Краткая история светодиодов

Светодиоды – полупроводниковые приборы, генерирующие оптическое излучение при прохождении через них электрического тока. Светодиоды нельзя считать принципиально новыми источниками света, так как видимое излучение полупроводниковых структур (карбида кремния) было обнаружено О.В. Лосевым еще в двадцатые годы.

Однако только в шестидесятые годы началось их массовое производство, излучающих в красной и инфракрасной (ИК) областях спектра. Промышленные светодиоды зеленого и желтого цветов появились в семидесятые годы, а голубого и синего цветов только в девяностые годы, хотя обнаруженное в двадцатые годы свечение полупроводникового перехода было как раз голубым. Все эти светодиоды были созданы на основе арсенидов и фосфидов галлия, алюминия, индия и их смесей. В последние годы появились сообщения о создании светодиодов на основе полимерных полупроводниковых материалов.

Как создавались светодиодные светильники

Принципиальный скачок в улучшении параметров светодиодов произошел в 1992-1995 гг., когда японской фирме Nichia Chemical Industries (NCI) удалось организовать производство нового поколения светодиодов на основе многопроходных гетероструктур нитрида галлия и его твердых растворов. Эта фирма, а также Hewlett Packard (США), Sanken Electric Со. (Япония) и ряд других начали промышленный выпуск высокоэффективных светодиодов повышенной яркости. Световая отдача светодиодов была увеличена в 100 раз. К настоящему времени разработаны и выпускаются в промышленных масштабах высокоэффективные светодиоды, излучающие во всем видимом диапазоне спектра и в ближней ИК области. О масштабах современного производства светодиодов можно судить по следующим цифрам: только фирма Hewlett Packard (HP) ежегодно производит светодиодов на сумму более миллиарда долларов; объем выпуска светодиодов в СССР в конце восьмидесятых годов превышал 100 млн. штук в год.

Какие преимущества имеют светодиодные светильники?

Подлинный бум в применении светодиодов, начавшийся несколько лет назад, вызван следующими обстоятельствами:

1. Светодиодные светильники имеют показатели надежности несоизмеримо более высокие, чем у остальных источников света. Многие светодиоды имеют срок службы 300 000 ч, а в информационном выпуске фирмы HP от 1996 года сообщается, что и 1000 000 ч - уже не проблема.

2. Световая отдача светодиодов уже сейчас превышает световую отдачу ламп накаливания и достигает 100 лм/Вт. Именно это свойство позволяет создавать сверхяркие светильники. Например, светодиодные светильники для дома уже появились в продаже. Кроме того, светодиодные светильники для ЖКХ все чаще используются для освещения подъездов, тротуаров и подземных переходов.

В отличие от газоразрядных источников света, светодиоды не требуют какой-либо пускорегулирующей аппаратуры. Они допускают последовательное и параллельное соединение без выравнивающих сопротивлений, что предельно упрощает возможность их использования. Конструкция современных светодиодов позволяет концентрировать излучаемый ими световой поток в малых телесных углах. Это делает возможным создание световых приборов без применения какой-либо внешней оптической системы, причем коэффициент использования светового потока при этом близок к 100 %. Благодаря этому светодиодные светильники являются самым экономичным решением для освещения.

Излучение светодиодов близко к монохроматическому, причем имеются высокоэффективные светодиоды с излучением в областях красного, желтого и зеленого цветов, применяемых в визуальной сигнализации. Таким образом, светодиодные светильники имеют неограниченные возможности в светосигнальном оборудовании.

Высокая устойчивость светодиодов к механическим воздействиям и их работоспособность в широком интервале температур (от -55 до + 100 °С) позволяют использовать их на любых средствах транспорта – от велосипеда до космических кораблей. Светодиодные светильники уличного освещения работают в несколько раз дольше аналогов при тех же режимах эксплуатации.

Корпус светодиодов изготавливается из прозрачного материала (например эпоксидной смолы) с достаточно высоким коэффициентом преломления (как правило, 1,58). Корпус имеет сферическую или эллипсоидную поверхность, выполняющую роль линзы и формирующую излучение светодиода в заданном телесном угле. Сферические поверхности позволяют сконцентрировать излучение в угле от 15° до 120°, эллипсоидные — от 3° до 15°. Излучение генерируется кристаллом, который закреплен на кристаллодержателе. Кристаллодержатель является одновременно и одним из электродов светодиода. Внутренние бортики кристаллодержателя имеют наклон около 45° и высоту до 0,5 мм и служат внутренним отражателем, направляя боковое излучение кристалла вдоль оптической оси светодиода. Выводы служат не только для подачи напряжения, но и для фиксации светодиода на монтажных платах. При повышенных механических нагрузках светодиоды крепятся дополнительно за корпус. Типовые диаметры корпуса — 3, 5, 8 и 10 мм.

Кроме привычной колоколообразной конструкции, светодиоды выпускаются во множестве других вариантов: для плоскостного монтажа, в виде матриц, в металлических корпусах, в виде плоских световодных пластин для подсветки жидкокристаллических индикаторов и т. д.

До конца 80-х годов основной областью применения светодиодов были световая индикация и средства отображения информации.

Где применяются светодиодные светильники?

Первой областью массового применения новых светодиодов стала дорожная сигнализация. Практически одновременно в США, Японии и ряде европейских стран появились уличные светофоры на светодиодах, по своим светотехническим параметрам (сила света, цветность излучения и угол излучения) полностью соответствующие требованиям международных и национальных стандартов. По экономичности светофоры со светодиодами превосходят обычные светофоры с лампами накаливания в несколько раз, а по сроку службы – в сотни раз. В августе 1995 г. светофоры со светодиодами появились на улицах Москвы. Для автодорожных светофоров характерны следующие параметры: угол излучения 30° (по уровню 0,5), осевая сила света не менее 80 кд, срок эксплуатации (без обслуживания) – 15 лет и более. Несмотря на то, что стоимость светофоров со светодиодами в настоящее время в 2-4 раза выше, чем с лампами накаливания, они полностью окупаются за один-три года.

Кроме автодорожных, появились и железнодорожные светофоры со светодиодами. Они создают более узкий световой пучок (около 4°), осевая сила света от 2300 кд (для красного света), до 4300 кд (для желтого цвета). Созданы и стрелочные светофоры синего цвета с углом излучения около 9° (по уровню 0,1) и осевой силой света до 120 кд. Мощность, потребляемая железнодорожными светофорами – от 0,6 Вт для стрелочных синего цвета до 5 Вт для желтого цвета. Особенно перспективно использование светодиодов в плавучих маяках, бакенах и створных огнях с автономными источниками питания на речном транспорте, так как меньшее энергопотребление источников света позволяет значительно реже менять источники тока, и срок окупаемости может сократиться до одного года.

Малая инерционность светодиодов дает им преимущество перед лампами накаливания при применении в огнях торможения автомобилей. Перспективно их использование также в габаритных огнях, указателях поворота, заднего хода и т. п.

Параметры современных светодиодов делают их конкурентоспособными во многих светосигнальных устройствах аэродромов (огни кругового обзора, световые указатели, огни приближения и подхода). Однако кроме светосигнальной аппаратуры различного назначения, светодиоды уже сегодня рассматриваются и как источники света в традиционном понимании, т. е. как средства освещения или облучения тех или иных объектов. В настоящий момент в РФ внедряется программа, предписывающая применять светодиодные светильники для дома. Однако более вероятно, что светодиодные светильники для ЖКХ будут массово внедряться раньше, чем домашние.

Светодиодные светильники в космосе

Характерен в этом отношении большой интерес, проявляемый к светодиодам в NASA (Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства США). Так, еще в 1991 г. по заданию NASA американскими учеными были проанализированы возможности использования светодиодных светильников для облучения растений в условиях космических полетов. Использовались светодиоды на арсениде галлия и алюминия. В этих условиях в течение 21 дня (с циклом 16 ч свет – 8 ч темнота) выращивались растения салата. Результаты эксперимента показали, что выращенные под светодиодами растения ни по одному из контролируемых параметров (масса свежесрезанных растений, масса сухого вещества в них, количество и размер листьев) не уступали растениям, выращенным в контрольной установке, где источником излучения были люминесцентные лампы холодно-белой цветности и лампы накаливания (уровень облученности был одинаков). Светильники на светодиодах могут обеспечить требуемые для нормального роста и развития растений уровни облученности, однако энергообеспеченность современных космических объектов не позволяет строить на них оранжереи достаточно большой площади.

Глубокий интерес NASA к проблеме использования светодиодов не случаен. Светильники построенные на светодиодах обладают рядом свойств, делающих их особенно перспективными при использовании именно на космических объектах. Кроме их высокой надежности, это полное отсутствие в светодиодах стекла и ртути – практически обязательных компонентов всех современных источников света, требующих значительных усложнений конструкции светильников для полного исключения возможности попадания осколков стекла и паров ртути в общий объем станций при случайных разрушениях ламп.

Руководствуясь именно этими соображениями, в проекте международной станции "Альфа" как альтернативный вариант рассматривается возможность использования светильников на светодиодах для освещения одного из модулей станции. Высокая надежность, безвредность и простота позволяют говорить о реальности и перспективности использования светодиодов не только в светосигнальных устройствах, средствах отображения информации и световой рекламе, но и в обычных осветительных приборах, особенно для местного освещения. Светодиоды, излучающие в ИК диапазоне, наиболее широко используются в пультах дистанционного управления телевизоров и другой радиоаппаратуры. Малая инерционность светодиодов позволяет модулировать их излучение с частотой до десятков мегагерц и тем самым передавать широкую гамму командных сигналов.

Это же свойство светодиодов в сочетании с малыми габаритами излучающего тела, позволяющими сконцентрировать излучение в узких пучках (до десятков угловых минут), определило еще одну обширную область применения светодиодов - оптическую связь с открытым оптическим каналом. Использование открытого оптического канала вместо волоконной оптики делает системы оптической связи на светодиодах исключительно надежными, скрытными, помехозащищенными и мобильными.

Благодаря небольшим габаритам появились светодиодные светильники встраиваемые в элементы интерьера. Так, появились офисные светодиодные светильники, устанавливаемые в подвесные потолки. А благодаря высокой яркости светодиодные светильники нашли свое применение для подсветки в клубах, ресторанах и даже такая область, как архитектурная подсветка зданий уже широко использует светодиодные светильники.

Светодиодные светильники сегодня

Очень широкой областью применения светодиодов является световая реклама, особенно динамичная, вместе с компьютерным управлением. Появление высокоэффективных светодиодов с излучением в сине-зеленой области спектра открыло еще одну перспективную область их использования: создание светодиодных телевизионных экранов с высоким качеством цветопередачи. Следует ожидать, что уже в ближайшие годы параметры светодиодов повысятся в 2-3 раза, а стоимость их заметно понизится. Это может привести к тому, что светодиодные светильники вытеснят ставшие привычными лампы накаливания и люминесцентные лампы. Светодиодные светильники потолочные имеют широчайший ассортимент и могут быть установлены в вашей квартире, даче, применяться в офисах и прочих помещениях. Ведущими фирмами по разработке и производству светодиодов являются Nichia Chemical Industries (Япония), Hewlett Packard (США), Sanken Electric Co. (Япония), Panasonic (Япония).