Спектр светодиодной лампы. Как устроены и работают светодиоды Спектр излучения светодиодных ламп

Светодиоды стали очень популярным источником света в последнее десятилетие. Они пришла на замену компактным люминесцентным лампам (КЛЛ) или, как их называют в народе — энергосберегайкам. Тогда и началась эра светодиодного освещение для человека.

Энергосберегающие лампы представляли относительную опасность, из-за содержащихся в их колбе паров ртути. В случае её разрушения, есть риск получить серьезный вред для вашего здоровья, вплоть до летального исхода. Мы же разберем – вредны ли светодиодные лампы для человека?

Источники вреда для здоровья

Чтоб доказать или опровергнуть вред светодиодных ламп для здоровья, определим источники ущерба для организма. Условно разделим их на 2 группы: характеристики прибора и неправильная эксплуатация.

Характеристики осветительного прибора, которые наносят вред организму:

Спектральные характеристики источника света;
излучения в инфракрасном спектре;
пульсации светового потока.

Вторая группа, это вред здоровью не от самого источника света, а от неправильного его использования. Давайте рассмотрим каждый фактор освещения, который влияет на ваше здоровье и определимся, вреден ли светодиодный свет для глаз.

Чем отличаются источники света

За эталон нужно принять солнечный свет, поскольку он содержит наиболее полный спектр светового излучения. Из всех искусственных осветительных приборов, наиболее приближена к солнцу лампочка накаливания. Сравните спектральные характеристики разных источников.

На графиках изображены различные спектры осветительных приборов. Лампа накаливания имеет гладкий спектр, возрастающий к области красных цветов. Спектр люминесцентных источников света довольно рваный, плюс низкий индекс цветопередачи (около 70).

Работа в помещениях с таким освещением вызывает повышенную усталость и головные боли, а также искаженное восприятие цвета.

Спектр светодиодных ламп более полный и ровный. Имеет повышенную интенсивность в области длин волн 450нм, для холодного свечения, и в области 600нм, для «тёплых» ламп соответственно. LED источники обеспечивают нормальную цветопередачу с индексом CRI более 80. Светодиодные лампы имеют крайне низкую интенсивность ультрафиолетового излучения .

Если сравнить спектр диодных и популярных люминесцентных ламп, становится понятно почему последние используются все реже. Спектр КЛЛ совершенно далеки от эталона, а их индекс цветопередачи оставляет желать лучшего.

На основании этого можно сделать вывод, что по характеристикам спектра светодиодные лампы безвредны для здоровья.

Почему лампы мерцают?

Следующий фактор, который влияет на самочувствие – это коэффициент пульсаций светового потока. Чтобы понять, что это такое и от чего он зависит нужно рассмотреть форму напряжения в электросети.

Качество света и его пульсация зависят от источника питания, от которого они работают. Источники света, которые работают от постоянного напряжения, например светодиодные лампы на 12 вольт, не мерцают. Давайте рассмотрим мерцание и вред светодиодных ламп для глаз, причины их возникновения и способы устранения.

Из розетки мы получаем переменное напряжение с действующим значением 220В и 310В амплитудным, что вы можете видеть на верхнем графике (а).

Поскольку светодиоды питаются постоянным током, а не переменным – нужно его выпрямить. В корпусе светодиодной лампы размещена электронная схема с одно- или двухполупериодным выпрямителем, после которого напряжение становится однополярным. Оно постоянное по знаку, но не по величине, т.е. пульсирующим от 0 до 310 вольт, график посередине (б).

Такие лампы пульсируют с частотой 100 герц или 100 раз в секунду, в такт с пульсациями напряжения. Вред для глаз светодиодных ламп зависит от их качества, об этом далее.

Пульсируют ли светодиоды?

В светодиодных лампах используются драйвера со стабилизацией тока по величине (дорого), или сглаживающие фильтры (дешево). Напряжение становится постоянным и стабилизированным, если использованы емкостные фильтры.

Если производитель не сэкономил на драйвере – стабильным становится значение тока. Это лучший вариант как для уменьшения пульсации, так и для срока службы LED.

На фото ниже показано как выглядят пульсации взглядом камеры. Вы можете не замечать пульсации, поскольку органы зрения стремятся адаптировать картинку для восприятия. Мозг же эти пульсации прекрасно усваивает, что и вызывает усталость и другие побочные явления.

Влияние светодиодных ламп на зрение человека может быть негативным, если они выдают пульсирующий световой поток. Санитарные нормы ограничивают глубину пульсаций для офисных помещений на значении 20%, а для мест где ведется работа вызывающая зрительное напряжение и вовсе 15%.

Лампы с большими пульсациями не стоит устанавливать дома, они годятся разве что для освещения коридора, кладовой, подъездов и хозяйственных помещений. Любые помещения, где вы не выполняете никакой зрительной работы и не находитесь долго.

Вред от светодиодных ламп низкого ценового сегмента вызван в первую очередь пульсациями. Не экономьте на освещении, LED с нормальным драйвером стоит всего на 50-100 рублей дороже, чем самые дешевые китайские аналоги.

Другие источники света и их пульсации

Лампы накаливания не мерцают потому, что работают от переменного тока и нить накала не успевает остыть когда величина напряжения пересекает нулевую отметку. Люминесцентные трубчатые лампы мерцают, если подключены по старой «дроссельной» схем. Отличить её можно по характерному гулу дросселя во время работы. На фото ниже изображены пульсации растрового светильника, как их видит камера телефона.

Современнее КЛЛ и ЛЛ не гудят и не мерцают только потому, что в их схеме используется импульсный блок питания высокой частоты. Такой источник питания называется ЭПРА (электронная пускорегулирующая аппаратура или устройство).

Вред инфракрасного спектра

Чтоб определить вредны ли светодиодные лампы для зрения, рассмотрим третий фактор вреда – инфракрасное излучение. Стоит отметить, что:

Во-первых, вредность ИК спектра сомнительна и не имеет основательной аргументации;
во-вторых, в спектре светодиодов инфракрасное излучение либо отсутствует, либо крайне мало. Убедиться можно на графиках, приведенных в начале статьи.

Вредны ли галогеновые лампы для здоровья? В источниках света, богатых инфракрасным спектром (галогенки), ответственные производители (Philips, Osram и пр.) применяют ИК-светофильтры, поэтому их вред для здоровья сведен к минимуму.

Вред синего спектра

Научно доказано, что излучение в спектре синего цвета уменьшает выработку гормона сна – мелатонина и вредит сетчатке, вызывая в ней необратимые изменения.

Кроме падения уровня мелатонина, излучение синего цвета вызывает целый ряд побочных эффектов: усталость, повышенное зрительное напряжение, заболевание глаз. Этот цвет воспринимается ярче, что часто используется в маркетинге, для привлечения нашего внимания. Большинство индикаторов на колонках, ТВ, мониторах и пр. технике выполнены в синем цвете.

Подробно об этом и насколько безопасны светодиодные лампы для глаз, пишут в сообществе .

Белые светодиоды – это синие светодиоды, покрытые специальным люминофором, который преобразует излучение в белый цвет.

Синий цвет — самый отрицательный фактор влияния светодиодных ламп на зрение. Взгляните на графики, а именно на спектр излучения светодиодов, представленный выше. Даже на Led лампе тёплого света есть пик яркости в синем спектре, а у холодной он очень высокий.

Практическая сторона проблемы

Значит вред светодиодных ламп для человека – это не миф? Не совсем так. Дело в том, что исследования проводились в условиях, когда исследуемые образцы засвечивались мощными синими светодиодами и весь их спектр был во «вредном» диапазоне.

Хоть в холодных светодиодах доля синего света и присутствует, но в солнечном свете она ничуть не меньше.

Современные люди любого возраста проводят очень много времени перед экраном компьютеров, смартфонов и планшетов. Несравнимо больший вред наносит зрению непрерывная фокусировка на расстоянии 0,3-1 метр от экрана.

Вредность синего спектра светодиодных ламп, по сравнению с вредом от экранов устройств, незначительна. Для освещения комнаты, рабочего кабинета и других помещений потоком яркого света, с низким энергопотреблением, LED подходит идеально.

Если же вы переживаете, для снижения вреда синего излучения разработаны различные варианты линз и очков для работы за компьютером. Их светофильтры отражают свет в синем диапазоне и делают цвета более тёплыми.

Нужно помнить : не светодиоды вредны для здоровья человека, а неправильный режим работы с гаджетами и плохая освещенность.

Светодиоды — польза или вред?

Понять вредны светодиодные лампы или нет, можно занимаясь организацией правильного освещения согласно . В нем регламентируется количество света, для проведения работ разной точности и размера деталей, с которыми вы оперируете во время работы.

Светодиодные источники света позволяют добиться нужной яркости на рабочем месте, с минимальными счетами за электричество. Вы сохраните зрение, вам будет легче работать, когда в комнате светло и не нужно разглядывать мелкие детали в тусклом свете. В таком случае вредность светодиодных ламп для глаз минимальна.

Высокое энергопотребление старых ламп накаливания не выгодно как в государственных масштабах (большая нагрузка на ЛЭП), так и в индивидуальном (большое потребление и высокая цена электроэнергии).

Сегодня споры о том вредны ли светодиодные лампы для зрения, остаются открытыми и нельзя дать однозначный ответ. Они относительно недавно, менее 10 лет, заполнили рынок осветительных приборов и многие относятся к ним скептически.

Влияние светодиодных ламп на здоровье человека при правильном соблюдении режима дня, сна и работы будет нулевым. Если же человек подвержен стрессам, чрезмерным нагрузкам и несерьезно относится к качеству сна — ни один источник света не сохранит его здоровье.

Польза LED в быту

Кроме бытовых применений вы можете сэкономить на искусственном освещении теплицы. Спектр позволяет вашему урожаю расти быстрее и лучше. Для этого часто применяют лампы ДНАТ, свет которых содержит различные длины волн.

Счет мощностей таких источников света ведется на сотни ватт, тогда как светодиодные фитолампы имеют мощность в десятки раз меньше и содержат только необходимые длины волн, для лучшего роста растений.

Хоть и цены с 2011 по 2017 год снизились примерно в 10 раз, все равно цена одной светодиодной лампы эквивалентом 100 Вт накаливания остаётся на уровне 10 ламп накаливания, что останавливает многих потребителей перед покупкой.

Для экологии отказ от газоразрядных светильников – безусловный плюс, об этом мы писали в статье об . Но какую опасность несут светодиодные лампы для здоровья до конца еще не известно. Ясно только то, что паров ртути можно уже не боятся.

Применение новых источников света широким кругом людей, позволяет разработчикам получать финансы для новых более совершенных проектов. А технологический прогресс всегда идёт вперед. Поэтому нужно ждать статистики, тогда станет известно насколько сильный вред от светодиодных ламп для здоровья, а на это нужно время.

В последнее время был поднят ажиотаж вокруг светодиодных ламп, которые должны заменить собой обычные лампы Ильича. И как поведал главный нанотехнолог России, такие лампы скоро поступят в продажу в Москве и Санкт-Петербурге. Конечно, всё было обставлено с пафосом: первым оценил новинку В.В.Путин. Мне удалось достать лампочку от «Оптогана» одним из первых, к тому же в руках у меня оказались ещё одна лампочка российского производства («СветаLED» или «SvetaLED»), правда побитая жизнью, но рабочая, и китайский NoName, которую с лёгкостью можно купить на ebay или dealextreme.com.

Когда мне в руки попадает хоть какой-либо мало-мальски ценный и интересный предмет (от теней для век до процессора или , мне сразу хочется его разобрать и заглянуть внутрь, увидеть, как это всё устроено и работает. Видимо, это и отличает учёных от обывателей. Согласитесь, какой нормальный человек будет разбирать лампочку за 1000 рублей, но что поделать – партия сказала: надо!

Часть теоретическая

Как Вы думаете, почему все так озабочены заменой ламп накаливания , которые стали символом целой эпохи, на газоразрядные и светодиодные ?

Конечно, во-первых, это энергоэффективность и энергосбережение. К сожалению, вольфрамовая спираль больше излучает «тепловых» фотонов (т.е. свет с длинной волны более 700-800 нм), чем даёт света в видимом диапазоне (300-700 нм). С этим трудно спорить – график ниже всё расскажет сам за себя. С учётом того, что потребляемая мощность газоразрядных и светодиодных ламп в несколько раз ниже, чем у ламп накаливания при той же освещённости, которая измеряется в люксах . Таким образом, получаем, что для конечного потребителя это действительно выгодно. Другое дело – промышленные объекты (не путать с офисами): освещение пусть и важная часть, но всё-таки основные энергозатраты связаны как раз с работой станков и промышленных установок. Поэтому все вырабатываемые гигаватты уходят на прокатку труб, электропечи и т.д. То есть реальная экономия в рамках всего государства не так уж и велика.

Во-вторых, срок службы ламп, пришедших на замену «лампочкам Ильича», выше в несколько раз. Для светодиодной лампы срок службы практически неограничен, если правильно организован теплоотвод.

В-третьих, это инновации/модернизации/нанотехнологии (нужное подчеркнуть). Лично я ничего инновационного ни в ртутных, ни в светодиодных лампах не вижу. Да, это высокотехнологичное производство, но сама идея – это всего лишь логичное применение на практике знания о полупроводниках, которому лет 50-60, и материалов, известных около двух десятилетий.

Так как статья посвящена светодиодным лампам, то я более подробно остановлюсь на их устройстве. Давно известно, что проводимость освещённого полупроводника выше, чем проводимость неосвещённого (Wiki). Каким-то неведомым образом свет заставляет электроны бегать по материалу с меньшим сопротивлением. Фотон, если его энергия больше ширины запрещённой зоны полупроводника (E g), способен выбить электрон из так называемой валентной зоны и закинуть в зону проводимости.

Схема расположения зон в полупроводнике. E g – запрещённая зона, E F – энергия Ферми, цифрами указано распределение электронов по состояниям при T>0 ()

Усложним задачу. Возьмём два полупроводника с разным типом проводимости и и соединим вместе. Если в случае с одним полупроводником мы просто наблюдали увеличение тока, протекающего через полупроводник, то теперь мы видим, что этот диод (а именно так по-другому называется p-n-переход, возникающий на границе полупроводников с различным типом проводимости) стал мини-источником постоянного тока, причём величина тока будет зависеть от освещённости. Если выключить свет, то эффект пропадёт. Кстати, на этом основан принцип работы солнечных батарей .

На стыке полупроводников p и n типа возникающие после облучения светом заряды разделяются и «уходят» каждый к своему электроду ()

Теперь вернёмся к светодиодам. Получается, что можно провернуть и обратное: подключить полупроводник p-типа к плюсу на батарейке, а n-типа – к минусу, и… И ничего не произойдёт, никакого излучения в видимой части спектра не будет, так как наиболее распространенные полупроводниковые материалы (например, кремний и германий) – непрозрачны в видимой области спектра. Всему виной то, что Si или Ge являются не прямозонными полупроводниками . Но есть большой класс материалов, которые обладают полупроводниковыми свойствами и одновременно являются прозрачными. Яркие представители – GaAs (арсенид галия), GaN (нитрид галлия).

Итого, чтобы получить светодиод нам надо всего-то сделать p-n-переход из прозрачного полупроводника. На этом я, пожалуй, остановлюсь, ибо, чем дальше, тем сложнее и непонятнее становится поведение светодиодов.

Позволю себе лишь несколько слов о современных технологиях производства светодиодов. Так называемый активный слой представляет собой очень тонкие 10-15 нм толщиной перемежающиеся слои полупроводников p- и n-типа, которые состоят из таких элементов как In, Ga и Al. Такие слои эпитаксиально выращивают с помощью метода MOCVD (metal-oxide chemical vapor deposition или химическое осаждение из газовой фазы).

Схематичное представление устройства светодиода

Есть ещё одна проблема, которая мешает реализовать 100% конверсию (преобразование 1 электрона в 1 фотон) электричества, и заключается она в том, что даже такие тонкие слои полупроводников в определённой степени поглощают свет. Даже не то, чтобы сильно поглощают, просто свет «блуждает» внутри кристалла из-за эффекта полного внутреннего отражения на границе кристалл/воздух: увеличивается длина пути до выхода света из кристалла и, в конечном счёте, такой блуждающий фотон может поглотиться. Один из путей решения – использование структурированных подложек. Например, в современной светодиодной промышленности широко используется метод формованной сапфировой подложки. Такое микроструктурирование приводит к повышению эффективности светоотдачи всего диода ().

Для заинтересованных читателей могу предложить познакомиться с физикой , лежащей в основе работы светодиодов. Помимо этой интересной работы, выполненной в стенах родного МГУ, у Светланы и Оптогана есть прекрасная плеяда научных коллективов в самом Санкт-Петербурге. Например, ФизТех . А ещё можно почитать .

Часть методическая

Все измерения спектров ламп были сделаны в течение 30 минут (т.е. фоновый сигнал менялся слабо) в затемнённой комнате с помощью спектрометра Ocean Optics QE65000. можно почитать об устройстве спектрометра. Помимо 10 зависимостей на каждый вид ламп был измерен темновой спектр, который затем вычитали из спектров лампочек. Все 10 зависимостей для каждого образца суммировались и усреднялись. Дополнительно каждый итоговый спектр был нормирован на 100%.

Спектрометр Ocean Optics – отличный инструмент в умелых руках

Часть практическая

Итак, приступим. В наличии у нас есть шесть лампочек: 3 для полного разбора и ещё 3 для сравнения (так сказать контрольные образцы):
1. Лампочка Ильича
2. Лампочка Ильича М (т.е. газоразрядная лампа, формой повторяющая привычную лампочку Ильича)
3. Спираль Ильича (обычная газоразрядная лампа)
4. LED-лампа от «Оптогана»
5. LED-лампа от «СветаLED»
6. LED-лампа из Китая NoName

Все лампочки в сборе. Можем начинать!

Спектры

Ничего сверхъестественного тут мы не увидели. Лампочка Ильича безбожно пускает всё электричество в нагрев и цвет её то ли жёлтый, то ли оранжевый. Все ртутные лампы имеют полосатый спектр, который в человеческом глазе, как одновременное включение 3 пикселов (RGB) на экране (синие линии – ~420 нм, зелёные - ~550 нм, оранжевые и красные – всё, что выше 600 нм), преобразуется в белый.

Спектр трёх лампочек сравнения (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

А вот у светодиодных ламп спектр разительно отличается. Есть две компоненты: собственно, синяя от самого диода, и вторая, размазанная по всему спектру, – от люминофора или, по-русски, флуоресцентного красителя, который наносят на сами светодиоды и заливают сверху защитным слоем полимера. Соотношение между синим цветом диода и полосой эмиссии (испускания) люминофора определяет цветовую температуру лампы. Мы можем видеть, что у «Оптогана» самый тёплый свет, а у Китая самый холодный. Выгодно использовать 1 люминофор для регулирования цветовой температуры, таким образом, толщина слоя люминофора в купе с мощностью светодиода и определяет цветовую температуру. Стоит отметить, что в лампочках из Китая и от «Светланы» используется, по всей видимости, один и тот же люминофор, а вот «Оптоган» применяет свой собственный (существенное отличие максимума полосы испускания люминофора).

Сравнение спектров светодиодных ламп и традиционной лампы Ильича (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Лампочка от Светланы нам досталась в поломанном виде, и спектр мы снимали уже без матового стекла. Однако позвольте продемонстрировать аналогичную ситуацию на примере лампы из Китая, благо их было две штуки. Нормированные спектры мало различаются между собой, а небольшое увеличение интенсивности можно списать на то, что более длинноволновое излучение лучше рассеивается на матовом стекле.

Сравнение ламп китайского производства с и без стеклянной колбы (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Если кому-то будет интересно, то представлено довольно обстоятельное моделирование характеристик светодиодов.

Цена, материалы и характеристики

Трёх девиц под окном ломали поздно вечерком… Слева направо: Оптоган, СветаLED и NoName Китай

Китайский NoName

Лампочка из Китая была заказана через dealextreme.com и доставлена в Россию в течение 2 месяцев (сами понимаете, Почта России). Её стоимость около 14$ или примерно 420 рублей, включая доставку. Цветовая температура 5000-6000К, что соответствует белому холодному свету. Размеры совпадают с обычной лампочкой Ильича. Материал «колбы» - матовое стекло. На мой взгляд, идеальная замена обычной лампе накаливания, если бы цветовая температура была на 1000-2000К ниже указанной.

«Оптоган»

Лампочка была представлена простым смертным на специальной презентации . Дизайн от Артемия Лебедева, благородные материалы корпуса – поликарбонат и алюминий с фирменной символикой «Оптогана». Цветовая температура 3050 К. Очень мягкая и приятная лампа, но цена кусается – 995 рублей за штуку. Кому она нужна за такие деньги?!

Кстати, с качеством у Оптогана пока проблемы: тест на выносливость не проходит. Пару раз ввернул/вывернул и получил следующий результат:

Хлипкое крепление. Дамская лампочка, что тут ещё сказать!

«СветаLED»

LED-ламы этой фирмы пока ещё не появились на российском рынке, но говорят, что цена будет около 450-500 рублей. Однако ко мне в руки она попала, упакованной в стильную коробочку (видимо, какая-то пилотная партия), на которой значится температура 3500-4500К (это всё равно, что указать, что длина экватора от 35 000 км до 45 000 км). Радиатор запрятан под алюминиевым колпаком (мелочь, а приятно, как будто держишь в руках обычную лампочку Ильича, только немножко «переделанную»), а вокруг алюминиевого диска со смонтированными светодиодными модулями всё обильно замазано термопастой типа КТ-8. Говорят, что «Светлана» каким-то образом относится к военным, которые, видимо, живут по принципу Джейми Хайнемана : «Сомневаешься – смажь!». К примеру, у китайской лампы термопаста нанесена только под самими светодиодными модулями.

Те, кто нещадно бил лампочки «СветаLED» и NoName из Китая говорят, что стекло довольно хрупкое, и по качеству (чисто субъективная оценка) уступает лампочкам накаливания.

Так ковырялась лампочка…

На чипе лампы «Оптогана»
Тег #RusNT поставить надо!
И нам засветит #RusNT
И в сентябре, и в феврале
(с) АП

Небольшой фотоотчёт (видеокамера почему-то отказалась работать) о том, как мы разбирали лампочки:

К гламурному эксперименту надо подходить гламурно! (Хотя все совпадения цветов вымышлены)

Самое главное оружие – молоток, как же без него?!

Честно, я старался, но поликарбонат так и не поддался. Разрушалось всё, стол, линолеум, алюминиевый радиатор, но не поликарбонат, который в последствие был удалён отвёрткой. Но лампочка даже в полуразобранном состоянии продолжала гореть.

Далее пришлось очень долго ковырять драйвер, который залит каким-то полимером. В результате и драйвер, и гордость Оптогана – монолитный светодиодный чип – были извлечены на поверхность.

Драйвер

Ниже представлены все 3 драйвера вместе. Оцените сложность исполнения каждого из них…

Сверху вниз: «Оптоган», «СветаLED» и Китай

Начнём с самого нижнего. Китайский драйвер, честно говоря, мне понравился: мощные конденсаторы, катушки, немножко преобразующей электроники (диодный мост и т.д.). Всё выполнено очень компактно, из-за чего сама лампа имеет довольно скромные размеры. Также, большим плюсом является то, что все подводящие провода длинные, т.е. реально можно «отремонтировать» лампу! Или использовать драйвер после срока службы лампы в каких-то иных целях. Конечно, большинству обычных пользователей до этого нет дела, но всё-таки это можно отнести к потенциальным плюсам. Сама подложка со светодиодными чипами крепится на 2 миниатюрных болтика (ведь китайская же…), так что, в прямом смысле, с лампой можно обходиться как с конструктором.

Драйвер из китайской NoName LED-лампочки

Проводки действительно очень длинные…

Лампа производства компании «Оптоган» имеет очень сложный драйвер с твердотельными конденсаторами и, как меня убеждали специалисты, с импульсным блоком питания (хотя все светодиодные лампы должны иметь такой блок питания). При этом сам драйвер наравне со светоизлучающим модулем является «фишкой» фирмы и её основной гордостью. Ходят слухи, что компания будет вести R&D в области минимизации этого драйвера и, возможно, в ближайшем будущем уменьшит размер своей гигантской лампочки до приемлемых размеров.

Гордость «Оптогана» – драйвер и светоизлучающий модуль – рядом с главным фейлом – цоколем

«СветаLED». Назвать это драйвером язык не поворачивается. Даже у Китая есть какие-то «плюшки», которые улучшают потребительские свойства лампы (например, защищают от мигания), но здесь нет ничего ровным счётом, кроме диодного моста, предохранителя, огромнейшего конденсатора (10 мкФ, 450 В – много это или мало?! стоит сказать, что энергии, запасённой в конденсаторе, хватает на то, чтобы лампочка светила 1,5 минуты после отключения питания) и, по всей видимости, коммутатора нагрузки. Всё настолько просто и примитивно, что я сначала был слегка удивлён. Истинное детище сумрачного российского гения …

Тоже гордость…сумрачного российского гения

Возможно, что простота исполнения – козырь лампочки «СветаLED». Мерцания с частотой 50 Герц, скорее всего, среднестатистический глаз вряд ли увидит, да и неоткуда им там взяться, так как мощный конденсатор всё сглаживает, а люминофор и подавно не сможет так быстро высвечивать закачанную в него энергию (фосфоресценцию в сложных молекулярных красителях никто не отменял). Отсюда должна вытекать низкая стоимость лампы… хм, но где-то тут есть подвох, так как лампа планируется к выпуску по цене, близкой к китайскому аналогу с учётом разовой доставки в Россию!

N.B. Важно помнить, что помимо всего прочего важными и зависящими от устройства драйвера параметрами являются: коэффициент пульсаций, которые могут негативно влиять на умственную активность человека, и фоновое электромагнитное излучение, которое неизбежно возникает из-за использования различных «выпрямляющих» схем. Но это уже совсем другая история…

Светодиоды

Вот мы и дошли до самого лакомого кусочка нашего исследования. В Интернете есть множество публикаций (раз , два , три), где приводится сравнение спектров ламп разных производителей, их потребительских характеристик (дизайн, срок службы и т.д.), но сейчас мы опустимся чуть ниже, чтобы стать ближе к самим светоизлучающим элементам ламп. Сразу оговорюсь, что все 3 лампы примерно одной и той же мощности 5-6 Вт (если внимательно посмотреть технические характеристики лампы «Оптогана», то мы обнаружим изображение данного чипа , рассчитанный на 5 Вт, тогда как заявленная мощность лампы 11 Вт) и имеют примерно одинаковую светоизлучающую площадь. Итого мы имеем световой поток на Вт (люме н на Вт): Китай – 70-90, Оптоган – 65, Светлана – 75. Мне кажется, это важно, если уважаемые читатели захотят сравнить лампы между собой!

Если честно, то к китайскому светодиоду, именно к самому чипу, я проникся симпатией. Красота его внутреннего устройства просто восхитительна. Мне повезло: пока я отрывал все слои с этого светодиода, нечаянно повредил большой диод-чип, в результате чего обнажилась микроструктурированная сапфировая подложка:

Оптические микрофотографии китайского чипа вид сверху: золотистые полосы на чипе – токоподводящие контакты.

Слоистая структура светоизлучающего чипа при максимальном увеличении на оптическом микроскопе. Темная область соответствует сапфировой подложке. Стрелками отмечены отдельные слои или группы слоёв.

Кстати, сам чип изолирован от внешнего мира как минимум 3 слоями, но мне кажется, что их всё-таки там 4. Первый – полимер с люминофором, превращающий часть излучения в синей области спектра в жёлто-оранжевую. Второй – небольшой слой мягкого полимера, затем выпуклая оболочка (а-ля линза) из твёрдого полимера, и ещё два слоя из мягкого и твёрдого полимеров.

Мне хотелось бы отметить, что по сравнению с остальными лампами китайская максимально просто устроена. Всего 4 проводка соединяют большой чип с окружающим миром (у остальных ламп их гораздо больше), всего 1 светоизлучающий чип на диод, который уже непосредственно монтируется на плату, грамотно разведённые токоподводящие контакты на самом чипе, позволяющие равномерно по всей поверхности протекать электрическому току (что-то подобное есть и у «Оптогана»). Каких-то явных, существенных недостатков мне найти не удалось.

SEM-изображения структурированной сапфировой подложки

Слоистая структура выдаёт, что мы на правильном пути (следствие метода создания чипов - MOCVD), но разглядеть отдельные слои активной области вряд ли удастся…

Чип и контакты, которые его питают

Приступим к лампочке от «Оптогана». Самое странное, на мой взгляд, – расположение светоизлучающего модуля. По центру. И у Китая, и у «Светланы» несколько «миниатюрных» модулей мощностью по 1 Вт равномерно распределены по подложке, таким образом, теплоотвод от светодиодов этих фирм намного лучше, чем от модуля «Оптогана». Да, я прекрасно понимаю, что светодиодный модуль «Оптогана» выполнен из меди, она хорошо проводит тепло, а большой радиатор эффективно его рассеивает. Но лампочка от «Оптогана» имеет огромные размеры, которые, кстати, ещё и обусловлены тем, что надо как-то крепить поликарбонатную колбу, и влезет не в каждый патрон.

Такой светодиодный модуль устроен довольно просто: в шахматном порядке под полимерным слоем, окрашенным жёлто-оранжевым люминофором, расположены отдельные диоды, которые соединены друг с другом (схему соединения диодов и прочие технические детали можно найти ).

SEM-изображение отдельных светодиодов на подложке после удаления полимерного слоя

Сам же полимерный слой имеет довольно интересную структуру. Он состоит из маленьких (диаметр ~10 мкм) шариков:

Оптические микрофотографии «изнанки» полимерного слоя

Случайно получилось так, что один разрезанный микротомом диод остался в полимерном слое. Стоит отметить, что сам диод действительно прозрачен и сквозь него видны контакты на другой стороне чипа:

Оптические микрофотографии светодиода с тыльной стороны: отличная прозрачность для такого рода изделий

Полимерный слой настолько прочно приклеен как к самой медной подложке, так и к отдельным чипам, что после его удаления на поверхности диодов всё равно остаётся тонкий слой полимера. Ниже на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа можно во всей красе увидеть «скол» того самого активного слоя диода, в котором электроны «перерождаются» в фотоны:

SEM-изображения светоизлучающего слоя отдельного светодиода (стрелками указано расположение активного слоя)

А вот и текстурированный буферный слой, внимательно присмотритесь к правому нижнему изображению – оно нам ещё пригодится (стрелками указан буферный слой)

После неаккуратного обращения с чипом некоторые контакты повредились, а некоторые остались целыми

И последняя лампа – «СветаLED». Первое, что удивляет, – подложка со светодиодными модулями – внимание! – прикручена на здоровенный болтик к остальной лампе (прям как в Китае делали). Когда разбирал, думал, что может мешать «оторвать» её от остальной лампы, а потом увидел болтик… Кстати, на обороте этой алюминиевой подложки маркером! написан какой-то номер. Такое создаётся ощущение, что на заводе Светланы под Питером работают гастарбайтеры, которые собирают эти лампы вручную. Хотя нет, погодите, ведь лампочки производят военные… …

Мало того, что подложка со светодиодами прикручена на шурупчик, так на обратной стороне написан номер… МАРКЕРОМ – ручная работа…

Сами модули намертво посажены на алюминиевую подложку: оторвать целиком не получается. Видимо припаяны, чтобы улучшить теплопроводность. Здесь я много комментировать не буду, так как все комментарии приведены выше при обсуждении лампы «Оптогана».

Оптические микрофотографии светоизлучающего диода от компании Светлана: на изображении-вставке отчётливо видна микроструктура подложки

На заметку: удалось разглядеть, как соединены отдельные чипы в модуле от «Светланы». Последовательно, к моему великому разочарованию. Таким образом, если «перегорит» хотя бы 1 светодиод, то весь модуль перестанет работать.

SEM-изображения светоизлучающего диода от компании Светлана (стрелочками показана активная область). На левом верхнем рисунке добавлено изображение предполагаемых контактов так, как они должны были быть проложены в модуле (4 x3 диода).

Всё та же знакомая микроструктурированная сапфировая подложка…

Не вызывает ли эта картинка эффекта déjà vu?! Стрелочками указан буферный слой.

К сожалению, сайт компании, производящей лампы «СветаLED», выполнен истинными дизайнерами: много красивых картинок и мало смысла, нет нормальных дотошных спецификаций, как, например, на сайте «Оптогана» (кстати, он существует на двух доменах и COM с примерно одинаковым содержанием). К тому же, есть сайт, посвящённой только 1 лампочке , есть сайт собственно самой компании , но спецификации вообще почему-то лежат на совершенно ином ресурсе .

Скандалы, интриги, расследования…

Если кто-то дочитал до этого момента, то сейчас начнётся всё самое интересное. А именно, давайте я просто представлю на Ваш суд данные, которые мне показались интересными:
1. На этом рисунке я попытался привести фотографии с какими-то характерными особенностями диодов от «Светланы» и «Оптогана»:

2. Внимательно почитайте спецификацию на сайте «Оптогана» и на сайте «Светланы» . Модуль у «Светланы» имеет размеры 5 на 5 мм, 2 уголка на «крышке» срезаны под 45 градусов и т.д. – многое совпадает со спецификацией «Оптогана». Продолжающийся эффект déjà vu не мучает?! А может просто всё закупается на Тайване?!

И, конечно же, выводы

Готов ли быть патриотом и назвать лампу «отечественного» (например, у «Оптогана» чипы производятся в Германии) производства лучшей по совокупности всех факторов?! Пожалуй, что нет. Честно, светодиодная лампа китайского производства меня приятно порадовала: относительная простота схемы питания диодов, простые материалы, удачное размещение светодиодов на подложке. Проблема с цветовой температурой решаема, а вот единственный минус, который меня как покупателя смущает, это долговечность лампочки из Поднебесной.

Лампы «отечественного» производства, а в особенности, «Оптоган» как всегда «радуют» своей ценой. Я больше, чем уверен, что можно было бы начать с «кустарного» дизайна, дешёвых материалов (стекло вместо поликарбоната) и заполнить нишу бюджетных источников света (вроде как богачей в России не так уж много, или я чего-то не знаю?!). Но даже не это главное, готовых вложить 1000 рублей в лампочку и не думать об их покупке в течение нескольких лет найдётся не мало. Оставим внешнее поразительное сходство между модулями, меня больше заботит другое – сходство между отдельными светодиодными чипами (геометрические размеры, расположение, контакты и т.д.). Такое ощущение, что изготавливали их на оборудовании одной и той же фирмы, только версии этого оборудования отличаются как v.1.0 и v.1.1. Конечно, я понимаю, что самое главное в светодиоде – внутренняя структура активной зоны, но, согласитесь, трудно достать 1 чип размером 160 на 500 мкм (толщина человеческого волоса 50-80 мкм) и сравнить эмиссионные спектры у чипов «Оптогана» и «Светланы».

Тем не менее, если компании «Оптоган» доработает цоколь, уберёт дорогие материалы (поликарбонат), уменьшит размеры, заменит 1 мощный чип на несколько более простых и оптимизирует драйвер (короче, вы поняли – полностью переделает лампу), то у такой лампочки будут все шансы завоевать российский рынок, так как помимо указанных недостатков, есть и масса плюсов таких, как грамотное соединение диодов в модуле, умный «драйвер» и т.д. Спасибо технической документации.

Что же касается «Светланы», то кроме простейшего драйвера, который должен влиять на цену в сторону понижения, расположения светоизлучающих модулей на подложке, плюсов-то практически и нет. Техническая документация мутная, светодиоды соединены последовательно, что при «перегорании» 1 диода выводит целый модуль из строя (т.е. в нашем случае снижает световой поток на 12,5%), размазанная повсюду термопаста – всё это уверенности не добавляет. Но, это был всего лишь прототип, может быть, промышленные образцы будут лучше.

Данная статья не имеет целью очернение или наоборот превознесение продукции одних производителей над другими. Привожу только факты, а уж вывод делать вам! Как говорится, думайте сами, решайте сами…

Видео раздел

Спасибо большое OSRAM, что подготовил столь подробное видео о том, как производит светодиоды (правда, эта компании делает светодиоды по несколько иной технологии, нежели все нами изученные лампочки):

Процесс переноски светодиодных чипов внутрь пластикового корпуса:

А так на Тайване «фасуют» светодиодные чипы по пластиковым модулями с нанесением красителя и упаковкой в бобины:

Спектральные характеристики

Сами файлы для анализа можно скачать (надеюсь народюру не подведёт). За спектральные характеристики благодарим и его коллегу Антона(если коллеге нужен инвайт - пишите).

Если кратко, то:
Свет высшего качества у лампы накаливания (Ra=96). На втором месте традиционная и хорошо отработанная технология - люминисцентные лампы (Ra=82 и 85). На третьем светодиодные лампочки. Среди светодиодных лампочек места распределились ожидаемым образом - на первом месте немецко-российские лампочки Оптоган (Ra=80), на втором и третьем месте китайские лампочки (Ra=70) и российские лампочки Светлана (Ra=68).

P.S. В среду (26.10) начнётся Форум по нанотехнологиям

В-третьих , если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)

Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале - милости просим;)

С развитием светодиодной техники для нее постоянно находится все больше областей применения, она постепенно вытесняет люминесцентные и обычные лампы накаливания. Светодиоды намного практичнее в процессе эксплуатации, в 10 раз меньше потребляют электроэнергии, долговечнее, устойчивы к механическим воздействиям. Благодаря свойствам светодиодов обеспечивать излучение в определенных спектрах светового диапазона, их стали активно использовать для выращивания растений.

Интервалы спектров освещения, способствующие росту растений

Известно, что все растения развиваются благодаря процессу фотосинтеза, более глубокие изучения показали, что он активнее происходит в освещении синего и красного диапазона. Статистика различных экспериментов показывает, как некоторые растения отличаются по составу хлорофилла, от этого зависит интенсивность протекания фотосинтеза. Разные культуры растений в зависимости от этапа роста поглощают определенный участок спектра освещенности.

Зелень типа лука, петрушки, укропа активнее растет при синем спектре (длина волны 445 nm). На раннем этапе развития этот диапазон предпочитают и саженцы овощных культур. Когда наступает период цветения, завязи и созревания плодов, активно поглощается свет красного спектра в диапазоне 660 nm. Некоторым овощным культурам для благоприятного роста подходит белый свет широкого спектра.

Изучив эти свойства, можно понять, что для технологии выращивания растений в тепличных условиях при искусственном освещении легче всего адаптировать светодиоды.

Источники искусственного освещения

Ранее для растений в теплицах активно использовались белые светодиоды, люминесцентные или газоразрядные лампы широкого спектра излучения. Такая подсветка не совсем эффективна для стимулирования роста растений. Большая энергия тратится на освещение желто-зеленого диапазона, который бесполезен для роста саженцев.

На первом этапе использовались простые светодиоды красного и синего света, светодиодная лента. Но эти диоды имели довольно широкий рассеянный интервал за пределами красного и синего спектра, высокую стоимость и низкую интенсивность освещения. В процессе последовательных доработок кристаллы светодиодов стали покрывать слоем люминофора, который обладает свойствами пропускать только синие и красные лучи. Новые фитолампы излучают свет пурпурного цвета. Технологии с применением люминофора позволили добиться максимального эффекта по всем параметрам:

низкая себестоимость производства;
максимальная концентрация энергии излучения в синем и красном диапазонах;
максимальная интенсивность излучения;
экономичный режим потребления электроэнергии.

Такие светодиоды обеспечивают активный процесс фотосинтеза, стимулируя рост растений. Работы по совершенствованию параметров излучаемого спектра постоянно продолжаются, производители пытаются сделать фитофотодиоды, максимально приближая его к спектру солнечного света. Одним из современных образцов являются фитосветодиоды излучения полного спектра Bridgelux 35 мм и Epistar, первый имеет более выпуклую рассеивающую линзу.

Внешний вид Bridgelux 35 мм

Технические характеристики Bridgelux 35 мм:

номинальная мощность – 1 Вт;
напряжение от 3.0 до 3.4 В;
ток – 350 мА;
полный спектр цвета для растений 400–840 nm;
ресурс работы – 50 000 часов;
направленность рассеивания луча – 120 градусов;
габариты – Ø чипа с корпусом 9 мм, Ø линзы 5.6 мм, высота всей конструкции чипа 6 мм.

Особенность этих фитосветодиодов в том, что не требуется несколько чипов с разными спектрами излучения – синим или красным. В данном случае все смонтировано в одном чипе с широким спектром подсветки, где преобладают синий и красный цвета.

Сравнительный анализ спектров красного светодиода и фитофотодиода

Интервалы желтого, зеленого и других спектров значительно снижены. Это позволяет сконцентрировать энергию на излучении полезного цвета.

Основные достоинства фитосветодиодов

Спектр излучения охватывает полностью диапазон от 400 до 840 nm.
Распределение интенсивности излучения участков спектра, она максимально приближена к солнечному свету.
Решается проблема использования нескольких видов светодиодов с разными спектрами, когда в светильник вставляют красные и синие светодиоды.
Фитосветодиод эффективно стимулирует рост растений весь период развития: до цветения, во время цветения, завязи плодов и созревания. Не требуется смены источников света на различных стадиях. Фитофотодиод собирается на основе одного кристалла.

Светильники с фитосветодиодными элементами, имеющими полный спектр солнечного света, работают в 1,9 раза эффективнее, чем простые фитолампы с пиками красного и синего диапазона. И в 1,2 раза лучше, чем сборки на отдельных диодах различного спектра.

Пример конструкции для подсветки саженцев фитосветодиодами

Замечено, что под фитолампами красного и синего спектра ростки растут выше, но завязей на цветках меньше. Фитофотодиоды с полным спектром имеют менее интенсивное излучение синего диапазона по сравнению с красным. Контрасты спектра сбалансированы так, что светодиоды для растений обеспечивают не значительный рост по высоте, а максимальное количество плодов.

Превосходство фитофотодиодов с полным спектром перед другими моделями очевидно. Чтобы они еще более широко применялись, остается совершенствовать детали по увеличению интенсивности светового потока.

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.

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:

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 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.

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. опубликовано

Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.

Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.

Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.

Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: . Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.

Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:

Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.

На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.

Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.

Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.

За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан .

Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:

1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;

2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.

Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.

Влияние температуры

При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.

Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.

За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.

Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:

1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;

2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.

На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.

Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.

Виды цветовой передачи света

Современные светодиоды излучают:

белый свет.

Желто-зеленый, желтый и красный спектр

В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.

Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.

Голубой спектр

Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:

1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;

2. высоких требований к содержанию примесей.

Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.

Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.

Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.

Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.

Белый спектр

Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;

3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.

У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.

Особенности технологий белого спектра

Методика RGB

Она позволяет:

задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;

вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;

создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.

Простым примером такой реализации служат . Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.

Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:

неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;

неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.

Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.

Светодиоды с люминофором

Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.

Для них характерны недостатки:

в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;

сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.

Особенности светодиодов разных конструкций

Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.

Способы питания

Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.

С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.

При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.

Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.

Способы управления

Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:

1. величиной подключаемого напряжения;

Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.

Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.

За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.

О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.

Производство

При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.