Кристалл светодиода: Выращивание кристаллов для светодиодов

Содержание

Выращивание кристаллов для светодиодов


Светодиодные технологии проникают в каждый дом. Люди всё чаще отказываются от ламп накаливания и люминесцентных осветительных приборов в пользу экологически чистых, безопасных и экономичных образцов. Сейчас большинство производителей низшего уровня изготавливают эти устройства методом лазерной нарезки кристаллографических пластин. На них наносится слой светонепроницаемой пыли, после чего происходит процесс разрезания квадратиков. Они наклеиваются на подложку при помощи ультрафиолетового прозрачного токопроводящего клея. Такая система не может быть долговечной из-за своего внутреннего устройства. Она рано или поздно начнёт давать расслоения, поэтому происходит преждевременный выход из строя. В нашем интернет-магазине «ПрофЭлектро» продаются только осветительные светодиодные технологии с выращенным кристаллом. Это означает, что для каждого экземпляра создаётся уникальный материал, строго подходящий под особенности и геометрические параметры. Это высокотехнологичное производство, недоступное кустарным фабрикам.

Мы рассмотрим технологию выращивания кристаллов на так называемых сапфировых подложках. Они позволяют получить поразительное качество при достаточно невысокой стоимости. Весь процесс сводится к получению элемента, способного без сбоев проводить электрический ток. Чем меньше мертвых зон в сечении, тем точнее получаются световые характеристики. Чистота напрямую влияет на срок службы, устойчивость к перепаду напряжения и генерируемый спектр. Сапфировая подложка является точкой отсчёта для нарастания слоёв кристаллической массы с определенной структурой. Его идеальная кристаллическая решетка лежит в основе большого количества процессов в радиоэлектронике.

Основы процесса

Сапфировые подложки качественно калибруют на этапе сортировки. Далеко не все образцы проходят подбор, ведь их скрытые дефекты обязательно дадут неровный кристалл, обеспечивающий неправильное свечение. Наращивание происходит обязательно в присутствии инертного газа, что гарантирует отсутствие оксидов на поверхности. Регулировка температуры позволяет делать послойную структуру с металлами, вызывающими свечение. Если быть более точными, то используются сложные многокомпонентные сплавы, позволяющие долговременную эксплуатацию. Описание процесса звучит солидно, но толщина наращивания составляет всего 5‒7 микрометров. Это и есть основа каждого светодиода. Его рабочая часть невидима для невооруженного глаза. Весь процесс наращивания длится около 6‒7 часов. Кристаллизация достигается при помощи перепадов температур. Достаточно пропустить электрический ток через полученную структуру для достижения свечения. Подаваемое напряжение должно обладать определенным сводом параметров для лучшего соотношения долговечности и яркости.

Количество заряжаемых одновременно в камеру светодиодов постоянно увеличивается, что снижает стоимость осветительного прибора. В данный момент наиболее продвинутые производители обладают устройствами, позволяющими одновременное выращивание до 5000 кристаллов. Проблема количества в промышленных масштабах решается только количеством камер. Повышение ёмкости влечёт снижение стоимости.

Что касается концентрации металлов или точнейшего соблюдения толщины наращиваемого слоя, то здесь практически невозможно что-либо предсказывать. Каждый производитель имеет собственные секреты, но они составляют коммерческую тайну. Поэтому сложно что-либо утверждать.

Свечение светодиода

В основе функционирования лежит элементарное преобразование электрической энергии в поток света. Потенциалы отрицательного и положительного заряда могут быть неравномерными, что сильно влияет на излучаемый спектр. Для подведения контактов внутрь кристалла используется расслоение при помощи алмазных лезвий крайне малой толщины. Она немного раздвигают слои, а туда вставляются позолоченные или золотые контакты. Рассмотреть эти проводники можно только при сильнейшем увеличении. 

Подаваемое напряжение позволяет регулировать спектральный состав луча. Именно поэтому существуют светодиодные лампочки с холодным и тёплым светом.

После этого кристаллическая поверхность закрывается при помощи люминофора, которые обеспечивает определенную проходимость излучения. Он играет роль спектрального фильтра. От качества покрытия напрямую зависит качество освещения поверхностей, а также долговечность устройства, ведь верхний кристаллический слой в условиях контакта с воздухом может осыпаться. 

От защитного люминофора и зависит долговечность работы прибора. На самом деле срок в 50000 часов не является пределом. Просто светодиод будет работать более тускло, но его основная функция будет сохранена. В данный момент существуют различные решения с практически вечным свечением, но их применение в быту нецелесообразно.

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

Как выращивают светодиоды - 13 Мая 2013 - АвтоБлог

Такие лаборатории в России можно пересчитать по пальцам. Здесь выращивают специальные кристаллы - основа будущих светодиодных светильников.

Эта круглая пластинка называется подложка. Сделанна она из искусственного сапфира. Несколько таких подложек помещают в специальную камеру, где и происходит процесс роста. На научном языке он называется эпитаксией.


Задача получить кристалл способный проводить ток. У сапфира такой способности нет. За то есть идеальная кристаллическая решётка, которую можно нарастить тока проводящими химическими элементами. Например на основе металлов: индия, галлия, алюминия.


Вот как это происходит. Камеру, где находятся сапфировые подложки, заполняют газом. В этом газе содержаться три метилы, те самые химические элементы на основе металлов.


Далее камеру нагревают и триметилы оседают на кристаллическую решётку сапфира формируя новые слои. Процесс продолжается 6 часов.


За это время удаётся нарастить около семидесяти новых слоёв.


Вырастить кристалл это, как сварить борщ. У каждой хорошей хозяйки свой рецепт и свой маленький секрет. Так и здесь, ингредиенты известны всем, но вот пропорции каждый держит в тайне. В любом случае идеального рецепта, это когда все 100% электрического тока будут превращаться в свет, пока никто не придумал. Идея в том, чтобы было лучше: лучше светимость, больше мощности. По этому под определённые задачи рецепты выведены, а вот чтобы светодиоды были универсальны - нет.


И так кристалл выращен. По сравнению с тем что было, его толщина увеличилась всего на 5 мкм. Невооружённым глазом таких изменений не заметить, но между тем это уже полноценный светодиод. Пусти через него ток и он будет светить. Из одного такого круга можно получить до 4000 светодиодных лампочек.




Вот наглядное доказательство: подсоединяют к пластинке плюс и минус (катод и анод), и получаем яркое свечение голубого цвета. Что же происходит? Почему электрический ток преобразовывается в свет? Во время роста кристалла, в его атомах образовалось большое колличество свободных положительно и отрицательно заряженных частиц, так называемых электронов и дырок. Подключая светодиод к сети мы заставляем эти частицы сталкиваться друг с другом. При этом выделяется большое колличество энергии в виде света. Дальше дело техники. Для начала разделяют кристаллическую решётку на отдельные кристаллы, так как светить способен каждый из них. Для этого подложку разрезают алмазными лезвиями.

Размер каждого кристалла не превышает 1 кв.мм.

В ручную, с такими маленькими элементами, работать не просто, тогда в дело вступают современные станки. Они по одному захватывают каждый кристалл, устанавливают его в корпус и приваривают контакты.

Те самые плюс и минус это две тонкие нити разглядеть которые можно разве что под микроскопом. Эти нити золотые, так как золото лучше других металлов подходит для этих целей.

В принципе светильник готов, вот только светит он пока голубым. Чтобы добиться белого свечения, каждый кристалл покрывают специальным раствором под названием люминофор. Этот раствор закупают в японии. Далее его смешивают механически с эпоксидной смолой определённого состава, и получается вязкая, тягучая смесь жёлтого цвета.

Элементарная физика, жёлтый солнечный свет проходит через голубую атмосферу вот и получается белое свечение (дневной свет). В светодиоде всё наоборот, голубое свечение проходит через жёлтый люминофор и на выходе получается тот же белый свет. При этом светит он в разы ярче аналогичных лампочек накаливания.

Светодиод, который потребляет 1 ватт выдаёт порядка 100 люмен света. Для сравнения: световой поток у 60 ваттной лампочки порядка 350 люмен.

Получается, чтобы заменить одну такую лампочку нужно всего 3-4 светодиода и соответственно в место 60 ватт нам понадобится всего 3, кроме того светодиод нельзя разбить, да и прослужит в сотни раз дольше чем лампа накаливания.Да будет свет!!! И как видите глазам, в буквальном смысле, больно смотреть на это великолепие. Каждый светодиод, прежде чем поступить в продажу, проходит испытание на прогонных стендах. Если светодиоды не перегорят в течении 8 часов то гарантированно проработают 50000 часов (15 лет).
http://istochnik-m. ucoz.ru/

Выращивание светодиодов

Светодиод – полупроводниковый диод, излучающий свет при прохождении тока через p-n–переход. Чтобы p-n-переход излучал свет, должны выполняться следующие два условия. Во-первых, ширина запрещённой зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона, а во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой. Для этого полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы их соблюсти, одного р-n-перехода в кристалле недостаточно. Приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры. Их называют гетероструктуры (именно за изучение гетероструктур академик Алферов получил Нобелевскую премию). Это послужило новым этапом в развитии технологий изготовления светодиодов.

Производство светоизлучающих диодов сталкивается с некоторыми трудностями. Поскольку создание светодиодов - это динамично развивающаяся отрасль светотехнической промышленности, то сложившихся законов и правил их применения пока не существует. Нет нормативной документации, относящейся к процессу производства и использования светодиодов. Каждое крупное производство старается найти свои критерии отбора продукции, но, к сожалению, некаких международных соглашений не существует. Хотя в этом направлении в последнее время ведется активная работа и достигнуты хорошие результаты, надо понимать, что создание единых требований к светодиодной технике – дело не одного года. Чтобы понять, в чем сложность создания подобной документации, следует ознакомиться с технологией производства.

Рассмотрим поэтапно процесс выращивания светодиодов.

1) Выращивание кристалла.

Здесь главную роль играет такой процесс, как металлоорганическая эпитаксия. Эпитаксия – это ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Эпитаксиальный рост полупроводников (а светодиод – это именно полупроводник) осуществляется методом термического разложения (пиролиза) металлорганических соединений, содержащих необходимые химические элементы. Для такого процесса необходимы особо чистые газы, что предусмотрено в современных установках. Толщины выращиваемых слоев тщательно контролируются. Важно обеспечить однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста доходит до полутора миллионов евро. А процесс наладки получения высококачественных материалов для будущих светодиодов занимает несколько лет.

2) Создание чипа.

На этом этапе имеют место такие процессы, как травление, создание контактов, резка. Весь этот комплекс получил название «планарная обработка пленок». Пленка, выращенная на одной подложке, разделяется на несколько тысяч чипов.

3) Биннирование.

Биннирование (сортировка чипов) – особенно важный процесс производства светодиодов, о котором несправедливо часто забывают упоминать в литературе. Дело в том, что при производстве любой продукции должны соблюдаться некие критерии отбора. Но на вышеописанных стадиях производства светодиода невозможно добиться абсолютного сходства изделий по его характеристикам. Изготовленные чипы изначально имеют характеристики, различающиеся в некотором диапазоне. Чипы сортируют на группы (бины). В каждой группе определённый параметр варьируется в определённых пределах. Сортировка происходит по:

  • длине волны максимума излучения;
  • напряжению;
  • световому потоку (или осевой силе света) и т. д.

Биннирование, как способ градации светодиодной продукции, находит применение на производстве и, следовательно, в наименовании поставляемой продукции. Оба эти факта делают применение светодиодов доступным для широкого круга пользователей.

4) Создание светодиода.

Создание непосредственно светодиода – это заключительный этап технологической цепочки. Создается корпус будущего источника света, монтируются выводы, подбирается люминофор (если он необходим). Но особо стоит отметить такую важную часть, как оптическую систему (а именно, изготовление линз). Линзы для светодиодов изготавливают из эпоксидной смолы, силикона или пластика. К ним предъявляется широкий спектр требований, т.к. оптическая система светодиода играет большую роль (направляет световой поток светодиода в нужный телесный угол). Линзы должны:

  • быть максимально прозрачными;
  • пропускать свет во всем оптическом диапазоне;
  • обладать хорошей клейкостью материала к материалу печатной платы;
  • быть температура стабильными;
  • обладать высоким сроком службы (что характеризуется к воздействию излучения кристалла и химическому воздействию люминофора, если таковой применен).

Благодаря большому количеству положительных качеств (малой потребляемой мощностью, отсутствию ртути, низкому напряжению питания, высокой надежности, малым габаритам и т.д.), на основе светодиодов создаются разнообразные и высококачественные осветительные светодиодные приборы. Можно долго перечислять различные типы светодиодных светильников: это и прожекторы, и линейные светодиодные светильники, и светильники общего или специального назначения. Однозначно можно сказать, что светодиоды – это динамично развивающиеся источники света. А технология производства светодиодов – сфера деятельности высококлассных мировых специалистов, способных достигать все более высоких результатов.

Анатомия светодиодных ламп / Статьи и обзоры / Элек.ру

Эффективность компактных люминесцентных ламп достигла предела, а эффективность светодиодных ламп продолжает свой рост. Цены на светодиодные лампы продолжают падение, что повышает их привлекательность и делает их альтернативой люминесцентным лампам.

Cветодиодная революция в технологии освещения продолжается. Производительность светодиодных ламп (LED-ламп) быстро увеличивается, а цена падает. В прошлом году светодиодные лампы формата A19 – стандартный бытовой формат — продавались по цене от 10 до 30 долл. Существовала сильная зависимость между ценой и качеством изделия. В этом же году продукцию, занимающую в рейтинге по качеству верхние позиции, можно приобрести уже за 7 дол.

LED-лампы, по сравнению с компактными люминесцентными лампами (КЛЛ), имеют примерно одинаковую эффективность — от 50 до 60 лм/Вт. Однако, эффективность LED-ламп продолжает расти, в то время как эффективность КЛЛ уже достигла предела. LED-лампа мощностью 7,5 Вт излучает 485 лм, т.е эффективность этой LED-лампы составляет 65 лм/Вт. Те же 485 люмен обеспечит старомодная 40-Вт лампочка накаливания, но при этом её эффективность составит только 12 лм/Вт, т.е. будет в пять раз меньше.

При замене в настольном светильнике обычной лампы на LED-лампу, включая и уже упоминавшуюся выше LED-лампу, обнаружится, что помимо направленного вниз, на поверхность стола светового потока, какая-то часть светового потока направлена вверх. Это связано с горизонтальным размещением светодиодных излучателей внутри корпуса LED-лампы. Для решения этой проблемы, в лампах компании Philips используются три вертикально ориентированные LED-панели. Несмотря на имеющиеся проблемы, LED-светильники, настольная лампа или лампа направленного действия обеспечивают равномерное освещение рабочей поверхности и не нагревают освещаемую поверхность.

Конструкция настольной лампы предполагает установку в неё лампочки, которая излучает свет во всех направлениях. Цоколь лампы обеспечивает соединение с линией электроэнергии, а абажур выполняет функции отражателя. Абажур, будучи открытым сверху и снизу, также обеспечивает естественную конвекцию воздуха и позволяет устранить нежелательное тепло. Он также позволяет легко заменять недолговечные лампочки.

По мере создания новых осветительных ламп совершенствовалась и конструкция электрической настольной лампы, и этот процесс происходил на протяжении более века. Конструкция современных настольных ламп значительно отличается от их предшественников – масляных ламп.

У самых первых электрических ламп не было высокой эффективности и они не сразу стали популярными, но они обладали определёнными преимуществами, и использование керосиновых ламп стало сокращаться. В течение некоторого времени — вероятно, весьма быстро — конструкции светильников будут развиваться, чтобы адаптироваться к особенностям светодиодных источников. Когда срок службы светодиодных источников будет измеряться десятилетиями, и их замена больше не будет проблемой, конструкции светильников будут принимать различные формы и очертания. А пока фирмы продолжают производить LED-лампы по конструкции совпадающие с лампой Эдисона, что сродни забиванию квадратного в сечении колышка в круглое отверстие.

Strategies Unlimited (исследовательская компания, специализирующаяся на маркетинговых исследованиях на рынке светодиодной продукции) прогнозирует, что —«объём мирового рынка источников освещения, необходимого для замены существующих источников освещения, вырастет с 2,2 млрд долл. в 2011 г. до 3,7 млрд долл. в 2016 г.» Как отмечают эксперты, LED-лампы обеспечивают существенно более приятное освещение чем КЛЛ, и рынок их ожидает с нетерпением. LED-лампы служат дольше КЛЛ, они не содержат ртути и мгновенно включаются. У КЛЛ же, по сравнению с LED-лампами, есть одна неприятная особенность – КЛЛ требуется значительное время для перехода в режим максимального уровня освещённости.

Компоненты конструкции LED-лампы

LED-лампы являются сложными электронными устройствами. Светодиоды являются полупроводниковыми диодами, для питания которых требуется низкое напряжение постоянного тока — как правило, около 3 В. В зависимости от географического положения сетевое напряжение в домах — 220 В или 110 В переменного тока. Упомянутая выше лампа LG не имеет режима димминга. В более дорогих моделях заложена функция димминга, хотя, по мере падения цен на LED-лампы, в новых лампах эта функция может стать стандартной.

Подобно КЛЛ, внутри LED-лампы находится небольшая плата управления.Компоненты конструкции LED-лампы

Печатная плата

На рисунке видно, что печатная плата покрыта компаундом

На печатной плате этой лампы находится трансформатор, несколько конденсаторов и транзисторов.

На установленной вертикально дочерней плате находится контроллер LED-лампы HS01G (полумостовой резонансный контроллер).

Наблюдая излучаемый лампой большой световой поток, очень необычно осознавать реальный размер светодиодов. В LED-лампе используется от 16 до 48 светодиодов, каждый размером не менее 0,5 х 0,5 мм. По сравнению с этими размерами зерна риса (размером в среднем 5 х 2 мм) кажутся просто огромными! Светодиоды сгруппированы в матрицу четыре на четыре и размещены под желтыми флюоресцирующими куполами, которые, преобразуют излучаемый нитрид-галлиевыми кристаллами светодиодов поток синего света в поток белого света.

Термин «фосфор» обычно используется для обозначения флюоресцирующей среды, даже если в этой среде нет фосфора. В светодиоде излучателем является эмиттер, который состоит из мелких частиц ИАГ (иттрий-алюминиевого граната) и бария, стронция и силиката кальция, удерживаемых вместе чистым силиконом. Для достижения холодного или тёплого оттенка белого светового потока используются различные материалы.

Светодиоды

Четыре светодиода, каждый размером 0,5мм x 0. 5мм x 0.1мм установлены на плату под жёлтыми куполами

Поскольку светодиоды выделяют тепло, необходимо, чтобы конструкция задней части эмиттеров позволяла рассеивать тепло.

Конструкция эмиттеров позволяет отводить тепло

Кристалл светодиода крупным планом

Каждый светодиодный кристалл имеет очень маленькие размеры и устанавливается с помощью вспомогательных материалов. Кристалл светодиода разрезается по диагонали, при этом формируются две излучающие поверхности. Каждая из распиленных частей кристалла представляет собой очень тонкий слой нитрида галлия (GaN) толщиной всего 7 микрон и размещается на сапфировой подложке толщиной 0,1 мм. Сапфировая подложка служит основой для установки нитрид-галлиевого кристалла.Вид светодиодного кристалла в электронном микроскопе. Один из встраиваемых электродов подключён к катоду, а другой электрод к аноду

Сапфировая подложка снижает плотность дислокаций в кристалле GaN. Во время работы кристалла подложка работает как радиатор, рассеивая выделяющуюся тепловую энергию. Основание излучающего GaN-кристалла толщиной около 6 микрон не используется для создания светового потока и обеспечивает лишь механическую связь с сапфировой подложкой. Толщина слоя, в котором прогрессивно нарастает мощность излучаемого сигнала, составляет около 1 микрона. Область наиболее интенсивного светового излучения находится примерно на 100 нм ниже верхней поверхности кристалла.

Поперечный вид светодиодного кристалла показан на следующем фото.

С помощью электронного микроскопа можно наблюдать и слой GaN.Поперечныйвидкристалла. Шкала линейки 0,1 мм. На верхней поверхности виден тонкий слой GaN. Ближе к центру виден электрод, соединённый с катодом.

Множество квантовых ям InGaN

Слой GaN. Синие стрелки показывают приблизительный район, где формируется световой поток. Над этой областью кристалла GaN находится легированная область р-типа; ниже области – легирование n-типа.

Синий свет генерируется в очень тонкой области, содержащей несколько квантовых ям InGaN с разной концентрацией индия. Область, где располагается «множество квантовых ям» (МКЯ) имеет толщину порядка 50 нм, т.е. её толщина меньше показанной на предыдущем рисунке стрелки. Через р-область протравлен канал и т.о. МКЯ имеет контакт с n-областью перехода. Поскольку свет не может выделяться из области травления, площадь этой области сведена к минимуму. Тем не менее, эта область достаточна для того чтобы обеспечить хороший контакт, установить электрод для подачи тока и избежать проблем, связанных с неравномерным распределения тока.

Очень приятным для глаз является излучаемый LED-лампой световой поток с цветовой температурой около 3000 К. Флюоресцирующая среда преобразует излучаемый кристаллом поток синего света в световой поток, спектр которого очень близок к солнечному свету. При этом отсутствует избыточное тепло, возникающее при инфракрасном излучении. Некоторые производители устанавливают внутри колбы лампы красные светодиоды, что добавляет в световой поток компоненты, находящиеся в конце спектра видимого света, где чувствительность человеческого глаза не так велика.

С добавлением красных светодиодов увеличивается сложность схемы, потому что необходимо управлять двумя наборами светодиодов, отличающимися напряжением включения. Однако одновременно повышается эффективность лампы, обеспечивая больший световой поток при той же потребляемой мощности.

Заключение

Спектр излучения лампы  ограничен видимым светом. Пиковый уровень при длине волны 450 нм соответствует излучению синего светодиода.

С понижением цен на LED-лампы их привлекательность растёт и они становятся прекрасной альтернативой содержащим ртуть компактным люминесцентным лампам. У LED-ламп, также как и у КЛЛ, слабым звеном конструкции является печатная плата. Однако встречаются производители, конструкция печатной платы которых имеет отличное качество, что должно обеспечить срок службы изделия сверх ожидаемых значений.

Автор:
Мартин Симард-Нормандин — президент и главный исполнительный директор
компании MuAnalysis (Оттава, Канада)

Обзор светодиодной продукции компании CREE

22 декабря 2009

Вполне очевидно, что в самом ближайшем будущем производители осветительных приборов будут вынуждены сворачивать производство традиционных изделий и переходить к выпуску светодиодных светильников.

В последнее время в ряде индустриально развитых стран приняты программы постепенной замены традиционных источников света полупроводниковыми. Так, например, в Великобритании уже с 2009 года запрещено производство и использование ламп накаливания. В США, странах Евросоюза и в Австралии полный отказ от традиционных ламп накаливания запланирован на 2010 год. А примерно к 2015 году подобная участь может постигнуть и другие, широко распространенные в настоящее время источники света, такие как газоразрядные и галогенные лампы. К примеру, в США все уличное освещение к 2014 году должно быть заменено на светодиодное.

Подобные тенденции просматриваются и в России. Хорошо известен проект Российских железных дорог, в рамках которого предполагается перевести всю инфраструктуру на светодиодное освещение. В ряде регионов страны начата реализация программ по замене обычных источников света светодиодными. К 2020 году планируется перевести все уличное освещение в России на светодиодную основу.

 

Классификация светодиодной продукции CREE

Все светодиоды, выпускаемые компанией CREE, делятся на две большие группы — мощные, под общим названием XLamp и сверхъяркие (High-Brightness) (см. рис. 1). Каждая из этих групп продукции в свою очередь делится на подгруппы или семейства, отличающиеся типом корпуса и параметрами. Разделение на группы определяется допустимой величиной тока через кристалл светодиода. К группе мощных относятся светодиоды с допустимой величиной тока 350 мА и выше. Сверхъяркие рассчитаны на меньший рабочий ток, типовое значение для них составляет 30…50 мА.

 

 

Рис. 1. Общая классификация светодиодной продукции CREE

Светодиоды XLamp выпускаются в трех вариантах исполнения — XR, XP и MC. Все эти варианты исполнения предназначены для поверхностного монтажа и отличаются формами и размерами корпусов. В настоящее время мощные светодиоды XLamp производятся на базе кристаллов двух типов, отличающихся размерами и рабочим током. Соответствующие этим типам кристаллов серии светодиодов обозначаются буквами С и Е. На данный момент компания CREE серийно производит пять серий мощных светодиодов, различающихся вариантом исполнения и типом используемого кристалла: XR-C, XR-E, XP-C, XP-E и MC-E.

Сверхъяркие светодиоды делятся на три большие группы, различающиеся вариантами исполнения. В первую группу входят светодиоды в стандартных выводных корпусах круглого или овального сечения, диаметром от 3 до 5 мм. Вторую группу составляют светодиоды в корпусе квадратного сечения с четырьмя выводами для монтажа в отверстия. Данное исполнение обозначается у CREE как Р4. Подобный тип корпуса также известен под названием Пиранья (Piranha). В третью группу вошли светодиоды для поверхностного монтажа в корпусах типа PLCC.

 

Мощные светодиоды XLamp

Появление мощных светодиодов семейства XR (рис. 2) стало в свое время настоящим прорывом в области полупроводниковых источников света. Технологические новации, реализованные компанией CREE, и уникальная конструкция корпуса прибора позволили добиться превосходных технических характеристик при относительно невысокой стоимости изделий.

 

 

Рис. 2. Светодиод семейства XR

В качестве основания корпуса светодиодов семейства XR используется металлизированная керамическая подложка с высокой теплопроводностью (рис. 3). Такое решение обеспечивает низкое тепловое сопротивление и электрическую изоляцию корпуса кристалла от внешнего теплоотвода. Кристаллы светодиодов изготавливаются по уникальной технологии выращивания светоизлучающих InGaN структур на монокристаллическом карбиде кремния (SiC).

 

 

Рис. 3. Конструкция корпуса светодиодов семейства XR 

Материал подложки светодиодов (нитрид алюминия и карбид кремния) имеют близкие значения температурных коэффициентов объемного и линейного расширения, что позволяет решить проблему возникновения механических напряжений в кристалле при изменении температуры. Металлический корпус светодиода кроме механических функций выполняет также роль рефлектора. Еще одно ноу-хау компании CREE, нашедшее применение в конструкции светодиодов семейства XR, — это использование так называемой «плавающей» линзы. Линза из кварцевого стекла закреплена в корпусе светодиода не жестко и держится за счет адгезии к кремнийорганическому гелеобразному герметику, как бы «плавает» в нем. Подобная конструкция позволяет не только исключить механические напряжения при термоциклировании, но и обеспечить автофокусировку в широком диапазоне температур окружающей среды. В собранном виде светодиоды XR имеют размеры 7х9 мм (ширина и длина) и 4,4 мм по высоте (см. чертеж на рис. 4). Встроенная линза обеспечивает угол излучения 90° для белого света, а также для красно-желтой области спектра, и 100° для сине-зеленых цветов. Корпус светодиода XR имеет один из самых лучших (если не лучший) в отрасли показатель по величине теплового сопротивления. Для светодиодов серии XR-E этот показатель составляет всего 8°С/Вт.

 

 

Рис. 4. Габаритный чертеж корпуса светодиода XR

Параметры светодиодов XR напрямую зависят от типа установленного в них кристалла. Как отмечалось выше, в настоящее время светодиоды семейств XR и XP выпускаются на основе кристаллов двух типов. Светодиоды более раннего выпуска выполнены на базе кристаллов меньшего размера, рассчитанных на относительно небольшие токи. Серии этих светодиодов имеют в названии букву C (XR-C, XP-C). Новые кристаллы отличаются увеличенной площадью, повышенной светоотдачей и могут работать на больших токах. Соответствующие им серии обозначаются буквой E (XR-E, XP-E).

Кроме размеров кристалла (электрические характеристики, тепловое сопротивление, интенсивность излучения и т.д.), серии XR-C и XR-E различаются также составом. Серия XR-C наиболее развита, в ее состав входят светодиоды всех основных цветов излучения, в то время как в составе серии XR-E отсутствуют светодиоды, работающие в красно-желтой области спектра. Основные технические характеристики светодиодов серий XR-C/XR-E белого и сине-зеленых цветов излучения приведены в таблице 1, а для XR-C красно-желтых цветов — в таблице 2. Обобщенные данные по интенсивности излучения светодиодов семейства XR приведены в таблице 3.

Таблица 1. Основные параметры светодиодов серий XR-C и XR-E (белый и сине-зеленые цвета)

Параметр XR-C XR-E
Тепловое сопротивление, тип., °С/Вт 12 8
Угол излучения (белый свет), град. 90
Угол излучения (глубокий синий, синий, зеленый), град. 100
Прямой ток (белый ≥ 5000К, глубокий синий, синий), макс. , мА 500 1000
Прямой ток (белый < 5000К, зеленый), макс., мА 700
Максимальное обратное напряжение, В 5,0
Прямое напряжение при 350 мА (кроме зеленого), тип., В 3,5 3,3
Максимальная температура перехода, °С 150

Таблица 2. Основные параметры светодиодов серии XR-C (красно-желтые цвета)

Параметр XR-C
Тепловое сопротивление, тип., °С/Вт 15
Угол излучения, град. 90
Прямой ток (красно-оранжевый, красный), макс. , мА 700
Прямой ток (янтарный), макс., мА 350
Максимальное обратное напряжение, В 5,0
Прямое напряжение при 350 мА, тип., В 2,2
Максимальная температура перехода, °С 150

Таблица 3. Интенсивность излучения светодиодов семейства XR 

Цвет излучения Световой поток, лм/ Мощность излучения, мВт (при 350 мА)
XR-C XR-E
Белый холодный 56,8…87,4 лм 80,6…107 лм
Белый нейтральный 56,8…80,6 лм 62,0…93,9 лм
Белый теплый 45,7…67,2 лм 56,8…80,6 лм
Глубокий синий 250…300 мВт 300…425 мВт
Синий 13,9…18,1 лм 23,5…30,6 лм
Зеленый 39,8…51,7 лм 67,2 лм
Янтарный 23,5…39,8 лм
Красно-оранжевый 30,6…39,8 лм
Красный 23,5…39,8 лм

Необходимо сказать несколько слов об интерпретации информации, представленной в таблице 3. Внутри каждой цветовой группы светодиоды селектируются по интенсивности свечения на тестовом токе 350 мА. Каждая группа по интенсивности имеет строго определенные границы (минимальное и максимальное значения) и обозначается буквенно-цифровым кодом. В таблице 4 представлено распределение по группам для светодиодов XR-C/XR-E белого свечения.

Таблица 4. Группы по интенсивности для светодиодов семейства XR белого свечения

Группа Минимальный световой поток
при 350 мА, лм
Максимальный световой поток
при 350 мА, лм
M2 39,8 45,7
M3 45,7 51,7
N2 51,7 56,8
N3 56,8 62,0
N4 62,0 67,2
P2 67,2 73,9
P3 73,9 80,6
P4 80,6 87,4
Q2 87,4 93,9
Q3 93,9 100
Q4 100 107
Q5 107 114

В таблице 3 для обозначения границ используются минимальные значения по группам. К примеру, для светодиодов серии XR-E холодного белого свечения указан диапазон по интенсивности от 80,6 до 107 люменов. Это означает, что данный диапазон включает группы по интенсивности от P4 (80,6…87,4 лм) до Q5 (107…114 лм). А для светодиодов XR-E зеленого свечения определена только одна группа с минимальной гарантированной интенсивностью излучения в 67,2 лм.

Данные в таблице 3 наглядно демонстрируют тот факт, что серия XR-E в целом значительно превосходит XR-C по светоотдаче и эффективности, причем на одном и том же токе — 350 мА. Также надо учитывать, что XR-E может работать на больших значениях тока, нежели XR-C. Из графика на рис. 5 видно, что при повышении величины прямого тока до 700 мА интенсивность свечения увеличивается в 1,5…1,7 раза по сравнению со значением тока 350 мА, а при увеличении тока до 1000 мА — примерно в 2,2 раза.

 

 

Рис. 5. Относительное изменение интенсивности свечения в зависимости от прямого тока для
светодиодов серии XR-E

Тем не менее, не следует однозначно списывать со счетов серию XR-C. Во-первых, в серии XR-E отсутствуют светодиоды красно-желтых цветов. Во-вторых, если сравнивать по цене светодиоды двух серий с одинаковыми характеристиками, то окажется, что XR-C использовать выгоднее. Например, XRCWHT-L1-0000-00901 дает ту же минимальную интенсивность свечения на токе 350 мА, что и XREWHT-L1-0000-00901 (80,6 лм), но стоит примерно на 12% дешевле. Поэтому, если требуются светодиоды с красно-желтым цветом свечения или же не предполагается эксплуатировать их на токах больше 350…500 мА, то следует использовать XR-C.

Благодаря превосходным техническим характеристикам светодиоды семейства XR быстро завоевали популярность и получили широкое распространение в мире. Но, несмотря на это, компания CREE, похоже, не планирует дальнейшее развитие этого семейства. Возможно, это связано со сложной конструкцией корпуса и, как следствие, с относительно высокой стоимостью изделий. Новое поколение светодиодов XLamp семейства XP (рис. 6) при сравнимых технических показателях имеет стоимость примерно на 40% ниже по сравнению с аналогичными изделиями семейства XR.

 

 

Рис. 6. Светодиод семейства XP

Светодиоды семейства XP выпускаются в миниатюрных корпусах с габаритами всего 3,5х3,5 мм и высотой 2 мм (рис. 7). Основанием корпуса служит керамическая подложка, на которой устанавливается кристалл светодиода и линза. Как и другие представители XLamp, светодиоды XP имеют электрически изолированную площадку теплоотвода, что позволяет монтировать их непосредственно на радиатор без дополнительных изолирующих прокладок. Оптическая ось линзы светодиода проходит точно через геометрический центр корпуса, что улучшает совместимость и упрощает конструкцию линз вторичной оптики.

 

 

Рис. 7. Габаритный чертеж корпуса светодиода XP

Как и в случае XR, светодиоды семейства XP выпускаются на базе кристаллов двух типов. Соответственно, данное семейство в настоящее время содержит две серии светодиодов — XP-C и XP-E. На момент написания данной статьи обе серии включали светодиоды только белого цвета свечения, но в ближайшее время ожидается появление монохромных приборов в рамках серии XP-E. Серии различаются по максимальному рабочему току, тепловому сопротивлению и углу свечения. Основные технические параметры светодиодов серий XP-C и XP-E приведены в таблице 5.

Таблица 5. Основные технические параметры светодиодов серий XP-C и XP-E

Параметр XP-C XP-E
Тепловое сопротивление, тип., °С/Вт 12 9
Угол излучения, град. 110 115
Максимальный прямой ток, мА 500 700
Максимальное обратное напряжение, В 5,0
Прямое напряжение при 350 мА, тип. , В 3,4 3,2
Прямое напряжение при 500 мА, тип., В 3,5
Прямое напряжение при 700 мА, тип., В 3,4
Максимальная температура перехода, °С 150

Как следует из данных таблиц 1 и 5, семейства XR и XP очень близки по основным электрическим параметрам. Но по светотехническим характеристикам XR уступает XP. Светодиоды семейства XP в среднем имеют более высокие показатели эффективности и интенсивности свечения по сравнению с XR. Светодиоды серии XP-E обеспечивают световой поток в 114 лм на холодном белом свете при токе 350 мА (таблица 6), что в настоящее время является самым высоким показателем в отрасли.

Таблица 6. Интенсивность излучения светодиодов семейства XP

Цвет излучения Световой поток, лм (при 350 мА)
XP-C XP-E
Белый холодный 73,9…93,9 87,4…114
Белый нейтральный 67,2…80,6 80,6…100
Белый теплый 56,8…67,2 67,2…87,4

Как и в случае с XR, если не требуются предельные значения интенсивности и не предполагается работа на высоких значениях прямого тока, выгоднее использовать серию XP-C. Зависимость интенсивности свечения от тока для светодиодов XP практически такая же, как и для XR. График данной зависимости для серии XP-E приведен на рисунке 8.

 

 

Рис. 8. Относительное изменение интенсивности свечения в зависимости от прямого тока для светодиодов серии XP-E

Как видно из графика, повышение прямого тока с 350 до 700 мА дает прирост интенсивности свечения примерно на 70%. Таким образом, светодиод XPEWHT-L1-0000-00E01, например, имеющий минимум светового потока в 114 лм при токе 350 мА, может теоретически обеспечить порядка 194 лм на токе 700 мА. Мы говорим «теоретически», так как все эти характеристики верны при температуре перехода 25°С, что на практике недостижимо. В реальных условиях температура кристалла будет значительно выше, что приведет к снижению его излучательной способности. Зависимость интенсивности излучения от температуры перехода имеет практически линейную форму. Для светодиодов серии XP-E при повышении температуры от 25 до 125°С интенсивность свечения снижается примерно до уровня 70% от номинала (рис.  9). Подобная зависимость характерна для всех светодиодов XLamp. Обычно светодиодные светильники проектируют так, чтобы температура перехода в рабочем режиме не превышала 80°С. Согласно графику на рис. 9, при температуре перехода в районе 75°С интенсивность свечения падает примерно до уровня 85%. Если вернуться к примеру с XPEWHT-L1-0000-00E01, то при данных условиях эксплуатации реальный световой поток на токе 700 мА будет порядка 165 лм, а не 194, как дает «теория» при 25°С.

 

 

Рис. 9. Относительное изменение интенсивности свечения в зависимости от температуры перехода для светодиодов серии XP-E

Кроме того, необходимо помнить, что эксплуатация при высокой температуре перехода резко сокращает срок службы светодиода, ведет к деградации его излучательной способности. В связи с этим, при проектировании осветительной системы на базе мощных свето­диодов необходимо предусмотреть эффективную систему теплоотвода, позволяющую поддерживать температуру перехода в заданных пределах. На рисунке 10 приведена диаграмма, позволяющая определить допустимое значение прямого тока светодиода серии XP-E в зависимости от эффективности системы охлаждения и температуры перехода. Эффективность системы охлаждения выражена в единицах теплового сопротивления между p-n переходом кристалла светодиода и окружающей средой. Понятно, что чем меньше величина теплового сопротивления (и, соответственно, выше эффективность теплоотвода), тем выше допустимое значение тока при заданной температуре перехода. Например, если задать рабочую температуру перехода 100°С, то при общем тепловом сопротивлении системы 25°С/Вт прямой ток через светодиод не должен превышать 500 мА, а при снижении теплового сопротивления до значения 20°С/Вт можно поднять ток до 600 мА, увеличив тем самым интенсивность свечения. Если учесть, что собственное тепловое сопротивление светодиодов XP-E составляет 9°С/Вт, то в последнем случае тепловое сопротивление системы охлаждения (радиатора) не должно превышать 11°С/Вт.

 

 

Рис. 10. Максимально допустимый ток для светодиодов серии XP-E в зависимости от эффективности системы охлаждения и температуры перехода

Из данного примера становится ясно, что снижение собственного теплового сопротивления светодиода позволяет увеличить тепловое сопротивление радиатора и тем самым уменьшить его массо-габаритные показатели. Другими словами, чем меньше будет тепловое сопротивление светодиода, тем меньше будут размеры радиатора для его охлаждения, а следовательно, габариты и вес осветительной системы в целом. Компании CREE удалось создать светодиоды с рекордно низким значением теплового сопротивления. Это — светодиоды XLamp серии MC-E. Их тепловое сопротивление составляет всего 3°С/Вт!

Светодиоды серии MC-E (рис. 11) содержат четыре кристалла в одном корпусе.

 

 

Рис. 11. Светодиод серии MC-E 

Кристаллы установлены на общей подложке, но имеют независимое друг от друга управление. 8-выводной корпус размерами 7х7,5 мм снабжен линзой на 110° и имеет изолированный теплоотвод. Чертеж корпуса светодиода серии MC-E приведен на рисунке 12.

 

 

 

 

 

Рис. 12. Габаритный чертеж корпуса светодиода серии MC-E

В составе светодиодов MC-E используются те же кристаллы, что и в серии XR-E. Соответственно, с точки зрения электрических и светотехнических параметров, MC-E можно рассматривать как группу из четырех светодиодов типа XR-E. Однако данная аналогия будет не вполне уместной. Объединение четырех кристаллов в одном корпусе дает не только увеличение количественных показателей, но и добавляет новые качества, не свойственные группе из дискретных светодиодов. Одно из вновь приобретенных свойств, о котором было упомянуто выше, — это значительное снижение теплового сопротивления. Другое важное качество светодиодов MC-E -возможность использования одной линзы на четыре кристалла в системах с вторичной оптикой. Данная возможность позволяет значительно снизить себестоимость изделия. Стоимость светодиодных линз довольно велика и порой сравнима со стоимостью самих светодиодов. Поэтому использование одной линзы вместо четырех дает значительную экономию. Кроме того, само по себе использование одного светодиода MC-E вместо четырех XR-E дает экономию порядка 25…30%.

Светодиоды серии MC-E в основном находят применение в тех случаях, когда требуется очень мощный, но в то же время очень компактный источник света. Один светодиод MC-E способен обеспечить световой поток в 430 люменов на холодном белом при токе 350 мА на кристалл. Электрические и светотехнические характеристики светодиодов серии MC-E представлены в таблице 7.

Таблица 7. Характеристики светодиодов серии MC-E

Параметр Значение
Световой поток на холодном белом при токе 350 мА на кристалл, лм 370…430
Световой поток на нейтральном белом при токе 350 мА на кристалл, лм 320…370
Световой поток на теплом белом при токе 350 мА на кристалл, лм 240…320
Тепловое сопротивление типовое, °С/Вт 3
Угол излучения, град. 110
Максимальный прямой ток на кристалл, мА 700
Прямое напряжение на кристалле при токе 350 мА, тип., В 3,2
Прямое напряжение на кристалле при токе 700 мА, тип., В 3,4
Максимальное обратное напряжение на кристалл, В 5
Максимальная температура перехода, °С 150

 

Сверхъяркие светодиоды

К категории сверхъярких принято относить светодиоды, работающие на относительно небольших токах порядка нескольких десятков миллиампер (как и обычные, индикаторные светодиоды), но обладающие, как следует из названия, повышенной яркостью свечения. Сверхъярким светодиодам, в отличие от мощных, не требуется никаких систем теплоотвода, так как рассеиваемая ими мощность незначительна. Благодаря этому обстоятельству данная категория светодиодов может выпускаться в стандартных типовых корпусах для массового применения. В зависимости от типа корпуса, все сверхъяркие светодиоды CREE подразделяются на три большие группы.

К первой группе относятся светодиоды в стандартных корпусах круглого или овального сечения с двумя выводами (рис. 13).

 

 

Рис. 13. Сверхъяркие светодиоды в стандартном двухвыводном корпусе 

Данная группа включает в себя 4 подгруппы, различающиеся диаметром и формой корпуса светодиодов — 3 мм круглые, 5 мм круглые, 4 мм овальные и 5 мм овальные. Первая подгруппа (серия 374) наиболее малочисленная, она включает светодиоды только белого свечения с тремя возможными углами свечения — 25, 35 или 65 градусов. Вторая подгруппа (5 мм круглые) намного более обширна, она включает светодиоды пяти серий (503, 512, 513, 534 и 535) с различными углами свечения, белого и монохромного излучения. Общие характеристики светодиодов круглого сечения диаметром 3 и 5 мм приведены в таблице 8.

Таблица 8. Характеристики 3 мм и 5 мм светодиодов в стандартном корпусе круглого сечения

Серия Цвет свечения Угол свечения, град. Сила света, мкд
374 Белый 25 3000…12000
35 2130…8200
65 1100…4180
503 Янтарный 15 5860…23500
23 3000…12000
30 3000…8200
Синий 15 5860…23500
30 2130…8200
Зеленый 15 16800…64600
30 5860…23500
Красный 15 5860…23500
23 3000…12000
30 3000…12000
Белый 15 14400…32900
512 Белый 25 3000…12000
513 Белый 55 2130…8200
534 Белый 140 390…1100
535 Белый 110 770…3000

Две последние подгруппы образуют светодиоды монохромного излучения с овальной линзой. Подгруппа 4 мм включает серию 4SM с углами излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно 100 и 45 градусов. Подгруппа 5 мм включает 2 серии — 5SM (с углами 100/40 градусов) и 566 (70/35 градусов). В таблице 9 представлена информация об основных характеристиках этих серий.

Таблица 9. Характеристики 4 мм и 5 мм светодиодов в стандартном корпусе овального сечения

Серия Угол свечения, град Цвет свечения Сила света, мкд
4SM 100/45 Красный 1100…4180
Зеленый 2130…8200
Синий 550…2130
5SM 100/40 Красный 1100…4180
Синий 2130…8200
Зеленый 550…2130
Янтарный 770…3000
566 70/35 Красный 1100…4180
Синий 770…4180
Зеленый 2130…12000
Янтарный 1520…4180

Вторую группу образуют сверхъяркие светодиоды в корпусе типа P4. Это четырехвыводной корпус квадратного сечения размерами 7,6х7,6 мм с линзой. Данный тип корпуса широко используется производителями светодиодов, он также известен под названием «Пиранья» (рис. 14).

 

 

Рис. 14. Сверхъяркие светодиоды в корпусе Р4 (Пиранья)

Три серии светодиодов, выпускаемые в корпусе Р4, отличаются углами свечения и цветовой гаммой. Серии Р41 и Р42 имеют линзы круглого сечения, а серия Р43 — овальную. Основные параметры светодиодов данных серий представлены в таблице 10.

Таблица 10. Характеристики сверхъярких светодиодов в корпусе Р4 (Пиранья)

Серия Цвет свечения Угол свечения, град. Световой поток, лм
Р41 Янтарный 40 4,4…11
70 5,5…13,2
100 5,5…13,2
Синий 70 1,65…3,3
Зеленый 70 4,4…8,73
Красный 40 4,4…11
70 4,4…11
100 4,4…13,2
Белый 60 3,85…11
90 3,85…11
Р42 Янтарный 120 5,5…13,2
Синий 1,1…3,3
Зеленый 4,4…11
Красный 4,4…11
Р43 Янтарный 90/35 2,13…8,2
Красный 2,13…8,2

Последняя группа сверхъярких светодоиодов в корпусах для поверхностного монтажа (PLCC) (рис.  15) отличается наибольшим разнообразием. В составе группы можно выделить светодиоды одного цвета (белого или монохромного излучения) и многоцветные (RGB), однокристальные и многокристальные, отличающиеся углами свечения, размерами и количеством выводов. Обширность группы не позволяет рассмотреть ее довольно подробно в рамках данного обзора (подробный обзор см. в статье Евгения Звонарева в этом же номере журнала). Поэтому ограничимся лишь кратким описанием состава серий.

 

 

Рис. 15. Сверхъяркие светодиоды в корпусах для поверхностного монтажа (PLCC)

В таблице 11 приведены основные характеристики серий сверхъярких светодиодов в корпусах PLCC — цветовая гамма, размер корпуса и угол свечения.

Таблица 11. Серии сверхъярких светодиодов в корпусах для поверхностного монтажа (PLCC)

Серия Цвета свечения Размеры
корпуса, мм
Угол свечения, град.
LM1 Янтарный, синий, зеленый, красный, белый 3,2х2,7 120
LM2 Янтарный, красный 3,2х2,7 60
LM3 Янтарный, красный, белый 2,7х2,0 120
LM4 Янтарный, синий, зеленый, оранжевый, красный 3,2х2,7 120
LP6 Янтарный, красный, белый, RGB 6,0х5,0 120
LA1 Белый 3,2х2,8 120
LA2 Белый 3,2х2,8 120
LV1 RGB 3,2х2,8 120
LV6 RGB 5,5х5,5 120
LN6 Белый 5,0х5,0 115

Серия LN6 заслуживает особого внимания. Несмотря на то, что светодиоды этой серии относятся к категории сверхъярких, их параметры соответствуют мощным одноваттным приборам. Светодиоды выпускаются в шестивыводном корпусе для поверхностного монтажа размерами 5,0х5,0 мм и высотой 1,3 мм (рис. 16).

 

 

Рис. 16. Светодиод CLN6A

Цвета свечения — белый холодный (CLN6A-WKW) или белый теплый (CLN6A-MKW). Световой поток светодиодов при рабочем токе 300 мА может достигать величины 101,8 лм на холодном белом. Основные технические характеристики светодиодов CLN6A приведен в таблице 12.

Таблица 12. Характеристики светодиодов CLN6A

Параметр Значение
Максимальный прямой ток, мА 350
Пиковый прямой ток, мА 600
Максимальное обратное напряжение, В 5
Максимальная рассеиваемая мощность, мВт 1200
Диапазон рабочих температур, °С -40…90
Прямое напряжение при токе 300 мА, тип., В 3,8
Световой поток на холодном белом при токе 300 мА, лм 60,5…101,8
Световой поток на теплом белом при токе 300 мА, лм 51,0…85,6
Тепловое сопротивление, °С/Вт 15
Угол свечения, град. 115

Следует также отметить, что стоимость светодиодов CLN6A существенно ниже, чем у мощных XLamp со сравнимыми характеристиками.

 

Новые разработки

Обзор светодиодной продукции CREE будет неполным, если не упомянуть о новых разработках компании, появление которых ожидается в ближайшее время.

В первую очередь следует рассказать о дальнейшем развитии семейства XP. Серия XP-E пополняется светодиодами монохромного излучения. В состав линейки войдут светодиоды шести цветов свечения — глубокий синий (450…465 нм), синий (465…485 нм), зеленый (520…535 нм), янтарный (585…595 нм), красно-оранжевый (610…620 нм) и красный (620…630 нм). Новые светодиоды будут иметь угол излучения 130°, они рассчитаны на максимальные рабочие токи от 700 до 1000 мА и имеют высокие значения светового потока при токе 350 мА: 100 лм для зеленого, 51,7 лм для янтарного и красного, 56,8 лм для красно-оранжевого и 30,6 лм для синего.

В рамках семейства XP появится новая серия светодиодов с рекордными показателями по эффективности и интенсивности свечения. Светодиоды серии XP-G будут выдавать световой поток в 135 лм при токе 350 мА и 335 лм при токе 1000 мА. Конструкция корпуса новых приборов аналогична серии XP-E, но обеспечивает более низкое тепловое сопротивление — 5,5°C/Вт. Светодиоды серии XP-G будут иметь линзу с углом излучения 125° и низкое значение прямого напряжения на переходе (3,3 В при токе 1000 мА). Цвет свечения новых приборов будет белый холодный в диапазоне 8300К…5000К.

В ближайшее время начинается производство четырехцветных светодиодов серии MC-E. Новое изделие содержит четыре кристалла синего, зеленого, красного и белого свечения. Будут выпускаться два варианта, отличающиеся цветовой температурой белого света — 6500К (холодный) или 4000К (нейтральный). Светодиод выполнен в 8-выводном корпусе с крайне низким тепловым сопротивлением — всего 3°C/Вт, снабжен линзой с углом излучения 115° и обеспечивает суммарный световой поток до 500 лм при токе 700 мА на кристалл.

 

Заключение

Широкий ассортимент светодиодной продукции, выпускаемой компанией CREE, и ее великолепные характеристики дают возможность разработчикам светотехнических решений реализовать свои самые смелые творческие замыслы. Трудно себе представить светотехническое изделие, где нельзя было бы применить что-либо из линейки светодиодов CREE. Для систем освещения наилучшим образом подойдут светодиоды XLamp (в первую очередь семейства XP), для декоративной и интерьерной подсветки можно использовать сверхъяркие светодиоды в корпусах PLCC, для создания светодиодных экранов, информационных и рекламных панелей, светящихся вывесок и знаков прекрасно подходят светодиоды в стандартных корпусах (преимущественно с овальными линзами), а в автомобилестроении уже стало стандартом изпользование светодиодов в корпусах типа «пиранья» для изготовления фонарей и сигналов поворота.

Продукция CREE пользуется огромным спросом во всем мире. Нет никаких сомнений в том, что и в нашей стране интерес к этой продукции будет не менее велик и отечественные производители светотехнических изделий по достоинству оценят превосходные характеристики и высокое качество светодиодов компании CREE.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: [email protected]

•••

Наши информационные каналы

Crystal LED | Кристалл LED

Кристалл LEDƂ

Кристалл LEDfBXvCVXeiZRD-1 / ZRD-2j

* 1: pxRGBtJ [LEDfBXvCɂāB2017N1115_A ¥ j [