Светодиодные источники повышенной яркости и белого света
Острая потребность в широкой номенклатуре информационных экранов, дисплеев, осветительных приборов обусловливает необходимость создания особо ярких светодиодов (ОЯ СИД) различной цветовой гаммы, в том числе белого свечения.
Зеленые, белые, синие ОЯ СИД изготовляются на структурах МЗаМ. Они имеют существенно большие прямые падения напряжения £/пр по сравнению с красными, желтыми и оранжевыми (табл. 4.5). Необходимость ограничения прямого тока объясняет целесообразность питания СИД от источников тока.
Для каждой конструкции СИД характерна определенная диаграмма излучения. Некорректно говорить о силе света, не определяя угол излучения, и наоборот. Следует обращать внимание, на каком уровне от 1Уюи фиксируется полный угол излучения.
Таблица 4.5. Типичные и максимальные значения Цр при токе 20 мА для СИД
|
Продолжение табл. 4.5
|
Дисперсия излучения не измеряется для каждого светодиода, поскольку это слишком трудоемкий процесс. В реальности наблюдаются значительные отклонения от справочных данных, особенно в случае узконаправленных (2()т < 10°) СИД. Типичная дисперсия для СИД типов КИПД87, КИПД89 и КИПД91 приведена на рис. 4.13
Сила Света, % КИЦД89, КИПД87, КИПД91 |
||||||||||
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Од 0,1 0 |
/ |
'Ч |
||||||||
/ |
Г |
N |
||||||||
/ |
1 |
|||||||||
/ |
1 |
|||||||||
1 |
1 |
|||||||||
) |
1 |
1 |
||||||||
1 / |
I |
|||||||||
/ |
1 |
|||||||||
' |
1 |
V |
||||||||
А |
1 |
/ |
N |
>— |
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Угол излучения, град. |
Рис. 4.13. Типичная диаграмма излучения
При выборе ОЯ СИД особое внимание уделяют типу колбы и конструкции. Колба должна быть прозрачной, если:
- требуется максимальная сила света при сравнительно небольшом (30°) угле излучения;
- СИД используется с вторичной оптикой (цветными и матовыми фильтрами) или в качестве локального исправления источника света, например как фонарик;
- прозрачная колба используется в СИД всевозможных подсветок и светодиодов.
Сила света, мкд |
Рабочий ток, мА |
Красно-зеленые (660/565), любые другие варианты |
Красный (660) |
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|
|
|||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|
||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|
||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|
||||
|
|||||
|
|||||
|
|||||
|
|
||||
|
|||||
|
Параметры особо ярких СИД красного и желтого цветов свечения в матовом окрашенном корпусе приведены в табл. 4.7. Они используют окрашенные рассеивающие линзы, излучающие световой поток, достаточный для изготовления недорогих информационных табло. Потенциальные возможности высокоэффективных структур позволяют получать силу света порядка 2 кд при токе не только 20 мА, но и 10 мА, что увеличивает надежность изделий на основе СИД.
Таблица 4.7. Основные характеристики ОЯ СИД красного и желтого цветов свечения в матовом окрашенном корпусе
|
Совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям — увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в работу советских ученых, в частности Ж. И. Алферова, еще в 1970-е гг., разработавшего так называемые многопереходные двойные гетероструктуры, позволяющие значительно увеличить внешний квантовый выход за счет ограничения активной области рекомбинации. Использовались гетероструктуры на основе арсенидов галлия-алюминия, при этом был достигнут внешний квантовый выход до 15% для красной части спектра (световая отдача до 10 лм/Вт) и более 30% — для инфракрасной.
Исследование других гетероструктур привело к созданию эффективных светодиодов, излучающих в других областях спектра. Так, светодиоды на основе фосфидов алюминия — галлия — индия (разработка компании Hewlett Packard) излучали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет. Они имели световую отдачу до 30 лм/Вт (и внешний квантовый выход до 55%), превосходя лампы накаливания. При этом необходимо понимать, что в отличие от ламп накаливания светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20...50 нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длинной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют квазимонохроматическим.
Современный мировой уровень технологий производства ОЯ СИД позволяет повсеместно заменять лампы накаливания более надежными и малопотребляющими источниками
Света. Мировые лидеры по производству СКД, такие фирмы, как Nichia и Lumileds, заявляют, что век ламп накаливания на исходе (им осталось жить менее 10 лет).
Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 30 лм/Вт, в то время, как красные светодиоды сегодня дают 30 мл/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds (совместное предприятие Agilent Technologies и Philips Lighting) обеспечивают 50 мл/Вт для красной и даже 65 мл/Вт для оранжево-красной части спектра. Впрочем, и это не рекорд — для желто-оранжевых светодиодов планка 100 мл/Вт уже взята.
Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Эту проблему решил в 1990-е гг. Ш. Накамура из компании Nichia Chemikal (а позднее и специалисты Hewlett Packard) с помощью гетероструктуры на основе нитрида индия — галлия InGaN.
В сине-зеленой области спектра удалось добиться внешнего квантового выхода до 20% и вплотную приблизиться по эффективности к люминесцентным лампам (световая отдача 70...90 мл/Вт).
Изобретение синих светодиодов сделало возможным создание светодиодов белого света. На данный момент существуют три способа получения белого света с помощью светодиодов.
Первый из них — смешивание в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и трехкристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.
На рис. 4.14 показана зависимость спектральной плотности излучения от длины волны, необходимая для получения белого света путем смешивания в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов.
Рис. 4.14. Получение белого света |
Основой более дешевого и распространенного светодиода белого света является полупроводниковый кристалл структуры InGaN, излучающий на длине волны 460...470 нм (синий свет) и нанесенный сверху на поверхность кристалла люминофор на основе YAG (иттрий — гадолиниевых гранатов), активизированный Ge3+, излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части.
На рис. 4.15 проиллюстрировано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.
Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет.
Такие светодиоды намного дешевле треулфисталълыу., обладают хорошей ■цветопередачей, а по светоотдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания.
Рис. 4.15. Получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора |
Еще один метод получения белого света — возбуждение трехслойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра (УФ СИД).
На рис. 4.16 показано получение белого света с помощью светодиода и Ж/Д-люминофора.
Рис. 4.16. Получение белого света с помощью светодиода и RGB-люминофора: тонкие линии — характеристики трех люминофоров (R, G, В); толстая линия — результирующая характеристика |
Кристалл светодиода — практически точечный источник света, поэтому корпус может быть миниатюрным. Конструкция корпуса светодиода должна обеспечить минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном телесном угле. Кроме того, должен быть обеспечен эффективный отвод теплоты от кристалла. Самая распространенная конструкция светодиода — традиционный пятимиллиметровый корпус.
Световая отдача белого светодиода Luxeon III при номинальном прямом токе 1„р = 0,7 А составляет 25 мл/Вт, световой поток при этом равен 65 лм.
Светоотдача Luxeon III уже превосходит светоотдачу классических и галогенных ламп накаливания, и в ближайшее время компания Lumileds Lighting планирует вплотную подойти к светоотдаче люминесцентных ламп 80... 100 лм/Вт.
4.1. Укажите, какая длина волны А, соответствует видимой области света:
А) 0,1 мкм; б) 0,5 мкм; в) 1 мкм; г) 2 мкм?
4.2. Какое напряжение пробоя {/проб типично для светодиодов:
А) 2 В; б) 10 В; в) 20 В; г) 40 В?
4.3. От чего зависит частота излучения светодиода:
А) напряжения;
Б) прямого тока;
В) ширины запрещенной зоны;
Г) обратного напряжения?
4.4. При каком напряжении светодиод эффективно излучает свет:
А)иобр = 5В; б)ипр = 5В; в)иобр = 2В; г)ипр = 2В?
4.5. Укажите номер, который соответствует красному СИД (рис. 1):
А) СаАвбоР«:
Б) СаА835Р65К;
В) ОаАвиРвбЫ;
Г) ОаРЫ?
4.6.
Р+ |
Укажите кривую, которая соответствует оранжевому СИД (см. рис. 1).
4.7.
^***" **^ |
Какая конструкция отличается простотой, но имеет малые значения коэффициента вывода оптического излучения (рис. 2).
4.8. Какие конструкции отличается хорошим коэффициентом вывода оптического излучения (см. рис. 2)?
4.9.
Їді /»»чА |
Какие конструкции используют пластмассовые линзы, повышающие эффективность вывода оптической энергии (см. рис. 2)?
4.10.
Рис. 2 |
Какая конструкция улучшает диаграмму направленности торцевого излучения (см. рис. 2)?