Переход световой энергии светодиодов в тепловую энергию: Зачем отводить тепло от светодиодов

Содержание

Зачем отводить тепло от светодиодов

Ошибочно полагать, что светодиоды не генерируют тепла. Несмотря на то, что светодиоды и не излучают его в потоке света (т. е. обладают холодными пучками света), они все же вырабатывают тепло.

Как и другие источники света, светодиоды преобразуют электрическую энергию в энергию излучения и генерируют тепло. Отношение тепловой энергии к энергии излучения зависит от потребляемой мощности и эффективности системы. Лампы накаливания вырабатывают большое количество инфракрасного (ИК) излучения и выделяют большое количество тепла. При этом они излучают малое количество видимого света. Люминесцентные и металлогалогенные лампы производят не только большее количество видимого света, но и большое количество ИК- и ультрафиолетового (УФ) излучения, а также много тепла. Как это ни странно, светодиоды преобразуют относительно небольшую часть электроэнергии в энергию излучения — примерно столько же, сколько металлогалогенные и люминесцентные лампы — но так как они излучают очень малое количество ИК- и УФ-излучения, то доля (в процентном отношении) видимого света, испускаемого светодиодами, сравнима с такой же долей у металлогалогенных и люминесцентных ламп и превосходит ее у ламп накаливания.

В таблице ниже приведены сравнительные данные о долях (в процентном отношении) потребляемой мощности, преобразуемых в энергию излучения и в тепло светодиодами и некоторыми традиционными источниками света. Эти данные относятся к источникам белого света.24

Доли потребляемой энергии, преобразуемые в энергию излучения и тепло светодиодами и традиционными источниками света

Свето

диод

Лампа

накаливания

Люминесцентная лампа

Металлогалогенная лампа

Видимый

свет

15-25%

8%

21%

27%

ИК

~0%

73%

37%

17%

УФ

0%

0%

0%

19%

Тепло

75-85%

19%

42%

37%

Эффективный отвод тепла является очень важным фактором для обеспечения нормальной работы светодиода, так как сильный нагрев снижает световой поток светодиода и уменьшает его полезный срок службы. Для нормальной работы светодиодного источника света от него должно отводиться генерируемое в нем тепло. В правильно сконструированных световых приборах применяются эффективные радиаторы и другие теплоотводящие и конвекционные устройства, удаляющие тепло от светодиодных источников света и рассеивающие его в окружающем пространстве.

Температура p-n-перехода

Рассеяние тепла

Отвод тепла в правильно сконструированном светодиодном световом приборе. Радиаторы и другие устройства отвода тепла проводящего и конвекционного типа отводят тепло от светодиодов.

Одной из важнейших характеристик светодиода является температура p-n-перехода, которая часто обозначается как Tj. Как было описано в главе 2, p-n-переход является тем местом в светодиоде, где электрическая энергия (энергия электронов) преобразуется в видимый свет (фотоны) и в тепло. При увеличении температуры p-n-перехода световой поток и срок службы светодиода уменьшаются.

На температуру перехода светодиода влияют три фактора:ток возбуждения, теплоотвод и окружающая температура. Как правило, чем выше ток возбуждения, тем выше температура перехода.

Количество тепла, которое может быть отведено, зависит от окружающей температуры и конструкции устройства отвода тепла от светодиода в среду, окружающую световой прибор.

Обычно мощные светодиодные осветительные приборы включают в себя излучатель, печатную плату и теплоотвод. Излучатель припаивается к печатной плате. Он включает полупроводниковый кристалл, оптику и теплоотвод, с помощью которого тепло отводится от полупроводникового кристалла. В большинстве светодиодных световых приборов используются печатные платы с алюминиевой подложкой (МСРСВ).

Через печатную плату с алюминиевой подложкой тепло передается с теплоотвода светодиода на внешний радиатор, на котором установлена печатная плата. Через внешний радиатор, закрепленный на корпусе светового прибора или конструктивно совмещенный с ним, тепло отводится в окружающее пространство. При отсутствии или блокировке внешнего теплоотвода светодиоды, находящиеся внутри светового прибора, выходят из строя за считанные минуты.

Влияние температуры р-n-перехода на световой поток

Производители измеряют световой поток выпускаемых ими светодиодов при использовании импульса тока длительностью 15-20 мс при фиксированной температуре перехода, равной 25 °С. Температура перехода светодиода в правильно сконструированной светодиодном световом приборе при нормальной работе с установленными теплоотводящими устройствами обычно находится в диапазоне 60-90 °С или даже может превышать это значение. Так как рабочая температура перехода почти всегда больше 25 °С, то установленные в световом приборе

светодиоды излучают как минимум на 10% меньше света, чем указывают их производители, если дополнительно не предоставлены данные для более высоких температур перехода.

На графике ниже показано, какое влияние оказывает повышение температуры перехода на световой поток светодиодов разных цветов.Янтарные и красные светодиоды наиболее, а синие — наименее чувствительны к изменениям температуры перехода.

Повышение температуры перехода может вызвать цветовой сдвиг излучения светодиода. Это явление обычно заметно только у янтарных светодиодов, наиболее чувствительных к изменениям температуры перехода. Хотя этот цветовой сдвиг мал, его необходимо контролировать в тех случаях, когда цвет излучения светодиода должен строго соответствовать стандартам -например, в случае использования в светофорах.

Влияние температуры р-n-перехода на полезный срок службы

Правильно сконструированные светодиодные световые приборы содержат схемы контроля температуры и термозащиты, которые уменьшают яркость или выключают осветительный прибор, когда он нагревается до слишком высокой температуры. Устройство автоматического включения восстанавливает нормальную работу после того, как температура перехода снижается до безопасного уровня или по истечении установленного периода времени.

Непрерывная работа светодиода при высокой температуре перехода

значительно сокращает полезный срок службы светодиодного светового прибора. На графике ниже показана зависимость светового потока светодиода от времени его работы для двух светодиодов, работающих при одинаковом токе возбуждения, но при разных температурах перехода. Зависимости были получены на основании данных измерений, выполнявшихся в течение 10 000 часов работы светодиода. На графике также показан прогноз до 100 000 часов работы. При повышении температуры перехода на 11 °С

оценочное значение полезного срока службы уменьшается на 57%, с 37 000 до 16 000 часов.26

Производители постоянно повышают срок службы светодиодов при высоких рабочих температурах. Например, в опубликованной в июле 2009 года информации о стабильности белого светодиода Сгее XLamp XR-E, гарантируется сохранение светового потока на уровне 70% от исходного значения в течение срока службы более 50 000 часов при токе возбуждения 700 мА, температуре перехода 110 °С и температуре окружающей среды 45 °С


Основы управления тепловыми режимами светодиодных светильников

В статье обсуждаются принципы управления тепловыми режимами светодиодного светильника и рассматриваются ключевые характеристики светодиодов, которые влияют на эксплуатационные расходы светильника. Описана методика анализа канала переноса тепла в светодиодном светильнике, которая позволяет оптимизировать его конструкцию и увеличить срок службы. Статья представляет собой перевод [1].

Светодиодные светильники, которые доступны сегодня на рынке в качестве альтернативной технологии освещения, позволяют сократить потребляемую мощность и снизить стоимость технического обслуживания систем освещения в промышленных и бытовых приложениях. Управление тепловыми режимами существенно влияет на срок службы, характеристики и стоимость светодиодного светильника. Без применения соответствующих принципов управления тепловыми режимами потенциальные преимущества твердотельного освещения и его конкурентоспособность на рынке могут быть снижены.

Эффективность светодиода (световой поток в люменах, созданный на единицу приложенной электрической мощности,
лм/Вт) — наиболее важная характеристика источника света. Эффективность светодиодов снижается при увеличении температуры p-n-перехода. При снижении эффективности число светодиодов в светильнике, которое требуется для достижения заданной яркости света, увеличивается, а следовательно растет стоимость комплектующих и материалов. Рассеиваемая мощность, которая требуется для того, чтобы получить необходимую интенсивность света, также возрастает, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов.
Второй важной характеристикой светодиода является стабильность светового потока (изменение светового выхода в течение срока службы светодиода). Стабильность светового потока снижается при увеличении температуры p-n-перехода светодиода. Чем меньше стабильность светового потока, тем чаще нужно обслуживать или заменять источник света. Это также увеличивает эксплуатационные расходы.
Недостаточно точное управление температурой p-n-перехода светодиода может привести к увеличению доминирующей длины волны светового излучения, определяющей цвет, и коррелированной цветовой температуры светильника, что вызывает увеличение коэффициента цветопередачи. Т.е. вероятность того, что осветительный прибор способен правильно воспроизводить цвет, уменьшается. Имеются приложения, критичные к цвету светового излучения, на характеристики которых отрицательно влияет изменение этих параметров. Среди этих приложений — системы восприятия цвета, фотография, дисплеи и рекламные указатели, а также оборудование для воспроизведения кино.
Светодиодные источники света обеспечивают снижение эксплуатационных расходов и стоимость технического обслуживания светильников. Поддерживая более низкую температуру p-n-перехода, можно еще больше снизить общую стоимость владения и эксплуатации светодиодного источника света, что делает управление тепловыми режимами важной составной частью проектирования светильника. Есть несколько параметров светодиодов, которые следует учитывать при расчете тепловых режимов светодиодного источника света.
Прямое напряжение светодиода непосредственно зависит от температуры p-n-перехода: при увеличении температуры p-n-перехода прямое напряжение уменьшается. Большинство современных светодиодных источников управляется драйверами постоянного тока. При снижении прямого напряжения рассеиваемая мощность также уменьшается. Эта уменьшенная мощность, в сочетании со сниженной эффективностью, вызванной повышением температуры, приводит к потерям в световом выходе. Однако снижение светового выхода может быть скомпенсировано путем выбора величины тока, управляющего источником света, при стабилизированной температуре p-n-перехода.
Рассеиваемая мощность генерирует тепло внутри светодиода и увеличивает температуру p-n-перехода. Мощность, приложенная к светодиоду (произведение прямого тока на прямое напряжение светодиода), преобразуется в оптическую энергию и тепло. Поскольку светодиод является закрытой системой, сумма оптической и тепловой энергии равна приложенной электрической мощности. Светодиод холодного белого цвета свечения со световым выходом в 100 лм производит около 330 мВт оптической энергии на один Вт приложенной электрической энергии. Остальные 670 мВт преобразуются в тепло. Повышенная эффективность светодиода означает, что меньше электрической энергии преобразуется в тепло.
Разница между температурой p-n-перехода и температурой окружающей среды представляет собой произведение тепла, сгенерированного светодиодом, на тепловое сопротивление канала между светодиодом и внешней средой. Уменьшая тепловыделение или тепловое сопротивление, можно уменьшить температуру p-n-перехода.
Тепловое сопротивление показывает, насколько хорошо система переносит тепло от источника. В источниках света тепло передается за счет теплопроводности и конвекции. Теплопроводность — это перенос тепла через твердое тело, который зависит от тепловых характеристик твердого тела и его геометрии. Для теплопроводности материала (k), количества тепла, которое переносится через материал (q), эффективной толщины материала, параллельной тепловому потоку (L) и эффективной площади тепловой контактной площадки (A) разность температур между краем материала (T1), расположенного поблизости от источника тепла, до другого края материала (T2) рассчитывается с помощью следующего уравнения, полученного на основе закона о переносе тепла Фурье:

 

T1 – T2 = q · L/k · A.

 

Следовательно, максимально увеличивая теплопроводность материала k и эффективную площадь поверхности тепловой контактной площадки A и, минимизируя длину теплового канала L, можно снизить изменение температуры вдоль теплового канала.
Конвекция представляет собой перенос тепла с границы твердого тела в газ или жидкость. Конвекция зависит от площади поверхности границы твердого тела и подвижности газа или жидкости. Если газ или жидкость находятся в стационарном состоянии, то перенос тепла осуществляется с помощью естественной конвекции. Если газ или жидкость находятся в движении, то тепло переносится с помощью принудительной конвекции. Для эффективной площади поверхности твердого тела (A), количества переносимого тепла (q), коэффициента переноса тепла при конвекции (h) для газа или жидкости разница между температурой твердого тела (TS) и температурой газа или жидкости (TA) может быть рассчитана с помощью следующего уравнения, полученного из закона охлаждения Ньютона:

 

TS – TA = q /h · A.

При увеличении эффективной площади поверхности A и коэффициента переноса тепла при конвекции h изменение температуры от границы твердого тела до температуры газа или жидкости уменьшается. Применяя данный подход расчета теплопроводности и конвекции при проектировании светильников, можно обеспечить такую температуру p-n-перехода светодиода, которая позволит минимизировать эксплуатационные расходы и стоимость обслуживания источника света. Как правило, ограничивающими факторами при тепловом расчете являются физические размеры и стоимость светильника.
Электрическая мощность, рассеиваемая светодиодом, представляет собой произведение прямого напряжения на прямой ток. Для 100-лм светодиода приблизительно 33% электрической энергии преобразуется в оптическую энергию, а остальные 67% превращаются в тепло. Перемещение тепла в корпусе светодиода начинается на p-n-переходе светодиода, и большая его часть переносится через нижнюю сторону кристалла, материал, соединяющий кристалл с подложкой, рамку с выводами и паяное соединение. Канал переноса тепла от кристалла через герметизирующий материал корпуса во внешнюю среду обычно имеет более высокое тепловое сопротивление, чем канал переноса тепла через паяное соединение. Поэтому, большинство корпусов светодиодов высокой мощности имеют тепловую контактную площадку, которая электрически изолирована или не изолирована от светодиода. Тепловая контактная площадка обычно присоединяется к печатной плате с помощью пайки. Имеются варианты конструкции с тепловой контактной площадкой, присоединенной к печатной плате или радиатору с помощью теплопроводящего материала.
Производителям светодиодов следует приводить в документации данные о тепловом сопротивлении корпуса светодиода для всего канала переноса тепла от p-n-перехода до тепловой контактной площадки. Разница температур между тепловой контактной площадкой и p-n-переходом пропорциональна произведению тепловой энергии на тепловое сопротивление корпуса светодиода.
Есть материалы и конструкции печатных плат, которые позволяют минимизировать тепловое сопротивление. Многие печатные платы, изготовленные из FR4, имеют тепловые переходные отверстия, расположенные вблизи от тепловых контактных площадок, которые позволяют проводить тепло на сторону, противоположную светодиодам. Конструкция печатных плат с металлическим основанием, например, типа Optotherm, содержит слой медной фольги и алюминиевую пластину. Диэлектрик между медной фольгой и алюминиевой пластиной имеет теплопроводящий наполнитель, плотность которого такова, чтобы обеспечивать низкое тепловое сопротивление, и в то же время, достаточную электрическую изоляцию между разводкой и алюминиевым основанием.
Часто печатная плата крепится на радиаторе, чтобы улучшить перенос тепла от источника света в окружающую среду. Чем больше площадь поверхности радиатора, тем меньше тепловое сопротивление. Для того, чтобы максимально увеличить перенос тепла от печатной платы к радиатору, между ними помещается специальный материал теплового интерфейса. Тепловой интерфейс может быть смазкой, эпоксидной смолой или прокладкой, которая позволяет заполнять неровности поверхностей.
Определение температуры p-n-перехода светодиода на основе температуры окружающей среды и теплового сопротивления элементов канала переноса тепла проводится аналогично анализу электрических цепей. В этом случае температура соответствует напряжению, перенос тепла — току, а тепловое сопротивление — электрическому сопротивлению. Для систем с несколькими светодиодами каналы переноса тепла располагаются параллельно друг другу, при условии, что эти каналы подсоединены к общей точке. Для печатных плат из FR4 с тепловыми переходными отверстиями общей точкой для каналов переноса тепла становится следующий подсоединенный к плате элемент. Для плат с металлическим основанием общей точкой для каналов переноса тепла является металлическое основание. На рисунке 1 показан пример схемы переноса тепла для системы из трех светодиодов.

 

Рис. 1. Когда светодиод переходит в открытое состояние (обрывается), напряжение на нем увеличивается до выходного напряжения блока питания; устройство защиты детектирует рост напряжения, включается и шунтирует ток в обход отказавшего светодиода, сохраняя оставшуюся цепочку светодиодов в рабочем состоянии.

Пример, показанный на рисунке 1, иллюстрирует пути снижения эффективного сопротивления теплового канала. Ограничениями при управлении тепловыми режимами светодиодного светильника являются размер радиатора и стоимость компонентов для отвода тепла. Если не хватает пространства для необходимой площади поверхности и требуемого воздушного потока, чтобы обеспечить естественную конвекцию, может понадобиться принудительная конвекция для того, чтобы достичь нужного теплового сопротивления. Тепло может быть перенесено туда, где имеется необходимое пространство и создан воздушный поток. Для этой цели могут быть эффективно использованы теплопроводы.
В процессе проектирования светильника следует учитывать полную стоимость светильника, включая затраты на материально-техническое снабжение, эксплуатационные расходы и стоимость технического обслуживания. Принятие решения об уменьшении размеров и стоимости радиатора, и в то же время, увеличении потребляемой мощности, чтобы обеспечить заданную интенсивность света, может вызвать снижение стабильности светового потока светодиода, что в свою очередь приведет к увеличению общих расходов, связанных с эксплуатацией светильника.
Например, для 100-Вт светильника стоимостью 750 долл. эксплуатационные расходы в течение 5-летнего периода работы (24 часа в сутки) составят 657 долл. при стоимости электроэнергии 0,15 долл./кВт-час. В конце 5-летнего срока эксплуатации стоимость замены светильника будет составлять около 225 долл., куда будут входить затраты на оплату труда и оборудование. Если изменить конструкцию радиатора так, чтобы снизить материальные затраты до 700 долл., но при этом увеличить температуру p-n-перехода светодиода, при которой потребляемая мощность составит 125 Вт для создания такой же интенсивности света, эксплуатационные расходы неизбежно возрастут.
Другим следствием более высокой температуры p-n-перехода является снижение стабильности светового потока, что потребует необходимость замены светильника через четыре года вместо пяти лет. Материальные затраты на светильник могут быть снижены, но стоимость эксплуатации и обслуживания светильника быстро компенсируют эту экономию. На рисунке 2 показан график общих затрат, связанных с приобретением и эксплуатацией двух вариантов светильников, рассмотренных в данном примере.

 

Рис. 2. Устройство защиты от обрыва светодиодов включается при достижении напряжения пробоя VBR. Вольт-амперная характеристика показана для устройства защиты серии PLED6 от компании Littelfuse. Рабочий режим устройства — в 1-м квадранте ВАХ.

После создания и оптимизации конструкции светодиодного светильника эффективность и стабильность светового потока будут ключевыми параметрами, влияющими на его эксплуатационные расходы и стоимость технического обслуживания. При надлежащим выполнении проекта можно найти баланс между этими факторами и материальными затратами. С помощью оценки всех составных элементов канала передачи тепла и минимизации эффективного теплового сопротивления каждого элемента, разработчик сможет снизить температуру p-n-перехода, что позволит создать эффективный и долговечный светодиодный светильник, а также снизить стоимость его обслуживания — другими словами, обеспечить его конкурентоспособность на рынке.

Литература

1. Mike King. Thermal Management Basics and Its Importance for LED Luminaire Performance and Cost // www.ledjournal.com.

Почему необходимо отводить тепло светодиода?

 Не правильно думать, что светодиоды не выделяютт тепла. Несмотря на то, что светодиоды и не излучают его в потоке света (т. е. обладают холодными пучками света), они все же вырабатывают тепло. Такие же источники света, светодиоды преобразуют электрическую энергию в энергию излучения и генерируют тепло. Отношение тепловой
энергии к энергии излучения зависит от потребляемой мощности и эффективности системы. Лампы накаливания выделяют большое количество инфракрасного (ИК) излучения и  большое количество тепла. При этом они излучают малое количество видимого света. Люминесцентные и металлогалогенные лампы производят не только большее количе-ство видимого света, но и большое количество ИК- и ультрафиолетового (УФ) излучения, а также много тепла. Как это ни странно, светодиоды пре-образуют относительно небольшую часть электроэнергии в энергию излу-чения – примерно столько же, сколько металлогалогенные и люминес-центные лампы – но так как они излучают очень малое количество ИК- и  УФ-излучения, то доля (в процентном отношении) видимого света, испу-скаемого светодиодами, сравнима с такой же долей у металлогалогенных и люминесцентных ламп и превосходит ее у ламп накаливания. В таблице ниже приведены сравнительные данные о долях (в процентном отношении) потребляемой мощности, преобразуемых в энергию излу-чения и в тепло светодиодами и некоторыми традиционными источниками света. Эти данные относятся к источникам белого света. 

 Эффективный отвод тепла является очень важным фактором для обе-спечения нормальной работы светодиода, так как сильный нагрев снижает световой поток светодиода и уменьшает его полезный срок службы. Для нормальной работы светодиодного источника света от него должно отво-диться генерируемое в нем тепло. В правильно сконструированных свето-вых приборах применяются эффективные радиаторы и другие теплоотводящие и конвекционные устройства, удаляющие тепло от светодиодных источников света и рассеивающие его в окружающем пространстве.

  Температура p-n-перехода
Одной из важнейших характеристик свето-диода является температура p-n-перехода, кото-рая часто обозначается как Tj. Как было описано в главе 2, p-n-переход является тем местом в све-тодиоде, где электрическая энергия (энергия элек-тронов) преобразуется в видимый свет (фотоны) и в тепло. При увеличении температуры p-n-перехода световой поток и срок службы светоди-ода уменьшаются.
На температуру перехода светодиода влияют три фактора: ток возбуждения, теплоотвод и окру-жающая температура. Как правило, чем выше ток возбуждения, тем выше температура перехода. Количество тепла, которое может быть отведено, зависит от окружающей температуры и конструк-ции устройства отвода тепла от светодиода в
среду, окружающую световой прибор. Обычно мощные светодиодные осветитель-ные приборы включают в себя излучатель, печат-ную плату и теплоотвод. Излучатель припаивается к печатной плате. Он включает полупроводнико-вый кристалл, оптику и теплоотвод, с помощью которого тепло отводится от полупроводникового кристалла. В большинстве светодиодных свето-вых приборов используются печатные платы с алюминиевой подложкой (MCPCB). Через печатную плату с алюминиевой подложкой тепло передается с теплоотвода светодиода на внешний радиатор, на котором установлена печатная плата. Через внешний радиатор, закрепленный на корпусе светового прибора или конструктивно совмещенный с ним, тепло отводится в окружающее пространство. При отсутствии или блокировке внешнего теплоотвода светодиоды, находящиеся внутри светового прибора, выхо-дят из строя за считанные минуты.  

  Влияние температуры p-n-перехода на световой поток. 

  Производители измеряют световой поток выпускаемых ими све-тодиодов при использовании импульса тока длительностью 15–20 мс при фиксированной температуре перехода, равной 25 °C. Температура перехода светодиода в правильно сконструированной светодиодном световом приборе при нормальной работе с установленными теплоотводящими устройствами обычно находится в диапазоне 60–90 °C или даже может превышать это значение. Так как рабочая температура пере-хода почти всегда больше 25 °C, то установленные в световом приборе светодиоды излучают как минимум на 10% меньше света, чем указывают их произво-дители, если дополнительно не предостав-лены данные для более высоких темпера-тур перехода.
На графике ниже показано, какое влияние оказывает повышение температуры перехода на световой поток светодиодов разных цветов. Янтарные и красные свето-диоды наиболее, а синие – наименее чувствительны к изменениям температуры
перехода.

Нагреваются ли светодиодные лампы? Ответ эксперта

В продаже LED-лампочки появились не так давно, поэтому вопрос о том, нагреваются ли светодиодные лампы, беспокоит многих. Чтобы найти ответ, необходимо понять конструкцию осветительных приборов на основе светоизлучающих диодов (LED).

Несколько слов о конструкции

LED-лампы представляют собой сложный электронный прибор, конструкция которого делится на несколько частей:

  • Рассеиватель. Представляет собой стеклянную или пластиковую колбу, которая служит для равномерного рассеивания светового потока.
  • Чипы – излучающие свет диоды.
  • Печатная плата – площадка, на которой смонтированы светодиоды. Выполняется из материала с высоким показателем теплопроводности.
  • Радиатор – конструкция из материала с высокой теплопроводностью. Служит для отвода тепла.
  • Драйвер – блок питания светодиодов, служит для преобразования переменного напряжения 220 вольтовой электросети в питание, необходимое для нормальной работы светодиодов.
  • Цоколь – немаловажный элемент, служащий для соединения лампочки с ламповым патроном.

Из конструкции видно, что светодиодные лампы греются, а для отвода выделяемого тепла устанавливается радиатор из специального материала с высокой теплопроводностью.

Радиатор в LED-лампочке предназначен для отвода тепла от единственной нагревающейся ее части – группы светодиодов. В данном световом приборе не греются ни колба, ни цоколь (при условии нормального контакта с патроном). Выделение тепловой энергии происходит лишь на кристаллах светодиодов, от них и отводится тепло.

Почему выделяется тепловая энергия?

Как и у прочих осветительных элементов, коэффициент преобразования потребляемого электричества в свет у светодиодов не достигает 100%. Современные модели обладают КПД в районе 30–40%. Остальная часть потребленной электроэнергии рассеивается в виде тепла. Чтобы понять, почему греется светодиодная лампа, необходимо рассмотреть ее светоизлучающие элементы более детально.


Светодиоды имеют совершенно другой физический принцип работы, отличный от нити накала. Поэтому LED лампочки не греются подобно лампам накаливания и не разогревают вокруг себя пространство. Светодиод – это полупроводник, а тепло выделяется на кристалле полупроводникового перехода. Если не отводить тепло от этой площадки, то кристалл перегревается, что приводит к его выгоранию. В светодиодных лампочках используются мощные светодиоды, сконструированные с применением сразу нескольких кристаллов. Отвод тепла от таких излучающих свет диодов особо важен. Поэтому полупроводниковые кристаллы мощных светодиодов монтируются на специальной подложки из материалов с высоким показателем теплопроводности. Светодиоды, в LED лампе, устанавливаются на печатной плате, которая также имеет хорошие показатели проводимости тепла. Печатная плата крепится к радиатору. В целом вся эта конструкция обеспечивает эффективный отвод тепла от полупроводникового перехода и обеспечивает долгий срок службы светодиодов.

Из вышесказанного вытекает другой вопрос — какова температура нагрева светодиодной лампы? Этот показатель не имеет точной цифры, так как зависит от многих параметров: температуры окружающий среды, материалов радиатора, мощности лампочки, производителя, качества сборки. Если говорить о среднем значении, то этот показатель находится на уровне 65–70 градусов по шкале Цельсия.

Какие лампочки не нагреваются?

С точки зрения физики, любая лампочка – это преобразователь электрической энергии в световую. При этом в свет трансформируется не более 40% потреблённой мощности. Остальная энергия рассеивается в виде тепла в окружающее пространство. Отсюда следует, что лампы всех типов нагреваются во время работы и чем меньше КПД, тем больше тепла они выделяют. Например:

  • верхняя часть колбы лампы накаливания на 100 Вт разогревается до 280°C, а цоколь – до 70°C;
  • компактная люминесцентная лампа на 15 Вт имеет наибольший нагрев у основания, там, где находится спираль – до 130°C. Температура цокольной части, где расположена ЭПРА не превышает 60°C;
  • в светодиодных лампах больше всего нагревается металлопластиковая часть корпуса (до 60-75°C), которая служит радиатором для светодиодов.

Немного о достоинствах LED-ламп

Лампочки на основе LED – самые экологически чистые и безопасные из всех представленных сегодня на рынке видов ламп. Они не содержат паров ртути, как люминесцентные, и не взрываются с разбрасыванием массы осколков, как современные низкокачественные лампочки накаливания.

Срок службы светодиодного светильника сегодня измеряется многими десятками тысяч часов. Поэтому его более высокая стоимость на длительном периоде времени компенсируется значительной экономией электроэнергии.

Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высшего качества

Результатом интенсивного развития технологий в области производства оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковых светоизлучающих кристаллов стало широкое использование светодиодов в системах отображения информации и световой сигнализации. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и возможность получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светодиодов в качестве источников света для этих устройств.

Реализация таких возможностей в этой области применения светодиодов достигается решением ряда технических задач, возникающих в процессе разработки конструкции светодиода. Анализу проблем конструкций светодиодов и кристаллов, оценке результатов собственных исследований характеристик и прогнозу тенденций повышения качества светодиодов посвящена данная статья.

Полупроводниковые источники света

Когда-то задача высечь огонь из чего бы то ни было была самой актуальной для человечества. На определенном этапе огню, полученному с помощью кремния, «было поручено» большое количество функций, одной из которых является его важная составляющая — свет. По-разному решалась эта задача в прежние века, но здесь речь пойдет о самом современном способе получения света из камня.

Основой для построения современных полупроводниковых источников света служит излучающий кванты света p-n-переход. Существует множество вариантов его создания в полупроводнике, но мы остановимся только на тех структурах, которые способны излучать кванты электромагнитного излучения при протекании через них электрического тока. Это гетероструктуры с широкозонными p-n-переходами, ширина запрещенной зоны которых более 1,9 эВ. В настоящее время созданы структуры, способные излучать во всем видимом диапазоне, в ближнем ИК и ультрафиолете. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и возможность получения любого оттенка в широком динамическом диапазоне яркостей открывают огромные перспективы использования светодиодов в качестве различных источников света.

Светодиоды

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического тока в световую, основой которого является излучающий кристалл. Излучение светодиода занимает достаточно узкою полосу (до 25–30 нм) шкалы спектрального распределения плотности энергетической яркости и поэтому носит характер квазимонохроматического излучения.

На основе вышеперечисленных полупроводниковых кристаллов с излучающими p-n-переходами создано огромное множество различных светоизлучающих светодиодов.

Конструкция светодиода определяет направление, пространственное распределение, интенсивность излучения, электрические, тепловые, энергетические и другие характеристики излучения от полупроводникового кристалла. И конечно, взаимное влияние всех этих параметров друг на друга. Детальное изучение информации о светодиодах различных конструкций и назначения и от различных производителей, сравнение ее с полученной в условиях лаборатории позволило сделать некоторые важные выводы о качестве и возможностях применения светодиодов.

В последнее время светодиоды все больше претендуют на использование их в освещении, художественной подсветке, сигнальной технике. Все это стало возможным благодаря достаточно быстрому росту энергетических показателей, надежности и долговечности квазимонохроматических источников излучения. Малое потребление электрической энергии, легкость формирования диаграммы направленности с помощью различной оптики, простота управления и, самое важное, специфическое восприятие излучения глазом делают светодиоды незаменимыми для создания полноцветных экранов, вывесок и других средств представления информации в виде динамического изображения. Однако это порождает особые требования к характеристикам светодиодов. Исследования, оценки и сравнения этих характеристик и стали предметом обсуждения в данной статье.

Теория светотехнических и электрических характеристик современных светодиодов и ее связь со спецификациями производителей

Самой распространенной и обобщающей единицей, характеризующей энергетические параметры светодиода, является осевая сила света [cd]. Однако эта величина абсолютно нечитаема, если не указать угол излучения Θ по некоторому уровню от Iνmax. Обычно говорится об угле излучения по уровню половины максимальной силы света — Θ0,5Iνmax, хотя иногда указывают и силу света по уровню 0,1IνmaxΘ0,1Iνmax. Совокупность двух параметров — угла излучения и осевой силы света — уже дает представление (хотя и очень грубое), в каком направлении распространяется и какой будет сила света при различных углах наблюдения. Для более точного определения величины силы света при любом угле наблюдения обычно приводится двухкоординатная плоская зависимость Iν(Θ), часто называемая индикатрисой излучения (рис. 1).

Индикатриса излучения светодиода с овальной линзой в полярных координатах. Изображены вертикальная (меньший угол) и горизонтальная (больший угол) плоскости излучения (Рис. 1)

Рис. 1. Индикатриса излучения светодиода с овальной линзой в полярных координатах. Изображены вертикальная (меньший угол) и горизонтальная (больший угол) плоскости излучения

Важной энергетической характеристикой излучения светодиода является световой поток F(lm), определяющийся как интеграл всей энергии, заключенной под пространственной индикатрисой излучения [1]. Именно этот параметр производители светодиодов часто указывают в спецификациях. Особенно это касается мощных приборов с большим углом излучения и равномерным пространственным распределением, стремящимся к ламбертовскому. Однако даже в этом случае невозможно достоверно оценить распределение светового потока внутри диаграммы и, соответственно, правильно оценить силу света светодиода. Подавляющее большинство простых математических пересчетов единиц, которыми пользуются потребители светодиодной продукции, оказываются абсолютно неверными и приводят к большой ошибке в проектировании энергетических характеристик устройств на светодиодах. Особенно это заметно при попытках пересчета несимметричных диаграмм направленности излучения (например, светодиодов с овальной оптикой) и индикатрис узконаправленных светодиодов. Поэтому стоит остановиться на некоторых методах определения светового потока и связи его с другими фотометрическими единицами, потому как только непосредственным измерением этой величины можно с большой точностью получить ее значение.

Методы определения светового потока на основе малых сферических интеграторов (радиус сферы составляет порядка 300–400 мм) широко используются в электронной промышленности. При этом светодиод располагается во входном окне сферы. При измерениях светодиодов с разным пространственным распределением силы излучения можно получить большие ошибки, так как геометрия распределения освещенности на внутренней поверхности интегратора будет различной.

Классический подход к измерениям полного светового потока с помощью сферического интегратора — это размещение источника излучения в центре сферы.

Но даже в этом случае связь с эталоном люмена, погрешности, связанные с неравномерностью спектральных и зонных характеристик внутренней поверхности сферы, требуют особого внимания. Поэтому наиболее перспективным с точки зрения точности и информативности является метод пространственного сканирования силы света — гониофотометрический метод. Используемые для этих целей приборы — гониометр с достаточным угловым разрешением и фотометрическая головка с известным коэффициентом преобразования. Суть этого метода основана на пошаговой фиксации значений силы света при повороте светодиода на известный угол. Уменьшение погрешности измерений и получение наиболее достоверного углового распределения возможно при минимальном значении шага угла поворота светодиода относительно фотометра (или наоборот). Современные гониофотометрические установки имеют шаг 3–10 угловых минут. Одновременно выполняются измерения осевой силы света и ее пространственное распределение. На основании этих данных рассчитывается световой поток.

Получение светового потока светодиода F с пространственным распределением силы света произвольной формы определяется с помощью индикатрис излучения большого числа плоскостей (nIν(Θ) при n ? ?) и последующим вычислением среднего значения F [2].

Распределение светового потока внутри диаграммы направленности позволяет судить о том, какая его часть попадет к наблюдателю в зависимости от угла его зрения. Следует напомнить, что МКО 1931 ггода регламентирует так называемого «стандартного колориметрического наблюдателя», угол зрения которого определен в 1 градус (рис. 2). Это обстоятельство учитывается при выборе данного параметра светоизлучающего светодиода в зависимости от его назначения. Однако часто пользуются лишь индикатрисой излучения, что не всегда верно при расчетах восприятия изображения, необходимой его интенсивности на разных расстояниях от источника и размеров самого источника излучения.

Элементарный световой поток, заключенный в телесном угле dΩ (Рис. 2)

Рис. 2. Элементарный световой поток, заключенный в телесном угле

Применительно к экрану, табло или бегущей строке как к источнику излучения совокупности светодиодов, площадью которого нельзя пренебречь по отношению к расстоянию l до наблюдателя, не выполняется закон «обратных квадратов» [3]; используется другая единица, с помощью которой характеризуется энергетика излучения такого протяженного источника — яркость Y [кд/м2].

Яркость определяется как сила света источника c произвольным распределением излучения по отношению к площади его излучающей поверхности [4].

Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (lm) к потребляемой электрической мощности (W). Эта величина, называемая светоотдачей, для светодиодов из материалов типа AIIIBV стала больше, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона. Современные светодиоды имеют эффективность, достигающую 20–30 lm/W, а КПД колеблется от 9–16% в приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов (GaN, InxGa1–xN, AlxGa1–xN) и до 25–55% — у светодиодов на основе гетероструктур из твердых растворов (InyAlxGa1–x–yP).

Помимо энергетических, светодиоды характеризуются колориметрическими характеристиками. Знание этих параметров особенно важно при формировании правильной цветопередачи изображения в любом устройстве отображения информации, при использовании в светосигнальной технике, при проектировании оттенков подсветки в архитектуре и т. д.

МКО 1931 года установила трехкоординатную XYZ-систему обозначения цвета любого источника излучения (рис. 3). Как уже отмечалось, светодиоды являются достаточно узкополосными (квазимонохроматическими) излучателями, полуширина спектров которых составляет всего 15–30 нм, что соответствует средней тепловой энергии электронов, поэтому координаты цветности их излучения лежат практически на линии «чистых» цветов локуса МКО 1931 года. Однако имеется и более простая единица, характеризующая цвет, — доминирующая длина волны λdom, получаемая как результат пересечения прямой, проходящей через точку равноэнергетического источника типа «Е» и точку с координатами цветности данного светодиода и локуса МКО 1931 г. Именно ее указывают в технических характеристиках на светодиоды монохроматического излучения. Лишь отдельные фирмы, и NICHIA в их числе, указывают координаты цветности, что, по сути, правильнее. Но для устройств отображения информации, где важность цветопередачи изображения имеет очень высокий статус, этих характеристик зачастую оказывается недостаточно. Поэтому разработчики пользуются, как правило, спектральными характеристиками светодиодов, преобразования которых могут позволить получить ряд параметров спектрального распределения излучения, позволяющих детально оценить возможность использования конкретного светодиода в формировании необходимого оттенка или гаммы цветов. Спектр излучения характеризуется, помимо указанных, такими характеристиками, как центральная λc и максимальная λmax длины волн, полуширина спектра λ1/2, интегральный коэффициент K[Lm/Wopt] [5].

Цветовой график МКО 1931 года (Рис. 3)

Рис. 3. Цветовой график МКО 1931 года

Здесь E(λ) — относительное спектральное распределение светодиода, V(λ) — относительная спектральная световая эффективность.

Так, например, для получения высококачественного изображения на светодиодном экране, работающем по схеме формирования белого из трех основных цветов, — RGB необходимо, чтобы полуширина спектра источника каждого цвета была минимальна, что обеспечит высокую чистоту цвета поля изображения.

Не менее важными также являются электрические характеристики светодиодов. Это прямые и обратные вольт-амперные характеристики (рис. 4–6), зависимости прямого напряжения Uƒ и прямого тока Iƒ от температуры окружающей среды, люменамперные характеристики (зависимости интенсивности излучения от прямого тока через светодиод). По этим параметрам можно определить необходимые характеристики источников питания проектируемых устройств и рассчитать режимы оконечных устройств коммутации, нагрузкой которых будут используемые светодиоды.

Типичные прямые вольт-амперные характеристики светодиодов (Рис. 4)

Рис. 4. Типичные прямые вольт-амперные характеристики светодиодов

Зависимость потребляемой мощности Pdis от прямого тока Iƒ и динамическое сопротивление Rdin светодиодов. Зеленым цветом — на основе InGaN/AlGaN/GaN, красным — на основе AlInGaP/GaP (Рис. 5)

Рис. 5. Зависимость потребляемой мощности Pdis от прямого тока и динамическое сопротивление Rdin светодиодов. Зеленым цветом — на основе InGaN/AlGaN/GaN, красным — на основе AlInGaP/GaP

Типичные обратные вольт-амперные характеристики светодиодов (Рис. 6)

Рис. 6. Типичные обратные вольт-амперные характеристики светодиодов

Следует отметить, что все описанные выше характеристики светодиодов находятся в непосредственной зависимости друг от друга, поэтому, как правило, лишь их совокупность позволяет правильно судить о тех или иных параметрах светодиода. Однако наиболее точно определить соответствие заявленным производителем параметров светодиода, его качество и долговечность можно лишь проведя комплекс измерений и расчетов его характеристик.

Светоды. Основы полупроводниковой оптоэлектроники

Если в кристалле полупроводника создан p-n-переход, то есть граница между областями с дырочной (p-) и электронной (n-) проводимостью, то при положительной полярности внешнего источника тока на контакте к p-области (и отрицательной — на контакте к n-области) потенциальный барьер в p-n-переходе понижается и электроны из n-области инжектируются в р-область, а дырки из p-областив n-область. Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию либо квантам света (излучательная рекомбинация), либо, через дефекты и примеси, тепловым колебаниям решетки (безызлучательная рекомбинация). Вероятность излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому наряду с повышением концентраций основных носителей в p- и n-областях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет рекомбинация. Но в обычных p-n-переходах эта толщина не может быть меньше диффузионной длины — среднего расстояния, на которое диффундируют инжектированные носители заряда, пока не рекомбинируют.

Задача ограничения активной области рекомбинации решена в конце 60-х годов Алфёровым и его сотрудниками. Были предложены и практически изготовлены гетероструктуры, сначала на основе GaAs и его твердых растворов типа AlGaAs, а затем и на основе других полупроводниковых соединений (рис. 7).

Вид излучающего кристалла с гетероструктурой типа InGaN/AlGaN/GaN на подложке из Al2O3. Показана активная область (область p-n-перехода) и расположение омических контактов. (Рис. 7)

Рис. 7. Вид излучающего кристалла с гетероструктурой типа InGaN/AlGaN/GaN на подложке из Al2O3. Показана активная область (область p-n-перехода) и расположение омических контактов.

В гетероструктурах толщина активной области рекомбинации может быть много меньше диффузионной длины.

Рассмотрим энергетическую диаграмму гетероструктуры (рис. 8), в которой между внешними p- и n-областями полупроводника с большими величинами ширины запрещенной зоны Eg2, Eg3 расположен тонкий слой с меньшей шириной Eg*. Толщину этого слоя d можно сделать очень малой, порядка сотен или даже десятков атомных слоев. Помимо потенциального барьера обычного p-n-перехода на гетерограницах слоя образуются потенциальные барьеры для электронов ΔEc и дырок ΔEν. Если приложить к переходу прямое смещение, возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой. Электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, спускаясь на дно потенциальной ямы в слое, дырки устремятся вверх — к краю валентной зоны в слое, где минимальны их энергии.

Энергетическая диаграмма p-n-гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при прямом смещении Uƒ. (Рис. 8)

Рис. 8. Энергетическая диаграмма p-n-гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при прямом смещении .

Широкозонные внешние части гетероперехода можно сильно легировать с обеих сторон, добиваясь больших концентраций в них равновесных носителей. И тогда, даже не легируя активную узкозонную область примесями, удается достичь при инжекции значительных концентраций неравновесных электронно-дырочных пар в слое. Отказ от легирования активной области принципиально важен, поскольку атомы примеси, как уже говорилось, могут служить центрами безызлучательной рекомбинации. Попав в яму, инжектированные электроны наталкиваются на потенциальный барьер ΔEc, дырки — на барьер ΔEν, поэтому и те и другие перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием фотонов.

Применяемые материалы группы AIIIBV имеют диапазон ширины запрещенной зоны от 1,9 до 3,5 эВ (рис. 9). Твердые растворы AlGaInP на различных подложках излучают в диапазоне от 650 до 580 нм, структуры на основе GaN, InGaN имеют наибольший квантовый выход в пределах 540–400 нм.

Спектры электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN (сплошные линии) и AlInGaP/GaP (штриховые) (Рис. 9)

Рис. 9. Спектры электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN (сплошные линии) и AlInGaP/GaP (штриховые)

Рекомбинация электронно-дырочных пар в таких материалах происходит преимущественно с выделением кванта света. Энергия кванта пропорциональна ширине запрещенной зоны Eg — энергии, которую должен затратить заряд для прохода через эту зону. О вероятности излучательной рекомбинации в узкозонном слое говорит внутренний квантовый выход излучения ηi (число излучаемых фотонов на одну электронно-дырочную пару). В гетероструктурах величина i теоретически может быть близка к 100%.

Некоторые особенности конструкции и параметров светодиодов для систем отображения информации

Несмотря на большое количество модификаций конструкций излучающих кристаллов, нельзя однозначно отдать предпочтение какой-либо одной. Если не говорить о качестве самого производства кристалла и соблюдения технологических процессов при их производстве, то выбор определяется, как правило, исходя из идеи построения оптической системы светодиода, на которую работает излучающий кристалл, и задачи, которую впоследствии должен решать этот светодиод.

В устройствах отображения информации светодиоды собраны в группы (кластеры) и не работают поодиночке (рис. 10).

Фрагмент полноцветного кластерного экрана. Пиксели собраны из светодиодов основных цветов (Рис. 10)

Рис. 10. Фрагмент полноцветного кластерного экрана. Пиксели собраны из светодиодов основных цветов

Практически на всех режимах воспроизведения изображения в работе участвует подавляющее большинство светодиодов одновременно. И здесь самым важным условием выбора светодиодов для таких устройств является идентичность большого числа характеристик приборов всех используемых цветов (если речь идет о полноцветных системах) одновременно. Иначе будет нарушено условие правильной цветопередачи и линейности яркости устройства в зависимости от угла обзора.

В настоящее время одной из самых передовых является конструкция светодиода с применением овальных линз (рис. 11), формирующих пространственное распределение с существенной разницей в углах излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Светодиоды фирмы «СОТСО» типа LO5SMQ __-BOG с овальной оптикой 110×50 град. (Рис. 11)

Рис. 11. Светодиоды фирмы «СОТСО» типа LO5SMQ __-BOG с овальной оптикой 110×50 град.

В некоторых случаях для достижения такого эффекта и для обеспечения максимальной равномерности диаграммы в материал линзы локально или по всему объему вводится диспергатор. В результате получается достаточно рациональная конструкция: с одной стороны, широкий (как правило, 110 градусов по уровню 0,5) угол в горизонтальной плоскости дает возможность построить экран, наблюдаемый под большими углами в этой плоскости без искажений, с другой стороны, небольшой вертикальный (30–50 градусов по уровню 0,5) ограничивает бесполезное распространение светового потока в пространство, где нет наблюдения. Таким образом, весь световой поток от кристалла равномерно направляется на наблюдателя. Сложность в том, что распределение светового потока внутри диаграммы направленности светодиодов разного цвета свечения редко бывают одинаковыме. Хотя угловые характеристики по уровню 0,5, указываемые в спецификациях, совпадают. Это связано с особенностью конструкций кристаллов, их геометрическими размерами, правильно подобранной оптикой, процентным содержанием диспергатора в материале линзы и т. д. Невыполнение этого условия и приводит к появлению описанных искажений изображения, сформированного кластером из таких светодиодов (рис. 12). Поэтому важно понимать, что построение качественного устройства воспроизведения полноцветного изображения, где имеет место смешение цветов и формирование оттенков, невозможно без учета характеристик распределения светового потока внутри диаграммы пространственного распределения излучения. Это условие касается также условия минимального разброса интенсивностей излучения (силы света) всех светодиодов одного цвета, невыполнение которого проявляется в виде неравномерной засветки поля светящегося полотна. Глаз способен различить разницу яркостей двух элементов, находящихся в пределах его разрешения и отличающихся друг от друга всего на несколько процентов (при условии нахождения в пределах насыщения). Как показывает практика, выполнение этого условия в начале эксплуатации светодиодного устройства вовсе не означает, что оно сохранится в процессе работы. Этот факт будет обсужден в следующем разделе статьи.

Относительная диаграмма пространственного распределения силы света кластера из трех светодиодов R, G, B фирмы Toyoda Gosei типа E1L4E-S с овальной оптикой и линейным расположением светодиодов в горизонтальной плоскости. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами — соответствующие цвета светодиодов. Показаны расхождения в направленности излучения каждого светодиода относительно оптической оси кластера. (Рис. 12)

Рис. 12. Относительная диаграмма пространственного распределения силы света кластера из трех светодиодов R, G, B фирмы Toyoda Gosei типа E1L4E-S с овальной оптикой и линейным расположением светодиодов в горизонтальной плоскости. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами — соответствующие цвета светодиодов. Показаны расхождения в направленности излучения каждого светодиода относительно оптической оси кластера.

Следующим важным параметром, идентичность которого должна быть соблюдена обязательно, является колориметрическая характеристика. Следствием невыполнения этого требования будет появление различных неоднородностей воспроизведения цвета. Система управления формированием цвета будет настроена на определенное соотношение интенсивностей основных цветов по формуле (7) исходя из спектральных параметров,

описанных в разделе 3 статьи, чтобы получить белый цвет с необходимыми координатами цветности. Однако достаточно отличающиеся по цветовым параметрам светодиоды будут выделяться и исказят цветопередачу. Этот дефект будет тем более заметен, чем меньше ширина спектрального распределения излучения светодиода. Стоит отметить, что глаз очень чувствителен к изменению цвета и способен различать квазимонохроматическое излучение с точностью до 1–2 нм.

Кроме идентичности параметров спектрального распределения необходимо остановиться на некоторых их значениях, требуемых для формирования правильной цветопередачи. МКО 1931 года рекомендует следующие координаты основных цветов (табл. 1).

Таблица 1

Следующим шагом в разработке конструкций светодиодов для систем отображения информации высокого качества стали многокристальные светодиоды с различным цветом излучения и полноцветный (RGB, Full сolor) прибор, содержащий три кристалла в одном корпусе (рис. 13), позволяющий формировать любой оттенок свечения (в том числе белый) как результат матрицирования трех цветов.

Полноцветные светодиоды для SMD-монтажа (Рис. 13)

Рис. 13. Полноцветные светодиоды для SMD-монтажа

Кристаллы расположены на одной общей подложке и находятся друг от друга на расстоянии, не превышающем 1–3 своих линейных размеров. Именно с использованием таких приборов стал возможен отказ от кластеров при изготовлении полноцветных экранов с высокой разрешающей способностью и яркостью до 2500 кд/м2. Размер пикселя при этом получается равным размеру одного светодиода, а смешение цветов вообще происходит в точке с размером примерно 0,8×0,3 мм. Более того, будучи расположенными на одном основании, все три кристалла имеют одинаковую температуру в любой момент времени, поэтому все тепловые уходы их параметров происходят одновременно, независимо от большой разницы прямых токов, и не влияют на результирующий цвет и интенсивность, сформированные в этот момент системой управления (в отличие от кластеров на дискретных светодиодах, где нет единой термостабилизации). Максимальный эффект этого свойства проявляется при формировании и воспроизведении белого цвета с большой частотой смены полей.

К достоинству описанной конструкции светодиода в части теплового режима стоит отнести и возможность использования его в импульсном режиме. Благодаря способности кристалла работать на больших (сотни МГц) частотах возможно получение импульсной оптической мощности, равной десяти номинальным долговременным, с сохранением фронтов до 10 нс (в зависимости от частоты повторения импульсов), при этом прямой ток через кристалл может достигать 100 мА.

Как правило, такие светодиоды исполняются в виде безвыводных элементов для SMD-монтажа и практически не имеют оптической системы, формирующей специфическую диаграмму направленности, поэтому она приближается по форме к cosΘ. Однако взаимное геометрическое расположение кристаллов все же вносит искажения в равномерность смешения световых потоков (рис. 14).

Абсолютная (а) и относительная (б) диаграммы пространственного распределения силы света трехкристального RGB-SMD-светодиода LM1-TPP1-01 TTQ фирмы COTCO с дельтаобразным расположением кристаллов внутри корпуса. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами — соответствующие цвета свечения кристаллов. Показаны расхождения в направленности излучения относительно оптической оси светодиода (Рис. 14)

Рис. 14. Абсолютная (а) и относительная (б) диаграммы пространственного распределения силы света трехкристального RGB-SMD-светодиода LM1-TPP1-01 TTQ фирмы COTCO с дельтаобразным расположением кристаллов внутри корпуса. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами — соответствующие цвета свечения кристаллов. Показаны расхождения в направленности излучения относительно оптической оси светодиода

Но по сравнению со светодиодами с овальной оптикой качество равномерности распределения намного выше на отдаленных от оптической оси углах, соответственно больше и угол наблюдения без искажений. Существуют и конструкции многокристальных светодиодов с различными оптическими системами, упорядочивающими смешение потоков кристаллов и формирующих подобие диаграммы направленности овальных светодиодов. Например, светодиоды фирмы «Корвет-Лайтс» (рис. 15), позволяющие использовать кристалл при повышенных плотностях тока — до 80 А/см2, и обладающих увеличенной по сравнению с другими конструкциями светоотдачей.

а — светодиод с оптикой Френеля на цилиндре, б — светодиод с обычной цилиндрической линзой (Рис. 15)

Рис. 15. а — светодиод с оптикой Френеля на цилиндре, б — светодиод с обычной цилиндрической линзой

Однако равномерного смешения световых потоков кристаллов при использовании оптической системы получить не удается, поэтому широкого распространения такие приборы не получили, несмотря на свои незаурядные энергетические характеристики, едва ли до сих пор кем-либо достигнутые.

Также в таких светодиодах существует проблема с упорядочением идентичности параметров кристаллов, о которой говорилось выше, — ведь необходимо, чтобы все три кристалла были по параметрам очень близки к соответствующим в других светодиодах. Добиться такого сочетания необходимо уже на уровне монтажа кристаллов в корпус, иначе выход приборов с близкими параметрами будет невысок относительно всей партии. Такое действие достаточно трудоемко с технологической точки зрения и приводит к удорожанию продукта. Как правило, за основу берут один параметр, который можно скорректировать уже в составе светодиода. Это сила света. Цветовые характеристики кристаллов тестируются и разделяются еще до монтажа. Впоследствии интенсивность свечения каждого кристалла каждого светодиода в составе табло, например, доводится до одинакового значения программными средствами либо коррекцией питания. Таким образом реализуется идентичность характеристик в трех кристальных светодиодах, используемых группами.

Подавляющее большинство систем управления интенсивностями свечения светодиодов реализовано на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с большим количеством дискретов. Достоинства этого принципа управления, кроме удобства цифровой обработки данных сигнала, с точки зрения режимов работы светодиодов в том, что прямой ток через светодиод остается постоянным всегда, а изменяется лишь длительность импульса этого тока. Глаз интегрирует световой поток за период времени до следующего импульса, и получается, что время свечения светодиода, пропорциональное времени импульса, определяет интенсивность излучения. Это условие можно учесть программно и на самых малых уровнях интенсивности при самых коротких импульсах, когда интеграционная характеристика глаза приобретает функцию ех с большими значениями х, и на самых больших, когда наступает насыщение, сохраняя тем самым линейность яркостной характеристики. Постоянство прямого тока через светодиод определяет соответствующее постоянство большинства ключевых параметров светодиода, в основном зависящих прямо или косвенно только от тока (люмен-амперная характеристика, зависимость полуширины спектра излучения, вольт-амперная характеристика и т. д.). Таким образом, при использовании подобных систем управления устройством отображения информации проблемы уходов характеристик светодиодов сведены преимущественно только к температурным зависимостям. И хотя это также является довольно серьезной темой для обсуждения, стоит говорить об этом отдельно, чтобы рассмотреть все подробности.

Анализ параметров и прогноз качества светодиодов для систем отображения информации от различных производителей методом исследования деградационных характеристик

Ведущими в мире производителями полупроводниковых кристаллов считаются компании NICHIA, Toyoda Gosei, Hewlett-Packard, CREE, Osram, Lumileds, Epistar. Эти компании отличаются друг от друга не только количеством произведенной продукции, а, что самое важное, принципиально различными конструкциями кристаллов собственных разработок. Поэтому, исследуя конкретный светодиод, помимо его технических характеристик немаловажно знать, на основе кристалла какого производителя он изготовлен. Как правило, знание этого обстоятельства, сразу ответит на многие вопросы опытному пользователю светодиодами еще до рассмотрения им других данных. Однако любая наука базируется на исключительно объективных сведениях. Получить их — довольно непростое дело, но в этом разделе хотелось бы обсудить именно такие — объективные результаты исследований параметров кристаллов и светодиодов, полученные в результате многих тысяч измерений и расчетов их характеристик. Во внимание были взяты лишь физические величины, цифры, показания приборов и сравнительные характеристики на их основе.

Были досконально исследованы светодиоды более чем 20 фирм-производителей, в том числе использующих кристаллы указанных выше компаний-лидеров.

Самому детальному исследованию были подвергнуты светодиоды на основе кристаллов Lumileds, Epistar, CREE производства СОТСО, RETOP, ACOL, LASEMTECH, Inc., светодиоды на основе кристаллов Toyoda Gosei, NICHIA.

Параллельно исследовались светодиоды на основе кристаллов, произведенных в Юго-Восточной Азии. Это приборы фирм Brightek, ETR, GUANGYI, Lanbaoli elektroniks, Golden Valley Opto, Lite-Max optо, SINO, ULTRALIGHT electronic, Sitronics Co., LED YI LIU, КENA, Shuen, Ningbo Foryard Opt., SANDER, Ledman и др.

Все образцы исследовались по одинаковой методике. Исследования велись при одинаковых условиях и с максимально возможным количеством измеряемых параметров. Во время наработки каждый светодиод питался от отдельного индивидуального стабилизированного источника тока с точностью поддержания тока ±0,5 мА. Это исключает возможность появления деградации параметров из-за колебаний прямого тока через кристалл. Большинство выводов сделано на основе наблюдений за изменениями зависимостей параметров в течение не менее 10 тыс. часов непрерывной работы светодиодов.

Помимо величин, изменяющихся в зависимости от прямого тока через кристалл, поддающихся моделированию или измерению (световой поток или сила света — люмен-амперная характеристика, вольт-амперная характеристика, зависимость координат цветности от прямого тока и т. д.), есть и такие, как, например, срок службы, необратимая деградация и т. п., которые не могут быть достоверно установлены в зависимости от изменения вышеуказанного параметра. Значения этих характеристик можно косвенно предположить исходя из определения степени близости условий работы кристаллов при различных токах к условиям их работы на нормируемом производителем токе и нормируемого при этом токе срока службы. А также анализируя поведение спектральных и фотометрических характеристик излучения при больших токах, по которому можно достаточно точно судить о «здоровье» кристалла, светодиода в целом и его возможном потенциале.

Необходимость данных этого исследования возникает при моделировании новых конструкций светодиодных устройств, учитывающих возможность работы кристаллов при больших плотностях тока, прогнозов ухода параметров при колебаниях температуры окружающей среды, а также при конструировании устройств отображения информации и сигнализации высокой надежности.

К каждому типу исследуемых светодиодов обязательно применялся метод последовательных измерений большого количества параметров в зависимости от времени наработки (деградационные характеристики параметров — зависимости их значений от времени наработки), что в свою очередь подтвердило эффективность метода для определения качества светодиодов. Появилась возможность связать малые отклонения от типичных в характеристиках у светодиодов без времени наработки с характеристиками после некоторой наработки, приводящие впоследствии к выходу светодиода из строя. Это позволяет сделать достоверный прогноз качества, срока службы и поведения характеристик прибора в процессе всего времени эксплуатации, не прибегая к длительным испытаниям.

По поведению показателей наиболее важных параметров приборов различных конструкций и производителей в течение временной наработки все светодиоды были условно разделены на насколько групп по степени изменения характеристик и изначального (без наработки) соответствия значениям, обозначенным в спецификациях.

Группа 1.

Результаты исследований прежде всего выявили общее повышение энергетики выхода используемых кристаллов относительно прежних показателей. Наиболее продвинутой в плане освоения новых технологий в производстве светодиодов оказалась фирма СОТСО, которая применила в своих светодиодах новый тип кристалла на основе InGaN/GaN на подложке SiC. Это кристаллы серий CREE XBright™, CREE XThin™, устанавливаемые способом «flip-chip» на эвтектическую прослойку, нанесенную на рамку светодиода. Они стали удачным продолжением в усовершенствовании кристаллов MBright™ на подложке SiC, отличающейся лучшей, чем сапфир, совместимостью кристаллических решеток подложки и выращенной на ней структуры InGaN/GaN. Применение кристалла XBright™ позволило практически сравнять энергетические показатели светодиодов синего и зеленого цвета излучения со светодиодами фирмы NICHIA, не изменяя цены и, что самое важное, надежности светодиода. А светодиоды с кристаллом CREE XThin™ фирмы Ledman превзошли по энергетическим параметрам идентичные по характеристикам приборы лидера производства светодиодов. Например, высший ранг наиболее используемых в экранах светодиодов с овальной линзой и углом излучения 110×50 град. светодиодов фирмы NICHIA NSP_546 имеет осевую силу света до 2,4 кд (зеленый цвет), в то время как фирма СОТСО заявляет 2,3 кд у LO5SMQPG4-BOG-A1, что подтвердилось при исследованиях. Синий СОТСО LO5SMQBL4-BOG-A1 также с углом излучения 110×50 град. имеет осевую силу света до 0,75 кд (табл. 2). Световой поток кристаллов CREE представлен в таблице 3.

Таблица 2

Таблица 3

Световая отдача кристаллов CREE XThin™ достигает 35–40 lm/W за счет значительного уменьшения прямого падения напряжения Uƒ во всем диапазоне токов. На рис. 16, 17 показана эволюция вольт-амперных характеристик семейства кристаллов CREE, наглядно поясняющая это утверждение.

Прямые вольт-амперные характеристики кристаллов CREE (Рис. 16)

Рис. 16. Прямые вольт-амперные характеристики кристаллов CREE

Зависимость потребляемой мощности Pdis от прямого тока Iƒ и динамическое сопротивление Rdin кристаллов CREE (Рис. 17)

Рис. 17. Зависимость потребляемой мощности Pdis от прямого тока и динамическое сопротивление Rdin кристаллов CREE

Использование таких светодиодов позволяет формировать экраны и табло с шагом пикселей 22 мм и яркостью до 8000 кд/см2. При шаге пикселей 19 мм можно достичь яркости 10 тыс. кд/см2. При этом полностью сохраняется надежность и долговечность работы экрана.

В чем секрет этих светодиодов? Особая конструкция кристаллов CREE XBright™, CREE XThin™ (рис. 18) одновременно решает несколько задач:

Кристаллы фирмы CREE. а — MBright™, б — XBright™, высота 250 мкм, в — XThin™, высота 115 мкм (Рис. 18)

Рис. 18. Кристаллы фирмы CREE. а — MBright™, б — XBright™, высота 250 мкм, в — XThin™, высота 115 мкм

  • Великолепный отвод тепла от p-n-перехода (тепловое сопротивление «p-n-переход — кристаллодержатель» — всего 2–5 град./Вт), активная область расположена всего в 2–3 мкм от эвтектического слоя.
  • Выгодное с точки зрения хода оптических лучей расположение граней и распределение излучения внутри кристалла по всему объему. Поэтому выход квантов наблюдается по всей поверхности граней кристалла, а их площадь примерно в четыре раза больше, чем у кристалла на подложке из Al2O3 (рис. 19).
  • Кристалл на подложке из сапфира. Высота 110 мкм, тепловое сопротивление «p-n-переход — кристаллодержатель» 80–150 град/Вт (Рис. 19)

    Рис. 19. Кристалл на подложке из сапфира. Высота 110 мкм, тепловое сопротивление «p-n-переход — кристаллодержатель» 80–150 град/Вт

  • Площадь верхнего омического контакта, несмотря на маленький размер, не влияет на равномерность растекания тока, так как p-n-переход расположен в противоположной стороне от него, а распределение тока формируется толщей подложки SiC и специальным слоем AuSn. Нижний контакт занимает всю площадь нижней грани. Поэтому вся площадь активной области работает при одинаковой плотности тока и нет локализации излучения, находящейся в зависимости от расположения омического контакта.
  • Высокая механическая прочность эвтектического соединения кристалла с металлической рамкой светодиода. Устраняются проблемы разности коэффициентов линейного расширения кристалла и материала рамки (подложки) при увеличении температуры работающего кристалла.
  • Кристалл имеет большой динамический диапазон и запас по импульсным токовым нагрузкам. Линейность люмен-амперной характеристики сохраняется вплоть до тока 120 мА, что соответствует его плотности почти в 200 А/см2. Кристаллы конструкций на рис. 19 теряют линейность, едва достигая плотности тока 100–120 А/см2.

Технология посадки кристалла способом «flip-chip» встречается не впервые. Toyoda Gosei применяет эту технологию для кристаллов на подложках из Al2O3. Светодиоды фирмы отличаются высокой надежностью, которую, помимо конструкции кристалла, обеспечивает еще и смонтированный рядом с излучающим кристаллом быстродействующий диод Шоттки, включенный обратно и шунтирующий светодиод при подаче большого обратного напряжения. Однако светотехнические параметры этих светодиодов ниже, чем у СОТСО.

Группа 2.

Другая часть производителей, которые используют в производстве своих светодиодов кристаллы преимущественно конструкций—прототипов NICHIA, разделилась на несколько категорий по различным качественным показателям приборов на однотипных кристаллах. Но все они не достигли таких значений силы света и других энергетических показателей светодиодов, как у ведущих фирм. Часто реальные параметры светодиодов разнились с заявленными в спецификациях, обладая и по этим данным не самыми лучшими характеристиками. Делается это недобросовестным производителем исключительно для того, чтобы обозначить свою продукцию среди других на должном уровне и сделать ее продаваемой, потому как проверить истинность параметров потребителю в подавляющем большинстве случаев бывает невозможно, а по виртуальным, написанным на бумаге характеристикам светодиоды обладают неплохими параметрами. Но выясняется, что все далеко не так.

Группа 3.

Следующая категория — светодиоды с большим фактором деградации квантового выхода от времени наработки, связанного как с некачественным кристаллом, так и с нарушением технологии при сборке светодиода. В эту группу попали светодиоды фирм Lite-Max optо, SINO, ULTRALIGHT electronic, GUANGYI, Ningbo Foryard Opt., SANDER, использующие кристаллы неизвестных производителей из Юго-Восточной Азии. Подавляющее большинство этих кристаллов имеет широко известную структуру, представленную на рис. 19. Однако их характеристики не имеют ничего общего с такими же кристаллами производства NICHIA, по всей вероятности, из-за несовершенства оборудования и несоблюдения технологического процесса их выращивания. Детальные результаты измерения, получения и моделирования деградационных характеристик требуют более тщательного, чем просто ознакомительное, обсуждения из-за большого объема вплотную связанных друг с другом параметров и непременно станут темой будущих статей. Стоит привести здесь одну из самых наглядных диаграмм, иллюстрирующих процесс деградации наиболее важного параметра светодиода во времени— пространственного распределения силы света в зависимости от времени наработки Iν(T) (рис. 20). Возможно построение зависимости изменения светового потока от времени наработки (как наиболее корректной с точки зрения физики процесса), но наглядность этого графика для пользователя будет недостаточна для объяснения картины происходящих изменений в светотехнических параметрах, к которым привязано большинство спецификаций на светодиоды. «Интегральность» этого параметра не позволит проследить за изменениями угловых характеристик и значений силы света на разных участках диаграммы. Как видно из диаграммы, помимо значительного уменьшения осевой силы света , происходит одновременное уменьшение и перераспределение светового потока по углу излучения, изменение угловых характеристик светодиода по разным уровням и, как следствие, пропорциональное этому явлению изменение светотехнических характеристик устройства отображения информации в целом. Это наиболее заметно, если подобная деградация происходит лишь у части светодиодов, образуя пятна и области с нарушенной цветопередачей и разной яркостью. Однако протекание подобной деградации у светодиодов никогда не происходит равномерно у всех образцов из-за различия причин ее появления. А самое главное, что применяемые в кластере светодиоды, как говорилось ранее, выполнены на основе кристаллов разных структур, изменения параметров которых изначально не могут быть одинаковыми. Поэтому сам факт появления деградации, отличающейся по характеру от нормальной для этих материалов кристаллов, уже говорит о недопустимости его возникновения у светодиодов, составляющих полотно изображения устройства. Как правило, поведение именно этого графика (рис. 20) в первые несколько сотен часов работы может многое сказать об отклонении и других характеристик светодиода от нормы.

Рис. 20. Зависимость Iν(T) светодиода SF-5EDB24 110×50 фирмы SINO. Дана диаграмма углового распределения силы света в вертикальной плоскости излучения. Цифрами обозначено время наработки в часах (h). Цвет цифры соответствует цвету кривой на графике (Рис. 20)

Рис. 20. Зависимость Iν(T) светодиода SF-5EDB24 110×50 фирмы SINO. Дана диаграмма углового распределения силы света в вертикальной плоскости излучения. Цифрами обозначено время наработки в часах (h). Цвет цифры соответствует цвету кривой на графике

Группа 4.

Еще одну категорию составляют светодиоды (Sitronics Co., LED YI LIU и др.) с большим разбросом параметров (более ±50% по ) в партии из нескольких сотен штук, усугубляющимся деградацией и не позволяющим использовать их в аппаратуре, требующей единства характеристик всех светодиодов группы. Поэтому их детальное рассмотрение не приводится.

Исследования статистических данных производства больших партий (до 1 млн штук) некоторых производителей (например, СОТСО) показали, что вне зависимости от категории (группы светодиодов, разбитых по принципу идентичности или малого, до ±10%, разброса параметров) количество образцов, определенных описанным методом как неизбежно выходящих из строя, практически одинаково и составляет примерно 12–15%.

Некоторые данные о результатах этих исследований сведены в таблицу 4.

Таблица 4

Причем изначально эти светодиоды признаются годными, потому как действительно соответствуют всем параметрам производителя, указанным в спецификации. Конечно, приведенные цифры колеблются в зависимости от качества партии применяемых пластин кристаллов, соблюдения технологической дисциплины и т. д. Однако селекция потенциально неисправных образцов на производстве является продолжением и развитием описанной методики (с помощью деградационных характеристик) определения критериев, по которым необходимо проводить этот отбор. Таким образом удастся использовать качественные светодиоды, отсортированные по необходимым критериям, и быть уверенным в том, что их параметры не изменятся непредсказуемо непосредственно в проектируемом изделии.

Некоторые итоги исследований

Подытоживая сказанное, стоит заметить, что проводимые исследования и постоянный мониторинг новаций и разработок позволяют не только судить о состоянии рынка светодиодной продукции, но и принимать правильные решения в стратегии использования тех или иных светодиодов в устройствах на их основе. Нельзя не уделять внимание некоторым, принципиально разнящимся с классическими, разработкам в области создания новых средств для полупроводниковой оптоэлектроники. Именно такой подход требуется при проектировании современных устройств отображения информации и оправдан качеством и высокими параметрами производимых экранов и табло на светодиодах при устойчивой тенденции к снижению их стоимости.

Литература

  1. Sze S. M. Physics of Semiconductor devices. 1984.
  2. Moss T. S. Semiconductor Opto — Electronics. 1973.
  3. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. Свойства зеленых и синих InGaN-светодиодов // «Светодиоды и лазеры» № 1, 2. 2002. С. 30–33.
  4. Агафонов Д. Р., Аникин П. П., Никифоров С. Г. Вопросы конструирования и производства светоизлучающих диодов и систем на их основе // «Светотехника» № 6. 2002. С. 6–11.

Светодиодное освещение — основные термины и характеристики, описание

 

Эта публикация отвечает на некоторые часто задаваемые вопросы о системах освещения с использованием светоизлучающих диодов (LED). Ответы на вопросы освещения помогут практикующим специалистам понять различия между светодиодами и другими традиционными источниками света, а также некоторые их соответствующие рабочие характеристики. Описываются ключевые вопросы, которые важны для понимания эффективного использования светодиодов в осветительных приборах, включая электрические характеристики, тепловые характеристики и оптические характеристики. Эта публикация должна быть полезна любому практикующему специалисту, который хочет эффективно использовать светодиодные системы освещения.


  Все статьи

Что такое светодиод?

Источник света. Представляет собой полупроводниковый материал, излучающий свет, когда через него течет ток. Излучаемый свет находится в узком диапазоне спектра, в отличии от лампы накаливания, у которой более широкий спектр. Впервые разработаны в 1960-х годах, но только в последнее десятилетие светодиоды получили повсеместное распространение.

Светодиоды — это полупроводниковые диоды, электронные устройства, которые позволяют току течь только в одном направлении. Диод формируется путем объединения двух немного разных материалов вместе, чтобы сформировать PN-переход. В PN-переходе сторона P содержит избыточный положительный заряд («дырки», указывающие на отсутствие электронов), а сторона N содержит избыточный отрицательный заряд (электроны).

  • Полупроводник — материал, электрическая проводимость которого находится между проводником и изолятором. Проводимость полупроводников зависит от температуры.

Когда прямое напряжение прикладывается к полупроводниковому элементу, образующему PN-переход (ранее называемый переходом), электроны перемещаются из области N в область P, а дырки перемещаются в область N. Рядом с переходом электроны и дырки объединяются. Когда это происходит, высвобождается энергия в виде света, который излучается светодиодом.

  • PN-переход — для светодиодов это часть устройства, в которой положительные и отрицательные заряды объединяются для получения света.

Светодиод — самый экономичный и эффективный источник света 4-го поколения. Бывает белого и цветного излучения. На основе светодиодов производятся светодиодные светильники и другие источники света, телевизоры, рекламные экраны, габаритные огни автомобиля и многое другое.

Что такое люминофор светодиода?

Светодиодный люминофор — это вещество, обладающее феноменом флюоресценции, которое может поглощать свет или другое электромагнитное излучение, тем самым создавая свет с более длинными волнами. Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.

Это важный компонент для белых светодиодов, обеспечивающий широкий спектр и высокий индекс цветопередачи (CRI).

Два способа создания белого цвета у светодиода

  • Смешанный белый свет. Один из подходов — смешать свет от нескольких цветных светодиодов для создания спектрального распределения мощности, которое выглядит белым. Аналогичным образом, так называемые 3-х фосфорные люминесцентные лампы используют три люминофора, каждый из которых излучает относительно узкий спектр синего, зеленого или красного света при получении ультрафиолетового излучения от ртутной дуги в трубке лампы. Расположив красный, зеленый и синий светодиоды рядом друг с другом и правильно смешав количество их выходного сигнала, полученный свет станет белым по внешнему виду.
  • Белый свет с преобразованием люминофора. Другой подход к созданию белого света — использование люминофоров вместе с коротковолновыми светодиодами. Например, когда один люминофор, используемый в светодиодах, освещается синим светом, он излучает желтый свет, имеющий довольно широкое спектральное распределение мощности. За счет включения люминофора в корпус синего светодиода с максимальной длиной волны от 450 до 470 нанометров часть синего света будет преобразована люминофором в желтый свет. Оставшийся синий свет при смешивании с желтым светом дает белый свет. Новые люминофоры разрабатываются для улучшения цветопередачи.

Толщина и концентрация люминофора — второстепенные факторы для упаковки белых светодиодов. Это связано с тем, что световой поток и цвет светодиода регулируются в основном за счет изменения толщины и концентрации люминофора после выбора преобразователей люминофора. Толщина и концентрация люминофора могут варьироваться в процессе производства, и они влияют на оптическую стабильность белых светодиодов.

Что такое светодиодные чипы (LED chips)?

Чип SMD (СМД)

Светодиодный чип SMD — это форма светодиодного корпуса, который заключен в тонкий корпус и устанавливается непосредственно на поверхность печатной платы (РСВ). Это передовая технология по сравнению с прямыми встроенными светодиодами, которая имеет преимущества простого, компактного и хорошего рассеивания тепла.

Этот метод производства электронных плат основан на технологии поверхностного монтажа (SMT), которая в значительной степени заменила технологию сквозных отверстий (THT), особенно в устройствах, которые должны быть небольшими или плоскими. По сравнению с последним, SMT позволяет при необходимости использовать обе стороны печатной платы.

Самый распространенный пример SMD — это смартфон. В нем есть компоненты, которые необходимо очень плотно упаковать в очень тонкий корпус, поэтому использовать компоненты THT нереально. Последние также занимают место внизу или за печатной платой, так как именно там они припаяны, что приводит к острым концам, где припой встречается с выводами. Компоненты SMT могут быть меньше, чем компоненты THT, поскольку они могут иметь либо меньшие выводы, либо вообще не иметь выводов, что упрощает усадку компонентов.

 

Чип COB (КОБ)

Светодиодный чип СОВ — это производственный подход, при котором светодиодные чипы размещаются непосредственно на печатной плате (РСВ), а не в корпусах светодиодов. Плата контролирует тепловые компоненты лампы и следит за тем, чтобы она не перегревалась. Благодаря отсутствию упаковки продукт может быть более компактным и, следовательно, иметь более высокую плотность просвета, чем SMD. 

COB — мульти-светодиодные чипы упакованы вместе как один модуль освещения. Они имеют большое преимущество в виде теплового сопротивления, большей площади охлаждения, лучшего светового эффекта и высокой световой отдачи.

Другой аспект светодиодов COB, который снижает частоту отказов, заключается в том, что точечная пайка отдельных светодиодных чипов не требуется, поскольку каждый чип устанавливается непосредственно на подложку. Меньшее количество точек сварки снижает вероятность отказа.

Топ-10 мировых производителей светодиодных чипов

Что такое индекс цветопередачи (СRI)?

Индекс цветопередачи — это способность источника света по сравнению с естественным дневным светом, определяемую СIЕ. СRI измеряется путем сравнения 14 тестовых образцов цвета при освещении эталонным дневным светом и тестируемым источником света. Результаты представляют собой 14 числовых значений в диапазоне до 100 (обозначены R1-R14), что указывает на лучшую способность цветопередачи источника света для значения, близкого к 100, а также может быть отрицательным из-за очень плохой производительности. CRI — это среднее арифметическое R1-R14, однако вместо этого часто предпочитают другой параметр Ra, который представляет собой среднее значение R1-R8.

Типичные белые светодиоды на основе люминофора имеют значения индекса цветопередачи (CRI), сравнимые с газоразрядными лампами (люминесцентные и разрядные с высокой интенсивностью), которые используются во многих осветительных приборах. Распространено мнение, что высокий индекс цветопередачи означает хорошие свойства цветопередачи. CRI на самом деле является показателем того, насколько похожий источник света заставляет цвета выглядеть по сравнению с эталонным источником, таким как лампа накаливания (вот почему лампа накаливания имеет индекс цветопередачи около 100). 

Для светодиодных систем смешанного цвета индекс цветопередачи очень чувствителен к длинам волн составляющих цветов; однако эта чувствительность не обязательно отражает предпочтения человека в отношении внешнего вида цвета в реальном приложении. Недавние исследования показали, что смешанные белые светодиодные системы с индексом цветопередачи в 20-е годы могут давать более высокое цветовое предпочтение, чем системы с индексом цветопередачи в 90-х годах.

Что такое коррелированная цветовая температура (ССТ)?

Иногда называют «цветовой температурой», хотя это не совсем то же самое, разберемся подробнее.

Цветовая температура — это метод описания характеристик видимого света от различных излучателей. Шкала цветовой температуры работает, сравнивая излучение видимого света от данной лампочки с излучением «черного тела» излучателя (объекта, температура поверхности которого совпадает со значением цветовой температуры).

Нужен пример? Лампы накаливания обеспечивают хорошее приближение к излучателям черного тела, поэтому они являются полезным примером для описания цветовой температуры. Когда нить лампы накаливания нагревается, она в конечном итоге начинает светиться. Свечение, конечно же, имеет цветовые характеристики. По мере того, как температура поверхности самой нити становится выше, ее свечение меняет цвет. Свечение начнется при относительно низких температурах (около 1500K) в виде темно-красного цвета. По мере того, как температура поверхности нити накаливания продолжает повышаться, свечение будет переходить от красного к оранжевому, от оранжевого к желтому, от желтого к белому и, если оно станет достаточно горячим (обычно не в случае ламп накаливания), от белого к голубому.

Теперь о запутанной части: хотя темно-красное свечение возникает при относительно более низкой температуре поверхности, его обычно называют «теплой» цветовой температурой. Это потому, что люди обычно ассоциируют красный цвет с огнем и, следовательно, с горячими (или в данном случае «теплыми») предметами. И наоборот, белое или светло-голубое свечение возникает при относительно более высокой температуре поверхности нити, но его обычно называют «холодной» цветовой температурой. Это потому, что люди обычно ассоциируют синий цвет со льдом и, следовательно, с холодными вещами (или в данном случае «холодными»).

На приведенной выше диаграмме показана цветовая температура различных источников света, когда они работают на своей типичной рабочей мощности, но важно понимать, что фактическая цветовая температура будет в диапазоне, зависящем от количества энергии, подаваемой на свет (большая мощность будет приводит к более высокой температуре нити и, следовательно, к «более холодной» цветовой температуре).

Температура цвета любого источника света при длительном прибывании напрямую влияет на производительность труда, самочувствие, утомляемость и другие факторы.

Что такое человеко-ориентированное освещение?

Что такое световой поток (Lm)?

Световой поток — это мера общего выходного света источника света, воспринимаемого человеческими глазами. Единица измерения — люмен (лм) . В отличие от лучистого потока, световой поток регулируется для отражения чувствительности человеческого глаза к видимому свету с помощью функции яркости.

Пульсация (мерцание) светового потока.

Люмен (Лм)

Люмен — это единица светового потока в системе СИ‚ указывающая общий видимый свет, излучаемый за единицу времени. Обычно указывается производителем на коробке источника света с другими основными характеристиками. Чем выше значение (лм), тем ярче светит лампа.

Люмен определяется единицей силы света — канделой (кд). Таким образом, один люмен — это световой поток, излучаемый в пределах единичного телесного угла (один стерадиан) небольшим источником, имеющим равномерную силу света в одну канделу, так что 1 лм = 1 кд-ср, а общий поток во всех направлениях составляет 4 π лм.

Что такое освещенность?

Освещенность — это мера светового потока на поверхности на единицу площади. Единица измерения люкс (пк) Таким образом, освещенность света зависит не только от светового потока, но также от расстояния до измеряемой поверхности и распределения света, если не изотропно.

Люкс (Лк)

Люкс — это единица измерения освещенности в системе СИ ‚ определяемая как лм/м.кв., которая измеряет свет, падающий на поверхность. Это основной параметр при светотехническом расчете, другими словами как ярко или тускло должно быть на поверхности.

Вектор освещения

Термин, используемый для описания потока света. У него есть и величина, и направление. Величина определяется как максимальная разница в величине освещенности на диаметрально противоположных элементах поверхности небольшой сферы с центром в рассматриваемой точке. Направление вектора — это диаметр, соединяющий более яркий элемент с более темным.

Сила света 

Величина, которая описывает силу освещения источника в определенном направлении. Точнее говоря, это световой поток, излучаемый внутри очень узкого конуса, содержащего это направление, деленное на телесный угол конуса.

Кандела (сокращение cd) 

Единица силы света в системе СИ . Термин «сила свечи» означает силу света, выраженную в канделах.

Что такое световая отдача?

Световая отдача (LE) измеряет эффективность источника света. Это отношение выходного светового потока к потребляемой электроэнергии, измеряемое в люменах на ватт (лм / Вт). В зависимости от цели источника света эффективность также может быть измерена в других единицах (например, мощность излучения на ватт или РPF для растущих растений), если это не предназначено для освещения людей.

Максимальное значение LЕ составляет 683 лм / Вт (т.е. вся электрическая мощность переходит в зеленый свет) в соответствии с определением светового потока. В то время как большинство современных светодиодов имеет значение менее 200 лм/вт.

Первые светодиоды были довольно маленькими, элемент составлял всего около 0,25 миллиметра по краю. В более поздних моделях есть элементы с ребром 1 миллиметр — значительно больше, но все же довольно маленькие. Одним из ограничений больших размеров является проблема несовершенства материалов, образующих полупроводниковые элементы, когда они осаждаются на гораздо более крупные подложки; эти недостатки значительно снижают эффективность. Таким образом, светодиоды, состоящие из одного элемента, вряд ли в ближайшем будущем превысят светоотдачу обычных источников света. Однако светодиоды с несколькими элементами, объединенными в одно устройство, уже доступны на рынке; Эти устройства уже приближаются к световому потоку некоторых маломощных ламп накаливания, и будущие продукты, вероятно, будут и дальше обеспечивать более высокий световой поток. 

Энергосберегающие лампы, виды, отличия

 

 

Что такое переменный ток (AC)?

Переменный ток — это электрический ток, который периодически меняет свое направление. Это форма электричества, которая обычно используется для подачи электричества в сеть (энергоснабжение) внутри стенной розетки в жилых, коммерческих или других зданиях. Напряжение в цепях переменного тока также периодически меняется на противоположное, потому что ток меняет направление. Напряжение и частота являются основными характеристиками переменного тока и различаются в разных странах. Например, 110 В / 60 Гц в США, 230 В / 50 Гц в Германии, 220 В / 50 Гц в Китае.

Что такое постоянный ток (DС)?

Постоянный ток — это электрические потоки в постоянном направлении, которые обычно наблюдаются во многих устройствах малой мощности. Для светодиодов и их осветительной арматуры постоянный ток — это только надлежащая форма источника питания по сравнению с переменным током, поскольку полупроводники светодиодов пропускают электрические импульсы только в одном направлении.

 

 

Что такое светодиодный источник питания (LED драйвер)?

Драйвер светодиода выполняет функцию, аналогичную балласту для газоразрядных ламп. Он контролирует ток, протекающий через светодиод. Большинство драйверов светодиодов предназначены для подачи тока на конкретное устройство или массив. Поскольку светодиодные корпуса и массивы в настоящее время не стандартизированы, очень важно выбрать драйвер, который соответствует конкретному устройству или массиву для освещения.

Светодиоды могут приводиться в действие только постоянным током (DС) из-за принципа свечения светодиодов. Таким образом, для работы светодиодов требуется дополнительный компонент для преобразования электросети (АС) в постоянный ток, который называется источником питания светодиодов. Профессиональный источник питания для светодиодов должен не только не иметь мерцания, но и иметь функции для защиты светодиодов от перегрузки по току и других угроз.

LED драйвер, светодиоды и другие электронные компоненты используются для производства светодиодных светильников различного назначения и применения.

Как устроен светодиодный светильник?

Что такое диммер?

Диммер — это электронное устройство, которое может переключать электрические токи. Используется для настройки яркости светодиодов, которые могут быть подключены до, после или интегрированы в источник питания светодиодов.

Регулировка яркости светодиодов может осуществляться двумя способами: аналоговой и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Аналоговое регулирование яркости изменяет световой поток светодиода, просто регулируя постоянный ток в цепочке, в то время как затемнение с ШИМ достигает того же эффекта, изменяя рабочий цикл постоянного тока в цепочке, чтобы эффективно изменять средний ток в цепочке. Несмотря на привлекательную простоту, аналоговое регулирование яркости не подходит для многих приложений.

Аналоговое затемнение не подходит для многих приложений, потому что оно теряет точность затемнения примерно на 25% + только при уровнях яркости 10: 1, а также искажает цвет светодиодов. В отличие от этого, ШИМ-регулирование яркости может обеспечить коэффициент яркости 3000: 1 и выше (при 100 Гц) без какой-либо значительной потери точности и без изменения цвета светодиода.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это метод уменьшения средней мощности путем прерывания постоянного тока до дискретных импульсов. Он имеет значительное преимущество в экономии энергии по сравнению с диммерами 0-10 В. Но имеет риск вызвать заметное мерцание, если частота импульсов недостаточно высока. На практике рекомендуется частота выше 1 Гц, чтобы избежать мерцания, обнаруживаемого человеком. А частота выше 25 Гц рекомендуется для камер со скоростью 120 кадров в секунду.

С развитием светодиодной технологии для жилого и коммерческого освещения, регулировка яркости 0-10 В постоянного тока привлекает большое внимание как более эффективный способ управления светоотдачей светодиодных светильников. При повышении или понижении напряжения соответствующий диммируемый драйвер 0-10 В согласовывает световой поток прибора с увеличением или уменьшением до определенного процента. Диммирование 0-10 В постоянного тока — одно из самых простых и популярных средств управления динамическим освещением, используемое в офисах, торговых помещениях и домах.

Как работает диммирование 0-10 В?

Драйверы светодиодов, совместимые с регулировкой яркости 0-10 В, включают схему, которая выдает сигнал постоянного тока 10 В и имеет фиолетовый и серый провод. Когда два провода разомкнуты и не соприкасаются друг с другом, сигнал остается на уровне 10 В, а световой сигнал имеет выходной уровень 100%. Когда провода соприкасаются друг с другом или «закорочены» вместе, сигнал затемнения будет на 0 В, а свет на минимальном уровне затемнения, установленном водителем. Для управления изменением сигнала от 10 В до 0 В используются диммерные переключатели 0-10 В для понижения или «понижения» напряжения до более низкого уровня.

Напряжение постоянного тока обычно соответствует уровню затемнения драйвера, что означает, что если сигнал составляет 8 В, светильник имеет выходную мощность 80%. Если сигнал понижается до 0 В, свет имеет минимальный уровень затемнения.

Это метод раннего затемнения, который просто понижает ток, что приводит к затуханию света. Но приводит к дополнительному потреблению энергии и нагрузки на сеть.

 

  Каталог светильников ФОКУС

Светодиодные лампы: комфортное освещение — LampsAZ

Светодиодные лампы: комфортное освещение

Светодиод – LED (от английского  Light emitting diode) – это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, который при прохождении через него электрического тока создает оптическое излучение.  Оптическое излучение происходит под влиянием электрического тока вследствие перехода электронов из одного энергетического уровня в другой, что и сопровождается свечением. 

Светодиодные лампы получают все большее распространение в нашей жизни. Они применяются взамен привычных ламп накаливания, люминесцентных ламп.  Современные бытовые светодиодные лампы обеспечивают новый уровень комфорта в освещении. Самое главное и важное достоинство светодиодных ламп состоит в том, что они создают хорошее освещение при малых затратах электрической энергии. Светодиодное освещение сравнительно молодое направление в светотехнике, но оно быстро развивается и способствует появлению на рынке все новых видов светодиодных осветительных приборов, которые привлекают к себе внимание не только специалистов в области светотехники, но и потребителей этих приборов. Светодиодные лампы  применяют в приборах для наружного и внутреннего освещения, для основного освещения и декоративной подсветки.  Светодиодная  подсветка с применением светодиодных ламп – это  высокая эффектность, яркость и красочность. Современное  освещение  фасадов зданий, их архитектурная подсветка, ландшафтное освещение, освещение бассейнов и фонтанов – не обходится без светодиодных осветительных приборов.

 Принцип работы  светодиодных осветительных ламп основан на использовании светодиодов. Возникает вопрос: «Что такое светодиод?» Светодиод – LED (от английского  Light emitting diode) – это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, который при прохождении через него электрического тока создает оптическое излучение.  Оптическое излучение происходит под влиянием электрического тока вследствие перехода электронов из одного энергетического уровня в другой, что и сопровождается свечением. Безусловно, что яркость свечения при этом зависит от  силы электрического тока, проходящего через  электронно-дырочный переход.  Важно и то, что яркость свечения светодиода зависит и от его мощности. Так,   светодиоды, созданные по технологии SMD LED, по  мощности подразделяются на маломощные  (мощностью  до 01 Вт) и мощные светодиоды (мощность более 01 Вт). Мощные светодиодные лампы требуют охлаждения, так как вследствие  их перегрева   может  снижаться световая отдача. Выпускают светодиодные лампы с обычным цоколем Е14, Е27.  Более распространенные светодиодные лампы для дома с цоколем Е27 для вкручивания  в обычный патрон. Форма баллона светодиодной лампы может быть в виде свечи, шара, конуса, кукурузы и других форм.

Светодиодные осветительные лампы имеют  ряд преимуществ перед другими видами осветительных ламп. Их преимущества  обусловлены природой самих светодиодов.  Они имеют высокую  энергетическую эффективность, в процессе работы потребляют незначительное количество электрической энергии, то есть, светодиоды – экономичные приборы. Светодиодные лампы имеют высокий КПД (коэффициент полезного действия), 95% потребляемой электрической энергии превращается в световую энергию и всего лишь 05% — в тепловую.   Светодиодные лампы  потребляют электрической энергии в десять  раз меньше, чем лампы накаливания, в три разы меньше, чем люминесцентные лампы.   Светодиодные лампы отличаются высокой световой отдачей.  Так, например,   лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световую отдачу 15 люмен/Вт, а средняя светодиодная лампа мощностью 10 Вт имеет световую отдачу 70 люмен/Вт. Спектр излучения светодиодными лампами близок к  естественному солнечному спектру, что создает комфорт в освещении. Светодиодные лампы – это приборы, которые демонстрируют хорошее соотношение между количеством потребляемой электрической энергии и уровнем интенсивности и качества светового потока. За счет низкого напряжения питания светодиоды являются безопасными приборами.  Они имеют  небольшие габариты, отличаются компактностью и достаточно высокой механической прочностью. Осветительные приборы на светодиодах  отличаются длительным сроком службы.   Срок службы светодиодной лампы может составлять порядка 100 тысяч часов (одиннадцать лет непрерывной работы), а иногда и более.  Учитывая природу светодиодов,  можно  получить освещение разных цветов без использования фильтров. Правда, для домашнего освещения обычно используют  лампы на  белых светодиодах.

        Положительное свойство светодиодных ламп и в том, что  они имеют малое ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.  Светодиодные лампы – это безопасные приборы  и в экологическом  плане, так как не содержат в своем составе вредных веществ,  легко поддаются утилизации.  В процессе  эксплуатации они не нагреваются, что говорит об их высокой пожарной и электрической безопасности.  Они стабильно работают в сложных условиях, так как надежно защищены от  попадания пыли и проникновения влаги,  устойчивые к механическим воздействиям и вибрациям.

Осветительные лампы, созданные на основе светодиодов, имеют и некоторые недостатки:

         1.Для светодиодов характерно явление деградации (старение кристаллов во времени), что  приводит к  частичной потере яркости свечения приборов.

         2. Светодиодные лампы имеют высокую стоимость. Но, безусловно,  важно учесть, что затраты на покупку светодиодных ламп быстро окупаются за счет  значительной экономии на электрическую энергию.  К тому же, производство светодиодных ламп с каждым готом увеличивается, что приводит к снижению их стоимости и связано с совершенствованием технологии производства,  а, следовательно, и с улучшением их технических и электрических параметров.     

Светодиодные лампы – это инновационные, энергосберегающие, высокотехнологичные и долговечные источники света, которые обеспечивают высокое качество цветопередачи и стабильности светового потока, высокий уровень комфортного освещения.

Менеджеры интернет-магазина «LampsAZ» готовы предоставить Вам детальную информацию о светодиодных лампах различного назначения. 

сверхэффективных светодиодов | PhysicsCentral

Эти светоизлучающие диоды (LED) с эффективностью более 100 % излучают больше световой энергии, чем потребляют электроэнергии! 1 Помните, что нельзя получить что-то из ничего, а энергию нужно беречь. Так как же эта группа физической оптики и электроники в Массачусетском технологическом институте создает такой сверхэффективный светодиод?

Обычные источники света

Давно известно, что светодиоды могут быть гораздо более эффективными при производстве световой энергии, чем обычные лампы накаливания, галогенные лампы и компактные люминесцентные лампы.

Согласно информации, размещенной на веб-сайте Агентства по охране окружающей среды США, лампы накаливания преобразуют только около 10 % подводимой электрической энергии в энергию видимого света и около 90 % преобразуются в инфракрасное (или тепловое) излучение. Компактные люминесцентные лампы преобразуют около 20% входной электрической энергии в энергию видимого света, а оставшуюся часть — в инфракрасное излучение. Светодиоды бывают разной эффективности, но они должны преобразовывать не менее 25% входной энергии в энергию видимого света.

Рисунок 2. График, показывающий потребление энергии в зависимости от светоотдачи для различных ламп.
Изображение предоставлено Wikimedia Commons


Рис. 3. График, показывающий выходную оптическую мощность в ваттах по сравнению с входной электрической мощностью в ваттах. Пунктирная линия показывает, где достигается 100% эффективность. Здесь электрический вход равен оптическому выходу. Над пунктирной линией находится место, где эффективность превышает 100%. Изображение предоставлено: Партибан Сантанам и Раджив Дж.Рэм, группа физической оптики и электроники Массачусетского технологического института.


Рис. 4. Диаграмма с цветовой кодировкой , показывающая входную электрическую энергию (зеленый), тепловую энергию, передаваемую светодиоду от колеблющихся атомов в решетке (оранжевый), и испускаемую световую энергию (красный). Вставка над светодиодной диаграммой показывает, как электрон в диоде переходит с более низкого на более высокий энергетический уровень, поглощая входную энергию и излучая световую энергию, когда электрон возвращается на более низкий энергетический уровень. Изображение предоставлено: Партибан Сантанам и Раджив Дж.Рэм, группа физической оптики и электроники Массачусетского технологического института.

Светодиоды

созданы не только для того, чтобы излучать видимый свет. Одни работают в ультрафиолетовом диапазоне (с частотами выше, чем у синего и фиолетового света), а другие работают в инфракрасном диапазоне (с частотами меньше, чем у видимого красного света). Они являются эффективными источниками света, а это означает, что количество выходной энергии, которое считается полезным, представляет собой процент энергии, необходимой им для функционирования. Обычно КПД светодиода значительно ниже 100%, независимо от того, какой тип энергии он излучает.

Светодиод, созданный группой физической оптики и электроники Массачусетского технологического института, не излучает видимый свет. Он излучает инфракрасное излучение с длиной волны 2,5 микрометра (0,0000025 метра) и частотой 120 терагерц (120000000000000 Гц). Это то, что обычно называют ближним инфракрасным диапазоном частот, который охватывает от 0,8 микрометра до 2,5 микрометра. Его нельзя использовать в качестве источника света для чтения книги, но его можно использовать для других целей. Научные наблюдения поражают.Этот светодиод работает с небольшим количеством входной электрической энергии и излучает более чем в два раза больше энергии в инфракрасном свете! Это означает, что эффективность более 200%!

График на рис. 3 показывает зависимость выходной оптической мощности в ваттах от входной электрической мощности в ваттах. Если вы получаете ту же мощность, что и потребляете, говорят, что светодиод эффективен на 100%. Пунктирная линия показывает, где достигается 100% эффективность. Выше пунктирной линии светодиод имеет КПД более 100%.

Вы беспокоитесь об экономии энергии?

Фундаментальный закон физики гласит, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить.Энергия может только передаваться от одного объекта к другому и/или преобразовываться из одного вида энергии в другой. Для этого светодиода электрическая энергия преобразуется в энергию ближнего инфракрасного диапазона, но выходит больше световой энергии, чем вводится электрической энергии! Это не означает, что энергия не сохраняется. В этой системе происходит то, что светодиоду, полупроводниковому диоду, передается не только электрическая энергия. Ему также передается тепловая энергия путем преобразования части его тепловой энергии.Тепловая энергия — это колебание атомов, из которых состоит этот твердый полупроводник, а среднее колебание (средняя энергия движения) — это то, что мы называем температурой объекта. Твердое тело имеет кристаллическую структуру или повторяющийся рисунок, который называется решеткой, и оно имеет определенные допустимые вибрации. Эти вибрации составляют некоторую часть колебаний, и именно эта колебательная энергия решетки передается некоторым внешним электронам в материале, чтобы поднять их на набор очень близко расположенных энергетических уровней, называемых зоной.Поскольку атомы и их части меньше колеблются, светодиод остывает. Он преобразует эту тепловую энергию и электрическую энергию в энергию ближнего инфракрасного излучения. Когда энергия решетки преобразуется таким образом, говорят, что передается тепловая энергия. Это преобразование энергии решетки происходит, когда небольшое электрическое поле взаимодействует с полупроводниковым материалом (светодиодом), и энергия извлекается из колеблющихся атомов в решетке, чтобы помочь двигать электроны.

Исследователи обнаружили особый набор условий, которые позволили этому произойти.Одним из необходимых условий был нагрев полупроводникового материала. Другим условием было наличие слабого электрического поля, взаимодействующего с материалом. Когда светодиод достиг эффективности более 200%, он был первоначально нагрет до температуры 135°C (275°F).

Небольшое количество энергии, передаваемой от колеблющихся атомов в решетке и от подводимой к системе электрической энергии, поглощается атомом в светодиоде, перемещая электрон атома вверх в полосу близко расположенных энергетических уровней.Когда электрон возвращается на свой первоначальный энергетический уровень, он излучает всю энергию в виде одного большого пакета энергии электромагнитного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне с длиной волны 2,5 микрометра и частотой 120 терагерц. Энергия не создавалась. Никакая энергия не была уничтожена. Энергия просто передавалась и трансформировалась, как того требует закон сохранения энергии. Изображение энергетических уровней и того, какая энергия передается электрону и излучается, показано на рисунке 4.

Будущие исследования и применения

Хотя этот невероятно эффективный светодиод не появится над вашим кухонным столом в ближайшее время, он может найти применение.Общее количество ближнего инфракрасного излучения невелико, но если его можно будет отличить от фонового излучения на этой частоте, то его можно будет использовать в качестве инструмента в спектроскопии и/или в устройствах оптической связи (таких как оптоволоконные устройства), которые в настоящее время используют ближнее инфракрасное излучение в измерительных, сенсорных и передающих устройствах. Текущие спектроскопические устройства ближнего инфракрасного диапазона включают приложения для фармацевтических продуктов, диагностику уровня сахара и кислорода в крови, судебную экспертизу, нейровизуализацию, интерфейсы между нейронной активностью и компьютерами, неврологию, неонатальные исследования, контроль качества продуктов питания и сельского хозяйства и многие другие. 3

Справочники, ресурсы и ссылки

1. Сантанам, П., Грей младший, Д.Дж., Рэм, Р.Дж., Термоэлектрически накачиваемые светоизлучающие диоды, работающие выше единицы эффективности, Physical Review Letters, 108 , стр. 097403-1-5 (2012)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.097403

2. Агентство по охране окружающей среды США, Star Energy, Узнайте о светодиодах

3. Спектроскопия ближнего ИК-диапазона, Википедия (или погуглите «спектроскопия ближнего ИК-излучения, приложения»)

4.Монро Д. Эффективность оптического устройства превышает 100%, Physics, 27 февраля 2012 г.

5. Воган, Т., Светодиод преобразует тепло в свет, Physicsworld.com, 8 марта 2011 г.

6. Акерман, Э., Светодиоды с КПД 230%, похоже, нарушают первый закон термодинамики, Dvice, 6 марта 2012 г.

7. Грин Д., Сверхэффективный светодиод выдает больше энергии, чем потребляет, Wired UK, 9 марта 2012 г.


Х.М. Doss

Нагрев светодиодов: сколько тепла выделяют светодиоды? | Стрела.ком

Опубликовано

Лаура Хьюз

Стрела Электроникс

Лаура Хьюз — инженер-электрик с опытом работы в области светодиодного освещения и проектирования источников питания, а также известная мастерица. Она… Читать дальше

Когда дело доходит до замены или перепроектирования светильника, многие люди обращаются к светодиодам из-за их преимуществ по эффективности по сравнению с традиционными источниками.Хотя светодиоды значительно более эффективны, чем лампы накаливания, они по-прежнему выделяют тепло, которое необходимо учитывать при общей конструкции. Что тепло делает с вашими светодиодами, и что вы можете с этим поделать?

Сколько тепла выделяют светодиодные лампы?

Лампа накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 100 Вт имеет КПД около 10%, то есть она генерирует только 10 Вт световой энергии на каждые 90 Вт тепловой энергии. Эта «световая энергия» — это то, что дизайнеры должны сопоставить с другими источниками, чтобы получить эквивалентное количество света, поэтому высокоэффективные лампы могут называть себя эквивалентными 100-ваттным лампам, хотя на самом деле потребляют лишь часть этой энергии.Хотя светодиоды сами по себе могут быть очень эффективными, другие компоненты системы, такие как драйвер или линза, имеют тенденцию снижать эффективность светодиодной лампы примерно до 70%. Это невероятно экономит энергию по сравнению с лампой накаливания с эффективностью 10%, но все же означает, что около 30% энергии, потребляемой лампой, излучается в виде тепла, а не света.

 

Источник света

Входная мощность

Энергия света

Тепловая энергия

Вольфрамовая лампа

100 Вт

10 Вт

90 Вт

Светодиодная лампа

100 Вт

70 Вт

30 Вт

Светодиодная лампа

15 Вт

10.5 Вт

4,5 Вт

 

Как работают светодиоды?

Когда лампа накаливания вырабатывает тепло, это тепло повышает эффективность лампы, снижая электрическую мощность, необходимую для нагрева нити накала до точки излучения света. Светодиоды излучают свет (и тепло) на основе PN-перехода диода , эффективность которого снижается по мере поступления тепла.Прямое напряжение светодиода указывает на размер энергетической щели, которую должен достичь электрон, прежде чем он сможет поглотиться другой стороной диодного перехода и излучать свет. При подаче тепла электроны начинают двигаться на более высоком энергетическом уровне, и напряжение светодиода уменьшается. Светодиоды являются устройствами постоянного тока и (обычно) не управляются таким образом, чтобы они могли компенсировать это падение напряжения за счет увеличения тока. Светодиоды просто падают назад по своей кривой V-I и излучают меньше света по мере увеличения температуры.

 

Постоянный ток светодиода и постоянное напряжение

Большинство драйверов светодиодов  используют постоянный ток и ограничивают светодиоды, как описано выше. Кажется, что хорошим решением было бы перейти к постоянному контролю напряжения, что позволило бы светодиодам потреблять больше тока при снижении напряжения. Это работает математически, но на самом деле создает петлю положительной обратной связи в диодном переходе, которая заставляет светодиод потреблять все больше и больше тока, выделяя все больше и больше тепла, пока не сгорит.Даже если источник питания имеет ограничение по току, источники постоянного напряжения не предназначены для фактического регулирования на этом пределе и, вероятно, перестанут работать после превышения этого предела. Так или иначе, что-то в вашей системе выйдет из строя.

Термальные светодиодные бегущие и затемняющие лампы: компромисс

Компромисс между температурным разгоном и затемнением светодиодов заключается в использовании чувствительных к температуре чипов драйверов.

См. соответствующий продукт

Эти драйверы часто подключаются последовательно с каждой цепочкой светодиодов в светильнике, чтобы сбалансировать параллельные цепочки и компенсировать допустимый ток в зависимости от температуры светильника.Эти чипы будут ограничивать ток до диапазона, который считается безопасным для светодиодов, чтобы предотвратить выход из строя, а также соответствующим образом увеличивать ток, чтобы компенсировать более низкие напряжения. Хотя некоторые блоки питания утверждают, что компенсируют температуру, это полезно только в ситуации, когда температура окружающей среды колеблется. Температура, вызывающая озабоченность, обычно очень локализована для светодиодов и может должным образом регулироваться только микросхемой, которая находится на той же плате и в той же ситуации, что и сами светодиоды.

Самый простой ответ обычно состоит в том, чтобы обеспечить надлежащий теплоотвод  для платы светодиодов и не допустить, чтобы температура перехода достигла точки, при которой будет заметно затемнение светодиода.

Без точки сравнения наши глаза, как правило, не обнаруживают затемнение, пока яркость источника света не достигает 50% от исходной, поэтому для того, чтобы на обычное приложение повлиял эффект затемнения, все должно сильно нагреться. Если вы используете температурные переходы, большие медные заливки, металлические радиаторы и вентиляторы , где это необходимо, типичное повышение температуры светодиодной системы практически не должно влиять на вашу выходную мощность.Если вы заметили, что прибор затемняется, обязательно дайте ему остыть, прежде чем брать его для исследования — он будет горячим!

Теги статей

Раздел D: Энергоэффективность и второй закон термодинамики — Энергетическое образование: концепции и практика

Первый закон термодинамики гласит, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, ее можно только преобразовать из одной формы в другую.Это может означать, что мы всегда можем преобразовывать энергию в любые формы, которые нам нужны, даже не беспокоясь об использовании наших энергетических ресурсов.

Однако не вся энергия преобразуется в желаемую форму энергии (например, в свет). Хотя качество различны.  В лампе накаливания вмонтирована тонкая проволока накаливания.Когда лампочка включена, через нить накаливания проходит электрический ток, нагревая ее настолько, что она излучает свет. Тепловая энергия, производимая лампочкой, часто называется бесполезным теплом, потому что эту форму энергии трудно использовать для выполнения работы.

Энергия, которая тратится впустую, когда светит лампочка, иллюстрирует второй закон термодинамики, который гласит, что при каждом преобразовании энергии из одной формы в другую часть энергии становится недоступной для дальнейшего использования.Применительно к лампочке второй закон термодинамики гласит, что 100 единиц электрической энергии не могут быть преобразованы в 100 единиц световой энергии. Вместо 100 единиц, которые используются для генерации света, 95 необходимы для нагрева нити накала. ПРИМЕЧАНИЕ:  При разработке и использовании эффективных устройств преобразования существуют и другие факторы, такие как затраты и государственные субсидии.


Энергоэффективность

С точки зрения энергии эффективность означает, сколько данного количества энергии может быть преобразовано из одной формы в другую полезную форму.То есть, сколько энергии используется для того, что предназначено (например, для производства света), по сравнению с тем, сколько энергии теряется или «тратится впустую» в виде тепла. Формула энергоэффективности представляет собой количество полезной энергии, полученной в результате преобразования, деленное на энергию, которая пошла на преобразование (эффективность = полезная выходная энергия / потребляемая энергия). Например, эффективность большинства ламп накаливания составляет всего 5 процентов (эффективность 0,05 = f единиц исходящего света / 100 единиц потребляемой электроэнергии).

Из-за неизбежного соответствия второму закону термодинамики ни одно устройство преобразования энергии не имеет стопроцентной эффективности.Даже природные системы должны соответствовать этому закону (см. «Энергия в нашей жизни» — Раздел D. Поток энергии в экосистемах )

Большинство современных преобразователей, таких как лампочки и двигатели, неэффективны. Количество полезной энергии, полученное в результате процесса преобразования (выработка электроэнергии, освещение, отопление, движение и т. д.), значительно меньше исходного количества энергии. Фактически, из всей энергии, затрачиваемой на такие технологии, как электростанции, печи и двигатели, в среднем лишь около 16 % преобразуется в практические формы энергии или используется для создания продуктов.Куда делись остальные 84 процента? Большая часть этой энергии теряется в виде тепла в окружающую атмосферу.

Вам может быть интересно, почему улучшения не произошли, если есть так много возможностей для повышения эффективности?



Одной из причин является то, что когда впервые были изобретены лампочки и другие преобразователи, источники энергии казались обильными, и не было особого беспокойства по поводу отработанного тепла, которое они вырабатывали, до тех пор, пока их основное назначение (освещение , движение и электричество) было выполнено.Однако по мере того, как становится очевидным, что запасы энергии, в первую очередь ископаемого топлива, которые мы используем, действительно ограничены, одной из целей технологии было сделать преобразовательные устройства и системы более эффективными.

Лампочка является одним из примеров преобразователя, для которого были разработаны более эффективные альтернативы. Одна альтернатива, компактная люминесцентная лампа (КЛЛ), была представлена ​​на коммерческой основе в 1980-х годах. Вместо использования электрического тока для нагрева тонких нитей в КЛЛ используются трубки, покрытые флуоресцентными материалами (называемые люминофорами), которые излучают свет при электрическом возбуждении.Несмотря на то, что они излучают одинаковое количество света, 20-ваттная лампа CFL ощущается холоднее, чем 75-ваттная лампа накаливания. КЛЛ преобразует больше электроэнергии в свет и меньше в отработанное тепло. Типичные компактные люминесцентные лампы имеют эффективность от 55 до 70 процентов, что делает их в три-четыре раза более эффективными, чем типичные лампы накаливания с эффективностью менее 20 процентов. Другая альтернатива, светоизлучающий диод (LED), в последние годы стала более распространенной и доступной. Светодиоды объединяют токи с положительным и отрицательным зарядом для создания энергии, высвобождаемой в виде света.Светодиоды имеют эффективность от 75 до 95 процентов, что делает их в четыре-пять раз более эффективными, чем лампы накаливания. Светодиодные лампы также могут работать от 20 000 до 50 000 часов, или в пять раз дольше, чем любая сопоставимая лампочка.

Одна 20-ваттная компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) по сравнению с 75-ваттной лампой накаливания экономит около 550 кВтч электроэнергии в течение срока службы. Если электричество производится на угольной электростанции, эта экономия составляет около 500 фунтов угля.Если бы каждое домашнее хозяйство в Висконсине заменило одну 75-ваттную лампочку накаливания компактной люминесцентной лампой мощностью 20 ватт, то было бы сэкономлено достаточно электроэнергии, чтобы можно было вывести из эксплуатации угольную электростанцию ​​мощностью 500 мегаватт. Представьте, сколько сэкономит замена их всех на светодиоды!

Установка энергоэффективных лампочек — это всего лишь одно из действий, которые люди могут предпринять для повышения эффективности системы. Доступны и становятся все более доступными другие эффективные электроприборы, такие как водонагреватели, кондиционеры и холодильники.Энергосберегающие бытовые приборы легко узнать по этикетке EnergyStar ® . Выключение света и других устройств, когда они не используются, также снижает нагрузку на систему. Таким образом, люди — будь то инженеры, улучшающие устройство для преобразования энергии, или дети, выключающие свет в доме, — могут внести значительный вклад в сохранение энергии. (Взято из KEEP «Руководство по обучению энергетике» «Убывающая отдача».)

Тепло передается в окружающую среду во время всех преобразований энергии.

Примеры:

При каждом преобразовании энергии переданное тепло приводит к небольшому увеличению тепловой энергии в окружающей среде. Другими словами, эта тепловая энергия «теряется» в окружающей среде (в конечном итоге теряется в космосе!) и не может быть использована.

Второй закон термодинамики

Во время передачи энергии может показаться, что энергия уходит или уменьшается. Например, прыгающий мяч перестал прыгать, разрядился аккумулятор или в машине закончилось топливо.Энергия все еще существует, но она стала настолько рассеянной, что по существу недоступна. При горении куска дерева выделяется световая и тепловая энергия (обычно называемая теплом). Свет и тепло становятся рассеянными и менее полезными. Другой способ описать этот процесс — сказать, что энергия концентрируется в древесине (химическая энергия) и становится менее концентрированной в формах тепловой и световой энергии.

Вернемся к обезумевшему коту в комнате с загадкой. Хотя вы можете найти все части головоломки после действий кошки, вы не можете собрать головоломку полностью обратно.Некоторые куски были согнуты, другие порваны, а некоторые кот, ну, используйте свое воображение. Другими словами, хотя количество головоломки остается прежним, ее качество ухудшилось. Эта кошачья история — грубая аналогия со вторым законом термодинамики.

Следующий набор утверждений представляет собой различные способы выражения второго начала термодинамики:

Гораздо проще проиллюстрировать примеры второго начала термодинамики. Простое включение лампочки показывает, что помимо света выделяется тепло.Кроме того, попробуйте вернуть свет или тепло, чтобы выполнить дополнительную работу. Жестко, не так ли?

Рассмотрим цитату Пола и Энн Эрлих:

«Энергия наиболее удобна там, где она наиболее сконцентрирована — например, в высокоструктурированных химических связях (бензин, сахар) или при высокой температуре (пар, падающий солнечный свет [так в оригинале] ). Поскольку второй закон термодинамики говорит, что общая тенденция во всех процессах — уход от концентрации, от высокой температуры, это говорит о том, что в целом все больше и больше энергии становится все менее и менее пригодной для использования.»

Ученые и изобретатели на протяжении многих лет признавали эту тенденцию к «потере» энергии и стремились преодолеть ее. Они всегда терпели неудачу. Обычная попытка изобретения противостоять законам термодинамики называется вечным двигателем. Идея этой машины заключается в том, что движение машины обеспечивает энергию для продолжения движения машины. (А?) Другими словами, как только машина начинает работать, дополнительная энергия не требуется (машина обеспечивает свою собственную энергию).Думаешь, это сработает? Следующий раздел, Энергетических правил! В разделе E. Действия и эксперименты  будет рассмотрен вечный двигатель.

Заключительные мысли о правилах использования энергии


Энергию часто называют валютой жизни. Он протекает через земные процессы, создавая ветер, обеспечивая свет и позволяя растениям создавать пищу из воды и воздуха (углекислого газа). Люди воспользовались этим потоком для выработки электроэнергии, топлива для автомобилей и обогрева домов.Солнце обеспечивает Землю большей частью своей энергии. Учащимся важно распознать и оценить этот источник энергии и исследовать преобразования, которые приносят солнечный свет в их дома в виде света, тепла, пищи и топлива. Нам повезло, что у нас есть много «концентрированных» источников энергии. Помимо солнца, химическая энергия содержится в ископаемом топливе, таком как уголь и нефть, а также в ядерных ресурсах.

Хотя количество энергии в нашем мире остается постоянным, по мере того, как мы ее используем (переводим из одной формы в другую), она становится рассредоточенной и менее полезной.Энергия также дает нам возможность работать. Благодаря образованию и пониманию того, что такое энергия и как мы ее используем, мы можем научиться (т. е. работать) более разумно использовать наши концентрированные ресурсы и обеспечить их доступность для будущих поколений.

светодиодов повышают эффективность

Прибыльность тепличного бизнеса заключается в максимальном повышении эффективности и сокращении отходов. Одним из способов достижения этих целей является отделение освещения от отопления.Проще говоря, электричество, используемое для питания ДНаТ и светодиодных ламп в теплице, преобразуется в тепло и свет, затем растения улавливают фотонную энергию для преобразования CO2 в пригодную для использования биомассу посредством фотосинтеза. Светодиодная технология просто более эффективна в этом процессе преобразования и позволяет лучше контролировать окружающую среду.

Ключом к снижению общего энергопотребления является переход на светодиодные системы или внедрение гибридной стратегии освещения LED/HPS. Поскольку светодиоды выделяют меньше побочного тепла, такая повышенная эффективность освещения вызывает необходимость повышения температуры окружающего воздуха.Хотя светодиодная модернизация может увеличить затраты на отопление, это компенсируется круглогодичным приростом производства, превосходным контролем окружающей среды и более низким общим потреблением энергии. Светодиоды представляют собой важный переход для производителей, которые хотят экономить энергию и поддерживать стабильное производство и качество.

Отделение отопления от освещения за счет использования двух специализированных систем (светодиодное освещение и отопление HVAC) обеспечивает больший контроль над окружающей средой по сравнению с устаревшими системами HPS, снижает тепловые потери и минимизирует затраты.Светодиоды позволяют фермерам поддерживать более оптимизированную и стабильную среду выращивания, что повышает как урожайность, так и качество урожая. Например, в теплое время года, когда окружающее освещение слабое, а температура уже высокая, производитель ДНаТ не может добавить больше света, не перегревая культуры. В ответ системы HPS часто требуют циклов вентиляции, что приводит к трате драгоценного CO2 и созданию субоптимальной и непостоянной среды для выращивания с резкими перепадами температуры и влажности. Эта очень изменчивая среда является стрессовой для растений и расточительной для производителей.Но со светодиодами у фермеров есть более прохладные варианты дополнительного освещения, которые могут противостоять этим условиям и создавать стабильную среду круглый год. По сравнению с автономной системой отопления, обогрев теплицы с помощью освещения (например, HPS) часто в 2-5 раз дороже в пересчете на $/BTU.

Сокращение потерь тепла и энергии побочными продуктами с помощью Fluence

Лучшее понимание преимуществ и недостатков побочного тепла в вашей теплице имеет решающее значение, но поиск подходящих продуктов может оказаться самой сложной частью процесса.

Если вы ищете эффективные системы светодиодного освещения в своей теплице, свяжитесь с нами, чтобы ознакомиться с нашей продукцией, провести оценку дизайна освещения и узнать, как мы можем помочь вам решить ваши уникальные цели и задачи выращивания.

Эффективность лампочки | Центр нанотехнологий

Выбор эффективных ламп накаливания — это простой способ сэкономить электроэнергию. В этом упражнении используйте свои чувства, чтобы сравнить эффективность различных лампочек. Почувствуйте тепло, выделяемое лампами накаливания, компактными люминесцентными и светодиодными лампами.См. компоненты, которые производят свет в каждом типе лампы. Затем послушайте звуки макромасштабных моделей, которые представляют тепловые и световые столкновения электронов в каждом типе лампочек — какая из них самая тихая и эффективная?

ЦЕЛЬ:

Посетители поймут, почему лампы накаливания, люминесцентные лампы и светодиоды работают с разным КПД.

МАТЕРИАЛЫ:

  • Лампочка с цилиндрическими плафонами.
  • Лоток для модели лампы накаливания с металлическим шариком
  • Лоток для модели люминесцентной лампы с металлическим шаром •
  • Лоток модель светодиода (LED) с металлическим шариком

ПРОЦЕДУРА:

Настройка:

  1. Вставьте ленту с лампочками и разложите модели подносов. Держите выключатель выключенным, пока посетители не подойдут.

Демонстрация:

  1. Включите ленту с лампочками и попросите посетителей провести рукой над каждым цилиндром, чтобы почувствовать разницу в тепле, выделяемом каждым из них.(Не позволяйте посетителям прикасаться к лампочкам.) Лампа накаливания нагревается, люминесцентная лампа нагревается, а светодиод остается холодным на ощупь. Объясните, что энергия, выделяемая в виде тепла, является потраченной впустую энергией. Выключите полосу лампочки.
  2. Снимите цилиндры. (Опять же предупредите посетителей, чтобы они не прикасались к лампочкам, поскольку лампа накаливания может быть горячей.) Попросите посетителей посмотреть на разные лампочки и спросите их, узнают ли они каждый тип ламп.
  3. Объясните, что «эффективность» лампочки — это мера того, сколько световой энергии выходит из лампочки по сравнению с количеством электричества (электрической энергии), которое было введено.Лампа со 100% КПД преобразует все электричество в свет и вообще не производит тепла. Попросите посетителей ранжировать лампочки от самых эффективных до наименее эффективных. Объясните, что КПД светодиода составляет 90 %, компактной люминесцентной лампы — 85 %, а лампы накаливания — всего 10 %.
  4. Принесите модели лотков, чтобы продемонстрировать, почему эффективность каждого из них различна. Металлический шар представляет собой электроны в каждом виде лампочек. Объясните, что электроны сталкиваются с другими частицами, и каждое столкновение производит либо свет, либо тепло.Колышки в модели представляют эти другие частицы. Столкновения, которые производят звук, представляют собой потраченную впустую тепловую энергию, а бесшумные столкновения представляют собой производство света.
  5. Попросите посетителей понаблюдать за типами бусин в каждом подносе, затем встряхнуть и послушать, какой из подносов производит больше звука. Попросите их расположить подносы от самого громкого до самого тихого, а затем спросите их, какой поднос представляет какой тип лампочки. Самый громкий лоток представляет собой самую неэффективную лампу накаливания, а тихий лоток представляет собой самый эффективный светодиод.

Очистка:

  1. Убедитесь, что в каждом лотке есть металлический шарик. Вернуть расходные материалы на хранение.

ОБЪЯСНЕНИЕ:

Каждая из трех лампочек на дисплее имеет световой поток 400 люмен, но требует разной мощности. Лампа накаливания потребляет 60 Вт, люминесцентная лампа — 7 Вт, а светодиодная лампа — 6,5 Вт.

Когда лампа накаливания подключается к источнику питания, электрический ток проходит через металлическую нить (обычно вольфрамовую), нагревая ее до тех пор, пока нить не станет настолько горячей, что начнет светиться.Когда электроны движутся, они сталкиваются с металлическими атомами нити. Энергия каждого столкновения заставляет атомы вибрировать и нагревать их, в результате чего возникает свет. Только 10% энергии, потребляемой лампой накаливания, преобразуется в свет; остальные 90% теряются в виде тепла. Модель подноса представляет столкновения между электронами и атомами нити.

В люминесцентной лампе электрический ток проходит не через нить накала, а через стеклянную трубку, заполненную газообразной ртутью и покрытую изнутри люминофором.Когда электроны сталкиваются с атомами ртути, атомы ртути возбуждаются, излучая невидимый ультрафиолетовый свет. Затем люминофорное покрытие поглощает энергию ультрафиолетового света и флуоресцирует или превращает невидимый свет в видимый. В люминесцентных лампах свет создается смещенными электронами высокой энергии, которые образуются при подаче электрического тока на газообразную ртуть; тепло создается как побочный продукт этих энергичных электронов. Около 85% энергии, потребляемой люминесцентной лампой, преобразуется в свет.Модель подноса представляет столкновения между электронами и атомами ртути.

Светодиодная лампа содержит несколько различных светоизлучающих диодов, каждый из которых излучает свет от полупроводниковой микросхемы с отрицательно заряженными и положительно заряженными клеммами. Когда электроны движутся от отрицательного к положительному, они сталкиваются с положительно заряженными частицами («дырками») и падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень. Капля высвобождает энергию в виде света.

Поскольку светодиоды используют электричество более эффективно, чем два других типа ламп (они преобразуют около 90% его в свет), им требуется гораздо меньше энергии для производства того же количества света, что и лампам накаливания или люминесцентным лампам.Модель подноса представляет столкновения между электронами и дырками. Поскольку тип столкновения различается для каждого типа лампочек, попытка их сравнения может показаться сравнением яблок и апельсинов. Самый простой способ подумать о сравнении — это предположить, что независимо от того, какая лампочка, есть электроны, участвующие в столкновениях, которые производят свет или тепло. Грубо говоря, отношение световых столкновений к тепловыделяющим столкновениям в каждой лампочке объясняет ее эффективность.

ЧТО МОЖЕТ ПОЙТИ НЕ ТАК?

Посетители могли прикоснуться к горячим лампочкам и обжечься.Лампы также могут быть разбиты с образованием острых осколков и возможных опасных отходов (для компактных люминесцентных ламп).

ОБЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ:

Лампы накаливания (особенно лампы накаливания) могут нуждаться в замене.

Преобразование энергетических форм — наука 4-го класса

Если вы считаете, что контент, доступный с помощью Веб-сайта (как это определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или более ваших авторских прав, пожалуйста, сообщите нам, предоставив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному агенту, указанному ниже.Если университетские наставники примут меры в ответ на ан Уведомление о нарушении, он предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, предоставившей такой контент средства самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении может быть направлено стороне, предоставившей контент, или третьим лицам, таким как так как ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатов), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или деятельность нарушают ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что содержимое находится на Веб-сайте или на который ссылается Веб-сайт, нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к адвокату.

Чтобы подать уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись владельца авторских прав или лица, уполномоченного действовать от его имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробно, чтобы преподаватели университета могли найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылку на конкретный вопрос (а не только название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Заявление от вас: (а) что вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права не разрешены законом или владельцем авторских прав или его агентом; б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы либо владельцем авторских прав, либо лицом, уполномоченным действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему назначенному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
Сент-Луис, Миссури 63105

Или заполните форму ниже:

 

Направляющая радиатора для светодиодного светильника

Как светодиодные светильники снижают тепловыделение?

В нормальных условиях существует три пути передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.Теплопроводность означает, что тепло между объектами, находящимися в непосредственном контакте, передается от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Конвекционная передача тепла использует поток жидкости, в то время как излучение не требует никакой среды, а нагревательный объект отдает тепло непосредственно в окружающее пространство.

На практике основной мерой рассеивания тепла мощных светодиодных осветительных приборов является использование радиатора. Радиатор передает тепло чипа радиатору через точный контакт с поверхностью чипа.Радиатор обычно представляет собой теплопроводник с множеством ребер. Его полностью вытянутая поверхность значительно увеличивает тепловое излучение, а циркулирующий воздух также может забирать больше тепловой энергии.


Подобно самому основному закону Ома в расчете цепи, расчет рассеивания тепла имеет основную формулу

разница температур = тепловое сопротивление * потребляемая мощность

В случае радиатора сопротивление тепловыделения между радиатором и окружающим воздухом становится тепловым сопротивлением, а величина теплового потока между радиатором и пространством представлена ​​энергопотреблением чипа.Таким образом, из-за теплового сопротивления, когда тепловой поток течет от радиатора к воздуху, между радиатором и воздухом создается определенная разница температур, точно так же, как ток, протекающий через сопротивление, генерирует напряжение. Точно так же будет определенное тепловое сопротивление между радиатором и поверхностью чипа. Единицей теплового сопротивления является °C/Вт. При выборе радиатора, помимо механических размеров, наиболее важным параметром является тепловое сопротивление радиатора.Чем меньше тепловое сопротивление, тем сильнее способность радиатора рассеивать тепло.

Ниже приведен пример расчета теплового сопротивления в схемотехнике:

Требования к дизайну:

Мощность чипа 18,4 Вт

Максимальная температура поверхности чипа не может превышать 85 °С

Температура окружающей среды (максимальная) 45°C

Тепловое сопротивление между радиатором и чипом равно 0.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.