Цветные светодиоды: что такое главный параметр и почему он важен

Цветные светодиоды: что такое главный параметр и почему он важен

H1 Цветные светодиоды

Цветные светодиоды - это электронные компоненты, которые используются для создания цветного света. Они состоят из полупроводникового материала, который излучает свет при прохождении электрического тока. Цвет излучаемого света зависит от типа полупроводникового материала и его химического состава.

Главный параметр цветных светодиодов

Главным параметром цветных светодиодов является спектр излучения. Спектр излучения - это распределение энергии излучения в зависимости от его длины волны. Спектр излучения цветного светодиода определяет его цвет и интенсивность излучения.

Почему спектр излучения важен

Спектр излучения важен для того, чтобы создать определённый цвет и интенсивность света. Например, если вам нужен красный цвет, то вам нужно использовать светодиод с красным спектром излучения. Если вам нужно создать белый свет, то вам нужно использовать светодиоды с разными спектрами излучения и комбинировать их в определённой пропорции.

Таблица 1. Примеры спектров излучения цветных светодиодов

ЦветСпектр излучения Красный620-750 нм Оранжевый590-620 нм Жёлтый570-590 нм Зелёный500-570 нм Голубой435-480 нм Синий450-480 нм Фиолетовый380-450 нм

Список 1. Применение цветных светодиодов

Светодиоды красного цвета используются в автомобильных световых системах, таких как стоп-сигналы и поворотники.

Светодиоды зелёного цвета используются в светофорах и световых указателях.

Светодиоды синего цвета используются в телевизорах и мониторах.

Светодиоды белого цвета используются в освещении помещений и фонарях.

В заключение, спектр излучения является главным параметром цветных светодиодов, который определяет их цвет и интенсивность излучения. Использование цветных светодиодов позволяет создавать разнообразные цвета и эффекты, которые могут быть использованы в различных областях, таких как автомобильная промышленность, световая реклама и освещение помещений.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое главный параметр цветных светодиодов

Номинальный световой поток (люмены: лм)

Традиционно показатель светового потока зависел от интенсивности света, излучаемого источником освещения, независимо от влияния светильника и любого оптического устройства управления. Нет причин, по которым производители светодиодов должны были указывать какие-либо характеристики иначе, чем они есть на самом деле, но этот простой параметр намеренно вводил в заблуждение из-за того, что некоторые светодиоды не являются независимыми устройствами, а встроены непосредственно в светильник. Но этого следует коснуться при обсуждении параметра «Коэффициент полезного действия источника света» (см. ниже). В отношении светодиодных панелей указание этих параметров особенно вводило в заблуждение.

Эфективность светодиодного светильника (люмен на Ватт: лм / Вт)

Это тот показатель, за которым «гнался» каждый производитель последние десять лет и даже более длительный период. Сначала настоящей целью было превысить уровень эффективности, который требовался в соответствии с нормативными положениями, регламентирующими уровень энергоэффективности. Эта цель была достигнута несколько лет назад.

Есть предположение, что стремление к постоянному повышению показателей энергоэффективности приведет к ухудшению качества осветительных систем, поскольку более высокая светоотдача светильников будет способствовать меньшей равномерности освещенности в пространстве, и все это в попытке удержать показатели световой эффективности.

Как влияет главный параметр на работу светодиодов

Технические характеристики светодиодов, которые оказывают влияние на его работу, условно называют входными. Речь идёт о прямом (обратном) токе и напряжении и их графической зависимости.

Прямой ток

Техническим параметром №1 любого светодиода является ток, протекающий в прямом направлении через p-n-переход. Номинальный (рабочий) ток – это ток, при котором производитель гарантирует заявленную яркость в течение всего срока эксплуатации. Также указывается максимальный ток, превышение которого ведёт к электрическому пробою. Для некоторых модификаций номинальный прямой ток теоретически равен максимальному. В таких случаях рекомендуется эксплуатировать светодиод на 90-95% от номинального значения. Величина рабочего тока во многом зависит от размера кристалла и режима работы. Например, ток органического светодиода, используемого для формирования OLED матриц, не превышает нескольких микроампер. И, наоборот, кристалл мощностью 1 вт потребляет около 0,35 А.

Падение напряжения

Под этим параметром принято понимать прямое падение напряжения при протекании через p-n‑переход номинального тока. Его значение зависит от химического состава полупроводника (цвета свечения). Наименьшим прямым напряжением обладают инфракрасные диоды (около 1,9В), а наибольшим ультрафиолетовые (от 3,1 до 4,4В). Зачастую в паспорте указывают диапазон возможных значений.

Обратное напряжение

Под максимальным обратным напряжением понимают напряжение обратной полярности, прикладываемое к p-n-переходу, при превышении которого происходит электрический пробой и, как следствие, выход из строя полупроводникового прибора. Для превалирующей части светодиодов его значение составляет 5В. Среди излучающих диодов ИК-диапазона немало приборов с допустимым обратным напряжением 1 или 2 вольта.

Мощность рассеивания

Мощность, рассеиваемая корпусом, определяется как произведение максимального тока и прямого напряжения и указывает на наибольшее количество энергии, которую способен эффективно рассеивать светодиод в течение длительного времени. При превышении паспортного значения в кристалле полупроводника возникает электрический или тепловой пробой.

ВАХ

Вольтамперная характеристика светодиода представляет собой графическую зависимость прямого тока от прикладываемого прямого напряжения. С помощью этого технического параметра можно легко узнать падение напряжения на светодиоде при задании тока определённой величины без проведения лабораторных исследований. ВАХ помогает произвести теоретические расчёты будущей электрической цепи.

Какие факторы влияют на величину главного параметра

• Прямое напряжение U_f  .

  Определяется параметрами ширины запрещенной зоны E_g примененной гетероструктуры, материалом подложки, структурой омических контактов и характеристиками токоведущих нитей и их сварных соединений. Указывает прямое напряжение смещения светодиода при номинальном прямом токе I_f . Применяется, помимо определения потребляемой мощности светодиода, для расчета режимов оконечных каскадов или ключей вторичных источников питания, нагрузкой которых являются светодиоды, а также параметров самих источников питания, буферных, согласующих и стабилизирующих элементов.

• Прямой ток I_f  .

  Рабочий (номинальный) ток светодиода, при котором обеспечивается его работоспособность в течение указанного времени и с указанными далее в спецификации параметрами. I_f достигается подачей на светодиод прямого напряжения U_f . Все характеристики светодиода измеряются при токе I_f . Он считается базовым параметром, относительно которого ведутся расчеты и измерения других электрических параметров, поэтому при любых подобных действиях он жестко зафиксирован и стабилизирован, его величина известна с высокой точностью во время каждого измерения остальных характеристик. Используется для расчетов потребляемой энергии, КПД, эффективности излучения, мощности источника питания светодиода (группы светодиодов).

• Плотность тока через p — n -переход ρ _If2>.

  Указывает отношение прямого тока I_f к площади p — n -перехода. Служит для оценки режимов работы гетероструктуры и активной области перехода, деградационных характеристик. Параметр удобен для нормирования прямого тока без указания его непосредственного значения у конкретной группы приборов, с привязкой к площади излучающего кристалла.

• Обратное напряжение U_r  .

  Отрицательное напряжение, подаваемое на анод светодиода относительно его катода, при котором через светодиод протекает обратный ток I_r , значение которого не должно превышать указанную величину. Применяется для расчета характеристик цепей питания светодиода, элементов фильтров и режимов коммутирующих элементов при динамическом управлении .

• Обратный ток I_r  .

  Обусловлен наличием неоднородностей в материале области пространственного заряда, вызванного повышенной плотностью неосновных носителей заряда в прилегающих к  p — n -переходу областях. Вызван экстракцией неосновных носителей заряда из указанных областей совпадающим по направлению внешним приложенным электрическим полем (в неравновесном состоянии) . Может служить косвенным показателем качества эпитаксиальной гетероструктуры на предмет наличия примесей или дислокаций, а также уровня выполнения производственных операций по утонению — разделению пластин, нанесению омических контактов, посадке кристалла и приварке контактных проводников. Указывает значение тока через светодиод при приложении U_r  .

• Электрическая емкость светодиода C_f.

  Определяется свойствами материала кристалла, геометрией омических контактов и токоведущих частей конструкции светодиода. Применяется для расчетов импульсных режимов работы, переходных характеристик участков цепей, содержащих светодиод, и т. д.

• Индуктивность L_f.

  Обусловлена геометрией омических контактов, кристалла и токоведущих частей конструкции светодиода. Вместе с емкостью C_f образует реактивную часть комплексного сопротивления светодиода, выраженную характеристическим сопротивлением, и учитывается при расчетах временных характеристик импульсов и их фронтов при динамическом управлении, а также соответствующих согласующих цепей оконечных каскадов или ключей с нагрузкой, которой являются светодиоды.

• Максимальный импульсный ток I_max (τ).

  Максимальное значение тока I_f , независимо от времени действия (τ) которого на приборе выделяется максимальная мгновенная мощность P_dis max (τ), способная быть рассеянной конструкцией прибора без появления необратимых изменений.

• Время нарастания и спада (фронт) импульса тока τ_fи τ_b(с, нс).

  Интервал времени, в течение которого ток через светодиод изменяется от 0,1 до 0,9 значения. Применяется при использовании светодиодов в устройствах отображения информации с импульсным управлением, а также в приборах для систем приема/передачи информации (инфракрасные порты, считывающие и передающие оптические устройства, оптроны). Благодаря большому значению ширины запрещенной зоны области пространственного заряда излучающих кристаллов (в особенности у твердых растворов нитрида галлия, синих и фиолетовых цветов свечения), светодиоды способны формировать оптические импульсы с фронтами длительностью до единиц наносекунд, соответственно работать при частоте питающего тока вплоть до 500–800 МГц .

Как определить величину главного параметра для определенного цвета светодиода

Энергетическая эффективность светодиодов (КПД) - отношение мощности излучения (в Ваттах) к электрической потребляемой мощности (в светотехнической терминологии это энергетическая отдача излучения - т|е).
В тепловых излучателях, к которым относятся классические лампы накаливания, для генерации видимого излучения (света) необходим нагрев спирали до определенной температуры. Причем основная доля подводимой энергии преобразуется в тепловую (инфракрасное излучение), а в видимое излучение трансформируется только ?е = 3% у обычных, и че - 7% - у галогенных ламп накаливания.

Светодиоды для применения в прикладной светотехнике преобразуют подводимую электроэнергию в видимое излучение в очень узкой спектральной области, причем в кристалле возникают тепловые потери. Это тепло должно отводиться от светодиода специальными конструктивными методами с тем, чтобы обеспечить необходимые световые, цветовые параметры и максимальный срок службы.

Как влияет главный параметр на энергопотребление светодиодов

Перед тем, как рассматривать особенности существующих конструкций, следует ознакомиться с основными характеристиками приборов:

1. Светоотдача, или эффективность (Лм/Вт). Является отношением светового потока к используемой мощности. Эта величина высчитывается перед тем, как определить применимость диодов для различных осветительных систем. Модели 2020 года обладают показателями 120-140 Лм/Вт, то есть в несколько раз больше, чем у ламп накаливания.
2. Цветовая температура (Кельвины). Применяется в следующих диапазонах:

• 2500-3000 К – тёплый белый свет (WW);
• 4000-5000 К – нейтральный белый свет (NW);
• 6500-95000 К – холодный белый свет (CW).

Обратите внимание! Нейтральный свет диодов считается оптимальным для офисной работы, так как подсвечиваемые предметы имеют наибольшую чёткость.

Также выделяют цветные (синий, красный, жёлтый, зелёный) и RGB световые диоды.

3. Мощность светодиода (Вт, мА). Необходима для выбора подходящего источника питания. Диоды бывают:

• малой мощности – менее 0,5 Вт (20-60 мА);
• средней мощности – от 0,5 до 3 Вт (100-700 мА);
• большой мощности – более чем 3 ватта (от 1000 мА).

Обратите внимание! Чтобы продлить срок службы блока питания, его необходимо выбирать с запасом в 15-20%, превышающим реальную мощность светодиода.

4. Угол свечения (градусы). Обычно составляет 120-140^о, для индикаторных – 15-45^о.

5. Ресурс, или деградация (часы). Определяет длительность эксплуатации. На ресурс влияют:

• токовая деградация, когда через световые диоды пропускается избыточная сила тока;
• температурная деградация, возникающая при некачественном отводе электронной энергии.

Обратите внимание! Чтобы лучшие светодиоды прослужили заявленное количество часов, температура в точке пайки должна быть не более 65^оС.

Какие типы светодиодов имеют наибольшую величину главного параметра

Фотометрия – процесс измерения света в видимом спектре. Под видимым спектром подразумевается та часть светового спектра, которая видна невооруженным глазом среднестатистического человека, то есть длина волны лежит между 380 и 770 нм. Существует 2 основных световых стандарта – сила света и световой поток. Эти стандарты определяют главные фотометрические величины – яркость и освещенность.

Единицы измерения фотометрических параметров

Параметр	В чем измеряется
Cветовой поток	Люмен – световой поток, испускаемый точечным источником с силой света 1 кд внутри телесновго угла 1 стерадиан.
Сила света	Кандела – сила света восковой свечи
Яркость	1 нит = 1 кд/м^2
Освещенность	1 люкс = 1 Лм/м^2

Периодически возникает необходимость самостоятельно измерить излучение. О том, как это правильно сделать, существует огромное количество статей, здесь же приведены главные моменты, на которые следует обратить внимание во время этого процесса.

Способы измерения излучения:

• Использование калькулятора , если имеются вводные данные.
• Использование техники при необходимости измерения по факту.

Советы и меры, которые следует учитывать во время измерения излучения:

• Оборудование должно быть тщательно откалибровано.
• Нужно измерять выход света с определенным временным интервалом.
• Соблюдение постоянной температуры света в ходе тестирования.
• Использовать исключительно стабилизированный источник света.
• Условия тестирования должны быть легко воспроизводимы.
• Необходимо учитывать смещение оптического центра эмиссии светодиодов относительно механического центра.

Как можно измерить величину главного параметра в светодиодах

Не останавливающийся ни на минуту прогресс в области совершенствования полупроводниковых источников света необратимо завоевывает все новые области применения светодиодов и, соответственно, требует от них гораздо большего. Это обстоятельство подталкивает разработчиков на нетрадиционные решения проблем удовлетворения возросших требований. А для этого необходимо постоянно углублять знания в области физики работы светодиодов.

Возвращаясь к проблеме продолжительности работы и стабильности параметров светодиодов, стоит обсудить еще одну очень важную сторону этой темы — влияние температуры на характеристики излучения. В большинстве случаев, когда светодиоды участвуют в формировании ответственных сигналов, определенных стандартами, или являются исполнительной частью системы передачи изображения, температурным зависимостям всегда есть место при расчетах и проектировании систем, а также при поиске методов компенсации уходов параметров. Важно отметить, что под влиянием температуры изменяются практически все фундаментальные характеристики светодиодов, указываемые в спецификациях производителем только при комнатных температурах и составляющие основу для указанного проектирования, в то время как устройства на этих светодиодах, как правило, работают в широком диапазоне температур. Знание характера изменения характеристик в зависимости от тепловых условий позволит учесть и скорректировать выходные данные указанных устройств на их основе.