СВЕТОТЕХНИКА

Светодиоды

Электрические источники света появились более 130 лет назад, и за все эти годы люди использовали два типа источников света — тепловые и газоразрядные. И только в самом конце 20-го века по­явился третий тип электрических источников света — полупроводни­ковые источники света или светоизлучающие диоды (светодиоды).

В светодиодах используется принцип генерации света при про­хождении электрического тока через границу полупроводникового и проводящего материалов. Прохождение электрического тока мож­но представить как поток электронов в определенном направлении, движущийся под действием напряжения между концами проводника. Проводящие материалы или проводники можно сравнить с каналом, по которому течет поток воды, а полупроводники — с порогом на пути потока. В одну сторону («сверху вниз») поток без проблем пре­одолевает порог, при этом даже выделяя какое-то количество энер­гии. Но чтобы заставить этот поток преодолеть порог в обратную сто­рону, надо затратить какое-то усилие, необходимое для подъема по­тока на высоту порога.

В полупроводниках электрический ток в одну сторону (в прово­дящем направлении) течет при приложении даже небольшого напря­жения (как бы уклона в канале с водой), свободно преодолевая по­рог. В потоке воды энергия, выделяющаяся при преодолении порога, может вращать турбины, мельничные колеса и т. п. — все зависит от высоты порога и количества протекающей воды. Точно также элект­роны при преодолении «энергетического порога» выделяют опреде­ленную энергию. Обычно эта энергия выделяется в виде тепла, но при определенных условиях может превращаться и в свет.

Факт свечения некоторых полупроводниковых материалов (вер­нее, границы между проводником и полупроводником) при прохож­дении электрического тока был замечен учеными очень давно (в 1920 году русским инженером А. Ф. Лосевым). Однако это свечение было очень слабым, и практического применения этот эффект долго не находил. В начале 60-х годов появились первые приборы, использу­ющие этот эффект — индикаторные элементы со слабым красным, а через несколько лет и зеленым свечением. Приборы получили на­звание светодиодов. В качестве полупроводникового материала в них использовались арсениды алюминия, индия и смеси этих веществ. Световая отдача светодиодов в те годы составляла не более 0,1 лм/Вт (в 100 раз меньше, чем у ламп накаливания), срок службы измерялся сотнями часов и, естественно, они даже не рассматривались как ис­точники света в общепринятом понимании.

Положение коренным образом начало меняться в конце 80-х годов благодаря работам Ж. И. Алферова и других ученых, когда были созданы принципиально новые полупроводниковые материалы, по­зволившие сразу на несколько порядков увеличить мощность, яркость, световую отдачу и срок службы светодиодов. В новых материалах используются соединения индия, галлия, алюминия в различных со­четаниях. Светодиоды на основе этих материалов давали уже довольно яркий свет красного, зеленого, желтого и оранжевого цветов. В 1996 году японским специалистам из компании Nichia после двадцатилет­них поисков удалось создать первые светодиоды с синим цветом из­лучения. Синий свет с помощью люминофоров стали превращать в желтый, дающий в комбинации с синим белый свет различных оттен­ков, и с 1997-98 гг. в разных странах одновременно стали появляться первые осветительные приборы, в которых светодиоды выполняли функции не индикаторных элементов, а именно источников света.

Сегодня светодиоды (иностранное обозначение — LED, Lighting Emitted Diode) — наиболее развивающееся направление в области источников света. Сейчас созданы светодиоды практически всех цве­тов радуги — от красного до фиолетового, а также диоды, излучаю­щие в инфракрасной области. К производству светодиодов присту­пили мировые лидеры в области источников света Osram и Philips и десятки более мелких фирм во всех развитых странах.

В настоящее время достигнуты следующие параметры светоди­одов массового производства: световая отдача белых до 25 лм/Вт (выше, чем у ламп накаливания общего назначения и большинства галогенных ламп), красных и зеленых — более 30 лм/Вт; срок службы — 50000 часов. На лабораторных образцах белых светодиодов достигнута световая отдача ""Hf 125 лм/Вт. Фирма Hewlett Packard сообщала о сро - l ке службы светодиодов 1 миллион часов или 120 лет непрерывной работы! Несомненно, что свето­диоды в ближайшие десятилетия смогут вытес - Рис•37' УстРойство

светолиола

нить с рынка и тепловые, и разрядные источники

света. Типичное устройство светодиода показано на рис. 37.

Основу светодиодов составляет полупроводниковый кристалл 1, расположенный на проводящей подложке 2. К кристаллу и подлож­ке подводится электрическое напряжение через вводы 3 и 4. Крис­талл окружен отражателем 5, направляющим свет в одну сторону. От внешних воздействий кристалл защищен корпусом 6 из прозрачной эпоксидной смолы или поликарбоната. Верхняя часть корпуса, как правило, делается в виде купола с определенной кривизной, и ис­полняет роль линзы, формирующей световой пучок. Иногда вместо купола делаются «линзы Френеля», то есть наборы концентрических микролинз на общем плоском основании.

Внутренний отражатель и корпус-линза формируют световой по­ток, излучаемый кристаллом, надлежащим образом, поэтому в све­тильниках со светодиодами не требуется применения какой-либо до­полнительной оптической системы, как при «обычных» источниках света.

Для питания светодиодов нужен постоянный ток низкого напря­жения, величина которого зависит от цветности излучения: у красных светодиодов это 1,9 - 2,1 В, у зеленых 2,5 - 3 В, у синих и белых — около 4-х В.

Основную массу выпускаемых в настоящее время светодиодов составляют светодиоды с куполообразным корпусом диаметром 5 мм. Их номинальный рабочий ток — 20 мА. Некоторые фирмы производят светодиоды диаметром 10 мм с рабочим током 40 мА. Наибольшая мощность отдельного светодиода сегодня — 5 Вт.

Кроме большого срока службы, светодиоды имеют много дру­гих достоинств: высокую надежность; очень высокую устойчивость к внешним воздействующим факторам (окружающей температуре, влажности, механическим нагрузкам); малые габариты; высокий ко­эффициент использования светового потока; легкую управляемость; полную экологическую безопасность из-за отсутствия ртути и стекла; безопасность обслуживающего персонала. Широкая цветовая гамма и разнообразие углов излучения (от 3о, то есть очень узкого светово­го пучка, до 180о, то есть равномерного свечения в полусфере) спо­собствуют использованию светодиодов в различных световых прибо­рах.

В настоящее время светодиоды используются, прежде все­го, в светосигнальных приборах — автодорожных и железнодорож­ных светофорах, информационных табло, указателях и т. п. В после­дние годы многие фирмы в России и за рубежом начали делать на­стольные и переносные светильники с белыми светодиодами, а так­же применять светодиоды в аварийных светильниках.

В Москве почти все перекрестки в пределах Садового кольца, а также Ленинградский проспект, проспект Мира, Третье транспорт­ное кольцо, МКАД и другие магистрали оснащены светофорами и до­рожными указателями с использованием светодиодов. На Пушкинс­кой площади, у гостиницы «Россия» и в некоторых других местах ус­тановлены большие (примерно 10 х 5 метров) светодиодные реклам­но-информационные щиты, изображение на которых хорошо видно даже в солнечные дни.

В России несколько фирм (Корвет-Лайтс, ОПТЭЛ, Светлана-Оп- тоэлектроника, Протон) делают светодиоды, по качеству не уступаю­щие зарубежным, а часто и превосходящие их. Например, Корвет - Лайтс первым в мире начал делать «полноцветные» светодиоды, в которых красные, зеленые и синие кристаллы объединены в одном корпусе, что позволяет получать практически неограниченное коли­чество цветовых оттенков излучения одного светодиода. Эта же фир­ма первой в мире стала производить светодиоды в шестигранных корпусах, допускающих сплошной монтаж и создание больших рав­номерно светящихся поверхностей, а также светодиоды с плоскими линзами Френеля. В научно-производственном центре ОПТЭЛ изго­тавливаются мощные светодиоды и светодиодные сборки (модули) разных цветов, а также инфракрасные диоды.

Недостатками светодиодов являются: малая единичная мощ­ность, приводящая к необходимости использования большого их ко­личества для создания необходимых уровней освещенности; низкое напряжение питания, требующее включения светодиодов только со специальными понижающими трансформаторами и выпрямителями; довольно высокая цена, особенно белых и синих. Несомненно, что со временем все эти недостатки будут устранены.