюмінію.
Встановлення додаткових радіаторів також підвищує вартість кінцевого продукту.
Влаштування світлодіодних ламп, компонування складових частин
Влаштування світлодіодних ламп у всіх виробників відрізняється. Від призначення ламп, але загальний принцип залишається однаковим: монтаж ведеться від цоколя у наступній послідовності – світлодіодний драйвер, радіатор, плата зі світлодіодами, колба.
Подивимося пристрій світлодіодних ламп деяких виробників:
Тут ми бачимо: пластиковий "цоколь", повноцінний драйвер, алюмінієвий корпус (він же виконує роль радіатора), у ньому встановлена плата зі світлодіодами, лінза. Варто зазначити, що лампи з такими лінзами мають найбільшу світловіддачу.
Пристрій лампи Gauss:
Тут ми також бачимо пластиковий цоколь, повноцінний драйвер, алюмінієвий корпус (він радіатор), алюмінієва плата зі світлодіодами. Такий пристрій лампи також має на увазі, що вона прослужить досить довго.
Сьогодні ми розглянули пристрій світлодіодної лампи та принцип її роботи. Звичайно, цього мало для вибору оптимальної, довговічної лампи. Потрібно ще знати характеристики LED ламп, розумітися на брендах і розуміти, яке освітлення Ви хочете отримати. Спочатку це здається досить складно, але якщо набратися терпіння і витратити небагато часу, то можна більше не "паритися" з приводу як влаштована світлодіодна лампа, принцип її роботи і за якими характеристиками стоїть їх.
Однією з основних причин, чому на урядовому рівні було звернено увагу на необхідність заміни ламп розжарювання світлодіодними, є економія електроенергії. Але це не єдина їхня гідність.
Переваги світлодіодів
Говорячи про звичайні лампи, люди відразу згадують, що вони недовговічні. Щоправда, ціна на них цілком прийнятна, а заміна одного елемента, що освітлює, іншим надзвичайно проста. Але не всі знають, що, наприклад, люмінесцентні освітлювальні пристосування ще й шкідливі через постійне мерехтіння, яке стає причиною дратівливості та підвищеної стомлюваності людини.
Світлодіодна лампочка створена за іншою технологією. Вона виробляє світло, близьке до денного. Це забезпечує більший комфорт для очей людини. Крім зручності, також важлива економія. Споживання електроенергії у світлодіодних лампах практично у 10 разів менше, ніж у звичайних. Крім того, вони довговічніші.
Це досягається завдяки виробництву світлодіодів. Вони складаються з декількох прошарків, до яких входить сапфірова підкладка, буферний Gan, струмопровідний n-GaN, активний InGaN, ще один струмопровідний p-GaN шари. Також у кожен світлодіод включений анод та катод. Активна частина складається з тонких шарів напівпровідників n- та p-типів. Це все дозволяє перетворювати електрони на фотони. Щоправда, досягти 100% конверсії не під силу навіть цій технології.
Але для отримання необхідне його перетворення з інших спектрів, а це спричиняє підвищення собівартості. Звичайно, такі світлодіодні лампочки для дому досить дорогі. Але якщо вирахувати собівартість години роботи, то виявиться, що вони в рази економічніші за звичні лампи розжарювання.
Найкращі варіанти
Якщо вибирати найбільш оптимальний варіант освітлення, то бажано звернути увагу не на продукцію безіменних китайських виробників, а на компанії, що зарекомендували себе. На вітчизняному ринку можна знайти лампи "Оптоган". Також у продажу часто зустрічається продукція російських виробників Radiy та SvetaLED. Крім того, найкращі світлодіодні лампочки випускають такі компанії як Maxus, Intelite, Geen, Electrum, Delux, Eurolamp.
світлодіодних ламп, які мають замінити собою звичайні лампи Ілліча. Такі лампи скоро надійдуть у продаж у Москві та Санкт-Петербурзі.
Звичайно, все було обставлено з пафосом: першим оцінив новинку Путін. Мені вдалося дістати лампочку від «Оптогана» одним з перших, до того ж в руках у мене опинилися ще одна лампочка російського виробництва («Світлана LED» або «SvetaLED»), правда побита життям, але робоча, і китайська NoName, яку з легкістю можна купити на ebay або dealextreme.com.
Як Ви думаєте, чому всі так стурбовані заміною ламп розжарювання, які стали символом цілої доби, на газорозрядні та світлодіодні?
Звичайно, по-перше, це енергоефективність та енергозбереження. На жаль, вольфрамова спіраль більше випромінює «теплових» фотонів (тобто світло з довгою хвилі понад 700-800 нм), ніж дає світла у видимому діапазоні (300-700 нм). З цим важко сперечатися – графік нижче все розповість сам за себе. Враховуючи те, що споживана потужність газорозрядних і світлодіодних ламп у кілька разів нижче, ніж у ламп розжарювання при тій же освітленості, яка вимірюється в люксах.
Таким чином отримуємо, що для кінцевого споживача це дійсно вигідно. Інша справа – промислові об'єкти (не плутати з офісами): освітлення нехай і важлива частина, але все-таки основні енерговитрати пов'язані саме з роботою верстатів та промислових установок. Тому всі гігавати, що виробляються, йдуть на прокатку труб, електропечі і т.д. Тобто реальна економія в рамках усієї держави не така вже й велика.
По-друге, термін служби ламп, що прийшли на заміну «лампочкам Ілліча», вищий у кілька разів. Для світлодіодної лампи термін служби практично необмежений, якщо правильно організовано тепловідведення.
По-третє, це інновації/модернізації/нанотехнології (потрібне наголосити). Особисто я нічого інноваційного ні в ртутних, ні в світлодіодних лампах не бачу. Так, це високотехнологічне виробництво, але сама ідея - це лише логічне застосування на практиці знання про напівпровідники, якому років 50-60, і матеріалів, відомих близько двох десятиліть.
Так як стаття присвячена світлодіодним лампам, то я докладніше зупинюся на їхньому пристрої. Давно відомо, що провідність освітленого напівпровідника вища, ніж провідність неосвітленого.
Якимось невідомим чином світло змушує електрони бігати по матеріалу з меншим опором. Фотон, якщо його енергія більша за ширину забороненої зони напівпровідника (E g), здатний вибити електрон з так званої валентної зони і закинути в зону провідності.
Схема розташування зон у напівпровіднику. E g - заборонена зона, E F - енергія Фермі, цифрами вказано розподіл електронів за станами при T>0
Ускладнимо завдання. Візьмемо два напівпровідники з різним типом провідності n і p і з'єднаємо разом. Якщо у випадку з одним напівпровідником ми просто спостерігали збільшення струму, що протікає через напівпровідник, то тепер ми бачимо, що цей діод (а саме так по-іншому називається p-n-перехід, що виникає на межі напівпровідників з різним типом провідності) став міні-джерелом постійного струму, причому величина струму залежатиме від освітленості. Якщо вимкнути світло, то ефект пропаде. До речі, на цьому ґрунтується принцип роботи сонячних батарей.
На стику напівпровідників p і n типу заряди, що виникають після опромінення світлом, розділяються і «йдуть» кожен до свого електрода
Тепер повернемося до світлодіодів. Виходить, що можна провернути і зворотне: підключити напівпровідник p-типу до плюсу на батарейці, а n-типу - до мінуса, і… І нічого не станеться, ніякого випромінювання у видимій частині спектра не буде, оскільки найпоширеніші напівпровідникові матеріали (наприклад , кремній та германій) - непрозорі у видимій області спектру. У всьому виною те, що Si чи Ge є не прямозонними напівпровідниками.
Але є великий клас матеріалів, які мають напівпровідникові властивості і одночасно є прозорими. Яскраві представники – GaAs (арсенід галію), GaN (нітрид галію).
Разом, щоб отримати світлодіод нам треба всього зробити p-n-перехід з прозорого напівпровідника. На цьому я, мабуть, зупинюся, бо що далі, то складнішою і незрозумілішою стає поведінка світлодіодів.
Дозволю собі лише кілька слів про сучасні технології виробництва світлодіодів. Так званий активний шар є дуже тонкими 10-15 нм товщиною переміжних шарів напівпровідників p- і n-типу, які складаються з таких елементів як In, Ga і Al.
Такі шари епітаксійно вирощують за допомогою методу MOCVD (metal-oxide chemical vapor deposition або хімічне осадження з газової фази).
Схематичне уявлення пристрою світлодіода
Є ще одна проблема, яка заважає реалізувати 100% конверсію (перетворення 1 електрона на 1 фотон) електрики, і полягає вона в тому, що навіть такі тонкі шари напівпровідників певною мірою поглинають світло. Навіть не те щоб сильно поглинають, просто світло «блукає» всередині кристала через ефект повного внутрішнього відображення на межі кристал/повітря: збільшується довжина шляху до виходу світла з кристала і, в кінцевому рахунку, такий блукаючий фотон може поглинутися.
Один із шляхів вирішення – використання структурованих підкладок. Наприклад, у сучасній світлодіодній промисловості широко використовується метод формованої сапфірової підкладки.
Таке мікроструктурування призводить до підвищення ефективності світловіддачі всього діода.
Частина методична
Всі вимірювання спектрів ламп були зроблені протягом 30 хвилин (тобто фоновий сигнал змінювався слабо) у затемненій кімнаті за допомогою Ocean Optics спектрометра QE65000.
Крім 10 залежностей на кожен вид ламп було виміряно темновий спектр, який потім вичитали зі спектрів лампочок. Усі 10 залежностей кожного зразка підсумовувалися і усереднювалися. Додатково кожен підсумковий спектр був унормований на 100%.
Спектрометр Ocean Optics - чудовий інструмент у вмілих руках
Частина практична
Отже, почнемо. В наявності у нас є шість лампочок: 3 для повного розбору та ще 3 для порівняння (так би мовити контрольні зразки):
1. Лампочка Ілліча
2. Лампочка Ілліча М (тобто , що формою повторює звичну лампочку Ілліча)
3. Спіраль Ілліча (звичайна газорозрядна лампа)
4. LED-лампа від «Оптогана»
5. LED-лампа від «Світла LED»
6. LED-лампа з Китаю NoName
Усі лампочки у зборі. Можемо починати!
Спектри
Нічого надприродного тут ми не побачили. Лампочка Ілліча безбожно пускає всю електрику в нагрівання і колір її чи то жовтий, чи помаранчевий.
Всі мають смугастий спектр, який у людському оці, як одночасне включення 3 пікселів (RGB) на екрані (сині лінії – ~420 нм, зелені – ~550 нм, помаранчеві та червоні – все, що вище 600 нм), перетворюється на білий.
Спектр трьох лампочок порівняння (для порівняння під шкалою представлена частина спектра, яка сприймається людським оком)
А ось у світлодіодних ламп спектр разюче відрізняється. Є дві компоненти: власне, синя від самого діода, і друга, розмазана по всьому спектру, - від люмінофора або, російською, флуоресцентного барвника, який наносять на світлодіоди і заливають зверху захисним шаром полімеру. Співвідношення між синім кольором діода та смугою емісії (випускання) люмінофора визначає колірну температуру лампи. Ми можемо бачити, що у «Оптогана» найбільший, а у Китаю найхолодніший.
Вигідно використовувати 1 люмінофор для регулювання колірної температури, таким чином, товщина шару люмінофора в поєднанні з потужністю світлодіода і визначає колірну температуру. Варто відзначити, що в лампочках з Китаю і від «Світлани» використовується, мабуть, один і той же люмінофор, а ось «Оптоган» застосовує свій власний (істотна відмінність максимуму смуги люмінофора).
Порівняння спектрів світлодіодних ламп та традиційної лампи Ілліча (для порівняння під шкалою представлена частина спектра, яка сприймається людським оком)
Лампочка від Світлани нам дісталася в зламаному вигляді, і спектр ми знімали вже без матового скла. Однак дозвольте продемонструвати аналогічну ситуацію на прикладі лампи з Китаю, благо їх було дві штуки. Нормовані спектри мало різняться між собою, а невелике збільшення інтенсивності можна списати на те, що більш довгохвильове випромінювання краще розсіюється на матовому склі.
Порівняння ламп китайського виробництва з і без скляної колби (для порівняння під шкалою представлена частина спектра, яка сприймається людським оком)
Ціна, матеріали та характеристики
Справа наліво: Оптоган, Світлана LED та NoName Китай
Китайська NoName
Лампочка з Китаю була замовлена через dealextreme.com і доставлена до Росії протягом двох місяців (самі розумієте, Пошта Росії). Її вартість близько 14 $ або приблизно 420 рублів, включаючи доставку. 5000-6000К, що відповідає білому холодному світлу.
Розміри збігаються із звичайною лампочкою Ілліча. Матеріал "колби" - матове скло. На мій погляд, ідеальна заміна розжарювання, якби колірна температура була на 1000-2000К нижче вказаної.
«Оптоган»
Лампочка була представлена простим смертним на спеціальній презентації. Дизайн від Артемія Лебедєва, благородні матеріали корпусу – полікарбонат та алюміній з фірмовою символікою «Оптогана». Колірна температура 3050 К. Дуже м'яка та приємна лампа, але ціна кусається – 995 рублів за штуку. Кому вона потрібна за такі гроші?
До речі, з якістю у Оптогана поки що проблеми: тест на витривалість не проходить. Пару разів ввернув/вивернув і отримав наступний результат:
Кліпке кріплення. Жіноча лампочка, що тут ще сказати!
«Світла LED»
LED-лами цієї фірми поки що не з'явилися на , але кажуть, що ціна буде близько 450-500 рублів. Однак до мене в руки вона потрапила, упакованою в стильну коробочку (мабуть, якась пілотна партія), на якій значиться температура 3500-4500К (це все одно, що вказати, що довжина екватора від 35 000 до 45 000 км).
Радіатор захований під алюмінієвим ковпаком (дрібниця, а приємно, начебто тримаєш у руках звичайну лампочку Ілліча, лише трішки «перероблену»), а навколо алюмінієвого диска зі змонтованими світлодіодними модулями все рясно замазано термопастою типу КТ-8. Кажуть, що «Світлана» якимось чином ставиться до військових, які, мабуть, живуть за принципом Джеймі Хайнемана: «Сумніваєшся – змасти!». Наприклад, у китайської лампи термопаста нанесена лише під самими світлодіодними модулями.
Ті, хто нещадно бив лампочки «Світла LED» та NoName з Китаю, кажуть, що скло досить крихке, і за якістю (чисто суб'єктивна оцінка) поступається лампочкам розжарювання.
Драйвер
Нижче представлені всі 3 драйвери разом. Оцініть складність виконання кожного з них.
Зверху вниз: Оптоган, Світла LED і Китай
Почнемо з найнижчого. Китайський драйвер, чесно кажучи, мені сподобався: потужні конденсатори, котушки, що трохи перетворює електроніки (діодний міст і т.д.). Все виконано дуже компактно, тому сама лампа має досить скромні розміри. Також, великим плюсом і те, що це проводи довгі, тобто. реально можна відремонтувати лампу!
Або використовувати драйвер після терміну служби лампи з якоюсь іншою метою. Звичайно, більшості звичайних користувачів до цього немає справи, але все-таки це можна віднести до потенційних плюсів. Сама підкладка зі світлодіодними чіпами кріпиться на 2 мініатюрні болтики (адже китайська ж ...), так що, у прямому сенсі, з лампою можна поводитися як з конструктором.
Драйвер з китайської NoName LED-лампочки
Проведення дійсно дуже довгі…
Лампа виробництва компанії «Оптоган» має дуже складний драйвер з твердотільних конденсаторів і, як мене переконували фахівці, з імпульсним блоком живлення (хоча всі світлодіодні лампи повинні мати такий блок живлення). При цьому сам драйвер нарівні зі світловипромінюючим модулем є "фішкою" фірми та її основною гордістю. Ходять чутки, що компанія вестиме R&D в області мінімізації цього драйвера і, можливо, в найближчому майбутньому зменшить розмір своєї гігантської лампочки до прийнятних розмірів.
Гордість «Оптогана» - драйвер та світловипромінюючий модуль - поряд з головним фейлом - цоколем
"Світла LED". Назвати це драйвером мова не повертається. Навіть у Китаю є якісь «плюшки», які покращують споживчі властивості лампи (наприклад, захищають від миготіння), але тут немає нічого рівно, крім діодного мосту, запобіжника, величезного конденсатора (10 мкФ, 450 В - багато це чи мало Варто сказати, що енергії, запасеної в конденсаторі, вистачає на те, щоб лампочка світила 1,5 хвилини після відключення живлення) і, мабуть, комутатора навантаження. Все настільки просто і примітивно, що я спочатку трохи здивувався. Справжнє дітище похмурого російського генія…
Теж гордість ... похмурого російського генія
Можливо, що простота виконання – козир лампочки «Світла LED». Мерехтіння з частотою 50 Герц, швидше за все, середньостатистичне око навряд чи побачить, та й ні звідки їм там узятися, тому що потужний конденсатор все згладжує, а люмінофор і поготів не зможе так швидко висвічувати енергію, що закачано в нього. Звідси має витікати низька вартість лампи… хм, але десь тут є каверза, тому що лампа планується до випуску за ціною, близькою до китайського аналога з урахуванням разової доставки в Росію!
Важливо пам'ятати, що також важливими і залежать від пристрою драйвера параметрами є: коефіцієнт пульсацій, які можуть негативно впливати на розумову активність людини, і фонове електромагнітне випромінювання, яке неминуче виникає через використання різних «випрямляючих» схем. Але це вже зовсім інша історія.
Світлодіоди
Ось ми й дійшли до самого ласого шматочка нашого дослідження. В Інтернеті є безліч публікацій, де наводиться порівняння спектрів ламп різних виробників, їх споживчих характеристик (дизайн, термін служби тощо), але зараз ми опустимося трохи нижче, щоб стати ближчими до самих світловипромінюючих елементів ламп.
Відразу зазначу, що всі 3 лампи приблизно однієї і тієї ж потужності 5-6 Вт (якщо уважно подивитися лампи «Оптогана», то ми виявимо зображення даного чіпа, розраховане на 5 Вт, тоді як заявлена потужність лампи 11 Вт) і мають приблизно однакову світловипромінюючу площу. Усього ми маємо світловий потік на Вт (люмен на Вт): Китай - 70-90, Оптоган - 65, Світлана - 75. Мені здається, це важливо, якщо шановні читачі захочуть порівняти лампи між собою!
Якщо чесно, то до, саме до самого чіпа, я перейнявся симпатією. Краса його внутрішнього пристрою просто чудова. Мені пощастило: поки я відривав усі шари з цього світлодіода, ненароком пошкодив великий діод-чіп, внаслідок чого оголилася мікроструктурована сапфірова підкладка:
Оптичні мікрофотографії китайського чіпа вид зверху: золотисті смуги на чіпі - струмопідвідні контакти.
Шарувата структура світловипромінюючого чіпа при оптичному мікроскопі. Темна область відповідає сапфіровій підкладці. Стрілки відзначені окремі шари або групи шарів.
До речі, сам чіп ізольований від зовнішнього світу як мінімум 3 шарами, але мені здається, що їх таки там 4. Перший - полімер з люмінофором, що перетворює частину випромінювання в синій області спектра в жовто-оранжеву. Другий - невеликий шар м'якого полімеру, потім опукла оболонка (а-ля лінза) з твердого полімеру, і ще два шари з м'якого та твердого полімерів.
Мені хотілося б відзначити, що в порівнянні з рештою ламп китайська максимально просто влаштована. Усього 4 проводка з'єднують великий чіп з навколишнім світом (в інших ламп їх набагато більше), всього 1 світловипромінюючий чіп на діод, який вже безпосередньо монтується на плату, грамотно розведені струмопідвідні контакти на самому чіпі, що дозволяють рівномірно по всій поверхні протікати електричному струму. Якихось явних, суттєвих недоліків мені знайти не вдалося.
SEM-зображення структурованої сапфірової підкладки
Шарувата структура видає, що ми на правильному шляху (наслідком методу створення чіпів - MOCVD), але розглянути окремі верстви активної області навряд чи вдасться.
Чіп та контакти, які його живлять
Приступимо до лампочки від "Оптогана". Найдивніше, на мою думку, - розташування світловипромінюючого модуля. По центру. І у Китаю, і у «Світлани» кілька «мініатюрних» модулів потужністю по 1 Вт рівномірно розподілені по підкладці, таким чином тепловідведення від світлодіодів цих фірм набагато краще, ніж від модуля «Оптогана».
Так, я чудово розумію, що світлодіодний модуль «Оптогана» виконаний із міді, вона добре проводить тепло, а великий радіатор ефективно розсіює його. Але лампочка від «Оптогана» має величезні розміри, які, до речі, ще й обумовлені тим, що треба якось кріпити полікарбонатну колбу, і влізе не в кожен патрон.
Такий світлодіодний модуль влаштований досить просто: у шаховому порядку під полімерним шаром, пофарбованим жовто-жовтогарячим люмінофором, розташовані окремі діоди, які з'єднані один з одним.
SEM-зображення окремих світлодіодів на підкладці після видалення полімерного шару
Сам полімерний шар має досить цікаву структуру. Він складається з маленьких (діаметр ~10 мкм) кульок:
Оптичні мікрофотографії «вивороти» полімерного шару
Випадково вийшло так, що один діод, що розрізає мікротомом, залишився в полімерному шарі. Варто зазначити, що сам діод дійсно прозорий і крізь нього видно контакти з іншого боку чіпа:
Оптичні мікрофотографії світлодіода з тильного боку: відмінна прозорість для таких виробів
Полімерний шар настільки міцно приклеєний як до мідної підкладки, так і до окремих чіпів, що після його видалення на поверхні діодів все одно залишається тонкий шар полімеру. Нижче на зображеннях, отриманих за допомогою електронного мікроскопа можна у всій красі побачити «скол» того активного шару діода, в якому електрони «перероджуються» у фотони:
SEM-зображення світловипромінюючого шару окремого світлодіода (стрілками вказано розташування активного шару)
А ось і текстурований буферний шар, уважно придивіться до правого нижнього зображення - воно нам ще знадобиться (стрілками вказаний буферний шар)
Після неакуратного поводження з чіпом деякі контакти пошкодилися, а деякі залишилися цілими.
І остання лампа – «Світла LED». Перше, що дивує, – підкладка зі світлодіодними модулями – увага! - Прикручена на здоровенний болтик до решти лампи (прям як у Китаї робили). Коли розбирав, думав, що може заважати відірвати її від решти лампи, а потім побачив болтик… До речі, на звороті цієї алюмінієвої підкладки маркером! написаний якийсь номер. Таке створюється відчуття, що на заводі Світлани під Пітером працюють заробітчани, які збирають ці лампи вручну. Хоча ні, зачекайте, адже лампочки виробляють військові.
Мало того, що підкладка зі світлодіодами прикручена на шурупчик, то на зворотному боці написаний номер... МАРКЕРОМ - ручна робота...
Самі модулі намертво посаджені на алюмінієву підкладку: відірвати не виходить. Мабуть припаяні, щоб покращити теплопровідність. Тут я багато коментувати не буду, тому що всі коментарі наведені вище під час обговорення лампи «Оптогана».
Оптичні мікрофотографії світловипромінюючого діода від компанії Світлана: на зображенні-вставці виразно видно мікроструктуру підкладки
На замітку:вдалося розглянути, як з'єднані окремі чіпи в модулі від "Світлани". Послідовно, до мого великого розчарування. Таким чином, якщо «перегорить» хоча б 1 світлодіод, весь модуль перестане працювати.
SEM-зображення світловипромінюючого діода від компанії Світлана (стрілками показана активна область). На верхньому лівому малюнку додано зображення передбачуваних контактів так, як вони повинні були бути прокладені в модулі (4 x3 діода).
Все та ж знайома мікроструктурована сапфірова підкладка.
Чи не викликає це зображення ефекту déjà vu?! Стрілочками вказаний буферний шар.
На жаль, сайт компанії, що виробляє лампи «Світла LED», виконаний справжніми дизайнерами: багато красивих картинок і мало сенсу, немає нормальних скрупульозних специфікацій, як, наприклад, на сайті «Оптогана» (до речі, він існує на двох доменах RU і COM з приблизно однаковим змістом). До того ж, є сайт, присвячений лише 1 лампочці, є сайт власне самої компанії, але специфікації взагалі чомусь лежать на зовсім іншому ресурсі.
У статті дізнаєтеся що таке світлодіод (LED), типи, як працює, історія, схема та характеристики, переваги та недоліки.
Світлодіоди повсюди довкола нас: у наших телефонах, наших автомобілях і навіть у наших будинках. Щоразу, коли горить щось електронне, є велика ймовірність, що за ним стоїть світлодіод. Вони бувають різних розмірів, форм і кольорів, але незалежно від того, як вони виглядають, у них є одна спільна риса це найпопулярніша річ в електроніки. Величезний вибір світлодіодів на ваш смак та колір ви можете придбати на Аліекспрес, натиснувши на кнопку нижче:
Світлодіоди («LED») – це особливий тип діодів, які перетворять електричну енергію на світло. Насправді світлодіод означає «світловипромінюючий діод». І можна побачити подібність на схемі діода та світлодіода:
Коротше кажучи, світлодіоди схожі на крихітні лампочки. Тим не менш, для порівняння світлодіоди вимагають набагато менше енергії. Вони також є більш енергоефективними, тому вони не мають тенденцію нагріватися, як звичайні лампочки. Це робить їх ідеальним пристроєм для мобільних телефонів та інших електронних приладів із низьким енергоспоживанням. Світлодіоди високої інтенсивності знайшли своє застосування в акцентному освітленні, прожекторах та навіть автомобільних фарах!
Хто винайшов світлодіод
Загальна світлодіодна технологія існує вже понад сорок років. Перший світловипромінюючий діод видимого спектру був винайдений у 1962 році Ніком Холоняком-молодшим, який на той час працював консультантом у General Electric.
Однак деякі фактори не дозволили технології перейти до практичного використання освітлення. Вартість була головною проблемою, перші світлодіоди коштували понад 200 доларів за діод. Іншим обмежуючим чинником був колір, до 70-х єдиним кольором, який міг створювати світлодіод, був червоний. Ще одним фактором був світловий потік, який протягом багатьох років обмежував практичне використання світлодіодів для візуальних сигналів, таких як світлові індикатори та знаки.
Використання світлодіодів в лампочках є досить недавнім розвитком, що продовжується. Перші масові установки світлодіодного освітлення відбулися за останні кілька років, і технологія постійно вдосконалюється.
Характеристики світлодіода (LED)
Перед підключенням світлодіода потрібно знати кілька характеристик світлодіода (насправді вони дуже важливі). Якщо ви звертаєтесь до будь-якої специфікації, наданої виробником, ви можете знайти безліч технічних характеристик, що відповідають електричним характеристикам, номінальним характеристикам, фізичним розмірам тощо.
Я не втомлюватиму вас усіма характеристиками, а тільки важливими. Це полярність, пряма напруга та прямий струм.
Полярність LED
Полярність показником симетричності електронного компонента. Світловипромінюючий діод, подібний до діода PN-переходу, не є симетричним, тобто він дозволяє струму текти тільки в одному напрямку.
У світлодіоді позитивний висновок називається анодом, а негативний висновок – катодом. Для правильної роботи світлодіода анод світлодіода повинен мати більш високий потенціал, ніж катод, оскільки струм світлодіоду тече від анода до катода.
Що станеться, якщо ми підключимо світлодіод у зворотному напрямку? Ну, нічого не відбувається, тому що світлодіод не проводитиме струм. Ви можете легко ідентифікувати анодну клему світлодіода, оскільки вони мають більш довгі висновки.
Прямий струм світлодіодів
Світлодіоди є дуже чутливими пристроями і величина струму, що протікає через світлодіод, дуже важлива. Крім того, яскравість світлодіода залежить від величини струму, що споживається світлодіодом.
Кожен світлодіод має максимальний прямий струм, який може безпечно проходити через нього без перегорання. Так, допустимий струм, що перевищує номінальний струм, фактично підпалить світлодіод.
Наприклад, 5-міліметрові світлодіоди, що найчастіше використовуються, мають номінальний струм від 20 мА до 30 мА, а 8-міліметрові світлодіоди мають номінальний струм 150 мА (точні значення наведені в технічному описі).
Як нам регулювати струм, що протікає через світлодіод? Для контролю струму, що протікає через світлодіод, використовуємо резистори з обмеженням струму.
Пряма напруга LED
Світловипромінюючі діоди також розраховані на максимальну напругу, тобто кількість напруги, яка потрібна для світлодіода. Наприклад, усі 5-міліметрові світлодіоди мають номінальний струм 20 мА, але пряма напруга змінюється від одного світлодіода до іншого.
Максимальна напруга на червоних світлодіодах становить 2,2 В, максимальна напруга на синіх світлодіодах – 3,4 В, а на максимальній напрузі білих світлодіодів – 3,6 В.
Як працює світлодіод
Світлодіод є двопровідним напівпровідниковим джерелом світла. Це p-n перехідний діод, який випромінює світло під час активації. Коли до висновків прикладена відповідна напруга, електрони можуть рекомбінувати з електронними отворами всередині пристрою, виділяючи енергію у вигляді фотонів. Цей ефект називається електролюмінесценцією, а колір світла (відповідний енергії фотона) визначається енергетичною шириною забороненої зони.
Матеріал, що використовується у світлодіодах, в основному алюміній-галій-арсенід (AlGaAs). У первісному стані атоми цього матеріалу міцно пов'язані. Без вільних електронів провідність електрики стає неможливою.
При додаванні домішки, відомої як легування, вводяться додаткові атоми, що ефективно порушує баланс матеріалу.
Ці домішки у вигляді додаткових атомів здатні або забезпечувати вільні електрони (N-тип) у системі, або висмоктувати деякі з існуючих електронів з атомів (P-тип), створюючи «дірки» на атомних орбітах. В обох випадках матеріал стає більш провідним. Таким чином, під впливом у матеріалі N-типу електрони можуть переміщатися від анода (позитивний) до катода (негативний) і навпаки у матеріалі P-типу. Через властивість напівпровідника струм ніколи не йтиме у протилежних напрямках у відповідних випадках.
З наведеного вище пояснення ясно, що інтенсивність світла, що випромінюється джерелом (в даному випадку світлодіодом), залежатиме від рівня енергії фотонів, що випускаються, який, у свою чергу, залежатиме від енергії, що виділяється електронами, що стрибають між атомними орбітами з напівпровідникового матеріалу.
Ми знаємо, що для того, щоб змусити електрон вистрілити з нижчої орбіти на вищу, його енергетичний рівень необхідно підняти. І навпаки, якщо електрони змушені падати з вищих на нижчі орбіталі, логічно енергія має вивільнятися у процесі.
У світлодіодах вищезазначені явища добре використовуються. У відповідь на P-тип легування електрони у світлодіодах рухаються, падаючи з верхніх орбіталей на нижні, вивільняючи енергію у вигляді фотонів, тобто світла. Чим далі ці орбіталі відстоять один від одного, тим більша інтенсивність світла, що випромінюється.
Різні довжини хвиль, залучені до процесу, визначають різні кольори, вироблені світлодіодами. Отже, світло, випромінюване пристроєм, залежить від типу напівпровідникового матеріалу, що використовується.
Інфрачервоне світло створюється з використанням арсеніду галію (GaAs) як напівпровідник. Червоне або жовте світло отримують з використанням галію-арсеніду-фосфору (GaAsP) як напівпровідник. Червоне або зелене світло виходить при використанні галію-фосфору (GaP) як напівпровідника.
Проста світлодіодна схема
На наступному малюнку показано схему простого світлодіодного ланцюга, що складається з 5-міліметрового білого світлодіода з джерелом живлення 5 В.
Оскільки це білий світлодіод, номінальні значення струму та напруги такі: типовий прямий струм становить 20 мА, а типова пряма напруга становить 2 Ст.
Тому для регулювання струму та напруги ми використовували резистор 180 Ом.
Типи світлодіодів
- Наскрізні світлодіоди: вони доступні в різних формах та розмірах, і найбільш поширеними є світлодіоди 3 мм, 5 мм та 8 мм. Ці світлодіоди доступні у різних кольорах, як-от червоний, синій, жовтий, зелений, білий тощо.
- Світлодіоди SMD (світлодіоди для поверхневого монтажу):Світлодіоди для поверхневого монтажу є спеціальною упаковкою, яку можна легко встановити на друковану плату. Світлодіоди SMD зазвичай відрізняються в залежності від їх фізичних розмірів. Наприклад, найбільш поширеними світлодіодами SMD є 3528 та 5050.
- Двоколірні світлодіоди. Наступним типом світлодіодів є двоколірні світлодіоди, як випливає з назви, можуть випромінювати два кольори. Двоколірні світлодіоди мають три контакти, зазвичай два аноди та загальний катод. Залежно від конфігурації дротів, колір буде активовано.
- Світлодіод RGB (червоний – синій – зелений):світлодіоди RGB є найулюбленішими та найпопулярнішими серед любителів та дизайнерів. Навіть комп'ютерні зборки дуже популярні для реалізації світлодіодів RGB у корпусах комп'ютерів, материнських платах, оперативної пам'яті тощо.
- Світлодіоди високої потужності: Світлодіод з номінальною потужністю, що перевищує або дорівнює 1 Вт, називається світлодіодом високої потужності. Це тому, що нормальні світлодіоди мають розсіювану потужність в кілька міліватів. Потужні світлодіоди дуже яскраві та часто використовуються у ліхтариках, автомобільних фарах, прожекторах тощо.
Переваги світлодіодів
- Для керування світлодіодом досить дуже низького та струму. У діапазоні voltage-від 1 до 2 вольт. Струм - від 5 до 20 міліампер.
- Загальна вихідна буде менше 150 міліватів.
- Час відгуку дуже менший — близько 10 наносекунд.
- Пристрій не вимагає нагрівання та розігріву.
- Мініатюрний за розміром і, отже, легкий.
- Мають міцну конструкцію і тому можуть протистояти ударам та вібраціям.
- Термін служби світлодіода становить понад 20 років.
Недоліки світлодіодів:
- Невелике перевищення напруги чи струму може пошкодити пристрій.
- Відомо, що пристрій має ширшу смугу пропускання порівняно з .
- Температура залежить від вихідної потужності випромінювання та довжини хвилі.
Пристрій та принцип роботи світлодіодних ламп. Основні частини освітлювального приладу:
Світлодіоди;
- драйвер;
- цоколь;
- Корпус.
Принцип його роботи повністю повторює процеси, що відбуваються у звичайному напівпровідниковому діоді з p-n переходом з кремнію або германію: при подачі позитивного потенціалу до анода, а негативного до катода в матеріалах починається рух негативно заряджених електронів до анода, а дірок до катода. У результаті діод пропускає електричний струм лише одного прямого напряму.
Однак, світлодіод виконаний з інших напівпровідникових матеріалів, які при бомбардуванні в прямому напрямку носіями зарядів (електронами та дірками) здійснюють їхню рекомбінацію з переведенням на інший енергетичний рівень. Через війну відбувається виділення фотонів - елементарних частинок електромагнітного випромінювання світлового спектра.
Навіть в електричних схемах як їхні позначення використовуються позначення звичайних діодів, тільки з додаванням двох стрілочок, що позначають випромінювання світла.
Напівпровідникові матеріали мають різні властивості виділення фотонів. Такі речовини, як арсенід галію (GaAs) та нітрид галію (GaN), будучи прямозонними напівпровідниками, одночасно прозорі для видимого спектра світлових хвиль. При заміні ними шарів p-n переходу відбувається виділення світла.
Розташування шарів, що використовуються у світлодіоді, показано на малюнку нижче. Їх невелика товщина близько 10÷15 нм (наномікрон) створюється особливими способами хімічного осадження з газової фази. У шарах розміщені контактні майданчики для анода та катода.
Як за будь-якого фізичного процесу, під час перетворення електронів на фотони існують втрати енергії, зумовлені такими причинами:
Частина світлових частинок просто губиться всередині навіть такого тонкого шару;
- при виході з напівпровідника виникає оптичне заломлення світлових хвиль на межах кристал/повітря, що спотворює довжину хвилі.
Застосування спеціальних заходів, наприклад використання сапфірової підкладки, дозволяє створити більший світловий потік. Такі конструкції застосовуються для установки в лампи освітлення, але не для звичайних світлодіодів, що використовуються як індикатори, показані на малюнку нижче.
Вони мають лінзу, виконану з епоксидної смоли та рефлектор для спрямування світла. Залежно від призначення світло може поширюватись у широких діапазонах кута 5-160°.
Дорогі світлодіоди, що випускаються для ламп освітлення, виробники виготовляють із ламбертівською діаграмою. Це означає, що їхня яскравість постійна у просторі, не залежить від напрямку випромінювання та кута спостереження.
Габарити кристала дуже малі і від одного джерела можна отримати маленький потік світла. Тому для ламп освітлення такі світлодіоди поєднують досить великими групами. При цьому створити від них рівномірне освітлення на всі боки дуже проблематично: кожен світлодіод є точковим джерелом.
Частотний спектр світлових хвиль від напівпровідникових матеріалів значно вужчий, ніж від звичайних ламп розжарювання чи сонця, що стомлює очі людини, створює певний дискомфорт. З метою виправлення цього недоліку окремі конструкції світлодіодів для освітлення вводиться шар люмінофора.
Величина випромінюваного світлового потоку напівпровідникових матеріалів залежить від струму, що проходить через p-n перехід. Чим більший струм, тим вище випромінювання, але до певного значення.
Маленькі габарити, як правило, не дозволяють використовувати струми, що перевищують 20 міліампер для індикаторних конструкцій. У потужних освітлювальних ламп застосовується тепловідведення та додаткові заходи захисту, використання яких проте суворо обмежено.
При запуску світловий потік лампи пропорційно зростає зі збільшенням струму, але через утворення теплових втрат починає знижуватися. Слід розуміти, що процес виділення фотонів із провідника не пов'язаний із тепловою енергією, світлодіоди відносяться до джерел холодного світла.
Однак струм, що проходить через світлодіод, в місцях контактів різних шарів і електродів долає перехідний опір цих ділянок, що викликає нагрівання матеріалів. Тепло, що виділяється спочатку тільки створює втрати енергії, але при збільшенні струму може пошкодити конструкцію.
Кількість світлодіодних кристалів, встановлених в одну лампу, може перевищувати сотню елементів, що працюють. На кожен із них необхідно підвести оптимальний струм. Для цього створюють склотекстолітові плати із струмопровідними доріжками. Вони можуть мати різну конструкцію.
До контактних майданчиків плат припаюються світлодіодні кристали. Найчастіше їх формують у певні групи та запитують послідовно один з одним. Через кожен створений ланцюжок пропускають той самий струм.
Таку схему простіше реалізувати технічно, але вона має один головний недолік - при порушенні одного будь-якого контакту вся група перестає світити, що є основною причиною поломки лампи.
Драйвери. Підведення постійної напруги до кожної групи світлодіодів виконується від спеціального пристрою, який раніше називали блоком живлення, а зараз – терміном "драйвер".
Цей пристрій несе функції перетворення вхідної напруги мережі, наприклад ~220 Вольт квартирної або 12 Вольт автомобільної мережі в оптимальну величину живлення кожної послідовної групи.
Підведення одного стабілізованого струму до кожного кристала за паралельною схемою технічно складний і застосовується в окремих випадках. Робота драйвера може проводитись на основі трансформаторної чи іншої схеми. У тому числі поширені такі варіанти. Залежно від конфігурації та кількості застосованих елементів вони можуть бути різними:
Найпростіші та найдешевші драйвери розраховані на живлення від стабілізованої напруги, мережа якого захищена від кидків та імпульсів перенапруг. У них навіть може бути відсутнім струмообмежуючий резистор у вихідному ланцюзі живлення, що характерно для акумуляторних ліхтариків, світлодіоди яких найчастіше підключені безпосередньо до виходу АКБ.
В результаті піолучается, що вони живляться завищеним струмом і хоча світять досить яскраво, дуже часто перегорають. При використанні дешевих ламп з драйверами без захисту від перенапруг освітлювальної мережі світлодіоди теж часто вигоряють, не виробивши заявленого ресурсу.
Якісно сконструйовані блоки живлення практично не виділяють тепло під час роботи, а у дешевих або перевантажених драйверів частина електроенергії витрачається на нагрівання. Причому такі марні втрати електричної потужності можуть бути порівнянними, а в окремих випадках перевищувати енергію, що витрачається на виділення фотонів.
У перекладі з англійської скорочення LED буквально означає «діод, що випромінює світло». Це напівпровідниковий пристрій, здатний трансформувати електричний струм у простий пристрій, конструкція якого досить сильно відрізняється від звичних нам виробів для освітлення (лампи розжарювання, розрядні, люмінесцентні лампи і т. д.).
Як працює світлодіод, буде цікаво дізнатися кожному. Цей прилад не має ненадійних крихких елементів конструкції і скляної колби (на відміну від інших ламп). Вартість діодів настільки мала, що ненабагато відрізняється від батарейок, які є їх джерелом живлення. Популярність подібних виробів пояснюється рядом факторів, у тому числі їх конструкцією.
Історія виникнення
Розглядаючи питання, чому працюють світлодіоди, слід вивчити історію їхнього виникнення. Вперше подібний пристрій було створено 1962 р. вченим Н. Холоньяком. Це був монохромний свічення. Він мав низку недоліків, але сама технологія була визнана перспективною.
Через 10 років після створення червоного діода з'явилися зелені та жовті різновиди. Їх застосовували як індикатори у багатьох електронних приладах. Інтенсивність світлового потоку діодів завдяки науковим розробкам постійно зростала. У 90-х роках було створено освітлювач із ефективністю потоку 1 люмен.
1993 року С. Накамура створив перший синій діод, який характеризувався високою яскравістю. З цього моменту стало можливим створювати будь-який колір спектру (зокрема білий). Технології невпинно розвивалися.
При з'єднанні синього та ультрафіолетового типу діодів виходить білий люмінофорний освітлювач. Вони стали поступово витісняти лампи розжарювання. До 2005 випускалися діоди з потужністю світлового потоку до 100 лм і навіть вище. Почали виготовляти білі освітлювальні прилади з різними відтінками (теплі, холодні).
Влаштування світлодіода
Щоб зрозуміти, як точковий світлодіод працює, необхідно докладно розглянути його пристрій. Цей освітлювальний прилад, на думку представників Асоціації розвитку оптоелектронної індустрії та департаменту енергетики, незабаром стане найзатребуванішим джерелом освітлення у звичайних будинках, офісах, установах.
Світлодіод має основою напівпровідниковий кристал. Він пропускає електричний струм лише в один бік. Кристал розташований на особливій підкладці. Вона не проводить струму. Корпус захищає кристал від зовнішніх дій. Він має виходи як контактів, і навіть оптичну систему.
Щоб підвищити тривалість експлуатації приладу, простір між пластиковою лінзою та самим кристалом заповнили прозорим силіконовим компонентом. Щоб відводити надлишкове тепло, використовується алюмінієва основа. Це звичайний устрій сучасного діода. При роботі він виділяє відносно невелику кількість. Це також є перевагою приладу.
Принцип роботи
Розглядаючи, як працює світлодіод, необхідно вникнути в основний принцип роботи таких пристроїв. Прилад представленого типу має один електронно-дірчастий перехід. Це з різним принципом провідності компонентів освітлювача. Один напівпровідник має надлишок електронів, а інший – надлишок дірок.
За допомогою процесу легування дірчастий матеріал збагачується носіями негативного заряду. Якщо в місці збагачення напівпровідників протилежними зарядами додати струм, вийде пряме усунення. Через перехід цих двох матеріалів побіжить електрика.
При цьому в корпусі діода відбувається сплавлення носіїв зарядів із різним електричним статусом. Коли дірки та електрони стикаються, виділяється певна кількість енергії. Це квант світлового потоку. Його називають фотоном.
Колір світлодіода
Під час створення діодів застосовуються різні напівпровідникові матеріали. Це визначає колір, який випромінює при роботі представлений пристрій. Різні матеріали здатні посилати у простір хвилі різної довжини. Це дозволяє людському оку побачити той чи інший колір видимого спектра.
Вивчаючи питання, як працює світлодіод, слід розглянути матеріали напівпровідників. Раніше з цією метою застосовувалися фосфід галію, потрійні сполуки GaAsP, AlGaAs. При цьому прилад міг надсилати в простір червоний, жовто-зелений
Дана технологія нині застосовується лише для індикаторних пристроїв. Сьогодні для таких виробів використовують алюміній індій-галій (AllnGaP) та індій-нітрид галію (InGaN). Вони витримують досить високий рівень струму, що проходить, високі показники вологості і нагріву. Можлива комбінація світлодіодів різних типів.
Змішання квітів
Сучасні діодні стрічки можуть видавати різні кольори світлового потоку. Один прилад може виробляти монотонний колір. При створенні багатокристального пристрою можна отримати безліч різних відтінків. Подібно до монітора телевізора або комп'ютера, діод може створити будь-який колір за допомогою моделі RGB (розшифровується як червоний, зелений, синій).
Це простий принцип, який дозволяє зрозуміти, як працюють RGB-світлодіоди. За допомогою цієї технології можна створювати біле освітлення. Для цього всі три кольори поєднуються в рівній пропорції.
Однак, крім представленої технології, можна отримати біле світіння при з'єднанні короткохвильового діода випромінювання (ультрафіолетовий, синій) разом з жовтим покриттям люмінофорного типу. При комбінації фотонів жовтого та синього кольору у результаті виходить біле свічення.
Виробництво
Щоб зрозуміти, від скільки вольт працюють світлодіоди, необхідно розглянути виробництво цих пристроїв. Насамперед слід зазначити, що прилади з матрицею типу RGB коштують дорожче, ніж люміноформи. Причому останні дозволяють досягти висвітлення високої якості.
Недоліком люмінофорів є менша світловіддача, а також різне фарбування (температура) потоку. Цей пристрій старіє швидше, ніж світлодіод. Тому у продаж надходять освітлювальні прилади обох принципів роботи. Для створення індикаторів виробляються діоди зі споживанням 2-4 В напруги постійного типу (при струмі 50 мА).
Для створення повноцінного освітлення необхідні пристрої з таким самим споживанням напруги, але вищим рівнем струму - до 1 А. Якщо в одному модулі діоди підключити послідовно, сумарна напруга досягатиме 12 або 24 В.
Посилення яскравості
Розглядаючи питання, від якого напруги працюють світлодіоди, слід сказати про підвищення яскравості представлених пристроїв. Потужність таких приладів сягає 60 мВт. Якщо такі діоди встановити в середній за габаритами корпус, світлових елементів потрібно встановити 15-20 шт.
Діоди з посиленою яскравістю світіння можуть нести потужність до 240 Вт. Щоб забезпечити нормальне підсвічування, подібних елементів потрібно 4-8 шт. У продажу представлені пристрої, здатні повноцінно висвітлювати приміщення, зовнішню рекламу, вітрини і т. д. Деякі стрічки створюються для підсвічування середньої або малої інтенсивності.
Для підключення представленого обладнання застосовують блоки керування відповідної потужності. Для кольорових стрічок можна використовувати контролери, що управляють не тільки інтенсивністю освітлення, але і задають відтінки і режими роботи пристрою.
Управління світінням
Існує безліч варіантів представленого обладнання. Є світлодіоди, що працюють від батарейок (наприклад, у ліхтариках), які живлять у стаціонарній мережі. Їх застосовують як для внутрішньої, так і для зовнішньої роботи. Залежно та умовами застосування підбирається відповідний клас захисту діода.
Щоб відрегулювати яскравість свічення, напруга живлення не знижують. Для зменшення інтенсивності світіння застосовується широтно-імпульсна модуляція (ШІМ). У цьому випадку купується блок управління.
Поданий метод полягає у подачі на діод імпульсно-модульованого струму. Частота сигналу у своїй досягає тисяч герц. Може змінюватися ширина імпульсів та інтервалів пауз. При цьому можна керувати світінням приладу. Діод у цьому випадку не згасне.
Довговічність
Діоди вважаються довговічними пристроями. Це їх конструкцією. Однак, якщо не працюють світлодіоди на лампі, можливо, термін їх експлуатації вийшов. Це можна визначити за насиченістю свічення та зміною кольору.
Також фахівці зазначають, що термін експлуатації малопотужних пристроїв набагато триваліший. Але навіть у найяскравіших стрічках чи лампах діоди гарантовано працюють 20-50 тис. годин. Так як вони не мають крихких елементів конструкції, механічні дії з більшою ймовірністю не завдадуть шкоди подібним освітлювачам.
Вивчивши, як працює світлодіод, можна зрозуміти принцип влаштування цього приладу, а також його експлуатаційні характеристики. Це обладнання вважається освітлювачами майбутнього покоління.
Пристрої для освітлення за допомогою світлодіодів останніми роками наступають переможним маршем. На прилавках магазинів великий вибір китайських світлодіодних ліхтариків, які за ціною не на багато перевищують вартість батарейок, що входять до них, які світять яскравіше і довше ніж їх аналоги з лампочками всередині. За рахунок чого світлодіод опинився у такому виграшному становищі?
Для тих, хто не в курсі: світлодіод - це напівпровідниковий прилад, в якому електричний струм перетворюється безпосередньо на світлове випромінювання. Діод - тобто струм пропускати він здатний тільки в одному напрямку (див. статтю Як працює діод) До речі, англійською світлодіод називається light emitting diode, або LED.
Світлодіод складається з напівпровідникового кристала на струмопровідній підкладці, корпусу з контактними висновками та оптичної системи. Для підвищення життєстійкості простір між кристалом та пластиковою лінзою заповнено прозорим силіконом. Алюмінієва основа служить для відведення надлишкового тепла. Якого, слід сказати, виділяється зовсім невелика кількість.
Світіння в напівпровідниковому кристалі виникає при рекомбінації електронів та дірок у ділянці p-n-переходу. Область p-n-переходу утворюється контактом двох напівпровідників з різними типами провідності. Для цього приконтактні шари напівпровідникового кристала легують різними домішками: з одного боку акцепторними, з іншого - донорськими.
Щоб p-n-перехід почало випромінювати світло, ширина забороненої зони в активній області світлодіода повинна бути близька до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, напівпровідниковий кристал повинен мати мало дефектів, через які рекомбінація відбувається без випромінювання. Щоб дотриматись обох умов, найчастіше одного р-п-переходу в кристалі виявляється недостатньо, і виробники змушені йти на виготовлення багатошарових напівпровідникових структур, так званих гетероструктур.
Очевидно, що чим більший струм проходить через світлодіод, тим світить яскравіше, оскільки чим більше струм, тим більше електронів і дірок надходять в зону рекомбінації в одиницю часу. Однак, через внутрішній опір напівпровідника і p-n-переходу діод нагрівається і при великому струмі може згоріти - розплавляться проводи, що підводять, або буде перепалений сам напівпровідник.
На відміну від ламп розжарювання, електричний струм у світлодіодах перетворюється безпосередньо на світлове випромінювання, при невеликій кількості втрат на нагрівання. В результаті світлодіоди на кілька порядків економічніші і незамінніші в тих приладах, де нагрівання неприпустимо. Особливістю світлодіода є випромінювання у вузькій частині спектру. За це він сподобався дизайнерам для виготовлення світлової реклами та декорування приміщень. УФ- та ІЧ-випромінювання, як правило, у світлодіодах відсутні. Світлодіод має високу механічну міцність і надійність. Термін служби світлодіода досягає 100 тисяч годин, що майже у 100 разів більше, ніж у лампочки розжарювання, і в 5 – 10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи. Нарешті, світлодіод - низьковольтний електроприлад, а отже, безпечний.
Єдиний недолік технології – висока вартість. На даний момент ціна одного люмена, випромінюваного світлодіодом, у 100 разів вища, ніж люмена випромінюваного лампою розжарювання. Втім, виробники прогнозують зниження цього показника найближчими роками в 10 разів.
Світлодіоди на основі фосфіду та арсеніду галію, що випромінюють у жовто-зеленій, жовтій та червоній областях спектру були розроблені ще у 60-х – 70-х роках минулого століття. Їх застосовували у світлових індикаторах, табло, приладових панелях автомобілів та літаків, рекламних екранах, різних системах візуалізації інформації. По світловіддачі світлодіоди випередили звичайні лампи розжарювання. За довговічністю, надійністю, безпекою вони теж їх перевершили. Довго не існувало світлодіодів синього, синьо-зеленого та білого кольору. Колір світлодіода залежить від ширини забороненої зони, в якій рекомбінують електрони та дірки, тобто від матеріалу напівпровідника та легуючих домішок. Чим «синій» світлодіод, тим вища енергія квантів, а отже, тим більше має бути ширина забороненої зони.
Блакитні світлодіоди вдалося виготовити на основі напівпровідників з великою шириною забороненої зони - карбіду кремнію, сполук елементів II та IV групи або нітридів елементів III групи. Однак, у світлодіодів на основі SiC виявився занадто малий ККД і низький квантовий вихід випромінювання (тобто кількість випромінюваних квантів на одну пару, що рекомбінувала). У світлодіодів на основі твердих розчинів цинку цинку ZnSe квантовий вихід був вище, але вони перегрівалися через великий опір і виявилися недовговічними. Перший блакитний світлодіод вдалося виготовити на основі плівок нітриду галію на сапфіровій (!) підкладці.
Квантовий вихід - це число випромінюваних квантів світла на одну електронно-діркову пару, що рекомбінувала. Розрізняють внутрішній та зовнішній квантовий вихід. Внутрішній – у самому p-n-переході, зовнішній – для приладу в цілому (адже світло може губитися «по дорозі» – поглинатися, розсіюватися). Внутрішній квантовий вихід для хороших кристалів з хорошим тепловідведенням досягає майже 100%, рекорд зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів становить 55%, а для синіх - 35%. Зовнішній квантовий вихід – одна з основних характеристик ефективності світлодіода.
Білий світла від світлодіодів можна отримати кількома способами. Перший – змішати кольори за технологією RGB. На одній матриці щільно розміщуються червоні, блакитні та зелені світлодіоди, випромінювання яких поєднується за допомогою оптичної системи, наприклад лінзи. В результаті виходить біле світло. Другий спосіб полягає в тому, що на поверхню світлодіода, що випромінює в ультрафіолетовому діапазоні (є і такі), наноситься три люмінофори, що випромінюють, відповідно, блакитне, зелене та червоне світло. За принципом люмінесцентної лампи. Третій спосіб - коли жовто-зелений або зелено-червоний люмінофор наносяться на блакитний світлодіод. При цьому два або три випромінювання змішуються, утворюючи біле або близьке до білого світло.
Кожен спосіб має свої переваги і недоліки. Технологія RGB в принципі дозволяє не тільки отримати білий колір, але й переміщатися по діаграмі кольору при зміні струму через різні світлодіоди. Виходить цілий освітлювальний комплекс, яким можна управляти вручну або за допомогою програми. Такі ефекти широко використовуються дизайнерами та виробниками ялинкових гірлянд та аналогічних пристроїв. Крім того, велика кількість світлодіодів у матриці забезпечує високий сумарний світловий потік та велику осьову силу світла. Недоліком системи є неоднаковий колір у центрі світлової плями та по краях. Крім цього, через нерівномірне відведення тепла з країв матриці та з її середини світлодіоди нагріваються по-різному, і, відповідно, по-різному змінюється їх колір у процесі старіння – сумарні колірна температура та колір «пливуть» за час експлуатації. Це неприємне явище досить складно та дорого компенсувати. Білі світлодіоди з люмінофорами істотно дешевші, ніж світлодіодні RGB-матриці (у перерахунку на одиницю світлового потоку), і дозволяють отримати хороший білий колір. Недоліки їх: по-перше, у них менше, ніж у RGB-матриць, світловіддача із-за перетворення світла у шарі люмінофора; по-друге, досить важко точно проконтролювати рівномірність нанесення люмінофора в технологічному процесі та, отже, колірну температуру; і нарешті по-третє – люмінофор теж старіє, причому швидше, ніж сам світлодіод.
Промисловість випускає як світлодіоди з люмінофором, так і RGB-матриці - у них різні сфери застосування. Звичайний світлодіод, який використовується для індикації, споживає від 2 до 4 В постійної напруги при струмі до 50 мА. Світлодіод, який використовується для освітлення, споживає таку ж напругу, але струм вище - від кількох сотень ма до 1 А в проекті. У світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути включені послідовно і сумарна напруга виявляється більшою (зазвичай 12 або 24 В).
При підключенні світлодіода необхідно дотримуватися полярності, інакше прилад може вийти з ладу. Напруга пробою зазвичай становить більше 5 для одного світлодіода. Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком та осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існуючі світлодіоди різних конструкцій випромінюють у тілесному куті від 4 до 140 градусів. Колір, як завжди, визначається координатами кольоровості та колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання.
Яскравість світлодіодів регулюється не за рахунок зниження напруги живлення, а так званим методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Для цього необхідний спеціальний блок управління. Метод ШІМ полягає в тому, що на світлодіод подається не постійний, а імпульсно-модульований струм, причому частота сигналу повинна становити сотні або тисячі герц, а ширина імпульсів та пауз між ними може змінюватись. Середня яскравість світлодіода стає керованою, водночас світлодіод не гасне.
Світлодіоди досить довговічні, проте термін служби у потужних світлодіодів коротший, ніж у малопотужних сигнальних. Втім, і він становить нині 20 – 50 тисяч годин. Старіння виявляється насамперед у зменшенні яскравості та зі зміною кольору.
Спектр випромінювання світлодіоду близький до монохроматичного, у чому його кардинальна відмінність від спектру сонця чи лампи розжарювання. Серйозних досліджень вплив такого освітлення на зір ніколи не проводилося.
