Как правильно понимать технические характеристики светодиодов – краткое разъяснение

Как правильно понимать технические характеристики светодиодов – краткое разъяснение

Многие производители светодиодов пытаются сохранить свои позиции на рынке за счет того, что предоставляют минимальный объем технической информации о своих продуктах, и даже та информация, которую мы получаем, не рассказывает нам всю правду. Но это информация, которая нам действительно нужна, когда мы хотим указать в спецификации технические характеристики светодиодного продукта.

Фотометрические характеристики

Номинальный световой поток (люмены: лм)

Традиционно показатель светового потока зависел от интенсивности света, излучаемого источником освещения, независимо от влияния светильника и любого оптического устройства управления. Нет причин, по которым производители светодиодов должны были указывать какие-либо характеристики иначе, чем они есть на самом деле, но этот простой параметр намеренно вводил в заблуждение из-за того, что некоторые светодиоды не являются независимыми устройствами, а встроены непосредственно в светильник. Но этого следует коснуться при обсуждении параметра «Коэффициент полезного действия источника света» (см. ниже). В отношении светодиодных панелей указание этих параметров особенно вводило в заблуждение.

Эфективность светодиодного светильника (люмен на Ватт: лм / Вт)

Это тот показатель, за которым «гнался» каждый производитель последние десять лет и даже более длительный период. Сначала настоящей целью было превысить уровень эффективности, который требовался в соответствии с нормативными положениями, регламентирующими уровень энергоэффективности. Эта цель была достигнута несколько лет назад.

Есть предположение, что стремление к постоянному повышению показателей энергоэффективности приведет к ухудшению качества осветительных систем, поскольку более высокая светоотдача светильников будет способствовать меньшей равномерности освещенности в пространстве, и все это в попытке удержать показатели световой эффективности.

Световая отдача (коэффициент полезного действия источника света: LOR)

Существуют два показателя светового потока; световая отдача самого источника света и показатель световой отдачи светильника, который учитывает потери, получаемые внутри корпуса и оптической системы. Коэффициент полезного действия источника света (LOR) — это разница между этими двумя значениями.

В мире не существует на 100% эффективного светильника, несмотря на заявления некоторых производителей светодиодов об обратном. Как только источник света подключается к светильнику, выходные характеристики источника света меняются. Каждый светильник должен иметь коэффициент полезного действия, хотя многие производители и предпочитают не рассказывать вам, что это такое.

Распределение интенсивности (измеряется в канделах: кд)

Кривая в полярной системе координат — это краткая характеристика, которая говорит вам, с каким светильником вы имеете дело. Она моментально выявляет, например, имеет ли потолочный светильник узко направленный луч света или широко направленный.

Показатель максимальной интенсивности обычно находится в центре светового луча. Параметр интенсивности по краям луча обычно указывается в половину от максимальной интенсивности.

Несмотря на то, что ситуация в какой-то степени улучшилась, все еще есть ощущение, как будто производители светодиодов решили, что фактические эксплуатационные качества светильника не имеют значения, будь то узко направленный луч точечного светильника или широко направленный луч осветительного прожектора, это не важно.

Номинальный срок службы светодиодов

Инженер по устройствам освещения Джеймс Хукер проводит испытания на проверку срока службы устройств

Просто указывать параметр номинального срока службы как некое количество часов, пожалуй, не имеет смысла. Этот показатель нужно приводить вместе с уточняющей метрикой — снижением светового потока в течение определенного количества часов. Обычно это показывают как параметр «Lx», где x — процент, оставшийся от первоначального уровня световой отдачи.

Указанный параметр «50 000 часов при L70» означает, что светильник потеряет 30% света за 50 000 часов.

«50 000 часов при L90» говорит нам о том, что светильник теряет только 10% света за тот же период времени.

С данным параметром связана другая метрика – «процент отказов». Речь идет о процентной доле светодиодных модулей, которые могут выйти из строя к тому моменту, когда светильник достигнет номинального срока службы. Вы не увидите этот параметр в технических спецификациях.

Цветовые характеристики

Все источники света деградируют в процессе эксплуатации, и светодиод не является исключением. В процессе использования светодиодов, с ними происходят две вещи, световая отдача снижается и ухудшается качество цвета. Правильно описанные технические характеристики будут содержать данные об этих изменениях в процессе эксплуатации.

Индекс цветопередачи (CRI)

Индекс цветопередачи показывает, насколько эффективно работает источник белого света, точно отображая цвета, которые он освещает. Идеальный параметр CRI будет равен 1; приемлемый CRI для большинства систем освещения в сфере жилой и коммерческой недвижимости — выше 0,8. Следует избегать устройств с индексом цветопередачи ниже 0,8.

Коррелированная цветовая температура (CCT)

Цветовая температура источника белого света обозначает то, насколько «теплым» или «холодным» кажется свет. Данный параметр измеряется в кельвинах (К) — чем выше показатель, тем «холоднее» свет. В домашних условиях обычно предполагается использование освещения с цветовой температурой около 2700K, что похоже на цветовую температуру традиционных ламп накаливания; в помещениях в сфере коммерческой недвижимости обычно используют освещение в диапазоне 3000K — 4000K. Новые тенденции в освещении транслируют подход «освещение для здоровья», поддерживающий суточные биоритмы. Это привело к более широкому использованию цветовой температуры естественного дневного света, превышающей 5000K.

Исторически сложилось так, что одной из основных проблем многих источников освещения была тенденция продолжать использовать лампу долгое время после того, как ее цветовые характеристики ухудшились до такой степени, что лампу уже нельзя использовать. Светодиод здесь не является исключением, и в течение расчетного срока службы можно ожидать, что цветовые характеристики могут ухудшиться. Параметр расчетного срока службы светодиода должен учитывать эту деградацию, а также снижение показателя светового потока. Лишь некоторые компании учитывают этот аспект.

Есть два показателя, которые действительно полезно указывать: цветопередача и цветовая температура в конце расчетного срока службы (L70 и прочие)

Пороги цветоразличия (бины)

Упрощенная версия порогов цветоразличия. Предоставлено: Xicato

В отношении светодиодов также введена новая метрика; «пороги цветоразличия» (McAE). Это стало необходимо из-за несоответствия цветовых характеристик светодиодов после того, как они миллионами штук выходят с промышленных сборочных линий. Параметр «порогов цветоразличения» основан на принципе «едва заметной разницы» между светодиодными чипами. Когда партия чипов имеет одинаковую светоотдачу, их относят к одному порогу цветоразличения. Чем больше разброс показателей, тем большее количество порогов цветоразличения получается.

Хороший производитель, как правило, поставляет продукцию, имеющую два или три порога цветоразличения. Если заявленное количество порогов превышает шесть, ищите другой светодиод.

Опять же, по мере того, как светодиоды приобретают большой срок службы и их цветовые характеристики ухудшаются, количество порогов цветоразличения увеличивается, показывая деградацию изначально заданных показателей цветопередачи. Таким образом, еще одна метрика была бы ценной: отклонение показателя порогов цветоразличения в течение номинального срока службы.

Настраиваемые белые цвета

То, что не так давно стало важным — это цветовые характеристики «настраиваемых источников белого цвета». Это многоканальные источники светодиодного света, где настройки белого света можно смещать в диапазоне между «теплыми» и «холодными» температурами. Что редко указывают — это влияние на цветопередачу, когда идут по всему диапазону. В идеале, изменяющиеся цветовые температуры будут следовать за кривой «идеального излучателя» в соответствующем цветовом диапазоне температур. Появятся системы освещения, для которых эта информация будет чрезвычайно важна.

Электрические характеристики

Любой светодиодный светильник является, прежде всего, электрическим устройством, и есть параметры работы светодиодов, о которых необходимо сообщать в технической спецификации.

Номинальная входная мощность (в Вт)

Входная мощность имеет отношение к общей мощности, потребляемой светильником, включая любое управляющее устройство в цепи.

Управляющий ток (в мА)

Яркость светодиода зависит от управляющего тока драйвера. Чем выше управляющий ток, тем выше светоотдача, но срок службы светодиода снизится. Стандартное значение управляющего тока составляет 350 мА, но может быть и по-другому.

Хорошие или неожиданно высокие показатели световой отдачи могут быть результатом того, что драйвер имеет более высокое напряжение, и, как следствие, показатели расчетного срока службы могут колебаться.

Коэффициент мощности

По своей природе электрическая схема светодиода имеет низкий коэффициент мощности, менее 0,5.

Хотя от производителей не требуется улучшать коэффициент мощности любого светильника с номинальной мощностью менее 26 Вт, это должно быть само собой разумеющимся для любого производителя, который привержен хорошим технологиям и заявляет хорошие показатели.

Ни один светодиодный светильник не должен иметь коэффициент мощности ниже 0,85.

Светодиод управляет сам собой

С тех пор, как более 40 лет назад был изобретен светодиод, эффективность его излучения постоянно увеличивалась, и, хотя это может вас удивить, увеличение эффективности работало в двух направлениях. Некоторые яркие светодиоды, такие, например, как выпускаемые в пластмассовом корпусе приборы красного цвета свечения Avago HLMP-EG30-NR000, демонстрирует также высокую чувствительность к свету.

Схема на Рисунке 1 показывает, как можно заставить работать фотогальванические характеристики светодиода. В схеме могут использоваться и более старые светодиоды с меньшим световым выходом, но и светить они будут слабее. В этой статье описана схема, в которой светодиод без помощи каких-либо датчиков света, кроме собственных характеристик, сам определяет, должен ли он включиться или выключиться. Когда вы затемняете светодиод, он включается, а когда освещаете – выключается. Основными элементами схемы являются светодиод D₁, микромощный операционный усилитель IC₁, мультивибратор IC_2A и транзисторный ключ Q₁, управляющий током светодиода.

В темноте фототок светодиодом не вырабатывается. При умеренном освещении, таком, какое обычно бывает внутри офиса или лаборатории, светодиод на нагрузке 4.7 МОм генерирует напряжение от 50 до 100 мВ. Компаратор на операционном усилителе IC₁ сравнивает напряжение, вырабатываемое светодиодом, с опорным пороговым напряжением, равным примерно 50 мВ. Порогом чувствительности схемы можно управлять, изменяя сопротивления резисторов R₁ и R₂ в делителе напряжения, подключенном к выводу 2 компаратора.

При снижении окружающей освещенности генерируемое светодиодом напряжение уменьшается. Когда оно падает ниже порога 50 мВ, уровень выходного напряжения операционного усилителя становится низким, и перепад напряжения запускает мультивибратор IC_2A. Отрицательный импульс мультивибратора длительностью примерно 3 мс открывает транзистор Q₁ и включает светодиод, после чего его выход возвращается в исходное состояние, и светодиод гаснет. В затемненной комнате светодиод периодически вспыхивает с частотой 200 Гц, выключаясь лишь на короткое время. Благодаря высокой частоте вспышек свечение светодиода кажется постоянным.

При дневном свете потребляемый схемой ток в основном определяется делителем опорного напряжения компаратора:

Как в дневном, так и в ночном режиме, при единицах миллиампер, потребляемых включенным светодиодом, батарея емкостью 1 А×ч может обеспечивать схему питанием в течение нескольких месяцев. Чтобы снизить рассеиваемую мощность, можно увеличить сопротивления резисторов R₁ и R₂. Учитывая низкое значение и прерывистый характер потребляемого схемой тока, срок службы литиевой батарейки емкостью 1 А×ч должен приближаться к сроку ее годности.

Подключение светодиодов: практика

Итак, товарищи, сегодня я хочу представить продолжение предыдущей статьи про светодиоды. Надеюсь, в прошлый раз я уже убедил всех сомневающихся в том, что светодиоду нужен именно стабильный ток, а потому настало время перейти к конкретным схемам его получения — от простого и убогого к сложному и качественному.

Начнем по порядку.

1. Классика — резистор.

Подходит для маломощных (10 — 50мА) светодиодов. В более мощных случаях становится заметным низкий КПД и не особо хорошие стабилизационные возможности.

Повторю методику расчета:

Пусть среднее падение на применяемом диоде U_fw, напряжение питания U, и необходим ток диода I_fw. Тогда очевидно, что резистор должен принять на себя излишек напряжения, т.е., на нем должно падать U-U_fw вольт при рабочем токе I_fw. Откуда несложно посчитать его номинал:

Ясно, что в случае нескольких диодов U_fw заменяется на суммарное падение на цепочке.

Механизм стабилизации «на пальцах» описан в предыдущей статье. Однако, его можно объяснить и по-другому: в теории источник тока обладает бесконечным внутренним сопротивлением. Мы же здесь имеем источник напряжения, включенный последовательно с резистором. Т.е., с точки зрения диода, резистор наращивает внутреннее сопротивление источника, превращая его из источника напряжения в источник тока. Очевидно, что, чем больше резистор, тем больше такая схема похожа на идеальный источник тока и тем лучше ее параметры. Потому, еще раз, такая схема подходит только для маломощных диодов.

Перейдем к более качественным регуляторам. Но для начала я хотел бы пояснить общий принцип их действия, а для этого рассмотреть источник тока еще с одной стороны. Только что я что-то говорил про бесконечное внутреннее сопротивление — все это в согласии с теорией, никаких сомнений. Однако давайте взглянем по-другому на то, что делает источник тока: по сути, он всегда устанавливает на нагрузке такое напряжение, при котором через нее протекает заданный ток. Т.е., это источник напряжения с обратной связью по току. Таким образом, драйвер для светодиода можно сделать почти из любого стабилизатора напряжения, изменив тип его обратной связи.

2. Линейные регуляторы.

По идее, здесь должна бы быть классическая схема на LM317. Однако я хотел бы отойти от традиций и объяснить принцип работы подобного рода схем на отвлеченном примере, а заодно и проиллюстрировать все вышесказанное про обратную связь и источники тока. Кроме того, как станет очевидно, эти же принципы действуют и для импульсных схем.

Для начала разберемся с тем, как работает стандартный трехвыводной регулятор. Как подсказывает нам Капитан Очевидность, у трехвыводного регулятора имеется три вывода: вход, выход, и управляющий вход. Внутри имеется источник опорного напряжения. В процессе работы внутренняя схема сравнивает напряжение на управляющем входе с опорным, и, если опорное больше, регулятор начинает увеличивать напряжение на нагрузке. Если опорное меньше — уменьшать. При этом сам регулятор даже и не догадывается, что он стабилизатор тока или напряжения — его схема всего лишь реализует описанный алгоритм. Очевидно, что для получения желаемого эффекта стбилизации надо связать изменение напряжения на выходе и напряжения на управляющем входе с помощью какой-либо цепи. Например, если мы хотим получить постоянное напряжение, необходимо сконструировать цепь, которая будет подавать на управляющий вход напряжение больше опорного, когда выходное напряжение больше необходимого, и меньше опорного в противном случае. Очевидно, что такой цепью является обычный резистивный делитель. Собственно, классический стабилизатор напряжения на LM317:

Обычное напряжение опорного источника в LM317 — 1.25В.

Однако мы хотели стабилизировать ток. Т.е., нам нужна схема, которая будет подавать на управляющий вход напряжение меньше опорного, если выходной ток меньше заданного, и больше — если больше. Т.е., необходимо превратить изменение тока в изменение напряжения. Ясно, что здесь нам опять поможет резистор:

А теперь давайте сделаем то, что я так люблю делать — посмотрим на эту схему под другим углом. Вглядитесь, ведь здесь мы, по сути, заставляем регулятор стабилизировать напряжение на резисторе на уровне опорного (1.25В для LM317). А, поскольку резистор — линейный элемент, то при стабильном напряжении ток через него будет постоянен. Светодиод же включен последовательно со всей этой конструкцией, и потому его ток тоже будет постоянен, хотя регулятор про него ничего не знает — он просто стабилизирует напряжение на резисторе.

Из вышесказанного очевидно, что резистор можно расчитать, исходя из опорного напряжения и заданного тока:

Достоинство такого регулятора — высокая стабильность тока и простота схемы. Недостаток — низкий КПД. Кроме того, есть и чисто практическое неудобство: как нетрудно убедиться, для значительных токов (>

0.2А) расчетные номиналы сопротивлений получаются порядка десятков Ом, что создает трудности в их добыче — чаще всего приходится изготавливать оные самостоятельно, либо наматывая из, например, нихрома, либо по-разному соединяя стандартные резисторы.

3. Импульсные регуляторы.

Линейные регуляторы изменяют параметры питания нагрузки, сбрасывая излишки энергии источника на регулирующем элементе (чаще всего это транзистор). Однако существует и другой подход: сначала мы берем порцию энергии от источника, например, запасая ее в дросселе в виде магнитного поля (или в конденсаторе в виде электрического), а потом отдаем ее в нагрузку. При этом нет необходимости сбрасывать излишки, поскольку мы сразу берем энергии ровно столько, сколько ее требуется.

В соответствующей статье Википедии есть хорошая картинка:

Это один из вариантов построения импульсного преобразователя (понижающий преобразователь). Пока ключ замкнут, ток от источника протекает через катушку, и в это время в ней запасается энергия. При разомкнутом ключе индуктивность отдает накопленную энергию в нагрузку.

При всех концептуальных различиях в способе управления питанием нагрузки, алгоритм работы импульсных преобразователей не отличается от алгоритма работы линейных. Т.е., они также сравнивают напряжение на регулируюшем входе с внутренней опорой. А потому все сказанное про обратную связь в равной степени относится и к ним.

Пример. Превращаем MC34063 — импульсный стабилизатор напряжения, в драйвер светодиодов:

Вывод 5 MC34063 — тот самый управляющий вход, напряжение на котором внутри сравнивается с опорным. В принципе, его можно прямо подключить туда же, куда включен неинвертирующий вход ОУ. Очевидно, при этом надо будет пересчитать резистор обратной связи по току R1 так, чтобы напряжение на нем при заданном токе было равно опорному — те же 1.25В. Однако при этих условиях мощность, рассеиваемая на нем, будет около полуватта (при токе 350мА, для которого расчитывалась эта схема), что много. Потому для повышения КПД я поставил резистор меньшего номинала, напряжение с которого усиливается с помощью ОУ. Кстати, как нетрудно видеть, такая схема имеет еще один бонус — возможность менять ток, изменяя коэффициент усиления. Кроме того, по этой же причине для нее не важен точный номинал токоизмерительного резистора.

А вообще уже давно выпускается множество специализированных светодиодных драйверов. На самом деле, основное отличие т.н. «драйвера» от простого импульсного стабилизатора состоит в том, что тот операционный усилитель, который мне пришлось поставить отдельно для MC34063, в них уже присутствует, что и дает возможность сразу ставить резисторы малого сопротивления.

В документации на драйверы дается исчерпывающая информация относительно их применения, потому я лишь для порядка приведу пример схемы включения одного из них — ZXLD1362 (просто цитата из даташита):

Кроме того, существует класс схем на основе блокинг-генератора, применяемых для питания маломощных светодиодов от батареек в тех случаях, когда приоритетом является низкая цена — таким схемам будет посвящена моя следующая статья. Однако, стоит отметить, что для той же цели также есть интегральные драйверы.

Собственно, все. Надеюсь, этот материал поможет кому-то разобраться в вопросах питания светодиодов.

, , , ,

• +7
• 07 июня 2011, 13:45

Комментарии ( 22 )

Продолжаешь насаждать ту же ошибку. Важно не абсолютное значение резистора, а соотношение его и нагрузки. Поэтому мощный диод через резистор работает так же, но потери на резисторе становятся неприемлемы (т.к. маломощные — как правило на вспомогательной роли и большого вклада в общее энергопотребление прибора не вносят, а мощные — в осветительных устройствах и по сути являются единственным полезным потребителем энергии). Кроме того, стабильность тока через резистор так себе, а мощные диоды более чувствительны к отклонениям и работают обычно на пределе (тогда как индикаторные — на 10-50% предела, лишь бы светились заметно на пульте) — т.к. дороги, а света надо много.

У специализированных драйверов есть еще одно отличие. Они знают, на что нагружены. Это позволяет несколько упростить схему. Так, например, HV9961 стабилизирует средний ток диодов, хотя резистор включен в первичной цепи, где ток совершенно другой и зависит не только от выходного, но и от разницы входного и выходного напряжения. И тем не менее, оно работает — т.к. HV9961 несколько иначе обрабатывает получаемую с резистора информацию о токе.

Алсо, по импульсникам — стоило бы сделать ссылки на статьи Di Halt’а, где он на пальцах и канализации объясняет, как работают step-up и step-down конвертеры.

Все о светодиодах

Валить все типы светодиодов в одну кучу и рассматривать их одинаково нельзя. Срок службы напрямую зависит от типа светодиода, подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (chip) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки и сборки в целом.

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

Очевидно, например, что в светодиодах мощностью от 1 Вт (рабочий ток 0,350 А) и более мощных, тепловыделение гораздо обильнее, чем в светодиодах типа «5 мм». светодиодах, рассчитанных на ток 0,02 А. По светоотдаче 1 шт. светодиод мощностью 1 Вт заменяет около 50 светодиодов типа «5 мм». но и греется сильнее. Поэтому светодиодные сборки с мощными светодиодами требуют пассивного (монтаж на MCPCB плату и радиатор) охлаждения.

По нашим тестам средний срок службы:

5 мм.-LED и SMD-LED (произведенные лучшими брендами):

• белый до 50000 ч. с падением светового потока до 35% в течении первых 15000 ч.

• синий, зеленый до 70000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 25000 ч.

• красный, желтый до 90000 ч. с падением светового потока незначительно.

HI-POWER LED от 1 Вт и выше (произведенные лучшими брендами):

• белый до 80000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 10000 ч.

• синий, зеленый до 80000 ч.

• красный, желтый до 80000 ч.

2. Почему у белых светодиодов наименьший срок службы?

К сожалению, структур, излучающих белый свет, никто еще не придумал. Основой LED белого цвета свечения является структура InGaN, излучающая на длине волны 470nm (синий цвет) и нанесенный сверху на нее люминофор (специальный состав), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтый части. Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода, поэтому срок службы сокращается. Сейчас мировые производители изобретают новые и новые варианты эффективного нанесения люминофора.

Большинство сверхярких светодиодов служат в районе 50000 – 80000 часов. Много это или мало?

50000 часов — это:

24 часа в день 5.7 лет

18 часов в день 7.4 лет

12 часов в день 11.4 лет

8 часов в день 17.1 лет

3. Греются ли светодиоды?

Многие считают, что светодиоды практически не греются. Так почему светодиодным приборам нужен теплоотвод и что будет если теплоотвода нет?

Cветодиоды продуцируют тепло в полупроводниковом переходе. И чем мощнее LED тем больше тепла. Конечно индикаторные светодиоды например датчики автосигнализаций сильно не греются. Но со сверхяркими LED они имеют мало общего. Если мощные светодиоды объединены в некую сборку, да еще и установлены в герметичный корпус, то нагрев становится значительным.

И если не происходит отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, отчего изменяются характеристики кристалла, и через некоторое время светодиод может выйти из строя. Так что очень важно строго контролировать количество тепла и обеспечивать эффективный теплоотвод. Тепловые характеристики наших приборов просчитываются уже на стадии проектирования, что исключает любые проблемы в эксплуатации.

Как реагирует светодиод на повышение температуры?

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

4. Чем отличается полноцветный RGB светодиод от одноцветного?

В полноцветном светодиоде на одной подложке установлены независимые кристаллы трех цветов свечения (R+G+B), а монохромный светодиод содержит кристалл(ы) какого-либо одного цвета свечения.

5. Как регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы).

Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять от сотен до тысяч герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

6. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%.Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

7. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов?

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6–12 подложках диаметром 50–75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5–2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой производственной культуры.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24×0,24 до 1×1 мм2.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый свето-диод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светоди-ода определяется этими этапами высокой технологии.

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на массивном радиаторе.

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

8. Где на сегодняшний день применяются светодиоды и каковы их перспективы?

Cветодиодное освещение целесообразно применять в тех случаях, где требуется высокая надежность, где обслуживание световой установки слишком дорого и требует спецтехники или работ альпинистов, где нужно применять цветодинамические решения, где требуется энергоэффективное решение, например при питании от разнообразных генераторов.

Обратная сторона медали: светодиодные светильники идеально подойдут для неяркой, но эффектной подсветки. Этот конкретный пример по степени потребления электроэнергии на 90% экономичнее самых маленьких 15 Вт галогеновых лампочек.

Каждый год светоотдача и эффективность светодиодов увеличивается на 30-50%. По состоянию на 2008 год светодиодные светильники уже чаще ламп применяются в архитектурном, декоративном, ландшафтном, подводном освещении, праздничной иллюминации, шоу-бизнесе, а также в специальных приложениях — медицине и растениеводстве, например.

В обозримом будушем скорее всего светодиоды вытеснят лампы в дежурном освещении мест общественного пользования — подъездах жилых домов, световых указателях и т.д. А также на транспорте — в самолетах, поездах, автомобилях. А затем, по мере развития технологии и удешевления производства, дело дойдет до ночного освещения автомобильных дорог и улиц. Все это даст существенную экономию энергоресурсов в национальных масштабах.

9. Какие мировые компании производят светодиоды?

Список лидирующих производителей в мире:

— «Lumieleds Luxeon» (США);

— «Seoul Semiconductor» (Ю.Корея);

— «Prolight Opto» (Тайвань);

Ежегодно, световой поток самого производительного светодиода каждого из мировых брэндов возрастает стабильно на 20-30%. Стоимость 100 лм светового потока падает на 10-15% в год, а отсюда и стабильное ежегодное падение цен на светодиодные осветительные приборы.

Цена светодиодного прибора, безусловно, зависит от стоимости самих светодиодов. Светодиоды при серийном производстве светотехнических изделий составляют самую большую строку в бюджете изготовления светодиодных приборов.