Что является источником света в светодиоде

Источники света

На данный момент существует 5 типов источников света:

Лампы накаливания
Галогенные лампы
Люминесцентные лампы
Лампы высокого давления
Светодиодные лампы

Рассмотрим каждый из них подробнее.

Лампы накаливания

Принцип действия данных источников света заключается в разогревании вольфрамовой спирали, помещенной в колбу. Практика показала, что большая часть энергии ламп накаливания расходуется не на освещение, а на нагрев. Как привило, срок службы их не превышает 1000 часов. Несмотря на то, что сегодня человечество постепенно отказывается от неэкономичных ЛН, в мире продается около 15 миллиардов таких источников освещения в год. Причиной тому является привычка и низкая стоимость изделия.

Галогенные лампы накаливания

Галогенные лампы – это современный тип ламп накаливания, который хорошо знаком дизайнерам интерьеров. Новые технологические решения, такие, как добавление в колбу лампы галогенидов, использование специального кварцевого стекла, отражателей, позволили галогенным лампам занять отдельный класс источников света. Благодаря установленным отражателем стало возможным управлять шириной «луча». Тем не менее, очевидным является недостаток данного источника света: нагрев при работе, что сужает область применения. Кроме того, «галогенки» характеризуются относительно непродолжительным сроком службы: 2000-4000 часов.

Люминесцентные лампы

Данные лампы представляют собой разрядные лампы низкого давления, выполненные в виде цилиндрической трубки с электродами, в которую закачаны пары ртути. Принцип действия заключается в появлении электрического разряда и воздействия его на пары ртути, которые излучают УФ-лучи, тем самым воздействуя на люминофор, нанесенный на стенки трубки. В свою очередь, люминофор излучает видимый свет. Главное преимущество таких источников света – длительный срок службы: до 20000 часов. Однако люминесцентные источники света зависят от температуры окружающей среды, что ограничивает область их использования.

Разрядные лампы высокого давления

Принцип действия заключается в свечении наполнителя, находящегося в разрядной трубке, под действием дуговых электрических разрядов. Характеристики данных источников света можно варьировать при изменении состава газа в камере нагнетания. Среди преимуществ разрядных ламп высокого давления можно выделить высокую световую отдача, относительную низкую стоимость и быстрые сроки окупаемости. Недостатком является невысокая стабильность параметров в течение срока эксплуатации, однако сегодня это преодолевается при помощи ламп с керамической горелкой.

Светодиодные лампы

Светодиодные источники света – это полупроводниковые приборы, состоящие их двух полупроводников, соединенных между собой. При прохождении тока, один из материалов получает излишек электронов, а другой – недостаток их. Электроны начинают переходить на вакантные места, генерируя тем самым свет и тепло. Сегодня светодиоды являются лидерами в автомобильной, авиационной технике и светосигнальной аппаратуре. Кроме того, они характеризуются высоким потенциальным сроком службы и возможностью настройки. Тем не менее, светодиодные источники света имеют и свои недостатки: эффективность и срок службы зависят от температуры соединения.

Светодиод — как источник света

Если разбить слово «светодиод» на составляющие, то мы получим «свето» и «диод». То есть это обычный диод, который еще и светится. Диод — это такой прибор, который лучше всего сравнить, например, с клапаном или ниппелем в автоколесе. Туда вы можете закачать воздух, а обратно — ниппель не пускает. Иными словами диод может пропускать заряженные частицы только в одном направлении. Обычный диод выглядит как черный бочонок с двумя выводами — плюсом и минусом.

Светодиод, или светоизлучающий диод — является полупроводниковым прибором с электронно-дырочным переходом (pnпереходом) или контактом металл-проводник, создающий оптическое излучение при прохождении электрического тока через него в прямом направлении. Кристалл светодиода создает оптическое излучение в довольно узком спектре. Его спектральные характеристики зависят в первую очередь от химического состава полупроводников, используемых при его изготовлении.

Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет. В случае с «белым» светодиодом, кристалл излучает синий цвет, проходит через люминофор желтого цвета (которым прорыт светодиод) и преобразуется в белый свет. (В обратном порядке происходит с солнечным светом, желтый свет Солнца проходит через синюю атмосферу Земли и преобразуется в белый свет).

Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами (Золото или серебро) и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

Как работает светодиод?

Электрический ток в виде электронов, проходя через светодиод, преобразуется в полупроводниковом кристалле в видимый свет и тепло.

Какой срок службы у светодиодов?

Если взять обычную лампу накаливания, то с ней все просто. Ее срок службы считается с момента, когда вы ее вкрутили и до того момента, когда она сгорела и вы выкинули ее в 13 мусорное ведро. Она может сгореть через 15 минут, а может и через 15 лет. Но в среднем, ее срок службы составляет 1000 часов.

Срок службы светодиодов намного больше, чем у ламп Со светодиодами не все так просто. Если мы включим светодиод и будем ждать, когда он потухнет, то можно потратить на это десятки лет.

Теоретически, светодиод — это вечный источник света. Так ли это на самом деле?

На самом деле, НЕ так. Светодиод со временем тускнеет. Связано это с тем, что в его кристалле содержатся вредные примеси, от которых невозможно полностью избавиться на этапе производства кристалла. Вот эти самые примеси, со временем изменяют структуру кристалла и он начинает деградировать. Это приводит к тому, что часть энергии он начинает преобразовывать в тепло, а не в свет. И светодиод начинает тускнеть. Поэтому, сроком службы светодиода принято считать время, в течении которого он потускнеет на 30% от своего первоначального состояния.

SMD и COB технология производства светодиодов и их отличие?

Кристалл с помощью специального клея монтируется на свое основание — теплоотводящую подложку. Подложка с кристаллом и выводами устанавливается на печатную плату. В процессе изготовления SMD светодиодов применяется большее количество слоев.

В процессе производства светильника массив кристаллов монтируются на единое основание — печатную плату. Далее, кристаллы покрываются общим слоем люминофора. Конструкция помещается в герметичный корпус, обеспечивающий ее защиту от воздействия окружающей среды и отвод тепла. В связи с большой площадью источника света увеличивается объем линзы, что усложняет и удорожает конструкцию. Меньше слоев между кристаллом и подложкой, лучше теплоотвод.

Вообще, технология COB появилась позднее SMD. Поэтому многие могут полагать, что это следующее поколение в светодиодах и COB превосходят все предыдущие решения. Однако все не так просто. В SMD-светодиодах кристаллы в количестве от 1 до 3 штук устанавливаются на керамические подложки, представляющие собой прямоугольники с размером сторон от 1 до 7 мм. Каждый SMD-светодиод индивидуально покрыт слоем люминофора. Конструкция SMDсветодиода предусматривает прямое соединение припоем контактных площадок подложки и монтажной платы.

Благодаря этому, производство светильников может быть полностью автоматизировано. Суть технологии COB заключается в размещении на плате кристаллов без корпусов и керамических подложек, а также покрытие этих кристаллов общим слоем люминофора. Кристаллы светодиодов при технологии COB расположены гораздо ближе друг к другу, чем при использовании SMD-светодиодов. Плотность размещения может достигать 70 кристаллов на 1 кв. см. К тому же, они имеют общее покрытие люминофором. Поэтому COB-матрица светится равномерно, в ней практически неразличимы отдельные точки.

При равной мощности размер COB-матрицы меньше, чем размер матрицы из SMDсветодиодов. Таким образом, основное преимущество COB — это возможность производства источника света с минимальной площадью свечения и большей мощности, что позволит использование различных отражателей, линз и рассеивателей.

При этом преимущество SMD светодиодов — более долгий срок службы, благодаря их малой мощности и простоте отвода тепла. Также технология корпусирования и калибровки SMD светодиодов исключает человеческий фактор, следовательно, и изделия из одной партии будут иметь крайне низкую погрешность. Таким образом, несмотря на новизну, технология COB менее надежна, чем технология SMD.

Преимущества светодиодов

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

— Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись и превзошли по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и металлогалогенными лампами, достигнув 160 Люмен на Ватт;

— Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);

— Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости;

— Спектр свечения современных светодиодов бывает различным — от тёплого белого (2700 К) до холодного белого (6500 К);

— Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутнофосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды;

— Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп);

— Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения, в отличие от люминесцентных ламп.

Десятка крупнейших производителей светодиодов

На 10 компаний, представленных в данном пункте, приходится более 68% мирового предложения светодиодов

Nichia Corporation (Используются при производстве ТМ Ферекс)- инженерно-химическая производственная компания со штаб-квартирой в Токусима, Япония. Специализируется на производстве и продаже люминофоров, в том числе светодиодов (LED), лазерных диодов, материалов для аккумуляторных батарей, а также хлористого кальция.

Samsung LED (ТМ Гранат, ТМ Geliomaster, ТМ Viled) — производитель светодиодной продукции из Южной Кореи. Осуществляет научные исследования и разработки, производство и продажу сапфировых подложек для светодиодов

Osram Opto Semiconductors — немецкая компания со штаб-квартирой в Регенсбурге. Является второй в мире по объему производства оптоэлектронных полупроводников. Одним из основных продуктов компании являются светоизлучающие диоды (СИД).

LG Innotek (ТМ Viled, ТМ Geliomaster) — подразделение группы компаний LG. Занимается производством компонентов светоизлучающих диодов (LED). На основе ее компонентов создаются яркие и энергосберегающие лампы освещения и другие продукты, которые функционируют с меньшими затратами.

Seoul Semiconductor (ТМ Geliomaster) — корейская компания по производству светодиодных устройств. Компания производит корпуса для светодиодов. Общая мощность производства составляет 4 млрд. корпусов в месяц.

Cree Inc. — многонациональной производитель полупроводниковых материалов и приборов со 16 штаб-квартирой в Дареме, США. Сейчас Cree производит высоковольтные SiC диоды Шотки с напряжением 300. 1700В и током до 20А по технологии ZERO RECOVERY с нулевым временем обратного восстановления, СВЧ полевые транзисторы, а также кристаллы для светодиодов и полупроводниковых лазеров синего и ультрафиолетового диапазона.

Philips Lumileds Lighting Company — является производителем широкого спектра светоизлучающих диодов (СИД).

Sharp — японская многонациональная корпорация. Линейка светодиодной продукции Sharp насчитывает более 100 осветительных модулей.

TG-Light Optoelectronic — тайваньский производитель светодиодов для осветительных ламп. Продукция TG-Light Optoelectronic включает в себя уличные фонари, лампы дневного света, настенные светильники, лампы для проекторов и все виды альтернативных источников света.

Everlight Electronics — тайваньская компания, которая производит светоизлучающие диоды (СИД). Это седьмая по объему производства компания в мире.

Источники света

Искусственные источники света — технические устройства различной конструкции, преобразовывающие энергию в световое излучение. В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция и др.).

Источники света, наиболее часто применяемые для искусственного освещения, делят на три группы — газоразрядные лампы, лампы накаливания и светодиоды. Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити. В газоразрядных лампах излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явлений люминесценции, которое невидимое ультрафиолетовое излучение преобразует в видимый свет.

В системах производственного освещения предпочтение отдается газоразрядным лампам. Использование ламп накаливания допускается в случае невозможности или экономической нецелесообразности применения газоразрядных.

Основные характеристики источников света:

· номинальное напряжение питающей сети U, B;

· электрическая мощность W, Вт;

· световой поток Ф, лм;

· световая отдача (отношение светового потока лампы к ее мощности) лм/Вт;

· срок службы t, ч;

· Цветовая температура Tc, К.

Лампы накаливания

Лампа накаливания — источник света, в котором преобразование электрической энергии в световую происходит в результате накаливания электрическим током тугоплавкого проводника (вольфрамовой нити). Эти приборы предназначаются для бытового, местного и специального освещения. Последние, как правило, отличаются внешним видом — цветом и формой колбы. Коэффициент полезного действия (КПД) ламп накаливания составляет около 5-10%, такая доля потребляемой электроэнергии преобразуется в видимый свет, а основная ее часть превращается в тепло. Любые лампы накаливания состоят из одинаковых основных элементов. Но их размеры, форма и размещение могут сильно отличаться, поэтому различные конструкции не похожи друг на друга и имеют разные характеристики.

Существуют лампы, колбы которых наполнены криптоном или аргоном. Криптоновые обычно имеют форму «грибка». Они меньше по размеру, но обеспечивают больший (примерно на 10%) световой поток по сравнению с аргоновыми. Лампы с шаровой колбой предназначены для светильников, служащих декоративными элементами; с колбой в форме трубки — для подсветки зеркал в стенных шкафах, ванных комнатах и т. д. Лампы накаливания имеют световую отдачу от 7 до 17 лм/Вт и срок службы около 1000 часов. Они относятся к источникам света с теплой тональностью, поэтому создают погрешности при передаче сине-голубых, желтых и красных тонов. В интерьере, где требования к цветопередаче достаточно высоки, лучше использовать другие типы ламп. Также не рекомендуется применять лампы накаливания для освещения больших площадей и для создания освещенности, превышающей уровень 1000 Лк, так как при этом выделяется много тепла и помещение «перегревается».

Несмотря на эти ограничения, такие приборы все еще остаются классическим и излюбленным источникам света.

Галогенные лампы накаливания

Лампы накаливания со временем теряют яркость, и происходит это по простой причине: испаряющийся с нити накаливания вольфрам осаждается в виде темного налета на внутренних стенках колбы. Современные галогенные лампы не имеют этого недостатка благодаря добавлению в газ-наполнитель галогенных элементов (йода или брома).

Лампы бывают двух форм: трубчатые — c длинной спиралью, расположенной по оси кварцевой трубки, и капсульные — с компактным телом накала.

Цоколи малогабаритных бытовых галогенных ламп могут быть резьбовыми (тип Е), которые подходят к обычным патронам, и штифтовые (тип G), которые требуют патронов другого типа.

Световая отдача галогенных ламп составляет 14-30 лм/Вт. Они относятся к источникам с теплой тональностью, но спектр их излучения ближе к спектру белого света, чем у ламп накаливания. Благодаря этому прекрасно «передаются» цвета мебели и интерьера в теплой и нейтральной гамме, а также цвет лица человека.

Галогенные лампы применяются повсюду. Лампы, имеющие цилиндрическую или свечеобразную колбу и рассчитанные на сетевое напряжение 220В, можно использовать вместо обычных ламп накаливания. Зеркальные лампы, рассчитанные на низкое напряжение, практически незаменимы при акцентированном освещении картин, а также жилых помещений.

Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы (ЛЛ) — разрядные лампы низкого давления — представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Эти лампы значительно меньше расходуют электроэнергию, чем лампы накаливания или даже галогенные лампы, а служат намного дольше (срок службы до 20 000 часов). Благодаря экономичности и долговечности эти лампы стали самыми распространенными источниками света. В странах с мягким климатом люминесцентные лампы широко применяются в наружном освещении городов. В холодных районах их распространению мешает падение светового потока при низких температурах. Принцип их действия основан на свечении люминофора, нанесенного на стенки колбы. Электрическое поле между электродами лампы заставляет пары ртути выделять невидимое ультрафиолетовое излучение, а люминофор преобразует это излучение в видимый свет. Подбирая сорт люминофора, можно изменять цветовую окраску испускаемого света.

Разрядные лампы высокого давления

Принцип действия разрядных ламп высокого давления — свечение наполнителя в разрядной трубке под действием дуговых электрических разрядов.

Два основных разряда высокого давления, применяемых в лампах — ртутный и натриевый. Оба дают достаточно узкополосное излучение: ртутный — в голубой области спектра, натрий — в желтой, поэтому цветопередача ртутных (Ra=40-60) и особенно натриевых ламп (Ra=20-40) оставляет желать лучшего. Добавление внутрь разрядной трубки ртутной лампы галогенидов различных металлов позволило создать новый класс источников света — металлогалогенные лампы (МГЛ) , отличающиеся очень широким спектром излучения и прекрасными параметрами: высокая световая отдача (до 100 Лм/Вт), хорошая и отличная цветопередача Ra=80-98, широкий диапазон цветовых температур от 3000 К до 20000К, средний срок службы около 15 000 часов. МГЛ успешно применяются в архитектурном, ландшафтном, техническом и спортивном освещении. Еще более широко применяются натриевые лампы . На сегодняшний день это один самых экономичных источников света благодаря высокой светоотдаче (до 150 Лм/Вт), большому сроку службы и демократичной цене. Огромное количество натриевых ламп используется для освещения автомобильных дорог. В Москве натриевые лампы часто из экономии используются для освещения пешеходных пространств, что не всегда уместно из-за проблем с цветопередачей.

Светодиоды

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток в световое излучение. Специально выращенные кристаллы дают минимальное потребление электроэнергии. Великолепные характеристики светодиодов (световая отдача до 120 Лм/Вт, цветопередача Ra=80-85, срок службы до 100 000 часов) уже обеспечили лидерство в светосигнальной аппаратуре, автомобильной и авиационной технике.

Светодиоды применяются в качестве индикаторов (индикатор включения на панели прибора, буквенно-цифровое табло). В больших уличных экранах и в бегущих строках применяется массив (кластер) светодиодов. Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и прожекторах. Так же они применяются в качестве подсветки жидкокристаллических экранов. Последние поколения этих источников света можно встретить в архитектурном и интерьерном освещении, а так же в бытовом и коммерческом.

· Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).

· Длительный срок службы.

· Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это — достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.

· Малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком.

· Безопасность — не требуются высокие напряжения.

· Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

· Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.

· Недостаток — высокая цена.

· Срок службы: среднее время полной выработки для светодиодов составляет 100000 часов, это в 100 раз больше ресурса лампочки накаливания.

Другие статьи

Цветовая температура

Под цветовой температурой мы понимаем насколько желтый или синий оттенок белого света имеет тот или иной источник света в зависимости от значения в градусах Кельвина. За нейтральную цветовую температуру принято считать диапазон 4000-5000К, теплый свет — 2000-3500К и холодный — 5200-10000К.

Газоразрядные лампы

Продолжая тему энергосберегающего освещения, стоит упомянуть такие распространенные источники света как газоразрядные лампы. К разрядным источникам света относятся: ртутные лампы, натриевые лампы низкого и высокого давления, металлогалогенные, а так же люминесцентные и ксеноновые лампы. Непосредственно, к энергосберегающим лампам относятся: НЛВД, МГЛ и ЛЛ.

Негативные факторы влияющие на выход из строя трековых светильников

Помимо очевидных причин, таких как: некачественные комплектующие (драйвера, светодиодные модули, соединительные элементы и корпуса приборов), есть косвенные причины, о которых мало кто задумывается, а зря, ведь они могут привести не только к выходу из строя осветительного оборудования, но и к более плачевным последствиям, например пожару в магазине.