Принципы работы и характеристики светодиодов
Светодиоды (иностранное обозначение – LED, Lighting Emitted Diode) излучают свет при прохождении тока через границу полупроводников с разным типом проводимости (р-n переход). Свечение полупроводников, помещенных в электрическое поле, было обнаружено в 1923 г. советским инженером О.В. Лосевым. Свечение было столь слабым, что данное явление не нашло применения на практике. Только в начале 60-х гг. ХХ века появились первые индикаторные светодиоды; в то время их световая отдача составляла всего лишь 0,1 лм/Вт, поэтому о применении их для освещения не могло быть и речи. В 80-90 гг. благодаря работам Ж.И. Алферова и других учёных появились светодиоды с высокими яркостью и световой отдачей. С этого момента светодиоды постепенно стали охватывать различные области применения: интерьерное, наружное и промышленное освещение, световая сигнализация, архитектурная подсветка, прожекторы различного назначения, светодиодные экраны и др.
Устройство светодиода (рисунок 1).
Полупроводниковый кристалл 1 помещён на подложку 2 (пластиковую или металлизированную).
К кристаллу подведены электроды 3, при подаче на них разности потенциалов кристалл испускает излучение.
Поверх кристалла может быть расположена полимерная линза 4, выполняющая функции защиты кристалла и концентрации светового потока.
Для увеличения светового потока на одной подложке может находиться не один кристалл, а несколько десятков или сотен.
Преимущества светодиодов:
- Высокая световая отдача (100-120 лм/Вт). В перспективе светодиоды должны достичь световой отдачи 350 лм/Вт.
- Длительный срок службы (25-50 тыс. часов).
- Ультракомпактность излучателя и возможность получать различные формы КСС, создавать бытовые светильники и узконаправленные прожекторы, светодиодные панели и гибкие ленты.
- Возможность регулировки цветности.
- Легко диммируются.
- Высокая надежность и устойчивость к влиянию окружающей среды.
- Экологическая безопасность (отсутствие стекла, ртути и других вредных веществ).
Недостатки светодиодов:
- Малая единичная мощность
- Световой поток и срок службы значительно снижаются при повышении температуры полупроводникового кристалла (рис. 2 и 3). Хотя светодиод не тепловой, а люминесцентный источник света, полупроводниковый кристалл нагревается при пропускании через него электрического тока. Чем мощнее и ярче светодиод, тем сильнее нагрев.
- Необходимость охлаждения. Для отведения тепла от полупроводникового кристалла используют радиаторы и вентиляторы.
- Светодиоды являются низковольтными приборами и, как показывает их вольт-амперная характеристика (рис. 4), рабочее напряжение не совпадает с напряжением питающей сети. К тому же, для питания светодиодов используется только постоянное напряжение, величина которого зависит от цвета излучения светодиода. Поэтому для подключения светодиодов к питающей сети им необходимо обеспечить наличие устройства управления.
- Коэффициент пульсаций может достигать 50%.
- Высокая стоимость.
Полупроводники излучают в узких спектральных интервалах, поэтому их излучение почти монохроматическое. Чтобы получить белое свечение, можно использовать два способа.
- Комбинация светодиодов основных цветов (синих, зелёных и красных) на одной подложке и оптическое смешение их излучений. RGB-светодиоды обладают более высокой световой отдачей и широкой вариативностью получаемых цветовых температур на базе одного источника света.
- Используется излучающий в фиолетовый и ультрафиолетовой или синей области спектра светодиод, покрытый люминофором, который за счет фотолюминесценции излучает белый свет. Теплые и холодные оттенки получаемого белого света варьируются путем изменения состава люминофора (рис. 5 и 6). Реализация данного способа дешевле, но светоотдача этих светодиодов более низкая.
Некоторые типы серийно выпускаемых светодиодов (рисунок 7).
Органические светодиоды (OLED)
В последние годы развиваются технологии, использующие органические светодиоды (OLED). Электролюминесценция полимерных материалов была открыта еще в 50-е гг. ХХ века. В создании органических светодиодов участвуют тонкоплёночные многослойные структуры, состоящие из нескольких слоёв электропроводящих полимеров. В настоящее время существуют полимеры, которые излучают свет в красной, зеленой и синей областях спектра (широкополосное излучение); их смешение дает белый свет с хорошей цветопередачей. Яркость OLED может достигать 100000 кд/м2, но срок службы при повышенной яркости сокращается. Неравномерное старение полимеров синего, зеленого и красного свечения приводит к ухудшению цветопередачи при длительной эксплуатации. Используемые в OLED полимеры очень тонкие, поэтому световые приборы на их основе весьма компактные и легкие, но отличаются высокой стоимостью. В настоящее время OLED основном применяются в экранах смартфонов, телевизоров, компьютеров и редко используются для освещения. Однако это перспективная и развивающаяся технология, недостатки которой в скором времени будут устранены.
