Контакты
Главная / Светильники

Вольтаж светодиодных ламп. Температурный режим белых светодиодов

В Интернете по разным сайтам гуляет «конспирологическая» версия, что срок службы обычной лампы накаливания якобы специально ограничен значением 1000 часов из-за состоявшегося в 20-х годах прошлого века картельного сговора крупнейших производителей ламп. Конечно, любой специалист вам объяснит, что «лампочка Ильича» имеет такой срок службы из-за принципа работы и никто этот срок специально не ограничивает. И, все-таки, своих сторонников такая «теория заговора» имеет. Они, наверное, придут в ужас, узнав, сколь долгую жизнь обещают своим детищам производители светодиодных светильников. Небольшие малоизвестные фирмы без лишних реверансов указывают время службы светильника 100000 часов. Компании посолиднее ограничиваются более скромными цифрами - всего 35000 часов. Можно ли верить этим данным?

Обычно под сроком службы понимают время, которое устройство работает до момента выхода из строя. Причем момент выхода из строя – это не обязательно полная неработоспособность, а падение характеристик ниже определенного уровня. При оценке срока службы светодиодов момент выхода их из строя определяется как снижение светового потока ниже определенного процента от номинального значения. И здесь уже начинаются разночтения между разными фирмами. Одни производители считают таким порогом снижение светового потока на 30% от номинального значения, другие – на 50%. Указанные данные, как правило, не сообщаются в рекламных материалах, да и в документации к светильникам зачастую тоже, что не позволяет покупателю сделать правильный выбор.

Мастера экстраполяции

Даже если ситуация с порогом снижения светового потока ясна, это еще не значит, что вы получили достоверную информацию о продолжительности работы светодиодов. Наиболее распространенное значение срока службы, которое указывается в рекламных материалах - 50000 часов, т.е. 5 лет и 8 месяцев. Естественно, никто столь долго новый тип светодиода испытывать не будет. События на светодиодном рынке развиваются так быстро, что за указанное время светодиод уже снимут с производства и вместо него запустят новый тип. Поэтому проводят испытания светодиода, наблюдают за процессами его старения в экстремальных условиях (сила тока и температура кристалла находятся на пределе допустимых значений) в течение относительно короткого промежутка времени, а потом экстраполируют зависимость на больший промежуток времени уже для нормальных условий эксплуатации.

Зная ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен кристалл, а также интенсивность отказов при повышенной температуре, можно определить интенсивность отказов при нормальной температуре, используя модель Аррхениуса. Средняя наработка на отказ является величиной, обратной интенсивности отказов.

График зависимости срока службы от температуры для различных типов светодиодов производства компании Seoul Semiconductor, полученный путем экстраполяции результатов испытаний при повышенной температуре

Единого международного стандарта, который бы описывал тестирование светодиодов в экстремальных условиях с последующей экстраполяцией результатов, не существует. Тем не менее, в США есть организация JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council - объединенный инженерный совет по электронным устройствам), разрабатывающая стандарты JESD. Некоторые производители светодиодов, например, Cree, пользуются стандартом JESD22 для тестирования светодиодов (см. таблицу). Светодиоды испытываются при максимально допустимом токе, продолжительность указанных тестов составляет 1008 часов (42 суток). Критериями выхода светодиода из строя во всех приведенных в таблице испытаниях являются: изменение напряжения смещения более чем на 200 мВ, снижение светового потока более чем на 15%, короткое замыкание, разрыв цепи. Если наблюдается хотя бы одно из указанных явлений, светодиод считается вышедшим из строя.

Некоторые тесты, используемые компанией Сree для определения надежности светодиодов

Вид теста Стандарт Параметры окружающей среды Подача тока
работа при комнатной температуре JESD22, метод A108-C температура +45 С постоянно
работа при повышенной температуре JESD22, метод A108-C температура +85 С постоянно
работа в условиях повышенной температуры и повышенной влажности собственная методика температура +60 С, относительная влажность 90% чередование: 1 час подается, 1 час не подается
работа при пониженной температуре JESD22, метод A108-C температура -40 С постоянно

Конечно, современные методики позволяют с высокой точностью предсказывать срок службы устройства, но никто не может дать полной гарантии, что теория и практика сойдутся.

На срок службы светодиода влияют следующие факторы:

  • деградация кристалла;
  • старение люминофора;
  • механические деформации, внутренние напряжения в корпусе и т.п.;
  • помутнение первичной оптики.

Деградация кристалла

Напомним, что светодиод белого свечения, как правило, представляет собой кристалл, излучающий синий цвет, который покрыт люминофором. Благодаря суммированию собственного излучения кристалла с индуцированным им излучением люминофора получается свет, воспринимаемый зрением, как белый.

Применительно к светодиодом надо различать температуру, измеренную в разных точках: T B - монтажная плата, T S - подложка, T J - p-n переход, T A - окружающая среда

Деградация кристалла приводит к снижению мощности излучения. Одна из причин - рост количества дефектов кристаллической решетки. Области кристалла, где появились дефекты, не излучают свет, но при этом генерируют тепло.

Другой причиной является электрическая миграция материала, из которого сделаны электроды, приваренные к кристаллу. В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру.

При деградации кристалла возрастает ток утечки, то есть значительная часть тока начинает проходить не через те участки кристалла, которые излучают свет. В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода, а значит, уменьшается мощность.

Скорость деградации кристалла значительно увеличивается при повышении силы тока свыше номинального значения, а также при повышении температуры. Также, по мнению некоторых специалистов, к возникновению дефектов в кристаллической решетке может привести действие статического электричества. Поэтому рекомендуется осуществлять монтаж светодиодов с соблюдением стандартных мер по защите от статического электричества.

Деградация кристалла проявляет себя также снижением напряжения на светодиоде. Эта особенность используется для автоматического отключения вышедшего из строя светодиода. Если в светильнике есть встроенная интеллектуальная система управления, то она отключит вышедший из строя светодиод и так перераспределит токи в оставшихся светодиодах, чтобы они не превысили максимально допустимого уровня. Наряду с системой автоматического отключения неисправных светодиодов в светильнике может также использоваться адаптивная система управления силой тока, подаваемого на светодиод, рассказ о которой выходит за рамки данной статьи.

При всей важности учета процесса деградации кристалла при определении ресурса светодиода, деградация светодиода опреляется и многими другими факторами.

Деградация люминофора

Подобно люминесцентным лампам, светодиоды имеют люминофор. Это позволяет некоторым специалистам, скептически относящимся к использованию светодиодов для освещения, высказывать тезис, что срок службы светодиода не может быть больше срока службы люминесцентной лампы, т.е. 10000 часов. Однако такое сравнение некорректно. Во-первых, значительный вклад в деградацию люминофора в люминесцентных лампах играет явление распыления пасты, покрывающей электроды. В светодиоде такого явления нет. Во-вторых, в светодиодах используются совершенно другие, более дорогие люминофоры. Например, одним из широко используемых вариантов люминофора является галлий-гадолиниевый гранат, активированный церием. Такие люминофоры обладают большим сроком службы.

В светодиодах и люминесцентных лампах используются совершенно разные люминофоры

В светодиоде деградация люминофора определяется в основном температурой. Ведь люминофор обычно наносят непосредственно на кристалл, который довольно сильно нагревается. Остальные факторы воздействия на люминофор не так значимы.

Деградация люминофора приводит не только к уменьшению яркости светодиода, но и к изменению оттенка его свечения. При сильной деградации люминофора хорошо заметен синий оттенок свечения. Это связано как с изменением свойств люминофора, так и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение кристалла.

Механические повреждения

При производстве светодиодов в них могут возникать внутренние напряжения, которые проявляют себя позже.

Кристалл светодиода с припаянными к нему выводами и теплоотводящей подложкой заливают прозрачной пластмассой. Некачественные паяные соединения могут со временем разрушаться. Если разрушаются паяные соединения электродов, то произойдет разрыв цепи. Если разрушилось паяное соединение кристалла с теплоотводящей подложкой или даже уменьшилась площадь контакта, то это приводит к ускорению деградации кристалла. Причиной разрушения соединения, а также разрыва тонких проводников, ведущих к кристаллу, могут быть внутренние напряжения в пластмассе. Они возникают как в результате нарушения технологии производства, так и в процессе эксплуатации светодиода при температуре, превышающей максимально допустимое значение.

Помутнение первичной оптики

Первичная оптика светодиодов (т.е. оптическая система, непосредственно встроенная в светодиод) изготавливается из пластмассы или силикона. Помутнение этих материалов может быть связано с действием ультрафиолета. В светодиодах белого свечения, построенных на базе ультрафиолетовых светодиодов, покрытых трехцветным люминофором, такая проблема действительно есть. Но пока подобные светодиоды не получили широкого распространения.

Многие современные типы светодиодов вообще не имеют первичной оптики

В белых светодиодах на базе кристаллов синего свечения помутнение первичной оптики может опять-таки быть вызвано сильным перегревом. Следует отметить, что многие современные типы светодиодов вообще не имеют первичной оптики.

Срок службы светильника

Итак, мы выяснили, что основной проблемой, вызывающей снижение рабочего ресурса светодиодов, является нарушение температурного режима при эксплуатации. В свою очередь, температурный режим определяется конструкцией светильника. Поэтому более корректным будет говорить не о сроке службы светодиодов, а о сроке службы светильника. К сожалению, в рекламных материалах производители зачастую указывают именно срок службы светодиодов, когда в светильнике из-за перегрева светодиоды могут работать меньше заявленного производителем срока (но при нормальных условиях работы сроки службы светодиодов и всего светильника могут совпадать).

Обеспечение температуры светодиодов (а, в конечном счете, температуры p-n перехода) в заданных пределах путем отвода тепла называется термоменеджментом. К вопросам термоменеджмента относится не только конструкция теплоотвода, но и конструкция всего корпуса. К сожалению, многие производители устанавливают светодиоды в уже существующие корпуса, изначально разрабатывавшиеся для ламп ДНаТ. В результате не обеспечивается нужный температурный режим.

Наряду с обеспечением отвода тепла, важна автоматика, управляющая питанием светодиодов. Если обнаруживается, что светодиоды перегреты, а система охлаждения уже не справляется, должна уменьшаться подаваемая на светодиоды мощность.

В уличном светильнике EcoWay LL-ДКУ-02-095-ХХХХ-65Д производства компании «ЛидерЛайт» радиатор закрыт специальным кожухом, защищающим его от грязи, но при этом не мешающим циркуляции воздуха

Помимо управления температурой p-n перехода, в светильнике есть еще два узла, которые оказывают важное влияние на срок службы всего устройства: драйвер и вторичная оптика.

Современная элементная база позволяет создавать драйверы со сроком службы 50000 часов и более. Также важны стабильность напряжения питания и силы тока, которые дает драйвер, а также его устойчивость к всплескам сетевого напряжения.

Линзы вторичной оптики в светодиодных светильниках обычно изготавливается из пластмассы, которая со временем мутнеет. Отражатели зачастую делают из пластмассы, покрытой тонким слоем металла. Здесь может возникнуть проблема потускнения металлической поверхности. Указанные проблемы решаются путем использования современных материалов, а также герметизацией корпуса светильника.

«Разгон» светодиодов

Из светодиода можно «выжать» большее, если заставить его работать в режиме, не предусмотренном в документации. В чем-то это напоминает «оверклокинг» компьютеров, с той лишь разницей, что повышают не тактовую частоту, а силу тока, протекающего через светодиод. Занимаются «разгоном» светодиодов не только энтузиасты, пытающиеся понять пределы возможностей электронных компонентов, но и некоторые малоизвестные фирмы из Юго-Восточной Азии.

Следует различать два вида «разгона» светодиодов. Первый связан с завышением рабочего тока в характеристиках светодиода. Существуют небольшие фирмы, которые занимаются установкой кристалла, покрытого люминофором, в корпус. Полученное изделие продвигается на рынок под своим брендом. Но один и тот же производитель кристаллов поставляет свою продукцию десяткам производителей светодиодов. Как тогда обогнать конкурентов? Недобросовестные компании идут по пути указания в документации большего номинального значения силы тока, протекающего через светодиод, чем рекомендуют производители кристаллов. В результате повышается яркость светодиода, но при этом снижается время его работы.

Второй способ связан с заведомым превышением производителем светильника номинального тока питания светодиодов. В итоге достигается та же цель - повышение яркости, на этот раз светильника. Но и время работы уменьшается.

При «разгоне» светодиодов можно увеличить срок службы посредством более сильного охлаждения кристалла, чем при нормальном режиме работы. Однако надо понимать, что даже при обеспечении нормального теплового режима срок службы светодиодов при «разгоне» все равно снижается, поскольку одной из причин деградации кристаллов является превышение силы тока над максимально допустимым значением.

Выводы

Срок службы светильника определяется не только качеством используемых светодиодов, но и параметрами других узлов конструкции. Применение современных материалов и электронных компонентов, а также правильно спроектированные драйвер и система охлаждения позволяют довести срок службы светильника до значения срока службы светодиодов, заявленного производителем. Но для этого требуются значительные инвестиции в исследования и производство, что могут себе позволить далеко не все фирмы. Особую бдительность стоит проявлять в тех случаях, когда обещания производителей конечных изделий ничем не подтверждаются, кроме данных по продолжительности работы светодиодов в идеальных условиях. А что можно считать подтверждением? Наилучший вариант, вполне естественный для ведущих фирм - когда гарантийный срок совпадает или близок к заявленному ресурсу, т.е. составляет 3 – 5 лет. Если же гарантийный срок составляет 1 – 2 года, ориентируйтесь на срок службы светильника, приведенный в официальной документации на него, а не в рекламных проспектах. В противном случае, остается только уповать на репутацию производителя светильника.

Терморегуляция влияет на производительность и срок эксплуатации
Сегодня светодиоды хорошо известны благодаря высокой производительности и длительному сроку эксплуатации. Но немногие знают, что эти показатели напрямую зависят от рабочей температуры. Чем ниже температура, тем больше светоотдача и тем дольше будет работать светодиод . Поэтому, проектируя светильник, крайне важно предусмотреть грамотный теплоотвод.

Чем холодней, тем эффективней
Эффективность светодиода в значительной степени зависит от рабочей температуры и температуры окружающей среды. Указывая референтные значения, производитель берет за основу температуру в помещении 25°C. В обычных условиях эксплуатации температура спая составляет 80°C или выше*, отмечают специалисты. При этом для светодиода не существует понятия оптимальной рабочей температуры в отличие от люминисцентной лампы, например, для которой идеальной температурой является 35°C. Если температура будет выше или ниже заявленной, то эффективность осветительного прибора заметно снизится. Для светодиодов уместно следующее: чем ниже температура, тем лучше. Пронаблюдать это можно в устройствах глубокой заморозки, где эффективность светодиодов значительно превышает референтные значения.
*Некоторые производители тестируют светодиоды при температуре 85°C вместо 25°C. Результаты указаны в так называемых «горячих люменах». Чем холодней, тем лучше – светоотдача падает, если температура растет

Температура определяет срок эксплуатации
Срок эксплуатации светодиода зависит также от рабочей температуры. Сегодня качественный светодиодный светильник должен работать около 50 000 часов. Однако для этого необходимо выполнение двух важных условий. Во-первых, указанный срок эксплуатации определяется с учетом рабочей температуры 80-85°C. Более высокие температуры значительно сокращают срок службы прибора. И наоборот более низкие температуры позволят продлить срок эксплуатации. И, во-вторых, следует учитывать тот факт, что светодиоды постепенно теряют свою освещенность. В среднем, через 50 000 часов работы световой поток светодиодов падает на 70% по сравнению с первоначальным уровнем. Рабочая температура влияет на срок эксплуатации – светодиоды работают до 50 000 часов при температуре 80-85°C

Особое внимание на охлаждение
Ответственные производители уделяют огромное внимание терморегуляции своих светодиодных светильников. Для достижения поставленных задач они используют охлаждающие пластины и специальную токопроводящую фольгу. Благодаря таким действиям рабочая температура светодиодов варьируется в пределах 60°C, и срок эксплуатации прибора, таким образом, существенно увеличивается.

Копирование запрещено. Права на перевод принадлежат Компании "Лунный Свет" согласно ст. 1260 ГК РФ.

Большинство светодиодов, в привычном понимании, как кажется не выделяют ощутимого тепла в отличии от многих других источников света, но это не так. На самом деле, правильный температурный режим, возможно, самая важная сторона конструкции светодиодной системы. Особенно это актуально для светодиодов освещения, когда в светильнике сосредоточено большое количество достаточно мощных излучателей. В этой статье рассматривается роль тепла в эффективности светодиодов.

Все источники света преобразуют электрическую энергию в энергию излучения и тепла в различных пропорциях. Лампы накаливания излучают в основном инфракрасное (ИК) излучение с небольшим количеством видимого света. Флуоресцентные и металлогалогенные источники конвертируют бóльшую долю энергии в видимый свет, но также излучают в инфракрасной (ИК), ультрафиолетовой (УФ), и тепловой областях спектра. Светодиоды производят мало, или вообще не излучают ИК или УФ энергию, но конвертируют только 20% -30% мощности в видимый свет. Остальная мощность преобразуется в тепло, которое должно быть отведено из светодиодного корпуса с помощью основной печатной платы и радиатора, корпуса, или элементов рамы светильника. Приведенная ниже таблица показывает примерные пропорции, в которой энергия потребляемой мощности преобразуется в тепло и энергию излучения, включая видимый свет, для различных полихромных (белых) источников света.

Оценка коэффициента преобразования мощности, для "белых" источников света

† Из Справочника
‡ OSRAM SYLVANIA
* Зависит от эффективности светодиодов. Этот диапазон указан для лучших в настоящее время достижений технологии в цветовых температурах от теплой (150 lm/W) до холодной (100 lm/W). Перспективный план Министерства энергетики США (март 2009) предусматривает увеличение эффективности более чем на 50% к 2025 году.

Почему вопрос теплового режима так важен?

Избыточное тепло непосредственно влияет как на текущую эффективность, так и на изменение эффективности с течением времени наработки. Кратковременные (обратимые) эффекты - это смещение цвета и снижение светоотдачи, в то время как долговременный эффект – это ускоренное снижение светового выхода и тем самым сокращение срока полезного использования светодиода.

Световой выход различных цветных монохромных светодиодов по-разному зависит от изменения температуры. Так, наиболее чувствительны к температуре янтарные и красные светодиоды, и наименее чувствительны - синие (см. график). Эти индивидуальные температурные зависимости могут привести к заметным сдвигам цвета в системах на основе RGB, если рабочая температура отличается от рекомендуемой. Производители светодиодов тестируют и сортируют (бинуют) свою продукцию по яркости и цвету на основании фотометрических измерений в определенных условиях - при подаче 25 миллисекундного мощного импульса при фиксированной температуре в 25°C. За время действия импульса, температура чипа практически не меняется. В рабочем режиме, при постоянном токе при комнатной температуре и применении технических мер к снижению температуры, температура светодиодного чипа, как правило, 60°C или выше. Поэтому белые светодиоды будут обеспечивать, по крайней мере, на 10% меньше света, чем указано производителем, а сокращение светового потока для изделий с недостаточным теплоотводом может быть значительно выше.

Время непрерывной работы при повышенной температуре значительно ускоряет процесс снижения яркости (деградацию), что приводит в итоге к сокращению срока полезного использования. График ниже показывает световой поток в течение долгого времени (экспериментальные данные до 10000 часов и экстраполяция за ее пределами) для двух одинаковых светодиодов при одинаковом токе, но с разницей температуры чипа в 11°C. Расчетный срок службы (определяется на уровне снижения светового потока на 70%) уменьшился с ориентировочно 37000 часов, до 16 000 часов (57% изменения) при повышении температуры на 11°C.

Тем не менее, производители продолжает улучшать долговечность светодиодов при более высоких рабочих температурах. Например, производители мощных белых светодиодов обычно оценивают срок службы около 50000 часов при 70%-ном снижении светового потока, при температурах чипа не выше 100°C.

Что определяет температуру светодиодного чипа?

Три причины влияют на температуру чипа светодиода в первую очередь: управляющий ток, эффективность теплоотвода и температура окружающей среды. В целом, чем выше управляющий ток, тем больше тепловыделение. Тепло должно быть отведено от чипа, чтобы сохранить ожидаемый световой поток, цвет и срок службы. Количество тепла, которое может быть удалено из системы, зависит от температуры окружающей среды и конструкции теплоотвода.

Типичная светодиодная система высокой мощности состоит из излучателя, печатной платы на металлической основе (MCPCB), а также внешнего радиатора. Излучатель содержит светодиодный чип, оптику с герметизирующим компаундом, теплопроводную подложку (используется для отвода тепла от чипа), и припаян к MCPCB. MCPCB - это особая разновидность печатной платы с тонким диэлектрическим слоем на металлической подложке (обычно из алюминия). MCPCB механически закрепляется на внешнем радиаторе, который может представлять собой устройство, интегрированное в дизайн светильника. В некоторых случаях, роль радиатора выполняет несущий корпус светильника. Размер радиатора зависит от количества тепла, которое должно быть рассеяно и теплофизических свойств материала.

Тепловой дизайн и осознание условий эксплуатации являются критическими соображениями при разработке и применении светодиодных светильников для освещения. Надежность изделия, а следовательно и его коммерческая ценность будут зависеть в первую очередь от дизайна радиатора для отвода тепла и способности свести к минимуму температуру излучателя. Удержание температуры чипа в нижней области, рекомендуемой спецификацией производителя, необходимо для того, чтобы максимально использовать потенциал производительности светодиодов.

По состоянию на 2011 год, анализ бюллетеней Департамента Энергетики США.
Подборка и перевод - Ланской А.О., ноябрь 2011

1. Каков все-таки средний срок службы светодиодов?

Валить все типы светодиодов в одну кучу и рассматривать их одинаково нельзя. Срок службы напрямую зависит от типа светодиода, подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (chip) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки и сборки в целом.

Считается, что светодиоды исключительно долговеч­ны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропуска­ется через светодиод, тем вы­ше температура и тем быстрее наступает старение (деградация) кристалла. И чем больше тепла вы передадите с подложки светодиода на радиатор тем дольше он будет работать. Поэтому светодиодные сборки с мощными светодиодами требуют пассивного (монтаж на алюминиевую плату и радиатор) или активного (кулер, вентилятор) охлаждения.

При достаточном охлаждении светодиоды можно "разогнать" - подать максимальный рекомендованный производителем ток.

Поэтому априори, срок службы у мощных светодио­дов короче, чем у маломощных индикаторных. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости.
В светодиодах мощностью от 1Вт (рабочий ток 0,350А) и более мощных, тепловыделение гораздо обильнее, чем в 5мм. светодиодах, рассчитанных на ток 0,02А. По светоотдаче 1шт. светодиод 1Вт заменяет около 50 светодиодов типа "5мм". но и греется во много раз сильнее.

На светодиодных лентах подавляющее большинство производителей используют в качестве токозадающих элементов обыкновенные резисторы, которые ограничивают ток. Для большего срока службы производители стремятся обеспечить разумный ток при возможном разбросе выходного напряжения источников питания. При выходе из строя участка светодиодной ленты, ремонт подсветки сводится к выпаиванию сгоревших участков, как правило, кратных 5 или 10см.

Срок службы светодиодной ленты порядка 50 тысяч часов.

2. Почему у белых светодиодов наименьший срок службы?

К сожалению, соединений, излучающих белый свет, никто еще не придумал. Основой LED белого цвета свечения является структура InGaN, излучающая на длине волны 470nm (синий цвет) и нанесенный сверху на нее люминофор (специальный состав), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтый части. Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода, поэтому срок службы сокращается. Сейчас мировые производители изобретают новые и новые варианты эффективного нанесения люминофора.

Большинство мощных светодиодов служат в районе 50.000 - 80.000 часов. Много это или мало?

50.000 часов это:

24 часа в день 5.7 лет
18 часов в день 7.4 лет
12 часов в день 11.4 лет
8 часов в день 17.1 лет

3. Греются ли светодиоды?...

Везде говорят что светодиоды практически не греются. Так почему светодиодным приборам нужен теплоотвод и что будет если теплоотвода нет?

В светодиоде светится так называемый p-n переход кристалла. Грубо говоря, это место где один тип металла (-p) соединяется с другим типом (-n). Задача – найти такое сочетание различных проводников, чтобы из этой зоны с минимальными потерями выходило как можно больше света.

И вот здесь начинаются проблемы. Идеальной комбинации -p и -n проводников пока еще не найдено, да и навряд ли найдут, и потери, хотим мы того или нет, – всегда будут. Поэтому вместе с частичками видимого света излучается еще и небольшое количество тепла. В прошлом, когда светодиоды были настолько тусклыми, что использовались лишь в индикации, это испускаемое тепло никто и не считал – столь ничтожно малым оно было.

Сейчас же, с появлением мощных и сверхмощных светодиодов соотношение света и тепла, излучаемое кристаллом осталось прежним, но теперь оно уже более ощутимое. Для наглядности посмотрите на обычную рядовую микросхему. Допустим, это чип размером 1 на 1 см. Чем больше эта микросхема выполняет задач, тем сильнее она греется. Но если это простая микросхема, теплоотводом может служить и сам корпус микросхемы, а также металлические выводы-контакты, которыми она припаяна к плате. Если же мы хотим внутри такой же микросхемы расположить в миллионы раз больше полупроводниковых элементов и заставить эту микросхему выполнять в миллионы раз больше операций – выделение тепла возрастет во много раз и нам потребуется ее охлаждать принудительно. Чтобы далеко не ходить, посмотрите на любой из ныне существующих компьютерных процессоров – они все снабжены алюминиевым или медным радиатором с принудительным обдувом вентилятором.

Примерно тоже самое происходит и в светодиоде. Когда мы с одной и той же площади чипа пытаемся «выжать» больше света, пропорционально растет количество выделяемого тепла внутри самого кристалла. И чтобы его отводить, нужно охлаждение.

Так, мощным светодиодам типа «пиранья» в качестве теплоотвода достаточно своего корпуса и печатной платы, на которую крепится светодиод. А вот для сверхмощного светодиода уже потребуется дополнительное охлаждение в виде радиатора. Но откуда же возникает это тепло? В светодиоде, как уже говорилось, существуют потери во время преобразования электричества в свет. Но часть этого света (фотонов) остается внутри кристалла. К кристаллам, где выходит относительно много света и мало остается внутри, применительно определение «высокий квантовый выход». Если же светодиод сам по себе не достаточно яркий и на один ватт подаваемого напряжения приходится относительно мало «выходных» люмен, то здесь применительно определение «кристалл с низким квантовым выходом».

Так что у любого среднестатистического светодиода температура чипа всегда растет вместе с его мощностью. Типичная рабочая температура производимых на сегодняшний день светодиодов составляет от 50°С до 120°С, а с учетом постоянного развития технологий в ближайшем будущем может достигнуть и 200°С.

Если мощные светодиоды объединены в некую сборку, да еще и установлены в герметичный корпус, то нагрев становится значительным. И если не происходит отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, отчего изменяются характеристики кристалла, и через некоторое время светодиод может выйти из строя. Так что очень важно строго контролировать количество тепла и обеспечивать эффективный теплоотвод. Тепловые характеристики приборов просчитываются уже на стадии проектирования, что исключает любые проблемы в эксплуатации.

Как реагирует светодиод на повышение температуры?

Говоря о температуре светодиода, необходимо разли­чать температуру на поверхности кристалла и в облас­ти p-n-перехода. Грубо говоря, это место где один тип металла (-p) соединяется с другим типом (-n). От первой зависит срок службы, от второй - световой выход. В целом с повышением тем­пературы p-n-перехода яркость светодиода падает, по­тому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Для примера на печатной плате были размещены светодиоды фирмы Cree. На рисунке 7 показаны результаты, демонстрирующие температуру без радиатора (слева) и с радиатором (справа).

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, си­них и белых.

4. Чем отличается полноцветный RGB светодиод от одноцветного?

В полноцветном светодиоде на одной подложке установлены независимые кристаллы трех цветов свечения (R+G+B), а монохромный светодиод содержит кристалл(ы) какого-либо одного цвета свечения.

5. Как регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регули­рованию, но не за счет снижения напряжения пита­ния - этого-то как раз делать нельзя, - а так называе­мым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляю­щий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером упра­вления цветом RGB-матрицы).

Метод ШИМ заключа­ется в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сиг­нала должна составлять от сотен до тысяч герц, а ши­рина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

6. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход - это число излученных квантов све­та на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый вы­ход. Внутренний - в самом p-n-переходе, внешний - для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» - поглощаться, рассеиваться). Внутренний кван­товый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего кван­тового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих - 35%.Внешний квантовый выход - одна из основных ха­рактеристик эффективности светодиода.

7. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов?

В целом технология выглядит так: в "реактор", (установку эпитаксиального роста) устанавливают пластины из искусственного сапфира. Затем подают газовую смесь. Основание с размещенными на нем пластинами вращается в реакторе со скоростью от 1000 об./мин. В процессе вращения атомы газа "прилипают" к поверхности кристаллической подложки, образуя десятки слоев. Получается кристалл светодиода толщиной в сотни микрон.
Далее идет планарная об­работка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для кон­тактных выводов. Затем пластины, разделяют на отдельные кристаллы. Пленку, выращенную на одной под­ложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов раз­мерами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2. Чем больше площадь кристалла тем больше света он способен излучать при прохождении через него тока.

Называется тех­нология "металлоорганическая эпитаксия". Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных реакторах предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращивае­мых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцеп­торами, чтобы создать p-n-переход с большой концентра­цией электронов в n-области и дырок - в р-области.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в кор­пусе, сделать контактные выводы, изготовить оптиче­ские покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый свето-диод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нуж­ный телесный угол. Около половины стоимости светоди-ода определяется этими этапами высокой технологии.

Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стои­мость установок для эпитаксиального роста полупроводни­ковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5 - 2 млн долла­ров. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необ­ходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это - технология, требующая высокой производственной культуры.

Необходимость повышения мощности для увеличе­ния светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной тех­нологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details - поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по техноло­гии СОВ, схематически изображен на рисунке.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиа­тора - в этом случае она делается из металла. Так созда­ются светодиодные модули, которые могут иметь линей­ную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных гало­генных, призванные им на замену. А для мощных све­тильников и прожекторов изготавливаются светодиод­ные сборки на массивном радиаторе.

Раньше в светодиодных платах было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая систе­ма, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

8. Где на сегодняшний день применяются светодиоды и каковы их перспективы?

Cветодиодное освещение целесообразно применять в тех случаях, где требуется высокая надежность, где обслуживание световой установки слишком дорого и требует спецтехники или работ альпинистов, где нужно применять цветодинамические решения, где требуется энергоэффективное решение, например при питании от разнообразных генераторов.

Обратная сторона медали: светодиодные светильники идеально подойдут для неяркой, но эффектной подсветки. Этот конкретный пример по степени потребления электроэнергии на 90% экономичнее самых маленьких 15Вт галогеновых лампочек.

Каждый год светоотдача и эффективность светодиодов увеличивается на 30-50%. По состоянию на 2008 год светодиодные светильники уже чаще ламп применяются в архитектурном, декоративном, ландшафтном, подводном освещении, праздничной иллюминации, шоу-бизнесе, а также в специальных приложениях - медицине и растениеводстве, например.

В обозримом будушем скорее всего светодиоды вытеснят лампы в дежурном освещении мест общественного пользования - подъездах жилых домов, световых указателях и т.д. А также на транспорте - в самолетах, поездах, автомобилях. А по мере развития технологии и удешевления производства, дело уже доходит до ночного освещения автомобильных дорог и улиц. Все это даст существенную экономию энергоресурсов в национальных масштабах.

9. Какие мировые компании производят светодиоды?

Список лидирующих производителей в мире:
- «CREE» (США);
- «Osram» (Германия);
- «Lumieleds Luxeon» (США);
- «Seoul Semiconductor» (Ю.Корея);
- «Nincha» (Япония);
- «Epistar» (Тайвань);

- «Edisson» (Тайвань);

- «Prolight Opto» (Тайвань).

Ежегодно, световой поток самого производительного светодиода каждого из мировых брэндов возрастает стабильно на 20-30%. Стоимость 100Лм светового потока падает на 10-15% в год, а отсюда и стабильное ежегодное падение цен на светодиодные осветительные приборы.

Цена светодиодного прибора, безусловно, зависит от стоимости самих светодиодов. Светодиоды при серийном производстве светотехнических изделий составляют самую большую строку в бюджете изготовления светодиодных приборов.

10. Кто изобрел светодиод?

Еще в 1907 году было впервые отмечено слабое свечение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами вследствие неизвестных тогда электронных превращений. В 1923 году наш соотечественник, сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев отмечал это явление во время проводимых им радиотехнических исследований с полупроводниковыми детекторами, однако интенсивность наблюдаемых излучений была столь незначительной, что Российская научная общественность тогда всерьез не интересовалась этим феноменом.
Через пять лет Лосев специально занялся исследованиями этого эффекта и продолжал их почти до конца жизни (О.В. Лосев скончался в блокадном Ленинграде в январе 1942 года, не дожив до 39 лет). Открытие "Losev Licht" , как назвали эффект в Германии, где Лосев публиковался в научных журналах, стало мировой сенсацией. И после изобретения транзистора (в 1948 году) и создания теории p -n -перехода (основы всех полупроводников) стала понятна природа свечения.

В 1962 году американец Ник Холоньяк продемонстрировал работу первого светодиода, а вскоре после этого сообщил о начале полупромышленного выпуска светодиодов.

Светодиод (англ. light emission diode – LED) является полупроводниковым прибором, его активная часть, называемая «кристалл» или «чип», как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника – с электронной (n-типа) и с дырочной (p-типа) проводимостью. В отличие же от обычного диода в светодиоде на границе полупроводников разного типа существует определенный энергетический барьер, препятствующий рекомбинации электронно-дырочных пар. Электрическое поле, приложенное к кристаллу, позволяет преодолеть этот барьер и происходит рекомбинация (аннигиляция) пары с излучением кванта света. Длина волны излучаемого света определяется величиной энергетического барьера, который, в свою очередь, зависит от материала и структуры полупроводника, а также наличия примесей.

Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры , за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

11. Устройство светодиодов.

Основные современные материалы, используемые в кристаллах светодиодов:

InGaN – синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости;

AlGaInP - желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости;

AlGaAs - красные и инфракрасные светодиоды;

GaP – желтые и зеленые светодиоды.



устройство 5мм.- светодиодов (слева) и мощных (справа) светодиодов

Устройство светодиодов различных типов упрощенно представлено на рисунках. Свет, излучаемый полупроводниковым кристаллом, попадает в миниатюрную оптическую систему, образованную сферическим рефлектором и самим прозрачным корпусом диода, имеющим форму линзы. Изменяя конфигурацию рефлектора и линзы, устанавливая вторичные линзы, добиваются необходимой направленности излучения.


трехкристалльный RGB светодиод под микроскопом

Кроме светодиодов лампового типа (3,5,10мм, их форма действительно напоминает миниатюрную лампочку с двумя выводами), в последнее время все большее распространение получают SMD - светодиоды. Они совершенно иной конструкции, отвечающей требованиям технологии автоматического монтажа на поверхность печатной платы (surface mounted devices – SMD ).
А сверхяркие светодиоды такого типа называются эммитеррами (emitter, англ. "излучатель") .
SMD светодиоды имеют более компактные размеры, допускают автоматическую расстановку и пайку на поверхность платы без ручной сборки. Некоторые производители светодиодов выпускают специальные SMD-диоды, содержащие в одном корпусе три кристалла, излучающие свет трех основных цветов – красный, синий и зеленый. Это позволяет получить при смешении их излучения всю цветовую гамму, включая белый цвет, при ультракомпактных размерах.

Яркость светодиода характеризуется световым потоком (Люмены) и осевой силой света (канделлы), а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов.

Цвет, как обычно, определяется координатами цветности, цветовой температурой белого света (Кельвин), а также длиной волны излучения (нанометры).

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности (характеристика "Люмен/Ватт"). Также интересной характеристикой оказывается цена одного люмена ($/Люмен).

По силе света светодиоды делятся на три основные группы:

Светодиоды ультравысокой яркости, мощностью от 1W (Ultra-high brightness LEDs) – сотни канделл;

Светодиоды высокой яркости, мощнотью до 20 mW (High brightness LEDs) – сотни и тысячи милликанделл;

Светодиоды стандартной яркости (Standard brightness LEDs) – десятки милликанделл.

Итак, любой светодиод состоит из одного или нескольких кристаллов, размещенных в корпусе с контактными выводами и оптической системы (линзы), формирующей световой поток. Длина волны излучения кристалла (цвет) зависит от материала полупроводника и от легирующих примесей. Биновка (wavelength bin) кристаллов по длине волны излучения происходит при их изготовлении. В партии поставки на современном производстве отбираются близкие по спектру излучения кристаллы.

Широкий диапазон оптических характеристик, миниатюрные размеры и гибкие возможности по дискретному управлению обеспечили применение светодиодов для создания самых различных световых приборов и изделий. Светоди­од излучает в узкой части спектра, на определенной длине волны его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры.

Современное разнообразие светодиодов и так называемых светодиодных сборок делает часто нетривиальной задачу выбора подходящих комплектующих для реализации тех или иных светотехнических приложений. Основные параметры светодиодов – цветность, сила света и угол обзора по половинной мощности излучения. Но для профессионального выбора, оценки качества и эффективности изделий необходим учет многих других характеристик светодиодов. Ниже приведен их краткий перечень.
Значение характеристик и параметров в конкретном случае зависит от типа кристалла, конструкции и размера рефлектора, структуры и толщины люминофорного покрытия, методов формирования оптической линзы и других факторов.