Світлодіоди у світлотехніці: вчора, сьогодні, завтра

Світлодіод, як відомо, – це напівпровідниковий прилад, який випромінює світло при проходженні через нього електричного струму. Основна його частина – кристал напівпровідника розміром з макове зернятко, який, в свою чергу, складається щонайменше з двох напівпровідників різного типу провідності (р- і n-тип). Контакт між цими напівпровідниками, так званий р-n-перехід, і є, власне генератором світлового випромінювання. Кристал розміщується на корпусі (підкладці) і закривається прозорою пластиковою лінзою. До обох частин кристалу під’єднують провідники – катод та анод. Оце схематично і весь світлодіод. На відміну від ламп розжарювання, в яких електричний струм спочатку розігріває  металеву нитку, що світиться при певній температурі, у світлодіодах енергія електронів безпосередньо перетворюється у світлову. Тому світлодіод ще називають холодним твердотільним джерелом світла.

Вперше «цікаве явище» – світіння карборунду при прикладанні до нього електричної напруги описав Генрі Джозеф Раунд у нью-йоркському журналі Electrical World ще у 1907 році. Проте про нього згадали лише через 50 років у зв’язку з напівпровідниковими лазерами, і лише тоді почалося промислове виробництво світлодіодів. Світловіддача перших промислових світлодіодів зразка 60-х років минулого сторіччя була на рівні 0,1…0,2 лм/Вт. Про яке освітлення можна було говорити, коли відома всім звичайнісінька «лампочка Ілліча» мала світловіддачу у 100 разів вищу, не кажучи вже про ціну – вартість одного світлодіода тоді становила 260$. Тому аж до початку 90-х років світлодіоди використовувались лише як сигнальні індикатори у різній електронній апаратурі.

Справжню революцію у виробництві і застосуванні світлодіодів спричинило одержання так званих подвійних гетероструктур, за вивчення яких академік Жорес Алферов одержав Нобелівську премію 2000 року. Світловіддача червоних і зелених світлодіодів досягла 10…20 лм/Вт і обійшла за цим параметром лампи розжарювання. Для застосування у світлотехніці не вистачало лише одного – світлодіодів білого кольору – основного кольору світлотехніки. Цей колір можна одержати одним з двох способів: змішуванням червоного, зеленого та синього або пропусканням синіх променів через жовтий світлофільтр. Проте світлодіодів синього кольору теж ще не було. Вони з’явились лише у 1994 році, коли японська фірма Nichia створила світлодіоди на основі нітриду галію та його твердих розчинів. З цього часу все частіше у друкованих виданнях зустрічається абревіатура LED (Light Emitting Diode) та словосполучення «над’яскраві світлодіоди», які стали використовуватись у волоконно-оптичних та безпровідних системах зв’зку, в медицині, для відображення інформації на світлових табло, вказівниках і т.ін.

Парадоксально, але факт - незважаючи на спільний граматичний корінь, у світлотехніку світлодіоди прийшли чи не найпізніше. Для прикладу: ще зовсім недавно, у 2000 р., обсяг продажу над’яскравих світлодіодів у цілому світі склав 1,2 млрд. дол. США, або 1,6 млрд. штук. При цьому індикаторних світлодіодів було продано майже 17 млрд. штук. Продані над’яскраві світлодіоди розійшлися таким чином: 32 % – для вуличних рекламних щитів та інформаційних табло, 49 % – для автомобільних сигналів, освітлення кабін вантажівок та приладних панелей авто і лише 3 % – для архітектурного підсвічування та освітлювальних ліхтарів, решта 16 % – для інших потреб.

Світлова віддача окремих зразків червоних світлодіодів на основі  багатоперехідних структур у 2004 році уже сягнула понад 100 лм/Вт. Це стало справжнім проривом світлодіодів у світлотехніку. У 2006 р. уже серійно випускались світлодіоди якої завгодно колірності зі світловіддачею до 65 лм/Вт (кольорових) та 45…55 лм/Вт (білих). Загальний індекс кольоропередачі білих світлодіодів становив R_а = 85. Цього вже цілком достатньо, щоб світлодіоди серйозно потіснили не тільки лампи розжарювання, але й газорозрядні люмінесцентні лампи. А ще ж проявились такі чудові властивості світлодіодів, які дають їм право на присвоєння прийменника «най» серед усіх відомих джерел світла.

·  Наймініатюрніші. Розміри світлодіодного кристала (чипа) вимірюються частками міліметра. Разом з оптикою, струмопідвідними електродами та тепловідвідними пластинами світлодіоди виростають до одиниць міліметрів, залишаючись практично «непомітними», легкими і компактними джерелами світла. Вони можуть об’єднуватись у світлодіодні модулі (матриці), розміщуватись на електронних платах, в т.ч. гнучких, що дає необмежений простір для фантазії світлодизайнерів та конструкторів освітлювальних приладів і систем.

·  Найвитриваліші. Напівпровідникові матеріали, з яких виготовляються світлодіоди, мають велику механічну міцність, як, наприклад, кремній та його сполуки, тому ці джерела світла не бояться ударів, вібрацій, перепадів тиску і т.ін. Діапазон зовнішних температур, при яких вони працюють, – від – 50 до + 125^оС. Для них не існує жодних обмежень в сенсі використання для зовнішнього освітлення.

·  Найекологічніші. Вони не б’ються, а при виході з ладу не створюють жодних проблем з утилізацією, оскільки не містять шкідливих речовин, як, наприклад, ртуть в газорозрядних лампах. Але і це ще не все. Світлодіоди видимого світла не дають побічного випромінювання ультрафіолетового, а інколи інфрачервоного, тому не виникає питань про можливий шкідливий вплив цього випромінювання на довкілля.

· Найдовговічніші. Потенційний термін служби становить складає 100000 годин і більше, що в сотню разів перевищує термін служби ламп розжарювання і в десятки разів люмінесцентних ламп. Це означає, що без заміни джерел світла можна обходитись не місяць, не рік, а десятки років. При цьому закінчення терміну служби світлодіода, на відміну від традиційних джерел світла, не означає раптового вимкнення світла, а лише на 50 % меншу світловіддачу.

· Найекономніші. Економія коштів при використанні світлодіодів потрійна – за рахунок малого енергоспоживання, мінімальної вартості обслуговування та раціонального використання світлового потоку (можливість спрямувати світло туди, куди це необхідно).

· Найфункціональніші. Завдяки чудовому поєднанню із зовнішньою (простою і дешевою, бо пластикова) оптикою світлодіоди дозволяють спрямовувати світловий потік в потрібне місце, а не освітлювати все навколо. Можливість керування не лише яскравістю і кольором, але й колірністю білого світла (від теплого білого до холодного) в поєднанні з практично необмеженою швидкодією (наносекунди) дозволяє створювати такі світлодинамічні ефекти, про які раніше не можна було і мріяти. Не кажучи вже про те, що миготіння та затримка світла при вмиканні і вимиканні освітлення з використанням світлодіодів назавжди відходить у минуле.

· Найбезпечніші. Напруга живлення світлодіода становить всього 1,6…3,5 В, що є абсолютно безпечним для людини. Температура розігріву світлодіодів теж набагато нижча від температури ламп розжарювання. Їх неможливо розбити та поранитись осколками скла. Це означає, що до світлодіодів та під’єднувальних провідників безпечно торкатись навіть у робочому стані, з їх допомогою можна без перестороги підсвічувати басейни та інші водойми...

 

 

<<< back