Феноменът LED

Навътре в технологията

Съвременната архитектура се нуждае от ефективно осветление. През 2009 г. стандартна LED-лампа излъчва от 450 до 650 лумена, което е равно на стандартна 40-ватова крушка с нажежаема жичка. През 2011 г. LED технологията става още по-ефективна и с 6 вата LED може да се постигнат същите резултати. Стандартна 40-ватова крушка с нажежаема жичка има очаквана продължителност на живот от 1000 часа, докато LED може да продължи да работи повече от 50000 часа. Въглеродните емисии от осветлението на дадена сграда може да се намалят с 85 % като се сменят всички крушки с нажежаема нишка с новите светодиодни. Всички тези любопитни съпоставки ни накараха да вникнем по-задълбочено в технологията LED, която все по-умело навлиза в живота и ежедневието ни.

Light-emitting diode (LED) или светодиодът е полупроводников източник на светлина. Състои се от области с положителни и отрицателни токоносители и p-n преход и излъчва некохерентна светлина в тесен спектър, когато през него протича ток. При подаване на постоянно напрежение през светодиода протича ток, в преходния слой възниква процес на рекомбинация, при който се изравнява излишъкът и недостигът на електрони и се излъчва светлина. Всичките части са обвити в плътна пластмасова обвивка. По този начин те са защитени от влага и механични повреди.

Както и при другите диоди, токът протича от p-страната (анода) към n-страната (катода), но не в обратна посока. Основните носители на заряд – електрони и дупки, преминават в прехода от електродите с различно напрежение. Когато даден електрон срещне дупка, той попада в по-ниско енергийно ниво и освобождава енергия под формата на фотон. Светодиодът съдържа един или няколко излъчващи светлина кристали, разположени в корпус с леща, която създава светлинен поток.

Светодиодите се използват като индикаторни лампи в много устройства, но все по-масово навлизат като алтернативно осветление. Представени са за пръв път през 1962 г. като практичен електронен компонент, който отделя червена светлина с малка интензивност, но съвременните версии на светодиоди са достъпни и във видими дължини на вълните с много голяма яркост. Когато светодиодът се включи, електроните са в състояние да се рекомбинират с електронните дупки в устройството, като се отделя енергия под формата на фотони. Този ефект се нарича луминесценция и цветът на светлината (съответстващ на енергията на фотона) се определя от енергийния интервал на полупроводника. Цветът на излъчване на светодиода зависи от състава на използвания полупроводников материал, както и от легиращите примеси. Изразява се като nm, което означава дължина на вълната на светлината. Светодиодите не са напълно монохроматични и до известна степен могат да излъчват в тесен диапазон на спектъра.

Светодиодите са много малки (заемат по-малко от 1mm2). Те се различават по състав, по конструкция, по брой кристали. Най-често светодиодите са еднокристални и многокристални. Еднокристален светодиод означава, че в корпуса му е разположен един кристал, който излъчва светлина. Такива по принцип са моделите с мощност до 3W. Многокристален светодиод е такъв, в който в един корпус са разположени повече от един кристал, излъчващ светлина. Такива са моделите с мощност над 10W и RGB светодиодите. Важен момент тук е, че колкото по-малко кристали има в един диод, толкова по-лесно се осъществява тяхното охлаждане, съответно толкова по-лесно е да се постигне високо съотношение Lm/W.

Конвенционалните светодиоди са направени от различни полупроводникови материали, произвеждащи различни цветове. Дължината на вълната на излъчваната светлина и следователно нейният цвят зависи от band gap, т.е. енергията, необходима за възбуждането на един електрон, който прескача от запълнена обвивка в незапълнена, при което протича електричество. Така например за прозрачните проводници е необходим голям band gap, докато за „изкуствена фотосинтеза“ е необходим band gap, съответстващ на зелената светлина. Материалите, използвани за LED, имат директна band gap с енергии, отговарящи на близка до инфрачервената, видима или близка до ултравиолетовата светлина.

Обичайният ъгъл на светене на светодиодите е 100-120о без допълнителни оптични системи. За постигане на по-големи/по-малки ъгли на светене е необходимо инсталиране на рефлектори и лещи.

Повечето материали, от които се произвеждат светодиоди, имат голям коефициент на пречупване. Това означава, че светлината ще се пречупи обратно в материала на повърхността на интерфейса на материала/въздуха. Оголени полупроводници без покритие, като например силиций, показват много висок коефициент на пречупване спрямо открит въздух, което предотвратява преминаването на фотони под остър ъгъл спрямо повърхността на полупроводника, която е в контакт с въздух. Това свойство се отразява както на ефективността на излъчване на светлина от светодиодите, така и на ефективността на поглъщане на светлина от фотоволтаичните клетки. По принцип, полупроводниковият чип на светодиод с гладка, непокрита повърхности, излъчва светлина само перпендикулярно на полупроводниковата повърхност и няколко градуса настрани, в конична форма, т.нар. light cone, cone of light.

Идеалната форма на полупроводник с максимално излъчване на светлина е микросфера с емисии на фотон от самия център, с електроди, които проникват в центъра, за да се свържат с точката на излъчване. Всички светлинни лъчи от центъра трябва да са перпендикулярни на цялата повърхност на сферата, в резултат на което няма никакви вътрешни отражения. Полусферичен проводник също би работил по този начин, с плоска повърхност на гърба, което ще служи като огледали за обратно разпръснатите фотони.

Обикновено, светодиодните полупроводникови чипове са обгърнати от чисти или оцветени пластмасови обвивки, които имат следните предназначения: Монтажът на полупроводниковия чип в устройството е по-лесен; Малката и чуплива електрическа мрежа се предпазва от нараняване; Пластмасата играе роля на рефракционен посредник (отразител) между относително високия показател на полупроводника и ниския на въздуха (на открито). Това стимулира светлинното излъчване от полупроводника, действайки като дифузни лещи и позволява на светлината да се излъчва с по-голям ъгъл на падане от светлинния конус в сравнение с това, което непокритият чип може да излъчи самостоятелно.

Едно от най-важните предимства на светодиодите е тяхната дълготрайност. Всяко твърдотелно (Solid State Lighting - SSL) устройство, каквото е и LED, е с много ограничено износване, ако работи при ниско напрежение и по-ниски температури. Много от светодиодите, произведени през 1970-те и 1980-те години, са все още в експлоатация.

Най-честият симптом, че светодиодът се изтощава, е постепенното намаляване на светлинната мощност и загубата на ефективност. Рядко се случва внезапно спиране на светодиода. Голямата продължителност на живот на светодиодите се постига при поддържане на оптимална температура на работа. Тази температура е различна при различните видове светодиоди, но е прието, че температурата в основата на кристала не трябва да превишава 60оС. Всеки диод, който работи при по-висока температура, старее по-бързо, качествата му се влошават във времето и в крайна сметка изгаря значително по-рано.

От друга страна, времето за експлоатация на един светодиоден осветител зависи и от живота на захранващия блок, добрата система за охлаждане на светодиодите, качеството на сглобяване на изделието и др.

Предимства
Светодиодите излъчват повече светлина на ват от електронните крушки с нажежаема жичка. Тяхната ефективност не се влияе от формата и размера за разлика от флуоресцентните тръби и лампи. Могат да излъчват светлина в желан цвят без да се използват никакви цветни филтри, които са нужни при традиционните начини на осветление. Това е по-ефективно и може да намали първоначалните разходи. Светодиодите са много малки по размер и лесно се разполагат върху печатни платки. Светват много бързо. Типичен червен LED индикатор достига пълна яркост за по-малко от микросекунда. Идеални са за употреба при чести режими включване/изключване, за разлика от флуоресцентните лампи. Светодиодите могат лесно да се замъглят чрез широчно-импулсна модулация или чрез намаляване на тока в права посока. За разлика от повечето източници на светлина, LED излъчва много малко топлина под формата на инфрачервени лъчи, което може да нарани чувствителни обекти или тъкани. Светодиодите не излъчват ултравиолетови лъчи. Загубата на енергия се разпръсква като топлина през основата на светодиода. С течение на времето светодиодите се затъмняват, а не се развалят изведнъж както крушките с нажежаема жичка. Могат да имат дълъг полезен живот. Според последни проучвания продължителността на живот е между 50 000 и 100 000 часа, като полезният живот, до пълното угасване на светодиода, може да е и по-дълъг. За сравнение, срокът на живот на стандартните флуоресцентни тръби е около 10 000-15 000 часа в зависимост от условията, при които се използват, а за крушките с нажежаема жичка – 1 000 до 2 000 часа (условно). Светодиодите се повреждат трудно при удар, тъй като са с твърди компоненти, за разлика от флуоресцентните крушки и тези с нажежаема жичка, които са лесно чупливи. Твърдителният светодиод може да се проектира така, че да фокусира светлина, която излъчва. Нажежената жичка и флуоресцентните източници често се нуждаят от външен рефлектор, който да събира светлина и да я насочва по използваем начин.

Недостатъци
Като всяка технология и LED си има недостатъци, върху които е добре да се помисли от гледна точка на обективност. Сред тях са:

Висока първоначална цена – светодиодите са по-скъпи (цена/лумен) като първоначална инвестиция спрямо повечето традиционни технологии за осветление. Очаква се обаче цената за килолумен да намалее до 2015 г. Допълнителен разход произтича частично и от относително ниското светоотделяне и необходимите устройства и захранвания.

Характеристиките на светодиодите зависят до голяма степен от температурата в работната среда. Претоварването на даден светодиод в помещение с висока температура може да доведе до прегряване на LED пакета, а от там им до неизправност на устройството. Необходим е подходящ радиатор за поддържане на дълъг живот на работа. Това е много важно в автомобилния сектор, при медицинските и военни приложения, където устройствата трябва да работят в широк диапазон от температури и трябва да се осигури отлична изправност.

Светодиодите трябва да бъдат снабдени с напрежение над пределната точка и ток под номиналната мощност. Това може да включва няколко резистора или текущо регулирани захранвания.

Тесният спекър на светодиодите е проблем както за получаване, така и за задържане на разновидности на бялата светлина. Обикновено белият цвят се получава чрез комбиниране излъчватели с няколко цвята светлина, които обаче стареят по различен начин във времето.

Единичните светодиоди не се доближават до точковия източник на светлина, давайки сферично разпределение на светлината, а по-скоро конична (cone light) проекция. Затова светодиодите е трудно да се прилагат, когато има нужда от сферично поле на осветяване. Те не могат да дадат отклонениe под няколко градуса. За разлика от тях лазерите могат да излъчват снопове лъчи с отклонение от 0,2 градуса или по-малко.

За разлика от крушките с нажежаема жичка, които осветяват независимо от електрическата полярност, светодиодите работят само с правилна електрическа полярност.

Съществуват опасения, че сините и студените бели светодиоди могат да преминат границите на безопасност при т. нар. опасност от синя светлина, която въздейства върху ретината, както е описано в спецификациите за безопасност като ANSI/IESNA RP-27.1–05: Препоръчителна практика за фотобиологична безопасност за лампи и системи от лампи.

Повечето устройства, които съдържат светодиоди, са определени като „безопасни при нормални условия на употреба”. Те се класифицират като „LED продукт от клас 1”. Светодиодите имат предимство пред флуоресцентните лампи, че не съдържат живак, но могат да съдържат други опасни метали като например олово и арсен. Според последните проучвания, и съгласно стандартите на повечето страни по света, съдържанието на такива вещества е под опасните граници.