Светодиоды

     Светодиоды  допускается «запитывать» в импульсном режиме, при этом импульсный ток, протекающий через прибор, может быть выше, чем значения постоянного тока (до 150 мА при длительности импульсов 100 мкс и частоте импульсов 1 кГц). Для управления яркостью светодиодов (и цветом, в случае смешения цветов) используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – метод, очень распространённый в современной электронике. Это позволяет создавать контроллеры с возможностью плавного изменения яркости (диммеры) и цвета (колор-чейнджеры) [6].

     Конвертор для светодиода — то же, что балласт  для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

     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 сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

     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, и  составляет в настоящее время 20 - 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается  на 30% или наполовину, светодиод надо менять. Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

     Технологии  изготовления светодиодов и светодиодных модулей существующих на сегодняшний день: 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 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 0,24x0,24 до 1x1 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 светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла  и корпуса, сделать пластиковый  купол, фокусирующий излучение в  нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода 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 круглом 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 [7].

     Светодиоды  находят применение практически  во всех областях светотехники, за исключением  освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому  цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

Преимущества светодиодов и их применение.

По сравнению  с другими электрическими источниками  света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие  отличия:

• Высокий КПД (60…80%). Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы непригодны для освещения жилых помещений из-за низкого качества света.
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
• Спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром.
• Малая инерционность.
• Малый угол излучения. Это может быть как достоинством, так и недостатком.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но высокая стоимость при использовании в освещении.
• Безопасность — не требуются высокие напряжения.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.), в отличии от люминесцентных ламп.

В связи с наличием вышеописанных преимуществ, светодиоды постепенно внедряются в различных  областях, таких как:

• Уличное, промышленное, бытовое освещение
• В качестве индикаторов - как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах)
• Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами
• В оптопарах
• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет)
• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочих устройствах
• В светодиодных дорожных знаках
• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.

Заключение

     До  недавнего времени светодиодные лампы являлись всего лишь электроприборами, сообщающими о том, что принтер  включен или что на автоответчике  есть сообщение. Однако в последние  годы стояла задача заменить ими большую  часть обычных ламп накаливания  и люминесцентных ламп. Сегодня главным  недостатком светодиодов является их высокая цена, которая в десятки раз выше цены традиционных ламп. Этот недостаток пока ограничивает применение светодиодов. Но развитие технологий предвещает снижение цен на СД, что вкупе с наличием достоинств СД позволяет сказать, что в ближайшем будущем СД будут очень широко распространены.

Список литературы

1. Алфёров Ж. И. // Физика и техника полупроводников. 1998. Т.32. №1. С.3-18.

2. Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича.

М., 1979.

3. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983.

4. Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники: Избранные труды. Л., 1972.

5. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической автоматики. М., 1979.

6. Неменов  Л. Л., Соминский М.С. Основы  физики и техники полупроводников. Л., 1974.

7. Носов  Ю. Р. Оптоэлектроника. Физические  основы, приборы и устройства. М., 1978.