Светодиоды для выращивания растений. Взгляд изнутри: светодиодные лампочки Светодиоды с люминофором

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

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Короткие белые светодиоды

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

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

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

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

Субтитры

История изобретения

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

RGB-светодиоды

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

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

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

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

Люминофорные светодиоды

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

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

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

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

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

Влияние температуры на срок службы светодиода

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

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

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

Конструкция люминофорных светодиодов

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

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

Яркость и качество света

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

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

Люминофорный светодиод на базе ультрафиолетового излучателя

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

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов

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

Но есть и недостатки:

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

Перспективы развития технологии белых светодиодов

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

См. также

Примечания

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

Существует два распространенных пути получения белого цвета свечения достаточной интенсивности с помощью светодиодов. Первый - это объединение в одном корпусе светодиода чипов трех основных цветов - красного, зеленого и синего. Смешением этих цветов получается белый цвет, кроме того, меняя интенсивность основных цветов, получается любой цветовой оттенок, что применяется при изготовлении . Второй путь - использование люминофора для конвертирования излучения синего или ультрафиолетового светодиода в белый цвет. Подобный принцип используется в лампах дневного света. В настоящее время, второй способ превалирует из-за низкой стоимости и бóльшего светового выхода люминофорных светодиодов.

Люминофоры

Люминофоры (термин происходит от латинского lumen - свет и греческого phoros - несущий), это вещества, способные светиться под действием различного рода возбуждений. По способу возбуждения различают фотолюминофоры, рентгенолюминофоры, радиолюминофоры, катодолюминофоры, электролюминофоры. Некоторые люминофоры бывают смешанных типов возбуждения, например, фото-, катодо- и электролюминофор ZnS·Cu. По химической структуре различают органические люминофоры - органолюминофоры, и неорганические - фосфóры. Фосфóры, имеющие кристаллическую структуру, называют кристаллофосфóрами. Отношение излученной энергии к поглощённой называется квантовым выходом.

Свечение люминофора обуславливается как свойствами основного вещества, так и наличием активатора (примеси). Активатор создает в основном веществе (основании) центры свечения. Наименование активированных люминофоров складывается из имени основания и активатора, например: ZnS·Cu,Co означает люминофор ZnS, активированный медью и кобальтом. Если основание смешанное, то перечисляют сначала названия оснований, а затем активаторов, например, ZnS,CdS·Cu,Со.

Возникновение у неорганических веществ люминесцентных свойств, связано с образованием в кристаллической решетке основы люминофора в процессе синтеза структурных и примесных дефектов. Энергия, возбуждающая люминофор, может поглощаться как люминесцентными центрами (активаторное или примесное поглощение), так и основой люминофора (фундаментальное поглощение). В первом случае, поглощение сопровождается либо переходом электронов внутри электронной оболочки на более высокие энергетические уровни, либо полным отрывом электрона от активатора (образуется «дырка»). Во втором случае, при поглощении энергии основой, в основном веществе образуются дырки и электроны. Дырки могут мигрировать по кристаллу и локализоваться на центрах люминесценции. Излучение происходит в результате возвращения электронов на более низкие энергетические уровни или при рекомбинации электрона с дыркой.

Люминофоры, в которых люминесценция связана с образованием и рекомбинацией разноименных зарядов (электронов и дырок), получили название рекомбинационных. Основой для них служат соединения полупроводникового типа. В этих люминофорах кристаллическая решетка основы является той средой, в которой развивается процесс люминесценции. Это дает возможность, изменяя состав основы, широко варьировать свойства люминофоров. Изменение ширины запрещенной зоны при использовании одного и того же активатора плавно в больших пределах изменяет спектральный состав излучения. В зависимости от применения, предъявляются различные требования к параметрам люминофора: типу возбуждения, спектру возбуждения, спектру излучения, выходу излучения, временным характеристикам (времени нарастания свечения и длительности послесвечения). Наибольшее разнообразие параметров можно получить у кристаллофосфоров, меняя активаторы и состав основания.

Спектр возбуждения различных фотолюминофоров широк, от коротковолнового ультрафиолетового до инфракрасного. Спектр излучения также находится в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях. Спектр излучения может быть широким или узким и сильно зависит от концентрации люминофора и активатора, а также от температуры. Согласно правилу Стокса - Ломмеля, максимум спектра излучения смещен от максимума спектра поглощения в сторону длинных волн. Кроме того, спектр излучения обычно имеет значительную ширину. Это объясняется тем, что часть энергии, поглощаемой люминофором рассеивается в его решетке, переходя в тепло. Особое место занимают «антистоксовские» люминофоры, которые излучают энергию в более высокой области спектра.

Энергетический выход излучения люминофора зависит от вида возбуждения, его спектра и механизма преобразования. Он снижается при увеличении концентрации люминофора и активатора (концентрационное тушение) и температуры (температурное тушение). Яркость свечения нарастает с начала возбуждения в течение различного промежутка времени. Длительность послесвечения определяется характером преобразования и временем жизни возбуждённого состояния. Наиболее короткое время послесвечения имеют органолюминофоры, наиболее длительное - кристаллофосфоры.

Значительная часть кристаллофосфоров представляет собой полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны 1-10 эв, люминесценция которых обусловлена примесью активатора или дефектами кристаллической решётки. В люминесцентных лампах применяются смеси кристаллофосфоров, например, смеси MgWO4 и (ZnBe)2 SiO4·Mn] или однокомпонентные люминофоры, например галофосфат кальция, активированный Sb и Mn. Люминофоры для целей освещения подбираются так, чтобы их свечение имело спектральный состав, близкий к спектру дневного света.

Органические люминофоры могут обладать высоким выходом и быстродействием. Цвет люминофора может быть подобран для любой видимой части спектра. Они применяются для люминесцентного анализа, изготовления люминесцирующих красок, указателей, оптического отбеливания тканей и т.д. Органические люминофоры выпускались в СССР под торговой маркой люминоры.

Люминофор в процессе работы подвержен изменению параметров с течением времени. Этот процесс называется старением (деградацией) люминофора. Старение в основном обусловлено физическими и химическими процессами как в слое люминофора, так и на его поверхности, возникновение безызлучательных центров, поглощение излучения в изменившемся слое люминофора.

Люминофор в светодиоде

Белые светодиоды чаще всего изготавливаются на основе синего кристалла InGaN и желтого люминофора. Желтые люминофоры, применяемые большинством производителей, это модифицированный иттрий-алюминиевый гранат, легированный трехвалентным церием (ИАГ). Спектр люминесценции этого люминофора характеризуется максимумом длины волны 530..560 нм. Длинноволновая часть спектра имеет бóльшую протяженность, чем коротковолновая. Модифицирование люминофора добавками гадолиния и галлия, позволяет сдвигать максимум спектра в холодную область (галлий) или в теплую (гадолиний).

Интересны спектральные данные люминофора, применяемого в Cree. Судя по спектру, кроме ИАГ в состав люминофора белого светодиода добавлен люминофор со смещенным в красную область максимумом излучения.

В отличие от люминесцентных ламп, используемый в светодиодах люминофор имеет бóльший срок службы, и старение люминофора определяется в основном температурой. Люминофор чаще всего наносят непосредственно на кристалл светодиода, который сильно нагревается. Другие факторы воздействия на люминофор имеют значительно меньшее значение для срока службы. Старение люминофора приводит не только к уменьшению яркости светодиода, но и к изменению оттенка его свечения. При сильной деградации люминофора хорошо заметен синий оттенок свечения. Это связано с изменением свойств люминофора, и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение светодиодного чипа. С внедрением технологии (remote phosphor), влияние температуры на скорость деградации люминофора снижается.

История изобретения

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

RGB-светодиоды

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

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

Люминофорные светодиоды

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

Влияние температуры на срок службы светодиода

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

Конструкция люминофорных светодиодов

Яркость и качество света

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

Люминофорный светодиод на базе ультрафиолетового излучателя

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов

Но есть и недостатки:

Перспективы развития технологии белых светодиодов

См. также

Примечания

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

В идеале для оценки качества спектра излучения лампы необходим спектрофотометр. В крайнем случае можно использовать спектрофотометры для профилирования/калибровки мониторов (например, ColorMunki) - если такое устройство у вас есть. Покупать же спектрофотометры домой для оценки ламп нет никакого смысла, они стоят от сотен до десятков тысяч долларов.

Тем не менее, для нужд геологов и ювелиров выпускают простейшие спектроскопы на основе диффракционной решетки. Их стоимость от 1200 до 2500 руб. И это забавная и полезная штука.

Выглядит спектроскоп так:

В окуляр (слева, где конус) нужно смотреть, при этом объектив (справа) должен быть направлен на источник излучения.

Диффракционная решетка разлагает свет на спектр (как радуга или оптическая призма).

Прежде чем вникать в спектры реальных ламп, напомню общую информацию. (Достаточно подробно это рассмотрено в книге в главе «Качество света»).

Здесь я покажу два спектра СДЛ с исключительно высоким индексом цветопередачи 97 (источник ):

Холодный свет:

Можно видеть, что цветовая температура 5401 К, индекс 97. Главное же - можно видеть из каких видимых глазами цветов состоит спектр.

Теплый свет:

Температура 3046 К, индекс также 97.

Спектрофотометр - в отличие от спектроскопа - показывает не просто, какие цвета образуют спектр, но и дает их интенсивность. Хорошо видно, что в спектрах обеих ламп есть все цвета, составляющие белый («каждый охотник желает знать где сидит фазан», т.е. красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Различие в цветовой температуре достигается за счет относительного вклада холодных (синий-голубой) и теплых (желтый-красный) компонентов.

Вынужден упомянуть о том, что данный спектроскоп предназначен для мобильного использования с помощью глаз. Фиксировать картинку крайне неудобно, поскольку окуляр маленький и устройств для фиксации на камере нет. Поэтому одной рукой нужно удерживать камеру, другой спектроскоп, а голосом управлять съемкой. При этом еще нужно удерживать направление на источник света, небольшие отклонения от нормали приводят к искажению цветов спектра. Из почти десятка разноообразных камер, что есть у меня дома, лучшим оказался планшет «Самсунг». Камера там всего 5 мп, но хороший софт, а размер и положение объектива на корпусе устройства позволяют более-менее удобно пристроить спектроскоп. Баланс белого был зафиксирован как «дневной», ИСО 400. Снимки не обрабатывались, лишь выравнивались и обрезались. Цифры справа обозначают индекс цветопередачи источника (100 - дневной свет в облачную погоду, 99 - лампа накаливания). Качество фотографий меня не очень устраивает - но лучше я сделать не смог.

Итак, начнем сверху вниз и на конкретных примерах попытаемся понять, на что нужно обращать внимание в таких спектрах.

Дневной свет и лампа накаливания: идеальный спектр, в котором представлены все вышеперечисленные цвета.

СДЛ с индексами цветопередачи 87 (обзор ) и 84 (обсуждалась по выбору производителя) также демонстрируют практически полный спектр. Проблемой обычно становится красная часть - если желтого и оранжевого, как правило, достаточно, то глубокие красные оттенки чаще всего отсутствуют. Не видно их и здесь. Также можно предположить (например, по количеству голубого в спектрах), что производители используют разные светодиоды 5736SMD. Т.е. мы имеем дело не с одной и той же лампой, приобретенной у разных продавцов - а с различными производителями.

СДЛ с индексом 78 (ее разбор приведен в главе «Пример оценочного тестирования» в книге) наряду с урезанной красной частью демонстрирует и малое количество голубого. (Может показаться, что в сравнении со спектром лампы с индексом 84 это не так. Но тут нужно вспомнить, что 84 - это теплая лампа, Т=2900. А 78 - холодная, Т=5750 К, там синего по определению намного больше). Именно в этом главные недостатки простых бюджетных СДЛ, которые формируют якобы белый свет за счет синего или пурпурного излучения светодиода и желто-оранжевого света люминофора. Справа от синего лежит голубой - но из описанной комбинации он «не получается». Поэтому в спектре СДЛ там обычно провал. За счет этого (плюс дефицит глубокого красного) и падает индекс цветопередачи.

Самый нижний спектр - это высококачественная компактная люминесцентная лампа (КЛЛ, Т=2700 К, ресурс 12000 часов, заявленный индекс цветопередачи не менее 80). И вот здесь хорошо видно, за счет чего достигается эта формально достаточно высокая величина. Сам производитель называет это «система Tricolor». Т.е. он использует люминофор из 3 компонентов, каждый из которых излучает свет в виде узкой полосы. (Конечно, и такую лампу сделать совсем непросто, т.к. требуется тщательный подбор комбинации люминофоров.) Именно наличие таких вертикальных полос (например, фиолетовая, зеленая, желтая) - признак низкокачественных источников света. Вторым следствием линейчатого спектра источника является физическое отсутствие некоторых цветов в принципе (на рисунке, например, практически нет желтого и очень мало голубого). Очевидно, что свет таких ламп для глаз малополезен несмотря на формально достаточно высокие показатели. Использовать такие лампы нужно в светильниках с качественными рассеивателями (хотя, конечно, спектра лампы это не изменит).

Вывод: в спектрах источников света с высоким индексом цветопередачи должны присутствовать все цвета спектра и отсутствовать интенсивные узкие полосы.

Отдельно хочу предостеречь от поспешности в анализе спектров. По роду деятельности я много общался со спектроскопистами и заметил железную закономерность: чем более квалифицированный и профессиональный специалист - тем более он осторожен и уклончив в своих выводах. От лучшего из них, профессора, заведующего лабораторией спектроскопии вообще в принципе было невозможно добиться внятного заключения (что меня вначале по молодости дико раздражало). Глаз, безусловно, лучший оптический прибор из существующих. Но анализ и интерпретация спектров - бесконечно сложная тема. Там действует огромное количество разных факторов. Поэтому настоятельно рекомендую только простейшую качественную оценку спектров глазами, без попыток хитрых умопостроений и далеко идущих выводов. Лучше всего попеременно смотреть на спектр оцениваемой лампы и на идеальный спектр дневного света или ЛН. Т.е. наглядное сравнение между собой.

Экология потребления. В идеале для оценки качества спектра излучения лампы необходим спектрофотометр. В крайнем случае можно использовать спектрофотометры для профилирования/калибровки мониторов (например, ColorMunki) - если такое устройство у вас есть.

Выглядит спектроскоп так:

Диффракционная решетка разлагает свет на спектр (как радуга или оптическая призма).

Здесь я покажу два спектра СДЛ с исключительно высоким индексом цветопередачи 97:

Холодный свет:

Теплый свет:

Температура 3046 К, индекс также 97.

Дневной свет и лампа накаливания: идеальный спектр, в котором представлены все вышеперечисленные цвета.

СДЛ с индексами цветопередачи 87 и 84 также демонстрируют практически полный спектр. Проблемой обычно становится красная часть - если желтого и оранжевого, как правило, достаточно, то глубокие красные оттенки чаще всего отсутствуют. Не видно их и здесь. Также можно предположить (например, по количеству голубого в спектрах), что производители используют разные светодиоды 5736SMD. Т.е. мы имеем дело не с одной и той же лампой, приобретенной у разных продавцов - а с различными производителями.

Вывод: в спектрах источников света с высоким индексом цветопередачи должны присутствовать все цвета спектра и отсутствовать интенсивные узкие полосы.