LED — технология, принцип работы. Плюсы и минусы LED.

LED (Light-emitting diode) — технология, которая позволяет получить световое излучение в месте соприкосновения катода и полупроводника соединённого с анодом (электроны взаимодействуют с излучением фотонов при переходе через полупроводник на катод).

Для достижения всевозможных типов излучения, применяются различные типы полупроводников. Считается, что первый светодиод, излучающий в видимом диапазоне, был разработан в университете Иллинойса под руководством Ника Холоньяка («отец современного диода») в 1962 году. Но первое упоминание о подобном эффекте было ещё в 1907 году от Генри Раунда, экспериментирующего с различными материалами.

Светодиод был открыт случайно, когда во время экспериментов было обнаружено, что в определённых случаях при переносе заряда возникает свечение в видимом диапазоне.

Позже были открыты диоды излучающие и в других спектрах. Развитие диоды получили лишь в середине 80-х, когда начали требоваться компактные и долговечные источники света для индикаторов, освещения и в тех местах где невозможно использовать лампы накаливания и лампы холодного катода. Диоды выгодно отличаются от них малыми габаритами, малым энергопотреблением, отсутствием необходимости особой подготовки напряжения, практически отсутствием нагрева, высокой выносливостью к ударам и перегрузкам.

Стоимость светодиодов постоянно падает из-за улучшения технологии и удешевления производства. Они применяются в карманных фонарях, прожекторах, фарах автомобилей, индикаторах, подсветках ЖК — матриц, телескопах, приборах ночного видения и многих других приборах.

У LED технологии есть несколько неоспоримых преимуществ в сравнении с другими источниками света:

• · Способность выдерживать относительно тяжёлые условия эксплуатации (вибрации, небольшие удары, попадание воды, низкие температуры, давление).

• · Низкое энергопотребление (примерно в 7-10 раз меньше чем у стандартных ламп накаливания) и высокий уровень КПД.

• · Практически не содержат вредных для здоровья и окружающей среды соединений (в отличии от люминисцентных ламп и CCFL, которые содержат ртуть).

• · Долговечность (в 70-80 раз выше чем обычные лампы с нитью накаливания, до 80 000 часов и до 2-х раз долговечнее ламп с холодным катодом).

Минусы LED технологии:

• · Плохая переносимость высоких температур, что вызывает помутнение источника света и окружающего материала по причине распада полупроводника.

• · Узкий спектр излучения (хотя в определённых случаях, это может быть и плюсом). Сейчас ведётся довольно успешная работа по расширению спектра для ЖК мониторов и ТВ.

Мировыми лидерами по производству светодиодов являются компании Philips и Osram (подразделение Siemens).

Также, активным изучением и производством светодиодов занимается немало известная TSMC.

Существует разновидность дисплейной технологии под названием OLED, диоды которой, излучают свет благодаря органическим соединениям. Применяются в сверх-контрастных и гибких экранах мобильных устройств, имеют великолепную яркость и контрастность, но имеют один существенный минус – малая долговечность. Каждый суб пиксель в

OLED дисплеях это отдельный органический светодиод.

Светодиодные приборы освещения LED technology Технологии

Ориентационная LED-подсветка

Ориентационное освещение, световые сигналы, информационные щиты

Система ориентационного освещения с использованием светодиодных ламп предлагает широкий выбор освещенных информационных щитов, сигнальных элементов и других устройств, предназначенных для облегчения ориентации в помещениях.

Светодиодная подсветка для чтения

• настенное устройство, предназначенное для чтения
• интеграция в электросистему с напряжением 230 В или 48 В
• управление с помощью 2-х клавишного выключателя
• максимальное освещение достигается с помощью 12 диодных ламп
• подходит для освещения лестничных ступеней
• доступен вариант из серии «LS»

Светодиодный сигнал

• в зависимости от коннектора, для освещения фона может использоваться синий или белый свет
• может работать в беспрерывном режиме с низким уровнем потребления электроэнергии
• надписи и символы на прозрачной пленке могут быть легко заменены
• световая гамма RGB: с помощью переключателя DIP можно установить любой цвет (красный, синий, зеленый, фиолетовый, желтый, голубой или белый)
• доступен вариант из серии «LS»
• Услуга профессионального нанесения надписей на светодиодных сигнальных устройствах JUNG

Светодиодные сигналы: функция светофора

• световой сигнал можно использовать в качестве эффективного средства для регулирования и информирования, напр. , в приемной у кабинета врача, в больнице или гостинице
• устройство состоит из двух частей: верхняя освещается красным цветом, нижняя – зеленым
• каждая часть включается отдельно с помощью серийного переключателя
• доступен вариант из серии «LS»

Светодиодные информационные щиты

• освещенные надписи белого или синего цвета помогут посетителям сориентироваться в гостинице, учреждении общественного питания или офисном здании
• световая гамма RGB: с помощью переключателя DIP можно установить любой цвет (красный, синий, зеленый, фиолетовый, желтый, голубой или белый)
• конструкция состоит из крышки с задвинутым сменным окошком из органического стекла, размером 71 x 71 мм
   
• JUNG предлагает услугу профессионального нанесения надписей на светодиодных информационных щитах
• доступен вариант из серии «LS»
• Услуга профессионального нанесения надписей на светодиодных сигнальных устройствах JUNG

Держатели надписей с подсветкой

• обеспечивает оптимальное функционирование системы ориентационных знаков даже в темноте
• идеально подходит для использования в больницах
• доступен вариант из программы «AS 500» с применением штепсельного гнезда SCHUKO^® и балансирных переключателей/кнопок; также подходит для штепсельного гнезда SCHUKO^® из серии «LS 990»

Ориентационная LED-подсветка

Светодиодная технология | What You Need to Know

В последнее десятилетие технологии освещения быстро развивались благодаря инновациям в светодиодной технологии. Светодиоды, сокращенно от Light-Emitting Diodes, получили широкое распространение с момента их коммерческого внедрения почти шесть десятилетий назад в качестве простых световых индикаторов для таких элементов, как панели управления, стереосистемы и различные другие типы электронного оборудования. Сегодня светодиоды продвинулись до такой степени, что они выполняют одни из самых требовательных задач освещения на планете.

Хотя основная концепция этой технологии аналогична концепции большинства других типов освещения, существуют существенные различия в том, как работает светодиодная технология по сравнению со всеми другими типами освещения. Понимание этих различий важно при выборе вариантов светодиодного освещения, особенно для тех, кто заменяет существующие традиционные светильники, например, с использованием люминесцентных ламп, газоразрядных ламп и ламп накаливания.

История

Начало светодиодной технологии восходит к открытию электролюминесценции в 1907 английского экспериментатора Х. Дж. Раунда из Marconi Labs с использованием кристалла карбида кремния и детектора «кошачий ус». Это создало основу для создания первого светодиода в 1927 году русским изобретателем Олегом Лосевым, который поделился своими исследованиями в советских, немецких и британских научных журналах.

В последующие десятилетия после работы Лосева было проведено множество экспериментов и достижений, которые касались концепции светодиода. Однако так продолжалось до открытия излучения ближнего инфракрасного света Джеймсом Р. Бордом и Гэри Питтманом из Texas Instruments в 1919 году.61, что реальность практического использования светодиодов стала возможной. 8 августа 1962 года два инженера подали заявку на патент «Полупроводниковый излучающий диод», основанный на их работе, которую Патентное ведомство США выдало их инфракрасному светодиоду на основе GaAs под номером 3 293 513.

Работа Texas Instruments была расширена Hewlett-Packard (HP) для создания экономически эффективных светодиодов для коммерческого рынка.

Начиная с 1962 года, HP занималась исследованиями и разработками, чтобы найти способ улучшить характеристики светодиодов, одновременно снизив их стоимость, чтобы их можно было использовать в обычных потребительских товарах и электронике. В дополнение к собственной команде исследований и разработок HP, были также совместные усилия с компанией Monsanto, которая в то время была единственным производителем необработанного полупроводникового материала на основе арсенида галлия, важнейшего компонента светодиодов.

Эти совместные исследования и разработки окупились в 1968 году, когда одновременно были представлены светодиодный дисплей HP и светодиодная индикаторная лампа Mosanto. Это были первые коммерчески жизнеспособные светодиодные продукты, которые произвели революцию в освещении цифровых дисплеев, заменив никси-трубки в качестве основной технологии отображения, а также неоновые лампы и лампы накаливания для световых индикаторов. В течение следующих нескольких десятилетий светодиодная технология продолжала совершенствоваться, предлагая дополнительные цвета, а также повышенную надежность, долговечность и общую производительность.

С появлением светодиодов высокой мощности (HP-LED) за последнее десятилетие светодиоды стали полностью доминировать почти во всех существующих осветительных приборах. Начиная со специальных приложений, таких как фонари и компактные прожекторы для коммерческого, военного и промышленного применения, светодиоды HP-LED пробились в обычные потребительские осветительные приборы, такие как светодиодные трубки, лампы и даже специальные светодиодные осветительные приборы.

При использовании светодиодов HP качество производимого света постепенно улучшается вместе с выходным световым потоком. Это качество света, измеренное с помощью Индекс цветопередачи (CRI) в настоящее время превзошел практически все другие формы света, кроме естественного дневного света. Следуя закону Хейтца, общее развитие светодиодной технологии будет продолжать расти в геометрической прогрессии с обратно пропорциональными затратами, что сделает технологию более экономичной для широкого использования. Как и их прошлое, будущее светодиодов остается ярким.

Как работают светодиоды

Как упоминалось ранее, светоизлучающие диоды работают по тому же принципу, что и традиционные источники света, — они генерируют свет за счет протекающего через них электрического тока. Однако на этом сходство заканчивается. В отличие от традиционных источников света, которые используют тепло или химическую реакцию для создания освещения, светодиоды используют полупроводник в качестве источника света. Это уникальная технология, которая предлагает значительные технологические преимущества и гораздо больший потенциал для постоянного совершенствования.

Чтобы объяснить, как работают светодиоды, важно сначала понять, что такое полупроводник и как он работает. Полупроводники — это материалы с различной способностью проводить электрический ток. Светоизлучающие диоды являются одними из самых простых существующих типов полупроводников. К большинству полупроводников добавлены примеси, чтобы позволить электронам проходить через них, поскольку чистый полупроводниковый материал сам по себе является плохим проводником. Когда в полупроводник добавляются примеси, это называется легированием.

Вообще говоря, эти полупроводники изготовлены из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs). Когда этот материал легирован, он может либо добавлять свободные электроны, либо создавать дыры в материале, через которые могут пройти электроны. Когда полупроводник имеет дополнительные электроны, он известен как материал N-типа, поскольку он содержит дополнительные отрицательно заряженные частицы. Когда в полупроводнике есть дополнительные дырки, он известен как материал P-типа, поскольку он эффективно содержит дополнительные положительно заряженные частицы.

Основная конструкция диода состоит из секции материала N-типа и P-типа, соединенных вместе с электродами на каждом конце. При таком расположении электричество проводится только в одном направлении. Без подачи напряжения между материалами типа P и N создается зона истощения, восстанавливающая полупроводник до его исходного изолирующего состояния, в котором не могут течь электроны или электричество.

Для того, чтобы зона обеднения была удалена, необходимо переместить электроны из области N-типа в область P-типа, а также дырки в обратном направлении. Как только это происходит при достаточно значительном напряжении, зона обеднения удаляется, и заряд перемещается по диоду. Именно это взаимодействие между электронами и дырками генерирует свет, наблюдаемый в светодиоде.

В частности, свет, генерируемый светодиодом, на самом деле является результатом высвобождения фотонов в результате движения этих электронов с одной орбитали атома на другую. Чем больше расстояние между орбиталями, тем больше энергии выделяется электроном при взаимодействии и тем выше частота производимого света. И наоборот, чем короче расстояние между орбиталями, тем меньше энергии выделяется при взаимодействии и тем ниже частота. Низкие частоты часто находятся в инфракрасной части светового спектра, что означает, что они невидимы для человеческого глаза.

Эта изменчивость в изменении орбиты электрона отвечает за широкий диапазон вариантов цветовой температуры, доступных сегодня в светодиодном освещении. По сравнению с традиционным освещением с фиксированной или ограниченной цветовой температурой светодиоды предлагают почти бесконечный диапазон возможностей для каждого типа ламп. Фактически, некоторые светодиодные светильники позволяют пользователю легко переключаться между различными цветовыми температурами.

Общая конструкция

Помимо полупроводникового диода, есть несколько других ключевых компонентов светодиода, которые необходимы для его работы. К ним относятся выводная рама, состоящая из стойки и наковальни, отражающая полость, проволочное соединение и линза или корпус из эпоксидной смолы. Некоторые конструкции светодиодов могут включать в себя дополнительные детали или быть более сложными, но все они содержат эти основные части. Ниже приведен подробный список каждого из этих компонентов.

Выводная рама – Помимо полупроводникового кристалла, выводная рама является сердцем светодиодного чипа. Он состоит из отрицательно заряженной наковальни, которая удерживает сам полупроводниковый материал, и штифта, который заряжен положительно и содержит проволочное соединение, обеспечивающее ток в матрице. Эти два компонента выводной рамки физически не соприкасаются, а соединяются только проволочной связью.

Отражающая полость — это отражающий материал, который окружает полупроводниковый кристалл и направляет весь свет наружу к линзе. Обычно она во много раз больше, чем сама матрица.

Wire Bond — это крошечная нить провода, которая проходит от стойки к центру полупроводникового кристалла, обеспечивая его ток.

Эпоксидная линза/футляр – обеспечивает защиту и стабильность конструкции светодиодного блока, надежно фиксируя все компоненты на месте. Он обеспечивает определенную степень защиты от ударов, а также значительную виброустойчивость, что имеет решающее значение для промышленных или высокопроизводительных приложений.

Подтипы

Все светоизлучающие диоды построены на одном и том же основном принципе и из одних и тех же компонентов. Однако между этими разными технологиями есть некоторые существенные различия в конструкции, которые подробно показаны на следующих диаграммах.

Стандартный диод — это самая простая форма светодиода, а также самая старая. Он включает в себя относительно простую схему, состоящую из наковальни и стойки, с проволочным соединением, электрически соединяющим стойку с полупроводниковым материалом в наковальне. Все эти компоненты заключены в линзу/корпус из эпоксидной смолы с анодными и катодными соединениями, готовыми для простой пайки на плате.

Светодиод SMD — сокращение от «Устройство для поверхностного монтажа». Эти светодиоды уникальны тем, что вместо того, чтобы быть отдельными частями, припаянными к плате вручную, они фактически монтируются на самой плате. Одним из самых больших преимуществ этой конструкции является то, что крепление светодиода действует как теплоотвод, обеспечивая более высокий ток и более высокую эффективность, генерируя больше света.

COB LED – расшифровывается как «чип на плате», это эволюция конструкции SMD. В этой конструкции светодиодный чип крепится непосредственно к печатной плате с помощью термоклея. Это обеспечивает дополнительную эффективность охлаждения благодаря прямому контакту между полупроводниковым кристаллом и платой. Повышение эффективности охлаждения по сравнению с конструкциями SMD обеспечивает еще большую эффективность и производительность.

Вспомогательные компоненты

Несмотря на то, что полупроводниковый диод является центральной частью светодиодного светильника, существуют и другие компоненты, необходимые для его правильной работы. Светодиоды работают при относительно низком напряжении, обычно в диапазоне от 3 до 3,6 вольт. Хотя это прекрасно работает в низковольтных цепях и оборудовании, таком как мобильные телефоны и другие устройства с батарейным питанием, более высокое напряжение, обеспечиваемое бытовой электроэнергией, не подходит для светодиодов само по себе.

Мало того, что бытовая мощность находится в диапазоне от 120 до 240 вольт, это также переменный ток (AC), который несовместим со светодиодами, которым требуется постоянный ток (DC). Это требует использования схемы преобразования, которая может преобразовывать переменное напряжение бытовой сети в постоянное напряжение в диапазоне, пригодном для использования светодиодами. Есть несколько компонентов этой схемы, которые перечислены ниже:

Входной предохранитель — это жизненно важный компонент для предотвращения катастрофического выхода из строя в случае короткого замыкания или перегрузки по току. Входные предохранители требуются в соответствии с нормами пожарной безопасности с возможностью использования для этой цели проводников печатной платы или традиционных предохранителей.

Защита от переходных процессов на входе — защита от внешних электромагнитных полей, например, возникающих во время грозы или молнии. Для этой цели обычно используются мовисторы, и они особенно важны для высокоэффективных светодиодов, которые имеют более узкий запас по напряжению.

Мостовой выпрямитель . Поскольку светодиоды работают от постоянного, а не переменного тока, требуется выпрямитель. Для этой цели используются мостовые выпрямители, поскольку они обеспечивают двухполупериодное выпрямление, используя обе половины входящего сигнала для максимально возможной эффективности. Кроме того, в отличие от других типов выпрямителей, для них не требуется трансформатор с центральным отводом, который плохо подходит для светодиодных приложений.

Конденсаторное сглаживание — Поскольку форма сигнала, поступающего от мостового выпрямителя, состоит из постоянной серии полуволн, которые нарастают и падают между пиковым напряжением и нулевым напряжением, для сглаживания напряжения, поступающего в цепь, требуется конденсатор.

DC-DC Converter — Драйверы для светодиодов довольно просты и состоят из недорогого DC-DC преобразователя. Это обеспечивает постоянный источник тока для светодиодов, позволяя им функционировать.

Радиатор . Современные светодиодные приложения предъявляют значительно более высокие требования, чем простые световые индикаторы прошлого, требующие так называемых высокомощных светодиодов (HP-LED). Они выделяют значительное количество тепла, поэтому требуется радиатор для правильного рассеивания тепла, чтобы предотвратить повреждение.

Применение помимо освещения

Интересная область применения светодиодов, которую редко рассматривают, связана с коммуникациями. Одной из уникальных характеристик светодиодов является то, что они включаются и выключаются миллионы раз в секунду, что позволяет достичь очень высокой пропускной способности данных. Это означает, что их можно использовать для целей связи, эффективно становясь беспроводными маршрутизаторами для передачи информации на различные устройства и с них.

Пока взаимодействующие устройства находятся в хорошо освещенном месте с четким полем зрения, это может быть высокоэффективным методом связи, заменяющим высокоскоростное Wi-Fi-соединение с Интернетом при минимальном потреблении энергии. По сути, это точный принцип работы волоконно-оптических кабелей — связь через светопропускание. Единственным недостатком этого является то, что в отличие от радиочастотной передачи, такой как Wi-Fi, сигнал не сможет проникнуть или пройти через объекты или барьеры, такие как стены, мебель и т. д.

Будущее светодиодного освещения | Новые технологии

Блог Energy Focus

Будущее светодиодного освещения

Когда дело доходит до освещения, мы переживаем самое революционное время со времен создания лампочки Томасом Эдисоном. Технология светодиодного освещения быстро развивалась за последние несколько десятилетий. Светодиодное освещение стало основой в коммерческих и промышленных помещениях, школах, больницах и даже жилых домах. Однако можно сделать гораздо больше, чем просто обеспечить освещение.

Светодиодное освещение, ориентированное на человека

Светодиодное освещение, ориентированное на человека, работает с людьми, занимающими пространство, создавая для них наиболее эффективную среду. Это можно сделать несколькими способами. Во-первых, это настройка цвета для светодиодного освещения. Светодиодный свет обычно обеспечивает значительное улучшение качества света, поскольку его широкий, гладкий цветовой спектр больше похож на цветовой спектр солнца, чем другие искусственные источники света. Цвет света соответствует естественным циркадным ритмам человека (или циклу бодрствования и сна). Синий свет, который обычно больше присутствует в светодиодном освещении (и на солнце), чем, например, в свете ламп накаливания, помогает бороться с усталостью и создает общее ощущение бодрствования, подавляя выработку мелатонина, естественного гормона сна организма. С другой стороны, яркое красное освещение, в котором гораздо меньше синего, а также может создаваться светодиодами, может способствовать возникновению чувства сонливости, позволяя вырабатывать мелатонин. Технология настройки цвета светодиодов, при которой светодиодная лампа меняет цвет электронным способом, может быть полезна, например, для освещения больниц. Лампы, настроенные на светодиодное освещение с насыщенным синим светом, могут помочь медицинскому персоналу оставаться бдительным во время ночных смен, а светодиодные лампы в палате пациента можно настроить на более спокойное освещение с насыщенным красным цветом.

Второй и третий типы технологий, ориентированных на человека, включают возможности диммирования и распознавания присутствия. Светодиодный светильник будет воспринимать окружающий свет в комнате и регулировать яркость света в зависимости от доступного света, поступающего из окон или других источников. Эта технология имеет широкое применение от розничных магазинов до промышленных складов и многого другого. Датчик присутствия помогает уменьшить количество энергии, затрачиваемой на освещение комнат, в которых никого нет. Это можно сделать либо с помощью датчиков движения, либо с помощью датчиков тепла. Обе эти технологии полезны не только для людей, но и для окружающей среды. Приглушение света и выключение света, когда никого нет, значительно снижает количество используемой энергии, помогая планете, создавая меньше парниковых газов, а также добавляя доллары в чистую прибыль компании.

IoT — Интернет вещей

IoT , или Интернет вещей, относится к постоянно растущей сети устройств, которые имеют возможность подключения к Интернету, а также связь, которая происходит между этими устройствами и другими устройствами с доступом в Интернет. и системы. Как это сочетается со светодиодным освещением? Поскольку освещение используется повсеместно, освещение с поддержкой IoT упрощает создание подключенных систем. Наличие светодиодного освещения с поддержкой IoT в каждой комнате здания может помочь создать более интеллектуальное здание с практически неограниченными возможностями. На самом деле, освещение, ориентированное на человека, о котором мы упоминали ранее, вероятно, может быть наиболее эффективно реализовано с помощью освещения, совместимого с IoT. Однако это вряд ли будет единственным приложением IoT. Светодиодное освещение, совместимое с IoT, может стать основой систем, оптимизирующих кондиционирование воздуха и отопление, управление энергосистемой и даже беспроводную связь нового поколения.

LiFi

Новейшая концепция светодиодного освещения — Li-Fi. По сути, Li-Fi — это усовершенствованная версия подключения к Интернету через Wi-Fi, использующая свет, а не радиоволны, с возможностью передачи данных со скоростью до ста раз выше! Шуджи Накамура , получивший Нобелевскую премию по физике 2014 года за изобретение синего светодиода, даже назвал Li-Fi следующим шагом в светодиодной технологии .