LED (Lighting Emission Diode) - светодиоды с интенсивным светоизлучением хорошо всем известны. Примерно 10 лет назад (у нас в России) они произвели «тихую революцию в освещении», особенно там, где нужна мобильность, низкий удельный расход энергии, надежность и долгий срок службы. Казалось, что идеальный источник света, который жаждали получить, вело и просто туристы, а также охотники и рыболовы, спелеологи и альпинисты уже «здесь и сейчас». И достаточно протянуть руку, поднакопив чуток убитых енотов, и будет «на земли мир, в человецех благоволение». Теперь, можно сказать, что эти 10 лет не прошли даром и, светодиодная действительность оказалось интересна, разнообразна и предоставляет новые возможности, которые, ранее даже не приходили в голову.

Рис. 2 Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.* («Описание и принцип работы светодиодных светильников» Группа Энергосберегающих Компаний)

Рис. 3 Синий светодиод с монохроматическим излучением. . («LED - технология, принцип работы. Плюсы и минусы LED. » ).

ПРИНЦИП РАБОТЫ .

Светодиод, - прежде всего диод. То есть этакий хитрый камешек с p-n-переходом внутри. А другими словами, контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Который, при некоторых условиях, излучает свет в процессе рекомбинации (взаимного конструктивного самоубийства) электронов и дырок.
Обычно, чем больше ток через светодиод, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени и на выходе излучается больше света. Но ток нельзя сильно увеличивать, - из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода светодиод может перегреваться, что приводит к его ускоренному старению или выходу из строя.
Для получения значимого светового потока, создают многослойные полупроводниковые структуры - гетероструктуры. За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Жорес Алферов , российский физик, получил Нобелевскую премию в 2000 году.

ДВА СЛОВА ЗА ИСТОРИЮ.

Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены в 1962 году. В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах и системах сигнализации. В 1993 году в компании Nichia (Япония) создали первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB устройства, поскольку синий, красный и зеленый цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем, технология быстро развивалась и к 2005 году световой выход светодиодов достиг значения более 100 лм/Вт.

БЕЛЫЙ СВЕТ.

Обычный цветной светодиод излучает в узком спектре световых волн (монохроматическое излучение). Это хорошо для устройств сигнализации. А для освещения нужны белые светодиоды и применяют разные технологии..
Например, — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.

Рис. 4 Спектр излучения RGB светодиода . («Википедия»)

Или, положим, используется люминофор, точнее, несколько люминофоров наносятся на светодиод и, в результате смешения цветов получается белый или близкий к белому свет. Белые светодиоды с люминофорами дешевле, чем RGB матрицы, что позволило использовать их для освещения.

Рис. 5 Спектр излучения белого светодиода с люминофором.* («Википедия»)

Рис. 6 Белый светодиод с люминофором. Схема одной из конструкций белого светодиода.

МРСВ - печатная плата с высокой тепловой проводимостью. * («Википедия»)

Вольтамперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейная и ток начинает проходить, с некоторого порогового напряжения. На основных режимах излучения светодиода ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. А поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэ-тому ток приходится стабилизировать. Яркость свечения светодиодов можно, например, регулировать методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходимо электронное устройство, подающее на светодиод импульсные высокочастотные сигналы. В отличие от ламп накаливания цветовая температура при регулировании яркости у светодиодов изменяется очень мало.

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов.

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и потери поэтому относительно малы..

1. Основное преимущество белых светодиодов — высокий КПД, низкое удельное энергопотребление и высокая световая отдача - 160-170 Люмен/Ватт.
2. Высокая надежность и длительный срок службы.
3. Малый вес и размеры светодиодов позволяют ипользовать их в малогабаритных переносных фонарях.
4. Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения в спектре позволяет использовать светодиодное освещение без вредных последствий, так как ультрафиолет, особенно в присутствии озона, сильно влияет на органику, а инфракрасное излучение может привести к ожогам.
5. Показатель удельной плотности мощности, характеризующий плотность светового потока, у стандартной люминесцентной лампы составляет 0,1-0,2 Вт/см², а у современного белого светодиода около 50 Вт/см².
6. Работа при отрицательных температурах без снижения, а зачастую и с улучшением параметров.
7. Светодиоды — безынерционные источники света, они не требуют времени на прогрев или выключение, как например люминесцентные лампы и количество циклов включения и выключения не оказывает влияния на их надежность.
8. Светодиод механически прочен и исключительно надежен.
9. Легкость регулирования яркости.
10. Светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
11. Низкая пожароопасность, возможность использования в условиях взрывоопасности.
12. Влагостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред.

Но есть и мелкие недостатки:

1. Белые светодиоды в производстве дороже и сложнее ламп накаливания, хотя цена их постепенно снижается.
2. Невысокое качество цветопередачи, которое, то же, понемногу улучшается.
3. Мощные светодиоды требуют хорошей системы охлаждения.
4. Быстрое ухудшение характеристик и даже выход из строя при повышенных температурах внешней среды более 60 — 80°C.
5. Люминофоры также не любят высокой температуры, т.к. коэффициент преобразования и спектральные характеристики люминофора ухудшаются.
6. Корпус светодиода делают из оптически прозрачной кремнийорганической пластмассы или эпоксидной смолы, которая стареет и под воздействием температуры тускнет и желтеет, поглощая часть светового потока.
7. Современный, мощный, сверхяркий светодиод может ослепить и повредить зрение человека.
8. Контакты подвержены коррозионным отказам. Светоотражатели (обычно из пластмассы, покрытые тонким слоем алюминия), при повышенной температуре, ухудшают свои свойства со временем, а яркость и качество излучаемого света постепенно ухудшаются.

РЕАЛЬНЫЙ СРОК СЛУЖБЫ БЕЛЫХ СВЕТОДИОДОВ.

Рис. 7 Снижение светоотдачи в процессе эксплуатации и поведение при выходе из строя ламп накаливания (INC), флуоресцентных ламп (FL), высокоинтенсивных газоразрядных ламп (HID) и LED-ламп (масштаб не соблюден, приведен вид типовых кривых).

Журнал «Время электроники», Статья «Определение срока службы светодиодов»
Автор Эрик Ричман (Eric Richman ), старший научный сотрудник, Pacific Northwest National Laboratories (PNNL )

Про100 000 часов службы светодиодов мы знаем уже много лет. А как на самом деле?
«На заре светодиодов, наиболее часто встречаемая долговечность работы составляла 100000 часов. При этом никто так и не смог объяснить, откуда взялось это магическое число. Скорее всего, оно было продиктовано рынком, а не наукой. Первым производителем светодиодов, указавшим продолжительность эксплуатации, исходя из реальных технических параметров, стала Филипс Люмиледс, со своим детищем- светодиодом Luxeon. Долговечность первых устройств Luxeon, с заданным управляющим током 350 мА и температурой перехода 90 градусов цельсия, оценивалась в 50000 часов. Это значит, что после 50000 часов эксплуатации светодиода в заданных условиях его световой поток снизится до 70% от первоначальной.»
Статья «Неизведанные воды: определение долговечности LED светильников», Журнал «Время электроники», Тимур Набиев.

В настоящее время нет никакого стандарта определяющего для светодиодов, что такое собственно «срок службы». Нет также стандартов, определяющих количественно изменение цвета светодиода со временем. Не определено, как должен работать светодиод по истечении этого срока. Некоторые ведущие компании были вынуждены самостоятельно определять критерии для срока службы. Например, было выбрано два пороговых значения светового потока: - 30% и 50%, по достижению которых светодиод считается вышедшим из строя. И зависят эти значения от восприятия человеческим глазом излучаемого света.
1) - 30% уменьшение светового потока отраженного светодиодного света. То есть, когда светодиодный фонарь освещает дорогу, окружающие предметы и т.п.
2) - 50% уменьшение светового потока, когда используется прямой свет, например в светофорах, дорожных знаках, габаритных огнях автомобилей....
А другие компании первого ряда выбирают только одно пороговое значение - 50%.
Причем, деградация светодиодов и светодиодных фонарей происходит на всех уровня, начиная с p-n перехода и заканчивая прозрачной передней пластмассовой линзой корпуса фонаря. Причем, маломощные сигнальные и индикаторные светодиоды могут служить десятилетиями. А сверхяркие современные светодиоды, которые часто работают в напряженном режиме, как по току, так и по температуре и гораздо быстрее теряют свою яркость. Таким образом, реальный срок службы качественных современных светодиодов от нескольких месяцев до пяти - шести лет в непрерывном режиме работы. Например, фирма Petzl заявляет срок службы своих светодиодов в фонарях не менее 5000 часов. Кстати, ведущие фирмы нередко заявляют меньший срок службы своих устройств, чем у «супер-пупер-бюджетных», нередко азиатских производителей, которые просто форсируют величину тока и добиваются яркого свечения. При покупке фонарей, все характеристики светодиодов соответствуют паспортным, в котором, обязательно пишут про магические 100000 часов. Но реальный срок службы таких светодиодов может не превысить 1000…1500 часов и за это время световой поток снижается минимум в 2 раза.

БАТАРЕЙКИ И АККУМУЛЯТОРЫ.

Во время работы, батареи и аккумуляторы разряжаются, питающее напряжение уменьшается, яркость светодиодов и эффективный световой поток постепенно снижается.

Кривая уменьшения яркости при естественном разряде батарей.

Яркость с электронной регулировкой. Освещенность в 0,25 люкс измеряется на расстоянии 2 метра от фонаря. (Такую освещенность дает луна во время полнолуния).

Для улучшения эффективной светоотдачи применяют электронную регулировку (стабилизацию) питающего напряжения. Сила тока контролируется специальной микросхемой, благодаря чему обеспечивается стабильная яркость в течении всего времени работы. Идея была впервые разработанна фирмой Petzl. Благодаря электронной схеме, фонари обладают стабильными характеристиками в течении всего времени работы, а затем переходят в аварийный режим (0.25 люкс). Яркость 0.25 люкс - это освещение, которое дает полная луна высоко над горизонтом в ясную погоду.

Оптимальные источники питания.

1. Для светодиодных фонарей сегодня, это конечно алкалиновые или литиевые (литий-ионные) одноразовые батареи. Литиевые батареи имеют небольшой вес, обладают большой емкостью и хорошо работают при низких температурах. Это, например, Li-MnO2 батареи CR123 или CR2 с напряжением 3В или Li-FeS2 (литий-железодисульфидные) батареи с напряжением 1,5В, но не все светодиодные фонари совместимы с литиевыми батареями - необходимо уточнять в инструкции.
2. Аккумуляторы.

Характеристики	Никель-кадмиевые	Никель-металлгидридные	Литий- ионные
Номинальное напряжение, В
Типичная емкость, Ач
Удельная энергия: весовая, Втч/кг объемная, Втч/дм3	30 - 60 100 -170	40 - 80 150 -240	100 - 180 250 - 400
Максимальный постоян-ный ток разряда, до	5 (10) С	3 С	2 С
Режим заряда	Стандартный: ток 0,1 С 16 ч Ускоренный: ток 0,3 С 3-4ч Быстрый: ток 1С ~1 ч	Стандартный: ток 0,1 С 16 ч Ускоренный: ток 0,3 С 3-4ч Быстрый: ток 1С ~1 ч	Заряд током 0,1- 1 С до 4,1-4,2 В, далее при постоянном напряжении
Коэффициент отдачи по емкости (Сразряд/Сзаряд)
Диапазон рабочих темпе-ратур, ºС
Саморазряд (в %): за 1 месяц за 12 месяцев			4 - 5 10 - 20

Ток 1С означает ток, численно равный номинальной емкости.

* Из статьи: А.А. Тагановой «ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ПОРТАТИВНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ»

Никель-кадмиевые (NiCd) имеют небольшой вес и габариты, Плохую экологичность - кадмий страшно вредный для здоровья металл. Взрывоопасны с прочным и герметичным корпусом, имеющие микроклапаны для автоматического сброса газов, но, при этом, достаточно высокую надежность и большие токи зарядки-разрядки. Их часто применяют в бортовой аппаратуре и для устройств, потребляющих большую мощность, например, фонарей для дайвинга. Единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными, в отличие от никель-металл-гидридных аккумуляторов (Ni-MH), которые нужно хранить полностью заряженными и от литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые необходимо хранить при 40%-ом заряде от ёмкости аккумулятора
Никель-металл-гидридные (Ni-MH), были разработаны для замены никель-кадмиевых (NiCd). NiMH аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти » а полная разрядка требуется не часто. Экологически безопасны. Наиболее благоприятный режим работы: заряд небольшим током, 0,1 номинальной ёмкости, время заряда — 15-16 часов (рекомендация производителя). Аккумуляторы рекомендуется хранить полностью заряженными в холодильнике, но не ниже 0 С?. Обеспечивают 40-50-процентное преимущество в удельной энергоемкости по сравнению с прежним фаворитом — NiCd. Имеют значительный потенциал для увеличения энергетической плотности. Дружественны к окружающей среде — содержат только умеренные токсины, доступные для вторичной переработки. Недорогие. Доступные в широком диапазоне размеров, параметров и эксплуатационных характеристик.

ГАБАРИТЫ И МИГАЛКИ.

12) TL-LD1000 CatEye

13) RAPID 1 (TL-LD611-F)CatEye

Европейская практика безопасности предполагает использование не только задних, но и передних габаритных фонарей.
Rapid 1 передний (белый) и задний (красный) фонари, с функцией перезарядки аккумуляторных батарей через USB порт и индикатором уровня заряда. Высокая мощность фонаря достигается применением SMD-светодиода и технологии OptiCube ™ . Мерцание CatEye Rapid 1 привлекает внимание автомобилистов и прохожих.
4 режима работы обеспечивают оптимальный выбор параметров, как ночью, так и днем. CatEye Rapid 1 поставляется с низкопрофильным кронштейном SP-12 Flextight ™, который совместим со всеми новыми RM-1.

Время работы: 5 часов (постоянный режим)

25 часов (быстрый и импульсный режимы)

40 часов (мигающий режим)

Режим памяти освещения (последний включенный вами режим)

Аккумулятор Li-ion USB - заряжаемый

Вес около 41 гр. с креплением и аккумулятором

Клипса на одежду.

14) SOLAR (SL-LD210)CatEye

Велосипедист должен быть виден не только со спины, но и встречным потоком машин, не только ночью, но и днем - со включенным габаритным фонарем.

Один 5мм светодиод включается автоматически в мигающим режиме, при начале движения в темноте. Встроенная солнечная батарея производит зарядку в течение 2 часов в хороших погодных условиях и обеспечивает работу до 5 часов. Существуют модели фронтальной и задней установки, поставляется вместе с новым кронштейном Flextight ™. Вес 44 гр. вместе с кронштейном и аккумулятором

ДИНАМО - ФОНАРИ (ЖУЧКИ).

15) BLUE BIRD

3- светодиода, яркость 6 Лм, 3 режима, два постоянных (1LED и 3LED), один мигающий (3LED), работа после подзарядки: - около 40 минут (3LED); - около 90 минут (1LED), вес с креплением на руль 115г.

Впечатление:

Ну, очень удачный фонарик, ИМХО, и как габарит на велосипеде, так и для освещения в «ручном режиме» в палатке, на привале и вообще. В цивилизованных городских условиях, когда общее освещение есть и при хорошем зрении, может быть даже основным фонарем, особенно если дорога известна. Динамка крутиться легко, не сильно шумит, аккумулятор заряжается быстро. Светит хорошим белым светом. ОК!

16) Зарядное устройство Energenie EG-PC-005 для мобильных телефонов с ручным приводом и фонариком. Устанавливается на велосипеде.

Энергия вырабатывается при помощи динамо-машинки с рукояткой. Вращение рукоятки в течение трех минут заряжает мобильный телефон как минимум на 8 минут разговора. Вращение рукоятки в течение 10 минут обеспечивает яркий свет фонарика как минимум в течение 50 минут.

Технические характеристики

• Исходящее напряжение - 4,0-5,5V
• Исходящий ток до 400 mA
• Встроенный Ni-MH перезаряжаемый аккумулятор 80 mAH допускает, как минимум 500 полных перезарядок
• 2 фонарика:
  -головной: светодиодный, при максимальном заряде освещает до 10метров.
  -задний: красный светодиод.
• Два режима: постоянное свечение (3LED), - стробоскоб (3LED)
• Вес нетто 0,2 кг
  Комплект поставки

• Зарядное устройство Energenie EG-PC-005 для мобильных телефонов с ручным приводом, устройством крепления на велосипеде и передним фонариком
• задний фонарик с 1,2м кабелем
• кабель для телефонов Nokia
• 6 адаптеров для других телефонов

Впечатление:

Неплохой габарит, годится для освещения в палатке и для всяких хозяйственных нужд. Светодиоды не самые лучшие - с явным синеватым оттенком, что не есть гут. К сожалению, аккумулятор с некоторым трудом справляется с двойной нагрузкой (3 LED ) впереди и красный габарит сзади - и достаточно быстро «садиться». Пришлось отключить и выкинуть красный задний габарит и, ИМХО, стало получше (подольше). Рычаг динамки крутиться легко, шума не много, собственный аккумулятор заряжается без проблем. Приходилось заряжать в походных условиях и мобильник и электронную книгу. При некотором упорстве и терпении сделать это можно, но придется потрудиться. Когда фонарь работет на внешнюю нагрузку, усилие на рычаге значительно возрастет и приходиться слегка попотеть. Но общая оценка данного дивайса - полезная вещь.

17) Зарядное устройство Energenie EG-SC-001 для мобильных телефонов с аккумулятором, заряжаемым от света и от электросети и со встроенным светодиодным фонариком.

Наличие USB разъема позволяет быстро заряжать встроенный аккумулятор оснащённый защитой от перезаряда, глубокого разряда, перегрузки и короткого замыкания. В случае разряда аккумулятора срабатывает система оповещения. Имеет встроенный светодиодный фонарик.

Заряжает следующие мобильные телефоны и снабжен следующими разъемами: Nokia 6101 и 8210 серий, Samsung A288 серии, Mini USB 5pin, Sony Ericsson K750 серии, Micro-USB.

Солнечные элементы Energenie EG-SC-001 позволяет заряжать мобильные устройства в походе, разумеется в солнечную погоду.
Технические характеристики

• исходящее напряжение - 5,4V
• исходящий ток до 1400 mA
• встроенный Li-ion перезаряжаемый аккумулятор 2000 mAH допускает, как минимум 500 полных перезарядок
• встроенный USB разъем 5-6V
• яркий светодиодный фонарик
• размеры: 116*49*26 мм
• вес 130 г

Комплект поставки

• Зарядное устройство
• AC220V-DC5V USB Адаптер питания A черный
• 5 переходников для зарядки мобильных телефонов
• Соединительный USB кабель.

Please enable JavaScript to view the

Существует два распространенных пути получения белого цвета свечения достаточной интенсивности с помощью светодиодов. Первый - это объединение в одном корпусе светодиода чипов трех основных цветов - красного, зеленого и синего. Смешением этих цветов получается белый цвет, кроме того, меняя интенсивность основных цветов, получается любой цветовой оттенок, что применяется при изготовлении . Второй путь - использование люминофора для конвертирования излучения синего или ультрафиолетового светодиода в белый цвет. Подобный принцип используется в лампах дневного света. В настоящее время, второй способ превалирует из-за низкой стоимости и бóльшего светового выхода люминофорных светодиодов.

Люминофоры

Люминофоры (термин происходит от латинского lumen - свет и греческого phoros - несущий), это вещества, способные светиться под действием различного рода возбуждений. По способу возбуждения различают фотолюминофоры, рентгенолюминофоры, радиолюминофоры, катодолюминофоры, электролюминофоры. Некоторые люминофоры бывают смешанных типов возбуждения, например, фото-, катодо- и электролюминофор ZnS·Cu. По химической структуре различают органические люминофоры - органолюминофоры, и неорганические - фосфóры. Фосфóры, имеющие кристаллическую структуру, называют кристаллофосфóрами. Отношение излученной энергии к поглощённой называется квантовым выходом.

Свечение люминофора обуславливается как свойствами основного вещества, так и наличием активатора (примеси). Активатор создает в основном веществе (основании) центры свечения. Наименование активированных люминофоров складывается из имени основания и активатора, например: ZnS·Cu,Co означает люминофор ZnS, активированный медью и кобальтом. Если основание смешанное, то перечисляют сначала названия оснований, а затем активаторов, например, ZnS,CdS·Cu,Со.

Возникновение у неорганических веществ люминесцентных свойств, связано с образованием в кристаллической решетке основы люминофора в процессе синтеза структурных и примесных дефектов. Энергия, возбуждающая люминофор, может поглощаться как люминесцентными центрами (активаторное или примесное поглощение), так и основой люминофора (фундаментальное поглощение). В первом случае, поглощение сопровождается либо переходом электронов внутри электронной оболочки на более высокие энергетические уровни, либо полным отрывом электрона от активатора (образуется «дырка»). Во втором случае, при поглощении энергии основой, в основном веществе образуются дырки и электроны. Дырки могут мигрировать по кристаллу и локализоваться на центрах люминесценции. Излучение происходит в результате возвращения электронов на более низкие энергетические уровни или при рекомбинации электрона с дыркой.

Люминофоры, в которых люминесценция связана с образованием и рекомбинацией разноименных зарядов (электронов и дырок), получили название рекомбинационных. Основой для них служат соединения полупро­водникового типа. В этих люминофорах кристаллическая решетка основы является той средой, в которой развивается процесс люминесценции. Это дает возможность, изменяя состав основы, широко варьировать свойства люминофоров. Изменение ширины запрещенной зоны при использовании одного и того же активатора плавно в больших пределах изменяет спектральный состав излучения. В зависимости от применения, предъявляются различные требования к параметрам люминофора: типу возбуждения, спектру возбуждения, спектру излучения, выходу излучения, временным характеристикам (времени нарастания свечения и длительности послесвечения). Наибольшее разнообразие параметров можно получить у кристаллофосфоров, меняя активаторы и состав основания.

Спектр возбуждения различных фотолюминофоров широк, от коротковолнового ультрафиолетового до инфракрасного. Спектр излучения также находится в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях. Спектр излучения может быть широким или узким и сильно зависит от концентрации люминофора и активатора, а также от температуры. Согласно правилу Стокса - Ломмеля, максимум спектра излучения смещен от максимума спектра поглощения в сторону длинных волн. Кроме того, спектр излучения обычно имеет значительную ширину. Это объясняется тем, что часть энергии, поглощаемой люминофором рассеивается в его решетке, переходя в тепло. Особое место занимают «антистоксовские» люминофоры, которые излучают энергию в более высокой области спектра.

Энергетический выход излучения люминофора зависит от вида возбуждения, его спектра и механизма преобразования. Он снижается при увеличении концентрации люминофора и активатора (концентрационное тушение) и температуры (температурное тушение). Яркость свечения нарастает с начала возбуждения в течение различного промежутка времени. Длительность послесвечения определяется характером преобразования и временем жизни возбуждённого состояния. Наиболее короткое время послесвечения имеют органолюминофоры, наиболее длительное - кристаллофосфоры.

Значительная часть кристаллофосфоров представляет собой полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны 1-10 эв, люминесценция которых обусловлена примесью активатора или дефектами кристаллической решётки. В люминесцентных лампах применяются смеси кристаллофосфоров, например, смеси MgWO4 и (ZnBe)2 SiO4·Mn] или однокомпонентные люминофоры, например галофосфат кальция, активированный Sb и Mn. Люминофоры для целей освещения подбираются так, чтобы их свечение имело спектральный состав, близкий к спектру дневного света.

Органические люминофоры могут обладать высоким выходом и быстродействием. Цвет люминофора может быть подобран для любой видимой части спектра. Они применяются для люминесцентного анализа, изготовления люминесцирующих красок, указателей, оптического отбеливания тканей и т.д. Органические люминофоры выпускались в СССР под торговой маркой люминоры.

Люминофор в процессе работы подвержен изменению параметров с течением времени. Этот процесс называется старением (деградацией) люминофора. Старение в основном обусловлено физическими и химическими процессами как в слое люминофора, так и на его поверхности, возникновение безызлучательных центров, поглощение излучения в изменившемся слое люминофора.

Люминофор в светодиоде

Белые светодиоды чаще всего изготавливаются на основе синего кристалла InGaN и желтого люминофора. Желтые люминофоры, применяемые большинством производителей, это модифицированный иттрий-алюминиевый гранат, легированный трехвалентным церием (ИАГ). Спектр люминесценции этого люминофора характеризуется максимумом длины волны 530..560 нм. Длинноволновая часть спектра имеет бóльшую протяженность, чем коротковолновая. Модифицирование люминофора добавками гадолиния и галлия, позволяет сдвигать максимум спектра в холодную область (галлий) или в теплую (гадолиний).

Интересны спектральные данные люминофора, применяемого в Cree. Судя по спектру, кроме ИАГ в состав люминофора белого светодиода добавлен люминофор со смещенным в красную область максимумом излучения.

В отличие от люминесцентных ламп, используемый в светодиодах люминофор имеет бóльший срок службы, и старение люминофора определяется в основном температурой. Люминофор чаще всего наносят непосредственно на кристалл светодиода, который сильно нагревается. Другие факторы воздействия на люминофор имеют значительно меньшее значение для срока службы. Старение 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 с изменением свойств люминофора, и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение светодиодного чипа. С внедрением технологии (remote phosphor), влияние температуры на скорость деградации люминофора снижается.

Комнатным растениям не всегда хватает света в домашних условиях. Без этого их развитие будет замедленным или неправильным. Чтобы этого избежать, можно установить светодиоды для растений. Именно такая лампа способна дать необходимый спектр цвета. широко распространены для освещения теплиц, оранжерей, в садах закрытого типа и аквариумах. Они хорошо заменяют солнечный свет, не требуют больших затрат и имеют большой срок службы.

Фотосинтез растений - это процесс, который проходит при достаточном освещении. Также правильному способствуют следующие факторы: окружающая температура, влажность, спектр освещённости, длительность дня и ночи, достаточность углерода.

Определение достаточности света

Если решено установить светильники для растений, то сделать это нужно максимально правильно. Для этого нужно определиться с тем, каким именно растениям не хватает луча, а каким он будет излишним. Если проектируется освещение в теплице, то надо предусмотреть зоны с разным спектром. Дальше следует определить количество самих светодиодов. Профессионалы это делают специальным прибором - люксметром. Своими силами произвести расчёт тоже можно. Но придётся немного покопаться и спроектировать нужную модель.

Если проект делается для теплицы, есть одно универсальное правило для всех видов источников света. Когда высота подвеса увеличивается, то освещённость уменьшается.

Светодиоды

Спектр цветового излучения имеет большое значение. Оптимальным решением будут являться красные и синие светодиоды для растений в пропорции два к одному. Сколько ватт будет иметь устройство, не имеет большого значения.

Но чаще применяют одноваттные. Если будет необходимость устанавливать диоды самостоятельно, то лучше приобрести готовые ленты. Закрепить их можно с помощью клея, кнопок или винтов. Всё зависит от предусмотренных отверстий. Производителей такой продукции очень много, лучше выбирать известного, а не безликого продавца, который не сможет дать гарантии на своё изделие.

Длина световых волн

Спектр естественного солнечного света содержит и синий, и красный цвет. Они позволяют растениям развивать массу, расти и плодоносить. При облучении только синим спектром с длиной волны 450 нм, представитель флоры будет низкорослым. Такое растение не сможет похвалиться большой зелёной массой. Плодоносить оно также будет плохо. При поглощении красного диапазона с длиной волн 620 нм оно будет развивать корни, хорошо цвести и давать плоды.

Плюсы светодиодов

При освещении растения оно проходит весь путь: от ростка до плодов. Одновременно за это время при работе люминесцентного прибора произойдёт только цветение. Светодиоды для растений не нагреваются, поэтому нет необходимости в частом проветривании помещения. Кроме того, отсутствует возможность теплового перегрева представителей флоры.

Незаменимы такие светильники для выращивания рассады. Направленность спектра излучения способствует тому, что побеги крепнут за короткое время. Плюсом является и низкое потребление электроэнергии. Светодиоды уступают только Но они в десять раз экономнее Светодиоды для растений служат до 10 лет. - от 3 до 5 лет. Установив такие светильники, долгое время не придётся беспокоиться об их замене. Такие лампы не имеют в своём составе вредных веществ. Несмотря на это, их применение в теплицах очень предпочтительно. Рынок на сегодняшний день представляет большое количество разнообразных конструкций подобных светильников: их можно подвесить, укрепить на стене или потолке.

Минусы

Для увеличения интенсивности излучения, светодиоды собирают в большую конструкцию. Это является недостатком только для маленьких помещений. В крупных теплицах это несущественно. Недостатком можно считать высокую стоимость по сравнению с аналогами - люминесцентными лампами. Разница может достигать восьмикратного значения. Но диоды себя окупят после нескольких лет службы. На них можно значительно экономить электроэнергию. Снижение свечения наблюдается по истечении гарантийного срока. При большой площади теплицы нужно больше точек освещения по сравнению с другими видами ламп.

Радиатор для светильника

Необходимо, чтобы от устройства отводилось тепло. Лучше это сделает радиатор, который изготовлен из алюминиевого профиля или стального листа. Меньших трудозатрат потребует использование П-образного готового профиля. Рассчитать площадь радиатора несложно. Она должна быть не меньше 20 см 2 на 1 Ватт. После того как подобраны все материалы, можно собрать всё в одну цепь. Светодиоды для роста растений лучше чередовать по цветам. Таким образом, получится равномерное освещение.

Фитосветодиод

Такая новейшая разработка, как фитосветодиод, способна заменить обычные аналоги, светящие только в одном цвете. Новый аппарат в одном чипе собрал в себе необходимый спектр светодиодов для растений. Он нужен для всех этапов роста. Самая простая фитолампа обычно состоит из блока со светодиодами и вентилятора. Последний, в свою очередь, может регулироваться по высоте.

Лампы дневного света

Люминесцентные лампы долгое время оставались на пике популярности в бытовых садах и огородах. Но такие светильники для растений не подходят по цветовому спектру. Их всё больше заменяют фитосветодиодные или люминесцентные лампы специального назначения.

Натриевый

Такой сильный по насыщенности свет, как у натриевого аппарата, не подойдёт для размещения в квартире. Его применение целесообразно в больших теплицах, садах и оранжереях, в которых производится освещение растений. Минусом таких ламп является их малая производительность. Они две трети энергии преобразовывают в тепло и лишь малая часть идёт на световое излучение. Кроме того, красный спектр такой лампы интенсивнее, чем синий.

Делаем устройство самостоятельно

Самый простой способ изготовить лампу для растений - воспользоваться лентой, на которой расположены светодиоды. Нужна она красного и синего спектров. Они будут подключаться к блоку питания. Последний можно приобрести там же, где и ленты, - в строительном магазине. Также необходимо крепление - панель, размером с площадь освещения.

Изготовление начинать следует с очищения панели. Далее, можно приклеить диодную ленту. Для этого надо удалить защитную плёнку и липкой стороной приклеить к панели. Если придётся резать ленту, то её куски можно соединить при помощи паяльника.

Светодиоды для растений не нуждаются в дополнительной вентиляции. Но если само помещение мало проветривается, то целесообразно установить ленту на металлический профиль (например, из алюминия). Режимы освещения для цветов в комнате могут быть такими:

• для растущих далеко от окна, в затенённом месте достаточно будет 1000-3000 лк;
• для растений, что нуждаются в рассеянном свете, значение будет составлять до 4000 лк;
• представители флоры, которые нуждаются в прямом освещении, - до 6000 лк;
• для тропических и тех, которые плодоносят, - до 12 000 лк.

При желании видеть комнатные растения в здоровом и красивом виде, надо тщательно удовлетворять их потребность в освещённости. Итак, мы выяснили преимущества и недостатки для растений, а также спектр их лучей.

В последнее время был поднят ажиотаж вокруг светодиодных ламп, которые должны заменить собой обычные лампы Ильича. И как поведал главный нанотехнолог России, такие лампы скоро поступят в продажу в Москве и Санкт-Петербурге. Конечно, всё было обставлено с пафосом: первым оценил новинку В.В.Путин. Мне удалось достать лампочку от «Оптогана» одним из первых, к тому же в руках у меня оказались ещё одна лампочка российского производства («СветаLED» или «SvetaLED»), правда побитая жизнью, но рабочая, и китайский NoName, которую с лёгкостью можно купить на ebay или dealextreme.com.

Когда мне в руки попадает хоть какой-либо мало-мальски ценный и интересный предмет (от теней для век до процессора или , мне сразу хочется его разобрать и заглянуть внутрь, увидеть, как это всё устроено и работает. Видимо, это и отличает учёных от обывателей. Согласитесь, какой нормальный человек будет разбирать лампочку за 1000 рублей, но что поделать – партия сказала: надо!

Часть теоретическая

Как Вы думаете, почему все так озабочены заменой ламп накаливания , которые стали символом целой эпохи, на газоразрядные и светодиодные ?

Конечно, во-первых, это энергоэффективность и энергосбережение. К сожалению, вольфрамовая спираль больше излучает «тепловых» фотонов (т.е. свет с длинной волны более 700-800 нм), чем даёт света в видимом диапазоне (300-700 нм). С этим трудно спорить – график ниже всё расскажет сам за себя. С учётом того, что потребляемая мощность газоразрядных и светодиодных ламп в несколько раз ниже, чем у ламп накаливания при той же освещённости, которая измеряется в люксах . Таким образом, получаем, что для конечного потребителя это действительно выгодно. Другое дело – промышленные объекты (не путать с офисами): освещение пусть и важная часть, но всё-таки основные энергозатраты связаны как раз с работой станков и промышленных установок. Поэтому все вырабатываемые гигаватты уходят на прокатку труб, электропечи и т.д. То есть реальная экономия в рамках всего государства не так уж и велика.

Во-вторых, срок службы ламп, пришедших на замену «лампочкам Ильича», выше в несколько раз. Для светодиодной лампы срок службы практически неограничен, если правильно организован теплоотвод.

В-третьих, это инновации/модернизации/нанотехнологии (нужное подчеркнуть). Лично я ничего инновационного ни в ртутных, ни в светодиодных лампах не вижу. Да, это высокотехнологичное производство, но сама идея – это всего лишь логичное применение на практике знания о полупроводниках, которому лет 50-60, и материалов, известных около двух десятилетий.

Так как статья посвящена светодиодным лампам, то я более подробно остановлюсь на их устройстве. Давно известно, что проводимость освещённого полупроводника выше, чем проводимость неосвещённого (Wiki). Каким-то неведомым образом свет заставляет электроны бегать по материалу с меньшим сопротивлением. Фотон, если его энергия больше ширины запрещённой зоны полупроводника (E g), способен выбить электрон из так называемой валентной зоны и закинуть в зону проводимости.

Схема расположения зон в полупроводнике. E g – запрещённая зона, E F – энергия Ферми, цифрами указано распределение электронов по состояниям при T>0 ()

Усложним задачу. Возьмём два полупроводника с разным типом проводимости и и соединим вместе. Если в случае с одним полупроводником мы просто наблюдали увеличение тока, протекающего через полупроводник, то теперь мы видим, что этот диод (а именно так по-другому называется p-n-переход, возникающий на границе полупроводников с различным типом проводимости) стал мини-источником постоянного тока, причём величина тока будет зависеть от освещённости. Если выключить свет, то эффект пропадёт. Кстати, на этом основан принцип работы солнечных батарей .

На стыке полупроводников p и n типа возникающие после облучения светом заряды разделяются и «уходят» каждый к своему электроду ()

Теперь вернёмся к светодиодам. Получается, что можно провернуть и обратное: подключить полупроводник p-типа к плюсу на батарейке, а n-типа – к минусу, и… И ничего не произойдёт, никакого излучения в видимой части спектра не будет, так как наиболее распространенные полупроводниковые материалы (например, кремний и германий) – непрозрачны в видимой области спектра. Всему виной то, что Si или Ge являются не прямозонными полупроводниками . Но есть большой класс материалов, которые обладают полупроводниковыми свойствами и одновременно являются прозрачными. Яркие представители – GaAs (арсенид галия), GaN (нитрид галлия).

Итого, чтобы получить светодиод нам надо всего-то сделать p-n-переход из прозрачного полупроводника. На этом я, пожалуй, остановлюсь, ибо, чем дальше, тем сложнее и непонятнее становится поведение светодиодов.

Позволю себе лишь несколько слов о современных технологиях производства светодиодов. Так называемый активный слой представляет собой очень тонкие 10-15 нм толщиной перемежающиеся слои полупроводников p- и n-типа, которые состоят из таких элементов как In, Ga и Al. Такие слои эпитаксиально выращивают с помощью метода MOCVD (metal-oxide chemical vapor deposition или химическое осаждение из газовой фазы).

Схематичное представление устройства светодиода

Есть ещё одна проблема, которая мешает реализовать 100% конверсию (преобразование 1 электрона в 1 фотон) электричества, и заключается она в том, что даже такие тонкие слои полупроводников в определённой степени поглощают свет. Даже не то, чтобы сильно поглощают, просто свет «блуждает» внутри кристалла из-за эффекта полного внутреннего отражения на границе кристалл/воздух: увеличивается длина пути до выхода света из кристалла и, в конечном счёте, такой блуждающий фотон может поглотиться. Один из путей решения – использование структурированных подложек. Например, в современной светодиодной промышленности широко используется метод формованной сапфировой подложки. Такое микроструктурирование приводит к повышению эффективности светоотдачи всего диода ().

Для заинтересованных читателей могу предложить познакомиться с физикой , лежащей в основе работы светодиодов. Помимо этой интересной работы, выполненной в стенах родного МГУ, у Светланы и Оптогана есть прекрасная плеяда научных коллективов в самом Санкт-Петербурге. Например, ФизТех . А ещё можно почитать .

Часть методическая

Все измерения спектров ламп были сделаны в течение 30 минут (т.е. фоновый сигнал менялся слабо) в затемнённой комнате с помощью спектрометра Ocean Optics QE65000. можно почитать об устройстве спектрометра. Помимо 10 зависимостей на каждый вид ламп был измерен темновой спектр, который затем вычитали из спектров лампочек. Все 10 зависимостей для каждого образца суммировались и усреднялись. Дополнительно каждый итоговый спектр был нормирован на 100%.

Спектрометр Ocean Optics – отличный инструмент в умелых руках

Часть практическая

Итак, приступим. В наличии у нас есть шесть лампочек: 3 для полного разбора и ещё 3 для сравнения (так сказать контрольные образцы):
1. Лампочка Ильича
2. Лампочка Ильича М (т.е. газоразрядная лампа, формой повторяющая привычную лампочку Ильича)
3. Спираль Ильича (обычная газоразрядная лампа)
4. LED-лампа от «Оптогана»
5. LED-лампа от «СветаLED»
6. LED-лампа из Китая NoName

Все лампочки в сборе. Можем начинать!

Спектры

Ничего сверхъестественного тут мы не увидели. Лампочка Ильича безбожно пускает всё электричество в нагрев и цвет её то ли жёлтый, то ли оранжевый. Все ртутные лампы имеют полосатый спектр, который в человеческом глазе, как одновременное включение 3 пикселов (RGB) на экране (синие линии – ~420 нм, зелёные - ~550 нм, оранжевые и красные – всё, что выше 600 нм), преобразуется в белый.

Спектр трёх лампочек сравнения (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

А вот у светодиодных ламп спектр разительно отличается. Есть две компоненты: собственно, синяя от самого диода, и вторая, размазанная по всему спектру, – от люминофора или, по-русски, флуоресцентного красителя, который наносят на сами светодиоды и заливают сверху защитным слоем полимера. Соотношение между синим цветом диода и полосой эмиссии (испускания) люминофора определяет цветовую температуру лампы. Мы можем видеть, что у «Оптогана» самый тёплый свет, а у Китая самый холодный. Выгодно использовать 1 люминофор для регулирования цветовой температуры, таким образом, толщина слоя люминофора в купе с мощностью светодиода и определяет цветовую температуру. Стоит отметить, что в лампочках из Китая и от «Светланы» используется, по всей видимости, один и тот же люминофор, а вот «Оптоган» применяет свой собственный (существенное отличие максимума полосы испускания люминофора).

Сравнение спектров светодиодных ламп и традиционной лампы Ильича (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Лампочка от Светланы нам досталась в поломанном виде, и спектр мы снимали уже без матового стекла. Однако позвольте продемонстрировать аналогичную ситуацию на примере лампы из Китая, благо их было две штуки. Нормированные спектры мало различаются между собой, а небольшое увеличение интенсивности можно списать на то, что более длинноволновое излучение лучше рассеивается на матовом стекле.

Сравнение ламп китайского производства с и без стеклянной колбы (для сравнения под шкалой представлена часть спектра, которая воспринимается человеческим глазом)

Если кому-то будет интересно, то представлено довольно обстоятельное моделирование характеристик светодиодов.

Цена, материалы и характеристики

Трёх девиц под окном ломали поздно вечерком… Слева направо: Оптоган, СветаLED и NoName Китай

Китайский NoName

Лампочка из Китая была заказана через dealextreme.com и доставлена в Россию в течение 2 месяцев (сами понимаете, Почта России). Её стоимость около 14$ или примерно 420 рублей, включая доставку. Цветовая температура 5000-6000К, что соответствует белому холодному свету. Размеры совпадают с обычной лампочкой Ильича. Материал «колбы» - матовое стекло. На мой взгляд, идеальная замена обычной лампе накаливания, если бы цветовая температура была на 1000-2000К ниже указанной.

«Оптоган»

Лампочка была представлена простым смертным на специальной презентации . Дизайн от Артемия Лебедева, благородные материалы корпуса – поликарбонат и алюминий с фирменной символикой «Оптогана». Цветовая температура 3050 К. Очень мягкая и приятная лампа, но цена кусается – 995 рублей за штуку. Кому она нужна за такие деньги?!

Кстати, с качеством у Оптогана пока проблемы: тест на выносливость не проходит. Пару раз ввернул/вывернул и получил следующий результат:

Хлипкое крепление. Дамская лампочка, что тут ещё сказать!

«СветаLED»

LED-ламы этой фирмы пока ещё не появились на российском рынке, но говорят, что цена будет около 450-500 рублей. Однако ко мне в руки она попала, упакованной в стильную коробочку (видимо, какая-то пилотная партия), на которой значится температура 3500-4500К (это всё равно, что указать, что длина экватора от 35 000 км до 45 000 км). Радиатор запрятан под алюминиевым колпаком (мелочь, а приятно, как будто держишь в руках обычную лампочку Ильича, только немножко «переделанную»), а вокруг алюминиевого диска со смонтированными светодиодными модулями всё обильно замазано термопастой типа КТ-8. Говорят, что «Светлана» каким-то образом относится к военным, которые, видимо, живут по принципу Джейми Хайнемана : «Сомневаешься – смажь!». К примеру, у китайской лампы термопаста нанесена только под самими светодиодными модулями.

Те, кто нещадно бил лампочки «СветаLED» и NoName из Китая говорят, что стекло довольно хрупкое, и по качеству (чисто субъективная оценка) уступает лампочкам накаливания.

Так ковырялась лампочка…

На чипе лампы «Оптогана»
Тег #RusNT поставить надо!
И нам засветит #RusNT
И в сентябре, и в феврале
(с) АП

Небольшой фотоотчёт (видеокамера почему-то отказалась работать) о том, как мы разбирали лампочки:

К гламурному эксперименту надо подходить гламурно! (Хотя все совпадения цветов вымышлены)

Самое главное оружие – молоток, как же без него?!

Честно, я старался, но поликарбонат так и не поддался. Разрушалось всё, стол, линолеум, алюминиевый радиатор, но не поликарбонат, который в последствие был удалён отвёрткой. Но лампочка даже в полуразобранном состоянии продолжала гореть.

Далее пришлось очень долго ковырять драйвер, который залит каким-то полимером. В результате и драйвер, и гордость Оптогана – монолитный светодиодный чип – были извлечены на поверхность.

Драйвер

Ниже представлены все 3 драйвера вместе. Оцените сложность исполнения каждого из них…

Сверху вниз: «Оптоган», «СветаLED» и Китай

Начнём с самого нижнего. Китайский драйвер, честно говоря, мне понравился: мощные конденсаторы, катушки, немножко преобразующей электроники (диодный мост и т.д.). Всё выполнено очень компактно, из-за чего сама лампа имеет довольно скромные размеры. Также, большим плюсом является то, что все подводящие провода длинные, т.е. реально можно «отремонтировать» лампу! Или использовать драйвер после срока службы лампы в каких-то иных целях. Конечно, большинству обычных пользователей до этого нет дела, но всё-таки это можно отнести к потенциальным плюсам. Сама подложка со светодиодными чипами крепится на 2 миниатюрных болтика (ведь китайская же…), так что, в прямом смысле, с лампой можно обходиться как с конструктором.

Драйвер из китайской NoName LED-лампочки

Проводки действительно очень длинные…

Лампа производства компании «Оптоган» имеет очень сложный драйвер с твердотельными конденсаторами и, как меня убеждали специалисты, с импульсным блоком питания (хотя все светодиодные лампы должны иметь такой блок питания). При этом сам драйвер наравне со светоизлучающим модулем является «фишкой» фирмы и её основной гордостью. Ходят слухи, что компания будет вести R&D в области минимизации этого драйвера и, возможно, в ближайшем будущем уменьшит размер своей гигантской лампочки до приемлемых размеров.

Гордость «Оптогана» – драйвер и светоизлучающий модуль – рядом с главным фейлом – цоколем

«СветаLED». Назвать это драйвером язык не поворачивается. Даже у Китая есть какие-то «плюшки», которые улучшают потребительские свойства лампы (например, защищают от мигания), но здесь нет ничего ровным счётом, кроме диодного моста, предохранителя, огромнейшего конденсатора (10 мкФ, 450 В – много это или мало?! стоит сказать, что энергии, запасённой в конденсаторе, хватает на то, чтобы лампочка светила 1,5 минуты после отключения питания) и, по всей видимости, коммутатора нагрузки. Всё настолько просто и примитивно, что я сначала был слегка удивлён. Истинное детище сумрачного российского гения …

Тоже гордость…сумрачного российского гения

Возможно, что простота исполнения – козырь лампочки «СветаLED». Мерцания с частотой 50 Герц, скорее всего, среднестатистический глаз вряд ли увидит, да и неоткуда им там взяться, так как мощный конденсатор всё сглаживает, а люминофор и подавно не сможет так быстро высвечивать закачанную в него энергию (фосфоресценцию в сложных молекулярных красителях никто не отменял). Отсюда должна вытекать низкая стоимость лампы… хм, но где-то тут есть подвох, так как лампа планируется к выпуску по цене, близкой к китайскому аналогу с учётом разовой доставки в Россию!

N.B. Важно помнить, что помимо всего прочего важными и зависящими от устройства драйвера параметрами являются: коэффициент пульсаций, которые могут негативно влиять на умственную активность человека, и фоновое электромагнитное излучение, которое неизбежно возникает из-за использования различных «выпрямляющих» схем. Но это уже совсем другая история…

Светодиоды

Вот мы и дошли до самого лакомого кусочка нашего исследования. В Интернете есть множество публикаций (раз , два , три), где приводится сравнение спектров ламп разных производителей, их потребительских характеристик (дизайн, срок службы и т.д.), но сейчас мы опустимся чуть ниже, чтобы стать ближе к самим светоизлучающим элементам ламп. Сразу оговорюсь, что все 3 лампы примерно одной и той же мощности 5-6 Вт (если внимательно посмотреть технические характеристики лампы «Оптогана», то мы обнаружим изображение данного чипа , рассчитанный на 5 Вт, тогда как заявленная мощность лампы 11 Вт) и имеют примерно одинаковую светоизлучающую площадь. Итого мы имеем световой поток на Вт (люме н на Вт): Китай – 70-90, Оптоган – 65, Светлана – 75. Мне кажется, это важно, если уважаемые читатели захотят сравнить лампы между собой!

Если честно, то к китайскому светодиоду, именно к самому чипу, я проникся симпатией. Красота его внутреннего устройства просто восхитительна. Мне повезло: пока я отрывал все слои с этого светодиода, нечаянно повредил большой диод-чип, в результате чего обнажилась микроструктурированная сапфировая подложка:

Оптические микрофотографии китайского чипа вид сверху: золотистые полосы на чипе – токоподводящие контакты.

Слоистая структура светоизлучающего чипа при максимальном увеличении на оптическом микроскопе. Темная область соответствует сапфировой подложке. Стрелками отмечены отдельные слои или группы слоёв.

Кстати, сам чип изолирован от внешнего мира как минимум 3 слоями, но мне кажется, что их всё-таки там 4. Первый – полимер с люминофором, превращающий часть излучения в синей области спектра в жёлто-оранжевую. Второй – небольшой слой мягкого полимера, затем выпуклая оболочка (а-ля линза) из твёрдого полимера, и ещё два слоя из мягкого и твёрдого полимеров.

Мне хотелось бы отметить, что по сравнению с остальными лампами китайская максимально просто устроена. Всего 4 проводка соединяют большой чип с окружающим миром (у остальных ламп их гораздо больше), всего 1 светоизлучающий чип на диод, который уже непосредственно монтируется на плату, грамотно разведённые токоподводящие контакты на самом чипе, позволяющие равномерно по всей поверхности протекать электрическому току (что-то подобное есть и у «Оптогана»). Каких-то явных, существенных недостатков мне найти не удалось.

SEM-изображения структурированной сапфировой подложки

Слоистая структура выдаёт, что мы на правильном пути (следствие метода создания чипов - MOCVD), но разглядеть отдельные слои активной области вряд ли удастся…

Чип и контакты, которые его питают

Приступим к лампочке от «Оптогана». Самое странное, на мой взгляд, – расположение светоизлучающего модуля. По центру. И у Китая, и у «Светланы» несколько «миниатюрных» модулей мощностью по 1 Вт равномерно распределены по подложке, таким образом, теплоотвод от светодиодов этих фирм намного лучше, чем от модуля «Оптогана». Да, я прекрасно понимаю, что светодиодный модуль «Оптогана» выполнен из меди, она хорошо проводит тепло, а большой радиатор эффективно его рассеивает. Но лампочка от «Оптогана» имеет огромные размеры, которые, кстати, ещё и обусловлены тем, что надо как-то крепить поликарбонатную колбу, и влезет не в каждый патрон.

Такой светодиодный модуль устроен довольно просто: в шахматном порядке под полимерным слоем, окрашенным жёлто-оранжевым люминофором, расположены отдельные диоды, которые соединены друг с другом (схему соединения диодов и прочие технические детали можно найти ).

SEM-изображение отдельных светодиодов на подложке после удаления полимерного слоя

Сам же полимерный слой имеет довольно интересную структуру. Он состоит из маленьких (диаметр ~10 мкм) шариков:

Оптические микрофотографии «изнанки» полимерного слоя

Случайно получилось так, что один разрезанный микротомом диод остался в полимерном слое. Стоит отметить, что сам диод действительно прозрачен и сквозь него видны контакты на другой стороне чипа:

Оптические микрофотографии светодиода с тыльной стороны: отличная прозрачность для такого рода изделий

Полимерный слой настолько прочно приклеен как к самой медной подложке, так и к отдельным чипам, что после его удаления на поверхности диодов всё равно остаётся тонкий слой полимера. Ниже на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа можно во всей красе увидеть «скол» того самого активного слоя диода, в котором электроны «перерождаются» в фотоны:

SEM-изображения светоизлучающего слоя отдельного светодиода (стрелками указано расположение активного слоя)

А вот и текстурированный буферный слой, внимательно присмотритесь к правому нижнему изображению – оно нам ещё пригодится (стрелками указан буферный слой)

После неаккуратного обращения с чипом некоторые контакты повредились, а некоторые остались целыми

И последняя лампа – «СветаLED». Первое, что удивляет, – подложка со светодиодными модулями – внимание! – прикручена на здоровенный болтик к остальной лампе (прям как в Китае делали). Когда разбирал, думал, что может мешать «оторвать» её от остальной лампы, а потом увидел болтик… Кстати, на обороте этой алюминиевой подложки маркером! написан какой-то номер. Такое создаётся ощущение, что на заводе Светланы под Питером работают гастарбайтеры, которые собирают эти лампы вручную. Хотя нет, погодите, ведь лампочки производят военные… …

Мало того, что подложка со светодиодами прикручена на шурупчик, так на обратной стороне написан номер… МАРКЕРОМ – ручная работа…

Сами модули намертво посажены на алюминиевую подложку: оторвать целиком не получается. Видимо припаяны, чтобы улучшить теплопроводность. Здесь я много комментировать не буду, так как все комментарии приведены выше при обсуждении лампы «Оптогана».

Оптические микрофотографии светоизлучающего диода от компании Светлана: на изображении-вставке отчётливо видна микроструктура подложки

На заметку: удалось разглядеть, как соединены отдельные чипы в модуле от «Светланы». Последовательно, к моему великому разочарованию. Таким образом, если «перегорит» хотя бы 1 светодиод, то весь модуль перестанет работать.

SEM-изображения светоизлучающего диода от компании Светлана (стрелочками показана активная область). На левом верхнем рисунке добавлено изображение предполагаемых контактов так, как они должны были быть проложены в модуле (4 x3 диода).

Всё та же знакомая микроструктурированная сапфировая подложка…

Не вызывает ли эта картинка эффекта déjà vu?! Стрелочками указан буферный слой.

К сожалению, сайт компании, производящей лампы «СветаLED», выполнен истинными дизайнерами: много красивых картинок и мало смысла, нет нормальных дотошных спецификаций, как, например, на сайте «Оптогана» (кстати, он существует на двух доменах и COM с примерно одинаковым содержанием). К тому же, есть сайт, посвящённой только 1 лампочке , есть сайт собственно самой компании , но спецификации вообще почему-то лежат на совершенно ином ресурсе .

Скандалы, интриги, расследования…

Если кто-то дочитал до этого момента, то сейчас начнётся всё самое интересное. А именно, давайте я просто представлю на Ваш суд данные, которые мне показались интересными:
1. На этом рисунке я попытался привести фотографии с какими-то характерными особенностями диодов от «Светланы» и «Оптогана»:

2. Внимательно почитайте спецификацию на сайте «Оптогана» и на сайте «Светланы» . Модуль у «Светланы» имеет размеры 5 на 5 мм, 2 уголка на «крышке» срезаны под 45 градусов и т.д. – многое совпадает со спецификацией «Оптогана». Продолжающийся эффект déjà vu не мучает?! А может просто всё закупается на Тайване?!

И, конечно же, выводы

Готов ли быть патриотом и назвать лампу «отечественного» (например, у «Оптогана» чипы производятся в Германии) производства лучшей по совокупности всех факторов?! Пожалуй, что нет. Честно, светодиодная лампа китайского производства меня приятно порадовала: относительная простота схемы питания диодов, простые материалы, удачное размещение светодиодов на подложке. Проблема с цветовой температурой решаема, а вот единственный минус, который меня как покупателя смущает, это долговечность лампочки из Поднебесной.

Лампы «отечественного» производства, а в особенности, «Оптоган» как всегда «радуют» своей ценой. Я больше, чем уверен, что можно было бы начать с «кустарного» дизайна, дешёвых материалов (стекло вместо поликарбоната) и заполнить нишу бюджетных источников света (вроде как богачей в России не так уж много, или я чего-то не знаю?!). Но даже не это главное, готовых вложить 1000 рублей в лампочку и не думать об их покупке в течение нескольких лет найдётся не мало. Оставим внешнее поразительное сходство между модулями, меня больше заботит другое – сходство между отдельными светодиодными чипами (геометрические размеры, расположение, контакты и т.д.). Такое ощущение, что изготавливали их на оборудовании одной и той же фирмы, только версии этого оборудования отличаются как v.1.0 и v.1.1. Конечно, я понимаю, что самое главное в светодиоде – внутренняя структура активной зоны, но, согласитесь, трудно достать 1 чип размером 160 на 500 мкм (толщина человеческого волоса 50-80 мкм) и сравнить эмиссионные спектры у чипов «Оптогана» и «Светланы».

Тем не менее, если компании «Оптоган» доработает цоколь, уберёт дорогие материалы (поликарбонат), уменьшит размеры, заменит 1 мощный чип на несколько более простых и оптимизирует драйвер (короче, вы поняли – полностью переделает лампу), то у такой лампочки будут все шансы завоевать российский рынок, так как помимо указанных недостатков, есть и масса плюсов таких, как грамотное соединение диодов в модуле, умный «драйвер» и т.д. Спасибо технической документации.

Что же касается «Светланы», то кроме простейшего драйвера, который должен влиять на цену в сторону понижения, расположения светоизлучающих модулей на подложке, плюсов-то практически и нет. Техническая документация мутная, светодиоды соединены последовательно, что при «перегорании» 1 диода выводит целый модуль из строя (т.е. в нашем случае снижает световой поток на 12,5%), размазанная повсюду термопаста – всё это уверенности не добавляет. Но, это был всего лишь прототип, может быть, промышленные образцы будут лучше.

Данная статья не имеет целью очернение или наоборот превознесение продукции одних производителей над другими. Привожу только факты, а уж вывод делать вам! Как говорится, думайте сами, решайте сами…

Видео раздел

Спасибо большое OSRAM, что подготовил столь подробное видео о том, как производит светодиоды (правда, эта компании делает светодиоды по несколько иной технологии, нежели все нами изученные лампочки):

Процесс переноски светодиодных чипов внутрь пластикового корпуса:

А так на Тайване «фасуют» светодиодные чипы по пластиковым модулями с нанесением красителя и упаковкой в бобины:

Спектральные характеристики

Сами файлы для анализа можно скачать (надеюсь народюру не подведёт). За спектральные характеристики благодарим и его коллегу Антона(если коллеге нужен инвайт - пишите).

Если кратко, то:
Свет высшего качества у лампы накаливания (Ra=96). На втором месте традиционная и хорошо отработанная технология - люминисцентные лампы (Ra=82 и 85). На третьем светодиодные лампочки. Среди светодиодных лампочек места распределились ожидаемым образом - на первом месте немецко-российские лампочки Оптоган (Ra=80), на втором и третьем месте китайские лампочки (Ra=70) и российские лампочки Светлана (Ra=68).

P.S. В среду (26.10) начнётся Форум по нанотехнологиям

В-третьих , если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)

Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале - милости просим;)

Введение

Эффективность

Световая эффективность, измеряемая в люменах на ватт (лм/Вт, lm/W) - величина, используемая для определения эффективности преобразования энергии (в нашем случае - электрической) в свет. Обычные лампочки накаливания работают в диапазоне 10-15 лм/Bт. Несколько лет назад стандартной величиной эффективности светодиодов было приблизительно 30 лм/Bт. Но к 2006 году эффективность светодиодов белого свечения более чем удвоилась: один из передовых производителей, компания Cree, смогла продемонстрировать на опытных образцах показатель 70 лм/Вт, что представляет 43-процентное увеличение по сравнению с максимальной светоотдачей их серийных белых светодиодов. В декабре 2006 года фирма Nichia анонсировала новые светодиоды белого свечения с достигнутой эффективностью светоотдачи 150 лм/Вт. Данные образцы продемонстрировали световой поток 9,4 лм с цветовой температурой 4600 К при силе тока 20 мА в условиях лаборатории. Заявленная эффективность приблизительно в 11,5 раз выше таковой у ламп накаливания (13 лм/Вт), в 1,7 раза выше, чем у современных люминесцентных ламп (90 лм/Вт). Более того, превышен показатель натриевых ламп высокого давления (132 люмен/ватт), являющихся лучшим по эффективности источником света среди традиционных ламп.

Преимущества

Твердотельный белый свет (SSL - Solid State Light) все еще не является хорошо известным, несмотря на разнообразие способов его получения и реализации через светодиоды. Большинство компаний и проектировщиков знакомы только с традиционным аналоговым белым освещением, без реальной оценки выгодных и полезных альтернатив, обеспечиваемых применением светодиодов. Кроме легко прогнозируемых выгод, которые могут быть получены от твердотельного светодиодного освещения (экономия электроэнергии, длительный срок службы, и т.д.), следует обратить внимание на следующие специфические признаки светодиодов как новых источников белого света:

• малое тепловыделение и низкое питающее напряжение (гарантирует высокий уровень безопасности);
• отсутствие стеклянной колбы (определяет очень высокую механическую прочность и надежность);
• отсутствие разогрева или высоких пусковых напряжений при включении;
• безынерционность включения/выключения (реакция < 100 нс);
• не требуется преобразователь постоянного/переменного тока;
• абсолютный контроль (регулировка яркости и цвета в полном динамическом диапазоне);
• полный спектр излучаемого света (или, если требуется, специализированный спектр);
• встроенное светораспределение;
• компактность и удобство в установке;
• отсутствие ультрафиолетового и иных вредных для здоровья излучений;
• не применяется никаких опасных веществ, типа ртути.

Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Черный цвет - это отсутствие всех цветов. Когда свет от всех частей цветового спектра накладывается друг на друга (то есть все цвета присутствуют), совокупная смесь кажется белой. Это так называемый полихроматический белый свет. Основными цветами, из которых можно получить все оттенки, являются красный, зеленый и синий (RGB). Вторичные цвета, также называемые дополнительными: сиреневый (смесь красного и синего); голубой (смесь зеленого и синего); и желтый (смесь красного и зеленого). Любой дополнительный цвет и противоположный основной цвет также дают в сумме белый свет (желтый и синий, голубой и красный, сиреневый и зеленый).

Существуют различные способы получения белого света от светодиодов.

Первый - смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, синие и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. В другом, менее распространенном подходе, для получения белого света смешивается излучение светодиодов основных и вторичных цветов.

Во втором способе желтый (или зеленый плюс красный) люминофор наносится на синий светодиод, в результате два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

Третий способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносятся три люминофора, излучающих, соответственно, синий, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.

В основе четвертого способа получения белого света с помощью светодиодов, лежит использование полупроводника ZnSe. Структура представляет собой синий светодиод ZnSe, "выращенный" на ZnSe-подложке. Активная область проводника при этом излучает синий свет, а подложка - желтый.

Тип кристалла			Люминофор	Цвет излучения и возможные оттенки	Области применения
Синий и Зеленый				Белый + R, G, B и любые многоцветные комбинации	Подсветка ЖКИ, архитектура, ландшафт, табло и дисплеи
				Белый + B, Y и различные многоцветные оттенки
Сине-зеленый	Красный или красно-оранжевый			Белый + B, R и различные многоцветные оттенки	Автомобильное освещение, архитектура, ландшафт
Синие 470-450 нм				Только белый	Общее освещение и подсветка
Ультра-фиолетовый				Белый или различные монохроматические цвета в зависимости от используемого фосфора	Общее освещение и подсветка
		Синий / желтый		Белый + синий от эпитаксиального слоя, желтый от подложки	Общее освещение и подсветка

Какой же из способов лучше?

У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Технология смешения цветов в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока, пропускаемого через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством специальной программы. Таким же образом возможно получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, в связи с неравномерным отводом тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет "плывут" за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами (phosphor-converted LEDs) существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них, в принципе, не проблема попасть в точку с координатами (X=0,33, Y=0,33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе (как следствие, не контролируется цветовая температура); и в-третьих - люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Белые светодиоды ZnSe обладают рядом преимуществ. Они работают при напряжении 2,7 В и очень устойчивы к статическим разрядам. Светодиоды ZnSe позволяют излучать свет в гораздо более широком диапазоне цветовых температур, чем устройства на основе GaN (3500-8500 К по сравнению с 6000-8500 К). Это позволяет создавать приборы с более "теплым" свечением, которое предпочитают американцы и европейцы. Есть и недостатки: хотя излучатели на основе ZnSe имеют высокий квантовый выход, они недолговечны, имеют большое электрическое сопротивление и пока не нашли коммерческого применения.

Применение

Цветовая температура

Рассмотрим спектр излучения белого светодиода с люминофором как источника полихроматического света. Белые светодиоды позволяют делать выбор в широком диапазоне цветов от "теплого" белого цвета лампы накаливания до "холодного" люминесцентного белого, в зависимости от задач применения.

Эта диаграмма показывает полный диапазон белого от его более теплой области 2800 K, до холодной синевато-белой области 9000 К. Многие оттенки белого уже определены различными источниками света, используемыми в окружающем нас пространстве: офисный, прохладный синевато-белый свет люминесцентных ламп; домашний, желтовато-белый свет ламп накаливания; индустриальный, бриллиантовый сине-белый свет ртутных ламп; желто-белый свет от уличных натриевых ламп высокого давления.