22 июля 2013 года было принято соответствующее постановление от N 614 «О порядке установлении и применении социальной нормы потребления электрической энергии», в котором утверждено, что с 1 июля 2014 года "социальная норма потребления электроэнергии" будет введена на всей территории РФ. И согласно новой схеме, часть потребляемой электроэнергии - в пределах "социальной нормы" - будет оплачиваться по низким тарифам, все остальное - по рыночным ценам. Введение социальной нормы на электроэнергию будет стимулировать людей к более экономному ее потреблению, можно будет сдерживать темпы роста стоимости электроэнергии. Постоянно растущие потребности человечества в освещении требуют увеличения производства электроэнергии. Для этого необходимы дополнительные капиталовложения на строительство электростанций, выработку месторождений энергоносителей и последующую утилизацию растущих отходов производства. Вопрос об альтернативных высокоэффективных источниках освещения, способных удовлетворить спрос на освещение, не наращивая при этом производства и затрат на электроэнергию стоит очень остро.
Главными условиями новых источников света являются низкое энергопотребление и более высокий световой выход, долговечность и безопасность. Именно светодиоды, отвечающие всем этим требованиям, считаются основным претендентом на замену лампам накаливания и люминесцентным.
Мною в работе поставлена цель: изучить строение, характеристики, технологии изготовления светодиодов, и исследовать с помощью каких новых технологий в дальнейшем планируется удешевление СД.
Для её выполнения необходимо было решить следующие задачи:
Мною была изучена научная литература по данной теме, просмотрены сайты производителей светотехники. В ходе работы я рассмотрел:
Помимо полимерной подложки, в состав новых образцов входит тончайший слой из оксида тантала, который обеспечивает экрану высокий коэффициент преломления. Новая технология помогла ученым добиться высокого качества гибких дисплеев, по характеристикам сравнимых, и даже превосходящих, стандартные OLED-разработки.
3. Производство светодиодов на кремниевых подложках. Молодая компания Bridgelux нашла технологию, при которой нитрид галлия расширяется при скоростях больше, чем у кремния, но не смогла разработать технологию до конца. Эстафету перехватила известнейшая компания Osram, которая проблему разного теплового расширения между нитридом галлия и кремния решила следующим образом: выращивается дополнительная пленка ( алюминий и нитрид галлия ) вокруг нитрида галлия, на базе которого и делается светодиод. Это снижает колебания линейных размеров в период охлаждения. Данный вид подложек дает малое количество ростовых дефектов, что снижает стоимость светодиодов на 75 процентов как минимум.
4. Снижение затрат на трансформаторы напряжения и драйверы для светодиодных приборов
Я пришёл к выводу: Активное развитие технологий в этих направлениях в ближайшем будущем позволит удешевить стоимость светодиодных ламп до 5 долларов, против сегодняшних 40-50 и светодиоды станут доступны всем.
Вложение | Размер |
---|---|
issledovatelskaya_rabota_svetodiod-skazku_sdelat_bylyu.doc | 581.5 КБ |
Российская научная конференция школьников «Открытие»
Секция «Физика»
Исследовательская работа на тему:
«Светодиод- сказку сделать былью».
Работу выполнил:
ученик 10 класса
МБОУ «Харьковская средняя общеобразовательная школа
Ровеньского района Белгородской области»
Плужник Александр Александрович
руководитель:
учитель физики
Беденко Сергей Владимирович
Харьковское, 2013
Введение…………………………………………………………………………………………3
1.1 Строение и принципы работы светодиода……………………………………………….5
1.2 Цвет светодиода. Получение белого света с использованием светодиодов……………6
2.1 Технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей……………………...8
2.2 Новейшие технологии: полимерная подложка и тончайший слой из оксида тантала..9
2.3 Производство светодиодов на кремниевых подложках…………………………………10
3.1 Трансформаторы напряжения для светодиодных приборов…………………………….10
3.2 Рациональное применение драйверов…………………………………………………….11
Заключение……………………………………………………………………………………...12
Список использованных источников и литературы…………………………………………13
Приложение 1. Сравнительная характеристика различных источников света…………….14
Приложение 2. История создания и совершенствования светодиодов……………………..15
Приложение3. Характеристики светодиодов…………………………………………………19
Приложение 4. Где сегодня целесообразно применять светодиоды………………………..20
Введение
Прощай, родимая вольфрамовая лампочка! Твоя эпоха пролетела словно сон!
Ты ситуацию накаливала и разжигала электрическую рознь,
И слишком много забирала у нас тепла на свою роль!
Но вот светящийся диод из «сказки станет былью»,
И человечество вперёд пойдёт с экологической и экономической прибылью.
22 июля 2013 года было принято соответствующее постановление от N 614 «О порядке установлении и применении социальной нормы потребления электрической энергии», в котором утверждено, что с 1 июля 2014 года "социальная норма потребления электроэнергии" будет введена на всей территории РФ. И согласно новой схеме, часть потребляемой электроэнергии - в пределах "социальной нормы" - будет оплачиваться по низким тарифам, все остальное - по рыночным ценам.
По мнению властей, введение социальной нормы на электроэнергию будет стимулировать людей к более экономному ее потреблению, можно будет сдерживать темпы роста стоимости электроэнергии.
Постоянно растущие потребности человечества в освещении требуют увеличения производства электроэнергии. Для этого необходимы дополнительные капиталовложения на строительство электростанций, выработку месторождений энергоносителей и последующую утилизацию растущих отходов производства. Вопрос об альтернативных высокоэффективных источниках освещения, способных удовлетворить спрос на освещение, не наращивая при этом производства и затрат на электроэнергию стоит очень остро.
Главными условиями новых источников света являются низкое энергопотребление и более высокий световой выход, долговечность и безопасность.
Именно светодиоды, отвечающие всем этим требованиям, считаются основным претендентом на замену лампам накаливания и люминесцентным. [Приложение 1. Сравнительная характеристика различных источников света.]
В своей работе профессора Чон Кхю Ким и Фред Шуберт из политехнического института Ренсселера, опубликованной в журнале Optics Express, с размахом подошли к прогнозу будущего освещения твердотельных систем. Они попробовали выйти за рамки экономии электричества "для одного дома" и представить, каким будет наш мир, в котором светодиоды получат куда большее распространение, чем имеется ныне. А главное, они посчитали, каких технических высот нам следует ждать от тех же светодиодов в ближайшие годы. Почти два триллиона долларов - столько сэкономят землянам новые светодиоды за следующие 10 лет, при условии широкого их внедрения. В энергетических же единицах экономия выразится в 18,3 тераватт-часа. Сокращение выбросов CO 2 за это "светодиодное" десятилетие составит 11 гигатонн, а потребление нефти сократится почти на миллиард баррелей. И 280 среднестатистических электростанций можно будет закрыть.
Дело в том, что по достижении какой-то критической массы разработок в области светодиодов "взорвутся" не просто количественным, но качественным изменением жизни. Новые источники света - светодиоды - позволят сэкономить электроэнергию, оцениваемую миллиардами долларов, и решить часть экологических проблем, связанных с глобальным потеплением.
Ким и Шуберт пишут, что распространение светодиодов должно пойти намного дальше простых домашних ламп. Твердотельные излучатели способны изменить окружающую нас техногенную среду. Ведь в различных светодиодах можно с высокой точностью контролировать спектр, параметры расхождения пучка света, его поляризацию, колебания излучения по времени.
А это значит, что при содействии светодиодов можно лечить ряд заболеваний и проводить любопытные научные опыты, подстегивать рост растений в нетипичных для них условиях и создавать интерактивные безопасные дороги, и так далее. С такой гибкостью настроек - открыты все пути. Все это вместе ученые назвали "умное освещение". [Приложение 4. Где сегодня целесообразно применять светодиоды.]
При всех преимуществах, существуют и недостатки СД:
Мною в работе поставлена цель: изучить строение, характеристики, технологии изготовления светодиодов, и исследовать с помощью каких новых технологий в дальнейшем планируется удешевление СД.
Для её выполнения необходимо было решить следующие задачи:
1.1 Строение и принципы работы светодиода
Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы.
Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу. Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного p-n-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры. [2]
Совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям – увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в эту работу российских учёных, в частности, Ж.И. Алферова с сотрудниками, ещё в 70-е годы разработавших так называемые многопроходные двойные гетероструктуры, позволившие значительно увеличить внешний квантовый выход. [Приложение 2. История создания и совершенствования светодиодов]
Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход.
Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%. Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.
Электрические, оптические характеристики, чувствительность светодиода на повышение температуры, регулирование яркости светодиода смотрите в приложении 3. Характеристики светодиода.
1.2 Цвет светодиода. Получение белого света с использованием светодиодов
Цвет светодиода зависит исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны. История и технология создания синих, красных, жёлто-зелёных светодиодов изложена в приложении 2.
Способы получения белого света от светодиодов:
Первый - 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 "псевдобелый" свет.
Схема 1. Получение белого света путём смешивания излучения красного, зелёного и синего светодиодов
Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.
Схема 2. Получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB люминофора
И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.
Схема 3. Получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесённого на него слоя жёлтого люминофора
У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. В первом подходе технология RGB в принципе позволяет не только получить белый свет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. 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, из-за неравномерного отвода 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.
Во втором и третьем подходах белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле и позволяют получить хороший белый цвет. 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 и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. А еще - в состав его люминофора входит сложный композит, содержащий среди прочего иттрий и церий. Это одна из причин дороговизны осветительных белых светодиодов. [3]
Но недавно физики из г.Дюка открыли, что ультратонкий порошок оксида цинка (компонент детских присыпок) с добавкой в нужной пропорции серы при условии формирования правильной наноструктуры может эффективно трансформировать ультрафиолет в очень яркий и чистый белый свет. При этом в выходном излучении белый компонент оказался в 1000 раз ярче ультрафиолетового.
2.1 Технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей
Главное в технологии изготовления светодиодов - это выращивания кристаллов, эту технологию называют — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в p-области.
За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6 — 12 подложках диаметром 50 — 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5 - 2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой культуры.
Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и p-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24×0,24мм до 1×1мм.
Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.
Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board).
Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе. [13]
2.2 Новейшие технологии: полимерная подложка и тончайший слой из оксида тантала
Недавно, журнал Nature Photonics опубликовал результаты последних исследований ученых из Торонто, которым удалось изобрести дешевые и еще более гибкие органические светодиоды (OLED). В новой технологии стандартная подложка из тонкого гнущегося стекла заменена на полимерный материал, на который нанесены мельчайшие органические led светильники.
Ранее при производстве OLED-дисплеев в качестве подложки использовалось только специальное стекло с примесями тяжелых металлов. Это позволяло производить яркие и сверхконтрастные экраны, но отрицательно влияло на стоимость конечного продукта. Ведь именно высокая цена до сих пор тормозит начало массового появления данных моделей на рынке. В то же время, стандартные OLED-дисплеи достаточно тяжелые и хрупкие, что также можно отнести к их недостаткам.
Помимо полимерной подложки, в состав новых образцов входит тончайший слой из оксида тантала, который обеспечивает экрану высокий коэффициент преломления. Новая технология помогла ученым добиться высокого качества гибких дисплеев, по характеристикам сравнимых, и даже превосходящих, стандартные OLED-разработки. [14]
2.3 Производство светодиодов на кремниевых подложках
Несколько компаний по производству светодиодных ламп заявили о том, что внедряют в свои технологические процессы производства светодиодов кремниевые подложки, вместо сапфировых. Данный вид подложек дает малое количество ростовых дефектов, что снижает стоимость светодиодов на 75 процентов как минимум.
До настоящего времени кремниевая проблема состояла в том, что при осаждении нитридов галлия на подложку они могли трескаться во время охлаждающего процесса. Это сильно волновало производителей и только молодая компания Bridgelux нашла технологию, при которой нитрид галлия расширяется при скоростях больше, чем у кремния. Но это только половина решенной проблемы.
Проблема разного теплового расширения между нитридом галлия и кремния решена следующим образом: выращивается дополнительная пленка ( алюминий и нитрид галлия ) вокруг нитрида галлия. На базе которого и делается светодиод. Это снижает колебания линейных размеров в период охлаждения. [12]
3.1 Трансформаторы напряжения для светодиодных приборов
При разработке новых светильников оцениваются не только затраты на светодиоды, но и на остальные компоненты светильника.
Трансформаторы напряжения для светодиодных приборов выпускаются в нескольких вариантах на широкий диапазон параметра «Выходная мощность» - от 30 до 400 Ватт - по схеме импульсного преобразователя.
Первый - это влагозащищённый, лёгкий, имеющий небольшой вес, герметичный трансформатор напряжения в пластиковом корпусе. Поскольку его можно легко спрятать, этот прибор используется в подсветке интерьеров жилых помещений. Такие блоки питания для светодиодной ленты не бывают мощностью больше 75 Ватт.
Второй тип - также герметичный, но производится в алюминиевом корпусе. Используется, преимущественно, на открытом воздухе, например, для создания ландшафтного дизайна или для подсветки уличных вывесок. Такая сфера применения обусловлена надёжностью этих блоков питания и тем, что они хорошо защищёны от внешних воздействий - дождя, снега, низкой и, наоборот, высокой температуры при попадании прямых солнечных лучей.
Третий, он же самый дешёвый, - открытый блок питания для светодиодной ленты. Так как спрятать в нишу его невозможно, приборы данного типа обычно устанавливаются в специальные шкафы или в отсеки аппаратуры.
3.2 Рациональное применение драйверов
Чем больший ток проходит через светодиод, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени, тем он светит ярче. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя. Поэтому ток необходимо стабилизировать с помощью конвертора (или драйвера) для светодиода.
Драйвер светодиода – это микросхема, специально разработанная для питания и управления светодиодам. Чтобы преодолеть трудности в питании светодиодов, необходимо использовать драйвера со встроенными стабилизаторами тока, т.е. со стабилизаторами тока светодиода и как следствие стабилизацией яркости и цвета свечения.
Одно из самых распространенных заблуждений, это заблуждение о высокой стоимости применения драйверов. Там где драйвера действительно сильно влияют на стоимость конечного изделия – в светодиодных экранах – там они давно и с успехом применяются. Можно сказать, что отечественное внедрение драйверов и началось со светодиодных экранов и там - то они и составляют львиную долю себестоимости и эта «львиная доля» составляет всего 10-12%.
В других изделиях, начиная с бегущих строк и заканчивая приборами с семи-сегментными индикаторами, матрицами и индикаторными светодиодами, влияние не столь велико, а иногда применение драйверов и более эффективно, особенно когда используются микроконтроллеры для управления светодиодами. Да и низкая стоимость драйверов не оказывает существенного влияния на себестоимость таких изделий, а качественные показатели увеличиваются значительно.
Исходя из того, что каждая стандартная схема управления светодиодами имеет логические микросхемы, транзисторы, резисторы, а иногда и микроконтроллеры - их себестоимость надо вычесть из себестоимости изделия, учитывая изменение себестоимости, уменьшаются затраты драйвер, затем печатная плата упрощается (повышается надежность), уменьшается размер печатной платы (уменьшается стоимость) и т.п. Светодиод же, в свою очередь, отдает все, на что рассчитан. Ремонт же, настройка, замена сгоревших светодиодов, возврат брака – увеличивают стоимость изделий без драйверов значительно больше.
Регистры с мощными выходными каскадами, не имеющими стабилизации тока, такие как TPIC6B595, во-первых давно должны быть заменены из-за их морального устаревания, ну а потом, что за смысл использовать драйвер без стабилизации тока, когда он фактически эквивалентен по работе значительно более дешевым резисторам и по цене близок к драйверам постоянного тока.
Одним из приемов уменьшения количества драйверов, особенно для целей освещения – является последовательное соединение светодиодов. Ток последовательной цепочки задается исходя из ваших предпочтений и соответствия технической документации. Однако, есть большой минус применения последовательных схем без драйверов, так как из-за большого напряжения накапливается разброс падений напряжений в обе стороны и соответственно без стабилизации тока, т.е. без драйверов вообще не обойтись.[10]
Заключение
В ходе работы рассмотрены:
Помимо полимерной подложки, в состав новых образцов входит тончайший слой из оксида тантала, который обеспечивает экрану высокий коэффициент преломления. Новая технология помогла ученым добиться высокого качества гибких дисплеев, по характеристикам сравнимых, и даже превосходящих, стандартные OLED-разработки.
3. Производство светодиодов на кремниевых подложках. Молодая компания Bridgelux нашла технологию, при которой нитрид галлия расширяется при скоростях больше, чем у кремния, но не смогла разработать технологию до конца. Эстафету перехватила известнейшая компания Osram, которая проблему разного теплового расширения между нитридом галлия и кремния решила следующим образом: выращивается дополнительная пленка ( алюминий и нитрид галлия ) вокруг нитрида галлия, на базе которого и делается светодиод. Это снижает колебания линейных размеров в период охлаждения. Данный вид подложек дает малое количество ростовых дефектов, что снижает стоимость светодиодов на 75 процентов как минимум.
4. Снижение затрат на трансформаторы напряжения и драйверы для светодиодных приборов
Активное развитие технологий в этих направлениях в ближайшем будущем позволит удешевить стоимость светодиодных ламп до 5 долларов, против сегодняшних 40-50 и светодиоды станут доступны всем.
Переход на светодиодные источники позволит значительно разгрузить действующие энергомощности, проектировать и строить меньше новой генерации, транспортных сетей и подстанций. Если мы разгрузим эти ресурсы, энергетики смогут предоставить их нам по более низким ценам. Так что проект очень важен в масштабах страны.
В перспективе, я планирую продолжить изучение новейших технологий изготовления светодиодов для их удешевления и применения человечеством.
Список использованных источников и литературы
Материалы сайтов:
Приложение1. Сравнительная характеристика различных источников света.
Тип лампы | Потребля-емая мощность, Вт | Свето-отдача, Лм/Вт | Срок службы, часов | Дополнительная информация | |
Лампы | 25 - 200 | 9 - 15 | 1000 | Желтый оттенок света, 90% энергии идет на нагрев | |
Галогеновые | 25 - 200 | 11 - 22 | До 2000 | Большая часть энергии идет на нагрев | |
Металло- | 35 - 210 | До 100 | 10000 | Хорошая цветопередача, высокая эффективность | Максимальная яркость достигается спустя 2 – 3 мин. после включения |
Люминес- | 18 - 58 | 43 - 94 | 8000 | Яркость зависит от габаритов, внутри колбы ртуть, ограниченный диапазон рабочих температур | |
Натриевые | 60 - 1000 | 70 - 150 | 20000 (До | Высокая эффективность, низкое качество цветопередачи | |
Натриевые | 18 - 180 | 100 - 150 | 15000 | ||
Светодиоды, светодиодные матрицы | 0,07 - 50 | До 75 | 100000 | Любой оттенок света – от чистых спектральных оттенков до белого; в спектре нет ИК излучения | Электро- и пожаробезопасные, не боятся вибрации, работают при температурах до – 50°С |
Благодаря прочности и антивандальным качествам отдается предпочтение светодиодам. Действительно, в отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, - 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.
Приложение 2. История создания светодиодов
В 1907 году английский инженер Х.Д. Раунд, трудившийся во всемирноизвестной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же заинтересовался этим физическим явлением и попытался найти ему практическое применение О. В. Лосев.
Обнаружив в 1922 году во время своих ночных радиовахт свечение кристаллического детектора, перешёл к оригинальным экспериментам. Стремясь получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт диодного детектора ток от батарейки. Лосев писал: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0,4 мА. Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света».
В 1951 г. центр по разработке «полупроводниковых лампочек», действующих на основе «эффекта Лосева», был создан в Америке, где его возглавил К. Леховец. В исследовании проблем, связанных со светодиодами, принял самое деятельное участие и «отец транзисторов» физик В. Шокли. Вскоре выяснилось, что германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые триоды (транзисторы), бесперспективны для светодиодов из-за слишком большой «работы выхода» и, соответственно, слабого испускания фотонов на p-n-переходе. Успех же сопутствовал монокристаллам из сложных композитных полупроводников – соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Al) и других элементов.
Однако реализованы на практике эти идеи были лишь в 60-70-е годы, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа AIIIBV – фосфида (GaP) и арсенида (GaAs) галлия и их твёрдых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники – оптоэлектроники.
Первые имеющие промышленное значение светодиоды с красным и жёлто-зелёным свечением были созданы в 60-е годы на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком(США). Внешний квантовый выход был не более 0,1%. Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500-600 нм – области наивысшей чувствительности человеческого глаза, – поэтому яркость их жёлто-зелёного излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1-2 лм/Вт.
Дальнейшее совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям – увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в эту работу российских учёных, в частности, Ж.И. Алферова с сотрудниками, ещё в 70-е годы разработавших так называемые многопроходные двойные гетероструктуры, позволившие значительно увеличить внешний квантовый выход. 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. Показателен факт присуждения Ж.И. Алферову Нобелевской премии в 2000 году, когда стали очевидными важность и огромное значение его работ для развития науки и техники.
Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Попытки реализовать синие и зелёные светодиоды и лазеры были связаны с использованием кристаллов нитрида галлия GaN и селенида цинка ZnSe.
У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излучённых квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твёрдых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды. Исследования свойств нитридов элементов группы III (AlN, GaN, InN) и их сплавов, представляющих собой широкозонные полупроводники с
прямыми оптическими переходами, позволили заключить, что они являются наиболее перспективными материалами для изготовления свето- и лазерных диодов, излучающих во всей видимой и ультрафиолетовой (240...620 нм) областях спектра.
Основной причиной, препятствовавшей получению высококачественных пленок GaN, было отсутствие подходящих подложек, параметры решётки и коэффициент теплового расширения которых соответствовали бы GaN. Долгое время такие плёнки выращивали на сапфире (рассогласование решеток 13,5%), достоинствами которого являются лишь термическая стойкость и возможность очистки перед началом роста. Другая проблема – получение кристаллов p-типа. Первые работы в этом направлении были начаты ещё в 60-е годы XX века, однако все попытки надёжно внедрить элементы группы II (Mg, Zn, Be) как примеси замещения, которые бы действовали как акцепторы, завершились неудачей.
Ещё в 70-х годах группа Дж. Панкова из лаборатории компании IBM создала фиолетовые и голубые диоды на основе эпитаксиальных пленок нитрида галлия (GaN) на сапфировой подложке. Квантовый выход был достаточен для практики (доли процента), но срок их службы был ограничен. В p-области p-n-перехода концентрация дырок была мала, и сопротивление диодов из-за высокой концентрации дефектов оказалось слишком большим, они довольно быстро перегревались и выходили из строя. При этом Панкову так и не удалось осуществить легирование p-типа.
В начале 80-х годов Г.В. Сапарин и М.В. Чукичев в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова обнаружили, что после действия электронного пучка образец GaN, легированный Zn, становится ярким люминофором. Но причину яркого свечения – активацию акцепторов Zn под влиянием пучка электронов – тогда понять не удалось.
Эту причину раскрыл И.Акасаки из Нагойского университета. Из многих его достижений выделим два основных, сделанных в 80-е годы XX века. Он предложил включить между сапфиром и активным слоем буферный слой AlN, что отчасти снимало проблему несоответствия решёток, и уже в 1986 году получил пленки GaN высокого качества. А в1989 году счастливый случай помог ему вместе с его аспирантом H.Амано впервые изготовить образец p-типа. Изучая под электронным микроскопом легированную Mg плёнку GaN, И.Акасаки и H.Амано обнаружили свечение образца после бомбардировки электронами. Завершив электронно-микроскопические исследования, они установили, что образец приобрёл проводимость p-типа, и связали это с воздействием электронного пучка на плёнку, способствовавшим замещению атомов Ga атомами Mg. Авторы заявили патент на эффективное легирование GaN p-типа. К тому времени большинство исследователей прекратили работать с GaN, и сообщение И.Акасаки почти не привлекло внимания. Но эти работы не оставил без внимания Шуджи Накамура из фирмы Nichia Chemical, который и совершил прорыв в изготовлении голубых светодиодов.
Узнав о важном достижении И.Акасаки по получению материала p-типа, Ш.Накамура быстро воспроизвел этот результат, но при этом заметил, что облучение образца электронным потоком приводило к небольшому его нагреву, и предположил, что наблюдавшийся эффект мог быть просто результатом влияния температуры. Подвергнув образец отжигу в атмосфере азота, он обнаружил, что его сопротивление понизилось, и таким образом выяснил, что эффект был не следствием обработки пучком электронов, а результатом прогрева.
Свой первый синий светодиод Накамура изготовил 28 марта 1991 года. Он оставил диод включённым, когда уходил домой, а после бессонной ночи, придя рано утром в лабораторию, увидел, что диод ещё светит. И хотя излучение было не очень ярким, это была победа. Два с половиной года спустя после многочисленных улучшений Накамура изготовил диоды, излучавшие с силой света 1000 мккд, а ещё через шесть месяцев компания объявила о выпуске 20000 мккд диода, который излучал настолько ярко, что на него больно было смотреть.
29 ноября 1993 года компания Nichia Chemical Industries объявила, что завершила разработку голубых светодиодов на основе GaN и планирует приступить к их массовому производству. Первый коммерческий синий светодиод был сделан Накамурой в начале 1994 года на основе гетероструктуры InGaN/AlGaN с активным слоем InGaN, легированным Zn (рис. 1). Выходная мощность составляла 3 мВт при прямом токе 20 мА с квантовым выходом 5,4% на длине волны излучения 450 нм. Вскоре после этого за счёт увеличения концентрации In в активном слое был изготовлен зелёный светодиод, излучавший с силой света 2 кд. Он состоит из 3-нм активного слоя InGaN, заключённого между слоями p-AlGaN и n-GaN, выращенными на сапфире. Такой тонкий слой InGaN сводит к минимуму влияние рассогласования решёток: упругое напряжение в слое может быть снято без образования дислокаций и качество кристалла остаётся высоким. В 1995 году при ещё меньшей толщине слоя InGaN и более высоком содержании In удалось повысить силу света до 10 кд на длине волны 520 нм, а квантовую эффективность до 6,3%, причём измеренное время жизни светодиодов составляло 50 000 ч, а по теоретическим оценкам – более 106 ч (~150 лет!).
Накамура запатентовал ключевые этапы технологии, и к концу 1997 года фирма Nichia выпускала уже 10...20 млн. голубых и зелёных светодиодов в месяц. Дела компании стремительно понеслись вверх, доходы выросли с 20 млрд. иен в 1993 г. До 116 млрд. иен в 2002 и порядка до 180 млрд. иен в 2003.
На сегодняшний день внешний квантовый выход излучения светодиодов на основе GaN и его твёрдых растворов (InGaN, AlGaN) достиг значений 29/15/12% соответственно для фиолетовых/голубых/зелёных светодиодов; их светоотдача достигла значений 30...50 лм/Вт. Внутренний квантовый выход для «хороших» кристаллов с мощным теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих 35%. Внешний квантовый выход излучения жёлтых и красных светодиодов на основе твёрдых растворов AlInGaP достиг значений 25...55%, а
светоотдача соответственно достигла 100 лм/Вт, т.е. сравнялась со светоотдачей лучших современных люминесцентных ламп.Приложение3. Характеристики светодиодов
1. Электрические и оптические характеристики светодиодов
Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.
2. Чувствительность светодиода на повышение температуры
Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.
Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у красных AlGalnP и желтых AeGaAs светодиодов, и меньше у зеленых, синих и белых InGaN светодиодов.
3. Регулирование яркости светодиода
Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания - этого-то как раз делать нельзя, - а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.
Приложение 4. Где сегодня целесообразно применять светодиоды
Появление сверх ярких белых диодов и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе - мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.
Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, одноцветные дисплеи с бегущей строкой, магистральные информационные табло, полноцветные дисплеи для больших видео экранов, внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах, дизайн помещений, дизайн мебели, архитектурная и ландшафтная подсветка смотрятся на удивление выразительно и необычно. Например, светодиодный фонарь «5aver» совместно с дыхательной маской спасут людей от пожара.
Рисуем белые грибы пастелью
Рисуем "Осенний дождь"
ГЛАВА ТРЕТЬЯ, в которой Пух и Пятачок отправились на охоту и чуть-чуть не поймали Буку
Тупое - острое
Пчёлы и муха