Projekt FONAREVKA.RU se specializuje na poskytování všech potřebných informací o LED svítilnách, napájecích zdrojích, nabíječkách a osvětlovacích zařízeních, včetně: osvětlení místností (LED lampy, lampy, LED panely atd.) a vnitřního osvětlení (LED pásky atd.) ; základní pouliční osvětlení a osvětlení krajiny; externí osvětlovací zařízení pro automobily a motocykly, včetně doplňkové optiky pro Off-Road. Zvláštní pozornost je věnována laserům a laserové technologii.
1. Co je to LED?
LED je polovodičové zařízení, které přeměňuje elektrický proud přímo na světlo. V angličtině se LED nazývá light emitting diode, neboli LED.
2. Z čeho se skládá LED?
Z polovodičového krystalu na substrátu, pouzdra s kontaktními vývody a optické soustavy. Moderní LED diody se jen málo podobají prvnímu případu LED diod používaným pro indikaci.
3. Jak LED dioda funguje?
Luminiscence nastává při rekombinaci elektronů a děr v oblasti pn přechodu. Nejprve tedy potřebujete pn-přechod, tedy kontakt dvou polovodičů s různými typy vodivosti. K tomu jsou vrstvy polovodičového krystalu v blízkém kontaktu dopovány různými nečistotami: akceptorem na jedné straně a donorem na straně druhé. Ale ne každý pn přechod vyzařuje světlo. Proč? Za prvé, mezera v pásmu v aktivní oblasti LED by měla být blízká energii světelných kvant ve viditelné oblasti. Za druhé, pravděpodobnost emise při rekombinaci párů elektron-díra musí být vysoká, pro kterou musí polovodičový krystal obsahovat málo defektů, díky nimž dochází k rekombinaci bez záření. Tyto podmínky si do určité míry odporují. Ve skutečnosti ke splnění obou podmínek jeden p-n přechod v krystalu nestačí a je třeba vyrobit vícevrstvé polovodičové struktury, takzvané heterostruktury, za jejichž studium dostal ruský fyzik akademik Zhores Alferov v roce 2000 Nobelovu cenu. Cena.
4. Znamená to, že čím více proudu prochází LED, tím jasněji svítí?
Samozřejmě ano. Koneckonců, čím větší proud, tím více elektronů a děr vstoupí do rekombinační zóny za jednotku času. Proud ale nelze zvyšovat donekonečna. Vlivem vnitřního odporu polovodiče a pn přechodu se dioda přehřeje a selže.
5. Co je na LED dobré?
V LED, na rozdíl od žárovky nebo zářivky, se elektrický proud přeměňuje přímo na světelné záření a teoreticky to lze provést téměř bez ztrát. LED dioda (se správným odvodem tepla) se skutečně trochu zahřívá, což ji činí nepostradatelnou pro některé aplikace. Dále LED vyzařuje v úzké části spektra, její barva je jasná, což ocení zejména designéři, většinou chybí UV a IR záření. LED je mechanicky pevná a výjimečně spolehlivá, s životností až 100 100 hodin, což je téměř 5krát delší než u klasické žárovky a 10 až XNUMXkrát delší než u zářivky. A konečně, LED je nízkonapěťové elektrické zařízení, a proto bezpečné.
6. Proč je LED špatná?
Jediná věc – cena. Cena jednoho lumenu emitovaného LED je zatím 100x vyšší než cena halogenové žárovky. Odborníci však říkají, že v příštích 2–3 letech se toto číslo sníží 10krát.
7. Kdy se LED začaly používat pro osvětlení?
Zpočátku se LED používaly výhradně pro indikaci. Aby byly vhodné pro svícení, bylo nejprve nutné naučit se vyrábět bílé LED diody a také zvýšit jejich jas, respektive světelný výkon, tedy poměr světelného toku ke spotřebované energii. V 60. a 70. letech vznikly LED na bázi fosfidu a arsenidu galia, vyzařující ve žlutozelené, žluté a červené oblasti spektra. Používaly se ve světelných ukazatelích, výsledkových tabulích, palubních deskách automobilů a letadel, reklamních obrazovkách a různých informačních vizualizačních systémech. Pokud jde o světelný výkon, LED předběhly klasické žárovky. V odolnosti, spolehlivosti, bezpečnosti je také předčily. Jedna byla špatná – nebyly tam modré, modrozelené a bílé LED.
8. Co určuje barvu LED?
Výhradně na zakázaném pásmu, ve kterém se rekombinují elektrony a díry, tedy na polovodičovém materiálu a na dopantech. Čím „modřejší“ LED, tím vyšší je energie fotonů, což znamená, že tím větší by měla být mezera v pásmu.
9. Jaké potíže museli vědci překonat, aby vyrobili modrou LED?
Modré LED mohou být vyrobeny na bázi polovodičů s velkou šířkou pásma – karbid křemíku, sloučeniny prvků skupiny II a IV, nebo nitridy prvků skupiny III. (Pamatujete na periodickou tabulku?) Ukázalo se, že LED založené na SiC mají příliš nízkou účinnost a nízký kvantový výtěžek záření (tedy počet emitovaných fotonů na rekombinovaný pár). LEDky na bázi pevných roztoků selenidu zinečnatého ZnSe měly vyšší kvantový výtěžek, ale díky vysokému odporu se přehřívaly a dlouho nevydržely. Byla tu naděje pro nitridy. Gallium nitrid GaN taje při 2000 °C, zatímco rovnovážný tlak par dusíku je 40 atmosfér; je jasné, že vypěstovat takové krystaly není snadné. Podobné sloučeniny – nitrily hliníku a india – jsou také polovodiče. Jejich sloučeniny tvoří ternární pevné roztoky s zakázaným pásem v závislosti na složení, které lze zvolit tak, aby generovalo světlo požadované vlnové délky, včetně modré. Ale. Problém se nepodařilo vyřešit až do konce 80. let. V 70. letech získal profesor Jacques Pankov (Yakov Isaevich Panchechnikov) z IBM (USA) první modrou LED diodu založenou na filmech nitridu galia na safírovém substrátu. Kvantový výtěžek byl dostatečný pro praktické aplikace, ale vedení řeklo: “No, je to na safíru – drahé a ne tak jasné, kromě toho, spojení pn není dobré. “- a Pankova práce nebyla podporována. Mezitím skupina Saparina a Čukičeva z Moskevské státní univerzity objevila, že GaN dopovaný zinkem se působením elektronového paprsku stává jasným fosforem, a dokonce si nechala patentovat optické paměťové zařízení. Pak se ale záhadný jev nepodařilo vysvětlit. Udělali to Japonci – profesor I. Akasaki a Dr. X. Amano z Nagojské univerzity. Ošetřením hořčíkem dopovaného GaN filmu skenovacím elektronovým paprskem získali jasnou luminiscenční vrstvu typu p s vysokou koncentrací otvorů. Vývojáři LED však svým publikacím nevěnovali náležitou pozornost. Teprve v roce 1989 byl doktor Sh. Nakamura z Nichia Chemical Company, který studoval filmy nitridů prvků skupiny III, schopen použít výsledky profesora Akasakiho. Zvolil doping (Mg, Zn) a tepelné zpracování takovým způsobem, kterým nahradil elektronové skenování, aby byl schopen získat efektivně injektované vrstvy typu p v heterostrukturách GaN. Takto byla získána modrá LED. Nichia patentovala klíčové fáze technologie a do konce roku 1997 již vyráběla 10 až 20 milionů modrých a zelených LED měsíčně a v lednu 1998 začala vyrábět bílé LED.
10. Jaký je kvantový výnos LED?
Kvantový výtěžek je počet emitovaných světelných kvant na rekombinovaný pár elektron-díra. Existují vnitřní a vnější kvantové výtěžky Vnitřní – v samotném pn-přechodu, vnější – pro zařízení jako celek (koneckonců, světlo se může ztrácet „po cestě“ – absorbovat, rozptylovat). Vnitřní kvantová účinnost pro dobré krystaly s dobrým odvodem tepla dosahuje téměř 100 %, externí záznam kvantové účinnosti pro červené LED je 55 % a pro modré – 35 %. Externí kvantová účinnost je jednou z hlavních charakteristik účinnosti LED.
11. Jak získat bílé světlo pomocí LED?
Existují tři způsoby, jak vyrobit bílé světlo z LED. Prvním je míchání barev pomocí technologie RGB. Červené, modré a zelené LED diody jsou hustě umístěny na jedné matrici, jejíž záření se mísí pomocí optické soustavy, např. čočky. Výsledkem je bílé světlo. Druhý způsob spočívá v tom, že se na povrch LED diody vyzařující v ultrafialovém rozsahu (nějaké jsou) nanesou tři fosfory, které vyzařují modré, zelené a červené světlo. Je to podobné, jako když svítí zářivka. Nakonec se ve třetím způsobu nanese žlutozelený nebo zelený plus červený fosfor na diodu s modrým světlem, takže se dvě nebo tři záření smíchají a vytvoří bílé nebo téměř bílé světlo.
12. Která ze tří metod je lepší?
Každá metoda má své výhody a nevýhody. Technologie RGB v principu umožňuje nejen získat bílou barvu, ale také se pohybovat po barevném diagramu, když se proud mění prostřednictvím různých LED. Tento proces lze řídit ručně nebo pomocí softwaru a lze získat různé teploty barev. Proto jsou matice RGB široce používány v dynamických osvětlovacích systémech. Velký počet LED v matrici navíc poskytuje vysoký celkový světelný tok a vysokou axiální svítivost. Světelný bod má ale vlivem aberací optické soustavy jinou barvu ve středu a na okrajích a hlavně kvůli nerovnoměrnému odvodu tepla z okrajů matrice a z jejího středu se LEDky různě zahřívají a v souladu s tím se jejich barva během procesu stárnutí mění jinak, celková teplota barvy a barva během používání „plavou“. Tento nepříjemný jev je poměrně obtížné a nákladné kompenzovat. Bílé LED s fosforem jsou výrazně levnější než RGB LED matrice (přepočteno na jednotku světelného toku) a poskytují dobrou bílou barvu. A pro ně v zásadě není problém dostat se k bodu se souřadnicemi (0.33, 0.33) na barevném diagramu CIE. Nevýhody jsou následující: za prvé mají menší světelný výkon než RGB matrice díky přeměně světla ve fosforové vrstvě; za druhé je poměrně obtížné přesně řídit rovnoměrnost nanášení fosforu v technologickém procesu a následně i teplotu barvy; a konečně za třetí, fosfor také stárne a rychleji než samotná LED. Průmysl vyrábí jak LED diody s fosforem, tak RGB matrice – mají různé oblasti použití.
13. Jaké jsou elektrické a optické vlastnosti LED?
LED je nízkonapěťové zařízení. Běžná LED používaná pro indikaci spotřebovává 2 až 4 V DC při proudu až 50 mA. LED, která se používá pro osvětlení, odebírá stejné napětí, ale vyšší proud – od několika stovek mA do 1A v projektu. V modulu LED lze jednotlivé LED zapojit do série a celkové napětí je vyšší (obvykle 12 nebo 24 V). Při připojování LED je nutné dodržet polaritu, jinak může dojít k poruše zařízení. Průrazné napětí je specifikováno výrobcem a je typicky přes 5V pro jednu LED. Jas LED je charakterizován světelným tokem a axiální svítivostí a také směrovým vzorem. Stávající LED diody různých provedení vyzařují v prostorovém úhlu od 4 do 140 stupňů. Barva je jako obvykle určena souřadnicemi chromatičnosti a teplotou barvy a také vlnovou délkou záření. Pro srovnání účinnosti LED mezi sebou a s jinými světelnými zdroji se používá světelný výkon: množství světelného toku na watt elektrické energie. Zajímavou marketingovou charakteristikou je také cena jednoho lumenu.
14. Jak LED dioda reaguje na zvýšení teploty?
Když už mluvíme o teplotě LED, je nutné rozlišovat mezi teplotou na povrchu krystalu a v oblasti pn-přechodu. Na prvním závisí životnost, na druhém světelný výkon. Obecně platí, že s rostoucí teplotou pn přechodu jas LED klesá, protože vnitřní kvantový výtěžek klesá vlivem vibrací krystalové mřížky. To je důvod, proč je dobrý odvod tepla tak důležitý. Pokles jasu s rostoucí teplotou není stejný u LED různých barev. Je větší pro AlGalnP a AeGaAs LED, tedy pro červenou a žlutou, a menší pro InGaN, tedy pro zelenou, modrou a bílou.
15. Proč je nutné stabilizovat proud přes LED?
Jak je vidět z obrázku, v provozních podmínkách závisí proud exponenciálně na napětí a malé změny napětí vedou k velkým změnám proudu. Protože světelný výkon je přímo úměrný proudu, jas LED je také nestabilní. Proto musí být proud stabilizován. Navíc, pokud proud překročí povolenou mez, pak přehřátí LED může vést k jejímu zrychlenému stárnutí.
16. Proč LED dioda vyžaduje převodník?
Převodník (v anglické terminologii driver) je pro LED to, co je předřadník pro lampu. Stabilizuje proud protékající LED.
17. Lze upravit jas LED?
Jas LED je velmi dobře nastavitelný, ale ne snížením napájecího napětí – to prostě nejde – ale metodou tzv. pulzně-šířkové modulace (PWM), která vyžaduje speciální řídicí jednotku (ve skutečnosti ta lze kombinovat s napájecím zdrojem a převodníkem a také s RGB maticovým ovladačem barev). Metoda PWM spočívá v tom, že do LED není přiváděn konstantní, ale pulzně modulovaný proud a frekvence signálu by měla být stovky nebo tisíce hertzů a šířka pulzů a pauz mezi nimi se může měnit. Průměrný jas LED diody lze ovládat, zatímco LED nezhasne. Mírná změna barevné teploty LED během stmívání je nesrovnatelná s tou u žárovky.
18. Co určuje životnost LED?
LED diody jsou považovány za mimořádně odolné. Ale není tomu tak. Čím více proudu projde LED diodou během její životnosti, tím vyšší je její teplota a tím rychleji dochází ke stárnutí. Životnost vysoce výkonných LED je proto kratší než životnost signálních LED s nízkým výkonem a v současnosti je 20-50 tisíc hodin. Stárnutí se projevuje především poklesem jasu. Když se jas sníží o 30 % nebo o polovinu, je nutné vyměnit LED.
19. Zhoršuje se barva LED v průběhu času?
Stárnutí LED je spojeno nejen s poklesem jeho jasu, ale také se změnou barvy. V současné době neexistují žádné standardy, které by kvantifikovaly změnu barvy LED během stárnutí a porovnávaly s jinými zdroji.
20. Je LED škodlivá pro lidské oko?
Spektrum vyzařování LED se blíží monochromatickému, což je jeho zásadní rozdíl od spektra slunce nebo žárovky. Zda je to dobře nebo špatně, není s jistotou známo, protože pokud vím, seriózní výzkum v této oblasti nebyl nikde proveden. Neexistují žádné údaje o škodlivých účincích LED na lidské oko.
21. Jaké technologie dnes existují pro výrobu LED a LED modulů?
Pokud jde o pěstování krystalů, hlavní technologií je organokovová epitaxe. Tento proces vyžaduje vysoce čisté plyny. Moderní instalace zajišťují automatizaci a řízení složení plynů, jejich oddělených toků, přesné řízení teploty plynů a substrátů. Tloušťky narostlých vrstev se měří a kontrolují v rozsahu od desítek angstromů do několika mikronů. Různé vrstvy musí být dopovány nečistotami, donory nebo akceptory, aby se vytvořil pn přechod s vysokou koncentrací elektronů v oblasti n a otvory v oblasti p. V jednom procesu, který trvá několik hodin, je možné pěstovat struktury na 6–12 substrátech o průměru 50–75 mm. Je velmi důležité zajistit a kontrolovat homogenitu struktur na povrchu podkladů. Náklady na zařízení pro epitaxní růst polovodičových nitridů, vyvinutá v Evropě (Aixtron a Thomas Swan) a USA (Emcore), dosahují 1,5-2 milionů dolarů. Zkušenosti různých firem ukázaly, že na takové instalaci je možné se naučit získat konkurenceschopné konstrukce s potřebnými parametry během jednoho až tří let. Jedná se o technologii, která vyžaduje vysokou kulturu. Důležitou fází technologie je plošné zpracování filmů: jejich leptání, vytváření kontaktů na n- a p-vrstvy a potahování kovovými filmy pro kontaktní vývody. Film vyrostlý na jediném substrátu lze rozřezat na několik tisíc čipů o velikosti od 0,24×0,24 do 1×1 mm2. Dalším krokem je vytvoření LED z těchto čipů. Krystal je nutné osadit do pouzdra, zhotovit kontaktní vývody, zhotovit optické povlaky, které zesvětlí povrch pro výstup záření nebo jej odrážejí. Pokud se jedná o diodu s bílým světlem, pak je třeba rovnoměrně nanést fosfor. Je potřeba zajistit odvod tepla z krystalu a pouzdra, vyrobit plastovou kopuli, která soustředí záření do požadovaného prostorového úhlu. Přibližně polovina nákladů na LED je určena těmito kroky špičkové technologie. Potřeba zvýšit výkon pro zvýšení světelného toku vedla k tomu, že tradiční forma balení LED přestala výrobcům vyhovovat kvůli nedostatečnému odvodu tepla. Čip bylo nutné přiblížit co nejblíže k teplovodivé ploše. Tradiční technologie a poněkud pokročilejší technologie SMD (detaily povrchové montáže) jsou v tomto ohledu nahrazovány nejpokročilejší technologií chip on board. LED vyrobená technologií SOW je schematicky znázorněna na obrázku. LED diody vyrobené technologií SMD a COB se montují (nalepují) přímo na společný substrát, který může fungovat jako zářič – v tomto případě je vyroben z kovu. Tak vznikají LED moduly, které mohou mít lineární, obdélníkový nebo kulatý tvar, být tuhé nebo flexibilní, zkrátka navržené tak, aby uspokojily jakýkoli rozmar designéra. Objevují se také LED žárovky se stejnou paticí jako nízkonapěťové halogenové žárovky, které je nahrazují. A pro výkonné lampy a reflektory jsou sestavy LED vyrobeny na kulatém masivním radiátoru. Dříve bylo v sestavách LED hodně LED.
22. Kde je dnes vhodné používat LED?
LED se používají téměř ve všech oblastech osvětlovací techniky s výjimkou osvětlovacích výrobních prostorů a i tam je lze použít v nouzovém osvětlení. LED jsou nepostradatelné v designovém osvětlení díky své čisté barvě, stejně jako v dynamických osvětlovacích systémech. Je výhodné je použít tam, kde je častá údržba nákladná, kde je potřeba razantně šetřit energií a kde jsou vysoké požadavky na elektrickou bezpečnost.
