Все о светодиодах (LED).

Светодиоды.

Все быстрее растет популярность светодиодов и все шире становится территория применения их в светотехнике. Потребители, производители и продавцы стараются не отставать от современных нововведений, но лишь дизайнеры в полной мере ощутили все уникальные возможности светодиодов. Время, когда интерес к светодиодам проявляли лишь ученые, давно прошло. В наши дни тема «светодиоды» никого не удивит и поговаривают, что перспектива использования исключительно светодиодов очень реальна.

Что же представляет собой светодиод?

Светодиод – прибор полупроводниковый, принцип работы которого заключается в преобразовании электрического тока в световое излучение. На английском: diode, light emitting или LED.

Структура светодиода.

Состоит светодиод из кристалла полупроводникового на подложке, оптической системы и корпуса с контактными выводами. Раньше применялись корпусные светодиоды для индикации, в наше время светодиоды значительно отличаются от первичных. На рисунке схематически представлена конструкция современного светодиода.

Особенности светодиода.

В сравнении с лампой накаливания и люминесцентной лампой, электрический ток преобразуется в светодиоде в световое излучение, что теоретически позволяет сделать это без потерь. На практике светодиод при должном теплоотводе имеет минимальный нагрев, что придает незаменимость для некоторых приложений. В узкой части светодиодного спектра излучается чистым цветом, а это особенно ценно для дизайнеров, при этом важно, что ИК и УФ излучения отсутствуют. Срок службы достигает ста часов (а это почти в сто раз больше срока службы лампы накаливания и в десять раз больше срока люминесцентной лампы!), в связи с исключительной надежностью и механической прочности. Необходимо отметить и высокую безопасность прибора, так как светодиод низковольтный.

Получение белого света с помощью светодиода.

Различают 3 способа получения белого света с помощью светодиода:

1. Смешивание цветов (технология RGB). Красные, зеленые и голубые светодиоды плотно размещены на одной матрице, излучение их смешивается с помощью линзы (или другой оптической системы). Итог – белый свет.
2. Принцип люминесцентной лампы. Светодиод излучает в ультрафиолетовом диапазоне, а на его поверхность наносится 3 люминофора, которые излучают красным, голубым и зеленым светом.
3. Заключается в нанесении на голубой светодиод зеленого, желто-зеленного и красного люминофора. Все или только два излучения смешивается и образуется близкий к белому или белый свет.

Рис. 1. Световая отдача различных типов светодиодов в сравнении с другими источниками света

Оптические и электрические характеристики светодиодов.

Как уже говорил, светодиоды являются низковольтными приборами и применяются для индикации, потребляя 2-4В постоянного напряжения при 50мА токе. Светодиод, используемый для освещения, имеет такое же потребление напряжения, но при токе от нескольких сотен мА до А в проекте. Включение отдельных светодиодов в модуле может быть последовательным, а суммарное напряжение при этом более высокое (12 или 24 В).

Светодиод может выйти из строя, если при его подключении не соблюдать полярность. Для светодиода изготовителем определяется напряжение пробоя и составляет 5В. Характеристики яркости: световой поток, осевая сила света, диаграмма направленности. Разные конструкции светодиодов позволяют излучать свет в телесном углу 4-1400. Длина волны, цветовая температура и координаты цветности определяют цвет.

Сравнение эффективности светодиодов и других источников происходит с помощью светоотдачи – величина светового потока на 1 В электрической мощности. Цена 1 люмена – интересная маркетинговая характеристика.

Необходимость стабилизации тока через светодиод.

Совсем незначительные перемены напряжения приводят к большим переменам тока, поскольку в рабочем режиме ток имеет экспоненциальную зависимость от напряжения. А яркость светодиода нестабильна из-за прямой пропорциональности светового выхода к току, исходя из этого, появляется необходимость стабилизировать ток. Кроме этого, если ток превышает допустимый предел, то происходит перегрев, что приводит к ускоренному старению светодиода.

Регулируется ли яркость светодиода?

Да, очень хорошо регулируется яркость светодиодов за счет метода широтно–импульсной модуляции (ШИМ). Для этого необходим управляющий блок, который в реальности может быть совмещен с конвертером, блоком питания и контроллером управления цветом RGB матрицы. Суть метода: на светодиод подается импульсно-модулированный ток, сигнальная частота составляет сотни или тысячи Гц, а импульсная ширина может измениться. Светодиод не гаснет, а средняя яркость – управляема. При процессе диммирования в светодиоде небольшая перемена цветовой температуры несравнима со смещением для ламп накаливания.

Важно отметить, что за счет снижения напряжения питания нельзя регулировать яркость светодиода.

Срок службы светодиода.

Существует мнение, что светодиод исключительно долговечен, но это ошибочное мнение. Разберемся почему. Температура светодиода повышается в процессе службы после постоянного пропускания тока, а значит, старение наступает быстрее при увеличении пропуска тока. В связи с этим относительно короче срок службы у мощных светодиодов по сравнению с маломощными, и в настоящее время составляет от 20 до 50 тысяч часов. Старение характеризуется уменьшением яркости, а когда происходит снижение от 30% до 50%, то светодиод необходимо заменить.

Существует ли вред светодиодного света для глаз?

Из-за монохроматического спектра излучения, светодиод имеет кардинальное отличие от спектра лампы накаливания и солнечного спектра. Но сказать плохо это или хорошо точно нельзя, так как исследований в этой области не проводилось, а данных о вреде воздействия светодиода на человеческий глаз нет. Но все-таки надежда, что серьезное изучение влияния светодиода на человеческий глаз все-таки состоится.

Целесообразное применение светодиодов.

Практически во всех светотехнических областях нашли свое применение светодиоды. Исключение является лишь освещение производственных территорий, хотя для аварийного освещения они все-таки используются. Из-за чистого цвета, светодиоды пользуются огромной популярностью в дизайнерском освещении и в светодинамических системах. В местах, где высокие требования электробезопасности, жесткая экономия электроэнергии, частое и дорогое обслуживание очень выгодно применение светодиодов.

Возможности светодиодов и их применение.

Первые светодиоды, в 60х годах 20 века, были изобретены в эпоксидной оболочке, которые при подключении к электротоку выделяли монохроматический свет. До 80х годов массовое применение их как источников света было ограничено высокими затратами на производство, низкой яркостью и отсутствием светодиодов белого и синего цвета. Поэтому применение светодиоды находили лишь для наружных электронных табло, которыми оборудовали системы для регулирования дорожного движения, медицинское оборудование и оптоволоконные системы.

До начала 21 века появление синих, белых и сверх ярких диодов, постоянное снижение рыночной стоимости, привлекло внимание производителей к такому виду источника света. Стали использовать светодиоды как индикаторы режимов работы электронных устройств, а также для подсветки ЖК экранов мобильных телефонов и другого оборудования. Стремительное развитие и широкое применение светодиодов основных цветов привело к тому, что появилась возможность получения цветов любых оттенков и конструирования из них дисплеев с полноцветной графикой и анимацией.

В связи с малой потребностью в электроэнергии светодиоды стали оптимальным выбором для декоративного освещения, особенно где наблюдаются проблемы с энергетикой.

Главными качествами конкурентоспособности светодиодов по отношению к лампам накаливания и люминесцентным лампам:

1. срок службы (в 6-8 раз превышает срок люминесцентных ламп);
2. простота в эксплуатации;
3. нет необходимости регулярного обслуживания;
4. антивандальные свойства.

Существенным аспектом, который влияет на отсутствие стремительного распространения, является высокая стоимость светодиода.

Основные преимущества светодиодов.

Экономичность в работе.

Удобные светодиоды.

Структура светодиодного модуля многокомпонентная и имеет неприхотливую схему подключения. Возьмем цепочку из полусотни светодиодов, в которой 1-2 неисправных диода не выводят из строя фрагмент и не влияют на световое излучение. Такой огромный ресурс решает проблему с заменой светодиодов. Помимо этого, светодиоды способно функционировать при самых различных температурах.

Надежность.

Существует такая надежность, от которой зависят жизни людей. Светодиоды применяются в устройствах отображения информации, для примера светофоры и дорожные знаки, и это ведет к увеличению расстояния, которое воспринимает человеческий глаз. Именно по этой причине во многих европейских городах нет светофоров, а вместо них светодиодные схемы, которые также используют в надводных и воздушных системах.

Другими важными свойствами светодиодов являются антивандальные качества и прочность. Прибор изготовлен из пластика, что значительно уменьшает возможность повредить светодиод. 3-4 вольта – необходимое напряжение для работы светодиода, поэтому они очень распространены там, где требуются повышенные меры безопасности или отсутствует высокое напряжение. Применение проводов с сильной изоляцией большого сечения не требуется при низком напряжении и это значительно облегчает подключение к сети. Существует порог срабатывания у газоразрядных трубок и для загорания источника света необходимо подать напряжение. А светоизлучающие диоды при подключении к сети сразу излучают свет и яркость, возможно, регулировать путем изменения напряжения. Также важным достоинством является устойчивость к низким температурам. Этого свойства не хватает газоразрядным источникам, так как при минусовой температуре у них возникают проблемы с неоном.

Эстетически красивый вид.

Если бы технологии LED не были изобретены, то обязательно их придумали дизайнеры. Светодиоды имеют неограниченные возможности для манипуляций с цветовым спектром. Практически незаметные плавные световые переходы для человеческого глаза уступают живописи по выразительности, но далеко впереди по сравнению с другими источниками света. Уникальная светодинамика светодиодных модулей удовлетворит желания самого великого дизайнера. Важно заметить, что не только эстетическое, но и экологическое значение имеет своеобразная игра со спектром: спектры, комфортные для глаза человека, часто бывают, дискомфортны для растительности. Для решения такой проблемы применяется зональное разделение растений и человеческой зоны.

Компактность и представительный вид.

Нельзя не сказать о компактности прибора. Очень выразительный и необычный вид приобретают стенды, украшенные светодиодами. Со временем в некоторых развитых странах возрастает доля рынка таких изделий и символом такой своеобразной революции является светодиодное полотно в 500 м над главной улицей Las-Vegas.

Недостатки светодиодов.

1. Высокая стоимость.
   Является главным недостатком таких приборов. Затраты на светодиоды в 2 раза превышают стоимость неонового изделия такой же яркости. Но в современном мире растет конкуренция и объемы производства, что со временем медленно, но верно понижают стоимость. По прогнозам специалистов, цены скоро понизятся больше чем в 10 раз.
2. Сложность конструирования объемных букв и изображений.
   Для этого потребуется объединить огромное количество отдельных светодиодов, которые обеспечат яркий свет и привлекут внимание человека. Поэтому необходимы универсальные модули, которые в дальнейшем будут интегрироваться в разные образы.

Применение светодиодов.

1. Световая реклама – вывески, борды;
2. при замене неона;
3. для дизайна помещений, лестниц и мебели;
4. ландшафтная и архитектурная подсветка;
5. дисплеи;
6. информационные табло;
7. дисплеи с бегущей строкой;
8. освещение в автобусах, автомобилях, грузовиках;
9. светофоры;
10. подсветка ЖК-дисплеев мобильных телефонов, цифровых камер.

Перевод статьи опубликованной в журналах: lespiedGrafika, Латвия и Reklamos ir Marketingo Idejos, Литва.