|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Super jasne diody LED - podstawa energooszczędnego oświetlenia. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / oświetlenie Niedawno autor tego artykułu był świadkiem, jak handlarz w wagonie metra reklamował lampę LED. „Super jasne żarówki tej latarni” – krzyknął sprzedawca, przekrzykując hałas jadącego pociągu – „zużywają mało energii, co oznacza, że nie trzeba często wymieniać baterii”. Zapewne w jego słowach jest trochę prawdy reklamowej: o żarówkach wszyscy wiedzą, ale żeby wspomnieć o zupełnym nowym źródle światła - być może zastanowią się, czy te super jasne diody LED są aż tak dobre i czy wykonana na ich bazie latarka będzie służyć tak niezawodnie jest nieznane. Chociaż bardzo, bardzo wielu zdaje sobie sprawę z tak trywialnego zadania, jak użycie diody LED jako sygnalizatora świetlnego. Można wręcz powiedzieć, że pod względem rozpowszechnienia konwencjonalne diody LED z powodzeniem mogą konkurować z żarówkami, aw życiu codziennym są dziś bardzo powszechne – wystarczy przypomnieć sobie domowe włączniki z sygnalizacją świetlną przeznaczone do wyszukiwania ich w ciemności. Nowoczesne diody sygnalizacyjne LED (Light Emitting Diode) produkowane są w ogromnych ilościach, mają inny kolor świecenia, co jest bardzo wygodne dla urządzeń sygnalizacyjnych, różne konstrukcje. Możesz kupić modele dwukolorowe, które płynnie zmieniają kolor w zależności od stosunku sygnałów wejściowych, możesz - migające po przyłożeniu napięcia, możesz - ze standardową podstawą do wymiany żarówek w oprawach sygnałowych. Ale która ze standardowych diod LED jest źródłem światła w takim sensie, w jakim rozumiemy źródło światła? W końcu maksimum tego, do czego wystarczy, to podkreślenie ciekłokrystalicznego wskaźnika telefonu komórkowego. Czy nie trudno sobie wyobrazić, że człowiek może normalnie żyć w świetle półprzewodnikowych źródeł światła, że wykonuje swoją codzienną pracę, czyta książkę, prowadzi przyjemne rozmowy w kameralnej atmosferze... Można powiedzieć, że fantazja? Nie, to jest po prostu rzeczywistość obecnych czasów. Właściwość emitowania fal świetlnych przez złącza pn jest podstawową właściwością wszystkich półprzewodników. Ale są obdarzeni tą zdolnością w różnym stopniu. Na przykład krzemowe złącza pn używane do produkcji tranzystorów i zwykłych diod zupełnie nie nadają się nawet do zwykłych diod LED: emitują bardzo mało fal świetlnych. Półprzewodniki oparte na związkach galu (fosforek galu i arsenek galu) promieniują znacznie lepiej, dlatego to na ich bazie produkowane są dobrze znane czerwone, żółto-zielone i zielone diody LED. Wydajność świetlna tych urządzeń w latach 60-tych ubiegłego wieku wynosiła zaledwie 1,5 lm/W. Nieco później wyniki badań pozwoliły zwiększyć wydajność promieniowania półprzewodników do 10 lm/W. Rozwój technologii produkcji azotku galu doprowadził do powstania niebieskich diod LED. I tu czas pomyśleć o diodach LED emitujących białe światło. Białe diody LED po raz pierwszy pojawiły się na rynku światowym w 1998 roku. Osiągnięte dotychczas wskaźniki wydajności półprzewodnikowych źródeł światła nie są imponujące: skuteczność świetlna komercyjnych próbek diod LED emitujących w czerwono-żółtej części widma wynosi 65 ... 75 lm / W, w obszarze zielonym - do góry do 85 lm/W, aw obszarze bieli luminescencja do 100 lm/W. Po drodze - komercyjne próbki światła białego o wydajności około 150 lm / W, a to nie jest limit. Oznacza to, że średnio w ciągu 50 lat istnienia źródeł półprzewodnikowych ich wydajność wzrosła o prawie dwa rzędy wielkości. Ogólnie rzecz biorąc, wydajność świetlna „bardzo przeciętnej” diody LED o „białym” widmie emisyjnym jest obecnie na poziomie wydajności świetlnej dobrej świetlówki, a wzrost wydajności świetlnej trwa. A wysoki koszt produkcji źródeł półprzewodnikowych procentuje fantastyczną żywotnością - ponad 100000 XNUMX godzin ciągłej bezawaryjnej pracy, a także najwyższą niezawodnością mechaniczną i klimatyczną, nieprzerwaną pracą w bardzo niskich temperaturach, brakiem szkodliwych materiały takie jak rtęć, możliwość elementarnej regulacji jasności, zapewnienie spełnienia wymagań przeciwpożarowych w zakresie niskiego promieniowania cieplnego, niskie koszty utrzymania. To prawda, że jest pewna okoliczność, która wprowadza pewien dysonans w tę „piosenkę zwycięstwa” o fantastycznych zasobach superjasnych diod LED. Faktem jest, że diody elektroluminescencyjne mają tendencję do „starzenia się” w procesie eksploatacji, co wyraża się utratą ich zdolności emisyjnych, a co za tym idzie wydajności promieniowania. Jednak renomowani światowi producenci ultrajasnych diod LED gwarantują utrzymanie ich początkowej emisyjności na poziomie 80% przez połowę ich żywotności. Na forach internetowych autor artykułu spotkał się z stanowczymi wypowiedziami na temat rzeczywistego życia źródeł LED w ciągu 2 ... 3 tysięcy godzin. Może to być prawdą tylko w dwóch przypadkach: gdy używane są produkty wątpliwej produkcji, mogą one naprawdę stracić do 40% wydajności promieniowania podczas tych samych 3000 godzin pracy lub gdy diody pracują w znacznie wyższych niż nominalne trybach pracy . A teraz zapoznajmy się z technologiami uzyskiwania białego światła „stałego” z „wielokolorowego” promieniowania standardowych diod LED. Obecnie istnieją cztery metody uzyskiwania światła białego, z których wszystkie są aktywnie wykorzystywane w branży „technologii półprzewodnikowej”. na ryc. 1 przedstawia sposób mieszania różnych kolorów, a mianowicie klasyczną triadę RGB, czyli czerwień, zieleń i niebieski. Na jednym krysztale źródła LED, wielobarwne kryształy emitujące światło są ściśle ułożone w mozaikowy sposób, ich światło jest skupiane przez soczewkę, dzięki czemu całkowite widmo emisji jest zbliżone do naturalnego światła słonecznego. Oddzielnie sterując kanałami R, G i B można uzyskać dowolny kolor (lub odcień) świecenia diody. Wada metody jest również oczywista: jest to znaczna pracochłonność (a co za tym idzie wysoki koszt) wykonania oraz konieczność wyrównania barw kanałów R, G, B, ponieważ diody LED o różnych kolorach mają różną wydajność promieniowania. Jednak metoda ta jest coraz częściej wykorzystywana przy tworzeniu kolorowych ekspozytorów reklamy zewnętrznej.
Główne zasady drugiego sposobu uzyskiwania światła białego zapożyczono z zasad działania świetlówki. W tym przypadku (patrz ryc. 2) na wewnętrzną powierzchnię obudowy diody LED emitującej fale z zakresu UV nakładany jest specjalny trójkolorowy luminofor, który pod wpływem promieniowania zaczyna świecić światłem białym. Wśród wad metody należy wymienić jej niezbyt wysoką wydajność świetlną. Z tego powodu trzecia i czwarta metoda okazały się najbardziej zaawansowane technologicznie i najbardziej opłacalne komercyjnie. Ale najciekawsze jest to, że te metody są logicznym rozwinięciem drugiej metody, to znaczy wykorzystują również efekt luminescencji.
Technologia trzeciej metody opiera się na wykorzystaniu niebieskiej diody LED, ale emitujący światło kryształ jest tutaj otoczony konstrukcyjnym odbłyśnikiem, na który nałożony jest żółty luminofor. Tak więc, gdy kolory są mieszane, powstaje światło o składzie widmowym bardzo zbliżonym do bieli, jak pokazano na ryc. 3.
Czwarta metoda niewiele różni się od trzeciej iw rzeczywistości jest jej logicznym rozwinięciem mającym na celu poprawę składu widmowego emitowanego światła. Ta metoda opiera się na tej samej niebieskiej diodzie elektroluminescencyjnej, zapewniono ten sam konstrukcyjny odbłyśnik, ale są już na nim osadzone dwa rodzaje luminoforu - z zielonym i czerwonym blaskiem (patrz ryc. 4).
Zdecydowana większość komercyjnych diod LED o widmie emisyjnym zbliżonym do światła białego wykonana jest w oparciu o technologię luminescencji pojedynczej i podwójnej luminoforu. Z tego powodu światło takich diod ma lekko niebiesko-fioletowy „zimny” odcień. Co można powiedzieć o kosztach „światła półprzewodnikowego” i ekonomicznej wykonalności jego wdrożenia? Do tej pory „światło półprzewodnikowe” jest najdroższym źródłem energii świetlnej, jeśli oczywiście weźmie się pod uwagę tylko koszt „wyprodukowania” jednostki energii świetlnej. Cena 1 lumena „światła półprzewodnikowego” jest wciąż 30...50 razy wyższa niż koszt 1 lumena wytwarzanego przez klasyczną żarówkę. Na przykład autor mógł kupić lampę LED o mocy 5 W za 15 USD, podczas gdy zwykła żarówka o tej samej mocy świetlnej i poborze mocy 60 W kosztuje nieco mniej niż 1 USD. Inne obliczenia pokazują, że matryca złożona z 20 ultrajasnych diod LED o całkowitym koszcie świetlnym 20 USD jest zbliżona do 20-watowej lampy halogenowej kosztującej 1 USD. Ale nie spiesz się, aby wyciągnąć wnioski. Porównując żywotność żarówek LED i klasycznych, a także ich skuteczność świetlną, można powiedzieć, że oszczędności są oczywiste. Tyle, że oszczędności nie są krótkoterminowe, ale długoterminowe. Zdaniem ekspertów dynamika spadku kosztów półprzewodnikowych źródeł światła nie będzie tak szybka, jak wzrost ich mocy świetlnej: oczekuje się, że koszt spadnie tylko o 20% przy podwojeniu wydajności używać. Promocja źródeł LED na rynki odbywa się według następującego scenariusza: początkowo służyły one jako oświetlenie wtórne (dekoracyjne), a dziś już trwają prace nad wycofywaniem lamp żarowych i halogenowych. Już teraz producenci samochodów aktywnie rozwijają reflektory świateł drogowych i mijania oparte na białych diodach LED. Osiągnięcia rozwojowe są imponujące: uzyskano strumień świetlny rzędu 1000 lm, co odpowiada standardowej lampie ksenonowej. Dzięki kierunkowskazom za granicą wszystko jest znacznie prostsze - technologie zostały opracowane i są szybko wprowadzane. na ryc. Rysunek 5 przedstawia przemysłowe samochodowe światło mijania LED o średnicy 106 mm wykonane z 4 bardzo jasnych diod LED.
A teraz porozmawiamy o właściwościach optycznych ultrajasnych diod LED, aw szczególności o tym, jak te dane są prezentowane w dokumentacji technicznej. Każda dioda LED emituje strumień świetlny w pewnym kierunku, czyli nierównomiernie, w zależności od położenia względem obserwatora. Niektóre diody LED mają wyraźną kierunkowość: świecą jak małe reflektory. Inne są jak żarówka z odbłyśnikiem – fale świetlne rozchodzą się tutaj w dość szerokim sektorze przestrzennym. Jeśli istnieje potrzeba zapewnienia jednorodności promieniowania przestrzennego, pomaga konstruktywny montaż diod LED skierowanych w różnych kierunkach. Główną przestrzenną cechą optyczną diody LED jest jej kierunkowość. Producenci opisują rodzaj kierunkowości, po pierwsze, przez kąt promieniowania (kąt promieniowania), a po drugie, przez charakterystykę promieniowania. Jeśli pierwsza cecha jest tylko nagą „liczbą”, druga jest znacznie bardziej informacyjnym wykresem. Znajomość charakterystyki promieniowania jest niezwykle ważna dla inżyniera projektującego oświetlenie. na ryc. Rysunek 6 przedstawia najbardziej pouczający wzór promieniowania białej diody LED NSPW515BS, produkowanej przez firmę NICHIA, jednego ze światowych liderów w branży diod LED. Prawa część diagramu jest wykonana we współrzędnych biegunowych, a lewa część - w układzie kartezjańskim. W takich wykresach argumentem jest kąt obrotu względem głównej osi (linii maksymalnego promieniowania), a funkcją jest wielkość bezwymiarowa. Wykres wzdłuż linii funkcji jest znormalizowany do maksymalnej wartości promieniowania, a światłość podana w mcd przy określonej wartości prądu przewodzenia diody LED działa jako wartość normalizująca. We wzorze promieniowania parametr ten odpowiada bezwymiarowej „jednostce”.
W niektórych przypadkach, gdy charakterystyka promieniowania jest wystarczająco szeroka (takie diody LED są zwykle przeznaczone tylko do oświetlenia bezkierunkowego), wartość strumienia świetlnego podawana jest w lm, co jest bardzo wygodne do obliczania oświetlenia standardowymi metodami. Firmy podają również w dokumentacji technicznej rodzaj widmowej charakterystyki promieniowania diod LED. Po co? Faktem jest, że temperatura barwowa światła ma duży wpływ na stan emocjonalny człowieka. Do tej pory oświetlenie LED kojarzyło się z „zimnym”, „ponurym”, „niewygodnym”. Jednak od niedawna na rynku pojawiły się diody LED o barwie ciepłej bieli, które imitują światło żarówki. W szczególności takie diody LED są również w nomenklaturze NICHIA. Różnicę między promieniowaniem ciepłych białych diod LED a promieniowaniem typu białego najlepiej widać na rys. 7, na którym przedstawiono widma wspomnianych diod.
Przeanalizujmy przedstawione widma. Emisja białej diody LED jest „blada” przez szczyt o wysokiej amplitudzie w „niebieskim” obszarze widma, podczas gdy w przypadku diody LED o ciepłej białej barwie składowa niebieska jest „zgniatana” przez bardziej intensywną emisję żółtego luminofor, który barwi emisję w „ciepłym” odcieniu. Z drugiej strony konieczna jest ocena parametrów elektrycznych diod LED. Najwyraźniej opisuje to charakterystyka prądowo-napięciowa (CVC), to znaczy zależność prądu przepływającego przez diodę od przyłożonego do niej napięcia (ryc. 8). Po przyłożeniu napięcia wstecznego (blokującego) żadna dioda, w tym dioda LED, nie przewodzi prądu. Ale w przeciwieństwie do diod prostowniczych, diody LED nie pozwalają na duże napięcia wsteczne. Standardowa granica napięcia wstecznego LED nie przekracza 5 V, dlatego zaleca się ostrożność przy „odwrotnej polaryzacji”.
Bezpośrednia gałąź CVC diod LED różni się od CVC konwencjonalnych diod tylko wartością napięcia otwarcia i spadkiem napięcia w stanie otwartym. Jeśli diody germanowe otwierają się przy napięciu 0,1 ... 0,2 V, krzem - przy 0,6 ... 0,7 V, wówczas napięcie otwarcia diod LED mieści się w zakresie 1,2 ... 2,9 V. Po otwarciu napięcie na diody nieznacznie wzrastają wraz ze wzrostem prądu, stabilizując się na pewnym poziomie już przy prądzie około 1 mA. z ryc. 8 również wyraźnie pokazuje, że różnica między napięciem zapłonu diody LED a niekontrolowanym wzrostem prądu przez nią wynosi zaledwie 0,3 V. Dioda LED, jak każdy półprzewodnik, nie może przepuszczać nieskończenie dużych prądów - po prostu stopi się od ogrzewania. Dlatego konieczne jest zastosowanie statecznika, który „zwróci” na siebie nadmiar napięcia i ograniczy przepływający prąd. Ponieważ diody LED są zasilane stałym (lub pulsacyjnym) napięciem, najprostszym statecznikiem jest przeważnie zwykła rezystancja czynna. Istnieją również bardziej złożone i bardziej ekonomiczne typy stateczników oparte na elektronicznych źródłach prądu. Autor: B. Semenov
Maszyna do przerzedzania kwiatów w ogrodach
02.05.2024 Zaawansowany mikroskop na podczerwień
02.05.2024 Pułapka powietrzna na owady
01.05.2024
▪ W Układzie Słonecznym była diamentowa planeta ▪ Prototypowy całkowicie optyczny przełącznik WDM ▪ Przezroczysty wyświetlacz LG
▪ sekcja strony Dokumentacja normatywna dotycząca ochrony pracy. Wybór artykułu ▪ artykuł Kołowrotek samoobracający się z napędem nożnym. Rysunek, opis ▪ artykuł Kto odbył pierwszy lot balonem? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Oczar wirginijski. Legendy, uprawa, metody aplikacji
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony