Научно-производственное объединение
«Российские системы автоматики
и телемеханики»

Все о светодиодах


 

1. Каков все-таки средний срок службы светодиодов?

 

Валить все типы светодиодов в одну кучу и рассматривать их одинаково нельзя. Срок службы напрямую зависит от типа светодиода, подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (chip) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки и сборки в целом.

 

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

 

Очевидно, например, что в светодиодах мощностью от 1 Вт (рабочий ток 0,350 А) и более мощных, тепловыделение гораздо обильнее, чем в светодиодах типа «5 мм». светодиодах, рассчитанных на ток 0,02 А. По светоотдаче 1 шт. светодиод мощностью 1 Вт заменяет около 50 светодиодов типа «5 мм». но и греется сильнее. Поэтому светодиодные сборки с мощными светодиодами требуют пассивного (монтаж на MCPCB плату и радиатор) охлаждения.

 

По нашим тестам средний срок службы:

 

5 мм.-LED и SMD-LED (произведенные лучшими брендами):

• белый до 50000 ч. с падением светового потока до 35% в течении первых 15000 ч.

• синий, зеленый до 70000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 25000 ч.

• красный, желтый до 90000 ч. с падением светового потока незначительно.

HI-POWER LED от 1 Вт и выше (произведенные лучшими брендами):

• белый до 80000 ч. с падением светового потока до 15% в течении первых 10000 ч.

• синий, зеленый до 80000 ч.

• красный, желтый до 80000 ч.

 

2. Почему у белых светодиодов наименьший срок службы?

 

К сожалению, структур, излучающих белый свет, никто еще не придумал. Основой LED белого цвета свечения является структура InGaN, излучающая на длине волны 470nm (синий цвет) и нанесенный сверху на нее люминофор (специальный состав), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтый части. Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода, поэтому срок службы сокращается. Сейчас мировые производители изобретают новые и новые варианты эффективного нанесения люминофора.

 

Большинство сверхярких светодиодов служат в районе 50000 – 80000 часов. Много это или мало?

 

50000 часов — это:

24 часа в день 5.7 лет

18 часов в день 7.4 лет

12 часов в день 11.4 лет

8 часов в день 17.1 лет

3. Греются ли светодиоды?

 

Многие считают, что светодиоды практически не греются. Так почему светодиодным приборам нужен теплоотвод и что будет если теплоотвода нет?

 

Cветодиоды продуцируют тепло в полупроводниковом переходе. И чем мощнее LED тем больше тепла. Конечно индикаторные светодиоды например датчики автосигнализаций сильно не греются. Но со сверхяркими LED они имеют мало общего. Если мощные светодиоды объединены в некую сборку, да еще и установлены в герметичный корпус, то нагрев становится значительным.

 

И если не происходит отвод тепла, полупроводниковый переход перегревается, отчего изменяются характеристики кристалла, и через некоторое время светодиод может выйти из строя. Так что очень важно строго контролировать количество тепла и обеспечивать эффективный теплоотвод. Тепловые характеристики наших приборов просчитываются уже на стадии проектирования, что исключает любые проблемы в эксплуатации.

 

Как реагирует светодиод на повышение температуры?

 

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

 

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

 

4. Чем отличается полноцветный RGB светодиод от одноцветного?

 

В полноцветном светодиоде на одной подложке установлены независимые кристаллы трех цветов свечения (R+G+B), а монохромный светодиод содержит кристалл(ы) какого-либо одного цвета свечения.

 

5. Как регулировать яркость светодиода?

 

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы).

 

Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять от сотен до тысяч герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

 

6. Что такое квантовый выход светодиода?

 

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%.Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

 

7. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов?

 

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.

 

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6–12 подложках диаметром 50–75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5–2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой производственной культуры.

 

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24×0,24 до 1×1 мм2.

 

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый свето-диод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светоди-ода определяется этими этапами высокой технологии.

 

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

 

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на массивном радиаторе.

 

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

 

8. Где на сегодняшний день применяются светодиоды и каковы их перспективы?

 

Cветодиодное освещение целесообразно применять в тех случаях, где требуется высокая надежность, где обслуживание световой установки слишком дорого и требует спецтехники или работ альпинистов, где нужно применять цветодинамические решения, где требуется энергоэффективное решение, например при питании от разнообразных генераторов.

 

Обратная сторона медали: светодиодные светильники идеально подойдут для неяркой, но эффектной подсветки. Этот конкретный пример по степени потребления электроэнергии на 90% экономичнее самых маленьких 15 Вт галогеновых лампочек.

 

Каждый год светоотдача и эффективность светодиодов увеличивается на 30-50%. По состоянию на 2008 год светодиодные светильники уже чаще ламп применяются в архитектурном, декоративном, ландшафтном, подводном освещении, праздничной иллюминации, шоу-бизнесе, а также в специальных приложениях — медицине и растениеводстве, например.

 

В обозримом будушем скорее всего светодиоды вытеснят лампы в дежурном освещении мест общественного пользования — подъездах жилых домов, световых указателях и т.д. А также на транспорте — в самолетах, поездах, автомобилях. А затем, по мере развития технологии и удешевления производства, дело дойдет до ночного освещения автомобильных дорог и улиц. Все это даст существенную экономию энергоресурсов в национальных масштабах.

 

9. Какие мировые компании производят светодиоды?

 

Список лидирующих производителей в мире:

 

— «CREE» (США);

— «Osram» (Германия);

— «Lumieleds Luxeon» (США);

— «Seoul Semiconductor» (Ю.Корея);

— «Prolight Opto» (Тайвань);

— «Nincha» (Япония);

— «Edixeon» (Тайвань);

— «LedEngin» (США);

— «Светлана-Оптоэлектроника» (Россия);

— НПО «РоСАТ» (Россия).

 

Ежегодно, световой поток самого производительного светодиода каждого из мировых брэндов возрастает стабильно на 20-30%. Стоимость 100 лм светового потока падает на 10-15% в год, а отсюда и стабильное ежегодное падение цен на светодиодные осветительные приборы.

 

Цена светодиодного прибора, безусловно, зависит от стоимости самих светодиодов. Светодиоды при серийном производстве светотехнических изделий составляют самую большую строку в бюджете изготовления светодиодных приборов.

Вверх