Светотехника в настоящее время характеризуется очень быстрым техническим развитием, особенно в области источников света и управления системами освещения.
Полупроводниковые источники света не только открывают новые возможности в проектировании оптических систем и управления освещением, но и сопровождаются новыми терминами и определениями, которые изменяются, дополняются и уточняются в связи с динамичным развитием.
Электрические источники света для общего освещения, предназначенные для преобразования электрической энергии в оптическое излучение, делятся на тепловые, разрядные и полупроводниковые источники света. В данной статье для простоты тепловые и разрядные источники называются традиционными источниками света.
Чем отличаются светодиоды
Полупроводниковые источники света делятся на светодиоды (LED) и органические светодиоды (OLED).
Светоизлучающий диод или светодиод (известный также под аббревиатурой LED) — источник света, изготовленный из полупроводникового материала с двумя выводами. Это диод с электронно-дырочным p-n переходом, который излучает свет при активации.
Если на клеммы подается подходящее напряжение, электроны рекомбинируют с дырками в области p-n перехода устройства, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет генерируемого света (в зависимости от энергии испускаемых фотонов) определяется шириной запрещенной зоны полупроводника.
В органическом светоизлучающем диоде (OLED) электролюминесцентный материал, из которого состоит излучающий слой диода, представляет собой органическое соединение. Органические материалы могут быть небольшими органическими молекулами в кристаллической фазе или полимерами.
Сегодня дисплеи на основе OLED используются в мобильных телефонах, цифровых камерах, гарнитурах виртуальной реальности (VR), планшетах, ноутбуках и телевизорах.
Они обеспечивают большой угол обзора, высокое разрешение, высокую скорость, хорошую цветовую гамму и невероятно быстрое время отклика. Каждый пиксель подсвечивается независимо, и свет можно увидеть от углов обзора до 180°, поскольку OLED-пиксели излучают свет напрямую.
В то время как эффективные органические светодиоды все еще находятся в стадии разработки, светодиоды за последние десять лет захватили область электрических источников света таким образом, что традиционные источники света больше не разрабатываются и очень быстро вытесняются из ассортимента производителей новыми светодиодными лампами.
Некоторые производители уже предлагают только лампы на светодиодах, а у других производителей ламп большую часть ассортимента составляют такие лампы.
При таких темпах развития можно ожидать, что светильники для традиционных источников света будут полностью исключены из предложения производителей уже через несколько лет.
В то же время для традиционных светильников стали выпускаться более энергоэффективные заменители традиционных источников света (тепловых и разрядных) в виде светодиодных источников света.
Светодиоды представляют собой твердотельные источники света, способные излучать свет высокой интенсивности, если они правильно встроены в светильники.
За счет изменения состава материала полупроводника светодиоды обладают уникальной способностью среди всех упомянутых источников света излучать свет с определенной длиной волны, что позволяет точно настраивать их световой спектр.
Выходной сигнал светодиода может варьироваться от красного (при длине волны примерно 700 нм) до сине-фиолетового (примерно 400 нм). Некоторые светодиоды излучают инфракрасную (ИК) энергию (830 нм или длиннее). Такое устройство известно как инфракрасный диод (IRED).
В отличие от других источников света, светодиоды рассеивают большую часть тепла, образующегося при преобразовании электрической энергии в свет, вдали от излучающей свет поверхности. Таким образом, при освещении светодиодами окружающие предметы меньше нагреваются от источника света.
Крупный план сверхъяркого 5-мм светодиода
Основой полупроводниковых источников света является светодиодный чип, который при возбуждении электрическим током испускает оптическое излучение в узком диапазоне длин волн, т. е. почти чистую спектральную окраску света.
Белый цвет света, т. е. так называемое полноспектральное оптическое излучение, можно получить с помощью светодиодов тремя способами:
- В первом методе используется так называемый светодиод с люминофорным преобразованием, состоящий из синего светодиода и люминофора. Спектр синего светодиода дополняется зеленым и красным участками спектра, полученными при возбуждении люминофора синим светодиодом. Цветовой тон белого света можно выбрать, выбрав люминофор.
- Второй метод использует так называемый гибридный светодиод, опять же состоящий из синего светодиода и люминофора. При этом люминофор создает только зеленую область спектра, красная область дополняется спектром красного светодиода.
- В последнем методе используется так называемый светодиод со смешанным цветом, состоящий из отдельных цветных светодиодов (синий, зеленый, желтый, красный), а белый свет получается путем смешивания основных цветов отдельных светодиодов.
Виды светодиодных чипов
Сам полупроводниковый источник света, светодиодный чип, необходимо механически закрепить и электрически соединить для следующего применения. Поэтому он монтируется в корпус или на механическую площадку и снабжен контактами.
Устройство светодиода с люминофорным преобразованием в DIP-корупсе и его обозначение на электрической принципиальной схеме
Самым старым конструктивным исполнением является так называемый DIP (Dual In-Line), который из-за малых световых потоков в современных источниках света не применяется. Такие светодиоды можно встретить в различных электронных устройствах в цепях индикации и сигнализации.
Второе конструктивное исполнение, SMD (Surface Mounted Device), предназначен для поверхностного монтажа на печатной плате (светодиоды для поверхностного монтажа). Они меньше и компактнее предыдущих, допускают более сложные дизайнерские решения и могут содержать один или несколько светодиодных чипов.
Компоненты SMD LED могут иметь несколько контактов (два, четыре или шесть) в зависимости от количества светодиодных чипов на печатной плате. Это позволяет создать в одном светодиодном компоненте светодиод с регулируемыми спектральными свойствами излучаемого света, на практике именуемый RGB-светодиодом.
Светодиоды типа SMD монтируются на алюминиевой или керамической подложке и залиты эпоксидной смолой.
Такие светодиоды упрощают и ускоряют установку большого количества светодиодных чипов на печатные платы и ленты для машин для захвата и размещения.
Для типа конструкции SMD светодиодов существует определенная классификация по рабочим параметрам, которая используется производителями, но границы между отдельными классами официально не определены.
Относительно новая конструкция COB (Chip On Board). Конструктивно SMD и COB светодиоды похожи, светодиодные микросхемы размещены на печатной плате, но в конструкции COB их обычно несколько десятков или сотен. Вот почему эту конструкцию иногда называют светодиодной матрицей. В настоящее время это самый универсальный тип светодиода.
Важным отличием COB от SMD является то, что при SMD каждый светодиодный чип имеет отдельное питание, что позволяет создать «цветной» источник света с регулируемыми спектральными свойствами излучаемого света (светодиод RGB).
В конструкции COB все светодиодные чипы подключены к одной цепи с двумя соединительными контактами. Поэтому COB-светодиоды не производятся цветными.
Будучи упакованным в несколько чипов, область излучения COB-светодиода может содержать во много раз больше источников света на той же площади, что и стандартные светодиоды, что приводит к значительному увеличению светового потока на квадратный милиметр и большей однородности света.
Например, использование технологии COB LED на квадратной матрице 10 мм x 10 мм дает в 38 раз больше светодиодов по сравнению с технологией DIP LED и в 8,5 раз больше светодиодов по сравнению с технологией SMD LED.
Разница между светодиодами COB и SMD
Светодиоды COB характеризуются относительно большим световым потоком, достигающим нескольких люмен (4-5 люмен в среднем на один светодиод на кристалле), а коэффициент цветопередачи у качественных SMD-светодиодов может быть выше Ra > 80. Среднее время работы составляет примерно 50 000 часов при хорошем отводе тепла.
Существует несколько систем классификации COB-светодиодов по размеру несущей пластины, диаметру осветительной поверхности.
Более новые компоненты COB LED в основном используются для прожекторов с диффузным излучением или направленным световым потоком (фары головного света, потолочные светильники).
Новая конструкция светодиодных компонентов — MCOB (Multiple Chip on Board), где соединено несколько светодиодов COB, работающих как единое целое. Такие светодиоды используются при производстве сменных светодиодных ламп с цоколями Е14 и Е27, например, для замены ламп накаливания и компактных люминесцентных ламп светодиодными источниками света.
Популярные виды светодиодов
В настоящее время наиболее часто используемыми типами светодиодных компонентов являются светодиоды SMD и COB.
На практике светодиодные компоненты SMD используются для создания точечных, прямых, поверхностных и объемных источников света, а их световой поток может быть направлен рассеивающими крышками, рефлекторами, рефракторами или оптическими линзами.
С точки зрения спектрального состава света компоненты SMD LED производятся в широком диапазоне тонов белого света или альтернативные температуры цветности (от 2700 до 6500 К) и в разных цветовых вариантах (синий, зеленый, желтый, красный).
High Power LED — светодиоды высокой мощности для наружного и промышленного освещения, например, для уличных фонарей и светильников для помещений с высокими потолками. Они обеспечивают высокую яркость в одном корпусе, что позволяет создавать экономичные однооптические и направленные конструкции светильников.
Чаще всего это светодиодные чипы с линзами таких производителей как Luxeon и CREE. Они имеют мощность от нескольких Вт до десятков Вт, установленны на радиаторах в корпусах COB и предназначены для приложений, требующих максимальной световой отдачи.
Для создания источников света с регулируемыми спектральными свойствами излучаемого света используется либо комбинация SMD светодиодных компонентов с разной температурой цветности, где можно изменять цветовой тон белого света, так называемый настраиваемый белый (TW LED), или светодиодные компоненты SMD, оснащенные светодиодными чипами с различным спектральным составом, для которых могут быть установлены трихроматические светодиоды (светодиод RGB, светодиод RGBW).
Перечисленные светодиодные компоненты (SMD, COB) предназначены не для непосредственной установки в осветительные приборы, а для производства светодиодных источников света, которые уже предназначены для непосредственной установки в осветительные приборы.
Применение светодиодных источников света
В настоящее время преобладают сменные источники света на основе светодиодов.
В последние несколько лет наблюдается «подавляющее» наступление светодиодов в результате беспрецедентного технического и технологического прогресса в области базового конструктивного элемента всех светодиодных источников света, светодиодных модулей и светодиодных ламп - чипов.
Применяются новые, особо чистые материалы, более совершенное и очень дорогое технологическое оборудование, которое есть только у ведущих мировых компаний.
Освоение производства синих светодиодов (за которые была присуждена Нобелевская премия) позволило впервые разработать чипы белого света с беспрецедентными значениями удельной мощности с очень хорошей цветопередачей при коэффициенте цветопередачи Rа > 80 и буквально произвел революцию в практике освещения.
Использование их превосходных свойств также требует разработки новых светильников, концептуально совершенно отличных от светильников для традиционных видов источников света.
Светодиодные чипы становятся их неотъемлемой частью, поэтому речь идет не об удельной мощности источника света, а только об удельной мощности ламп.
В то же время у традиционных источников света потери в восходящих цепях и в лампах не всегда учитываются при сравнении друг с другом, поэтому результирующий световой поток традиционных ламп даже значительно ниже, а значит и реальная выгода светодиодных источников еще более значительна.
Однако за эти параметры приходится платить, поэтому неудивительно, что новые системы освещения все еще довольно дороги, но они также обеспечивают ряд других функций, которые не обеспечивали традиционные источники света: непрерывную регулировку цветности света, диммирование в очень широком интервале, мгновенный переход в номинальные параметры, чрезвычайно долгий срок службы и т. д.
Можно с уверенностью сказать, что, как и на другие виды источников света и электронных элементов, цена на светодиоды будет постепенно снижаться.
Световая отдача светодиодных источников света (точнее, светодиодных ламп) составляет примерно 130-150 лм/Вт с перспективой достижения еще одного магического предела: до 200 лм/Вт. При этом даже светодиодные источники не избежали тенденции развития взаимозаменяемых вариантов, скорее наоборот.
В последнее время появляются десятки и сотни их новых типов светодиодных ламп для всех традиционных вариантов применения, и в настоящее время они достигают очень интересных параметров.
Смотрите также: Технические характеристики и параметры светодиодов