Всё о светодиодах
1. Каков все-таки средний срок службы светодиодов?
Валить все типы светодиодов в одну кучу и рассматривать их одинаково нельзя. Срок службы напрямую зависит от типа светодиода, подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (chip) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки и сборки в целом.
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.
Очевидно, например, что в светодиодах мощностью от 1 Вт (рабочий ток 0,350 А) и более мощных, тепловыделение гораздо обильнее, чем в светодиодах типа «5 мм». светодиодах, рассчитанных на ток 0,02 А. По светоотдаче 1 шт. светодиод мощностью 1 Вт заменяет около 50 светодиодов типа «5 мм». но и греется сильнее. Поэтому светодиодные сборки с мощными светодиодами требуют пассивного (монтаж на MCPCB плату и радиатор) охлаждения.
По нашим тестам средний срок службы:
5 мм.-LED и SMD-LED (произведенные лучшими брендами):
• белый до 50000 ч. с падением светового потока до 35% в течении первых 15000 ч.
• синий, зеленый до 70000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 25000 ч.
• красный, желтый до 90000 ч. с падением светового потока незначительно.
HI-POWER LED от 1 Вт и выше (произведенные лучшими брендами):
• белый до 80000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 10000 ч.
• синий, зеленый до 80000 ч.
• красный, желтый до 80000 ч.
2. Почему у белых светодиодов наименьший срок службы?
К сожалению, структур, излучающих белый свет, никто еще не придумал. Основой LED белого цвета свечения является структура InGaN, излучающая на длине волны 470nm (синий цвет) и нанесенный сверху на нее люминофор (специальный состав), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтый части. Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода, поэтому срок службы сокращается. Сейчас мировые производители изобретают новые и новые варианты эффективного нанесения люминофора.
Большинство сверхярких светодиодов служат в районе 50000 – 80000 часов. Много это или мало?
50000 часов — это:
24 часа в день 5.7 лет
18 часов в день 7.4 лет
12 часов в день 11.4 лет
8 часов в день 17.1 лет
3. Греются ли светодиоды?
Многие считают, что светодиоды практически не греются. Так почему светодиодным приборам нужен теплоотвод и что будет если теплоотвода нет?
Cветодиоды продуцируют тепло в полупроводниковом переходе. И чем мощнее LED тем больше тепла. Конечно индикаторные светодиоды например датчики автосигнализаций сильно не греются. Но со сверхяркими LED они имеют мало общего. Если мощные светодиоды объединены в некую сборку, да еще и установлены в герметичный корпус, то нагрев становится значительным.
И если не происходит отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, отчего изменяются характеристики кристалла, и через некоторое время светодиод может выйти из строя. Так что очень важно строго контролировать количество тепла и обеспечивать эффективный теплоотвод. Тепловые характеристики наших приборов просчитываются уже на стадии проектирования, что исключает любые проблемы в эксплуатации.
Как реагирует светодиод на повышение температуры?
Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.
Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.
4. Чем отличается полноцветный RGB светодиод от одноцветного?
В полноцветном светодиоде на одной подложке установлены независимые кристаллы трех цветов свечения (R+G+B), а монохромный светодиод содержит кристалл(ы) какого-либо одного цвета свечения.
5. Как регулировать яркость светодиода?
Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы).
Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять от сотен до тысяч герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.
6. Что такое квантовый выход светодиода?
Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%.Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.
7. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов?
Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.
За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6–12 подложках диаметром 50–75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5–2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой производственной культуры.
Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2.
Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый свето-диод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светоди-ода определяется этими этапами высокой технологии.
Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.
Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на массивном радиаторе.
Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.
8. Где на сегодняшний день применяются светодиоды и каковы их перспективы?
Cветодиодное освещение целесообразно применять в тех случаях, где требуется высокая надежность, где обслуживание световой установки слишком дорого и требует спецтехники или работ альпинистов, где нужно применять цветодинамические решения, где требуется энергоэффективное решение, например при питании от разнообразных генераторов.
Обратная сторона медали: светодиодные светильники идеально подойдут для неяркой, но эффектной подсветки. Этот конкретный пример по степени потребления электроэнергии на 90% экономичнее самых маленьких 15 Вт галогеновых лампочек.
Каждый год светоотдача и эффективность светодиодов увеличивается на 30-50%. По состоянию на 2008 год светодиодные светильники уже чаще ламп применяются в архитектурном, декоративном, ландшафтном, подводном освещении, праздничной иллюминации, шоу-бизнесе, а также в специальных приложениях — медицине и растениеводстве, например.
В обозримом будушем скорее всего светодиоды вытеснят лампы в дежурном освещении мест общественного пользования — подъездах жилых домов, световых указателях и т.д. А также на транспорте — в самолетах, поездах, автомобилях. А затем, по мере развития технологии и удешевления производства, дело дойдет до ночного освещения автомобильных дорог и улиц. Все это даст существенную экономию энергоресурсов в национальных масштабах.
9. Какие мировые компании производят светодиоды?
Список лидирующих производителей в мире:
- «CREE» (США);
- «Osram» (Германия);
- «Lumieleds Luxeon» (США);
- «Seoul Semiconductor» (Ю.Корея);
- «Prolight Opto» (Тайвань);
- «Nincha» (Япония);
- «Edixeon» (Тайвань);
- «LedEngin» (США);
- «Светлана-Оптоэлектроника» (Россия);
- НПО «РоСАТ» (Россия).
Ежегодно, световой поток самого производительного светодиода каждого из мировых брэндов возрастает стабильно на 20-30%. Стоимость 100 лм светового потока падает на 10-15% в год, а отсюда и стабильное ежегодное падение цен на светодиодные осветительные приборы.
Цена светодиодного прибора, безусловно, зависит от стоимости самих светодиодов. Светодиоды при серийном производстве светотехнических изделий составляют самую большую строку в бюджете изготовления светодиодных приборов.