Використання світлодіодних ламп для енергозбереження

Вступ

Протягом останніх десятиліть стало очевидно, що людська діяльність має суттєвий негативний вплив на природу. Це створило не лише місцеві та регіональні екологічні проблеми, а й почало відбиватися на глобальному рівні, прискорило процеси зміна клімату на планеті. Все зростаюче занепокоєння про збереження навколишнього середовища привело людство до усвідомлення необхідності глобального угоди про перехід до сталого розвитку цивілізації.

Енергозбереження - це найбільш дешеве зараз «джерело» енергії. Слідувати принципу «зробити більше з меншими витратами» буде вигідним для всіх.

В данному дипломному проекті розглядалося використання світлодіодних ламп для економії енергії. Необхідно було розглянути освітлювальни прилади різних типів і конструкцій зясувати їх переваги і недоліки. Світлодіодна лампа наразі є найперспективнішим освітлювальним приладим, чрез її високі значення ККД в порівнянні зі старими лампами розжарення та екологічну безпечність в порівнянні з компактними люмінесцентними лампами. Дати коротку характеристики екологічній ситуації та можливому впливу від запровадження світлодіодних ламп.

В процесі виконання дипломної роботи ми розрахуємо витрати на освітлення в залежності від вибраного типу освітлювального приладу, кількість вуглекислого газу який виділяється в атмосферу при виготовленні електроенергії та ін.

Зясуємо якими методами досягається отримання білого світла від світло діодів - основи світлодіодних ламп. Дізнаємося основи конструкції будь-якої сучасної світлодіодної лампи та розпишемо, який елемент за що відповідає.

1. Актуальність поставленої задачі

.1 Проблема енергозбереження

забруднення навколишній світлодіод освітлювальний

Неефективне використання енергетичних ресурсів, споживання та експорт легкодоступної нафти, неекономне використання електроенергії підприємствами чи домогосподарствами змушують серйозно замислитись над проблемою енергозбереження у країні.

Енергетичний сектор економіки України потребує особливої уваги як з боку держави, так й індивідів. Важливим є використання альтернативних джерел енергії, пошук нових шляхів, способів постачання її державі.

Енергосистема України навіть за наявності палива не може достатньо забезпечити споживачів тими обсягами енергії, який вони потребують.

Закони України «Про енергозбереження», «Про енергетику» та «Про енергопостачання», законодавчі акти Верховної ради України, хоча і порушують проблему енергетики, проте на практиці особливих позитивних зрушень не виявляють.

Пошуки нових шляхів видобутку енергетичних ресурсів та збереження енергії розглядаються у працях таких дослідників, кандидатів економічних наук, вчених як О.П. Романюка, О.Є. Перфілоса, С.М. Срібнюка та інших.

Хоча і праці вище названих дослідників є важливим внеском у розв’язання енергетичної проблеми, проте значна частина з них має лише теоретичне значення. На практиці через брак коштів, кризу платежів, необґрунтовану амортизаційну політику, вони, на жаль, не були втілені в життя, а спроби їх реалізації не мали позитивного завершення.

Рівень розвитку енергетики має визначальний вплив на стан економіки в країні в цілому.

Для того, щоб вирішити питання енергозбереження, необхідно:

прийняти такий законодавчий акт як закон України «Про енергоефективність», тобто дещо коректувати закон «Про енергозбереження»;

необхідно внести зміни до закону «Про оподаткування прибутку підприємств»;

насамперед вдосконалення потребує закон «Про комерційний облік ресурсів, передача яких здійснюється мережами».

запроваджувати сучасні прилади та пристрої, які економлять енергію

У сучасних умовах держава має унікальне географічне та геополітичне значення та виступає транспортером паливно-енергетичних ресурсів.

Однак для забезпечення максимально ефективного розвитку економіки та підвищення якості життя населення до світових стандартів слід вирішити такі проблеми як:

Недостатній рівень забезпечення власними паливно-енергетичними ресурсами і значна кількість імпортованих ресурсів;

Необхідність створення стратегічних запасів для забезпечення енергетичної незалежності України;

Високий рівень зношеності енергетичної інфраструктури та необхідність модернізації та реконструкції основних фондів;

Недостатній рівень використання альтернативних видів палива та нетрадиційних джерел енергії;

Високий рівень витрат енергоресурсів при їх виробництві, транспортуванні та споживанні, впровадження новітніх технологій, раціоналізація структури суспільного виробництва.

Для вирішення вищеподані проблем слід сформувати якісну стратегію щодо їх подолання, реформувати ПЕК відповідно до ринкових умов господарювання.

Перші кроки до зміни та модернізації були зроблені з прийняттям «Енергетичної стратегії України на період до 2030 року». Ця подія мала позитивне значення у регулювання енергетики України, адже до її прийняття не було чіткого плану щодо розвитку та функціонування енергетичної галузі. У ній розкрито багато цілей та завдань, напрямків проведення «перебудови».

Окремим розділом виділяють «Пріоритетні напрями та обсяги енергозбереження, потенціал розвитку нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії». Згідно з ним фактор енергозбереження є одним із визначальних для енергетичної стратегії України. Від його рівня залежить ефективне функціонування національної економіки.

Відповідно до прийнятої стратегії на даний час основним фактором зниження енергоємності продукції (послуг) в усіх галузях економіки є формування ефективно діючої системи державного управління сферою енергозбереження. Це дозволить, в першу чергу, удосконалити структуру кінцевого споживання енергоресурсів, зокрема, за рахунок подальшого розширення та поглиблення електрифікації в усіх сферах економіки шляхом заміщення дефіцитних видів палива з одночасним підвищенням ефективності виробництва.

Ми ж пропонуємо вирішити питання енергозалежності зниженням рівня її необхідності шляхом впровадження світлодіодних ламп.

1.2 Проблема забруднення навколишнього середовища

Забруднення природного середовища промисловими викидами надає шкідливийдію на людей, тварин, рослини, грунт, будівлі і споруди, знижуєпрозорість атмосфери, підвищує вологість повітря, збільшує кількість днівз туманами, зменшує видимість, викликає корозію металевих виробів.

Під забрудненням навколишнього середовища слід розуміти зміну властивостейсередовища (хімічних, механічних, фізичних, біологічних і пов'язаних зними інформаційних), що відбуваються в результаті природних абоштучних процесів і призводять до погіршення функцій середовища по відношеннюдо будь-якого біологічного або технологічного об'єкту. Використовуючи різніелементи навколишнього середовища у своїй діяльності, людина змінює їїякість. Часто ці зміни виражаються в несприятливому формізабруднення. За масштабами антропогенні зміни стають порівняннимиз природними, а в ряді випадків навіть перевищують їх, про що можна судити зтаблиці 1.

Таблиця 1.1 Надходження в атмосферу (тонн/рік) деяких компонентів, природного і промислового походження:

Природні процеси забруднення мають в природі антиподи, здатні нейтралізувати дію природного забруднювача, а багато речовин, створені людиною, є сторонніми по відношенню до природи.

Природні джерела забруднення зазвичай віддалені від місця існування людини, а антропогенні розташовані в районах концентрації населення.

Основні шляхи вирішення

Збільшення масштабів забруднення атмосфери вимагають швидких іефективних способів захисту її від забруднення, а також способівпопередження шкідливого впливу забруднювачів повітря. Атмосфера можемістити певну кількість забруднювача без прояви шкідливоївпливу, тому що відбувається природний процес її очищення.

Першим кроком у встановленні шкідливого впливу, пов'язаного із забрудненнямповітря, є розробка критерію якості повітря, а також стандартівякості.

Стандарти якості визначають рівні якості повітря і граничнодопустимі викиди (ПДВ), які необхідно витримувати для забезпеченнябезпеки життя.

Контролюючі органи зобов'язані здійснювати кількісний та якіснийконтроль.

Іншим підходом до поліпшення стану атмосфери є вимогазастосування передових технологічних процесів, заміна шкідливих матеріалівнешкідливими, застосування мокрих способів обробки сировини замість сухих.

Як правило, на промислових підприємствах використовуються процеси абопристрої для газоочистки і пиловловлення, щоб зменшити абозапобігти величину викиду. Процеси газоочистки можуть також зруйнуватиабо змінювати його хімічні та фізичні властивості так, що він стаєменш небезпечним

У деяких випадках використовують метод розсіювання в атмосфері. Димовітруби повинні бути досить високими (300-350 метрів), для забезпеченнягарного розведення домішок шляхом обтікання повітря навколо будинків у зоніаеродинамічних тіней. Крім того, необхідно враховувати температурувикидів і місце розташування труб. Підприємства будують з подветреннойсторони по відношенню до житлових районів. На ряді підприємств факельні газивикористовують для опалення будинків, а їх надлишок направляється натеплоцентраль.

Якщо впроваджувати енергозберігаючі технологоіїї (світлодіодні лампи) то можна зменшити кількість вуглекислого газу, що викидається у атмосферу.

За масштабами забруднення навколишнього середовища можна розділити на локальний, регіональне та глобальне. Ці три види забруднення тісно пов'язані міжсобою. Як правило, первинним є локальне забруднення, яке, якщошвидкість процесу забруднення більше швидкості природного очищення, переходить до регіонального і потім при накопиченні кількісних змін - в глобальну зміну якості навколишнього середовища. Для глобальногозабруднення найбільш важливим є тимчасовий чинник.

Існування таких процесів свідчить про обмеженість ресурсіватмосфери і про межах її природного самовідновлення. Наприклад, використання повітря у виробничих процесах здавна передбачалоприродні здібності атмосфери до відновлення первинних якостей.

Зокрема, димові викиди в атмосферу, що містять мікрочастинки ітоксичні речовини, являють собою не що інше, як метод розведення.

І навіть у наші дні при будівництві висотних і сверхвисотних трубпродовжують користуватися цим стародавнім методом. Однак різке зростанняобсягів викидів призвело до того, що масштаби забруднення впритулнаблизилися і навіть часто переступають межі самовідновленняатмосфери.

При сучасних рівнях забруднення шкідливі речовини від джерелазабруднення поширюється на десятки й сотні кілометрів. І навіть самепоняття джерело забруднення кілька змінює зміст. Якщо в якому-небудьпромисловому районі можна виділити точкові джерела забруднення, то вмасштабі регіону цілий промисловий район, наприклад велике місто, можерозглядатися як єдине джерело з системою точкових, лінійних

(автомагістралі) і групових джерел. Більше того, навіть весь регіон інавіть ціла країна може виступати в ролі єдиного джерела забруднення.

Сучасне індустріальне виробництво робить значнийвплив на природу в глобальних масштабах. Хоча більша частиназабруднюючих речовин і теплової енергії виробляється на обмеженійплощі, головним чином у промислових районах Північної Америки, Європи та

Азії, внаслідок особливостей циркуляції атмосфери і переміщень у водномуоболонці Землі значна частина деяких, відносно довго живутьзабруднюючих речовин розсіюється на величезних просторах і навіть по всій

Землі, приводячи до регіонального та глобального забруднення.

До теперішнього часу визначилися деякі важливі проблеми в областіантропогенного глобального забруднення навколишнього природного середовища, до числаяких відносяться:

. Можливі зміни клімату у зв'язку з надходженням в атмосферу техногенного тепла, вуглекислого газу і аерозольних домішок.

. Можливе порушення озонового шару Землі, пов'язане з надходженням в атмосферу фреонів, окислів азоту та деяких інших домішок.

. Екологічні наслідки глобального забруднення природного середовища та біосфери радіоактивними речовинами, важкими металами і пестицидами.

. Загальна проблема морського середовища атмосферними опадами, річковим стоком, наземним і морським транспортом.

. Далекий атмосферне перенесення забруднюючих речовин і проблема кислотних опадів.

Таким чином, масштаби антропогенного впливу на навколишнє середовище ірівень випливає з цього небезпеки змушують шукати нові підходи дорозвитку технологічних процесів, які, будучи не менш ефективнимив економічному сенсі, у багато разів перевершували б існуючі поступеня екологічної чистоти. Фактично суперечність між економікою іекологією означає протиріччя між необхідністю гармонійного розвиткусистеми природа-людина-виробництво і недостатньою об'єктивноїможливістю, а часом і просто суб'єктивним небажанням такої гармонії насучасному етапі розвитку виробничих сил і виробничихвідносин.

2. Основні види освітлювальних пристроїв

Штучні джерела світла - технічні пристрої різної конструкції з різними методами перетворення енергії, основним призначенням яких є отримання світлового випромінювання (як видимого діапазону, так і з різною довжиною хвилі, наприклад інфрачервоного). В джерелах світла в основному використовується електроенергія, але також іноді використовується хімічна енергія та інші способи генерації світла (наприклад, триболюмінесценція, радіолюмінісценція та ін.). На відміну від штучних джерел світла, природні джерела являють собою природні матеріальні об’єкти: Сонце, Місяць, Полярні сяйва та _н..

Для отримання світла можливе використання різноманітних форм енергії, і в зв’язку з цим можна вказати на основні види (за використання енергії) джерела світла:

–       Електричні: Електричний нагрів тіл розжарення або плазми. Джоулеве тепло, вихреві потоки, потік електронів та іонів;

–       Хімічні: горіння (окислення) палива і нагрівання продуктів згоряння або тіл розжарення.;

–       Електролюмінісцентні: безпосереднє перетворення електричної енергії в світлову (минаючи перетворення енергії в теплову) в напівпровідниках (світлодіоди, лазерні світлодіоди) або люмінофора, що перетворюють у світло енергію змінного електричного поля (з частотою звичайно від декількох сотень до декількох Герц кілогерц), або перетворюють у світ енергію потоку електронів (катодно-люмінесцентні);

–       Тріболюмінесцентні: перетворення механічних впливів у світло;

–       Біолюмінесцентні: бактеріальні джерела світла в живій природі.

До небезпечних факторів джерел світла можна віднести:

·        Відкрите полум’я;

·        Яскраве світлове випромінювання, небезпечне для органів зору і відкритих ділянок шкіри;

·        Теплове випромінювання та наявність розпечених робочих поверхонь, здатних призвести до опіку;

·        Високоінтенсивне світлове випромінювання, яке може привести до виникнення пожежі, опіку і поранення - випромінювання лазерів, дугових ламп та ін.;

·        Горючі гази або рідини;

·        Висока напруга живлення;

·        Радіоактивність;

2.1 Лампа розжарювання

Лампа розжарювання - електричний джерело світла, в якому тіло розжарення (тугоплавкий провідник), поміщене в прозорий вакуумований або заповнений інертним газом сосуд, нагрівається до високої температури за рахунок протікання через нього електричного струму, в результаті чого випромінює в широкому спектральному діапазоні, в тому числі видиме світло. як тіла розжарення в даний час використовується в основному спіраль із сплавів на основі вольфраму.

В лампі використовується ефект нагрівання провідника (тіла розжарювання) при протіканні через нього електричного струму (теплова дія струму). Температура тіла рожарення різко зростає після включення струму. Тіло розжарення випромінює електромагнітне теплове випромінювання відповідно до закону Планка. Функція Планка має максимум, положення якого за шкалою довжин хвиль залежить від температури. Цей максимум зсувається з підвищенням температури в бік менших довжин хвиль (закон зміщення Віна). Для отримання видимого випромінювання необхідно, щоб температура була порядку декількох тисяч градусів. При температурі 5770 K (температура поверхні Сонця) світло відповідає спектру Сонця. Чим менше температура, тим менше частка видимого світла, і тим більше «червоним» здається випромінювання.

Частину споживаної електричної енергії лампа розжарювання перетворює в випромінювання, частина йде в результаті процесів теплопровідності і конвекції. Тільки мала частка випромінювання лежить в області видимого світла, основна частка припадає на інфрачервоне випромінювання. Для підвищення ККД лампи та отримання максимально «білого» світла необхідно підвищувати температуру нитки напруження, яка в свою чергу обмежена властивостями матеріалу нитки - температурою плавлення. Температура в 5771 К недосяжна, оскільки при такій температурі будь-який відомий матеріал плавиться, руйнується і перестає проводити електричний струм. В сучасних лампах розжарювання застосовують матеріали з максимальними температурами плавлення - вольфрам (3410° C) і, дуже рідко, осмій (3045° C).

Для оцінки даної якості світла використовується т.зв. колірна температура. При досяжних практично температурах 2300-2900 K випромінюється далеко не біле і не денне світло. З цієї причини лампи розжарювання випромінюють світло, яке здається більш «жовто-червоним», ніж денне світло. Однак лампа - точкове джерело, тому людині властиво зіставляти її світло зі горінням, приміром, багаття або свічки, ніж з масштабним сонячним. Тому світло такої температури не викликає роздратування при тривалому використанні.

Рисунок 2.1 - Конструкція сучасної лампи

На схемі: 1 - колба; 2 - порожнина колби (вакумована або заповнена газом); 3 - тіло розжарення; 4, 5 - електроди (струмові вводи); 6 - крючки-тримачі тіла розжарення; 7 - ніжка лампи; 8 - зовнішнє ланка струмовідводу, запобіжник; 9 - корпус цоколя; 10 - ізолятор цоколя (скло); 11 - контакт днища цоколя.

Конструкції ламп розжарювання дуже різні і залежать від призначення. Однак загальними є тіло розжарення, колба і Токоввод. Залежно від особливостей конкретного типу лампи можуть застосовуватися власники тіла напруження різної конструкції; лампи можуть виготовлятися бесцокольние або з цоколями різних типів, мати додаткову зовнішню колбу і інші додаткові конструктивні елементи.

У конструкції ламп загального призначення передбачається запобіжник - ланка з феронікелевого сплаву, вварена в розрив одного з струмовводів і розташоване поза колби лампи - як правило, в ніжці. Призначення запобіжника - запобігти руйнуванню колби при обриві нитки напруження в процесі роботи. Справа в тому, що при цьому в зоні розриву виникає електрична дуга, яка розплавляє залишки нитки, краплі розплавленого металу можуть зруйнувати скло колби і послужити причиною пожежі. Запобіжник розрахований таким чином, щоб при запалюванні дуги він руйнувався під впливом струму дуги, істотно перевищує номінальний струм лампи. Феронікелевий ланка знаходиться в порожнині, де тиск дорівнює атмосферному, а тому дуга легко гасне. Через малу ефективності в даний час відмовилися від їх застосування.

Рисунок 2.2 - Залежність довговічності і яскравості лампи розжарювання ві робочої напруги

Коефіцієнт корисної дії ламп розжарювання досягає, при температурі близько 3400 K, свого максимального значення 15%. При практично досяжних температурах в 2700 K (звичайна лампа на 60 Вт) ККД становить 5%.

Із зростанням температури ККД лампи розжарювання зростає, але при цьому істотно знижується її довговічність. При температурі нитки 2700 K час життя лампи становить приблизно 1000 годин, при 3400 K всього лише кілька годин. Як показано на рисунку 2.2, при збільшенні напруги на 20%, яскравість зростає в два рази. Одночасно з цим тривалість життя зменшується на 95%.

2.2 Люмінесцентна лампа

Визначення

Люмінесцентна лампа - газорозрядне джерело світла, світловий потік якого визначається в основному світінням люмінофорів під впливом ультрафіолетового випромінювання розряду: широко застосовується для загального освітлення, оскільки світлова віддача і термін служби в кілька разів більший, ніж у ламп з ниткою розжарювання того ж призначення.

Рисунок 2.3 - Види люмінесцентних ламп

При роботі люмінесцентної лампи між двома електродами, що знаходяться на протилежних кінцях лампи виникає електричний розряд. У лампі, яка заповнена парами ртуті, змінний струм приводить до появи УФ-випромінювання. Це випромінювання невидиме для людського ока, тому його перетворять у видиме світло за допомогою явища люмінесценції Внутрішні стінки лампи покриті спеціальною речовиною - люмінофором, що поглинає УФ-випромінювання і виділяє видиме світло. Змінюючи склад люмінофора, можна змінювати відтінок одержаного світла.

Особливості підключення

З погляду електротехніки люмінесцентна лампа - пристрій зі слабким опором (чим більший струм через неї проходить - тим більше падає її опір). Тому при безпосередньому підключенні до електричної мережі лампа дуже швидко вийде з ладу через величезний струм, що проходить через неї. Щоб запобігти цьому, лампи до мережі підключають через спеціальний пристрій (баласт).

Рисунок 2.4 - Позначення люмінісцентної лампи в схемотехніці

У найпростішому випадку це може бути звичайний резистор, однак у такому баласті втрачається значна кількість енергії. Щоб уникнути цих утрат при ввімкненні ламп від мережі змінного струму як баласт може застосовуватися реактивний опір (конденсатор або котушка індуктивності).

В даний час найбільше поширення одержали два типи баластів - електромагнітний і електронний.

Електронний баласт - це електронна схема, що перетворює напругу мережі у високочастотний (20-60 кГц) змінний струм, який живить лампу. Перевагами такого баласту є відсутність мерехтіння і гулу, компактніші розміри й менша маса в порівнянні з електромагнітним баластом.

При використанні електронного баласту можливо домогтися миттєвого запуску лампи (холодний старт), однак такий режим несприятливо позначається на терміні служби лампи.

При використанні схем з попереднім прогрівом електродів (плавний старт) лампа запалюється із затримкою, однак цей режим дозволяє збільшити термін служби лампи. В таких схемах використовуються позистори або терморезистори.

•        ЕПРА для 1-10В системи. Їх можна управляти в групі або окремо. Можна з'єднати датчик денного світла і тоді світлий час дня датчик зменшує освітленість лампи. Особливо популярний у шкільних класах, інститутах і переговорних кімнатах.

Останнім часом замість нього стали нові цифрові ЕПРА по протоколу DALI

•        ЕПРА по DALI-протоколу дозволяють використовувати індивідуальне управління кожного світильника, і тому він дуже енергоефективний. Управління освітленням можна робити за допомогою датчиків присутності і денного світла. Вимикачів більше не потрібно, коли автоматика включає в потрібні місця світло та вимикає, коли нікого більше немає в приміщенні.

•        Останні роки в Європі в багатьох школах, лікарнях та офісах старе освітлення замінюють новими системами керування, завдяки чому досягається енергозбереження від 60% до 82%.

Електромагнітний баласт - це індуктивний опір (дросель), який підключається послідовно з лампою. Для запуску лампи з таким типом баласту потрібний також стартер або кнопка.

Перевагами такого типу баласту є його простота, відносна дешевина, великий термін експлуатації та висока надійність.

Вади - мерехтіння ламп із частотою вдвічі більшою від частоти мережевої напруги (частота мережевої напруги в Україні (СНД) = 50 Гц), що підвищує стомлюваність і може негативно позначатися на зорі людини, відносно довгий запуск (звичайно 1-3 сек, час збільшується в міру зносу лампи), більше споживання енергії (приблизно на 20%) в порівнянні з електронним баластом, більші габарити, маса, металоємність. Дросель також може видавати низькочастотний гул та нагріватись.

Механізм запуску

У класичній схемі включення з електромагнітним баластом для автоматичного регулювання процесу запалювання лампи застосовується пускач (стартер), що являє собою мініатюрну газорозрядну лампочку з неоновим наповненням і двома металевими електродами. Один електрод пускача нерухомий жорсткий, інший - біметалевий, що згинається при нагріванні. У початковому стані електроди пускача розімкнуті. Пускач включається паралельно лампі. У момент включення до електродів лампи і пускача прикладається повна напруга мережі, тому що струм через лампу відсутній і падіння напруги на дроселі дорівнює нулеві. Електроди лампи холодні і напруги мережі недостатньо для її запалювання. Але в пускачі від прикладеної напруги виникає розряд, у результаті якого струм проходить через електроди лампи і пускача. Струм розряду малий для розігріву електродів лампи, але достатній для електродів пускача, від чого біметалева пластинка, нагріваючись, згинається і замикається з жорстким електродом. Струм у спільному колі зростає і розігріває електроди лампи. У наступний момент електроди пускача остигають і розмикаються. Миттєвий розрив кола струму викликає миттєвий пік напруги на дроселі, що ініціює запалювання лампи. До цього моменту електроди лампи вже досить розігріті. Розряд у лампі виникає спочатку в середовищі аргону, а потім, після випаровування ртуті, стає ртутним. У процесі горіння напруга на лампі й пускачі складає біля половини напруги мережі за рахунок падіння напруги на дроселі, що запобігає повторному спрацьовуванню пускача. У процесі запалювання лампи пускач іноді спрацьовує кілька разів поспіль унаслідок відхилень у взаємозалежних між собою характеристик пускача і лампи.

Рисунок 2.5 - пускач (стартер)

Люмінофоори і спектр випромінювання світла

Багато людей вважають світлове випромінювання люмінесцентних ламп грубим і неприємним. Колір предметів освітлених такими лампами може бути трохи незвичним. Частково це відбувається через сині і зелені лінії в спектрі випромінювання газового розряду в парах ртуті, частково через тип застосовуваного люмінофора.

Рисунок 2.6 - Спектр люмінесцентних ламп в залежності від матеріалу люмінофорум отриманий на спектрографі Ocean Optics HR2000 без калібрування по інтенсивності

У багатьох дешевих лампах застосовується галофосфатний люмінофор, що випромінює в здебільщого жовте і синє світло, у той час як червоного і зеленого випромінюється набагато менше. Така суміш кольорів оку здається білим, однак при відображенні від предметів світло може містити неповний спектр, що сприймається як перекручування кольору. Однак такі лампи як правило мають дуже високу світлову віддачу.

У дорожчих лампах використовується «трилінійний» і «пятилінійний» люмінофор. Це дозволяє домогтися рівномірнішого розподілу випромінювання у видимому спектру, що приводить до більш натурального відтворення світла. Однак такі лампи, як правило, мають нижчу світлову віддачу.

Також існують люмінесцентні лампи, призначені для освітлення приміщень, у яких утримують птахів. Спектр цих ламп містить ближній ультрафіолет, що дозволяє створити для них комфортніше освітлення, наблизивши його до природного, тому що птахи, на відміну від людей, мають чотирикомпонентний зір.

2.3 Дугова лампа

Рисунок 2.7 - Ксенонова дугова лампа

Дугова лампа - загальний термін для позначення класу ламп, в яких джерелом світла є електрична дуга. Дуга горить між двома електродами з тугоплавкого металу, як правило з вольфраму. Простір навколо проміжку зазвичай заповнюється інертним газом (ксеноном, аргоном), парами металів або їх солей (ртуті, натрію та ін.) В залежності від складу, температури та тиску газу, в якому відбувається розряд лампа може випромінювати світло різного спектру. Якщо в спектрі випромінювання багато ультрафіолетового світла, а необхідно отримати видимий, використовується люмінофор.

У дугового лампі газ між електродами іонізується під впливом високої температури та електричного поля, в результаті чого переходить в стан плазми. Плазма добре проводить струм. За рахунок рекомбінації електронів випромінюється світло.

Опір розрядного каналу залежить від температури: чим вона вища, тим більше провідність. В результаті чого диференціальний опір лампи в робочому режимі нерідко негативний, тому дугові лампи вимагають для живлення джерела, що мають великий внутрішній опір, а значить не підходять для підключення в звичайні електричні мережі. Для узгодження опору лампи і мережі живлення використовується баласт. Найчастіше, при живленні лампи змінним струмом, він представляє собою дросель, що володіє погодженим з параметрами лампи реактивним опором.

Для того, щоб дуга запалилася, повинен відбутися електричний пробій газу. Для цього потрібно попередній підігрів і велика напруженість електричного поля. Для цієї мети застосовуються різні схеми: може короткочасно замикатися ланцюг в обхід лампи (в результаті чого імпульс утворюється за рахунок самоіндукції дроселя при розмиканні), або подаватися висока напруга від окремого імпульсного зажигающего пристрої, можуть використовуватися додаткові запалювальні електроди або робочі електроди можуть механічно зближуватися.

Колір випромінюваного світла, як і електричні характеристики лампи змінюються з часом і зміною температури. Температура дуги в лампі може досягати декількох тисяч градусів Цельсія, кварцовою колби - до 500 градусів, а керамічної колби - до 1000 градусів.

.4      Газорозрядна лампа

Газорозрядна лампа - джерело світла, що випромінює енергію у видимому діапазоні. Фізична основа - електричний розряд в газах. Останнім часом прийнято називати газорозрядні лампи розрядними лампами.

За джерелом світла, що виходить назовні і використовуваного людиною, газоразрядие лампи поділяються на:

·        люмінесцентні лампи (ЛЛ), в яких в основному назовні виходить світло від покриває лампу шару люмінофора, порушуваного випромінюванням газового розряду;

·        газосвітловіе лампи, в яких назовні виходить саме світло від газового розряду;

·        «електродосветние» лампи, в яких використовується свічення електродів, порушених газвим розрядом.

За величиною тиску розрядні лампи поділяються на:

·        газорозрядні лампи високого тиску - ГРЛВТ

·        газорозрядні лампи низького тиску - ГРЛНТ, докладніше див - люмінесцентна лампа.

Розрядні лампи володіють високою ефективністю перетворення електричної енергії в світлову. Ефективність вимірюється відношенням люмен / Ватт.

У розрядних лампах можуть використовуватися різні гази: пари металів (ртуті або натрію), інертні гази (неон, ксенон та інші), а також їх суміші. Найбільшою ефективністю, на сьогоднішній день, мають натрієві лампи, вони працюють в парах натрію і мають ефективність 150 лм / Вт. Переважна більшість розрядних ламп - це ртутні лампи, вони працюють в парах ртуті. Серед ртутних ламп можна згадати дугові ртутні люмінесцентні лампи (ДРЛ). Крім цього, широко поширені металогалогенні лампи (МГЛ або ДРІ) - в них використовується суміш парів ртуті, інертних газів і галогенідів металів. Менше поширені безртутние розрядні лампи, що містять інертні гази: ксенонові лампи (ДКсТ), неонові лампи та інші.

Розрядні джерела світла (газорозрядні лампи) поступово витісняють звичні раніше лампи розжарювання, однак недоліками залишаються лінійчатий спектр випромінювання, стомлюваність від мерехтіння світла, шум пускорегулювальної апаратури (ПРА), шкідливість парів ртуті в разі потрапляння в приміщення при руйнуванні колби, неможливість миттєвого перезажіганія для ламп високого тиску.

В умовах триваючого росту цін на енергоносії та подорожчання освітлювальної арматури, ламп та комплектуючих все більш нагальною стає потреба у впровадженні технологій, що дозволяють скоротити невиробничі витрати. В умовах же подорожчання робочої сили виникає потреба в зниженні витрат на заміну вийшли з ладу ламп, особливо якщо вони встановлені у важкодоступних місцях.

Ртутні дугові лампи типу застосовуваних в промисловості складаються з наступних частин: кварцовою трубки дугового розряду, наповненою аргоном і парами ртуті; зовнішньої скляної колби (з внутрішнім люмінофорним покриттям), навколишнього трубку дугового розряду, що закриває її від впливу потоків навколишнього повітря і запобігає окисленню; цоколя, на якому тримається вся лампа і є електричні контакти для

Ртутнf газорозряднf лампf - типова конструкція 40-Вт лампи з люмінофорним покриттям. 1 - зовнішня колба; 2 - робочий електрод, 3 - струмопровідні стійки, 4 - кварцова трубка дугового розряду, 5 - робочий електрод; 6 - пусковий електрод; 7 - опорні траверси трубки дугового розряду; 8 - пускові резистори; 9 - опорні елементи; 10 - внутрішня люмінофорне покриття підведення напруги живлення. Розміри і форма цих конструктивних елементів можуть бути різними в залежності від типу лампи - загального призначення (з прозорою колбою, з люмінесцентним покриттям, з виправленою кольоровістю, рефлекторна, полурефлекторная лампи), ультрафіолетові, сонячного світла і фотохімічні лампи. Середній термін служби ртутних ламп загального призначення становить 6000-12 000 ч. Після того як ртутна лампа включена і в ній встановився дугового розряд, струм розряду через пари ртуті сам по собі безперервно наростає. Тому його доводиться обмежувати зовнішнім баластовим пристроєм.

Рисунок 2.8 - Конструкція дугової ртутної лампи

Світловий коефіцієнт корисної дії (ККД) ламп розжарювання знаходиться в межах 1,6-3%, а їх світлова віддача не перевищує 20 лм / Вт споживаної потужності для потужних ламп і знижується до 7 лм / Вт для ламп потужністю до 60 Вт Світловий ККД люмінесцентних ламп і ламп ДРЛ досягає 7%, а світлова віддача перевищує 40 лм / Вт Однак такі лампи включаються в електричну мережу тільки через пускорегулювальну апаратуру (ПРА).

2.5 Світлодіодна лампа

Рисунок 2.9 - Види світлодіодних ламп

Світлодіодні лампи або світлодіодні світильники в якості джерела світла використовують світлодіоди, застосовуються для світлодіодного освітлення.

Світлодіодна лампа - освітлювальний прилад, який встановлюється в існуючий світильник, спочатку призначений для установки існуючих ламп - (люмінесцентних, розжарювання, галогенних), можливо, з деякою доробкою. В даний час випускаються світлодіодні лампи практично під всі існуючі типи цоколів.

У порівнянні зі звичайними лампами розжарювання, а також люмінсцентнимі лампами світлодіоди володіють багатьма перевагами:

·        Економічно використовують енергію в порівнянні з попередніми поколіннями електричних джерел світла - дугових, накальних і газорозрядних. Так, світлова віддача світлодіодних систем вуличного освітлення з резонансним джерелом живлення досягає 120 люменів на ват, що можна порівняти з віддачею натрієвих газорозрядних ламп - 150-220 люмен на ват. Люмінесцентні лампи мають світлову віддачу 60-100 люмен на ват, а лампи розжарювання - 10-24 люмен на ват (включаючи галогенні).

·        При оптимальної схемотехніці джерел живлення та застосування якісних компонентів середній термін служби світлодіодних систем освітлення може бути доведений до 100 000 годин, що в 50-200 разів більше в порівнянні з масовими лампами розжарювання і в 4-16 разів більше, ніж у більшості люмінесцентних ламп.

·        Можливість отримувати різні спектральні характеристики без застосування світлофільтрів (як у випадку ламп розжарювання).

·        Безпека використання.

·        Малі розміри.

·        Висока міцність.

·        Відсутність ртутних парів (на відміну від газорозрядних люмінесцентних ламп та інших приладів), що виключає отруєння ртуттю при переробці і при експлуатації.

·        Мале ультрафіолетове і інфрачервоне випромінювання.

·        Незначне тепловиділення (для малопотужних пристроїв).

·        Стійкість до вандалізму.

Серед виробників саме світлодіодні джерела світла вважаються найбільш функціонально-перспективним напрямком як з точки зору енергоефективності, так і затратності та практичного застосування. В основному застосовуються прилади на білих світлодіодах.

Рисунок 2.10 - Світильник адаптований до технології LED

До недоліків використання свытлодіодних ламп можна віднести:

–       Основний недолік - висока ціна. Відношення ціна / люмен у над'яскравих світлодіодів в 50 - 100 разів більше, ніж у звичайної лампи розжарювання. Втім, на початок 2011 року в продажу вже з'явилися світлодіодні лампи за цінами (за люмен), конкурентоспроможними з компактними люмінесцентними лампами. На кінець 2011 року деякі фірми (такі як К2 Leuchten) вже почали адаптацію світильників по технології LED за адекватними цінами (див. рис 2.10 Світильник, адаптований до технології LED).

–       Напруга живлення світлодіода значно менше напруги живлення звичайних ламп розжарювання. Тому світлодіоди з'єднують послідовно або використовують перетворювачі напруги.

–       Низька гранична температура: потужні освітлювальні світлодіоди вимагають зовнішнього радіатора для охолодження, бо мають несприятливе співвідношення своїх розмірів до виділеної теплової потужності (фізичні розміри світлодіодів малі при високій потужності розсіюється випромінювання) і не можуть розсіяти стільки тепла, скільки виділяють (незважаючи навіть на більш високий ККД, ніж у ламп розжарювання). Освітлювальний світлодіод потужністю 10 Ватт вимагає пасивний радіатор розміром як у мікропроцесора Pentium 4 без вентилятора. Такий великий радіатор не тільки здорожує конструкцію, але і проблемно може бути вписана в формат побутових освітлювальних приладів.

–       Для живлення одиночного світлодіода від мережі живлення необхідний низьковольтний джерело живлення постійного струму, теж з радіатором, що додатково збільшує обсяг світильника, а його наявність додатково знижує загальну надійність і вимагає додаткового захисту. Тому багато розробників обмежуються випрямлячем, а світлодіоди включають послідовно.

–       Високий коефіцієнт пульсацій світлового потоку при живленні безпосередньо від мережі промислової частоти без згладжуючого конденсатора, при його наявності пульсації - малі.

–       Дешеві масові LED мають світлову віддачу 60-100 лм / Вт, що по економічності рівні звичайним люмінесцентним лампам денного світла.

–       Спектр відрізняється від сонячного. Разом з тим, цей недолік у порівнянні з люмінісцентними лампами менш значний, тому що завдяки особливостям людського сприйняття і при правильно підібраних люмінофорах це непомітно.

–       Німецькі фахівці в процесі тестування в кінці 2009 року виявили, що реальний середній термін служби світлодіодних ламп для напруги 220-240В опинився близько 50 000 годин проти заявлених виробниками 100000 годин.

–       Незважаючи на легкість регулювання яскравості світлодіода зміною живильної постійної напруги, більшість ламп, призначених для мережі 220-240 В, не пристосовані для живлення їх через диммер. Причина в конструкції вбудованого в лампу вторинного джерела живлення. Проте, існують спеціальні регульовані діммером світлодіодні лампи.

Світлодіодні технології освітлення завдяки ефективному витраті електроенергії і простоті конструкції знайшли широке застосування в світильниках, прожекторах, світлодіодних стрічках, декоративної світлотехніки і особливо в компактних освітлювальних приладах - ручних ліхтариках. Світлодіодні освітлювальні прилади підрозділяються на вуличні та інтер'єрні. Сьогодні їх застосовують для підсвічування будівель, автомобілів, вулиць і рекламних конструкцій, фонтанів, тунелів і мостів. Дане освітлення використовують для підсвічування виробничих та офісних приміщень, домашнього інтер'єру і меблів.

Світлодіодне освітлення застосовується в світлотехніці для створення дизайнерського висвітлення в спеціальних сучасних дизайн-проектах. Надійність світлодіодних джерел світла дозволяє використовувати їх у важкодоступних для частої заміни місцях (вбудоване стельове освітлення, всередині натяжних стель і т.д.).

Декоративна світлодіодне підсвічування в основному застосовується для святкової ілюмінації. Для чого використовується новорічна прикраса - світлодіодна гірлянда. У період свят (більшою мірою новорічних) їх можна побачити на вулицях міст, вони прикрашають дерева, фасади будівель та інші вуличні об'єкти.

3. Порівняння характеристик освітлювальних приладів

Таблиця 3.1 - ККД та світлова віддача освітлювальних приладів

У розділі №2 Основні види освітлювальних пристроїв ми оглянули актуальні освітлювальні прилади: від традиційної лампи розжарювання до найновітніших світлодіодних ламп. З’ясували їх переваги та недоліки. Визначили, що найперспективнішими освітлювальними приладами є світлодіодна лампа та компактна люмінесцентна лампа. Вони мають високий ККД, рівень освітлення, але в той самий час мають і деякі недоліки такі, як висока ціна і складність конструкції та проблеми з утилізацією та пожежною безпекою. Як результат виконання даного розділу було створено табл. 3.1 в яку були занесені основні характеристики освітлювальних приладів їх ККД та світлової віддачі.

Світлова віддача джерела світла - відношення випромінюваного джерелом світлового потоку до споживаної ним потужності. Вимірюється в люменах на ват (лм / вт). Служить характеристикою джерел як таких і їх економічності, показуючи, яка кількість витраченої енергії переходить в тепло або інші види енергії, крім електромагнітної.

Термін світлова віддача (світловіддача) має на увазі також ефективність за одиницю часу, тобто показує сукупну віддачу у видимому діапазоні електромагнітного випромінювання від джерела випромінювання в реальному часі.

Світловий потік - кількість випромінюваної енергії, що протікає через одиницю площі за одиницю часу, характеризує потужність джерела світла і вимірюється в люменах (лм).

ККД будемо називати відношення потужності світлового потоку до споживаної потужності джерела світла, лм / Вт.

Для визначення величини світлового потоку, спочатку необхідно спектральну щільність потужності випромінювання помножити на криву спектральної чутливості ока Vл, потім проінтегрувати в межах видимого діапазону довжин хвилі (тобто від 380 до 780 нм). Потім отриманий результат (Цe; вимірюється в Вт) потрібно помножити на фотометричний еквівалент випромінювання (Km константа = 683 лм / Вт)).

 (3.1)

де Km - константа = 683 лм / Вт;л - крива спектральної чутливості ока;

Цe - фотометричний й еквівалент випромінювання;

Л - довжина хвилію.

Вимірювання світлового потоку від джерела світла проводиться за допомогою спеціальних приладів - сферичних фотометрів, або фотометричних гоніометрів. Труднощі вимірювання полягає в тому, що необхідно виміряти потік, який випускається у всіх напрямках - в тілесний кут 4р.

Для цього можна використовувати сферичний фотометр - прилад, що представляє собою сферу з внутрішнім покриттям, що має коефіцієнт відбиття близький до 1. Досліджуваний джерело світла поміщається в центр сфери і за допомогою фотоелемента, вмонтованого в стінку сфери і покритого фільтром з кривою пропускання, рівної кривої спектральної чутливості ока, вимірюється сигнал, пропорційний освітленості фотоелемента, яка, в свою чергу, в цьому пристрої пропорційна світловому потоку від джерела світла (фотоелемент вимірює тільки розсіяний світло, так як закритий від прямого випромінювання джерела спеціальним екраном). Шляхом порівняння отриманого сигналу з сигналом від еталонного джерела світла можна виміряти абсолютний світловий потік джерела світла.

Інша можливість полягає в застосуванні фотометричних гоніометрів. В цьому випадку проводиться вимірювання освітленості, створюваної досліджуваним джерелом, на уявній сферичної поверхні. Для цього люксметр проходить послідовно за допомогою гоніометра всі позиції на сфері. Інтегруючи виміряні освітленості (вимірюються в люксах: 1 люкс = 1 люмен / м ²) по площі сфери (м ²), отримаємо абсолютний світловий потік джерела світла (в люменах). Умовою отримання абсолютних значень є калібрований в абсолютних величинах люксметр. Можна також використовувати простий фотоелемент, якщо порівнювати виміряний потік з потоком від еталонного джерела.

4. Світлодіод

Світлодіоди випромінюють не тільки унікальний за своїми характеристиками світло, а й завидний оптимізм з приводу свого місця на ринку світлотехніки. По-англійськи світлодіод називається light emitting diode, або LED

Особливо активно експансія LED розгортається в області інтер'єрного оформлення і світлодизайну.

Інтерес до світлодіодів зростає швидше, ніж територія їх застосування в світлотехніці. Виробники та споживачі, продавці і покупці - все ніби завмерли на старті, боячись відстати від інших. І тільки дизайнери вже щосили користуються унікальними можливостями світлодіодів. Давно минув той час, коли світлодіоди були цікаві одним лише вченим. Тепер світлодіодна тема у всіх на слуху. Кажуть, за ними майбутнє!

Хоча люмінесценцію в карбіді кремнію вперше спостерігав Раунд в 1907 р., Олег Володимирович Лосєв в Нижегородської радіолабораторії в 1923 р. показав, що вона виникає поблизу p-n-переходу. О.В. Лосєв цілком оцінив практичну значимість свого відкриття, що дозволяв створювати малогабаритні твердотільні (безвакуумні) джерела світла з дуже низькою напругою живлення (менше 10 В) і дуже високою швидкодією. Отримані ним два авторських свідоцтва на «Світлове реле» (перше заявлено в лютому 1927 р.) формально закріпили за Росією пріоритет в області світлодіодів, втрачений в 1960-рр. на користь США після винаходу сучасних світлодіодів, придатних до практичного застосування.

Багатошарові тонкоплівкові структури, виготовлені з органічних сполук, які ефективно випромінюють світло при пропусканні через них електричного струму. Основне застосування органічних світлодіодів - OLED знаходить при створенні пристроїв відображення інформації (дисплеїв). Передбачається, що виробництво таких дисплеїв буде набагато дешевше, ніж виробництво рідкокристалічних дисплеїв.

Головна проблема для OLED - час безперервної роботи, яка повинна бути не менше 15 тис. годин. Одна проблема, яка нині перешкоджає широкому розповсюдженню цієї технології, полягає в тому, що «червоний» OLED і «зелений» OLED можуть безперервно працювати на десятки тисяч годин довше ніж «синій» OLED. Це візуально спотворює зображення, причому час якісного показу неприйнятно для комерційно життєздатного пристрою. Хоча сьогодні «синій» OLED-таки добрався до позначки в 17,5 тис. годин безперервної роботи.

Дисплеї з органічних світлодіодів широко застосовуються в стільникових телефонах, GPS-навігаторах, для створення приладів нічного бачення.

4.1 Означення

Світлодіо́д - напівпровідниковий пристрій, що випромінює некогерентне світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектру до близької до ультрафіолету. Існують методи розширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру, рівномірно у всіх напрямках, звичайні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі.

Рисунок 4.1 - Світлодіоди різного кольору і форми

Як і в нормальному напівпровідниковому діоді, в світлодіоді є p-n перехід. При пропусканні електричного струму в прямому напрямку, носії заряду - електрони і дірки, рекомбінують, з випромінюванням фотонів.

Не всі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло, при рекомбінації. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозоні напівпровідники типу AIIIBV (наприклад, GaAs або InP) і AIIBVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль, - від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнієвий Si або германієвий Ge діоди, а також сплави SiGe, SiC), світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвиненістю кремнієвої технології, роботи зі створення світлодіодів на основі кремнію активно ведуться. Останнім часом, великі надії пов'язують з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

4.2 Структура та види світлодіодів

Так як світлодіод є напівпровідниковим приладом, то при включенні в ланцюг необхідно дотримуватись полярності. Світлодіод має два контакти, один з яких катод («мінус»), а інший - анод («плюс»).

Рисунок 4.2 - Схематичне та електричне зображення світлодіодів на схемі

Світлодіод складається з напівпровідникового кристала на підкладці, корпусу з контактними вивідами і оптичної системи. Сучасні світлодіоди мало схожі на перші корпусні світлодіоди, що застосовувалися для індикації. Конструкція потужного світлодіода серії Luxeon, що випускається компанією Lumileds, схематично зображено на малюнку 4.3.

Рисунок 4.3

Принцип роботи світлодіода полягає в наступному: світіння виникає при рекомбінації електронів і дірок в області pn-переходу. Значить, перш за все потрібен pn-перехід, тобто контакт двох напівпровідників з різними типами провідності. Для цього приконтактні шари напівпровідникового кристала легують різними домішками: по одну сторону акцепторними, по іншу - донорськими.

Але не всякий pn-перехід випромінює світло. Чому? По-перше, ширина забороненої зони в активній області світлодіода повинна бути близька до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, ймовірність випромінювання при рекомбінації електронно-діркових пар повинна бути високою, для чого напівпровідниковий кристал повинен містити мало дефектів, через які рекомбінація відбувається без випромінювання. Ці умови в тій чи іншій мірі суперечать один одному.

Реально, щоб дотримати обидві умови, одного р-п-переходу в кристалі виявляється недостатньо, і доводиться виготовляти багатошарові напівпровідникові структури, так звані гетеро структури.

Чим більший струм проходить через світлодіод, тим він світить яскравіше. Адже чим більше струм, тим більше електронів і дірок надходять в зону рекомбінації в одиницю часу. Але струм не можна збільшувати до безкінечності. Через внутрішній опір напівпровідника і pn-переходу діод перегріється і вийде з ладу.

Світлодіод хороший тим, що в ньому, на відміну від лампи розжарювання або люмінесцентної лампи, електричний струм перетвориться безпосередньо в світлове випромінювання, і теоретично це можна зробити майже без втрат. Дійсно, світлодіод (при належному тепловідвід) мало нагрівається, що робить його незамінним для деяких сфер. Далі, світлодіод випромінює у вузькій частині спектра, його колір чистий, що особливо цінують дизайнери, а УФ-та ІЧ-випромінювання, як правило, відсутні. Світлодіод механічно міцний і винятково надійний, його термін служби може досягати 100 000 годин, що майже в 100 разів більше, ніж у лампочки розжарювання, і в 5 - 10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи. Нарешті, світлодіод - низьковольтний електроприлад, а отже, безпечний.

Рисунок 4.4 - Світлова віддача різних типів світлодіодів в порівнянні з іншими джерелами світла

Поганий світлодіод тільки одним - ціною. Поки що ціна одного люмена, випроміненого світлодіодом, в 12-100 разів вище, ніж галогенною лампою. Але фахівці стверджують, що в найближчі 2 - 3 роки цей показник буде знижений в 10 разів.

Спочатку світлодіоди застосовувалися виключно для індикації. Щоб зробити їх придатними для освітлення, необхідно було перш за все навчитися виготовляти білі світлодіоди, а також збільшити їх яскравість, а точніше світловіддачу, тобто відношення світлового потоку до споживаної енергії.

У 60-х і 70-х роках були створені світлодіоди на основі фосфіду і арсеніду галію, що випромінюють в жовто-зеленій, жовтої та червоної областях спектру. Їх застосовували в світлових індикаторах, табло, приладових панелях автомобілів і літаків, рекламних екранах, різних системах візуалізації інформації. За світловіддачі світлодіоди обігнали звичайні лампи розжарювання. По довговічності, надійності, безпеки вони теж їх перевершили. Одне було погано - не існувало світлодіодів синього, синьо-зеленого і білого кольору.

До кінця 80-х років у СРСР випускалося більше 100 млн світлодіодів на рік, а світове виробництво складало кілька десятків мільярдів.

Колір світлодіода залежить виключно від ширини забороненої зони, в якій рекомбінують електрони і дірки, тобто від матеріалу напівпровідника, і від легуючих домішок. Чим «синіший» світлодіод, тим вище енергія квантів, а значить, тим більше повинна бути ширина забороненої зони.

Блакитні світлодіоди можна зробити на основі напівпровідників з великою шириною забороненої зони - карбіду кремнію, сполучень елементів II і IV групи або нітридів елементів III групи.

У світлодіодів на основі SiC виявився занадто малий ККД та низький квантовий вихід випромінювання (тобто число випроменених квантів на одну рекомбіновану пару). У світлодіодів на основі твердих розчинів селеніду цинку ZnSe квантовий вихід був вище, але вони перегрівалися через велику опір і служили недовго. Залишалася надія на нітриди.

Нітрид галію GaN плавиться при 2000° С, при цьому рівноважний тиск парів азоту становить 40 атмосфер; ясно, що ростити такі кристали непросто. Аналогічні з'єднання - нітрили алюмінію та індію - теж напівпровідники. Їх сполуки утворюють потрійні тверді розчини з шириною забороненої зони, яка залежить від складу, який можна підібрати так, щоб генерувати світло потрібної довжини хвилі, у тому числі і синій.

Першим, ще в 70-х, блакитний світлодіод на основі плівок нітриду галію на сапфірової підкладці вдалося отримати професору Жаку Панкову (Якову Ісаєвичу Панчечнікову) з фірми IBM (США). Квантовий вихід був достатній для практичних застосувань, але роботи Панкова не підтримали.

Тим часом група Сапарін і Чукічева з МДУ виявила, що під дією електронного пучка GaN з домішкою цинку стає яскравим люмінофором, і навіть запатентувала пристрій оптичної пам'яті. Але тоді загадкове явище пояснити не вдалося.

Це зробили японці - професор І. Акасака і доктор X. Амано з університету Нагоя. Обробивши плівку GaN з домішкою магнію електронним пучком зі скануванням, вони отримали яскраво люмінісцюючий шар р-типу з високою концентрацією дірок. Однак розробники світлодіодів не звернули належної уваги на їх публікації.

Лише в 1989 році доктор Ш. Накамура з фірми Nichia Chemical, досліджуючи плівки нітридів елементів III групи, зумів скористатися результатами професора Акасака. Він так підібрав легування (Мд, Zn) і термообробку, замінивши нею електронне сканування, що зміг отримати ефективно инжектуючі шари р-типу в GaN-гетероструктурах. Так був отриманий блакитний світлодіод.

Фірма Nichia запатентувала ключові етапи технології і до кінця 1997 року випускала вже 10 - 20 млн. блакитних і зелених світлодіодів на місяць, а в січні 1998 року приступила до випуску білих світлодіодів.

Квантовий вихід - це число випроменених квантів світла на одну рекомбіновану електронно-діркову пару. Розрізняють внутрішній і зовнішній квантовий вихід. Внутрішній - в самому pn-переході, зовнішній - для приладу в цілому (адже світло може губитися «по дорозі» - поглинатися, розсіюватися). Внутрішній квантовий вихід для хороших кристалів з хорошим тепло-відводом досягає майже 100%, рекорд зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів складає 55%, а для синіх - 35%.

Зовнішній квантовий вихід - одна з основних характеристик ефективності світлодіода.

Винахід синіх світлодіодів замкнуло «RGB-коло» і зробило можливим отримання світлодіодів білого світіння. Існує чотири способи створення білих СД, кожен зі своїми достоїнствами і недоліками. Один з них - змішання випромінювання СД трьох або більше кольорів. На рис. 4.5 показано отримання білого світла шляхом змішування в певній пропорції випромінювання червоного, зеленого і синього світлодіодів.

Рисунок 4.5 - Отримання білого світла методом змішування червоного, зеленого, та синього випромінювання

В принципі такий спосіб повинен бути найбільш ефективним. Для кожного з СД - червоного, зеленого або блакитного - можна вибрати значення струму, відповідні максимуму його зовнішнього квантового виходу випромінювання. Але при цих токах і напругах інтенсивності кожного кольору не будуть відповідати значенням, необхідним для синтезу білого кольору. Цього можна досягти, змінюючи число діодів кожного кольору і складаючи джерело з багатьох діодів. Для практичних застосувань цей спосіб незручний, оскільки потрібно мати кілька джерел різної напруги, багато контактних вводів і пристрої, змішуючі і фокусують світло від декількох СД. Другий і третій способи - змішання блакитного випромінювання СД з випромінюванням або жовто-зеленого люмінофора, або зеленого і червоного люмінофорів, порушуваних цим блакитним випромінюванням. На рис. 4.6 показано отримання білого світла за допомогою кристала синього світлодіода і нанесеного на нього шару жовтого люмінофора.

Ці способи найбільш прості і в даний час найбільш економічні. Склад кристала з гетероструктурах на основі InGaN / GaN підбирається так, щоб його спектр випромінювання відповідав спектрами збудження люмінофорів. Кристал покривається шаром гелю з порошком люмінофора таким чином, щоб частина блакитного випромінювання порушувала люмінофор, а частина - проходила без поглинання. Форма тримача, товщина шару гелю і форма пластикового купола розраховуються і підбираються так, щоб випромінювання мало білий колір в потрібному тілесному куті. Зараз досліджується близько десятка різних люмінофорів для білих СД. На рис. 4.6 показано будова 5 мм світлодіода, випромінюючого білий світ. Четвертий спосіб - змішання з отримання трьох люмінофорів (червоного, зеленого і блакитного), порушуваних ультрафіолетовим світлодіодом. На рис. 4.7 показано отримання білого світла за допомогою ультрафіолетового світлодіода і RGB-люмінофора. Цей спосіб використовує технології і матеріали, які розроблялися протягом багатьох років для люмінесцентних ламп. Він вимагає тільки два контактних введення на один випромінювач.

Рисунок 4.7 - Будова 5 мм світлодіода випромінюючого білий колір

Але цей спосіб пов'язаний з принциповими втратами енергії при перетворенні світла від діода в люмінофора. Крім того, ефективність джерела випромінювання зменшується, тому що різні люмінофори мають різні спектри збудження люмінесценції, не точно відповідні УФ-спектру випромінювання кристала СД. Светоотдача білих СД нижче, ніж світловіддача СД з вузьким спектром, оскільки в них відбувається подвійне перетворення енергії, частина її втрачається в люмінофорі. В даний час світловіддача кращих білих СД 25… 30 лм / Вт

Рисунок 4.8 - Отримання білого кольору за допомогою синього світло діоду і RGB люмінофору.

Існує три способи одержання білого світла від світлодіодів. Перший - змішування кольорів за технологією RGB. На одній матриці щільно розміщуються червоні, блакитні та зелені світлодіоди, випромінювання яких змішується з допомогою оптичної системи, наприклад лінзи. В результаті виходить білий світ. Другий спосіб полягає в тому, що на поверхню світлодіода, випромінюючого в ультрафіолетовому діапазоні (є й такі), наносяться три люмінофора, випромінюючих, відповідно, блакитний, зелений і червоний світло. Це схоже на те, як світить люмінесцентна лампа. І, нарешті, в третьому способі жовто-зелений або зелений плюс червоний люмінофор наносяться на блакитний світлодіод, так що два або три випромінювання змішуються, утворюючи білий або близьке до білого світло.

У кожного способу є свої достоїнства і недоліки. Технологія RGB в принципі дозволяє не тільки отримати білий колір, а й переміщатися по кольоровій діаграмі при зміні струму через різні світлодіоди. Цим процесом можна керувати вручну або за допомогою програми, можна також отримувати різні колірні температури. Тому RGB-матриці широко використовуються в світлодинамічних системах. Крім того, велика кількість світлодіодів в матриці забезпечує високий сумарний світловий потік і велику осьову силу світла. Але світлове пляма через аберацій оптичної системи має неоднаковий колір в центрі і по краях, а головне, через нерівномірне відводу тепла з країв матриці і з її середини світлодіоди нагріваються по-різному, і, відповідно, по-різному змінюється їх колір в процесі старіння - сумарні колірна температура і колір «пливуть» за час експлуатації. Це неприємне явище досить складно і дорого компенсувати.

Білі світлодіоди з люмінофорами істотно дешевше, ніж світлодіодні RGB-матриці, і дозволяють отримати хороший білий колір. Недоліки ж такі: по-перше, у них менше, ніж у RGB-матриць, світловіддача через перетворення світла в шарі люмінофора, по-друге, досить важко точно проконтролювати рівномірність нанесення люмінофора в технологічному процесі і, отже, колірну температуру, і нарешті по-третє - люмінофор теж старіє, причому швидше, ніж сам світлодіод.

4.3 Властивості

Світлодіод - низьковольтний прилад. Звичайний світлодіод, який застосовується для індикації, споживає від 2 до 4В постійної напруги при струмі до 50 мА. Світлодіод, який використовується для освітлення, споживає таку ж напругу, але струм вище - від кількох сотень мА до 1А в перспективі. У світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути включені послідовно, і сумарне напруга виявляється більш високою (зазвичай 12 або 24 В).

При підключенні світлодіода необхідно дотримуватись полярності, інакше прилад може вийти з ладу. Напруга пробою вказується виробником і звичайно складає більше 5В для одного світлодіода. Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком і осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існуючі світлодіоди різних конструкцій випромінюють в тілесному куті від 4 до 140 градусів. Колір, як завжди, визначається координатами кольоровості і колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання.

Для порівняння ефективності світлодіодів між собою і з іншими джерелами світла використовується світловіддача: величина світлового потоку на один ват електричної потужності. Також цікавою маркетингової характеристикою виявляється ціна одного люмена.

Реакція світлодіода на підвищення температури така: pn-перехід - це «цеглинка» напівпровідникової електронної техніки, що представляє собою з'єднані разом два шматки напівпровідника з різними типами провідності (один з надлишком електронів - «n-тип», другий з надлишком дірок - «p - тип»). Якщо до pn переходу прикласти «пряме зміщення», тобто під'єднати джерело електричного струму плюсом до р-частини, то через нього потече струм. Сучасні технології дозволяють створювати інтегральні схеми, що містять величезну кількість pn переходів на одному кристалі; так, в процесорі Pentium-IV їх кількість вимірюється десятками мільйонів.

Нас цікавить, що відбувається після того, як через прямо зміщений pn перехід пішов струм, а саме момент рекомбінації носіїв електричного заряду - електронів і дірок, коли мають негативний заряд електрони «знаходять притулок» в позитивно заряджених іонах кристалічної решітки напівпровідника. Виявляється, що така рекомбінація може бути випромінювальною, при цьому в момент зустрічі електрона і дірки виділяється енергія у вигляді випромінювання кванта світла - фотона. У разі безвипромінювальної рекомбінації енергія витрачається на нагрівання речовини. У природі існує як мінімум 5 видів випромінювальної рекомбінації носіїв зарядів, в тому числі так звана прямозоні рекомбінація. Вперше це явище в далекі 20-ті роки досліджував О.В. Лосєв, який спостерігав світіння кристалів карборунда (карбід кремнію SiC). Для більшості напівпровідникових діодів це явище - просто «побічний ефект», що не має практичного сенсу. Для світлодіодів ж випромінювальна рекомбінація - фізична основа їх роботи.

Говорячи про температуру світлодіода, необхідно розрізняти температуру на поверхні кристала і в області pn-переходу. Від першої залежить термін служби, від другої - світловий вихід. В цілому з підвищенням температури pn-переходу яскравість світлодіода падає, тому що зменшується внутрішній квантовий вихід через вплив коливань кристалічної решітки. Тому так важливий хороший тепловідвід.

Рисунок 4.9

Падіння яскравості з підвищенням температури не однаково у світлодіодів різних кольорів. Воно більше у AlGalnP-і AeGaAs-світлодіодів, тобто у червоних і жовтих, і менше у InGaN, тобто у зелених, синіх і білих.

Струм через світлодіод потрібно стабілізувати.

Як видно з малюнка 4.9, в робочих режимах струм експоненціально залежить від напруги і незначні зміни напруги призводять до великих змін струму. Оскільки світловий вихід прямо пропорційний току, то і яскравість світлодіода виявляється нестабільною. Тому струм необхідно стабілізувати. Крім того, якщо струм перевищить допустиму межу, то перегрів світлодіода може привести до його прискореного старіння.

Світлодіоди допускається «живити» в імпульсному режимі, при цьому імпульсний струм, що протікає через прилад, може бути вище, ніж значення постійного струму (до 150 мА при тривалості імпульсів 100 мкс і частоті імпульсів 1 кГц). Для управління яскравістю світлодіодів (і кольором, в разі змішування кольорів) використовується широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) - метод, дуже поширений в сучасній електроніці. Це дозволяє створювати контролери з можливістю плавної зміни яскравості (диммери) і кольору (колор-чейнджери).

Конвертор (в англомовній термінології driver) для світлодіоди - те саме, що баласт для лампи. Він стабілізує струм, що протікає через світлодіод.

Яскравість світлодіодів дуже добре піддається регулюванню, але не за рахунок зниження напруги живлення - цього-то якраз робити не можна, - а так званим методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), для чого необхідний спеціальний керуючий блок (реально він може бути поєднаний з блоком живлення та конвертором, а також з контролером керування кольором RGB-матриці). Метод ШІМ полягає в тому, що на світлодіод подається не постійний, а імпульсно-модульований струм, причому частота сигналу повинна складати сотні або тисячі герц, а ширина імпульсів і пауз між ними може змінюватися. Середня яскравість світлодіода стає керованою, в той же час світлодіод не гасне. Невелика зміна колірної температури світлодіода при діммірованіі незрівнянно з аналогічним зсувом для ламп розжарювання.

Вважається, що світлодіоди виключно довговічні. Але це не зовсім так. Чим більший струм пропускається через світлодіод в процесі його служби, тим вище його температура і тим швидше настає старіння. Тому термін служби у потужних світлодіодів коротше, ніж у малопотужних сигнальних, і складає в даний час 20 - 50 000 годин. Старіння виражається в першу чергу в зменшенні яскравості. Коли яскравість знижується на 30% або наполовину, світлодіод треба міняти.

Старіння світлодіода пов'язано не тільки зі зниженням його яскравості, але і зі зміною кольору. В даний час немає стандартів, які дозволили б висловити кількісно зміну кольору світлодіодів в процесі старіння і порівняти з іншими джерелами.

Спектр випромінювання світлодіода близький до монохроматичному, в чому його кардинальна відмінність від спектра сонця або лампи розжарювання. Добре це чи погано - достеменно не відомо, тому що, серйозних досліджень у цій області ніде не проводилося. Будь-які дані про шкідливий вплив світлодіодів на людське око відсутні.

Є надія, що незабаром вплив світлодіодів на зір буде вивчено досконально. Проблемою зацікавився академік Михайло Аркадійович Островський - великий фахівець в області кольорового зору.

Технології виготовлення світлодіодів та світлодіодних модулів існуючих на сьогоднішній день: що стосується вирощування кристалів, то основна технологія - металоорганічні епітаксії. Для цього процесу необхідні особливо чисті гази. У сучасних установках передбачені автоматизація і контроль складу газів, їх роздільні потоки, точне регулювання температури газів і підкладок. Товщини вирощуваних шарів вимірюються та контролюються в межах від десятків ангстрем до кількох мікрон. Різні шари необхідно легувати домішками, донорами або акцепторами, щоб створити pn-перехід з великою концентрацією електронів в n-області і дірок - в р-області.

За один процес, який триває кілька годин, можна виростити структури на 6 - 12 підкладках діаметром 50 - 75 мм. Дуже важливо забезпечити та проконтролювати однорідність структур на поверхні підкладок. Вартість установок для епітаксійного росту напівпровідникових нітридів, розроблених в Європі (фірми Aixtron і Thomas Swan) і США (Emcore), досягає 1,5 - 2 млн доларів. Досвід різних фірм показав, що навчитися отримувати на такій установці конкурентоспроможні структури з необхідними параметрами можна за час від одного року до трьох років. Це - технологія, що вимагає високої культури.

Важливим етапом технології є планарна обробка плівок: їх травлення, створення контактів до п-і р-верствам, покриття металевими плівками для контактних висновків. Плівку, вирощену на одній підкладці, можна розрізати на кілька тисяч чіпів розмірами від 0,24 x0, 24 до 1x1 мм².

Наступним кроком є ​​створення світлодіодів з цих чіпів. Необхідно змонтувати кристал в корпусі, зробити контактні виводи, виготовити оптичні покриття, просвітлюючі поверхню для виводу випромінювання або відбивають його. Якщо це білий світлодіод, то потрібно рівномірно нанести люмінофор. Треба забезпечити тепловідвід від кристала і корпуса, зробити пластиковий купол, фокусуючий випромінювання в потрібний тілесний кут. Близько половини вартості світлодіода визначається цими етапами високої технології.

Рисунок 4.10

Необхідність підвищення потужності для збільшення світлового потоку призвела до того, що традиційна форма корпусного світлодіода перестала задовольняти виробників через недостатнє тепловідведення. Треба було максимально наблизити чіп до теплопроводящої поверхні. У зв'язку з цим на зміну традиційної технології і кілька більш досконалої SMD-технології (surface montage details - поверхневий монтаж деталей) приходить найбільш передова технологія СОВ (chip on board). Світлодіод, виготовлений за технологією СОВ, схематично зображено на малюнку 4.10.

Світлодіоди, виконані по SMD-і СОВ-технології, монтуються (приклеюються) безпосередньо на загальну підкладку, яка може виконувати роль радіатора - в цьому випадку вона робиться з металу. Так створюються світлодіодні модулі, які можуть мати лінійну, прямокутну або круглу форму, бути жорсткими або гнучкими, коротше, покликані задовольнити будь-яку примху дизайнера. З'являються і світлодіодні лампи з таким же цоколем, як у низьковольтних галогенних, покликані їм на заміну. А для потужних світильників і прожекторів виготовляються світлодіодні зборки на круглому масивному радіаторі.

Раніше в світлодіодних збірках було дуже багато світлодіодів. Зараз, у міру збільшення потужності, світлодіодів стає менше, зате оптична система, що направляє світловий потік в потрібний тілесний кут, грає все більшу роль.

Світлодіоди знаходять застосування практично у всіх областях світлотехніки, за винятком освітлення виробничих площ, та й там можуть використовуватися в аварійному освітленні. Світлодіоди виявляються незамінні в дизайнерському освітленні завдяки їх чистому кольору, а також в світлодинамічних системах. Вигідно ж їх застосовувати там, де дорого обходиться часте обслуговування, де необхідно жорстко економити електроенергію, і де високі вимоги з електробезпеки.

4.4 Зовнішній квантовий вихід

Якість світлодіода характеризується зовнішнім квантовим виходом:

з = г з_э з_опт, (4.1)

де г - коефійіент інжекції;

з_э - внутрішній квантовий вихід;

з_опт - оптична ефективність або коеффіціент виводу.

Множення гзе визначає, ефективність інжекційній електролюмінесценції. Проте навіть при великому значенні гзе зовнішній квантовий вихід світлодіод може виявитися малим внаслідок низького виводу випромінювання зі структури світлодіодів в зовнішнє середовище. При виведенні випромінювання з активної (випромінюючої) області світлодіоди мають місце втрати енергії (рис. 4.11).

Втрати на самопоглинання (промені 1 на рис. 4.11). При поглинанні напівпровідником фотонів їх енергія може бути передана електронам валентної зони з перекладом цих електронів в зону провідності. Можливо поглинання енергії фотонів вільними електронами зони провідності або дірками валентної зони. При цьому енергія фотонів витрачається також на переклад носіїв на більш високі для них енергетичні рівні, але в межах відповідної дозволеної зони. Можливо домішкові поглинання фотонів, при якому їх енергія йде на порушення домішкових рівнів. Крім того, в напівпровідниках може відбуватися поглинання фотонів кристалічною решіткою, поглинання з переходом електронів з акцепторного на донорний енергетичний рівень і деякі інші види поглинання.

Рисунок 4.11 - Втрати при виводі оптичного випромінювання з активної області

Втрати на повне внутрішнє віддзеркалення (промені 2 на рис. 4.11). При падінні випромінювання на межу розділу оптично більш щільною 'середовища (напівпровідник) з оптично менш щільною (повітря) для частини випромінювання виконується умова повного внутрішнього відображення. Ця частина випромінювання, відбившись всередину кристала, в кінцевому рахунку, втрачається за рахунок самопоглинання.

Повне внутрішнє віддзеркалення може сильно обмежувати зовнішній квантовий вихід світлодіод. Цей ефект особливо яскраво виражений в напівпровідниках з прямими переходами, де майже все випромінювання, зазнало повне внутрішнє віддзеркалення, поглинається. В напівпровідниках з непрямими переходами внутрішнє поглинання набагато слабкіше і, отже, випромінювання має більшу ймовірність дійти до будь-якої поверхні кристала діода. Втрати при проходженні світла всередині діодним структури приблизно пропорційні V/Sx0, де x0 - глибина поглинання, V - об'єм, S - площа повної поверхні кристала світлодіод.

Втрати в напівпровідниках обох типів обумовлені високими показниками заломлення матеріалів, використовуваних для світлодіод (n ≈ 3.3-3.8), і зростають при зменшенні ширини забороненої зони. Випромінювання, падаюче на поверхню під кутом 0, перевищує критичний кут, зазнає повне внутрішнє віддзеркалення. Випромінювання, падаюче під кутом, меншим критичного, також частково відбивається від непросвітленої поверхні. Це френелевскіе втрати. Якщо на поверхню напівпровідника нанести діелектричну плівку з відповідними значеннями товщини та показника заломлення, то вона буде надавати просвітлююче дію і коефіцієнт пропускання збільшиться; критичний кут при цьому практично не змінюється. Втрати на протилежне і торцеве випромінювання (промені 3 і 4 на рис 4.11). Генерація в активній області напівпровідника спонтанна і характеризується тим, що промені спрямовані равновероятно на всі боки. Промені 3, що поширюються в сторону емітера, швидко поглинаються. Активна область нерідко злегка відрізняється значенням показника заломлення від сусідніх областей. Тому промені 4 внаслідок багаторазових відбиттів фокусуються вздовж активної області, так що інтенсивність торцевогоIізлученія вище, ніж в інших напрямках виходу світла з кристала. Кількісно ефективність виведення оптичного випромінювання з світлодіодів характеризується коефіцієнтом виведення зопт і визначається відношенням потужності випромінювання, що виходить з світлодіодів, до потужності випромінювання, що генерується всередині кристалу:

з_опт = P_изл P_ген. (4.2)

Таким чином, зовнішній квантовий вихід зопт - це інтегральний показник излучательной здібності світлодіод, який враховує ефективність інжекції г, електролюмінесценції зе і виведення випромінювання зопт у створенні оптичного випромінювання. Інакше, зовнішній квантовий вихід з. визначається відношенням числа випромінюваних квантів до числа проходять за той же час через світлодіод носіїв заряду:

з = N_ф N_э. (4.3)

Світлодіод на основі гетероструктур. Найкращі параметри випромінювання мають світлодіод, виготовлені на основі гетероструктур (або гетеропереходів). Розглянемо основні особливості гетероструктури більш докладно, тому що вона є базою для виготовлення багатьох типів оптоелектронних приладів.

Гетеропереходів називають перехідний шар, що виникає на межі двох напівпровідників з різною шириною забороненої зони. Кожен з напівпровідників, що утворюють гетероперехід, може мати однаковий або різний тип електропровідності, і, відповідно, кожна пара напівпровідників може утворити чотири гетероструктури: p1-n2, n1-n2, n1-p2, p1-p2 Тут індекс 1 відноситься до напівпровідника з широкою забороненою зоною (ширококутного напівпровідник), а індекс 2 - до напівпровідника із вузькою зоною (вузькозонних напівпровідник).

Рух носіїв в рівноважному стані гетероструктури визначається носіями заряду тільки одного типу (для гетероструктури на рис. 2-електронами). Тому при додатку прямої напруги має місце. одностороння інжекція - тільки електронів з широкозонного шару (емітера) в вузькозонних шар (базу). Така структура, яка містить ширококутного емітер і вузькозонних базу, називається одинарної гетероструктур. Поряд з одинарною у світлодіоді використовується подвійна гетероструктура, в якій є додатково замикаючий ширококутного Р3-шар того ж, що і база, типу провідності У подвійній гетероструктурі другий потенційний бар'єр перешкоджає виходу електронів з базової області (зона бази утворює потенційну «яму», в якій накопичуються інжектовані електрони). Надлишкова, концентрація носіїв в активній, (випромінюючої) області та одностороння інжекція різко підвищують внутрішній квантовий вихід гетероструктури, а також її швидкодія.

Справді, використання подвійної гетероструктури забезпечує локалізацію інжектованих носіїв зарядів в базі при зменшенні її ширини аж до декількох мікрометрів. Це і дозволяє при збереженні внутрішнього квантового виходу значно підвищити швидкодію подвійних гетероструктур. В одинарної гетероструктурі при зменшенні ширини бази потужність випромінювання різко падає, а швидкодія зростає незначно. Для кращих зразків на одинарної гетероструктурі зовнішній квантовий вихід 3-4% а час перемикання 40-80 не; подвійні гетероструктури мають приблизно таке ж значення зовнішнього квантового виходу, а час перемикання 20-30 нс. Важливо підкреслити, що одностороння інжекція не пов'язана зі ступенем легування емітерний і базової областей, як це має місце в звичайному (гомогенному) переході. В результаті вона зберігається до значних щільностей струму і з'являється можливість зміни ступеня легування областей гетероструктури без погіршення інжекції р-n переходів.

Іншою відмінною рисою гетероструктур є різниця в оптичних властивостях бази і емітера. В результаті спектральна характеристика випромінювання вузькозонних бази виявляється зрушеної в область довгих хвиль по відношенню до спектральної характеристиці поглинання широкозонного емітера (рис. 4.11). Тому випромінювання виводиться з світлодіодів через емітер практично без поглинання.

Рисунок 4.11 - Спектральні характеристики бази та емітера гетероструктури

У випромінювачах з подвійною гетероструктур і віддаленої підкладкою позначається явище багаторазового відбиття («багатопрохідний ефект»). Промені, що зазнають на зовнішньому кордоні кристала гетероструктури повне внутрішнє віддзеркалення, багаторазово відбившись, від різних граней кристала, в кінці кінців, падають на зовнішню межу під таким кутом, який дає можливість їм вийти назовні. Очевидно, що багатопрохідний ефект є корисним тільки в тому випадку, якщо поглинання випромінювання в напівпровіднику мало. Поглинання в вузькозонних базі вдається трохи компенсувати за допомогою фотолюмінесценції: поглинання кванта випромінювання веде до нового акту випромінювання.

Всі переваги гетероструктур досяжні тільки при високій якості гетеропереходу. Для отримання якісного гетеропереходу необхідно мати гарний збіг параметрів структури по обидві сторони від металургійної кордону: відмінність постійних кристалічних граток не повинно перевищувати 0,01%, близькими повинні бути і температурні коефіцієнти розширення. У тих випадках, коли ці вимоги не виконуються, висока концентрація дефектів в області гетеропереходу практично зводить до нуля всі його переваги.

4.5 Випромінювальна характеристика

Залежно від способу використання випромінювання світлодіодів - візуального або невізуальних - оптичні властивості світлодіоди описуються світловими або енергетичними параметрами. При візуальної передачі інформації від світлодіода в разі їх застосування в знакових індикаторах, при підсвічуванні написів і пускових кнопок, для індикації стану електронного в пристрої і т. п. приймачем випромінювання служить людське око. Невізуальні передача інформації характеризується тим, що виявлення потоку випромінювання від світлодіода, що працює зазвичай в ІК-діапазоні (ІК-діод), виключає людський зір і здійснюється фізичним фотоприймачем. До невізуальних області застосування світлодіодів відносяться, наприклад, пристрої зчитування з перфокарт і перфострічок обчислювальних машин, всілякі оптичні пристрої зв'язку та сигналізації.

Ефективність світлодіодів характеризують залежностями параметрів оптичного випромінювання від прямого струму через світлодіод і від довжини хвилі випромінювання. Залежність потоку випромінювання Фе від прямого струму Іпр наводиться для ІЧ-діодів і називається излучательной характеристикою (рис. 4.12). Для світлодіодів візуального застосування випромінювальна характеристика задається зазвичай залежністю сили світла Iх від прямого струму Іпр. В якості параметра електричного режиму обраний прямий струм через світлодіод, а не напруга на світлодіодах. Це пов'язано з тим, що р-n перехід світлодіоди включений в прямому напрямку і електричний опір світлодіоди мало. Тому можна вважати, що, прямий струм через світлодіод задається зовнішньої ланцюгом, змінюється в широкому діапазоні і легко вимірюється.

При малих струмах Іпр велика частка рекомбінаційної складової струму і коефіцієнт інжекції відповідно до вираженням малий. З ростом прямого струму потік випромінювання спочатку швидко збільшується до тих пір, поки в струмі діода не стає переважаючою дифузійна складова струму.

1 - участок характеристики при малых токах;

- участок характеристики при больших токах.

Рисунок 4.12 - Випромінювальна характеристика

Подальше збільшення Іпр призводить до поступового насичення центрів люмінесценції, і зниження излучательной здібності світлодіод. Крім того, із зростанням струму збільшується ймовірність ударної рекомбінації, що також зменшує випромінювальну здатність. Спільна дія розглянутих механізмів впливу прямого струму на силу випромінювання призводить до того, що випромінювальна характеристика має максимум при деякому певному струмі. Максимальна сила випромінювання залежить від площі і геометрії випромінюючого р-n переходу і від розмірів електричних контактів.

4.6 Спектральна характеристика

Залежність параметрів випромінювання від довжини хвилі оптичного випромінювання (або від енергії випромінюваних фотонів) називається спектральною характеристикою світлодіод. Довжина хвилі випромінювання визначається різницею двох енергетичних рівнів, між якими відбувається перехід електронів при люмінесценції. Довжина хвилі лmax випромінювання світлодіода визначається за формулою:

, (4.4)

де h - постійна Планка;

с - швидкість світла;- ширина забороненої зони;

коефіцієнт 1,23 вірний, якщо лmax вимірюється в мкм, а Е - в Ев.

В зв'язку з різною шириною забороненої зони у різних матеріалів Довжина хвилі випромінювання різна в різних типах світлодіод. Приклади спектральних характеристик Світлодіод на основі GaP і SiC з різними домішками наведені на рис. 4.13. Так як перехід електронів при рекомбінації носіїв заряду зазвичай відбувається не між двома енергетичними рівнями, а між двома групами енергетичних рівнів, то спектр випромінювання виявляється розмитим. Спектральний діапазон світло діодів характеризують шириною спектру випромінювання Дл0, 5, з міряти на висоті 0,5 максимуму характеристики.

Випромінювання більшості світлодіодів близько до квазімонохроматіческому (Дл / лmax << 1) і має відносно високу спрямованість розподілу потужності в просторі.

Рисунок 4.13 - Спектральні характеристики світлодіодів

Незалежно від того, наскільки ефективний світлодіод, вихідна випромінювання навіть великої потужності не буде зареєстровано, якщо довжина хвилі випромінювання не, відповідає спектру випромінювання, на який реагує фотоприймач. У величезній більшості випадків застосування світлодіодів повинен бути спектрально узгоджений або з людським оком, або з кремнієвим фотоприймачем. Діапазон спектральної чутливості фотоприймача становить приблизно 300-1100 нм. Людське око має істотно більш вузьким діапазоном чутливості з практично корисною областю 400-700 нм. Для ефективної роботи пари випромінювач - приймач необхідно ретельне узгодження спектральних характеристик цих приладів.

Наприклад, при узгодженні з людським оком світлодіод на основі GaAsP узгодження забезпечується вибором такої довжини хвилі, на якій твір відносної світловий ефективності очі V (л) і квантового виходу світлодіода з (л) є максимальним, тобто

(л) з(л) =max. (4.5)

Цей максимум досягається при л = 655 нм (рис. 4.13) - червоний колір випромінювання.

У світлодіод, що мають більш короткі довжини хвиль випромінювання (наприклад, з лmax = 565 нм - зелений колір і лmax = 585 нм - жовтий колір), значення з зазвичай істотно нижче, ніж у світлодіодів червоного кольору. Однак відносна чутливість ока при такій довжині хвилі значно більше.

В результаті вдається отримати набір випромінювачів від червоного до зеленого кольору світіння, які мають одне і те ж значення твору V (л) з (з точністю до порядку величини).

Слід підкреслити особливості спектрального узгодження світлодіод з фотодіодом. З одного боку, таке узгодження в порівнянні з узгодженням з людським оком полегшується, так як спектральний діапазон фотодіода значно ширше. З іншого боку, спектральне узгодження не завжди є вирішальним фактором ефективної роботи пари Світлодіод - фотоприймач.

4.7 Оптичні параметри

Оптичні властивості світлодіодів описуються групою оптичних параметрів. Оптичні параметри дозволяють вибрати світлодіод потрібного кольору світіння, який мав би максимальну світлову віддачу при заданому струмі. До оптичних параметрів світлодіода відносяться: довжина хвилі випромінювання лmax, домінуюча довжина хвилі випромінювання лдом, сила світла Iх і кут випромінювання и.

Довжина хвилі випромінювання лmax - це довжина хвилі, що відповідає максимуму спектральної щільності потоку випромінювання світлодіодів. Сучасні структури мають малий розкид значень довжини хвилі випромінювання для світлодіодів одного типу.

У візуальних застосування світлодіодів закріплюється на передній панелі приладу. При цьому він повинен бути добре видно при навколишньому освітленні в місці установки світлодіод. Зазвичай навколишнє освітленість досить висока. Тому для поліпшення сприйняття необхідно посилити контраст між індикатором і фоном. Посилення контрасту полягає в забезпеченні максимальної різниці яскравості включених і виключених світлодіод. Ця умова забезпечується двома шляхами. По-перше, зменшують відображення навколишнього світу від поверхні світлодіод. По-друге, забезпечують максимальне сприйняття оком світла, випромінюваного світлодіод.

В умовах штучного освітлення контраст підсилюють за допомогою виборчих оптичних фільтрів. Вплив такого фільтра на контрастність показано на прикладі знакового індикатора на рис. 8. Легко бачити, що візуальний контроль інформації при наявності фільтра істотно поліпшується.

Основна вимога до контрастному світлофільтри, полягає в хорошій вибірковості, тобто в хорошому пропущенні світла тільки для довжини хвилі випромінювання світлодіодів. Спектральна характеристика фільтра - це залежність відносного пропускання фільтра від довжини хвилі світла. Відносне пропускання Тф фільтра визначається співвідношенням:

Т_ф(л)= L_х(л)/L_х0, (4.6)

де L_х(л) - яскравість випромінювання з фільтром на довжині хвилі л;_х0 - яскравість випромінювання без фільтру на довжині л_max.

4.8 Параметри світлодіода як елемента електричного кола

Параметри світлодіоду як елемента електричного кола постійного струму визначаються його вольт-амперної характеристикою. Відмінності прямих гілок вольт-амперних характеристик світло діодів пов'язані з різницею у ширині забороненої зони застосовуваних матеріалів. Чим менше довжина хвилі випромінювання, тим більше пряме падіння напруги на світлодіоді і втрати електричної енергії в ньому. Зворотні гілки вольт-амперних характеристик мають малий допустиме зворотна напруга, оскільки ширина р-n переходу в світло діодах незначна. При роботі в схемах з великими зворотними напругами послідовно з світлодіодами необхідно включати зворотний (не випромінюючий) діод.

Швидкодія світлодіодів визначається інерційністю процесу випромінювання при подачі прямокутного імпульсу прямого струму. Час перемикання tпер складається з часу включення tВКЛ і виключення tвикл випромінювання. Інерційність світлодіодів визначається процесом перезаряду бар'єрної ємності (ємності pn-переходу) і процесами накопичення та розсмоктування неосновних носіїв в активній області світлодіод.

Для світлодіод, що працюють в режимі візуальної індикації, швидкодія виявляється другорядною характеристикою, так як інерційність людського ока складає близько 50 мс, що багато більше tпер світлодіод. Для систем запису і зчитування інформації без візуалізації, наприклад для випромінювачів в оптронів, час перемикання ІК-діода входить складовою частиною в загальний час перемикання оптоелектронного приладу. У цих випадках прагнуть зробити tпер ІЧ-діода мінімально можливим.

Важливою особливістю світлодіод є притаманна їм деградація - поступове зменшення потужності випромінювання. при тривалому протіканні через прилад прямого струму. Деградацію пов'язують зі збільшенням концентрації центрів безвипромінювальної рекомбінації за рахунок переміщення в електричному полі неконтрольованих домішкових атомів. Також грає роль дезактивація частини випромінювальних центрів за рахунок їх переходу з вузлів кристалічної решітки в междуузлия. Зниження потужності випромінювання через деградації підпорядковується експоненціальним законом:

Фх (t) = Фх (0) exp (-t/фдег), (4.7),

де Фх (0) - вихідна (початкова) потужність випромінювання світлодіодів; фдег - постійна часу, що характеризує швидкість процесу деградації.

Для більшості світло діодів фдег = 104 год (аж до 105 - 106 год), однак у деяких зразків термін служби не перевищує 103 г.

Розглянемо вплив температури на параметри і характеристики світлодіод.

З ростом температури зазвичай дещо збільшується довжина хвилі випромінювання лmax світлодіод. Це збільшення визначається тим, що з ростом температури зменшується ширина забороненої зони напівпровідника. У результаті довжина хвилі випромінювання збільшується.

Потік випромінювання (випромінювана потужність) з ростом температури зменшується. Нехай світлодіоди використовуються для візуальних цілей (приймач випромінювання - людське око). Тоді з ростом температури сила світла зменшується, з одного боку, за рахунок зміни чутливості ока зі зміною довжини хвилі, з іншого - за рахунок безпосереднього зменшення потужності випромінювання. Наприклад, для червоного світлодіода при 650 нм чутливість ока змінюється приблизно на 4,3% при зміні довжини хвилі на 1 мм. Зсув довжини хвилі складає 0,2 нм /° С. Сила світла змінюється приблизно на 1% при збільшенні температури на 1° С.

Сила світла світлодіоди змінюється з ростом температури за експоненціальним законом:

х (T) = Iх0 exp (-k (T-T0)), (4.8)

де Iх (T) - сила світла при температурі Т;х0 - сила світла при кімнатній температурі; k = ln TKIх

4.9 Можливості використання, недоліки та переваги

Поява понад яскравих, а також синіх (в середині 1990-х років) і білих діодів (на початку XXI століття) і постійне зниження їх ринкової вартості привернули увагу багатьох виробників до даних джерел світла. Світлодіоди стали використовувати в якості індикаторів режимів роботи електронних пристроїв, в підсвічуванні рідкокристалічних екранів різних приладів, у тому числі - мобільних телефонів і пр. Згодом застосування світлодіодів основних кольорів (червоного, синього і зеленого) дозволило отримувати кольору вивісок фактично будь-яких відтінків, а також конструювати з них дисплеї з висновком повнокольорової графіки та анімації.

Світлодіоди, за рахунок їх малої потреби в електроенергії, - оптимальний вибір декоративного освітлення в місцях, де існують проблеми з енергетикою

Термін служби світлодіодів, що перевищує в 6-8 разів довговічність люмінесцентних ламп, відносна простота в роботі з ними на етапі складання виробів, відсутність необхідності в регулярному обслуговуванні та їх антивандальні якості роблять ці джерела світла конкурентоспроможними з більш традиційними-газорозрядними, люмінесцентними лампами та лампами розжарювання. Одним з небагатьох і суттєвих аспектів, за рахунок якого неон утримує свої позиції в сегменті підсвічування вивісок, є поки що більш висока вартість світлодіодів.

Одним з достоїнств світлодіодів є їх довговічність. Дані джерела світла мають ресурсом використання 100 000 годин, а адже це 10-12 років безперервної роботи. Для порівняння - максимальний термін роботи неонових і люмінесцентних ламп становить 10 тис. годин.

За цей же час в світловому модулі, що використовує люмінесцентні лампи, їх потрібно буде змінити 8-10 разів, а лампи розжарювання доведеться заново «вкручувати» від 30 до 40 разів. Використання світлодіодних модулів дозволяє знизити витрати на електроенергію до 87%!

Світлодіодний модуль - багатокомпонентна структура з невибагливою схемою підключення. У ланцюжку, скажімо, з півсотні світлодіодів один-два несправних не тільки не виводять рекламний фрагмент з ладу, але навіть не впливають на сумарний світлове випромінювання. Гігантський ресурс роботи світлодіодів практично вирішує проблеми, пов'язані з необхідністю їх заміни. Крім того, світловипромінюючі діоди здатні надійно функціонувати в самому широкому діапазоні робочих температур.

Є надійність цілком особливого роду - та, від якої часом залежать людські життя. Застосування світлодіодів в пристроях відображення інформації (дорожні знаки, світлофори, інформаційні табло і т.д.) веде до значного збільшення відстані їх сприйняття людським оком. Невипадково в багатьох великих містах розвинених країн вже немає звичайних світлофорів, а світлодіодні схеми використовуються в повітряних і надводних навігаційних системах.

Іншим аспектом, завдяки якому светодиодам деякими замовниками віддається перевага, є їх міцність і антивандальні якості. На відміну від скляних трубок дані джерела світла виготовлені з пластику. За рахунок цього їх нелегко вивести з ладу за допомогою механічних пошкоджень. Характерне напругу, необхідне для роботи одного світлодіода, - 3-4 вольта. Тому в умовах, коли вимагається дотримання підвищених заходів безпеки або немає можливості використовувати високі напруги, світлодіоди є оптимальним вибором. Робоча напруга світлодіодних модулів, як згадувалося раніше, становить 10-12В. Очевидно, що при низькій напрузі не потрібно застосовувати проводи великого перерізу з сильною ізоляцією. Це також полегшує підключення світлодіодів до електромережі. У газорозрядних трубок, на відміну від світлодіодів, є поріг спрацьовування: щоб джерело світла загорівся, на початку необхідно подати на розряд необхідну напругу. Світлодіоди ж починають випромінювати світло відразу при підключенні до електромережі, і їх яскравість легко регулювати нарощуванням або зниженням напруги практично відразу після включення. Одним з важливих переваг світлодіодів є стійкість до впливу низьких температур. Відомо, що на морозі всередині газорозрядних джерел світла відбувається вимерзання ртуті, і це призводить до зниження яскравості світіння. При негативних температурах також виникають проблеми з включенням неону. Світлодіоди позбавлені цих мінусів.

Якби LED-технології не винайшли світлотехніки, їх би створили дизайнери. Світлодіоди, на відміну від ламп з неоном, мають практично необмежені можливості для «гри» з спектрами, ланцюжки яких можна вибудувати таким чином, щоб світлові акценти точно працювали на образ. Плавні, майже непомітні для ока світлові переходи від піку до піку в плані виразності, звичайно, поступаються живопису, але залишають далеко позаду інші джерела світла. Витончена цветодінаміка, характерна для світлодіодних модулів, здатна задовольнити вимоги найвибагливішого дизайнера. Цікаво, що гра зі спектрами має і екологічне значення. Адже криві чутливості, скажімо, рослин і людського ока не збігаються: ті спектри, які комфортні для нашого ока, часто дискомфортні для рослин, і навпаки. Зональне використання різних світлодіодних «ланцюжків» в тих інтер'єрах, де одночасно перебувають і рослини, і людина, знімають цю проблему.

Світлодіодні модулі надзвичайно компактні. Різні сувеніри, мініатюрні стенди і компактні табло, прикрашені світлодіодним символікою компанії, виглядають напрочуд виразно і незвично. Частка ринку світлотехнічних виробів, займана світлодіодами, становить мізерну частку. У розвинених країнах, особливо у великих містах і столицях, вона повільно, але вірно зростає. Своєрідним символом цієї ніжної і неминучою революції стало гігантське 500-метрове полотно з світлодіодів, безперервно простягнулося над головною вулицею Лас-Вегаса.

Поверхневий погляд на використання світлодіодів відразу відзначає їх високу вартість - головний недолік порівняно з лампами розжарювання і неоновими трубками різних типів. Якщо говорити про ціну вироби як такої, то LED-вироби дійсно «не кожному по кишені». До сих пір витрати на світлодіодні модулі - два рази вище вартості неонового вироби аналогічної яскравості. Однак виробники по всьому світу продовжують нарощувати потужності з виготовлення світлодіодів, і ціни на дані джерела світла неухильно знижуються. Практика показує, що сукупні витрати на придбання та експлуатацію світлодіодних виробів, в кінцевому підсумку виявляються в 2 - 2,5 рази нижче витрат на звичайні світильники.

Також недоліком при використанні світлодіодів в конструюванні об'ємних літер середніх і великих розмірів можна вважати їх мініатюрність, через яку потрібно об'єднувати численні окремі світлодіоди в групи. Щоб забезпечити яскравий і барвистий світ, миттєво привертає увагу, потрібна велика кількість світлодіодів. В даному випадку виникає необхідність використання універсальних модулів: один або два світлодіоди, які можна інтегрувати практично в будь-який рекламний образ.

Де застосовують світлодіоди?

·        всі види світлової реклами (вивіски, щити, світлові короби та ін);

·        заміна неону;

·        дизайн приміщень;

·        дизайн меблів;

·        архітектурна та ландшафтна під світка;

·        одноколірні дисплеї з рядком, що біжить;

·        магістральние інформаційні табло;

·        повнокольорові дисплеї для великих відео екранів;

·        внутрішнє і зовнішнє освітлення в автомобілях, вантажівках і автобусах;

·        дорожні знаки та світлофори;

·        освтілення приміщень та вулиць.

Інші сфери застосування включають підсвітку рідкокристалічних дисплеїв в стільникових телефонах, цифрові камери, а також архітектурне та інші види освітлення. Сектор електронного обладнання включає застосування світлодіодів в якості індикаторних ламп в промислових і споживчих товарах.

Фахівці підкреслюють, що в найближчі кілька років ціни на світлодіоди впадуть до рівня, при якому готові вироби з них будуть коштувати дешевше неонових. У цьому разі потреби у кваліфікації по роботі з неоном, електропроводці високовольтних проводів для підключення газорозрядних трубок та заходи для запобігання помилок, що ведуть до перегорання джерел світла, немає.

Ще більш перспективні світлодіодні модулі - винятковий за гнучкості «конструктор» для дизайнера і виробника реклами, що включає різноманітні найпростіші геометричні форми - лінії, кільця, зірки, прямокутники… Подібно різнокольоровим пластиковим модулям LEGO світлодіодні модулі легко об'єднуються один з одним і не менш легко приєднуються до будь-якої поверхні. Якщо світлодіоди відкривають нову еру в освітленні взагалі, світлодіодні модулі - безперечно, нова ера світлодизайну. Освітлювальний прилад як автономний пристрій перестає бути головним компонентом архітектурного та інтер'єрного освітлення; світлодіодні модулі роблять крок «вглиб», вбудовуючи, інтегруючи світло в різні об'єкти, можна отримати абсолютно нову ступінь свободи у формуванні світлового середовища, виходячи на фантастичний рівень детальності, узгодженості, керованості [2].

Мабуть, найцікавіше - це процес вторгнення світлодіодних технологій в «традиційне» освітлення. Розпочався він з установок, де не потрібен високий рівень освітленості: чергове та аварійне освітлення, нічний інтер'єрне освітлення, знаки і таблички, «маркувальне» висвітлення. Насичений колір світлодіодних модулів дозволяє використовувати світлодіоди для колірного зонування простору, створення колірних акцентів. Поєднання світлопрозорих конструкцій (вікна, стінові панелі, скляні меблі) з гнучкими лінійними світлодіодними модулями дозволяє створювати світяться і міняють колір форми. Застосування надмініатюрних джерел світла дозволяє створити «альтернативні» яскраві світлові образи для звичних предметів інтер'єру. З ростом світлової віддачі і здешевленням приладів, світлодіодний «експансія» поширюється не лише на локальне, а й на загальне освітлення, в якому лідируюче становище поки займають традиційні і галогенні лампи розжарювання (житлові приміщення) та люмінесцентні лампи (офісні приміщення).

Найбільш гострі питання обслуговування в зовнішньому освітленні, тому впровадження світлодіодів в архітектурне освітлення відбувається дуже швидко. Привабливою ідеєю для архітекторів є застосування світлодіодних «ліній» для створення світлових карнизів. Характеристики світлодіодних модулів за експлуатаційними параметрами багаторазово перевищують існуючі альтернативи, а за вартістю виявляються цілком порівнянними з ними. Потрібно тільки не забувати, що холодне світло світлодіодів не в змозі розтопити скупчується на карнизах сніг, тому використовувати їх (в наших краях) в архітектурній підсвічуванні потрібно в положенні «світимо вниз». Той же аргумент справедливий для ландшафтного освітлення, тому що вбудовуються в доріжку або газон світлодіодні «аплайти» взимку видно не будуть. Однак тут є і плюси: світлодіоди, як і оптоволоконні, можна використовувати для підсвічування крижаних скульптур, замерзлих ставочків-під льоду і т.д.).

Насичені кольори світлодіодів створюють фантастичні ефекти при підсвічуванні води. Світлодіодне освітлення фонтанів створює ні з чим не порівнянні «флюорисцюючі» світлові картини.

5. Будова світлодіодних ламп

Рисунок 5.1 - Конструкція світлодіоднох лампи спот з цоколем GU10

Світлодіодна лампа (LED - лампа) - твердотільна лампа, яка використовую світлодіоди як джерело світла.

Будова світлодіодної лампи

         Світлодіодний чіп. Світлодіод складається з чіпа, зробленого з напівпровідникового матеріалу. Ток легко проходить від анода до катода, але не в зворотному напрямку. Коли електрони надсилаються через напівпровідниковий матеріал, вони можуть потрапити в «діру» з низьким статичним напругою. Коли це трапляється, електрон вивільняє надлишок енергії у формі фотонів, які виробляють світло. Кольоровість світлового потоку створюється хвилями різної довжини і залежить від матеріалу, використовуваного в світлодіодному чіпі. Існує багато різних типів світлодіодних чіпів. Baleno Led використовує тільки високоякісні світлодіодні чіпи добре відомих брендів, таких як CREE, Acriche і Osram. Ці чіпи дають високий світловий потік в люменах (більше 100 Люмен / Вт) і довгий термін служби.

         PCB. Друкована плата (PCB) використовується для зберігання всіх електронних компонентів драйвера та світлодіодних чіпів. Є 2 типу PCB: неметалічний сердечник і металевий сердечник. Металевий сердечник друкованої плати використовується для оптимального переміщення тепла від світлодіодних чіпів до теплоотводу. Неметалічний сердечник друкованої плати підходить для електронного драйвера, коли він не стикається з тепловідводів.

         Драйвер. Світлодіодний чіп проходить через низьковольтний постійний струм. Тому вихід 230V повинен бути перероблений через понижуючий трансформатор і світлодіодний драйвер змінно-постійного струму. Цей драйвер уже вмонтований у всі модифіковані лампи, за винятком світлодіодних спотів з цоколем GU5.3. Через обмеженого розміру цоколя GU5.3, тільки світлодіодний драйвер змінно-постійного струму вбудовується всередину. Для нього як і раніше потрібен зовнішній понижуючий трансформатор. Теоретично світлодіодний чіп буде служити вічно, але термін служби світлодіодної лампи залежить значною мірою від якості драйвера. Однак, драйвер складається з електронних компонентів, які піддаються зношуванню. Щоб гарантувати більш довгий термін служби світлодіодної лампи, необхідний драйвер високої якості. Baleno використовує строго високо якісні драйвери.

         Лінзи. Зроблені з матеріалу ПММА, лінзи чи «додаткова оптика» використовуються, щоб сфокусувати світло, що виділяється світлодіодними чіпами. Це робить можливим створити вузький промінь для сильно спрямованого світла, для підсвічування картин, наприклад, або широкий кут для загального освітлення.

         Тепловідвід. Як і в інших світлотехнічних приладів, продуктивність світлодіодів залежить від температури. При роботі з малим споживанням струму і низькою температурою, світлодіоди піддаються дуже невеликому зношування. Навіть хоча світлодіоди виділяють значно менше тепла, ніж лампи розжарювання, супутнє тепло повинно бути розсіяно. Ось чому теплоотвод світлодіодної лампи є першорядно важливим для продуктивності ламп.

В якості першого прикладу можна розглянути пристрій світлодіодної лампи розробленої фірмою «СЕА Електронікс» із застосуванням спеціалізованих мікросхем. Електрична схема такої лампи показана на рисунку 5.2

Схема світлодіодної лампи фірми «СЕА Електронікс»

Рисунок 5.2 - Схема світлодіодної лампи фірми «СЕА Електронікс»

При використанні потужних світлодіодів спільно з напівпровідниковими перетворювачами з'явилася можливість створення джерел світла, що витримують конкуренцію з лампами розжарювання. Подібний перетворювач і показаний на малюнку 5.2. Схема досить проста і містить невелику кількість деталей. Це досягнуто за рахунок застосування спеціалізованих мікросхем.

Перша мікросхема IC1 BP5041 - AC / DC перетворювач. Її структурна схема представлена на рисунку 5.3.

Рисунок 5.3 - Структурна схема BP5041

Мікросхема виконана в корпусі типу SIP показаний на малюнку 5.4

Рисунок 5.4

Перетворювач, підключений до освітлювальної мережі 220В, забезпечує на виході напругу 5В при струмі близько 100 міліампер. Підключення до мережі здійснюється через випрямляч, виконаний на діоді D1 (в принципі можливе використання мостової схеми випрямляча) і конденсаторі C3. Резистор R1 і конденсатор C2 усувають імпульсні перешкоди.

Всі пристрій захищено запобіжником F1, номінал якого не повинен перевищувати зазначений на схемі. Конденсатор C3 призначений для згладжування пульсацій вихідної напруги перетворювача. Слід зауважити, що вихідна напруга не має гальванічної розв'язки від мережі, що в даній схемі зовсім не потрібно, але вимагає особливої ​​уважності та дотримання правил техніки безпеки при виготовленні і наладці.

Конденсатори C3 і C2 повинні бути на робочу напругу не менше 450 В. Конденсатор C2 повинен бути плівковим або керамічним. Резистор R1 може мати опір в межах 10… 20 Ом, що достатньо для нормальної роботи перетворювача.

Використання даного перетворювача дозволяє відмовитися від застосування понижуючого трансформатора, що значно зменшує габарити всього пристрою в цілому. Відмінною особливістю мікросхеми BP5041 є наявність вбудованої котушки індуктивності як показано на малюнку 2, що дозволяє зменшити кількість навісних деталей і в цілому розміри монтажної плати.

Як діода D1 підійде будь діод із зворотним напругою не менше 800 В і випрямленою струмом не менше 500 мА. Таким умовам цілком задовольняє широко поширений імпортний діод 1N4007. на вході випрямляча встановлений варистор VAR1 типу FNR-10K391. Його призначення захист усього пристрою від імпульсних перешкод і статичної електрики.

Друга мікросхема IC2 типу HV9910 являє собою ШІМ стабілізатор струму для суперяскравих світлодіодів. За допомогою зовнішнього MOSFET транзистора струм може встановлюватися в межах від декількох міліампер до 1А. Цей струм задається резистором R3 в ланцюзі зворотного зв'язку.

Мікросхема випускається в корпусах SO-8 (LG) і SO-16 (NG). Її зовнішній вигляд показаний на малюнку 5.5, а на малюнку 5.6 структурна схема.

Рисунок 5.5 Мікросхема HV9910

Рисунок 5.6 Структурна схема мікросхеми HV9910

За допомогою резистора R2 частота внутрішнього генератора може змінюватися в діапазоні 20… 120 КГц. При зазначеному на схемі опорі резистора R2 вона буде близько 50 КГц.

Дросель L1 призначений для накопичення енергії в той час, коли транзистор VT1 відкритий. Коли транзистор закриється, то енергія, накопичена в дроселі, через високошвидкісний діод Шоттки D2 віддається светодиодам D3… D6.

Тут саме час згадати про самоіндукції і правилі Ленца. Згідно з цим правилом індукційний струм має завжди такий напрямок, що його магнітний потік компенсує зміни зовнішнього магнітного потоку, яке (зміна) викликало цей струм. Тому напрям ЕРС самоіндукції має напрямок протилежне напрямку ЕРС джерела живлення. Саме тому світлодіоди включені у зворотний бік по відношенню до живлячої напруги (висновок 1 мікросхеми IC2, позначений на схемі як VIN). Таким чином світлодіоди випромінюють світло за рахунок ЕРС самоіндукції котушки L1.

У даній конструкції застосовані 4 надяскравих світлодіода типу TWW9600, хоча цілком можливе застосування інших типів світлодіодів виробництва інших фірм.

Для управління яскравістю світлодіодів в мікросхемі є вхід PWM_D, ШІМ - модуляція від зовнішнього генератора. У цій схемі така функція не використовується.

6. Розрахунок економічного та екологічного впливу від запровадження світлодіодних ламп

Для того щоб наочно продемонструвати отриманий ефект, переведемо зекономлену енергію в такі величини, як маса умовного палива і об'єм вуглекислого газу, також врахуємо вартість за 1 кВт • год від     

,2802 до 0,3648 грн.

Багато теплових електро станцій працюють на природному газі. Знаючи зекономлену енергію та питому теплоту згоряння природного газу, можна точно розрахувати обсяг зекономленого палива за 1 кВт • год:

V=, (6.1)

де V-об'єм палива;

Е - енергія;- питома теплота згоряння палива (для природного газу q = 11,4 кВт • г / м3).

V=  = 0,088 м³.

Знаючи обсяг зекономленого палива, можна розрахувати обсяг вуглекислого газу, що виділяється при згорянні даного палива:

(вуглекислого газу) = V (палива) × с (питома кількість вуглекислого газу), де c = 1,2.(вуглекислого газу) = 0,088 м³ • 1,2 = 0,1056 м³.

Крім того вироблення 1 кВт • год енергії на сучасних установках вимагає 240 г. умовного палива (кам'яного вугілля).

Співвідношення 1 кВт • год енергії до палива і до вуглекислого газу

кВт • год енергії = 240 г. умовного палива = 0,1056 м³ вуглекислого газу. Для розрахунку економічного і екологічного впливу будемо вважати, що кодень день лампа працює по 6 годин. За рік така лампа напрацьовує 5*7*365= 12775 годин. Для розрахунків візьмемо лампи з параметрами зображеними у таблиці 6.1

Таблиця 6.1 - Потужність, світлова віддача та термін служби ламп

Таким чином використання світлодіодних ламп дає найбільший економічний ефект, завдяки своїй безпечності для довкілля і відсутності необхідності утилізації на спеціальних заводах.

Висновки

В даному дипломному проекті мною було розглянуте дуже важливе питання сучасності - економія енергії. Проблема, яка виходить на перше місце на рівні з продовольчою проблемою. Метою дипломного проекту було порівняти наявні освітлювальні пристроями з найновітнішими та найекономічнішими - свтілодіодними лампами. В процесі дослідження мною були описані конструкції, переваги та недоліки основних типів освітлювальних пристроїв. Було проведено економічний розрахунок, який показав, що застосування світлодіодних ламп дає найбільший як економічний так і екологічний ефект - зменшення витрат на електроенергію сягає п’яти разів так само як і викидів небезпечних речовин у атмосферу, внаслідок видобутку електроенергії для їх роботи.

Сьогодні електролампи, що відносяться до сімейства світлодіодів Luxeon виробництва компанії Philips, служать в 100 разів довше, а світять в 4 рази сильніше, ніж звичайні лампи розжарювання. Головне - отримано білий світ від енергії світлодіода.

До недавнього часу світлодіодні лампи були всього лише електроприладами, повідомляючими про те, що принтер включений або що на автовідповідачі є повідомлення. Однак за останні роки компанія Philips через свою участь у діяльності компанії LumiLeds (спільне підприємство з компанією Agilent Technologies) шукала шляхи збільшення розмірів і яскравості світлодіодних ламп. Стояла задача замінити ними більшу частину звичайних ламп розжарювання і люмінесцентних ламп. У той час, як всі кольорові світлодіоди включаючи червоні, жовті, зелені та сині годилися для застосування в автомобілях, світлофорах і комп'ютерних моніторах, починаючи з середини 90-х років основна цінність світлодіодного освітлення - білий світ - залишалася більш складною проблемою. Навіть при технологічних проривах Philips останнього періоду, ймовірно, знадобиться близько п'яти років для того, щоб заміна звичайних ламп розжарювання і люмінесцентних ламп стала в достатній мірі доступною і рентабельною. За існуючої технології кращі світлодіодні лампи, що дають біле світло, вже набагато більш ефективні, ніж лампи розжарювання.

Здатність давати біле світло дуже важлива для будь-освітлювальної техноіки, якщо вона повинна зробити серйозний прорив на світовому ринку. Проте технологія виробництва світлодіодів, що дають біле світло, дуже складна. Існують два шляхи створення білого світла світлодіодами. Перший полягає в змішуванні червоного, зеленого і синього світла, другий - у використанні фосфору для перетворення синього або ультрафіолетового випромінювання світлодіода в білий світ. Робота в команді і глибокі знання складної технології дозволили компаніям Lumileds і Philips Research створити світлодіод, що дає білий світ. Технологія ще перебуває на ранній стадії розвитку, але всі ознаки говорять про хороші перспективи.

Світлодіодні лампи мають неймовірно довгий у порівнянні зі звичайними лампами строко служби - від 50.000 до 100.000 годин (близько 1000 годин для ламп розжарювання і 7500 годин для люмінесцентних ламп).

При продовженні збільшення ефективності світлодіодних ламп виникнуть ще більші можливості для економії енергії! Створення білого світла за допомогою цієї технології буде означати можливість зміни кольору і інтенсивності світла в приміщенні одним клацанням перемикача. Іншими словами, це можливість зменшення яскравості білого освітлення у вітальні до заспокійливого синього і романтичного червоного світла без заміни ламп.

Ще одна додаткова вигода полягає в тому, що завдяки невеликим розмірам світлодіодних ламп світлодизайнери можуть створювати компактні блоки ламп, з тим щоб можна було легко направляти світло туди, де він дійсно потрібний. (Традиційні лампи розжарюванн нефокусовані і випромінюють світло на всі боки.)

І, нарешті, про використання світлодіодів поза інтер'єру. Сьогодні до 8% всіх світлофорів Києва працюють на світлодіодних лампах. А так як місцева влада більше переконуються в тому, що скорочення витрат на електроенергію і техобслуговування світлофорів зі світлодіодними лампами в порівнянні з такими, що оснащуються звичайними лампами розжарювання, можна очікувати, що дуже скоро ця частка сильно зросте.

Важливий вплив на екологію планети дасть повселюдне запровадження світлодіодних ламп, адже навіть 1 000 000 світлодіодних ламп зможуть зменшити викиди небезпечного вуглекислого газу у атмосферу майже у 7.5 (12 526 800м³ вуглекислого газу) разів у порівнянні зі звичайними лампами розжарення.

Економічні розрахунки лише підтверджують перспективність використання світлодіодних ламп замість звичайних ламп розжарювання і, навіть, сучасних економічних компактних люмінесцентних ламп. А враховуючи те, що світло діодам ще є куди «рости» - то стає очевидним, що світлодіодна лампа - лампа завтрашнього дня.

Перелік посилань

забруднення навколишній світлодіод освітлювальний

1. Пихтін А.Н. Фізичні основи квантової електроніки та отоелектроніки/ А.Н. Пихтін - М.: Высш. шк, 1983. - 304 с.

2.      Лавриненко В.Ю. Довідник по напівпровідниковим пристроям. 9 вид./ В.Ю. Лавриненко В.Ю Л.: Леніздат. 1980. - 459 с.

3. Коган Л.М. Техніко-економінчні питання використання світло діодів в якості індикації та підсвічування в системі відображення/ Л.М. Коган. М.: Светотехника, 1990 - 289 с.

4.      Медведєв Ю. LEDніковий період / Медведев Ю, Борисов К. // «Іллюмінатор», 1 (3) - 2003. - С. 54 - 58.

5.      Ападишкін Б. Как устроены светодиодные лампы/ Б. Ападишкін [електронний ресурс] electrik.info - режим доступу: http://goo.gl/Bnm0M

.        On the Inside: Philips EnduraLED A19 L-Prize Award Winning Bulb - режим доступу до ресурсу: http://goo.gl/aYWGU

7.      Светодиодная технология - режим доступу до ресурсу: http://goo.gl/hVB5Z

8.      Светодиодное освещение: мифы, реалии и перспективы - режим доступу до ресурсу: http://goo.gl/G7Pft

.        Штучні джерела світла - [Електронний ресурс] wikipedia.org - режим доступу: http://goo.gl/eqQ4V

10.    WHAT ARE LED LAMPS?/ SIA LED - [Еелктронний ресурс] режим доступу: http://www.ledexhibition.com/why-led-lamps.html

.        Землюк Г.Я. Проблеми енергозбереження в Україні/, Г.Я Землюк., А.В. Круць. Б. - Буковинська державна фінансова академія, Україна режим доступу: http://www.rusnauka.com/16_ADEN_2010/Economics/68195.doc.htm

.        Gil. B. Group III Nitride Semiconductor Compounds: Physics and Applications / Ed. B. Gil. Oxford, -1998.