LED осветлениенавътре в технологиятаВ последните години сме свидетели на бързото развитие и навлизане в живота ни на LED технологиите, и в частност LED осветлението. То добива все по-голяма популярност поради много причини, но основно заради енергийната ефективност и опазването на околната среда.
Светодиодното осветление, известно още като LED (Light Emitting Diode) осветление, се базира на излъчващи светлината полупроводници. Те провеждат електричеството само в една посока и непосредствено преобразуват част от него в светлина.
В настоящата статия ще се спрем по-подробно на основните параметри и характеристики на светодиодите.
текст Анастасия Янкова
Лумен (lm) е единицата за светлинен поток. Един лумен е равен на светлинния поток, излъчван от точковиден източник в пространствен ъгъл 1 стерадиан при интензитет на светлината 1 кандела. Стерадиан е единица за измерване на пространствен ъгъл и се означава със символа sr. Терминът стерадиан произлиза от гр. стереос - пространствен, обемен и лат. радиус – лъч. Типичната стойност на светлинния поток, получаван от лампа с нажежаема жичка от 100W, е 1100lm. Това означава, че светлинният добив за един ват от такъв източник е 11lm/W.
Кандела (cd) е единица за измерване интензитета (силата) на светлината в дадено направление от източник на монохроматично лъчение. Силата на светлината, излъчвана от една свещ, например, е равна на една кандела (на латински candela - свещ), поради което в миналото тази единица за измерване се е наричала „свещ”.
Лумен на ват (lm/W) – най-важната характеристика на един светодиод. Показва какъв е светлинният поток, излъчван от съответния източник на светлина при консумирана мощност 1 ват. Колкото по-голяма е стойността на този параметър, толкова по-ефективно е осветителното тяло, съответно толкова по-енергийноефективно е то. Ето няколко примера за съотношението lm/W при различни видове лампи: лампа с нажежаема жичка 100W - 13-15lm/W; луминесцентна лампа 120cm 36W - 69 lm/W; енергоспестяваща лампа 24 W - 60 lm/W; халогенна лампа (тип луничка) - 20 - 30 lm/W; натриева лампа ниско налягане 18 W – 131 W - 100-200 lm/W; натриева лампа високо налягане 53 W - 43 lm/W; светодиод 1 W - 80 – 140 lm/W.
Осветеност е физична величина, която характеризира отношението между светлинния поток, падащ върху дадена повърхнина, и площта на тази повърхнина. Единицата за осветеност е лукс (lx) (1 лукс = 1 лумен на квадратен метър). Един лукс осветеност се създава от светлинен поток един лумен, падащ върху повърхност един квадратен метър, т. е. 1 lx = 1 lm/m2. Ето примери за осветеност: 0,0001 lx - обща звездна светлина при облачно небе; 0,002 lx - ясно небе, без луна; 0,27 lx - пълнолуние в ясна нощ; 1 lx - пълна луна в тропическите ширини; 50 lx - осветление в стая; 80 lx - осветление в коридор; 100 lx - много тъмен облачен ден; 320 - 500 lx - осветление в офис; 400 lx - изгрев или залез на слънце в ясен ден; 1 000 lx - облачен ден; 10 000 - 25 000 lx - дневна светлина, на сянка; 32 000 - 130 000 lx - директна слънчева светлина.
Коефициентът на полезно действие (КПД) на захранващия блок е характеристика, която отразява ефективността на система, служеща за преобразуване на енергия. Определя се като съотношението между изходящата полезна енергия и енергията, подадена към системата и представлява число от 0 до 1 (от 0 до 100%). При електрическите захранващи блокове това е съотношението на консумираната енергия от светодиода/дите към общата консумирана енергия от изделието. Коефициентът на полезно действие на захранващите блокове е един от съществените фактори за реализиране на икономия при осветлението със светодиоди. Колкото е по-голям той, толкова системата е по-ефективна.
Захранвания за светодиоди с постоянно напрежение и постоянен ток - светодиодите се нуждаят от захранване, което да поддържа постоянен ток на изхода си. Този ток е различен за различните светодиоди, но най-общо може да са каже, че е 340–350мА за най-разпространените 1W-светодиоди. Това означава, че захранването, към което трябва да се включи светодиод, трябва да бъде ограничено по ток или т.нар. захранване с константен ток. В светодиодните ленти обаче, схемата на свързване е така направена, че изделието да има нужда от захранване с постоянно напрежение на изхода – най-често 12V или 24V. В този случай е необходимо да се използва захранване с постоянно напрежение. Тези правила не са универсални и за всеки проект трябва да се прецени поотделно, защото е възможно при погрешен избор на захранване светодиодите да изгорят.
Регулиране на мощността на светодиодното осветление
При светодиодното осветление е възможно да се намали консумираната мощност. Това позволява да се намали общата консумирана енергия на осветителя, без напълно да се спира светлината. Практиката показва, че светлинният поток на светодиодите намалява по-бавно от консумираната мощност. Това означава, че е възможно значително да се намали консумираната енергия, без да се намалява значително осветеността. Тази функция на светодиодите (където това е възможно) е особено полезна при изграждането на системи за осветление, захранвани със соларни панели. За да бъде реализирана обаче тази функция, възниква нуждата от подходящ контролер, който да управлява системата.
Палитра от цветове
Цветът на излъчване на светодиода се определя, както от състава на използвания полупроводников материал, така и от легиращите примеси. Цветът често се дава в „nm", което е дължина на вълнђта на светлината. Дължина на вълнђта, още наричана период във физиката, е разстоянието между два съседни максимума на амплитудата на вълнђта. Това е минималното разстояние между две точки на вълнђта с еднаква фаза. Обикновено се обозначава с гръцката буква є. Светодиодите не са напълно монохроматични и до известна степен могат да излъчват в тесен диапазон на спектъра.
Разработването на светодиоди започва с червени и инфрачервени прибори, направени от GaAs. Постиженията в науката за материалите са позволили да се произвеждат прибори в по-късовълновия диапазон на спектъра, излъчващи светлина с различни цветове.
Стандартните светодиоди са направени от различни неорганични полупроводникови материали, произвеждащи следните цветове:
AlGaAs - червен, инфрачервен; AlGaP - зелен; AlGaInP - оранжево-червен, оранжев, жълт и зелен; GaAsP - червен, оранжево-червен, оранжев и жълт; GaP - червен, жълт, зелен; GaN - зелен, син и бял (с AlGaN-бариера); InGaN - близък ултравиолетов, синьо-зелен, син; SiC - син; Al2O3 - син; ZnSe - син; C - ултравиолетов; AlN, AlGaN, AlGaInN - от близък до далечен ултравиолетов. Вече има и LED със специфични цветове като розов, кехлибарен, кралско синьо и др.
Цветът на светлината на светодиодните лампи се измерва спрямо цветната скала на температурата в Келвини. Повечето съвременни мощни светодиоди са покрити с фосфор, за да се преобразува светлината на син диод в широкоспектърна бяла светлина. Най-често използваните цветове светодиодни лампи са: топла бяла светлина (мека светлина) – 2700 до 3300 К – това е цветът на традиционните лампи с нажежаема жичка; студено бяло – около 4000 К – близка до лунната светлина, това е цветът на ксеноновите лампи; дневно бяло – повече от 5000 К, прилича на светлината от светкавица, типична дневна светлина.
Ултравиолетови и сини диоди
Съвременните ярки сини светодиоди се основават на голям band gap (енергията, необходима за възбуждането на един електрон, който прескача от запълнена обвивка в незапълнена, при което протича електричество) на полупроводници GaN (gallium nitride) и InGaN (indium gallium nitride). Те могат да се добавят към съществуващи червени и зелени светодиоди, за да се създаде впечатление за бяла светлина, въпреки че белите светодиоди днес рядко използват този принцип. Първите сини светодиоди от галиев нитрид (GaN) са създадени през 1971 г. Тези устройства са излъчвали много малко светлина, за да имат практична полза, поради което проучването на устройства с галиев нитрид се забавя. В края на 80-те години на миналия век ключови открития в галиевия нитрид и p-type doping поставят началото на нова ера в GaN оптично-електронните устройства. През 1993 г. се представят сини светодиоди с голяма яркост. Ефективността достига 10%. Сините светодиоди с голяма яркост (осветеност), направени с галиев нитрид, променят коренно светодиодното осветление като правят практични светлинните източници с висока мощност. В края на 90-те години сините светодиоди стават широкодостъпни. Те имат активна област, която се състои от един или повече InGaN квантови ями, притиснати като сандвич между по-дебели слоеве от GaN, наречени облицовъчни слоеве. Чрез промяна на съответната фракция InN-GaN в квантовите ями от InGaN излъчваната светлина може да се променя от виолетова до кехлибарена.
Зелени светодиоди, произведени от система InGaN-GaN, са много по-ефективни и ярки от зелени светодиоди, произведени със системи от ненитриден материал. С нитриди, които съдържат алуминий, най-често AlGaN и AlGaInN, могат да се постигнат дори по-къси дължини на вълните. На пазара вече са достъпни ултравиолетови светодиоди в обхвата на дължините на вълните. Излъчватели с близък до ултравиолетовия цвят с дължина на вълните около 375-395nm са вече по-евтини. Тъмни ултравиолетови дължини на вълните са получени в лаборатории чрез алуминиев нитрид (210nm), боров нитрид (215nm) и диамант (235nm).
Бяла светлина
Има два основни начина за получаване на бели светодиоди – светодиоди, които генерират бяла светлина с висока интензивност (яркост). Единият е като се използват отделни светодиоди, които излъчват трите основни цвята – червен, зелен и син и след това всичките цветове се смесват, за да образуват бяла светлина. Другият начин е като се използва фосфорен материал за превръщане на монохроматичната светлина от син или утравиолетов светодиод в широкоспектърна бяла светлина, като по много сходен начин работят крушките с флуоресцентна светлина.
Първият метод се нарича още многоцветни бели светодиоди. Тъй като при него се изискват електронни схеми за контрол при смесването и разпръскването на различни цветове и всеки отделен цвят обикновено има малко различни емисионни модели, дори и да са направени като едно цяло, този метод се използва по-рядко за получаване на бяла светлина. Въпреки това, той има много интересни приложения, поради гъвкавостта на смесване на различните цветове и по принцип този механизъм има по-голяма квантова ефективност при създаването на бяла светлина. Многоцветните светодиоди предлагат не само средство за образуване на бяла светлина, а и нов начин за образуване на светлина с различни цветове. Най-възприемчивите цветове могат да се образуват чрез смесване на различни количества от трите основни цвята.
Тъй като се полагат много усилия за проучване на този метод, многоцветните светодиоди имат силно влияние върху основния начин, който се използва за получаване и контрол на цвета на светлината. Преди това обаче трябва да се разрешат някои основни технически проблеми – този тип емисионна мощност на светодиода се разпада с покачване на температурата, което води до съществена промяна в стабилността на цвета. Подобни проблеми могат да попречат на промишлените приложения, затова учени и изследователи предлагат много нови пакетни проекти, с които се опитват да ги разрешават.
При светодиодите на основата на фосфорен материал светодиодите се покриват в един цвят (най-често сини светодиоди от InGaN) с фосфор в различни цветове, за да се образува бяла светлина и се получават т.нар. бели светодиоди на основата на фосфор. В зависимост от цвета на оригиналния светодиод могат да се използват фосфори в различни цветове. Ако се нанесат няколко фосфорни слоя с различни цветове, излъчваният спектър се разширява, като се повишава стойността на индекса на цветопредаването (CRI) на дадения светодиод.
Ефективността на светодиодите на фосфорна основа, в сравнение с тази на нормалните светодиоди, зависи от спектралното разпределение на светлината на крайния изход и първоначалната дължина на вълната на самия светодиод. Поради простотата в производството фосфорният метод е най-популярният начин за създаване на бели светодиоди с голяма интензивност. Този метод е и по-евтин от системата с трите основни цвята – червен, зелен, син.
Друг начин за получаване на светодиоди с бяла светлина, без употреба на фосфори, се базира на основа от цинков селенид (ZnSe), която излъчва едновременно синя светлина от нейните активни области и жълта светлина.
Поради явлението метамеризъм е възможно да има напълно различни спектри, които изглеждат бели. Най-просто пояснено, метамеризъм е свойство на обектите да отразяват светлината по различен начин, в зависимост от спектралния й състав. Например, два отпечатъка от различни устройства могат да изглеждат еднакви (като цвят) на дневна светлина (5000 - 6000К), но да се различават, когато ги гледаме на изкуствена (3000 - 4000К).17/03/2013 |
