1

Светодиод (LED — light emitting diodes) — это твердотельный полупроводниковый прибор, способныйпреобразовывать электрическую энергию в свет. Сердцевина светодиода — это полупроводниковый чип, один конец которого крепится к отрицательно заряженному проводнику, а другой — замыкается на позитивно заряженный проводник. Эта важнейшая часть светодиода полностью герметизируется в капсуле из эпоксидной смолы.
Полупроводниковый чип состоит из 2-х частей. Одна — это P-полупроводник, в котором преобладают электронные дырки. Вторая часть — полупроводник N-типа, в котором преобладают электроны. Стыкуя их, получаем посередине PN-переход. Когда на чип через проводник подается электрический ток, электроны выталкиваются через PN-переход в зону P. Там электроны и дырки встречаются и перегруппируются, вследствие чего выделяется энергия в форме фотонов света.
Вот почему светодиоды светятся. Длина волны света, а следовательно и его цвет, зависят от материалов, формирующих PN-переход. Обычно, светодиодные чипы изготавливают из кристаллов на основе галлия, содержащих добавки, например, фосфор, чтобы достичь определенного цвета свечения.

Разработка светодиодов

С тех пор, как 1962 году был разработан первый светодиод видимого спектра, разработки в этой области достигли такого уровня, что на данный момент светодиоды являются лучшей альтернативой лампам накаливания, неоновым и люминесцентным лампам во многих сферах применения. Ожидается, что в недалеком будущем вышеупомянутые источники света будут полностью вытеснены светодиодами. Человечество от этого только выиграет, так как использование светодиодов сэкономит массу энергии, денег и времени.
Процесс разработки светодиодов можно условно разделить на 3 этапа: разработка красного светодиода, затем — синего, и, наконец, белого. Красные и зеленые светодиоды разрабатывались десятилетиями. Но использование их в качестве источников света ограничено, ввиду их одноцветности и невозможности отразить истинный цвет объекта, наделяя его вместо этого цветом свечения самого светодиода.
Основной целью исследований была разработка яркого белого светодиода, который бы смог заменить обычные источники света. Для этого был пройден долгий и трудный путь, пока в 1993 году японский ученый Шуджи Накамура не создал синий светодиод на основе нитрата галлия. Это событие оказалось поворотным.
Уже в 1997 году, основываясь на технологии синего светодиода, был разработан белый светодиод. С тех пор светодиоды широко используются во многих отраслях и о них говорят как о будущих универсальных источниках света. Присущие им свойства позволяют считать их лучшей альтернативой обычным источникам света и даже найти более широкое применение.

 

Свойства светодиодов

Маленький размер2
Светодиод — это чрезвычайно маленький чип, герметизированный в капсулу из эпоксидной смолы. Поэтому он очень мал и легок.
Низкое энергопотребление
У светодиодов очень низкое энергопотребление. Он может работать от напряжения 2-3.6В, при силе тока 0.02-0.03A, это означает, что его энергопотребление не превышает 0.1Вт.
Долгий срок службы
Срок службы светодиода составляет до 100 000 часов.
Высокая световая эффективность и низкий нагрев
В отличие от нитей накаливания, которые излучают электромагнитную энергию в невидимой глазу, но ощущаемой как тепло инфракрасной части спектра, светодиоды, благодаря использованию специальных материалов при их производстве, преимущественно излучают электромагнитную энергию в видимой части спектра. Таким образом, светодиоды преобразуют практически всю получаемую энергию в свет и поэтому их световая эффективность высока, а нагрев незначителен
Защита окружающей среды
В отличие он люминесцентных ламп, содержащих ртуть, светодиоды изготавливаются из нетоксичных материалов. Светодиоды также могут быть утилизированы..
Прочность
Светоиспускающий элемент светодиода полностью герметизирован в капсуле из эпоксидной смолы, что намного надежнее, чем стеклянная лампочка или люминесцентная трубка. Внутри капсулы нет незакрепленных и движущихся частей. Благодаря этому светодиоды практически неразрушимы.

Цвет свечения

Одноцветность — это неотъемлемая характеристика светодиода. Они испускают чистый цвет в узком частотном диапазоне. Цвет, испускаемый светодиодом, определяется пиковой длиной волны и измеряется в нанометрах (nm). Пиковая длина волны зависит от материала, из которого изготовлен светодиодный чип. Сочетание различных материалов определяет длину волны, а следовательно и цвет испускаемого света. Как известно, белый цвет — это сочетание всех цветов. Но глазу не обязательно «смешивать» все цвета спектра, чтобы «увидеть» белый цвет. Достаточно смешивания трех основных цветов (красный, зеленый, синий). Было предложено много решений по получению белых светодиодов, основанных на этом принципе. Наиболее распространенный — это погружение синего светодиода в среду, светящуюся желтым цветом.

Интенсивность и угол обзора

Интенсивность свечения светодиода варьируется в зависимости от типа чипа, герметизации и других параметров. Но не существует общепризнанного критерия для измерения яркости светодиода. Обычно, количество света испускаемое светодиодом, определяется яркостью свечения капсулы в точке, лежащей на его оси, и измеряется в милликанделлах (мкд). Большая яркость свечения не обязательно свидетельствует о большом общем световом потоке. Чтобы измерить общий световой поток, необходимо принимать во внимание еще и угол обзора. Угол обзора светодиода также зависит от типа светодиодного чипа и эпоксидной капсулы, которая распределяет свет. Соответственно, у светодиодов с различными чипами и различными эпоксидными капсулами, будет различный угол обзора. Если у светодиодов одинаковая яркость свечения, то общий световой поток будет больше у светодиода с большим углом обзора.

Области применения светодиодов

Благодаря описанным выше свойствам светодиодов, они могут с успехом применяться во многих областях.
Отображение
Типичная сфера применения светодиодов — бегущие строки или большие экраны, которые часто устанавливают на улицах, стадионах, в аэропортах. бизнес-центрах и т.д.
Декоративная подсветка
Благодаря широкому выбору цветов, маленьким размерам, долговечности, экономии электроэнергии, светодиоды являются идеальным источником света для декоративного оформления. Установленные на печатную плату, гибкий кабель или любые другие материалы, светодиоды могут использоваться как источники света для вывесок, ограждений, букв, трубок и т.д.
Освещение
С развитием технологии белых светодиодов, их совокупность, установленная определенным образом, дает достаточно света для того чтобы использоваться в домашних светильниках, таких как ночники, настольные лапы, садовые фонари и т.д.
Подсветка жидкокристаллических матриц
Благодаря малым размерам и низкому энергопотреблению светодиоды являются идеальной подсветкой для жидкокристаллических матриц.

Продукция фирмы Nichia

На первый взгляд, японская фирма Nichia не выделяется на фоне крупных производителей оптоэлектронных компонентов. Она выпускает небольшой перечень продукции: сверхъяркие светодиоды для обычного и поверхностного монтажа, лазерные диоды фиолетового излучения и, наконец, очень интересные фотолюминесцентные материалы (порошки), обеспечивающие фосфоресценцию. Но это только на первый взгляд. Если же познакомиться с этой фирмой ближе, можно узнать много интересного.

Доля продукции Nichia на мировом рынке люминофоров составляет около 80 %. Главное направление деятельности компании — продукты химии. Ведущим специалистом подразделения, занимающегося разработкой светодиодов, является один из родоначальников технологии их производства г-н С. Накамура. Именно благодаря его 25-летним исследованиям и были созданы сверхъяркие светодиоды на основе соединений индия и галлия.

Мы рассмотрим подробно лишь часть номенклатуры продукции фирмы Nichia — светодиоды, хотя она выпускает также и светодиодные матрицы со схемой управления (монохромные и полихромные), светящиеся поля, используемые для подсветки ЖК-модулей и т. д. Остановимся на характеристиках и особенностях маркировки светодиодов ее производства.

Максимальные значения некоторых электрических параметров составляют: прямого тока — 30 мА для светодиодов B, G, W и 50 мА для светодиодов R, прямого импульсного тока — 100 и 200 мА соответственно (ширина импульса не более 10 мс, скважность — не более 1/10), обратного напряжения — 5 В, мощности рассеивания — 120 мВт. Диапазон рабочих температур от –30 до +85 °С.

Электрические и оптические характеристики светодиодов Nichia для поверхностного монтажа идентичны аналогичным характеристикам обычных светодиодов.

Цвет светодиода Uпр при I пр = 20 мА, В Iобр макс при Uобр=5В, мкА Оптическая выходная мощность, мВт Цветовые координаты излучения
Типовое Максим. х у
Синий (В) 3,6 4 50 6 0,13 0,075
Зеленый (G) 3,5 4 50 4 0,17 0,7
Красный (R) 1,9 2,4 50 2 0,7 0,3
Белый (W) 3,6 4 50 4 0,31 0,32

В настоящее время светодиоды Nichia в нашей стране можно приобрести без проблем. Сверхъяркие светодиоды продаются по цене около $2. Оправдана ли такая цена? Можно твердо сказать: да, их качество и возможности этого стоят. Такие светодиоды можно использовать в фонариках, где они способны заменить лампочку накаливания. Давняя мечта о получении экономичного и безынерционного источника света, похоже, частично нашла свое решение. При питании от батареек АА время свечения может составлять до 100 ч, от аккумуляторов Д-0,26 — 60…70 ч. Ресурс батареи можно увеличить, если применить импульсное питание светодиода, что невозможно при использовании обычной лампочки накаливания. Принципы работы светодиода позволяют не «сажать» аккумулятор полностью, что играет существенную роль в увеличении срока службы последнего. За рубежом уже выпускаются фонарики на основе светодиодов Nichia. Начато их производство и в России — этим занимается фирма «Оптоника», которая к тому же является одним из самых крупных поставщиков оптоэлектронных приборов и дистрибьютором фирмы Nichia в частности.

Массовое применение в качестве маломощных источников света сверхъярких светодиодов возможно в автомобильной промышленности, армии, спецслужбах, а также в быту. При использовании светодиодных кластеров в светофорах резко снижается их энергопотребление (35 Вт против 100…150 Вт для обычных светофоров с лампами накаливания) и столь же резко повышается надежность и срок службы.

Nichia выпускает лазерные диоды одного типа — NLHV500C. Такой диод генерирует лазерный луч фиолетового цвета с длиной волны 405 нм. Выходная оптическая мощность составляет 5 мВт (максимальная мощность непрерывного излучения — 8 мВт, импульсная — более 10 мВт). Рабочий ток составляет 50 мА, рабочее напряжение — 4,5 В.

Наконец, стоит сказать о люминесцентных материалах Nichia, выпускаемых под торговой маркой ULTRA GLOW. Они производятся в виде порошка. После облучения слоя такого порошка любым источником света (солнечный свет, люминесцентные лампы, ультрафиолетовые лампы и т. д.) он обеспечивает длительное послесвечение без дополнительной подсветки. Применение таких материалов может быть самым разнообразным: покрытие специальных предупреждающих знаков, дорожная разметка, рекламные щиты, покрытие циферблатов часов и т. д. Материалы отличает высокая стабильность и устойчивость к воздействию тепла, атмосферных осадков и химических продуктов, а также длительный срок службы.

Фирма Nichia продолжает свои исследования в борьбе за новые технические решения в производстве источников света и повышение светоотдачи и эффективности выпускаемых продуктов.