 |
|
Светодиодные источники повышенной яркости и белого света
Острая потребность в широкой номенклатуре информационных экранов, дисплеев, осветительных приборов обуславливает необходимость создания особо ярких светодиодов (ОЯ СИД) различной цветовой гаммы, в том числе белого свечения
Зеленые, белые, синие ОЯ СИД изготавливаются на структурах In G2 N. Они имеют существенно большие прямые падения напряжения на Uпр по сравнению с красными, желтыми и оранжевыми (см. таблицу 5.4). Необходимость ограничения прямого тока объясняет целесообразность питания СИД от источников тока.
Для каждой конструкции СИД характерна определенная диаграмма излучения. Некорректно говорить о силе света, не определяя угол излучения, и наоборот. Следует обращать внимание, на каком уровне от IVmax фиксируется полный угол излучения.
Таблица 5.4 – Типичные и максимальные значения Uпр при токе 20 мА для СИД всех длин волн
| Длина волны излучения λ, нм | Цвет сечения | Uпр | Примечание | |
| Тип. | Макс. | |||
| Белый | 3,5 | 4,0 | Синий кристалл + люминофор | |
| Зеленый | - | |||
| Alpen green | - | |||
| Зеленый | - | |||
| Желто-зеленый | 1,95 | 2,5 | - | |
| Желтый | AS AlinGap | |||
| Желто-оранжевый | TS AlinGap | |||
| 2,1 | 2,6 | AS AlinGap | ||
| Оранжевый | 1,95 | 2,5 | ТS AlinGap | |
| 2,1 | 2,6 | AS AlinGap | ||
| Красный | 1,95 | 2,5 | ТS AlinGap | |
| 1,95 | 2,5 | ТS AlinGap | ||
| 2,1 | 2,6 | - | ||
| 1,95 | 2,5 | - | ||
| 1,95 |
Дисперсия излучения не измеряется для каждого светодиода, поскольку это трудоемкий процесс. В реальности наблюдаются значительные отклонения от справочных данных, особенно в случае узконаправленных (2Q1/2 < 100) СИД. Типичная дисперсия для СИД типов КИПД87, КИПД89 и КИПД91 приведена на рисунке 5.24.
Рисунок 5.24 – Типичная диаграмма излучения
При выборе ОЯ СИД особое внимание уделяют типу колбы и конструкции. Колба должна быть прозрачной, если:
- нужна максимальная сила света при сравнительно небольшом (Ð 300) угле излучения;
- СИД используется с вторичной оптикой (цветными и матовыми фильтрами) или в качестве лекального исправления источника света, например как фонарик;
- прозрачная колба используется в СИД всевозможных подсветок и светодиодов.
Колба должна быть матовой, если СИД мультицветный. Колба должна быть скрашенной в цвет свечения кристаллов для всех сигнальных СИД, а так же для ОЯ СИД применяемых в изготовлении таблобегущих строк и др., использующих эффект контраста СИД на темном фоне. В случае матовых СИД возможен эффект паразитной засветки солнечными лучами («фонтом – эффект»)
В таблице 5.5 приведены параметры распространенных сигнальных СИД. С точки зрения экономии места на лицевой панели прибора или устройства, выгодно вместо нескольких, например, красного и зеленого, применять один мультицветный СИД круглой или прямоугольной формы.
Таблица 5.5 – Основные характеристики сигнальных светодиодов
| Конструктив, диаметр, наименование | Цвет свечения (λ, нм) | Сила света, мкд | Рабочий ток | Угол обзора, град. |
| Ø 3 мм (КИПД42) | Красный (660) | 5…100 | 1…20 | |
| Желтый (590) | ||||
| Желто-зеленый (570) | ||||
| Зеленый (565) | ||||
| Низкопрофильные СИД Ø 5 мм (КИПД88) | Красный (660) | 10…100 | ||
| Желтый (590) | ||||
| Желто-зеленый (570) | ||||
| Зеленый (565) | ||||
| Ø 5 мм (КИПД40) | Красный (660) | |||
| Желтый (590) | ||||
| Желто-зеленый (570) | ||||
| Зеленый (565) | ||||
| Плоские СИД Ø 10 мм (КИПМ15) | Красный (660) | |||
| Желтый (590) | 1…100 | |||
| Желто-зеленый (570) | ||||
| Зеленый (565) | ||||
| Прямоугольные СИД 2,2 × 5 мм | Красный (660) | |||
| Желтый (590) | ||||
| Желто-зеленый (570) | ||||
| Зеленый (565) | ||||
| Многокристальные СИД Ø 6 мм (КИПМ25) | Красный (660) | |||
| Желтый (590) | ||||
| Желто-зеленый (570) | ||||
| Зеленый (565) | ||||
| Двухцветные СИД Ø 5 мм (КИПД41) | Красно-зеленые (660/565), любые другие варианты | 1…50 | 10, 20 | |
| Ø20 мм 1-, 2-, 4-, 6-кристальные (КИПМ 20) | Красный (660) | 1…100 | ||
| Желтый (590) | ||||
| Желто-зеленый (570) | ||||
| Зеленый (565) |
Параметры ярких СИД красного и желтого цветов свечения в матовом окрашенном корпусе приведены в таблице 5.6
Они используют окрашенные рассеивающие линзы, излучающие световой поток, достаточный для изготовления недорогих информационных табло. Потенциальные возможности высокоэффективных структур позволяют получать силу света порядка 2 кд при токе не только 20 мА, но и 10 мА., что увеличивает надежность изделий на СИД.
Таблица 5.6 – Основные характеристики ярких светодиодов красного и желтого цветов свечения в матовом окрашенном корпусе
| Шифр сигнала | Цвет сечения (λ, нм) | Структура | Прямое напряжение, Uf, В | Сила света, кд, при токе 20 мА (10 мА) | Угол обзора, град | |
| Тип | Макс | |||||
| КИПМ45Н30 | Красный (625) | ТS AlinGap | 2,1 | 2,8 | 1,0…1,5 | |
| КИПМ45П30 | 1,5…2,0 | |||||
| КИПМ45Р30 | 2,0…3,0 | |||||
| КИПМ45Н30 | Желтый (590) | 1,0…1,5 | ||||
| КИПМ45П30 | 1,5…2,0 | |||||
| КИПМ45Р30 | 2,0…3,0 | |||||
| КИПМ45Н30 | Красный (625) | 2,0 | 2,5 | (1,0…1,5) | ||
| КИПМ45П30 | (1,5…2,0) | |||||
| КИПМ45Р30 | (2,0…3,0) | |||||
| КИПМ45Н30 | Желтый (590) | (1,0…1,5) | ||||
| КИПМ45П30 | (1,5…2,0) | |||||
| КИПМ45Р30 | (2,0…3,0) |
Совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям – увеличение внешнего квантового выхода и расширения спектра излучения. Велик вклад в работу и советских ученых в частности Ж.И. Алферова, еще в 70-е годы разработавшего так называемые многопроходные двойные гетероструктуры, позволяющие значительно увеличить внешний квантовый выход за счет ограничения активной области рекомбинации. Использовались гетероструктуры на основе арсенидов галлия-алюминия, при этом был достигнут внешний квантовый выход до 15 % для красной части спектра (световая отдача до 10 лм/Вт) и более 30% - для инфракрасной. Показателен факт присуждения Жоресу Ивановичу Алферову Нобелевской премии в 2000г., когда стали очевидными важность и огромное значение его работ для развития науки и техники.
Исследование других гетероструктур привели к созданию эффективных светодиодов, излучающих в других областях спектра. Так, светодиоды, на основе фосфидов алюминия – галлия – индия (разработка компании Hewlett-Packard) излучали красно-оранжевый, желтый и желто-зеленый свет. Они имели световую отдачу до 30 лм/Вт (и внешний квантовый выход до 55%), превосходя лампы накаливания. При этом необходимо понимать, что в отличие от ламп накаливания светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20…50 нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длинной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют «квазимонохроматическим».
Современный уровень технологий производства ОЯ СИД в мире позволяет повсеместно заменять лампы накаливания более надежными и малопотребляющими источниками света. Мировые лидеры по производству СКД, такие как Nichia и Lumileds, заявляют, что век ламп накаливания на исходе (им осталось жить меньше 10 лет).
Так световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 30 лм/Вт, в то время как красные светодиоды сегодня дают 30мл/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds (совместное предприятие Agilent Technologies и Philips Lighting) обеспечивают 50мл/Вт для красной и даже 65 мл/Вт для оранжево-красной части спектра. Впрочем, и это не рекорд – для желто-оранжевых светодиодов планка 100 мл/Вт уже взята.
Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Эту проблему решил в 90-х годах прошлого века Ш. Накамура из компании Nichia Chemikal (а позднее и специалисты Hewlett Packart) с помощью гетероструктуры на основе нитрида индия – галия InGaN
В сине – зеленой области спектра удалось добиться внешнего квантового выхода до 20 % и вплотную приблизиться по эффективности к люминесцентным лампам (световая отдача 70…90 мл/Вт.)
Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB круг» и сделало возможным создание светодиодов белого света. На данный момент существуют три способа получения белого света с помощью светодиодов.
Первый из них – смешивание в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и трехкристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.
На рисунке 5.25 показано получение белого света путем смешивания в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов.
Рисунок 5.25 – Получение белого света
Основой более дешевого и распространенного светодиода белого света является полупроводниковый кристалл структуры InGaN, излучающий на длине волны 460…470нм (синий свет) и нанесенный сверху на поверхность кристалла люминофор на основе YAG (иттрий – гадолиниевых грантов), активизированный Ge3+, излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части.
На рисунке 5.26 проиллюстрировано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.
Рисунок 5.26 – Получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора
Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет.
Такие светодиоды намного дешевле трехкристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по светоотдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания (15мл/Вт).
Еще один метод получения белого света – возбуждение трехслойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра (УФ-СИД).
На рисунке 5.27 показано получение белого света с помощью светодиода и RGB-люминофора.
Рисунок 5.27 – Получение белого света с помощью светодиода и RGB-люминофора
Кристалл светодиода – практически точечный источник света, поэтому корпус может быть очень миниатюрным. Конструкция корпуса светодиода должна обеспечить минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном телесном угле. Кроме того, должен быть обеспечен эффективный отвод тепла от кристалла. Самая распространенная конструкция светодиода – традиционный пятимиллиметровый корпус.
Световая отдача белого светодиода Luxeon III при номинальном прямом токе 0,7 А составляет 25 мл/Вт, световой поток при этом равен 65 лм.
Светоотдача Luxeon III уже превосходит светоотдачу классических и галогенных ламп накаливания, и в ближайшее время Lumileds Lighting планирует вплотную подойти к светоотдаче люминесцентных ламп 80…100 лм/Вт.
Тестовые вопросы к главе 5 Приборы когерентного излучения
1. Используя рисунок, укажите в конструкции твердотельного лазера номер, указывающий на стержень активного вещества:
2. Используя рисунок, укажите в конструкции твердотельного лазера номер, указывающий на инфракрасный светодиод:
3. Используя рисунок, укажите номер, указывающий на металл:
4. Используя рисунок, укажите номер, указывающий на активную область:
5. Используя рисунок, укажите в полупроводниковом лазере с гетероструктурой номер, указывающий на металл:
6. Используя рисунок, укажите на ватт – амперной характеристике инжекционного лазера, номер соответствующий низкой температуре:
7. Используя рисунок, укажите в полупроводниковом лазере с гетероструктурой номер, указывающий на активную область:
8. Используя рисунок, укажите на ватт – амперной характеристике инжекционного лазера, номер соответствующий средней температуре:
9. Используя рисунок, укажите на ватт – амперной характеристике инжекционного лазера, номер соответствующий высокой температуре
10. Какие условия необходимо выполнить для возникновения лазерной генерации:
1) условие баланса фаз;
2) условие баланса амплитуд;
3) использовать элемент накачки;
4) использовать оптический резонатор.