Светоизлучающие диоды

Лекция №9

План лекции

1. Принцип работы и особенности конструкции светоизлучающих диодов

2. Преимущества светодиодов

3. Недостатки светодиодов

4. Полупроводниковые блоки питания светодиодов

5. Перспективы внедрения СДС в уличное освещение

6. Функции модернизированной СУО

 

Светодиоды представляют собой микроминиатюрные полупроводниковые источники света, в которых излучение возникает на p-n переходе в результате рекомбинации электронов и «дырок». В светодиодах используются полупроводниковые материалы высокой чистоты, легированные малым количеством контролируемых примесей, создающих с

одной стороны материал n-типа, а сдругой – материал p-типа. В месте контакта материалов p- и n-типов образуется полупроводниковый p-n

переход. Если к p-n переходу приложить постоянное напряжение в несколько вольт прямой полярности, т.е. к n-области «минус», а к p-области «плюс», то приложенное поле будет заставлять перемещаться электроны и «дырки» навстречу друг другу и они будут рекомбинировать в зоне контакта. Оказывается, что такая рекомбинация может быть как излучательной – при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света – фотона, так и безызлучательной – когда энергия рекомбинирующих носителей заряда расходуется на нагрев кристалла полупроводника. Для большинства полупроводниковых диодов это явление – просто «побочный эффект», не имеющий практического смысла. Для С. же излучательная рекомбинация – физическая основа их работы.

Размеры контакта p-n перехода очень малы, обычно 10^-3… 10^-4 см², столь же мала и область свечения. Свечение возникает на границе полупроводников и выходит наружу сквозь один из полупроводниковых материалов и через зазор между двумя материалами.

В отличие от ЛН, С. излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20… 50нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют квазимонохроматическим (т.е. почти монохроматическим).

Световая отдача светодиодов составляет для разных светодиодов от 50 до 100 Лм/Вт.

Методы получения белого цвета:

1. Использование отдельных С. разных цветов или трехкристальных С. красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.

2. Использование структуры InGaN с λ = 470 нм (синий цвет), и нанесенного на нее люминофора с максимумом в желтой части спектра. Человеческий глаз такую комбинацию воспринимает как белый цвет. Такие С. дешевле трехкристальных, обладают хорошей цветопередачей и светоотдачей до 30 Лм/Вт.

3. Возбуждение трехслойного люминофора светодиодом УФ спектра по аналогии с кинескопом цветного телевизора (УФ-светодиод в данном случае «заменяет» электронную пушку кинескопа).

Кристалл С. – практически точечный источник света. Это позволяет делать корпус С. очень малых размеров. Конструкция корпуса должна обеспечивать:

1 – минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду

2 – фокусирование света в заданном телесном угле

3 – эффективный отвод тепла от кристалла.

Для сверхъярких С, рассчитанных на большие токи, предусматривается массивное основание для лучшего теплоотвода (рисунок 4).

Рис. 8. Светодиод с массивным основанием

 

Преимущества светодиодов:

- низкое энергопотребление - не более 10% от потребления при использовании ламп накаливания и не более 50% от потребления люминесцентных ламп;

- долгий срок службы - до 100 000 часов;

- высокий ресурс прочности - ударная и вибрационная устойчивость;

- чистота и разнообразие цветов;

- направленность излучения – нет потери светового потока (у других источников света излучение идет во все стороны, большие потери в рефлекторе, светодиод не освещает пространство сзади себя);

- регулируемая интенсивность;

- низкое рабочее напряжение;

- низкие пусковые токи, отсутствие перенапряжения электросети в момент включения освещения;

- низкие эксплуатационные расходы. Ведь поменять лампу на 8-12 метровой высоте - это дорогое удовольствие ("вышка” плюс зарплата людям). И если менять придётся в 5-10 раз чаще чем светодиодные лампы – каждый задумается;

- экологическая и противопожарная безопасность. Они не содержат в своем составе ртути и почти не нагреваются;

- показатель использования светового потока равен 100%, тогда как у стандартных уличных светильников он составляет 60-75%;

- нет необходимости в специальной утилизации;

- нет пульсаций светового потока, поэтому светодиодное освещение не утомляет глаза;

- не вызывает стробоскопический эффект;

- отсутствие акустических помех;

- работают при низких температурах, там где люминесцентная лампа не загорится, светодиодные будут работать без проблем;

- незначительное снижения светового потока;

- нет ограниченной единичной мощности (можно собрать светодиодный модуль любой мощности);

- отсутствие радиопомех;

- при снижении напряжения сети светодиодные лампы стабильно работают;

- отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучений;

- совместимы с диммерами (регуляторами яркости), выключателями с подсветкой, датчиками движения, фотоэлементами, таймерами и пр.

- максимальное значение светового потока достигается сразу после включения;

- отсутствие чувствительности к частым включениям и выключениям;

- высокий уровень цветопередачи.

 

Недостатки светодиодов:

- относительно высокая цена (хотя стоит сказать что в любом случае светодиодное освещение окупается благодаря намного более длинному сроку службы, экономию электроэнергии и отсутствию затрат на содержание и замену);

- для мощных светодиодов необходимы радиаторы для рассеивания тепла (дальше – статья о светодиодах).