От чего зависит цвет светодиода: «Почему светодиод при изменении напряжения меняет цвет?» – Яндекс.Кью

Содержание

СВЕТОДИОДЫ. ЦВЕТА СВЕТОДИОДОВ

 

Так как же получаются цвета светодиодов? В отличии от  обычных диодов, светодиоды производятся из «экзотических» полупроводниковых материалов – Арсенид Галлия ( GaAs ), фосфид галлия (GaP ), Фосфид Арсенид Галлия ( GaAsP ), Карбид Кремния ( SiC ), Индий Галлий Азотный ( GaInN ). Эти материалы, смешиваясь в различных пропорциях дают разнообразные цвета светодиодов. Т.о. можно считать, что цвет светодиодов определяется длиной волны излучаемого света, который в свою очередь зависит от смеси полупроводников, которые используются в формировании точки PN во время производства светодиодов, а НЕ окраской самого корпуса светодиода. Естественно цвет светодиода ( вернее его корпус ) тоже окрашивается, но только для того, чтобы понять, каким будет цвет светодиодов, когда они будут работать. Цвет светодиодов

достаточно широк – красный, янтарный, желтый и зеленый. И такой спектр цветов светодиодов дает возможность использования их во многих дисплеях, индикаторах.

Не стоит забывать и о том, что цвет светодиодов может быть и синим и белым. Но как правило, такой цвет светодиодов дает более дорогой по выпуску светодиод. Эта дороговизна обусловлена тем, что производство таких цветов светодиодов – достаточно дорого. Так как надо точно смешать несколько цветов, чтобы получить данный цвет светодиода. Это проблематично.

Главным компонентом в цвете светодиодов ( как видим ) – является Галлий ( Ga ) и Мышьяк ( As )/

Так, чтобы получить хороший инфракрасный

цвет светодиода – для пультов, используется смесь GaAs, она не подходит для точечных указателей красного цвета светодиодов, ведь у него малая яркость инфракрасного излучения. Тут нам на помощь идет Фосфор, который добавляя в эту смесь, мы получим видимый для глаза инфракрасный цвет светодиода. И теперь этот красный цвет светодиода мы можем увидеть. Дальнейшее смешивание компонентов даст нам следующие цвета светодиодов:

Характеристики цветных светодиодов
Полупроводники Длина волны Цвет VF @ 20mA
GaAs 850-940nm Infra-Red 1.2v
GaAsP 630-660nm Red 1.8v
GaAsP 605-620nm Amber 2.0v
GaAsP:N 585-595nm Yellow 2.2v
AlGaP 550-570nm Green 3.5v
SiC 430-505nm Blue 3.6v
GaInN 450nm White 4.0v

 

·         Арсенид Галлия (GaAs) — инфракрасное излучение

·         Фосфид Арсенида Галлия (GaAsP) — красный к инфракрасному излучению, апельсину

·         Алюминиевый Фосфид Арсенида Галлия (AlGaAsP) — высокая яркость, красная, оранжево-красная, оранжевая, и желтый цвет светодиода

·         Фосфид Галлия (Искровой промежуток) — красный, желтый и зеленый цвет светодиода

·         Алюминиевый Фосфид Галлия (AlGaP) — зеленый цвет светодиода

·         Галлий Азотирует (GaN) — зеленый, изумрудный зеленый цвет светодиода

·         Индий Галлия Азотирует (GaInN) — рядом ультрафиолетовый, синевато-зеленый и синий

цвет светодиода

·         Кремниевый Карбид (Так) — синий как основание цвет светодиода

·         Цинковый Селенид (ZnSe) — синий цвет светодиода

·         Алюминиевый Галлий Азотирует (AlGaN) – ультрафиолетовый цвет светодиода 

На последок – никогда не подключайте цветные светодиоды ( да и любые ) непосредственно к источнику питания. Следует подключать цветные светодиоды только через сопротивление. Каждый цвет светодиода будет работать только на определенном токе.

 

Напряжение, ток и типы светодиодов, от чего зависит их цвет

Про светодиоды, которые ворвались в нашу жизнь написано много. Но какое правильное и безопасное напряжение для светодиодов и ток, какие бывают их типы, и собственно, от чего зависит их цвет? Давайте попробуем в этом разобраться, чтобы правильно и грамотно их использовать.

Из существующих типов светодиодов, это традиционные неорганические в традиционной форме диода, которая была доступна с 1960 года. Он изготовлен из наиболее широко используемых полупроводниковых соединений, таких как алюминиевый арсенид галлия, арсенида фосфида галлия, и многих других. Используются как панели индикаторов, одноцветные 5 мм, светодиоды для поверхностного монтажа, и даже двухцветные и многоцветные светодиоды, мигающие, буквенно-цифровые светодиодные дисплеи.

Органические светодиоды -типа светодиодных дисплеев на основе органических материалов, которые изготовлены в виде листов и обеспечивают диффузный свет. Обычно изготовляются с использованием очень тонкой пленки органического материала, которая размещена на подложке из стекла. Электрические заряды от электронных схем, заставляют их светиться.

Светодиоды высокой яркости (HBLEDs), являются своего рода неорганическими светодиодами, которые начинают использоваться для освещения с большой светоотдачей. Ввиду их нагрева от значительных мощностей они должны быть установлены на радиаторах для удаления нежелательного тепла.

Из них уже изготовляют компактные люминесцентные лампочки и лампы. HBLEDs имеют больший уровень эффективности и более длительный срок службы, особенно когда они включаются, и выключаются много раз. Вообще, в мире выпускается более 30 миллиардов различных светодиодов, и их потребление растет семимильными шагами, поэтому всегда можно приобрести вот здесь светодиодные лампы оптом здесь —

led-st.ru, и в розницу.

Полупроводниковые соединения в светодиодах классифицируют по валентности. Для арсенида галлия- галлий имеет валентность три, мышьяк валентность пять, их относят к называемой группе III-V полупроводниковых материалов. Диод излучает свет, когда его переход смещен в прямом направлении. При подаче напряжения на переход протекает ток, в результате рекомбинации возникают световые фотоны.

Было обнаружено, что большинство света возникает на площади перехода ближе к P-зоне, что отражено в конструкции светодиодов, направленной на минимум внутреннего поглощения. Цвет свечения во многом связан с конструкцией и типом используемых полупроводниковых материалов и приложенным напряжением. Чистый арсенид галлия высвобождает энергию в инфракрасной части спектра. Для светового излучения в видимом красном конце спектра алюминий арсенида галлия (AlGaAs). Добавление в полупроводник фосфора также может дать красный свет. Для других цветов используются другие материалы. Так фиолетовый цвет (длина волны 400-400-450 нм) получают с использованием в светодиоде индия нитрида галлия (InGaN) при напряжении 2,8-4,0 В, синий (450-500 нм) – с использованием такого же материала и добавлением карбида кремния (SiC) с напряжением 2,5-3,7 В, синий (500-570 нм) -фосфида галлия (GaP), алюминиевого фосфида индия галлия (AlGaInP), алюминиевого фосфида галлия (AlGaP) при напряжении 1,9-4,0 В (на графиках по горизонтали напряжение на переходе, по вертикали- рабочий ток, каждому графику соответствует цвет).

Светодиоды должны включаться с использованием ограничивающего ток через него резистора. Резистор должен быть рассчитан на требуемый уровень тока по закону Ома. Для многих светодиодов рабочий ток составляет около 20 мА, при меньшем токе свет будет тусклее. При большем токе светодиод сразу или быстрее выйдет из строя. При расчете тока учитывают напряжение на светодиоде – в прямосмещенном состоянии оно составляет чуть более вольта, хотя точное напряжение зависит от диода и, в частности его цвета.

Обычно красный светодиод имеет прямое напряжение чуть менее 2 вольт, и около 2,5 вольт для зеленого или желтого цвета. Светодиоды чаще всего бывают на рабочее напряжение 3 В и 12 В, но есть и на другие напряжения. О напряжении светодиода всегда говорит продавец.

При прикладывании напряжения обратной полярности, светодиод часто пробивается и выходит из строя. Поэтому защитить его от этого можно обычным дополнительным диодом, или специальной простейшей схемой. Либо надо просто быть внимательным при подключении светодиода, сохраняя его полярность, узнав о ней у продавца или в характеристиках. На схеме, к верхнему выводу прикладывается «+» питания.

Первый зарегистрированный эффект свечения светодиода был зафиксирован еще в начале ХХ века. В 1907 г. британский инженер по имени HJ Round, работавший у Маркони, провел некоторые эксперименты с использованием кристаллических детекторов, и в итоге получил их свечение. Результаты исследований он опубликовал в 1907 году в журнале Electrical World. Дальнейшие успехи были связаны с теоретическими и практическими исследованиями русского инженера, работавшего в медуниверситете, выходца из дворян Олега Владимировича Лосева. Он обнаружил, и исследовал излучение света от выпрямителя из оксида цинка и кристаллов карбида кремния. В результате своих наблюдений и исследований, Лосев опубликован ряд работ в технической прессе в период между 1924 и 1930 годами в СССР, а затем в других британских и немецких изданиях. С развитием материаловедения идея светового излучения диодов всплыла в 1951 году. В середине 1960-х. с использованием галлия, мышьяка и фосфора получили светодиоды, включая и красное свечение, но с эффективностью произвело на красный свет, и хотя эффективность устройства была низкой (обычно около 1 — 10 mcd при токе 20 мА), и они начали широко использоваться в качестве индикаторов на оборудовании. И пошло, и поехало, например, светодиодные ленты на каждом шагу на улицах, в магазинах, офисах и жилых домах.

Светодиоды дают полет мысли для самого разнообразного их применения. Так например, если дома есть старые неиспользуемые мобильные телефоны с устаревшими блоками питания для них, то всегда можно самому сделать, например, светодиодную подсветку — ночник из зарядного устройства.

Так мы кратко узнали, какое напряжение, ток и типы светодиодов, от чего зависит их цвет.

Изобретение- зарядка аккумулятора из суперконденсатора за считанные секунды.
Подписывайтесь.


Световая шкала светодиодов

07 Октября 2015

Светодиоды сегодня применяются практически везде. Потому не будет лишним узнать, как они различаются и, что в какой ситуации более подходит.

Хотя сегодня существует несколько доступных вариаций светодиодного света, все они относятся к трем основным категориям: «теплый белый», «чисто белый» и «холодный белый». На противоположных концах спектра находится «теплый белый», который содержит желтые оттенки белого света и «холодный белый», который отражает оттенки синего. Посередине находится «чистый белый», который как видно из названия, является наиболее чистым из вариаций светодиодного света. В этом смысле измеряются только белые и синие светодиоды, остальные вне бело-синего спектра таких свойств не имеют.

Несмотря на то, что светодиоды излучают свет не за счет нагревания, мы по-прежнему используем коррелированную световую температуру, когда описываем работу светодиодов.

Различные температуры = различные цвета:

Когда свечение белого светодиода имеет желтоватый оттенок, это обычно около 3000 Кельвина (К). Из-за «желтоватости» этот цвет называется «теплый белый». Далее вверх по шкале, «чистый белый» светодиодный свет измеряет на уровне около 4500К и даже выше есть «холодный синий» белый свет, который измеряется на уровне 6500K и более.

Естественно, возникает некоторая путаница по этому поводу. Если температура низкая, почему это считается «теплым»? И если высокая, то почему называется «холодным»?

Ответ на этот вопрос должен пониматься с точки зрения зрительного понимания этих слов. Человеческий разум на протяжении многих веков подразумевал желтый оттенок, как теплый, а синий как более холодный.

Таким образом «теплый» и «холодный» не более чем прилагательные, используемые для описания излучаемого света.

Существует масса примеров света вокруг нас, который может быть применен к температурной шкале света:

  • восход/закат — 2500K
  • раннее солнце днем — 5000K
  • пасмурное небо — 6000K
  • тень от синего неба — 7500K
  • голубое небо — 10000K


Что нужно иметь ввиду при покупке белых светодиодов:

Более высокие температуры цвета не обязательно указывают на более высокое их качество или более дорогой свет. Это также не означает, что он ярче, чем другие. Цена продукта в значительной степени зависит от вариации в диодах, а не от диапазона цветовой температуры светодиода.

Также имейте в виду, что светодиоды не являются совершенными. Каждый диод имеет небольшие отклонения в своей цветовой температуре. Более дешевые и низкокачественные светодиоды имеют более широкий разброс цветовой температуры. Например, температура теплого белого светодиода может колебаться от 3000- до 3500 °К. Это очень существенная разница. Светодиоды высокого качества, с другой стороны, имеют гораздо более жесткий диапазон, зачастую с разницей всего в 150-300К.

Почему это важно? Неожиданные изменения в белом свете могут оказаться весьма заметными в зависимости от того, как светодиод используется. Теплый свет лучше всего использовать в жилых помещениях, как это он лучше сочетается с одеждой и оттенками кожи. Холодный свет, с другой стороны, является предпочтительным для визуальных задач, так как она производит отличный контраст. Для достижения наилучшего результата необходимо запомнить следующие простые основы:

Тип белого цвета Температурный диапазон Излучаемый свет Лучше всего для Например
теплый
3000-4500 К
Белый с желтым оттенком
Помещений, в которых необходимо менее интенсивное освещение
Спальни, рестораны, лобби и ресепшен офисов и отелей, бутики.
чистый
4500-6000 К
Белый
Интенсивного светового применения
Хирургическое освещение, фотосъемка в помещении, офисы, точки продаж, фабрики, школы
Холодный
6000-7500 К
Белый с синим оттенком
Специальные случаи, нуждающиеся в высокой световой интенсивности и хорошей цветопередаче
Арт галереи, музеи, ювелирные магазины

Пожалуйста заполните обязательные поля.

Ошибка отправки формы. Попробуйте еще раз.

Спасибо, ждите звонка.


Возврат к списку

Какой свет излучают светодиоды?

Разберёмся с основными характеристиками света, который излучают светодиоды.
Прежде всего, этот свет имеет настолько узкий спектр, что воспринимается нами как монохроматичный. Эта особенность светодиодов долгое время определяла их применение в качестве индикаторных приборов, ведь первыми были получены светодиоды, излучающие красный и зелёный свет. Позднее научились создавать светодиоды, излучающие свет самых разных цветов − от инфракрасного до ультрафиолетового – и сфера их применения существенно расширилась.

Цвет излучения зависит от материала полупроводника и легирующих примесей, на основе которых изготовлен светодиод. Дело в том, что разные материалы испускают фотоны с различными длинами волн. Та длина волны, которая преобладает в спектре излучения светодиода, называется доминирующей и обычно указывается его производителем.


Первые светодиоды делали на основе таких материалов, как фосфид галлия (GaP), тройное соединение AIGaAs и тройное соединение GaAsP. Сейчас их используют только для изготовления индикаторных светодиодов. А для производства более мощных осветительных светодиодов используются новые материалы, способные выдерживать необходимые уровни тока, высокий нагрев и высокую влажность. В красных и янтарных светодиодах высокой яркости применяются полупроводники AllnGaP, а в синих, зеленых и голубых – InGaN.

Светодиоды, изготовленные из этих материалов, в совокупности перекрывают почти всю область видимого света с промежутком в зелёно-жёлтой области. Цвета, соответствующие этому диапазону длин волн, могут быть получены с помощью совместного использования зелёных и красных светодиодов.

Именно объединение светодиодов разного цвета в одном приборе, а также управление интенсивностью излучения основных цветов позволяет получить до 16 миллионов всевозможных цветовых оттенков. Современные светодиодные светильники могут производить свет сочных насыщенных цветов, нежнейших пастельных оттенков, а также белый свет различной температуры.

В данном случае речь идёт о цветовой температуре светодиодов — характеристике белого света, которая определяет его восприятие в терминах «тёплый» или «холодный» и позволяет сделать эту оценку более объективной. Цветовая температура сопоставляет цвет спектра излучения источника света с цветом излучения нагретого до этой температуры «абсолютно чёрного тела».


Например, цветовая температура около 2700 К характеризует сверхтёплый (оранжево-жёлтый) цвет, близкий к цвету излучения лампы накаливания;
около 3000 К – тёпло-белый цвет;
около 4000 К – нормально-белый цвет;
около 5000 К – холодный белый цвет;
около 6500 К – естественный дневной цвет.
Любой источник света имеет свою цветовую температуру – это хорошо видно из рисунка. Цветовая температура современных белых светодиодов может колебаться в пределах 2500-15000К, что позволяет использовать их для различных целей.

Существуют также приборы, у которых цветовая температура светодиодов может регулироваться прямо во время работы. Они особенно удобны при освещении сменных витрин в магазинах, для применения различных схем утреннего, дневного и ночного освещения в общественных помещениях, а также в театрах и студиях.

Интересно, что выбор цветовой температуры источников искусственного освещения во многом зависит от места проживания. Так, население южных стран любят нейтральный свет, жители северных государств выбирают более «тёплые» источники света, а в странах Азии предпочтение однозначно отдаётся холодному свету с цветовой температурой не ниже 5000К.

Ещё одним важным параметром, характеризующим источник белого света, является индекс цветопередачи. Это относительная величина (от 0 до 100), показывающая, насколько правильно (натурально) в свете данного источника видны разные цвета. За эталон (Ra=100) принят солнечный свет.


Для определения величины Ra проводится тест с использованием 8 эталонных цветов (см. рисунок). Чем меньше отклонение цвета от его эталона, тем лучше характеристики цветопередачи данного источника и выше значение индекса цветопередачи. Комфортной для человека считается цветопередача 80-100.

Минимально приемлемое значение индекса цветопередачи зависит от области применения источника света. Так, для большинства торговых, офисных, образовательных, медицинских и жилых помещений индекс цветопередачи должен быть не ниже 70-90. А для театров, выставочных залов, фото студий и других помещений, в которых хорошая цветопередача является критически важной, требуется значение индекса цветопередачи в диапазоне 90-100. Индекс цветопередачи современных светодиодов часто поднимается до значений 95-96 и вполне достаточен для большинства приложений.

Читайте другие выпуски светодиодного ликбеза:

Выпуск 1. Что такое светодиоды и почему они светятся?

Выпуск 2. Какой свет излучают светодиоды?

Выпуск 3. Как получают белые светодиоды?

Выпуск 4. Смешение цветов в светодиодных приборах

Выпуск 5. Применение LED приборов

Выпуск 6. Светодиоды на сцене

Выпуск 7. Энергоэффективность светодиодов — миф или реальность?

Выпуск 8. От чего зависит срок службы светодиодов?

Интересное о LED » Какие бывают светодиоды?

Все светодиоды можно классифицировать по определенным признакам – назначению, мощности, цветности и т.д. Предлагаем рассмотреть каждую классификацию в отдельности.

По типу применения

Все светодиоды по типу применения можно разделить на 2 большие группы – индикаторные и осветительные, а также лазерные.

  1. Индикаторные. Используются в качестве индикаторов, которые встраиваются в габаритные огни автомобилей, светофоры, LED-ленты, гирлянды, электронные устройства и т.д. Эти светодиоды подразделяются на такие виды: DIP, «Пиранья», Strow Hat, SMD.
  2. Осветительные. Их применяют для создания светодиодных светильников разного типа – для улиц, жилых и общественных помещений. Например, модель LeDron 9073-A создана для эксплуатации в сухих помещениях. Из осветительных диодов можно назвать: SMD LED, COB, Filament LED.
  3. Лазерные. Это малая группа светодиодов, которые нельзя отнести ни к осветительным, ни к индикаторным. По конструкции это полупроводниковые элементы, обработанные особым образом так, чтобы генерировать сверхузкий луч света. Используются в устройствах для нанесения точной разметки, лазерных указках, компьютерных мышах и т.д.

Каких цветов бывают светодиоды?

Различие диодов по цветам излучения – первое, что приходит на ум. Действительно, это самая заметная разница между полупроводниковыми элементами. Цвет свечения будет зависеть от длины волны излучения.

Самый распространенный цвет свечения светодиодов – белый. В зависимости от цветовой температуры (измеряется в Кельвинах) он может быть нейтральным, теплым или холодным. Также встречаются зеленый оттенок свечения светодиодов, синий, красный, желтый, оранжевый и белый.

Это все касалось только монохромных оттенков свечения. Но есть и формат RGB, когда светодиодное устройство (например, RGB LED лента) может воспроизводить разноцветный спектр излучения. Фактически это достигается установкой монохромных диодов вместе. Это полупроводниковые кристаллы с красным излучением (R – “red”), зеленым (G – “green”) и синим (B – “blue”).

При подключении контроллера к осветительному прибору начинается воспроизведение свечения кристаллов в заданном порядке, что и создает светодинамический эффект многоцветного излучения.

Какой мощности бывают светодиоды?

Еще одна характеристика, по которой различают полупроводниковые элементы – мощность. Мощность диода, как правило, напрямую связана с его яркостью – чем мощнее элемент, тем более яркий поток света он создает. При этом он будет и потреблять больше электроэнергии, и требовать более эффективного отвода тепла в корпусе осветительного прибора.

Светодиоды с самой малой мощностью – индикаторные, а также диоды поверхностной установки (SMD). В среднем, показатель их мощности равен 0,06-0,2 Ватт. К мощным моделям будут относиться брендовые полупроводниковые кристаллы (таких производителей, как CREE, Osram и других). Показатель их мощности будет достигать значения в 2,6 Ватт.

На какое напряжение бывают светодиоды?

Как такового понятия напряжения у светодиодов нет. Фактически определяется лишь величина напряжения на выходе диода после прохождение через него номинального тока, а через эту величину определяется напряжение на самом кристалле.

Зависит это напряжение от цвета излучения LED-элемента. К примеру, для красных и желтых диодов напряжение будет варьироваться от 1,8 до 2,4 вольт, а для белых, синих и зеленых будет доходить до 3 вольт.

Какой формы и размеров бывают диоды?

Также LED-элементы можно разделять по формам и размерам. Они могут иметь различную форму:

  • Цилиндрическую;
  • Квадратную;
  • Прямоугольную.

Размеры будут определяться в миллиметрах. Для цилиндрических диодов указываются размеры высоты и диаметра, для квадратных и прямоугольных – размеры сторон. Например, распространенный ЧИП-светодиод SMD 3528 имеет размеры сторон 3,5 x 2,8 мм.

Все светодиоды имеют свое предназначение и могут использоваться в разных сферах – в конструкциях светильников для жилых помещений (к примеру, в модели LeDron SCOPE B), в светодиодных лентах разного назначения, в прожекторной подсветке и т.д.

Чтобы подробнее узнать про конструкцию светодиодов, их составные части и устройство, советуем прочитать статью «Как делают светодиоды».

Как работает светодиод, устройство светодиода


Как работает светодиод
Устройство светодиодов
Как с помощью светодиодов получают разные цвета
Создание белого света с помощью светодиодов
Краткая история создания светодиодов  

Как работает светодиод

Как и любой диод, светодиод включает в себя один полупроводниковый р-п-переход (электронно-дырочный переход). С помощью процесса, носящего название легирование, материал n-типа обогащается отрицательными носителями заряда, а материал р-типа — положительными носителями заряда. Атомы в материале n-типа приобретают дополнительные электроны, а атомы в материале p-типа приобретают дырки — места на внешних электронных орбитах атомов, в которых отсутствуют электроны.

При приложении к диоду электрического поля электроны и дырки в материалах р- и n-типа устремляются к p-n-переходу. Когда носители заряда подходят к р-n-переходу, электроны инжектируются в материал p-типа. При подаче отрицательного напряжения со стороны материала n-типа через диод протекает электрический ток в направлении от материала n-типа в материал p-типа. Это называется прямым смещением.

Когда избыточные электроны переходят из материала n-типа в материал p-типа и рекомбинируют с дырками, происходит выделение энергии в виде фотонов, элементарных частиц (квантов) электромагнитного излучения. Все диоды испускают фотоны, но не все диоды испускают видимый свет. Материал, из которого изготавливается светодиод, выбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемых фотонов находилась в пределах видимой области спектра излучения. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам испускаемого света.

Пучок видимого света, испускаемого светодиодом, является холодным, но так как в светодиодах имеются потери, то на р-n-переходе

генерируется тепло, иногда достаточно большое. Ограничение температуры р-п-перехода с помощью правильно сконструированного теплоотвода и других методов контроля температуры является критичным для обеспечения нормальной работы светодиода, оптимизации его светового потока и повышения срока службы.

Устройство светодиодов

Существует два основных типа светодиодов: индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды, например, 5-миллиметровые, обычно являются недорогими, маломощными источниками света, пригодными для использования только в качестве световых индикаторов в индикаторных панелях и электронных приборах, для подсветки дисплеев компьютеров или приборных панелей автомобиля. Осветительные светодиоды, представленные светодиодами поверхностного монтажа (SMD), высокой яркости (НВ) и высокой мощности (HP) — это надежные мощные устройства, способные обеспечить нужный уровень освещенности и обладающие световым потоком, равным или превосходящим световой поток традиционных источников света, например, КАЛ.

Все осветительные светодиоды имеют одинаковую базовую конструкцию. Они включают в себя полупроводниковый чип (или кристалл), подложку, на которую он устанавливается, контакты для электрического подключения, соединительные проводники для подсоединения контактов к кристаллу, теплоотвод, линзу и корпус. (В некоторых светодиодах, например, в светодиодах TFFC, разработанных компанией Philips Lumileds, соединительные проводники не требуются.)

Так как индикаторные светодиоды являются маломощными, все генерируемое в них тепло рассеивается внутри самих светодиодов. Осветительные светодиоды, напротив, снабжаются корпусом для прямого припаивания к поверхности, что обеспечивает отвод тепла, генерируемого светодиодом. Хороший теплоотвод жизненно важен для обеспечения температурного режима и нормальной работы светодиода.

Как с помощью светодиодов получают разные цвета

Модель аддитивного смешения цветов применяется для света, непосредственно излучаемого световыми источниками. При смешении красного, зеленого и синего цветов получается белый цвет.

Светодиоды, изготовленные из разных полупроводниковых материалов, излучают свет разных цветов. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам видимого света.

В первых светодиодах использовались такие материалы, как фосфид галлия (GaP), тройное соединение AIGaAs и тройное соединение GaAsP. Они создавали излучение от красного до желто-зеленого цвета. В настоящее время GaP, AIGaAs и GaAsP используются только для изготовления индикаторных светодиодов, так как большие токи, необходимые для получения излучения, и большое тепло, выделяющееся при работе светодиодов, изготовленных из этих материалов, значительно сокращают срок их службы.

Модель субтрактивного смешения цветов применяется к отражающим поверхностям, таким как поверхности, покрытые красками или чернилами. При смешении в равных пропорциях красного, зеленого и синего цветов получается черный цвет.

Для производства осветительных светодиодов используются новые материалы, способные выдерживать необходимые уровни тока, высокий нагрев и высокую влажность. В красных и янтарных светодиодах высокой яркости применяются полупроводники алюминий -индий — галлий (AlInGaP), в синих, зеленых и голубых — индий — нитрид галлия (InGaN).

Светодиоды, изготовленные из AlInGaP и InGaN, в совокупности перекрывают почти всю область спектра видимого излучения с промежутком в области зеленожелтого и желтого цветов. Корпоративные цвета с применением желтого (например, Shell или McDonald’s) трудно получить с помощью одноцветных светодиодов.

Одним из способов получения «сложных» цветов является совместное использование в одном осветительном приборе светодиодов разных типов.

Основные материалы для производства монохромных светодиодов. AllnGaP и InGaN покрывают почти весь спектр видимого излучения для светодиодов высокой интенсивности, кроме желто-зеленой и желтой областей спектра с длиной волны 550-585 нанометров (нм). Цвета, соответствующие этому диапазону длин волн, могут быть получены с помощью совместного использования зеленых и красных светодиодов.

Миллионы цветовых оттенков

Производители светодиодов обычно предлагают светодиоды различных цветов — синий, голубой, зеленый, янтарный, красно-оранжевый, красный и т. д. Самостоятельно светодиод может излучать свет только одного цвета, который определяется используемым в нем полупроводниковым материалом. Настоящее волшебство начинается тогда, когда в одном приборе объединяются светодиоды разного цвета.

Именно объединение светодиодов разного цвета в одном световом приборе, таком как светильник или многокристальный светодиод, и управление интенсивностью излучения светодиодов разного цвета и обеспечивает получение миллионов оттенков. Подобно телевизионному экрану или компьютерному монитору, полноцветный светодиодный прибор реализует цветовую модель RGB (R — красный, G — зеленый, В — синий). Цветовая модель RGB — это модель аддитивного смешения цветов, которая применяется для света, непосредственно излучаемого его источниками. (Модель субтрактивного смешения цветов применяется к отражающим поверхностям, таким как поверхности, покрытые красками или чернилами.)

На диаграмме слева показано цветовое пространство МКО 1931, разработанное в 1931 г. Международной комиссией по освещению (МКО) для определения всего диапазона, или гаммы цветов, видимых стандартным наблюдателем. Ни одно из устройств — телевизионный экран, монитор компьютера, светодиодный световой прибор и другие трехцветные устройства — не может воспроизвести все цвета, различимые глазом человека. Гамма цветов, которую можно получить с помощью светодиодного светового прибора или многокристального светодиода, зависит от цветов отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, используемых в них.

На диаграмме точки трех цветов отдельных светодиодов, используемых в трехцветном световом приборе, соответствуют вершинам треугольника. Теоретически прибор может воспроизвести любой цвет, соответствующей точкам внутри этого треугольника. На практике трехцветный светодиодный световой прибор обычно управляется цифровым контроллером и может воспроизвести определенное количество возможных цветов внутри треугольника. С помощью 8-битного трехцветного светодиодного прибора можно получить приблизительно 16,7 млн цветов (2563 цветов) — однако это количество уже превышает число цветов, которые человек способен различить в пределах данного цветового треугольника. (Цвета, лежащие вне границ цветового треугольника, могут быть различимы глазом человека, но световой прибор не сможет их воспроизвести.)

Способность полноцветных светодиодных световых приборов излучать свет любого цвета без использования светофильтров и других внешних устройств в корне отличает светодиоды от других источников света. Совместное использование полноцветных светодиодных источников света с контроллерами освещения позволяет создавать как простые цветовые эффекты, так и полноцветные световые шоу и даже крупномасштабные видеодисплеи.

Создание белого света с помощью светодиодов

Существует два способа получения белого света с помощью светодиодов:

• Согласно цветовой модели RGB, белый цвет получается с помощью пропорционального смешивания красного, зеленого и синего цветов. При использовании метода RGB белый свет получается при объединении излучения красного,зеленого и синего светодиодов.

Люминофорные гии получения белого света предполагают использование одного светодиода коротковолнового излучения, например, синего или ультрафиолетового, в комбинации с желтым люминофорным покрытием. Фотоны синего или ультрафиолетового излучения, генерируемые светодиодом, либо проходят через слой люминофора без изменения, либо преобразуются в нем в фотоны желтого света. Комбинация фотонов синего и желтого цвета создает белый свет.

Белый свет может быть получен в результате объединения только желтого и синего цвета. Этот эффект открыл в начале 18 века Исаак Ньютон при выполнении экспериментов с цветами.

Метод RGB дает возможность создавать белый свет точного оттенка, имеющий способность подчеркивать освещаемые цвета. Однако для создания белого цвета RGB требуется сравнительно сложное оборудование, так как в одном источнике необходимо использовать сразу три светодиода. При этом получаемый свет неестественно передает пастельные тона, что является основным следствием низкого индекса цветопередачи белого света, полученного методом RGB.

Белые люминофорные светодиоды обеспечивают лучшую цветопередачу, чем белые RGB-светодиоды, в большинстве случаев сравнимую с люминесцентными источниками света. От белых RGB-источников света они также отличаются высокой энергоэффективностью. Именно высокая энергоэффективность и хорошая цветопередача делают люминофорные технологии предпочтительным способом получения белого света.

В процессе производства белых светодиодов на светодиодный кристалл наносится слой люминофора. Оттенок или цветовая температура белого света, излучаемого светодиодом, определяется длиной волны света, испускаемого синим светодиодом и составом люминофора.

Цветовая температура излучения светодиода зависит от толщины слоя люминофора. Производители стараются минимизировать цветовые вариации с помощью строгого контроля толщины и состава слоя люминофора. Компания Philips Lumileds использует защищенный патентом процесс изготовления светодиодов Philips LUXEON, излучающих холодный и нейтральный белый свет с высоким постоянством цвета.10

В настраиваемых световых приборах, позволяющих получать белый свет из определенного диапазона цветовых температур, используется принцип смешивания трех цветов. Эти приборы обычно содержат светодиоды холодного и теплого белого света, индивидуально управляемые по принципу, применяемому в полноцветных источниках света RGB. Регулирование относительной интенсивности холодного и теплого белого света изменяет цветовую температуру настраиваемого светового прибора по тому же принципу, как регулируется интенсивность излучения красных, зеленых и синих светодиодов полноцветного (RGB).

Краткая история создания светодиодов

Светодиоды, или светоизлучающие диоды, являются электрическими источниками света. Первый красный светодиод был создан в 1962 г. Ником Холоньяком (Nick Holonyak) в компании General Electric. Монохромные красные светодиоды в 60-е гг. прошлого столетия применялись для производства небольших световых индикаторов, используемых в электронных приборах. Хотя они испускали тусклый свет и имели низкую энергоэффективность, технология оказалась перспективной и стала быстро развиваться. В начале 70-х гг. появились зеленые и желтые светодиоды. Они использовались в наручных часах, калькуляторах, электронных приборах, в светофорах и указателях «Выход». Эффективность светодиодов по световому потоку постоянно увеличивалась, и к 1990 г. световой поток красных, желтых и зеленых светодиодов достиг значения I люмен (лм).

В 1993 г. Суджи Накамура (Shuji Nakamura), инженер, работающий в компании Nichia, создал первый синий светодиод высокой яркости. Так как красный, синий и зеленый являются тремя главными

составляющими света, теперь с помощью светодиодов можно было получить любой цвет освещения, включая белый. Белые люминофорные светодиоды — это светодиоды, объединяющие синий или ультрафиолетовый светодиод с люминофорным покрытием, впервые появились в 1996 г. В конце 90-х гг. светодиоды постепенно заменяют лампы накаливания там, где требуется окрашенный свет.

В 2000-2005 гг. уровень светового потока светодиодов достиг значения 100 лм и выше. Появились белые светодиоды с теплыми и холодными оттенками, подобными образуемым лампами накаливания, люминесцентными лампами и схожие с естественным освещением. Постепенно светодиоды составили конкуренцию традиционным источникам света и стали применяться в театральном и сценическом освещении.

В настоящее время светодиоды широко используются в различных системах общего освещения. По мнению Департамента энергетики (Department of Energy) и Ассоциации развития оптоэлектронной промышленности (Optoelectronics Industry Development Association), к 2025 г. светодиоды станут самым распространенным источником света в жилых домах и офисах.

История создания светодиодов

60-е гг.

1962 г. — Первый красный светодиод, разработанный Ником Холоньяком в компании GE.

Красные индикаторные светодиоды, выпущенные компанией HP из материалов производства Monsanto — 0,01 лм.

Первые зеленые и желтые светодиоды.

70-е гг.

1971    г. — Первые синие светодиоды.

1972    г. — Красные светодиоды со световым потоком 1 лм.

Светодиоды начинают использоваться в наручных часах, калькуляторах, светофорах и указателях «Выход».

80-е гг.

1984 г. — Достижения в области повышения эффективности по световому потоку: первые сверхъяркие красные светодиоды.

90-е гг.

1993 г. — Инженер компании Nichia Суджи Накамура создал первый синий светодиод высокой яркости.

1995    г. — Зеленые светодиоды высокой яркости.

1996    г. — Первый белый светодиод. Сверхъяркие красные и янтарные светодиоды.

Светодиоды начинают вытеснять лампы накаливания там, где требуется освещение окрашенным светом. Светодиоды устанавливаются в портативных светильниках.

1997    г. — Создание компании Color Kinetics.

1998    г. — Источники света RGB.

2000-е гг.

Белый свет, созданный с помощью светодиодов RGB.

Белый свет, созданный с помощью синего светодиода с люминофорным покрытием.

Первые «настраиваемые» светодиодные источники белого света. Светодиоды 10-100 лм.

2003    г. — Светодиоды широко применяются при проведении развлекательных мероприятий.

2004    г. — Светодиоды используются для акцентного освещения объектов.

2005    г. — Появляются светодиодные кластеры со световым потоком, превышающим 1000 лм.

2008 г. — Светодиоды используются в системах общего освещения. Увеличение количества производителей светодиодов (Nichia, Сгее, Osram, Lumileds, King Brite, Toyoda Gosei, Cotco)

Светодиоды. Характеристики. Достоинства и недостатки.

Светодиоды – это кристаллы, изготовленные или “выращенные” из химических элементов на основе полупроводников. После выращивания помещаются в специальный для каждого вида светодиодов корпус

Что такое светодиоды

Светодиоды – это приборы, излучающие свет, изготовленные с применением полупроводниковых материалов. Они превращают электрический ток, по ним протекающий, в свет, без дополнительных преобразований. Происходит это в результате работы механизма полупроводимости и сопутствующей ему рекомбинации. Полупроводимость и рекомбинация образуются в месте контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. Термин «рекомбинация» по отношению к физике полупроводников означает исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда. Разумеется, что это происходит с выделением энергии.

Светодиоды – обозначение на схеме

Светодиоды обозначаются короткой аббревиатурой буквами кириллицы – СД (светодиод). А также СИД (светоизлучающий диод). Или же латинскими буквами LED (Light Emitting Diode – с английского «светоизлучающий диод»).

Как делают светодиоды

Светодиоды – это кристаллы, выращенные или наращенные из химических элементов на основе полупроводников. Они помещаются в специальный для каждого вида светодиодов корпус. Технологии изготовления светодиодов разнятся в зависимости от вида светодиода. Изготавливают светодиоды с добавлением различных химических элементов. Среди них полупроводники и не полупроводниковые металлы и их соединения. А также легирующие, то есть придающие составу определенные характеристики, примеси.

Изготовление светодиодов

Процесс изготовления светодиодов выглядит, примерно, следующим образом:

Пластины, служащие в качестве подложки будущих кристаллов светодиодов, помещают в специальную герметичную камеру. Такие пластины изготавливают из удобных для наращивания светодиодов материалов. Например, из искусственного сапфира, у которого подходящая для этого кристаллическая решетка. Прежде всего камеру заполняют смесью газообразных химических веществ на основе полупроводников и легирующих добавок. Затем внутренность такой камеры начинают нагревать. В процессе этого нагрева химические элементы, находящиеся до этого в газообразном состоянии, осаждаются на пластинах.

Процесс длится несколько часов. В итоге на подложке наращивается несколько десятков слоев общей толщиной лишь несколько микрон. Отличие в толщине пластины до и после наращивания не различимо на глаз.

Затем с помощью трафарета на пластину напыляются золотые контакты. После чего ее разрезают на мельчайшие части. Каждая такая часть – это отдельный кристалл светодиода со своими контактами. Размеры ее очень малы. По крайней мере, разглядеть ее в деталях можно лишь под микроскопом.

На следующем этапе готовые кристаллы вставляют в корпус. После того, по необходимости покрывают слоем люминофора. Тип корпуса и количество кристаллов зависят от того, где и как данный светодиод будет использоваться.

Все светодиоды отличаются друг от друга как отпечатки пальцев. То есть нет двух идентичных по своим характеристикам светодиодов. Потому на следующем этапе и происходит сортировка светодиодов по двум-трем сотням параметров. Чтобы отобрать наиболее близкие друг другу по мощности, цветовой температуре и другим характеристикам светодиоды.

В конце концов светодиоды проверяют на работоспособность на испытательных стендах. И лишь затем из них изготавливают светодиодные лампы, ленты или используют в других сферах применения.

Виды светодиодов

Существует много видов светодиодов. Прежде всего светодиоды разделяются по применению. В основном по применению светодиоды подразделяются на два вида – индикаторные светодиоды и осветительные светодиоды. Еще светодиоды подразделяются по способу монтажа на монтажную плату. Осветительные и индикаторные светодиоды монтируются разными способами.

Индикаторные светодиоды

Безусловно, индикаторные светодиоды обычно относятся к DIP типу светодиодов (Dual In-line Package). А также другое  название этого типа – DIL (Dual In-Line – англ. двойное размещение в линию). Также этот способ монтажа именуется PHT (Plating Through Holes – англ. через отверстие платы).

Катод (-) короткий вывод, анод (+) длинный вывод двухпинового индикаторного светодиода.

Индикаторные светодиоды

 

К индикаторным можно отнести и светодиоды типа – Super Flux (обычно переводят как сверхяркие),называемые также – пиранья. Это светодиоды различных цветов в квадратном прозрачном корпусе с четырьмя выводами. Используются такие светодиоды в автомобилях, световой рекламе, декоративной подсветке. Цены на светодиоды пиранья по ссылке.

Светодиоды “Super Flux” – Пиранья

Индикаторные светодиоды, как понятно из их названия, используются для индикации работы различных приборов и аппаратов. К примеру, огонек на панели телевизора – это работа индикаторного светодиода.

Индикаторные светодиоды, излучающие невидимый глазу инфракрасный свет, применяются в пультах дистанционного управления. Также индикаторные светодиоды применяются в автомобилях. светофорах, для подсветки LED мониторов и экранов. Отдельно выделяются OLED (Organic Light Emitting Diode), так называемые органические светодиоды. На их основе осуществляется не просто подсветка экранов, а полностью работа OLED мониторов и телевизоров. Посмотреть примерную цену на индикаторные светодиоды можно по ссылке.

Осветительные светодиоды

Для освещения применяют светодиоды, излучающие белый свет. Обычно они подразделяются на излучающие холодный белый, просто белый и теплый белый цвета. Для получения излучения белого света применяется RGB технология (см. Цветовая температура цветодиодов). Пожалуй, это наиболее дешевый и распространенный метод. Однако, при его использовании ухудшается индекс цветопередачи светильников. То есть при таком освещении изменяются для зрительного восприятия цвета освещаемых предметов.

А также существует другой метод получения белого света. Он заключается в том, что светодиод, излучающий невидимый глазу ультрафиолет, покрывается тремя видами люминофора. При прохождении через них ультрафиолета они излучают голубой, зеленый и красный цвета. При смешении этих цветов опять-таки получается излучение белого света.

В-третьих, на голубой светодиод наносят два вида люминофора. Они излучают желтый и зеленый или же красный и зеленый цвет. В результате чего и получают белый свет. Во втором и в третьем вариантах получается эдакая модификация люминесцентной лампы.

SMD Светодиоды

По способу монтажа осветительные светодиоды бывают SMD типа. Surface Mounted Device – англ. прибор. монтируемый на поверхность. Значительную часть SMD светодиода занимает подложка. Она может играть роль теплоотвода, если изготавливается из соответствующих материалов. Например, алюминия или меди. А также подложка играет роль монтажной платы. Контакты светодиода припаиваются к контактным площадкам, которые располагаются на подложке.

SMD светодиоды

Сверху кристалл закрывается линзой или заливается люминофором. Разумеется все зависит от сферы применения светодиода. И уже на контакты корпуса подается напряжение, когда SMD светодиод вмонтирован в прожектор, в потолочный светильник, на светодиодную лампу или светодиодную ленту. На подложке могут располагаться один, два или три светодиода. А также соответственное количество выводов контактов. Опять-таки в зависимости от того, как светодиод будет применяться. Цены на SMD светодиоды в данный момент можно посмотреть по ссылке.

Светодиоды COB типа

Кроме SMD типа существуют светодиоды COB типа (Chip On Board – англ. чип на плате). На одной плате-подложке, служащей теплоотводом, припаивается большое количество кристаллов. Все они покрываются сплошным слоем люминофора соответствующего состава. Получается один большой светодиод с соответствующей яркостью. Такая технология позволяет упростить и удешевить изготовление светодиодных ламп, а также получить больший световой поток с меньшей площади по сравнению с SMD светодиодами.

COB светодиоды

Светодиоды COB удобно использовать для освещения, для чего они практически и так используются. SMD же светодиоды могут применяться не только для освещения, но и как индикаторные или декоративные. Лампа на SMD светодиодах более пригодна для ремонтна. Можно заменить один перегоревший светодиод. А к примеру в лампе на COB светодиодах придется заменить всю плату-подложку. К тому же лампы на COB светодиодах дают простор для действий недобросовестных производителей. Ведь покупатель не может визуально определить количество кристаллов светодиодов в лампе. А также соотнести их с заявленными характеристиками лампы. Приобрести или посмотреть актуальную цену на COB светодиоды можно перейдя по ссылке.

Характеристики светодиодов

Основные характеристики светодиодов подразделяются на электрические и световые. С одной стороны, электрические – это рабочий ток, напряжение, мощность. С другой стороны, световые характеристики светодиодов – световой поток, сила света (эффективность). А также цветовая температура, габариты и угол рассеивания.

Рабочий ток светодиодов

Светодиоды работают только от определенной силы тока. Эта характеристика наиболее важна для работоспособности светодиода. Даже небольшое превышение рабочей силы тока приведет к быстрой деградации светодиода. А в результате выходу его из строя. Чуть более высокое превышение силы тока ведет к мгновенному перегоранию светодиода.

Ток светодиодов, несомненно, зависит от их мощности. Более мощные светодиоды работают на более высоком токе. В светодиодных лампах и светильниках устанавливаются драйвера. Они ограничивают ток именно до тех параметров, которые нужны для светодиодов, установленных в этих приборах. Часто требуется подключить светодиод отдельно. В этом случае необходимо знать его характеристики. Для того чтобы ограничить ток соответствующим драйвером, токоограничивающим резистором или конденсатором.

Напряжение светодиодов

Рабочее напряжение светодиодов зависит от полупроводников и других химических элементов, использованных при изготовлении этих светодиодов. Применение разных типов материалов для изготовления существующих видов светодиодов ведет к излучению света различных цветов. То есть рабочее напряжение можно определить по цвету светодиода. Иначе говоря, светодиоды разных цветов имеют разное рабочее напряжение.

Для питания светодиодных лент и светильников обычно используются драйвера или блоки питания. Как правило у них на выходе 12 вольт постоянного тока. К примеру. От такого источника можно запитать цепочку из последовательно соединенных светодиодов с рабочим напряжением 3 вольта. Исключим в этом примере падение напряжения на токоограничивающем резисторе. Безусловно, такая последовательная цепь может состоять только из четырех светодиодов. Пятый светодиод, если включить его в эту цепь, работать не будет. Каждый из светодиодов, грубо говоря, забирает из 12 вольт питания по 3 вольта.

Эту характеристику светодиода называют напряжением падения. В данном случае у каждого из светодиодов напряжение падения составляет 3 вольта. Другими словами. Падение напряжения – это напряжение, возникающее на выводах светодиода при протекании через него прямого рабочего тока. Эту характеристику иногда и называют рабочим напряжением светодиода. Хотя, строго говоря, таких характеристик, как напряжения питания или рабочее напряжение, у светодиода нет. Как впрочем и у любого диода.

Мощность светодиодов

Мощность светодиода зависит от его рабочего тока и падения напряжения на нем. Падение напряжения разных светодиодов колеблется в диапазоне, примерно, 1,5 – 4 вольта. Рабочий ток индикаторных и маломощных светодиодов обычно составляет 15 – 20 мА. Ток мощных осветительных светодиодов может быть 150, 350, 750 мА и доходить до 1А.

Часто для повышения яркости светодиода используют повышение его рабочего тока до очень больших величин. При этом необходимо помнить.  Применение для светодиодов такого большого тока ведет к их чрезмерному нагреву. А также быстрой деградации и выходу из строя. Хотя этого можно избежать. При условии, что питании светодиодов большим током, для повышения их яркости, использоваться система охлаждения. Для этого применяются достаточно массивные радиаторы из алюминия или даже меди. Более того, в некоторых случаях применяется принудительный обдув воздухом с помощью вентилятора-кулера. Хорошее охлаждение светодиодов при их работе на большом токе снижает риск потери их работоспособности. Однако, но не исключает его совсем.

P=U×I

Чтобы определить мощность (P) светодиода необходимо умножить напряжении (U) на силу тока (I). К примеру, мы возмем максимальные для светодиодов 4 вольта и 1 ампер. В результате мы получим самый мощный светодиод мощностью 4 Ватта. Безусловно, это будет осветительный светодиод. Несомненно, работающий от тока с не характерной, искусственно завышенной для светодиодов, силой.

Поэтому нужно понимать. Если разговор идет о 10 ваттном или даже 100 ваттном светодиоде. Несомненно, имеется в виду лампа или светильник. Они состоят из нескольких штук или десятков штук светодиодов. Или же речь идет о светодиодной сборке, например, COB типа. Иными словами, 100 кристаллов-светодиодов, каждый мощностью 1 Ватт, припаиваются на единую плату. И все это заливается слоем люминофора. Так и получается светодиод мощностью 100 Ватт.

Световые характеристики светодиодов – световой поток, освещенность, световая отдача и угол рассеивания


Осветительные светодиоды испускают более мощный световой поток чем другие источники освещения. Несомненно имеется в виду тоже или меньшее потреблении электрической энергии. В итоге освещенность лампами и светильниками на светодиодах какого-либо пространства выше. Разумеется по сравнению с освещенностью лампами накаливания. А также люминесцентными и другими, такой же или большей мощности. Естественно и световая отдача осветительных светодиодов лучше. То есть они дают большее количество люмен (единиц светового потока) на каждый ватт своей мощности.

С этими характеристиками светодиодных ламп и светильников могут поспорить немногие осветительные приборы.  Несомненно, к ним относятся натриевые газоразрядные лампы низкого и высокого давления. А также в какой-то мере, люминесцентные лампы. Но надо понимать, что все эти отличные качества имеют не все светодиоды. Поскольку все зависит от типа светодиодов и качества их изготовления.

К тому же существует такая характеристика светодиодов, как угол рассеивания света. Например, светодиоды, в отличии от других источников света, характеризуются меньшей величиной этого угла. Угол рассеивания различных ламп без отражателя – 360°. То есть они освещают окружающее пространство во все стороны более или менее равномерно. Угол же рассеивания одного осветительного светодиода может составлять всего 15-120°. Для расширения угла рассеивания применяется рассеивающая линза. С другой стороны, иногда требуется узкий угол рассеивания светодиода. К примеру, для точечного – акцентного освещения. Тогда, в свою очередь, применяется линза собирательная – сужающая луч света.

Пучок света, испускаемый светодиодом, неравномерен по яркости в пределах угла рассеивания. Он наиболее ярок в центре и снижает яркость, по мере приближения к краям этого угла. Для достижения угла рассеивания в 360°, делаются светодиодные сборки из множества светодиодов. Они равномерно светят во все стороны. К примеру, такие как светодиодные лампы типа «кукуруза».

Цвета светодиодов. Цветовая температура светодиодов

Цвета светодиодов могут быть самыми разнообразными – от основных цветов до их оттенков. Цветовая температура индикаторных DIP светодиодов не зависит от цвета корпуса светодиода. Цвет корпуса светодиода лишь показывает каким цветом будет светить данный светодиод. Цвет свечения, то есть цветовая температура, зависит от материалов, из которых изготовлен светодиод. При изготовлении светодиодов применяются различные полупроводники, легирующие добавки и другие химические элементы. А также используются разнообразные технологии производства. Это позволяет получить светодиоды с различной цветовой температурой. Есть множество видов светодиодов в прозрачном корпусе, цвет свечения которых можно определить, лишь включив светодиод.

Существуют также двухцветные светодиоды, с двумя контактами, как и у одноцветного светодиода – анодом и катодом. Смена цветов в них происходит при смене полярности питания. Трехцветные с двумя анодами и общим катодом объединяют в себя два кристалла разных цветов. В зависимости от того, на какие контакты подается питание, светодиод горит одним или другим цветом. А при включении обоих цветов от их смешения получается третий цвет. Чаще всего объединяют красный и зеленый кристаллы светодиодов. При смешении они дают желтый цвет.

Светодиоды RGB типа (Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий) состоят из трех кристаллов. По отдельности кристаллы дают красный. зеленый и синий цвета. При смешении этих цветов через линзу, получают белый свет, применяемый для освещения. Такие светодиоды могут, при управлении через контроллер, светит каждым цветом по отдельности. Или же, при смешении цветов, давать все другие оттенки спектра. К примеру, четырех-пиновый индикаторный светодиод. У него три катода отдельно для каждого кристалла и один общий плюсовой вывод – анодом. Такой светодиод работает именно по такому принципу.

Достоинства и недостатки светодиодов как источников освещения


Достоинства осветительных светодиодов

  1. Главное и наиболее широко озвученное достоинство светодиодов – низкое энергопотребление. Такой же световой поток при меньших энергозатратах, чем у других источников света.
  2. Соответственно высокая светоотдача.
  3. Длительный срок службы.
  4. Отсутствие ядовитых паров.

Недостатки осветительных светодиодов

  1. Очень высокая цена у качественных светодиодов от известных производителей. Низкие фактические характеристики у некачественных светодиодов от неизвестных производителей и при этом недостаточно низкая цена по сравнению с лампой накаливания.
  2. Гарантия известных производителей на качественные светодиоды от 3 до 5 лет. Заявленный срок службы – до 11 лет при постоянной работе. Срок же окупаемости качественной светодиодной лампы – 5 лет.
  3. Эффект высокочастотного мерцания при использовании дешевых светодиодных сборок за счет экономии на системе электропитания.
  4. Для питания светодиодов необходимо применять драйвера или другие источники питания. А для стабильной и долгой службы светодиодов необходимо применять качественные, а значит дорогие источники питания. Гарантийный срок службы этих источников питания может быть и ниже, чем срок службы светодиодов. В результате это значительно удорожает их обслуживание.
  5. Применение диммеров -регуляторов для изменения освещенности возможно не для всех видов светодиодных ламп. Устройство этих регуляторов более сложно, чем устройство регуляторов для ламп накаливания. В итоге они более дорогие. Иногда значительно более дорогие.
  6. Существуют светодиоды, излучающие белый свет с разной цветовой температурой. Например, от 3 500 – до 7 000 К. Маркетинговые названия – теплый белый свет, белый свет, холодный белый свет. Это не всегда точно соответствуют фактическим характеристикам. Поэтому многим людям реальный свет светодиодной лампы может быть неприятен и действует на них раздражающе.
  7. Малый угол рассеивания. Светодиоды дают направленный свет и для получения привычной освещенности может понадобиться большее количество светильников.

Еще о недостатках светодиодов

8. Не существует двух одинаковых светодиодов, с одинаковыми характеристиками. Несколько десятков или даже сотен однотипных ламп накаливания при включении будут светить совершенно одинаково. В то время как, со светодиодными лампами все совсем не так. Все световые характеристики одинаковых светодиодов чуть-чуть различаются, соответственно различаются и собранные из них светодиодные лампы. В частности, характеристики света каждой отдельной лампы будут отличатся от остальных однотипных светодиодных ламп. Световой поток, освещенность, цветовая температура и другие характеристики будут немного различны. Безусловно, даже в одной партии ламп и одного производителя. Скорее всего, при замене будут использоваться лампы другой партии, а может и другого производителя. По всей вероятности, различия в их свечении будут еще более бросаться в глаза. Получается что добиться равномерного и одинакового освещения с помощью светодиодов очень проблематично.

9. По поводу нашумевшего отказа от ламп накаливания в пользу светодиодов можно заметить следующее. Что если повсеместно запретить лампы накаливания? То есть применять для освещения только светодиоды для экономии электроэнергии.  В этом случае электрокомпании просто повысят цену на электроэнергию, чтобы не терять прибыли. А мы будем потреблять меньше, и платить больше. А также покупать дорогие светодиодные лампы.

Светодиоды – чрезвычайно полезные и интересные источники света. Их применение в большинстве случаев оправданно, а в некоторых случаях просто необходимо. Но заменить все остальные осветительные устройства они не в состоянии. И несомненно, должны применяться в наших домах наряду с ними.

А вот и такое мнение существует о светодиодах.

Видео о светодиодах

Похожие записи

Светодиодные лампы для дома

Установка настенного светильника самостоятельно

Виды ламп для освещения помещений

Вы можете прочитать записи на похожие темы в рубрике – Освещение

Ваш Удобный дом

Также рекомендуем прочитать

Описание различных цветов светодиодной подсветки

Светодиодные лампы

произвели революцию в освещении, заменив старые лампы накаливания и люминесцентные лампы и сэкономив энергию. Однако понимание различных цветов светодиодной подсветки может сбивать с толку. Давайте осветим различия.

Экономия на светодиодах

Освещенность измеряется двумя показателями: люменами и ваттами. Люмены измеряют светоотдачу лампочки, а ватты — это мера электричества, необходимого для ее выработки.Лампа на основе светоизлучающих диодов (LED) использует только 20 процентов электричества, которое вырабатывает лампа накаливания, для производства таких же люменов — большая стоимость и экономия энергии.

От теплого до холодного

Светодиодные лампы бывают теплого белого, натурального белого и холодного белого цветов. Что означают эти названия и как лучше всего использовать различные цвета в вашем доме?

Мощность освещения указана на корпусах светодиодных ламп с числом, указанным в тысячах, за которым следует буква «K», что означает кельвин, единицу измерения световой температуры.Тон света от лампочки покрывает температурную шкалу от «теплого» света с легким янтарным оттенком до «холодного» с более ярким белым оттенком. Чем выше число перед буквой K, тем ярче и холоднее свет.

Лампа 2700K, например, придаст теплый вид, создавая более расслабляющую обстановку. Диапазон Кельвина 5000K или выше означает, что свет от лампы будет ярким, холодным и, возможно, резким. В средней части спектра кельвина находится естественное освещение с рейтингом кельвина около 3500 К.

Местоположение определяет световую температуру

Лампы с температурой ниже кельвина лучше всего подходят для большинства помещений, от жилых помещений до спален. Освещение может повлиять на ваше настроение, поэтому теплый вид в этих комнатах приглашает расслабиться. Лампы с температурой ниже Кельвина наиболее близки к старым лампам накаливания «мягкого белого света».

Холодное освещение с температурой выше Кельвина лучше всего подходит для таких рабочих зон, как прачечная, гараж и рабочие помещения. Такое освещение подчеркивает детали и цвет в комнате. В большинстве коммерческих офисов используется прохладное освещение, поэтому оно имеет смысл и в жилых помещениях, ориентированных на конкретные задачи.

Декор комнаты также может иметь значение при выборе освещения. Зоны с деревянными полами и мебелью отличаются теплым освещением. Комнаты с большим количеством белого могут лучше всего смотреться со средним естественным освещением. Однако самые высокие холодные белые лампы могут сделать в основном белые комнаты резкими или даже суровыми.

Некоторые светодиодные фонари также можно использовать с переключателями яркости, что позволяет увеличивать или уменьшать светоотдачу лампы и настраивать настроение.

Освещение в других домашних условиях

Для освещения открытых площадок для отдыха, например террасы или патио, используйте теплый или естественный свет.Для освещения по периметру, такого как огни безопасности, используйте холодное освещение с более высокой температурой Кельвина.

По теме — Стоит ли переходить на светодиодные лампы?

светоизлучающих диодов | Center for Nanoscale Science

Материалы внутри светодиодов обеспечивают эффективное освещение всех цветов радуги. В этом упражнении поэкспериментируйте со светодиодами разного цвета, чтобы узнать, как цвета света несут разное количество энергии.Макромасштабная модель демонстрирует, как свойства полупроводниковых материалов создают каждый цвет. Бросьте «электронный» шар с разной высоты — представляющую энергетическую щель полупроводника — и наблюдайте, как он катапультирует «фотон» в чашки соответствующего цвета.

ЦЕЛЬ:

Посетители поймут, что светодиоды преобразуют электричество в цветной свет и что они излучают разные цвета, потому что материалы диодов выделяют разное количество энергии.

МАТЕРИАЛЫ:

Светодиодный шнур • Удлинитель • Красный светодиодный фонарик • Зеленый светодиодный фонарик • Синий светодиодный фонарик • Фосфоресцирующий лист с крышкой • Модель катапульты с чашками и посадочным ковриком • 3 пластиковых пусковых шара • 1 металлический шар

ПРОЦЕДУРА:

Наладка:

  1. Подключите шнур светодиодной подсветки и накройте поверхность стола.2. Установите модель, совместив катапульту с чистым краем посадочного мата и поместив чашки в цветные кружки. Проверьте модель, чтобы убедиться, что чашки правильно расположены для захвата мячей. 3. Разложите остальные принадлежности так, чтобы фосфоресцирующий лист открывался к посетителям.

Делаем демонстрацию:

  1. Спросите посетителей, знакомы ли они со светодиодами. Представьте световую струну как повседневный пример того, где можно найти светодиоды, и попросите их отметить некоторые важные характеристики огней (например,грамм. форма, температура, цвет). В подсветке электронных дисплеев также часто используются светодиоды.
  2. Объясните, что означает светодиод: «светоизлучающий» = излучает свет, «диод» = материал внутри колбы, в котором электроны переходят из более высокого в более низкое энергетическое состояние, при этом испуская свет. Каждый тип материала излучает свет определенного цвета.
  3. Покажите посетителям 3 светодиодных фонарика разного цвета. Попросите их угадать, какой цвет света имеет больше всего энергии, а какой — меньше всего.Объясните, что они могут проверить свои ответы, используя фосфоресцирующий лист (особый вид бумаги, который светится зеленым, поскольку поглощает энергию; чем больше энергии она поглощает, тем ярче она светится). Покажите посетителям, как держать фонарик прямо на поверхности листа и перемещать его, как если бы они писали на нем. Они могут использовать заслонку для защиты 21 от окружающего света. Попросите посетителей заметить, что синий свет содержит больше всего энергии; красный свет содержит меньше всего.
  4. Представьте модель, объяснив, что она представляет собой три разных типа диодов.Металлический шар представляет собой электрон, теряющий большое, среднее или низкое количество энергии во время падения, в то время как пластиковый шар представляет собой пакет света, который возникает в результате падения.
  5. Попросите посетителей угадать, какой диод излучает каждый цвет света, в зависимости от количества выделяемой энергии, а затем проверьте свой прогноз. Чтобы управлять моделью, поместите пластиковый шарик на рычаг и переместите опорный стержень и рампу на желаемый уровень. Разрешите посетителям поставить металлический шар на пандус и дать ему скатиться.Когда он ударяет по рычагу, пластиковый шар запускается и приземляется в чашку с соответствующей цветовой кодировкой.

Очистка:

  1. Убедитесь, что у вас есть все фонарики, металлические и пластиковые шары. Разобрать модель.
  2. Соберите все материалы и верните на склад.

ПОЯСНЕНИЕ:

«LED» означает «светоизлучающий диод». Светодиоды работают иначе, чем лампы накаливания, они потребляют гораздо меньше энергии для заданного количества производимого света и выделяют при этом гораздо меньше тепла.Светодиоды излучают свет определенных цветов. Внутри светодиода свободные электроны, которые возбуждаются на определенном уровне (из-за электричества, питающего светодиод), сталкиваются с положительно заряженными атомами, которым они нужны. По мере того, как они захватываются, они возвращаются к более низкому уровню энергии и при этом излучают свет. Излучаемый свет имеет разные цвета в зависимости от количества энергии, выделяющейся при падении электрона (как показано на модели). Электроны, которые падают дальше, производят свет с большей энергией, то есть ближе к фиолетовому концу видимого спектра.Количество выделяемой энергии зависит от материала, из которого изготовлен диод.

В качестве более подробного объяснения диоды представляют собой микросхемы из полупроводниковых материалов, в которых ток течет в одном направлении. В светодиодах обнаруживается, что определенные электроны возбуждаются до высокого энергетического уровня, называемого «зоной проводимости». Когда электрон встречает положительно заряженную частицу («дырку»), он падает на более низкий энергетический уровень, называемый «валентной зоной». Разница между этими уровнями энергии называется «запрещенной зоной».«Различные материалы, используемые для изготовления полупроводников, имеют более широкие или более узкие запрещенные зоны, которые выделяют больше или меньше энергии, поэтому производят свет разных цветов. Например, синие светодиоды должны быть изготовлены из материала с более широкой запрещенной зоной, чем красные светодиоды, потому что синий свет имеет больше энергии.

Все светодиоды излучают свет определенного цвета. Некоторые примеры материалов, используемых для изготовления диодов: арсенид алюминия, галлия (красный), нитрид галлия (III) (зеленый) и селенид цинка (синий). Чтобы создать белый свет с помощью светодиода, делают синий светодиод, который затем покрывают люминофором, который при возбуждении производит белый свет.

В некотором смысле светодиодный свет похож на фотоэлектрический элемент наоборот. В фотоэлектрических элементах свет используется для возбуждения электронов и дырок, в то время как в светодиодах процесс обратный, поскольку заряженные электроны и дырки производят свет.

Люминофор, как и материал фосфоресцирующего листа, можно производить с использованием множества различных химикатов. Однако наиболее важно знать о них, что, когда они поглощают световую энергию, молекулы люминофора возбуждаются и светятся (с более широким диапазоном длин волн, чем у светодиода, поэтому свет менее окрашен).Во многих светящихся в темноте игрушках и инструментах используется люминофор.

ЧТО МОЖЕТ СДЕЛАТЬ НЕПРАВИЛЬНО?

Шарики в модели могут потеряться или наступить на них. Убедитесь, что мячи заменяются после каждой демонстрации. 22 Поскольку модель используется с течением времени, выравнивание катапульты может немного измениться. При необходимости отрегулируйте положение чашек на коврике, чтобы шары попали в соответствующую чашку.

ОБЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ:

Батарейки в фонариках могут нуждаться в периодической замене.

источников видимого света — знакомство с светоизлучающими диодами

Последние несколько десятилетий принесли непрерывную и быстро развивающуюся последовательность технологических революций, особенно в цифровой сфере, которые кардинально изменили многие аспекты нашей повседневной жизни. Развивающаяся гонка производителей светодиодов ( светодиодов, ) обещает произвести, в буквальном смысле, самый заметный и далеко идущий переход на сегодняшний день. Последние достижения в разработке и производстве этих миниатюрных полупроводниковых устройств могут привести к устареванию обычных лампочек, возможно, наиболее распространенных устройств, используемых в современном обществе.

Лампа накаливания — самое известное из главных изобретений Томаса Эдисона и единственное, которое сохранилось в использовании (и почти в своем первоначальном виде) до наших дней, спустя более века после ее появления. Фонографы, телеграфные ленты и мимеографы были заменены цифровыми технологиями в последние несколько десятилетий, а в последнее время широкое распространение получают светоизлучающие диодные устройства полного спектра, которые могут привести к исчезновению ламп накаливания и люминесцентных ламп.В то время как некоторые применения светодиодной технологии могут быть столь же простыми, как замена одной лампочки на другую, гораздо более дальновидные изменения могут включать в себя новые кардинальные механизмы использования света. В результате прогнозируемой эволюции стены, потолки или даже целые здания могут стать объектами специальных сценариев освещения, а изменения дизайна интерьера могут быть выполнены с помощью эффектов освещения, а не путем перекраски или повторной отделки. По крайней мере, повсеместный переход от ламп накаливания к светодиодному освещению приведет к огромной экономии энергии.

Хотя светоизлучающие диоды используются повсюду вокруг нас в видеомагнитофонах, радиочасах и микроволновых печах, например, их использование ограничено в основном функциями отображения на электронных устройствах. Крошечные красные и зеленые индикаторы на компьютерах и других устройствах настолько знакомы, что тот факт, что первые светодиоды были ограничены тусклым красным светом, вероятно, не получил широкого признания. Фактически, даже наличие диодов с зеленым светом представляет собой значительный шаг в развитии технологии.За последние 15 лет светодиоды стали намного мощнее и доступны в широком спектре цветов. Прорыв, позволивший изготовить первый синий светодиод в начале 1990-х годов, излучающий свет на противоположном конце видимого светового спектра от красного, открыл возможность создания практически любого цвета света. Что еще более важно, открытие сделало технически возможным получение белого света из крошечных полупроводниковых устройств. Недорогая версия белого светодиода для массового рынка — самая востребованная цель исследователей и производителей, и это устройство, скорее всего, положит конец столетней зависимости от неэффективных ламп накаливания.

До широкого использования диодных устройств для общего освещения еще несколько лет, но светодиоды начинают заменять лампы накаливания во многих приложениях. Существует ряд причин для замены обычных источников света накаливания современными полупроводниковыми альтернативами. Светоизлучающие диоды намного более эффективны, чем лампы накаливания, в преобразовании электричества в видимый свет, они прочные и компактные, и часто могут работать до 100 000 часов, что примерно в 100 раз дольше, чем лампы накаливания.Светодиоды по своей сути являются монохроматическими излучателями, и приложения, требующие одноцветных ламп высокой яркости, находят наибольшее количество применений в рамках текущего поколения усовершенствованных устройств. Использование светодиодов для автомобильных задних фонарей, сигналов поворота и боковых габаритных огней увеличивается. Высокий стоп-сигнал на легковых и грузовых автомобилях, один из первых в автомобильной отрасли, является особенно привлекательным местом для установки светодиодов. Длительный срок службы светодиодов позволяет производителям более свободно интегрировать стоп-сигналы в конструкцию автомобиля без необходимости обеспечения частой (и легкой) замены, как это требуется при использовании ламп накаливания.

Примерно 10 процентов красных светофоров в США теперь заменены на светодиодные лампы. Более высокую первоначальную стоимость светодиодов можно окупить всего за один год из-за их более высокой эффективности в производстве красного света, что достигается без необходимости фильтрации. Светодиоды красного светофора потребляют от 10 до 25 ватт, по сравнению с 50-150 для лампы накаливания с красной фильтрацией такой же яркости. Долговечность светодиодов является очевидным преимуществом в сокращении затрат на обслуживание сигналов.Одноцветные светодиоды также используются в качестве огней взлетно-посадочных полос в аэропортах и ​​в качестве сигнальных огней на вышках радио- и телевещания.

По мере повышения эффективности производства и возможности производить светоизлучающие диоды практически любого цвета на выходе, основное внимание исследователей и промышленности уделяется белому светодиоду. Два основных механизма используются для получения белого света от устройств, которые в основном являются монохроматическими, и оба метода, скорее всего, будут продолжать использоваться для различных приложений.Один метод заключается в смешивании разных цветов света от нескольких светодиодов или из разных материалов в одном светодиоде в пропорциях, которые приводят к появлению белого света. Второй метод основан на использовании излучения светодиода (обычно невидимого ультрафиолета) для обеспечения энергии для возбуждения другого вещества, такого как люминофор, который, в свою очередь, излучает белый свет. Каждый метод имеет как преимущества, так и недостатки, которые, вероятно, будут постоянно меняться по мере дальнейшего развития светодиодной технологии.

Основы полупроводниковых диодов

Подробная информация об основных процессах, лежащих в основе работы светодиодов, и материалах, используемых в их конструкции, представлены в следующем обсуждении. Однако основной механизм, с помощью которого светодиоды излучают свет, можно резюмировать простым концептуальным описанием. Знакомая лампочка использует температуру для излучения видимого света (и значительно большего количества невидимого излучения в виде тепла) посредством процесса, известного как накаливание.В отличие от этого светоизлучающий диод использует форму электролюминесценции, которая возникает в результате электронного возбуждения полупроводникового материала. Базовый светодиод состоит из перехода между двумя разными полупроводниковыми материалами (проиллюстрировано на рисунке 2), в котором приложенное напряжение создает ток, сопровождающийся излучением света, когда носители заряда, инжектированные через переход, рекомбинируются.

Основным элементом светодиода является полупроводниковый чип (похожий на интегральную схему), который установлен в чашке отражателя, поддерживаемой выводной рамкой, соединенной с двумя электрическими проводами, а затем встроен в твердую эпоксидную линзу (см. Рисунок 1). ).В одной из двух полупроводниковых областей, составляющих переход в микросхеме, преобладают отрицательные заряды (область n-типа ; Рисунок 2)), а в другой преобладают положительные заряды (область p-типа ). Когда на электрические выводы подается достаточное напряжение, ток течет и электроны перемещаются через переход из области n в область p , где отрицательно заряженные электроны объединяются с положительными зарядами. Каждая комбинация зарядов связана со снижением уровня энергии, которое может высвободить квант электромагнитной энергии в виде светового фотона.Частота и воспринимаемый цвет испускаемых фотонов характерны для полупроводникового материала, и, следовательно, различные цвета достигаются путем изменения полупроводникового состава кристалла.

Функциональные особенности светоизлучающего диода основаны на свойствах, общих для полупроводниковых материалов, таких как кремний, которые имеют переменные характеристики проводимости. Чтобы твердое тело проводило электричество, его сопротивление должно быть достаточно низким, чтобы электроны могли более или менее свободно перемещаться по всей массе материала.Полупроводники обладают промежуточными значениями электрического сопротивления между проводниками и изоляторами, и их поведение можно смоделировать в терминах зонной теории твердых тел. В кристаллическом твердом теле электроны составляющих атомов занимают большое количество энергетических уровней, которые могут очень мало различаться ни по энергии, ни по квантовому числу. Широкий спектр энергетических уровней имеет тенденцию группироваться в почти непрерывные энергетические полосы, ширина и расстояние между которыми значительно различаются для разных материалов и условий.

На все более высоких уровнях энергии, исходящих наружу от ядра, могут быть определены две различные энергетические зоны, которые называются валентной зоной и зоной проводимости (Рисунок 3). Валентная зона состоит из электронов с более высоким уровнем энергии, чем внутренние электроны, и они имеют некоторую свободу взаимодействовать парами, образуя своего рода локализованную связь между атомами твердого тела. На еще более высоких уровнях энергии электроны зоны проводимости ведут себя аналогично электронам в отдельных атомах или молекулах, которые были возбуждены выше основного состояния, с высокой степенью свободы передвижения внутри твердого тела.Разница в энергии между валентной зоной и зоной проводимости определяется как ширина запрещенной зоны для конкретного материала.

В проводниках валентная зона и зона проводимости частично перекрываются по энергии (см. Рисунок 3), так что часть валентных электронов всегда находится в зоне проводимости. Для этих материалов ширина запрещенной зоны практически равна нулю, а при свободном перемещении части валентных электронов в зону проводимости в валентной зоне возникают вакансии или дырок.Электроны перемещаются с очень небольшим вкладом энергии в дырки в зонах соседних атомов, а дырки свободно перемещаются в противоположном направлении. В отличие от этих материалов изоляторы имеют полностью занятые валентные зоны и большие запрещенные зоны, и единственный механизм, с помощью которого электроны могут перемещаться от атома к атому, — это перемещение валентного электрона в зону проводимости, что требует больших затрат энергии.

Полупроводники имеют небольшую, но конечную ширину запрещенной зоны, и при нормальных температурах теплового возбуждения достаточно, чтобы переместить часть электронов в зону проводимости, где они могут вносить вклад в электрическую проводимость.Сопротивление можно уменьшить за счет повышения температуры, но многие полупроводниковые устройства сконструированы таким образом, что приложение напряжения вызывает необходимые изменения в распределении электронов между валентной зоной и зоной проводимости, чтобы обеспечить протекание тока. Хотя расположение зон одинаково для всех полупроводников, существуют большие различия в ширине запрещенной зоны (и в распределении электронов между зонами) при определенных температурных условиях.

Элемент кремний — это простейший собственный полупроводник, который часто используется в качестве модели для описания поведения этих материалов.В чистом виде кремний не имеет достаточного количества носителей заряда или подходящей структуры запрещенной зоны, чтобы его можно было использовать в конструкции светоизлучающих диодов, но он широко используется для изготовления других полупроводниковых устройств. Характеристики проводимости кремния (и других полупроводников) можно улучшить за счет введения в кристалл небольших количеств примесей, которые служат для создания дополнительных электронов или вакансий (дырок) в структуре. Благодаря этому процессу, называемому легированием , производители интегральных схем разработали значительную способность адаптировать свойства полупроводников к конкретным приложениям.

Процесс легирования для модификации электронных свойств полупроводников легче всего понять, если рассмотреть относительно простую кристаллическую структуру кремния. Кремний — это элемент группы IV периодической таблицы Менделеева, имеющий четыре электрона, которые могут участвовать в связывании с соседними атомами в твердом теле. В чистом виде каждый атом кремния разделяет электроны с четырьмя соседями, без дефицита или избытка электронов сверх тех, которые требуются в кристаллической структуре. Если небольшое количество элемента группы III (тех, которые имеют три электрона на их крайнем уровне энергии) добавляется к кремниевой структуре, существует недостаточное количество электронов для удовлетворения требований связывания.Дефицит электронов создает вакансию или дыру в структуре, и в результате положительный электрический характер классифицирует материал как p-тип. Бор является одним из элементов, которые обычно используются для легирования чистого кремния для достижения характеристик p-типа.

Легирование для получения материала противоположного типа, имеющего отрицательный общий заряд (n-тип), достигается путем добавления элементов группы V , таких как фосфор, которые имеют «лишний» электрон внешний энергетический уровень.Полученная полупроводниковая структура имеет избыток доступных электронов по сравнению с количеством, необходимым для связывания ковалентного кремния, что дает возможность действовать как донор электронов (характерный для материала n-типа).

Хотя кремний и германий обычно используются в производстве полупроводников, ни один из этих материалов не подходит для изготовления светоизлучающих диодов, потому что переходы, в которых используются эти элементы, производят значительное количество тепла, но только небольшое количество инфракрасного или видимого излучения.Переходы излучающего фотоны диода p-n обычно основаны на смеси элементов группы III и группы V, таких как арсенид галлия, фосфид арсенида галлия и фосфид галлия. Тщательный контроль относительных пропорций этих и других соединений, содержащих алюминий и индий, а также добавление легирующих примесей, таких как теллур и магний, позволяет производителям и исследователям производить диоды, излучающие красный, оранжевый, желтый или зеленый свет. В последнее время использование карбида кремния и нитрида галлия позволило ввести диоды с синим светом, а сочетание нескольких цветов в различных комбинациях обеспечивает механизм для получения белого света.Природа материалов, составляющих стороны p-типа и n-типа соединения устройства, и результирующая структура энергетической зоны определяют уровни энергии, доступные во время рекомбинации заряда в области перехода, и, следовательно, величину выделяемых квантов энергии. как фотоны. Как следствие, цвет света, излучаемого конкретным диодом, зависит от структуры и состава p-n-перехода.

Фундаментальным ключом к изменению свойств твердотельных электронных устройств является природа p-n-перехода.Когда разнородные легированные материалы контактируют друг с другом, протекание тока в области перехода будет другим, чем в любом из двух материалов по отдельности. Ток будет легко течь в одном направлении через переход, но не в другом, что составляет базовую конфигурацию диода. Такое поведение можно понять с точки зрения движения электронов и дырок в материалах двух типов и поперек перехода. Дополнительные свободные электроны в материале n-типа имеют тенденцию перемещаться из отрицательно заряженной области в положительно заряженную область или в сторону материала p-типа.В области p-типа, в которой есть свободные электронные узлы (дырки), электроны решетки могут прыгать от дырки к дырке и стремятся уйти от отрицательно заряженной области. Результатом этой миграции является то, что отверстия движутся в противоположном направлении или от положительно заряженной области к отрицательно заряженной области (рис. 4). Электроны из области n-типа и дырки из области p-типа рекомбинируют в окрестности перехода, чтобы сформировать зону обеднения (или слой), в которой не остается носителей заряда.В зоне истощения устанавливается статический заряд, который препятствует любому дополнительному переносу электронов, и никакой заметный заряд не может протекать через переход, если ему не помогает внешнее напряжение смещения.

В диодной конфигурации электроды на противоположных концах устройства позволяют приложить напряжение таким образом, чтобы преодолеть влияние области обеднения. Подключение области диода n-типа к отрицательной стороне электрической цепи и области p-типа к положительной стороне приведет к перемещению электронов из материала n-типа в сторону p-типа, а дырки — к перемещению внутрь противоположное направление.При приложении достаточно высокого напряжения электроны в обедненной области получают повышенную энергию, чтобы диссоциировать с дырками и снова начать свободное движение. При работе с этой полярностью схемы, называемой прямым смещением p-n перехода, зона обеднения исчезает, и заряд может перемещаться по диоду. Отверстия проходят в переход от материала p-типа, а электроны направляются к переходу из материала n-типа. Комбинация дырок и электронов на переходе позволяет поддерживать постоянный ток через диод.

Если полярность цепи поменять местами по отношению к областям p-типа и n-типа, электроны и дырки будут вытягиваться в противоположных направлениях с соответствующим расширением обедненной области на стыке. В p-n-переходе с обратным смещением не происходит постоянного протекания тока, хотя первоначально будет течь переходный ток, поскольку электроны и дырки отводятся от перехода. Ток прекратится, как только растущая зона истощения создаст потенциал, равный приложенному напряжению.

Конструкция светоизлучающего диода

Манипулирование взаимодействием между электронами и дырками на p-n-переходе является фундаментальным в конструкции всех полупроводниковых устройств, а для светодиодов основной целью проектирования является эффективное производство света. Инжекция носителей через p-n-переход сопровождается падением уровней энергии электронов из зоны проводимости на более низкие орбитали. Этот процесс имеет место в любом диоде, но производит только фотоны видимого света в диодах с определенным составом материалов.В стандартном кремниевом диоде разница уровней энергии относительно мала, и происходит только низкочастотное излучение, преимущественно в инфракрасной области спектра. Инфракрасные диоды используются во многих устройствах, включая пульты дистанционного управления, но конструкция светоизлучающих диодов видимого диапазона требует изготовления из материалов, демонстрирующих более широкий зазор между зоной проводимости и орбиталями валентной зоны. Все полупроводниковые диоды излучают свет в той или иной форме, но большая часть энергии поглощается самим материалом диода, если устройство специально не предназначено для испускания фотонов извне.Кроме того, чтобы быть полезными в качестве источника света, диоды должны концентрировать световое излучение в определенном направлении. Как состав и конструкция полупроводникового кристалла, так и конструкция корпуса светодиода определяют характер и эффективность излучения энергии устройством.

Базовая структура светоизлучающего диода состоит из полупроводникового материала (обычно называемого кристаллом ), выводной рамки, на которой размещается кристалл, и герметизирующей эпоксидной смолы, окружающей сборку (см. Рисунок 1).Светодиодный полупроводниковый чип поддерживается в чашке отражателя, вставленной в конец одного электрода (катод , ), и, в типичной конфигурации, верхняя поверхность чипа соединена с помощью золотой соединительной проволоки со вторым электродом ( анод ). Для некоторых конструкций соединений требуется два соединительных провода, по одному на каждый электрод. Помимо очевидного различия в длине волны излучения разных светодиодов, существуют различия в форме, размере и диаграмме направленности. Типичный светодиодный полупроводниковый чип измеряет примерно 0.25 квадратных миллиметров, а диаметр эпоксидного корпуса составляет от 2 до 10 миллиметров. Чаще всего корпус светодиода круглый, но они могут быть прямоугольными, квадратными или треугольными.

Хотя цвет света, излучаемого полупроводниковым кристаллом, определяется комбинацией материалов кристалла и способом их сборки, некоторыми оптическими характеристиками светодиода можно управлять с помощью других переменных в упаковке кристалла. Угол луча может быть узким или широким (см. Рисунок 5) и определяется формой чашки отражателя, размером светодиодного кристалла, расстоянием от кристалла до верха эпоксидного корпуса или линзы и геометрией корпуса. линза из эпоксидной смолы.Оттенок эпоксидной линзы не определяет цвет излучения светодиода, но часто используется в качестве удобного индикатора цвета лампы, когда она неактивна. Светодиоды, предназначенные для приложений, требующих высокой интенсивности и отсутствия цвета в выключенном состоянии, имеют прозрачные линзы без оттенка или рассеивания. Этот тип дает самый большой световой поток и может иметь самый узкий луч или угол обзора. Нерассеивающие линзы обычно имеют углы обзора от плюс-минус 10 до 12 градусов (рис. 5).Их интенсивность позволяет использовать их для подсветки, например, для подсветки дисплеев электронных устройств.

Для создания рассеянных светодиодных линз мельчайшие частицы стекла внедряются в герметизирующую эпоксидную смолу. Рассеивание, создаваемое включением стекла, рассеивает свет, излучаемый диодом, создавая угол обзора примерно 35 градусов по обе стороны от центральной оси. Этот тип линз обычно используется в приложениях, в которых светодиоды видны напрямую, например, для индикаторных ламп на панелях оборудования.

Выбор систем материалов и технологий изготовления светодиодов руководствуется двумя основными целями: максимизация генерации света в материале кристалла и эффективное извлечение генерируемого света. В смещенном вперед p-n переходе дырки инжектируются через переход из p-области в n-область, а электроны инжектируются из n-области в p-область. Равновесное распределение носителей заряда в материале изменяется в результате этого процесса инжекции, который называется инжекцией неосновных носителей заряда.Рекомбинация неосновных носителей с основными носителями имеет место для восстановления теплового равновесия, и продолжающийся ток поддерживает инжекцию неосновных носителей. Когда скорость рекомбинации равна скорости инжекции, устанавливается стационарное распределение носителей. Рекомбинация неосновных носителей может происходить радиационным образом с испусканием фотона, но для этого должны быть созданы надлежащие условия для сохранения энергии и импульса. Выполнение этих условий не является мгновенным процессом, и возникает временная задержка, прежде чем может произойти излучательная рекомбинация введенных неосновных носителей.Эта задержка, срок службы неосновных носителей, является одной из основных переменных, которые необходимо учитывать при разработке материалов светодиодов.

Хотя процесс излучательной рекомбинации желателен в конструкции светодиодов, это не единственный механизм рекомбинации, который возможен в полупроводниках. Полупроводниковые материалы не могут быть получены без некоторых примесей, структурных дислокаций и других кристаллических дефектов, и все они могут захватывать введенные неосновные носители. Рекомбинации этого типа могут давать световые фотоны, а могут и не давать.Рекомбинации, не производящие излучения, замедляются диффузией носителей к подходящим участкам и характеризуются продолжительностью жизни безызлучательного процесса, которую можно сравнить со временем жизни радиационного процесса.

Очевидная цель конструкции светодиода, учитывая только что описанные факторы, состоит в том, чтобы максимизировать излучательную рекомбинацию носителей заряда по сравнению с безызлучательной. Относительная эффективность этих двух процессов определяет долю инжектированных носителей заряда, которые объединяются радиационно, по сравнению с общим количеством инжектированных, что можно определить как внутреннюю квантовую эффективность материальной системы.Выбор материалов для изготовления светодиодов зависит от понимания зонной структуры полупроводника и средств, с помощью которых можно выбирать или изменять уровни энергии для получения подходящих значений квантовой эффективности. Интересно, что некоторые группы соединений III-V имеют внутреннюю квантовую эффективность почти 100 процентов, в то время как другие соединения, используемые в полупроводниках, могут иметь внутреннюю квантовую эффективность всего 1 процент.

Излучательное время жизни для конкретного полупроводника в значительной степени определяет, происходят ли излучательные рекомбинации до безызлучательных.Большинство полупроводников имеют аналогичную простую структуру валентной зоны с пиком энергии, расположенным вокруг определенного кристаллографического направления, но с гораздо большим изменением структуры зоны проводимости. В зоне проводимости существуют энергетические впадины, и электроны, занимающие впадины с самой низкой энергией, располагаются так, чтобы легче участвовать в рекомбинации с неосновными носителями в валентной зоне. Полупроводники можно классифицировать как прямые или непрямые в зависимости от относительного расположения энергетических впадин зоны проводимости и энергетической вершины валентной зоны в пространстве энергии / импульса.Прямые полупроводники имеют дырки и электроны, расположенные непосредственно рядом с одними и теми же координатами импульса, так что электроны и дырки могут относительно легко рекомбинировать при сохранении импульса. В непрямом полупроводнике соответствие между энергетическими долинами зоны проводимости и дырками, которое допускает сохранение импульса, не является благоприятным, большинство переходов запрещены, и результирующее излучательное время жизни велико.

Кремний и германий являются примерами непрямых полупроводников, в которых излучательная рекомбинация инжектированных носителей крайне маловероятна.Излучательное время жизни в таких материалах составляет секунды, и почти все инжектированные носители объединяются безызлучательно через дефекты в кристалле. Прямые полупроводники, такие как нитрид галлия или арсенид галлия, имеют короткие радиационные времена жизни (примерно от 1 до 100 наносекунд), и материалы могут быть получены с достаточно низкой плотностью дефектов, так что радиационные процессы столь же вероятны, как и безызлучательные. Чтобы событие рекомбинации произошло в материалах с непрямой щелью, электрон должен изменить свой импульс перед объединением с дыркой, что приведет к значительно более низкой вероятности рекомбинации для возникновения межзонного перехода.Квантовая эффективность светодиодов, созданных из двух типов полупроводниковых материалов, четко отражает этот факт. Светодиоды из нитрида галлия имеют квантовую эффективность до 12 процентов по сравнению с 0,02 процента, типичными для светодиодов из карбида кремния. На рисунке 6 представлена ​​диаграмма энергетических зон для GaN с прямой запрещенной зоной и SiC с непрямой запрещенной зоной, которая иллюстрирует природу межзонного перехода энергии для двух типов материалов.

Длина волны (и цвет) света, излучаемого при излучательной рекомбинации носителей, инжектированных через p-n-переход, определяется разницей в энергии между рекомбинирующей электронно-дырочной парой валентной зоны и зоны проводимости.Приблизительные энергии носителей соответствуют верхнему энергетическому уровню валентной зоны и самой низкой энергии зоны проводимости из-за тенденции электронов и дырок к равновесию на этих уровнях. Следовательно, длина волны ( λ ) излучаемого фотона аппроксимируется следующим выражением:

λ = hc / E bg

, где h представляет собой постоянную Планка , c — скорость света, а E (bg) — ширина запрещенной зоны.Чтобы изменить длину волны испускаемого излучения, необходимо изменить ширину запрещенной зоны полупроводникового материала, используемого для изготовления светодиода. Арсенид галлия является обычным диодным материалом и может использоваться в качестве примера, иллюстрирующего способ изменения полосовой структуры полупроводника для изменения длины волны излучения устройства. Арсенид галлия имеет запрещенную зону примерно 1,4 электрон-вольта и излучает в инфракрасном диапазоне с длиной волны 900 нанометров. Чтобы увеличить частоту излучения в видимую красную область (около 650 нанометров), ширину запрещенной зоны необходимо увеличить примерно до 1.9 электрон-вольт. Это может быть достигнуто путем смешивания арсенида галлия с совместимым материалом, имеющим большую ширину запрещенной зоны. Фосфид галлия, имеющий запрещенную зону 2,3 электрон-вольта, является наиболее вероятным кандидатом для этой смеси. Светодиоды, изготовленные из соединения GaAsP (фосфид арсенида галлия), могут быть настроены для создания запрещенной зоны любой величины от 1,4 до 2,3 электрон-вольт путем корректировки содержания мышьяка до фосфора.

Как обсуждалось ранее, максимизация генерации света в полупроводниковом диодном материале является основной целью проектирования при производстве светодиодов.Еще одно требование — эффективное отвод света от чипа. Из-за полного внутреннего отражения только часть света, изотропно генерируемого внутри полупроводникового кристалла, может уйти наружу. Согласно закону Снеллиуса, свет может перемещаться из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, только если он пересекает границу раздела между двумя средами под углом, меньшим, чем критический угол для двух сред.В типичном светоизлучающем полупроводнике кубической формы только от 1 до 2 процентов генерируемого света проходит через верхнюю поверхность светодиода (в зависимости от конкретного кристалла и геометрии p-n-перехода), а остальная часть поглощается полупроводниковыми материалами.

На рисунке 7 показано ускользание света от слоистого полупроводникового кристалла с показателем преломления н (с) в эпоксидную смолу с более низким показателем ( н (е) ). Угол, образованный конусом выхода, определяется критическим углом θ (c) для двух материалов.Световые лучи, выходящие из светодиода под углами менее θ (c) , уходят в эпоксидную смолу с минимальными потерями на отражение (пунктирные линии), в то время как те лучи, распространяющиеся под углами более θ (c) , испытывают полное внутреннее отражение в граница, и не покидайте чип напрямую. Из-за кривизны эпоксидного купола большая часть световых лучей, выходящих из полупроводникового материала, встречается с границей раздела эпоксидная смола / воздух почти под прямым углом и выходит из корпуса с небольшими потерями на отражение.

Доля света, излучаемого светодиодным кристаллом в окружающую среду, зависит от количества поверхностей, через которые может излучаться свет, и от того, насколько эффективно это происходит на каждой поверхности. Почти все светодиодные структуры основаны на той или иной форме слоистой структуры, в которой используются процессы эпитаксиального роста для нанесения нескольких материалов с согласованной решеткой друг на друга, чтобы адаптировать свойства кристалла. Используется большое количество разнообразных структур, при этом для каждой системы материалов требуется разная архитектура слоев для оптимизации рабочих характеристик.

Большинство структурных устройств светодиодов основаны на вторичной стадии роста для нанесения монокристаллического слоя поверх монокристаллического материала подложки, выращенного в объеме. Такой многоуровневый подход позволяет дизайнерам удовлетворять, казалось бы, противоречивые или непоследовательные требования. Общей чертой всех структурных типов является то, что p-n-переход, где происходит излучение света, почти никогда не находится в кристалле-подложке, выращенном в объеме. Одна из причин этого заключается в том, что материал, выращенный в объеме, обычно имеет высокую плотность дефектов, что снижает эффективность генерации света.Кроме того, наиболее распространенные материалы для выращивания в массе, включая арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия, не имеют соответствующей ширины запрещенной зоны для желаемых длин волн излучения. Другим требованием во многих применениях светодиодов является низкое последовательное сопротивление, которое может быть обеспечено за счет соответствующего выбора подложки, даже в тех случаях, когда низкое легирование, требуемое в области p-n-перехода, не обеспечивает адекватной проводимости.

Методы эпитаксиального роста кристаллов включают осаждение одного материала на другой, который хорошо совпадает по постоянным атомной решетки и коэффициенту теплового расширения для уменьшения дефектов в слоистом материале.Для создания эпитаксиальных слоев используется ряд методов. К ним относятся жидкофазная эпитаксия ( LPE ), парофазная эпитаксия ( VPE ), металлоорганическое эпитаксиальное химическое осаждение из паровой фазы ( MOCVD ) и молекулярно-лучевая эпитаксия ( MBE ). Каждый из методов выращивания имеет преимущества в конкретных системах материалов или производственных средах, и эти факторы широко обсуждаются в литературе.

Детали различных эпитаксиальных структур, используемых при изготовлении светодиодов, здесь не представлены, но обсуждаются в ряде публикаций.Как правило, однако, наиболее распространенными категориями таких структур являются выращенные и диффузные гомопереходы и одинарные или двойные гетеропереходы . Стратегии, лежащие в основе применения различных схем расположения слоев, многочисленны. К ним относятся структурирование областей p и n и отражающих слоев для увеличения внутренней квантовой эффективности системы, буферных слоев с градиентным составом для преодоления несоответствия решеток между слоями, локально изменяющейся запрещенной зоны для достижения ограничения носителей и бокового ограничения. инжекции носителя для управления площадью излучения света или для коллимирования излучения.

Несмотря на то, что он обычно не содержит области pn-перехода, материал подложки светодиода становится неотъемлемой частью функции и выбирается таким образом, чтобы он подходил для нанесения желаемых эпитаксиальных слоев, а также из-за его светопропускания и других свойств. . Как указывалось ранее, доля генерируемого света, которая фактически излучается светодиодным кристаллом, является функцией количества поверхностей, которые эффективно пропускают свет. Большинство светодиодных чипов классифицируются как устройства с поглощающей подложкой ( AS ), в которых материал подложки имеет узкую запрещенную зону и поглощает все излучение с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны.Следовательно, свет, идущий в стороны или вниз, поглощается, и такие микросхемы могут излучать свет только через свои верхние поверхности.

Микросхема с прозрачной подложкой ( TS ) предназначена для увеличения вывода света за счет включения подложки, прозрачной для длины волны излучаемого света. В некоторых системах прозрачность в верхних эпитаксиальных слоях позволяет также извлекать свет, проходящий к боковым поверхностям в пределах определенных углов. Также используются гибридные конструкции, имеющие промежуточные свойства подложки между устройствами AS и TS, и значительное повышение эффективности извлечения может быть достигнуто за счет применения постепенного изменения показателя преломления от светодиодного кристалла к воздуху.В структуре светодиода остается множество других механизмов поглощения, которые уменьшают излучение и которые трудно преодолеть, например передние и задние контакты на кристалле и дефекты кристалла. Однако чипы, изготовленные на прозрачных, а не на поглощающих подложках, могут демонстрировать почти пятикратное повышение эффективности извлечения.

Разработка нескольких цветов светодиодов

Первый коммерческий светоизлучающий диод, разработанный в 1960-х годах, использовал основные составляющие галлий, мышьяк и фосфор для получения красного света (длина волны 655 нанометров).Дополнительный красный светоизлучающий материал, фосфид галлия, позже был использован для производства диодов, излучающих свет с длиной волны 700 нанометров. Последняя версия нашла ограниченное применение, несмотря на высокую эффективность, из-за низкой видимой яркости, вызванной относительной нечувствительностью человеческого глаза в этой спектральной области. На протяжении 1970-х годов технологические разработки позволили ввести дополнительные цвета диодов, а производственные усовершенствования повысили контроль качества и надежность устройств.

Изменения в пропорциях элементов, легировании и материалах подложки привели к разработке диодов на основе арсенида галлия-фосфора ( GaAsP, ), дающих оранжевое и желтое излучение, а также красного эмиттера с более высоким КПД. Также были разработаны зеленые диоды на основе микросхем GaP . Введение и усовершенствование использования арсенида галлия-алюминия ( GaAlAs ) в течение 1980-х годов привело к быстрому росту числа применений светодиодов, в основном из-за повышения яркости на порядок. по сравнению с предыдущими устройствами.Такой выигрыш в производительности был достигнут за счет использования многослойных гетеропереходных структур при изготовлении чипов, и хотя эти GaAlAs-диоды ограничены излучением в красном диапазоне (660 нанометров), они начали использоваться в наружных вывесках, сканерах штрих-кодов, медицинском оборудовании. , и оптоволоконная передача данных.

Варианты цвета светоизлучающего диода
9010 9010

(CT) разработка произошла в конце 1980-х, когда дизайнеры светодиодов позаимствовали методы из быстро развивающейся индустрии лазерных диодов, что привело к производство сверхъярких светодиодов видимого света на основе системы индий-галлий-алюминий-фосфид ( AlGaInP ).Этот материал позволяет изменять цвет излучения путем регулировки ширины запрещенной зоны. Таким образом, одни и те же производственные технологии могут использоваться для производства красных, оранжевых, желтых и зеленых светодиодов. В таблице 1 перечислены многие из распространенных материалов светодиодных чипов (эпитаксиальные слои и, в некоторых случаях, подложка) и их длины волн излучения (или соответствующая цветовая температура для светодиодов белого света).

Совсем недавно были разработаны синие светодиоды на основе нитрида галлия и карбида кремния. Создание света в этой более коротковолновой и более энергичной области видимого спектра долгое время было труднодостижимым для разработчиков светодиодов.Высокая энергия фотонов обычно увеличивает частоту отказов полупроводниковых устройств, а низкая чувствительность человеческого глаза к синему свету увеличивает требования к яркости для полезного синего диода. Одним из наиболее важных аспектов синего светоизлучающего диода является то, что он дополняет семейство основных цветов красного, зеленого и синего ( RGB ), чтобы обеспечить дополнительный механизм получения твердотельного белого света путем смешивания этих компонентов. цвета.

Исследователи твердого тела стремились разработать источник яркого синего света с момента разработки первых светодиодов.Хотя светодиоды, в которых используется карбид кремния, могут излучать синий свет, они имеют чрезвычайно низкую светоотдачу и не способны обеспечивать яркость, необходимую для практических применений. Последние разработки полупроводников на основе нитридов группы III привели к революции в диодной технологии. В частности, система нитрид галлия-индия ( GaInN ) стала ведущим кандидатом для производства синих светодиодов, а также основным материалом на развивающемся рынке белых светодиодов.Система материалов GaInN эволюционировала в 1990-х годах с достижением p-легирования в GaN, за которым последовало использование двойной гетероструктуры GaInN / GaN для изготовления светодиодов, а затем коммерческая доступность голубых и зеленых светодиодов GaInN высокой яркости в конец 1990-х.

Светодиоды белого света

Система полупроводниковых материалов из нитрида галлия и индия распространяется на разработку диодов белого света. Добавление ярких светодиодов с синим светом к ранее разработанным устройствам с красным и зеленым светом позволяет использовать три светодиода, настроенных на соответствующие выходные уровни, для получения любого цвета в спектре видимого света, включая белый.Другие возможные подходы к получению белого света с использованием одного устройства основаны на преобразователях длины волны люминофора или красителя или полупроводниковых преобразователях длины волны. Концепция белого светодиода особенно привлекательна для общего освещения из-за надежности твердотельных устройств и возможности обеспечения очень высокой светоотдачи по сравнению с обычными лампами накаливания и люминесцентными источниками.

В то время как обычные источники света демонстрируют среднюю светоотдачу от 15 до 100 люмен на ватт, эффективность белых светодиодов, по прогнозам, достигнет более 300 люмен на ватт за счет постоянного развития.На рисунке 8 показаны значения световой отдачи для ряда типов светодиодов и обычных источников света, а также представлена ​​кривая светимости CIE (Международная комиссия по освещению) для видимого диапазона длин волн. Эта кривая представляет реакцию человеческого глаза на излучатель со 100-процентной эффективностью. Некоторые из современных систем светодиодных материалов демонстрируют более высокие световые характеристики, чем большинство традиционных источников света, и вскоре ожидается, что светоизлучающие диоды станут наиболее эффективными из доступных излучателей.

Белые светодиоды, безусловно, подходят для дисплеев и вывесок, но для того, чтобы быть полезными для общего освещения (как хотелось бы) и для приложений, требующих точной и эстетичной цветопередачи (включая освещение для оптической микроскопии), способ, которым » Белый «свет» должен быть серьезно рассмотрен. Человеческий глаз воспринимает свет как белый, если три типа клеток светочувствительного конуса, расположенные в сетчатке, стимулируются в определенных соотношениях.Три типа колбочек демонстрируют кривые отклика, которые имеют максимальную чувствительность на длинах волн, представляющих красный, зеленый и синий цвет, а комбинация ответных сигналов вызывает различные цветовые ощущения в мозгу. Широкое разнообразие различных цветовых смесей способно дать подобный воспринимаемый цвет, особенно в случае белого цвета, который может быть реализован посредством множества комбинаций двух или более цветов.

Диаграмма цветности — это графическое средство представления результатов, полученных при смешивании цветов.Монохромные цвета появляются на периферии диаграммы, а диапазон смесей, представляющих белый цвет, расположен в центральной области диаграммы (см. Рисунок 9). Свет, воспринимаемый как белый, может генерироваться разными механизмами. Один из методов — комбинировать свет двух дополнительных цветов в правильном соотношении мощностей. Соотношение, которое вызывает трехцветную реакцию сетчатки (вызывающую восприятие белого цвета), варьируется для разных цветовых комбинаций. Выбор дополнительных длин волн приведен в таблице 2 вместе с коэффициентом мощности для каждой пары, которая дает координаты цветности стандартного источника света, обозначенного Международной комиссией по освещению (CIE, Commission Internationale de l ‘как D (65) ) как D (65) . Эклайраж).

Еще одно средство создания белого света — это сочетание излучения трех цветов, которые создают восприятие белого света, когда они объединяются в надлежащем соотношении мощностей. Белый свет также может быть получен за счет широкополосного излучения вещества, излучающего в большой области видимого спектра. Этот тип излучения приближается к солнечному свету и воспринимается как белый. Кроме того, широкополосное излучение можно комбинировать с излучением в дискретных спектральных линиях для получения воспринимаемого белого цвета, который может иметь конкретные желательные цветовые характеристики, которые отличаются от характеристик белого света, создаваемого другими методами.

Комбинация красных, зеленых и синих диодных чипов в одном дискретном корпусе или в ламповом узле, содержащем кластер диодов, позволяет генерировать белый свет или любой из 256 цветов за счет использования схемы, которая управляет тремя диодами независимо. В приложениях, требующих полного спектра цветов от единого точечного источника, этот тип формата диодов RGB является предпочтительным методом.

В большинстве диодов белого света используется полупроводниковый чип, излучающий на короткой длине волны (синий, фиолетовый или ультрафиолетовый), и преобразователь длины волны, который поглощает свет из диода и подвергается вторичной эмиссии на более длинных волнах.Такие диоды, таким образом, излучают свет с двумя или более длинами волн, которые при объединении выглядят как белые. Качество и спектральные характеристики комбинированного излучения различаются в зависимости от возможных вариантов конструкции. Наиболее распространенные материалы для преобразования длины волны называются люминофорами , которые проявляют люминесценцию, когда они поглощают энергию от другого источника излучения. Обычно используемые люминофоры состоят из неорганического вещества-хозяина, содержащего оптически активную присадку.Иттрий-алюминиевый гранат ( YAG ) является обычным материалом-хозяином, и для диодных применений он обычно легирован одним из редкоземельных элементов или редкоземельным соединением. Церий — распространенный легирующий элемент в люминофорах YAG, разработанных для белых светодиодов.

Дополнительные длины волн цвета
Название цвета Длина волны
(нанометры)
Полупроводник
Состав
Ультра красный 660 GaAlAs / GaAlAs
Super Red 633 Super

633 Super 90Ga11 AlGaInP
Оранжевый 605 GaAsP / GaP
Желтый
31
31
Желтый Ga3
Белый
903 31
4500K (CT) InGaN / SiC
Бледно-белый 6500K (CT) InGaN / SiC InGaN / SiC InGaN / SiC
Чистый зеленый 555 GaP / GaP
Super Blue
Голубо-фиолетовый 430 GaN / SiC
Ультрафиолет 395 395
SiC
8 8
Дополнительные длины волн Коэффициент мощности
λ 1 (нм) λ2 нм 2 ) / P (λ 1 )
390 560.9 0,00955
410 561,3 0,356
430 430

564,0

1,79
470 570,4 1,09
480
31 9032.Шестой Первый коммерчески доступный белый светодиод (изготовленный и распространяемый Nichia Corporation) был основан на полупроводниковом устройстве из излучающего синий свет нитрида галлия-индия ( GaInN ), окруженного желтым люминофором.На рис. 1 показано поперечное сечение устройства. Люминофор представляет собой YAG с добавкой Ce, выпускаемый в виде порошка и суспендированный в эпоксидной смоле, используемой для герметизации матрицы. Смесь люминофора и эпоксидной смолы заполняет чашу отражателя, которая поддерживает кристалл на выводной рамке, и часть синего излучения кристалла поглощается люминофором и повторно излучается с более длинной длиной волны фосфоресценции. Комбинация желтого фотовозбуждения при синем освещении идеальна, поскольку требуется только один вид преобразователя.Дополнительные синие и желтые длины волн объединяются посредством аддитивного смешивания для получения желаемого белого света. Результирующий спектр излучения светодиода (рис. 10) представляет собой комбинацию излучения люминофора с синим излучением, которое проходит через покрытие люминофора, не поглощаясь.

Относительный вклад двух полос излучения может быть изменен для оптимизации световой эффективности светодиода и цветовых характеристик общего излучения. Эти регулировки могут быть выполнены путем изменения толщины содержащей люминофор эпоксидной смолы, окружающей матрицу, или путем изменения концентрации люминофора, суспендированного в эпоксидной смоле.Голубовато-белое излучение диода синтезируется, по сути, путем аддитивного смешения цветов, а его характеристики цветности представлены центральным местом (0,25, 0,25) на диаграмме цветности CIE (Рисунок 9; Голубовато-белый светодиод ).

Белые светодиоды могут генерировать излучение по другому механизму, используя люминофоры широкого спектра, которые оптически возбуждаются ультрафиолетовым излучением. В таких устройствах используется диод, излучающий ультрафиолетовое излучение, для передачи энергии люминофору, и все видимое излучение генерируется люминофором.Люминофоры, которые излучают в широком диапазоне длин волн, производя белый свет, легко доступны в качестве материалов, используемых при производстве люминесцентных ламп и электронно-лучевых трубок. Хотя люминесцентные лампы получают ультрафиолетовое излучение в процессе газового разряда, этап излучения люминофора, производящий белый свет, такой же, как и в белых диодах с ультрафиолетовой накачкой. Люминофоры имеют хорошо известные цветовые характеристики, а преимущество диодов этого типа состоит в том, что они могут быть разработаны для приложений, требующих критической цветопередачи.Однако существенным недостатком диодов с ультрафиолетовой накачкой является их более низкая световая отдача по сравнению с белыми диодами, использующими синий свет для возбуждения люминофора. Это происходит из-за относительно высоких потерь энергии при понижающем преобразовании ультрафиолетового света в более длинные видимые волны.

Красители являются еще одним подходящим типом преобразователя длины волны для применений с белыми диодами и могут быть включены в эпоксидный герметик или в прозрачные полимеры. Коммерчески доступные красители, как правило, представляют собой органические соединения, которые выбираются для конкретной конструкции светодиода с учетом их спектров поглощения и излучения.Свет, генерируемый диодом, должен соответствовать профилю поглощения преобразующего красителя, который, в свою очередь, излучает свет с желаемой большей длиной волны. Квантовая эффективность красителей может быть около 100 процентов, как при конверсии люминофора, но у них есть недостаток в более низкой долговременной эксплуатационной стабильности, чем у люминофоров. Это серьезный недостаток, поскольку молекулярная нестабильность красителей приводит к тому, что они теряют оптическую активность после конечного числа абсорбционных переходов, и возникающее в результате изменение цвета светоизлучающего диода ограничивает срок его службы.

Были продемонстрированы светодиоды белого света на основе полупроводниковых преобразователей длины волны, которые в принципе похожи на типы преобразования люминофора, но в которых используется второй полупроводниковый материал, который излучает другую длину волны в ответ на излучение пластины первичного источника. Эти устройства называются полупроводниками с рециркуляцией фотонов (или PRS-LEDs ) и включают кристалл светодиода, излучающий синий цвет, прикрепленный к другому кристаллу, который реагирует на синий свет, излучая свет с дополнительной длиной волны.Затем две длины волны объединяются, чтобы получить белый цвет. Одна из возможных структур для этого типа устройства использует диод GaInN в качестве активной области с инжекцией тока, соединенной с активной областью с оптическим возбуждением AlGaInP. Синий свет, излучаемый первичным источником, частично поглощается вторичной активной областью и «рециркулируется» в виде повторно излучаемых фотонов с более низкой энергией. Структура полупроводника с рециркуляцией фотонов схематически проиллюстрирована на рисунке 11. Чтобы комбинированное излучение давало белый свет, соотношение интенсивностей двух источников должно иметь определенное значение, которое можно рассчитать для конкретных дихроматических компонентов.Выбор материалов и толщину различных слоев в структуре можно изменить, чтобы изменить цвет вывода устройства.

Поскольку белый свет может быть создан с помощью нескольких различных механизмов, использование белых светодиодов в конкретном приложении требует рассмотрения пригодности метода, используемого для генерации света. Хотя воспринимаемый цвет света, излучаемого различными методами, может быть похожим, его влияние на цветопередачу или, например, результат фильтрации света может быть совершенно другим.Белый свет, создаваемый посредством широкополосного излучения, смешивания двух дополнительных цветов в дихроматическом источнике или смешивания трех цветов в трехцветном источнике, может быть расположен в разных координатах на диаграмме цветности и иметь разные цветовые температуры по отношению к источникам света, обозначенным как стандарты CIE. Однако важно понимать, что даже если разные источники света имеют одинаковые координаты цветности, они все равно могут иметь существенно разные свойства цветопередачи (Таблица 3) из-за различий в деталях выходного спектра каждого источника.

Индекс эффективности и цветопередачи светодиода
3 светодиод 280
Тип светодиода Световой
Эффективность (лм / Вт)
Цветность
Координаты (x, y)
907
Дихроматический светодиод
336 (0,31, 0,32) 10
Дихроматический светодиод с расширенным выходом
35
31
31
31
31, 0,32) 26

Трихроматический светодиод
283 (0,31, 0,32) 60 60 (0,31, 0,32) 57
Таблица 3

При оценке белого света, генерируемого светодиодами, первостепенное значение имеют два фактора: световая отдача и возможности цветопередачи.Свойство, называемое индексом цветопередачи ( CRI, ), используется в фотометрии для сравнения источников света и определяется как способность цветопередачи источника по сравнению со стандартным эталонным источником освещения. Можно продемонстрировать, что существует фундаментальный компромисс между светоотдачей и способностью цветопередачи светоизлучающих устройств, как показано значениями в Таблице 3. Для таких приложений, как вывески, в которых используются блоки монохроматического света, светящиеся эффективность имеет первостепенное значение, а индекс цветопередачи не имеет значения.Для общего освещения необходимо оптимизировать оба фактора.

Спектральный характер излучения, излучаемого устройством, оказывает сильное влияние на его способность к цветопередаче. Хотя максимально возможная световая отдача может быть получена путем смешивания двух монохроматических дополнительных цветов, такой двухцветный источник света имеет низкий индекс цветопередачи. В практическом смысле логично, что если красный объект освещается диодом, излучающим белый свет, созданный путем объединения только синего и желтого света, то внешний вид красного объекта будет не очень приятным.Однако тот же диод вполне подойдет для подсветки прозрачной или белой панели. Источник белого света с широким спектром, который имитирует видимый спектр солнца, обладает наивысшим индексом цветопередачи, но не обладает световой эффективностью дихроматического излучателя.

Светодиоды на основе люминофора, которые либо сочетают длины волн синего излучения с более длинноволновым цветом фосфоресценции, либо создают свет исключительно за счет излучения люминофора (как в светодиодах с ультрафиолетовой накачкой), могут быть разработаны с достаточно высокими возможностями цветопередачи.Они имеют цветовой характер, во многом похожий на цвет люминесцентных ламп. Светодиоды GaInN используют синее излучение полупроводника для возбуждения люминофоров и доступны в версиях холодного белого, бледно-белого и белого цвета накаливания, которые содержат различное количество люминофора, окружающего кристалл. Холодный белый цвет является самым ярким, в нем используется наименьшее количество люминофора, и он дает свет с наиболее голубоватым оттенком. Версия с лампами накаливания белого цвета окружает излучающий синий чип чип с наибольшим количеством люминофора, имеет самый тусклый свет и самый желтый (самый теплый) цвет.Бледно-белый имеет промежуточные характеристики яркости и цветового оттенка между двумя другими версиями.

Долгожданная доступность белых светодиодов вызвала большой интерес к применению этих устройств для удовлетворения общих требований к освещению. По мере того, как дизайнеры по свету знакомятся с характеристиками новых устройств, необходимо развеять ряд заблуждений. Одна из них заключается в том, что свет от белого светодиода можно использовать для освещения линзы или фильтра любого цвета и поддержания точности и насыщенности цвета.В некоторых версиях белого светодиода отсутствует красная составляющая на белом выходе или есть другие неоднородности в спектре. Эти светодиоды нельзя использовать в качестве обычных источников для подсветки многоцветных панелей дисплея или цветных линз, хотя они хорошо работают за прозрачными или белыми панелями. Если за красной линзой используется белый светодиод на основе GaInN синего цвета, проходящий свет будет розового цвета. Точно так же оранжевая линза или фильтр станут желтыми при освещении тем же светодиодом.Хотя потенциальные преимущества применения светодиодов огромны, необходимо учитывать их уникальные характеристики при включении этих устройств в схемы освещения вместо более привычных традиционных источников.

Соавторы

Кеннет Р. Спринг — научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.

Томас Дж. Феллерс и Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 Ист., Государственный университет Флориды, Таллахасси, Флорида, 32310.

Химия света и цвета

Знаете ли вы, что в 2019 году исполняется 150 лет Периодической таблице элементов? В 1869 году русский профессор химии Дмитрий Менделеев опубликовал свою версию периодической таблицы Менделеева, которая получила широкое признание по двум причинам:

  1. Он оставил в таблице пробелы, где, казалось, поместился элемент, который еще не был обнаружен. Тенденции в известной периодической таблице позволили ему предсказать свойства этих недостающих элементов, таких как галлий (Ga).
  2. Он не упорядочивал свои элементы по их атомному весу, а вместо этого упорядочивал их по химическим семействам (группируя элементы со схожими свойствами).

Периодическая таблица элементов Менделеева, ок. 1871.

В исходной таблице Менделеева было всего 63 элемента; Продолжающиеся исследования и открытия привели к тому, что общее количество, показанное в сегодняшних периодических таблицах, обычно составляет 108-109 элементов. В ознаменование 150-летия Национальной лаборатории штата Айдахо Министерства энергетики США была создана интерактивная таблица Менделеева.

Внешний вид цвета

Свет (видимый и невидимый) — это электромагнитное явление, создаваемое солнечным излучением. Люди воспринимают цвет в результате взаимодействия света с палочками, колбочками и другими биологическими элементами нашей зрительной системы. Когда свет взаимодействует с объектом, физические свойства этого объекта (включая его химический состав) определяют, как он поглощает, отражает и / или излучает свет, влияя на то, как мы визуально воспринимаем объект.

Видимый свет содержит все цвета от фиолетового до красного. Объект приобретает свой цвет, когда электроны поглощают энергию света и становятся «возбужденными» (повышаются до состояния повышенной энергии). Возбужденные электроны поглощают свет определенных длин волн. То, что видят люди, — это дополнительный цвет поглощенных длин волн, то есть оставшихся длин волн света, которые не поглощаются. Например, если объект поглощает красные волны света, мы будем воспринимать его как зеленый (дополнительный цвет красного).

Соответствующие цвета поглощенных длин волн и дополнительный цвет (то, что мы видим). (Источник изображения: LibreTexts ™ Chemistry).

Цвет химических веществ

Многие химические вещества и химические соединения кажутся бесцветными, так как они поглощают УФ или световые волны других длин, которые не являются частью видимого спектра. Химические вещества, которые кажутся окрашенными, поглощают длины волн видимого спектра; эти цветные химические вещества называются хромофорами.Воспринимаемый нами цвет, его яркость и интенсивность зависят от формы спектра поглощения вещества, который определяется химической структурой вещества.

Спектр поглощения химического соединения хлорофилла а (C55H72MgN4O5). Поскольку он поглощает в основном волны фиолетового / синего и оранжевого / красного цветов, хлорофилл а — вещество, необходимое для фотосинтеза растений, — кажется нашим глазам зеленым, придавая растениям зеленый оттенок.(Источник изображения: НАСА)

Химические эмиссионные свойства

Так же, как каждое вещество имеет свой собственный спектр поглощения, оно имеет и соответствующий спектр излучения, который является точным обратным. В то время как поглощение вызывается возбуждением электронов, которое перемещает их с более низкого энергетического уровня на более высокий, эмиссия вызывается тем, что электроны падают обратно в более низкое энергетическое состояние («релаксация»), что высвобождает фотон — единицу электромагнитного излучения. радиация. Перемещаясь на различных длинах волн, выпущенные фотоны создают сигнатуру для каждого вещества, которую можно выразить в терминах видимого спектра, то есть в виде цветовой карты.

У ученых есть метод определения сигнатуры вещества для оценки его элементного состава. Когда излучаемый веществом свет проходит через призму, он дифрагирует на его отдельные частоты, создавая характерный узор из цветных линий, называемый спектром излучения атомов, который является уникальным для каждого элемента. Глядя на сигнатуру вещества (спектр атомной эмиссии), можно определить, какие элементы присутствуют.

Спектры атомной эмиссии водорода (H), неона (Ne) и железа (Fe) (Источник изображения: Mathematica.Stackexchange.com)

Люминесценция — также называемая излучением холодного тела — описывает излучение видимого света веществом из-за электронного возбуждения и высвобождения фотонов. Возбуждение чаще всего возникает в результате поглощения света, хотя другие стимулы, такие как химические реакции, физическое возбуждение или электрический ток, также могут приводить к испусканию фотонов. Некоторые вещества излучают видимый свет только после того, как на них воздействует свет, возбуждающий их атомы; другие, такие как фосфор (P), светятся в результате хемилюминесценции: химической реакции, которая происходит при контакте фосфора с кислородом (O).

Газообразные элементы могут излучать свет при нагревании или при приложении электрической энергии для возбуждения своих атомов. Последний метод возбуждения — это то, как создаются неоновые вывески (технически неправильное название, поскольку не все они содержат неоновый газ). Стеклянные трубки, содержащие разные газы, используются для создания различных цветов, например: гелий (He) светится розовым, неон (Ne) дает красно-оранжевый свет, аргон (Ar) — синий, криптон (Kr) — бледно-зеленый, и ксенон (Xe) светится бледно-голубым.

Многоцветная неоновая вывеска: изогнутые в форме стеклянные трубки, наполненные различными газами, к которым применяется электрический ток, возбуждающий электроны и создающий устойчивое свечение.

Химия светодиодов

Светодиоды

(светоизлучающие диоды) используют химические и электромагнитные свойства света и цвета. Светодиоды сделаны из полупроводниковых материалов — материалов, которые проводят электричество при определенных условиях. Элементы, находящиеся в центре периодической таблицы, обычно являются изоляторами, которые препятствуют прохождению электрического тока, но химический процесс, называемый «легирование» (смешивание с другими материалами), превращает их в полупроводники.

Например, кремний (Si) обычно является изолятором, но добавление нескольких атомов элемента сурьмы (Sb) увеличивает количество свободных электронов для создания полупроводника n-типа (отрицательного типа).Точно так же, если атомы бора (B) добавляются к кремнию, они эффективно забирают электроны из кремния, оставляя «дырки» там, где электроны должны быть. Этот тип кремния называется p-типом (положительным типом), потому что дырки несут положительный электрический заряд; дыры также могут перемещаться.

Обычно в светодиодных полупроводниках используются материалы на основе галлия (Ga), например нитрид галлия (GaN) или фосфид галлия (GaPO4). Цвет света, излучаемого светодиодом, определяется используемым материалом.Светодиоды состоят из двух слоев полупроводникового материала, которые легированы, чтобы создать слой n-типа и p-типа. При приложении электрического тока электроны в слое n-типа и электронные дырки в слое p-типа оба направляются в активный слой (или проводящий слой), расположенный между двумя полупроводниковыми слоями. Затем свободные электроны попадают в отверстия, высвобождая энергию в виде фотонов или видимого света.

Упрощенная схема светодиода.(Изображение любезно предоставлено www.ucsusa.org)

Разница в энергии между слоями n-типа и p-типа называется шириной запрещенной зоны. Размер запрещенной зоны определяет цвет светодиода. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем короче длина волны излучения. Итак, для красного светодиода (красный имеет длинную волну) требуется только небольшая запрещенная зона. Для синих светодиодов необходима большая ширина запрещенной зоны.

Легче производить светодиоды с меньшей шириной запрещенной зоны, поэтому разработчикам потребовалось некоторое время, чтобы найти правильную химическую смесь материалов для создания большой ширины запрещенной зоны, необходимой для синих светодиодов.Голубые светодиоды были наконец созданы в 1990-х годах с использованием нитрида галлия (узнайте больше о синем свете и синих светодиодах). Эта веха позволила смешивать цвета для светодиодной электроники, такой как лампы и дисплеи, поскольку все три цвета светодиодов (красный, зеленый и синий) необходимы для получения ряда цветов, включая белый свет.

Инфографика, изображающая химический состав светодиодных ламп разного цвета. Просмотреть изображение в полном размере. (Источник изображения: Сложный процент)

Измерение яркости и цвета светодиодов

Radiant Vision Systems разрабатывает интегрированные решения как для НИОКР, так и для измерения на производственной линии интенсивности, освещенности, яркости и цветности различных источников освещения, включая светодиоды, светодиодные матрицы и модули отображения, светодиодные световые ленты и многое другое.Узнайте больше о наших решениях для измерения светодиодов и освещения с помощью нашей линейки научных фотометров и колориметров ProMetric®. Чтобы понять, что нужно делать при выборе наилучшего метода тестирования светодиодов и источников света, прочтите нашу техническую документацию «Выбор системы измерения для светодиодных источников, светильников и дисплеев».

Длина волны светодиода по сравнению с цветом светодиода

Что такое длина волны?

Длина волны используется для различения цветных, УФ- и ИК-светодиодов, но не белых светодиодов.Длина волны светодиода определяется используемым в нем полупроводниковым материалом. При выборе светодиода значение длины волны даст вам представление о цвете света, который он будет излучать.

Выбор цвета светодиода

Описание цветов иногда может вводить в заблуждение, особенно по мере появления новых цветов. У них часто есть интересные названия, например, «розовато-голубой» (это просто фиолетовый?). Другая проблема может заключаться в том, что после заказа оранжевых светодиодов для индикаторов панели вы их зажигаете, и они выглядят красными.Это связано с тем, что светодиод имеет более высокую длину волны, возможно, около 625 нм. Секрет часто кроется в терминологии, такой как «Истинный», «Глубокий» и «Гипер», но это не всегда лучший вариант. Возьмите значение длины волны, указанное в нанометрах (нм), и сравните его с цветовой диаграммой:

Длина волны подскажет вам цвет светодиода, но я бы все равно использовал подход «попробуйте, прежде чем покупать». Никогда не приступайте к массовому производству, пока не увидите, как оно выглядит лично.Представьте, что это все равно, что красить комнату: вы всегда сначала пробуете образец, потому что даже среда, в которой она находится, может изменить ее внешний вид.

Линзы — тонированные или прозрачные?

Еще один фактор, который следует учитывать, — это цвет корпуса светодиода или линзы. Синие светодиоды могут иметь либо синюю тонированную линзу, либо бесцветную линзу. Одним из основных соображений здесь является то, как должен выглядеть светодиод, когда он выключен. Светодиоды для поверхностного монтажа часто имеют белый корпус; однако у некоторых есть черный корпус, который обеспечивает более высокую контрастность включения / выключения, что отлично подходит для использования в дисплеях.

Белые светодиоды

Как упоминалось ранее, белые светодиоды нельзя различить по длине волны. Они кажутся «холодными», «нейтральными» или «теплыми» белыми из-за их цветовой температуры, измеряемой в Кельвинах (K).

Чтобы лучше понять технологию, лежащую в основе длины волны, посетите эту страницу OSRAM Opto Semiconductors: Light Colors

Видимый диапазон светодиодов в RS Components

Похожие сообщения — Выбор белого светодиода

Как светодиоды меняют цвет? Понимание цветовой модели RBG

Некоторые светодиоды могут менять цвет, но обычно светодиоды не меняют цвет.Когда вы видите, как светодиод меняет цвет, на самом деле вы видите диод другого цвета внутри, излучающий свет.

Интересует, как все это возможно? Вот краткое объяснение того, как светодиоды меняют цвет (щелкните здесь, чтобы узнать, как работают светодиоды).

Метод 1. Изменение цвета светодиодных ламп с использованием нескольких цветов светодиодов

Светоизлучающий диод — это, по сути, полупроводник, который выделяет энергию в виде света. Цвет света зависит от материала полупроводника.

Большинство светодиодов, меняющих цвет, содержат три отдельных светодиода в одном корпусе. Каждый светодиод излучает свой особый цвет, но, управляя уровнями энергии этих трех светодиодов, можно создавать другие цвета. Это известно как цветовая модель RGB.

Возьмем, к примеру, стандартный меняющий цвет светодиод с красным, синим и зеленым светодиодами в одном корпусе (на рынке существует множество других типов светодиодных фонарей). Внутри корпуса также находится микроконтроллер, который управляет тем, какой светодиод получает ток .

Изображение любезно предоставлено Random Nerd Tutorials

Ток одного светодиода в этом корпусе излучает красный, синий или зеленый цвет, в то время как ток двух светодиодов приводит к цветовой комбинации, такой как фиолетовый, розовый , желтый и так далее. Это обычно называется цветовой температурой светодиода.

Метод 2: СИД с изменением цвета загораются переменным током

Другой способ управления цветом, излучаемым светодиодом, — использование переменного тока.В этом случае меньший ток подается на цветной светодиод, так что оттенок меняется.

Например, при передаче тока со 100% -ной яркостью через красный светодиод выделяется красный цвет. Затем, снижение яркости только до 50% дает розовый цвет.

Этот цветовой эффект характерен для светодиодной технологии. Один и тот же механизм не дает таких же результатов, например, с галогенными лампами или КЛЛ.

Вы, наверное, заметили, что другим типам лампочек требуется несколько секунд для достижения полной яркости.Светодиод мгновенно достигает полной яркости, поэтому нет времени задержки, это одно из многих преимуществ светодиодного освещения.

Человеческий глаз не может определить высокую скорость включения и выключения светодиода. Вместо этого люди обнаруживают чистый результат включения и выключения светодиода с такой невероятной скоростью.

Другими словами, , когда светодиод включается и выключается в устойчивом быстром темпе, мы, люди, воспринимаем свет только как более тусклый . Вот почему красный светодиод может выглядеть розовым.

На самом деле вы видите красный светодиод, который включается и выключается так быстро, что ваш мозг определяет цвет при 50% яркости, в данном случае розовый. В зависимости от установленной скорости светодиода этот оттенок, который мы регистрируем, меняется.

Распространенные цвета светодиодов и их материалы

Для светодиодов разных цветов используются разные материалы . Ниже приведен краткий обзор распространенных полупроводниковых материалов, используемых для светодиодных ламп с изменяющимся цветом.

  • Алюминий галлий индия фосфат (AIGaInP) : желтый, оранжевый и красный
  • Фосфид галлия (GaP) : желтый и зеленый
  • Нитрид индия и галлия (InGaN) : зеленый, синий и белый
  • Арсенид алюминия-галлия (AIGaAs) : красный и инфракрасный

Общие сведения о температурах в градусах Кельвина и цветовой температуре светодиодов

Общие сведения о температурах в градусах Кельвина и цветовых температурах светодиодов

Клиенты часто спрашивают о цветовой температуре, что это такое и что для них значит.Чтобы помочь объяснить, мы создали эту страницу как краткий справочник по всем вашим вопросам.

Какой светлый цвет? = «q»>

A: цвет света — это цвет самого света. Некоторые источники света кажутся белыми или холодными, а другие — теплыми или коричневатыми. Другие специальные огни могут быть синими], красными или зелеными. Огни могут быть сконструированы так, чтобы имитировать любой цвет. Выбор правильного, который вы предпочитаете, важен для того, чтобы пространство выглядело правильным.

Как рассчитывается Кельвин? = «q»>

A: Кельвин (K) — единица измерения температуры, а точнее термодинамическая температура, названная в честь физика Уильяма Томпсона, 1-го барона Кельвина. 0 Кельвин также известен как абсолютный ноль и фактически самая низкая возможная температура. Величина градуса в Кельвинах такая же, как градус в градусах Цельсия, при этом 0 Кельвин равен -273,15 по Цельсию. Чтобы преобразовать Кельвин в Цельсий, просто возьмите температуру Кельвина и вычтите 273.15 для соответствующей температуры по Цельсию, т.е. 300 Кельвинов равны 26,85 Цельсия. Температура Кельвина, когда речь идет о свете, основана на цвете, излучаемом излучателем черного тела, на основе характеристики его температуры. Важно помнить, что более высокая цветовая температура направляется в синий конец цветового спектра и ниже — в красный конец спектра. См. Диаграмму ниже для визуального представления

Что такое цвет 3000K? = «q»>

A: 3000K — теплый белый свет.По шкале Кельвина он имеет отчетливый коричневатый оттенок, который часто называют теплым белым.

Что такое цвет 4000K? = «q»>

A: 4000K — это свет естественного белого цвета. По шкале Кельвина он имеет легкий оттенок желтого цвета. Это делает его популярным нейтральным цветом, особенно в офисных и домашних помещениях, которые часто используются.

Что такое цвет 5000K? = «q»>

A: 5000K — это свет чисто белого цвета. По шкале Кельвина в нем нет других цветов, только белый.

Что такое CCT или цветовая температура = «q»>

A: Это обратный переход к Кельвину. Они должны построить светодиоды на основе CCT (цветовая коррелированная температура), чтобы достичь Кельвина. Заказывая светодиодные диоды, вы делаете это от CCT, при покупке светильников — от Kelvin.

Что такое теплый свет и холодный свет? = «q»>

A: Теплые огни — это цвета, которые направлены к красному концу спектра, обычно относятся к источникам света ниже 4000K и имеют оттенок от желтого до красного.Холодные цвета обычно имеют свет выше 4000K и имеют голубоватый оттенок. 4000K часто называют натуральным белым, поскольку он находится прямо посередине.

R9 против R15 против CRI и что все это значит

В чем разница между градусами Кельвина и CRI? = «Q»>

A: CRI или R9 сильно отличается от Кельвина. Кельвин — это температура или цвет самого света, но CRI или R9 скажут нам, насколько хорошо этот свет будет воспроизводить цвета при его использовании.Это независимые метрики и никак не коррелируют.

Таким образом, у вас может быть свет 2700K, который очень хорошо воспроизводит синие цвета, даже если это свет теплых тонов, или светильник 4000K, который хорошо передает красный цвет. Они движутся независимо друг от друга и основаны только на самом источнике света. Есть несколько способов обмануть цвета с любым светом, но особенно светодиодный, и поэтому только потому, что свет 5000K или чисто белый, не говорит нам, будет ли он хорошо воспроизводить цвета или нет. Приходится смотреть на каждую отдельно.

Что означают CRI и R9? = «q»>

A: CRI (индекс цветопередачи) и R9 (среднее от R1-R9) отражают, насколько хорошо свет будет воспроизводить цвета. То, что свет белый, не означает, что под ним будут отображаться истинные цвета. Лампы накаливания и галогены хорошо справляются с цветопередачей (CRI 95+), тогда как источники HID обычно имеют низкую цветопередачу (CRI менее 50)

CRI основан только на цветах от R1 до R8, также известных как пастельные цвета. Чем выше индекс цветопередачи, тем лучше отображаются эти цвета.CRI — это стандарт 1960 года, но на самом деле существует 15 цветных полос, они обозначаются как R15. Поскольку R10-R15 обычно не улучшает цветопередачу, они пропускаются. (Для справки; сплошные насыщенные цвета — это R9-R12, а твердые тела — от R13 до R14). Однако самый большой — это R9, потому что он красный! R9 лучше, чем CRI, потому что он добавляет весь важный красный спектр. Таким образом, цвета с красным в них будут отображаться намного лучше с высоким баллом R9.

Вот как рассчитываются CRI, R9 и R15.Вы можете видеть, что CRI использует ограниченную, хотя и критическую часть шкалы. Однако R9 добавляет этот важный красный цвет, поэтому он становится более предпочтительным показателем в освещении. В любом случае для дизайнеров и пользователей, в меньшей степени для производителей, о чем мы поговорим ниже.

Что означает R в R9? Он основан на R 0 (CRI или R1-R8 — R a ), который является математическим представлением цветов ниже. TCS означает образцы тестовых цветов на основе стандарта 1995 г.

TCS01 7,5 R 6/4 Светло-серовато-красный

TCS02 5 Y 6/4 Темно-серовато-желтый

TCS03 5 GY 6/8 Ярко-желто-зеленый

TCS04 2, 5 G 6/6 Умеренный желтовато-зеленый

TCS05 10 BG 6/4 Голубовато-зеленый

TCS06 5 PB 6/8 Голубой

TCS07 2,5 P 6/8 Светло-фиолетовый

TCS08 10 P 6/8 Светлый красновато-фиолетовый

TCS09 4,5 R 4/13 Ярко-красный

TCS10 5 Y 8/10 Ярко-желтый

TCS11 4,5 G 5/8 Ярко-зеленый

TCS12 3 PB 3/11 Ярко-синий

TCS13 5 YR 8/4 Светло-желтовато-розовый

TCS14 5 GY 4/4 Умеренный оливково-зеленый (лист)

TSC15 Оливковый оттенок

Как рассчитывается индекс цветопередачи? = «Q»>

A: CRI (индекс цветопередачи) рассчитывается как среднее значение R1-R8, известное как группа пастельных цветов.

Как рассчитывается R9? = «Q»>

A: R9 рассчитывается как среднее от R1-R9, то есть группы пастельных цветов вплоть до красного.

Независимо от того, является ли его CRI., R9 или R15, цифры являются средними. Так что вы должны делать все хорошо, чтобы набрать очень высокие баллы. Обычно лампа накаливания является эталоном или эталонным светом (радиатор с черным корпусом в лаборатории, но это гораздо более длинная статья), но на самом деле оценка 100 при измерении R15 была бы идеальной. Совершенство также известно как солнечный свет.

Вот пример, когда CRI был бы высоким, но низкий R9 не раскрывает всей картины.



Теперь большинство диаграмм спектра освещения будут генерировать все данные. На этой диаграмме мы видим, что температура составляет около 4100 кельвинов и индекс цветопередачи 93, R9 падает до 75, что на самом деле отлично, потому что это лампа для выращивания растений. Для получения наилучших результатов светильник для выращивания требует полного спектра, известного как PAR. У большинства R9 вообще LED ближе к 40-50. Чтобы дать некоторую перспективу, такие стандарты, как Title 24 в Калифорнии, стандарты строительства скважин и GSA (агентство государственных услуг), требуют только CRI 80+ и R9 50+.Показывает, что светодиоды в целом должны поработать, чтобы достичь стандартов R9 выше 70+, а также почему метрика R9 еще не указана для многих источников света.


Выбор правильного цвета по Кельвину

Какой цвет Кельвина мне выбрать? = «q»>

A: Цветовая температура — это в основном вопрос предпочтений. В целом, большинство складских и наружных осветительных приборов имеют температуру 5000K, которую часто называют ярко-белым, поскольку это близкое представление солнечного света. Освещение, которое мы часто видим в жилых помещениях, более расслабленное, обычно 3000–4000 К.Освещение бизнес-офиса обычно составляет около 4000 К. Освещение в розничной торговле обычно составляет 4000-5700K, и чаще всего это более холодная сторона, поскольку более холодные цветовые температуры обычно имеют небольшое преимущество в светоотдаче по сравнению с более теплым цветом при той же мощности. Для розничных продаж яркость — это хорошо для демонстрации продаваемой продукции. Опять же, это просто обычное использование, некоторые люди предпочитают иметь 5700K в своем доме, а другие могут предпочесть 3000K для светодиодных настенных блоков на стороне своего здания. Одна вещь, которую мы упомянем, заключается в том, что Американская медицинская ассоциация рекомендует держаться подальше от света выше 5700K, поскольку он может пагубно сказаться на циркадном ритме человека и повлиять на режим сна.Исследования в этой области все еще продолжаются, и существует много противоречивой информации. Некоторые люди утверждают, что головные боли вызывают более низкие цветовые температуры, другие — более теплые. Все разные, так что все сводится к личным предпочтениям.

Некоторые муниципалитеты предъявляют строгие требования к тому, какие цветовые температуры могут использоваться для определенных приложений. Если вы делаете освещение там, где есть требования к определенной цветовой температуре, тогда вы будете знать доступные вам варианты.В противном случае выберите то, что вам удобно, или попросите совета у экспертов.

Я все еще не уверен, какой цвет выбрать, что мне делать? = «q»>

A: Получите образец. Купите 1 фонарь, чтобы подключить его к источнику питания и увидеть в действии. Если вы решите изменить цвет, вам нужно будет вернуть только 1 лампу вместо 20. Как только вы выясните, чем вы довольны, вы можете купить все количество.

Мне нужно много света, но я до сих пор не знаю, какой цвет хочу использовать.

Взять образец. Купите 1 фонарь, чтобы подключить его к источнику питания и увидеть в действии. Если вы решите изменить цвет, вам нужно будет вернуть только 1 лампу вместо 20. Как только вы выясните, чем вы довольны, вы можете купить все количество.

Просто не понимаю, какой цвет выбрать?

Позвоните нам и поговорите с одним из наших экспертов по освещению, чтобы он помог рассмотреть ваше приложение, и мы поможем вам выбрать лучший вариант.


Пример теплого света.Обратите внимание на желтый или коричневатый оттенок цвета.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *