Светодиоды: история и развитие

Светодиоды: история и развитие

Бытовые LED-светильники стали массово продаваться только в XXI веке. Открытие же эффекта светодиодного свечения принадлежит Генри Рауду из Англии. Это произошло еще в 1907 году. Начальное изобретение было дополнено Олегом Лосевым в 1922 году, который увлекался электронными техническими устройствами передачи данных посредством электромагнитных колебаний.

В 1962 году был изобретен первый монохромный светоизлучающий диод красного свечения. Это сделал Ником Холоньяк из General Electric. В 1960-е годы светодиоды с красным спектром излучения использовались во время изготовления небольших индикаторов, которые применялись в разных электрических приборах. Первые светоизлучающие диоды являлись источниками слабого света, но потребляли большое количество электрической энергии. Несмотря на недостатки, это направление продолжили развивать из-за вполне реальных перспектив.

В 1970-е годы были созданы светоизлучающие диоды с зеленым и желтым спектром свечения. Эти полупроводниковые приборы стали внедрять в разную небольшую электронику, включая:

• калькуляторы;
• аварийные указатели;
• часы.

Постепенно происходило улучшение светового потока светоизлучающих диодов. Его значение выросло до 1 люмена только к началу 90-х годов XX века.

Суджи Накамура из Японии стал в 1993 году изобретателем первого яркого светодиода с синим излучением. Он работал в это время инженером в компании Nichia. После этого изобретения стало возможным получать свет нужного цвета, потому что любой его оттенок создается при определенном сочетании красного, синего и зеленого спектра.

Производство первых светодиодов с белым излучением началось в 1996 году. Под конец XX века лампы накаливания стали заменять LED-освещением в местах, где требовался цветной свет.

Увеличение светового потока светоизлучающих диодов до 100 и более люмен произошло в период с 2001 по 2005 год. В это же время появились белые LED-диоды с холодным и теплым естественным оттенком. В результате началась повсеместная замена традиционных ламп накаливания эффективным светодиодным освещением. LED-светильники стали использовать в разных областях и местах, включая улицы населенных пунктов и частные территории с жилыми домами.

Сейчас светодиодные светильники изготавливают многие бренды. Выпускаемая продукция отличается формой, техническими характеристиками и назначением. Ее используют в бытовых условиях, офисах и на предприятиях.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое светодиоды

В основе светодиода лежит p-n переход, созданный путём допирования двух смежных областей полупроводника разными типами примесей: одна область допируется атомами, создающими избыток электронов (n-тип), а другая — атомами, создающими избыток "дырок" (p-тип).

Когда к светодиоду прикладывается напряжение в прямом направлении, электроны из n-области начинают перемещаться к p-области, а "дырки" из p-области — к n-области. На границе p-n перехода электроны и "дырки" встречаются и рекомбинируют, что приводит к освобождению энергии в виде фотонов — частиц света.

Энергия фотонов и цвет излучаемого света зависят от ширины запрещённой зоны полупроводника, которая определяется его материалом. Например, полупроводники с большой шириной запрещённой зоны излучают свет в синем или ультрафиолетовом диапазоне, в то время как полупроводники с меньшей шириной запрещённой зоны излучают в красном или инфракрасном диапазоне.

Преимущества светодиодов :

• Высокая эффективность: Большая часть энергии преобразуется в свет, а не в тепло.
• Долговечность: Срок службы светодиодов может достигать десятков тысяч часов.
• Быстрый отклик: Светодиоды мгновенно включаются и выключаются.
• Устойчивость к ударам и вибрации: Отсутствие хрупких элементов делает их надёжными в эксплуатации.
• Малый размер: Позволяет использовать их в компактных устройствах.

Эти характеристики делают светодиоды идеальными для широкого спектра применений, от бытового освещения до передовых технологических решений. Их уникальные свойства и способность к миниатюризации открывают новые горизонты в дизайне и инженерии осветительных устройств.

Источник: https://otoplen-dom.ru/stati/svetodiody-osnovnye-vidy-i-ih-markirovka

Как работают светодиоды

Применений диодов существует множество. Разработчики-радиоэлектронщики обычно выдумывают свои схемы из кусочков других схем, так называемых строительных кирпичиков. Вот несколько вариантов.Например, схема защиты цифровых или аналоговых входов от перенапряжения:Диоды в этой схеме при нормальной работе не пропускают ток. Только ток утечки. Но когда по входу возникает перенапряжение с положительной полуволной, т.е. напряжение входа становится больше чем Uпит плюс прямое падение напряжения на диоде, то верхний диод открывается и вход замыкается на шину питания. Если возникает отрицательная полуволна напряжения, то открывается нижний диод и вход замыкается на землю. В этой схеме, кстати, чем меньше утечки и емкость у диодов, тем лучше. Такие схемы защиты уже, как правило, стоят во всех современных цифровых микросхемах внутри кристалла. А внешними мощными сборками TVS-диодов защищают, например, USB порты на материнских платах.Также из диодов можно собрать выпрямитель. Это очень распространённый тип схем и вряд ли кто-то из читателей про них не слышал. Выпрямители бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. С однополупериодным выпрямителем мы уже познакомились в нашем самом первом многострадальном примере, когда рассматривали защиту от переплюсовки. Никакими особыми плюсами не обладает, кроме плюса на батарейке. Один из самых важных минусов, который ограничивает применение схемы однополупериодного выпрямителя на практике: схема работает только с положительной полуволной напряжения. Отрицательное напряжение напрочь отсекает и ток при этом не течет. «Ну и что?», скажете вы, «Такой мощности мне будет достаточно!». Но нет, если такой выпрямитель стоит после трансформатора, то ток будет протекать только в одну сторону через обмотки трансформатора и, таким образом, трансформаторное железо будет дополнительно подмагничиваться. Трансформатор может войти в насыщение и греться намного больше положенного.Двухполупериодные выпрямители этого недостатка лишены, но им необходим средний вывод обмотки трансформатора. Здесь при положительной полярности переменного напряжения открыт верхний диод, а при отрицательной – нижний. КПД трансформатора используется не полностью.Мостовые схемы лишены обоих недостатков. Но теперь на пути тока включены два диода в любой момент времени: прямой диод и обратный. Падение напряжения на диодах удваивается и составляет не 0,65-1В, а в среднем 1,3-2В. С учетом этого падения считается выпрямленное напряжение.Например, нам надо получить 18 вольт выпрямленного напряжения, какой трансформатор для этого выбрать? 18 вольт плюс падение на диодах, возьмем среднее 1,4 В, равно 19,4 В. Мы знаем из, что амплитудное значение переменного напряжения в корень из 2 раз больше его действующего значения. Поэтому во вторичной цепи трансформатора переменное действующее напряжение равно 19,4 / 1,41 = 13,75В. С учетом того, что напряжение в сети может гулять на 10%, а также под нагрузкой напряжение немного просядет, выберем трансформатор 230/15 В.Мощность требуемого нам трансформатора можно посчитать от тока нагрузки. Например, мы собираемся подключать к трансформатору нагрузку в один ампер. Это если с запасом. Всегда оставляйте небольшой запас, в 20-40%. Просто по формуле мощности можно найти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, где U и I – напряжение и ток вторичной обмотки. Если вторичных обмоток несколько, то их мощности складываются. Плюс потери на трансформацию, плюс запас, поэтому выберем трансформатор 20-40 ВА. Хотя часто трансформаторы продаются с указанием тока вторичных обмоток, но проверить по габаритной мощности не помешает.После выпрямительного моста необходим сглаживающий конденсатор, на рисунке не показан. Не забывайте про него! Есть умные формулы по расчету этого конденсатора в зависимости от количества пульсаций, но порекомендую такое правило: ставить конденсатор 10000мкФ на один ампер потребления тока. Вольтаж конденсатора не меньше, чем выпрямленное без нагрузки напряжение. В данном примере можно взять конденсатор с номиналом 25В.Диоды в этой схеме выберем на ток >=1А и обратное напряжение, с запасом, больше 19,4 В, например, 50-1000 В. Можно применить диоды Шоттки. Это те же диоды, только с очень маленьким падением напряжения, которое часто составляет десятки милливольт. Но недостаток диодов Шоттки – их не выпускают на более-менее высокие напряжения, больше 100В. Точнее с недавнего времени выпускают, но их стоимость заоблачная, а плюсы уже не так очевидны.

Какие материалы используются для изготовления светодиодов

Уже в 2007 году, в одном из докладов на пекинской конференции Международной Комиссии по Освещению, была особо отмечена важность экономичности и экологичности как уже используемых, так и еще только разрабатываемых, более совершенных светотехнических изделий.
Первоочередной акцент был сделан докладчиками на более рациональное и эффективное использование света. И это вовсе не было призывом как-то уменьшать освещенность. В качестве одного из важнейших шагов к данной цели выделяется разработка и внедрение энергетически более эффективных и экологически безопасных источников света — светодиодов.

Высокотехнологичная отрасль
Светодиоды — это полупроводниковые электротехнические изделия, предназначенные для получения света благодаря проходящему через p-n-переход электрическому току. Но ведь не каждый p-n-переход излучает свет.
Чтобы получить свет от полупроводника, необходимо соблюсти определенные условия: запрещенная зона перехода на полупроводнике должна иметь такую ширину, чтобы энергия получаемых квантов оказалась близка к энергии квантов света видимого диапазона, при этом вероятность излучения в процессе рекомбинации электронно-дырочных пар должна получиться высокой.
Для соблюдения названных условий, изготавливаемый кристалл должен иметь минимум дефектов, приводящих к рекомбинации электронов с дырками без излучения. Этого достичь не просто, одного p-n-перехода будет недостаточно, приходится создавать многослойные полупроводниковые структуры — гетероструктуры, положившие, кстати, в свое время начало новому этапу на пути развития технологии производства светоизлучающих диодов.

Какие цвета могут быть получены при помощи светодиодов

Производители обычно предлагают светодиоды различных цветов – синий, голубой, зеленый, янтарный, красно-оранжевый, красный и т. д. Самостоятельно светодиод может излучать свет только одного цвета, который определяется используемым в нем полупроводниковым материалом. Настоящее волшебство начинается тогда, когда в одном приборе объединяются светодиоды разного цвета.

Именно объединение светодиодов разного цвета в одном световом приборе, таком как светильник или многокристальный светодиод, и управление интенсивностью излучения светодиодов разного цвета и обеспечивает получение миллионов оттенков. Подобно телевизионному экрану или компьютерному монитору, полноцветный светодиодный прибор реализует цветовую модель RGB (R – красный, G – зеленый, B – синий). Цветовая модель RGB – это модель аддитивного смешения цветов, которая применяется для света, непосредственно излучаемого его источниками.

Ниже, на диаграмме, показано цветовое пространство МКО 1931, разработанное в 1931 г. Международной комиссией по освещению (МКО) для определения всего диапазона, или гаммы цветов, видимых стандартным наблюдателем. Ни одно из устройств – телевизионный экран, монитор компьютера, светодиодный световой прибор и другие трехцветные устройства – не может воспроизвести все цвета, различимые глазом человека. Гамма цветов, которую можно получить с помощью светодиодного светового прибора или многокристального светодиода, зависит от цветов отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, используемых в них.

На диаграмме точки трех цветов отдельных светодиодов, используемых в трехцветном световом приборе, соответствуют вершинам треугольника.

Теоретически прибор может воспроизвести любой цвет, соответствующей точкам внутри этого треугольника.

Как светодиоды отличаются от других источников света

LED-технологии называют революцией в мире осветительных приборов. Их многочисленные преимущества уже оценили во многих странах мира, поэтому в Европе, Китае, Америке переход на LED-приборы освещения является приоритетной задачей в модернизации и повышении энергоэффективности осветительных систем. Чтобы объяснить, в чем отличие светодиодов от обычных ламп, стоит прибегнуть к методу сравнения их основных рабочих параметров.

Яркость, теплоотдача, длительность эксплуатации

У энергосберегающих ламп мощностью в 13 Вт производительность составляет около 800 люменов, у традиционных ламп накаливания в 100 Вт ‒ 1700 люменов, у светодиодных светильников в 13 Вт ‒ 1000 люменов. Для крупных объектов немаловажным фактором является теплоотдача: лампы накаливания в 100 Вт нагреваются до 168,5 градусов, энергосберегающие ‒ до 81,7, светодиодные ‒ до 30,5. Столь низкая теплоотдача позволяет относить последние к разряду пожаробезопасных.

Рассказывая, в чем отличие светодиодов от обычных ламп, нельзя не упомянуть об их рабочем ресурсе. Даже при обозначенном в паспорте изделия параметре работы в 50 0000 ч. LED-приборы в большинстве случаев работают дольше. Более того, есть модели, длительность эксплуатации которых рассчитана на 100 000 ч. При этом на протяжении всего заявленного срока LED-источники света горят без ухудшения качества светового потока.

Другие отличительные характеристики

Говоря, в чем отличие светодиодов от обычных ламп, стоит упомянуть их широкие возможности эксплуатации. Светодиодные лампы, прожекторы, фонари, модули способны работать:

• во влажной среде и даже под водой;
• при сильной вибрации;
• в условиях низких температур и/или высокой запыленности;
• при резких скачках напряжения в электросетях.

На их работу не влияет цикл включений/выключений. LED-светильники имеют антивандальное исполнение, надежно защищены от различного рода механических повреждений. Они мгновенно включаются (им не требуется времени «на разогрев»), не образуют стробоскопического эффекта, не выделяют инфракрасного/ультрафиолетового излучений, не нуждаются в дорогостоящей утилизации. Светодиодные источники света экологически безопасны, так как не содержат ртути (эта характеристика также делает их безопасными для человека).

Все вышеперечисленные особенности светодиодов являются отличным аргументом в пользу их приобретения. По данному вопросу обращайтесь в компанию ReLED: наша продукция реализуется по оптовым ценам.

Какие области применения имеют светодиоды

Знание того, как работает светодиод и на какие характеристики следует обратить внимание, позволит эффективно использовать прибор, оптимизируя расходы на электроэнергию.

Цвет освещения определяют материалы, используемые для изготовления полупроводников. Сегодня в продаже можно встретить следующие виды:

• красные;
• оранжевые;
• желтые;
• зеленые;
• синие;
• фиолетовые;
• пурпурные;
• инфракрасные и ультрафиолетовые.

Среди других важных характеристик стоит обратить внимание на силу тока, напряжение, мощность, яркость, угол излучения и срок эксплуатации.

Как правило, сила тока для обычных светодиодов находится в районе 0,02А, но некоторые устройства потребляют до 0,08А. Стабильность работы прибора обеспечивают установкой драйвера. При увеличении тока меняется цвет свечения, но в таком случае изделие быстро выйдет из строя.

Параметр напряжения зависит от типа полупроводника и определяется по цвету свечения. Напряжение в синих и зеленых кристаллах составляет 3В, а в желтых и красных – от 1,8-2,4 В.

Параметр мощности необходимо учитывать при подключении к сети и монтаже светодиодной ленты. Если расчеты произведены неправильно, то ток будет распределяться неравномерно, а сами диоды перегорят. Рассчитать мощность можно при помощи закона Ома, используя известные параметры: А*В. Например, если сила тока 0,7А, а напряжение 3,7В, то мощность будет равна 2,6Вт.

Яркость светодиодов зависит от количества потребляемого тока, оптической системы и мощности. Чем больше электронов поступает в зону рекомбинации между проводниками, тем ярче будет свет. Светодиоды одинаковой мощности с обычной лампой дают свет в 8 раз мощнее последней.

Рассеивание света происходит в диапазоне от 20 до 120 градусов. Максимальная яркость наблюдается по центру и постепенно снижается ближе к периферии. В этом отношении диоды куда эффективней обычных ламп, которые рассеивают свет по всем направлениям.

Срок эксплуатации зависит от правильности расчетов мощности изделия и качества сборки. Китайские модели дешевле, но выходят из строя раньше обещанного времени. Средний срок службы составляет около 1000 часов. При этом необходимо помнить, что диод считается нерабочим, если потерял 30% от первоначальной мощности.

Источник: https://otoplen-dom.ru/novosti/svetodiody-princip-raboty-i-osnovnye-vidy

Какие преимущества имеют светодиоды перед другими источниками света

Светодиодное освещение  — одно из перспективных направлений технологий искусственного освещения , основанное на использовании светодиодов в качестве источника света.

Развитие светодиодного освещения непосредственно связано с достижениями в технологии белых светодиодов . Разработаны так называемые сверхъяркие светодиоды, специально предназначенные для искусственного освещения.

В сравнении с обычными, а такжесветодиодные источники света обладают многими преимуществами.

При оптимальной схемотехнике источников питания, применении качественных компонентов и обеспечении надлежащего теплового режима срок службы светодиодных систем освещения при сохранении приемлемых для общего освещения показателей может достигнуть 36-72 тысяч часов, что в среднем в 50 раз больше по сравнению с номинальным сроком службы ламп накаливания общего назначенияи в 4-16 раз больше, чем у большинства.

Производители светодиодов из-за постоянного обновления и совершенствования продукции не имеют возможности проводить тестирование в реальном времени и указывают прогнозируемый срок службы, используя специальные методики, такие как TM-21 и IESNA LM-80. Большой срок службы в некоторых применениях играет решающую роль. Так, экономия на обслуживании и замене ламп в уличных светильниках зачастую превышает экономию на электроэнергии.

². Необходимость использования радиатора удорожает готовое изделие и затрудняет конструирование светодиодных ламп свыше 15 Вт, совместимых с типоразмероми габаритами ламп накаливания общего назначения. Особенно проблемы с теплоотводом ощутимы на примере светодиодных лампочек, что побуждает пользователей сети составлять их рейтинги.

Несоответствие спектра светодиодных светильниковсолнечному вызывало негативное влияние на здоровье людей, в частности, при работе с компьютером в течение длительного времени. Такие источники света негативно влияли на синтез,; вызывалии ухудшали. Этот недостаток побудил изготовителей светодиодов искать новые технологии, и были разработаны более безопасные светодиодные источники освещения. В РФ не уделяется достаточно внимания этой проблеме, и в результате экономичные, но небезопасные светодиодные светильники получили широкое распространение, в том числе в образовательных учреждениях — при наличии экономичной и безопасной альтернативы.

Источник: https://otoplen-dom.ru/novosti/svetodiody-otkrytie-princip-deystviya-i-primenenie

Как светодиоды могут быть использованы в быту

В общем понимании светодиод представляет собой искусственно созданное устройство, преобразующее электрическую энергию в свет. Оно состоит из корпуса, кристалла и отражающей оптики. Во время работы светодиод не нагревается и воспроизводит чистый, ровный свет. Средний ресурс его свечения составляет 100 тысяч часов, что в 10 раз превышает показатели люминесцентной лампы. Светодиоды создают монохромное свечение, которое не напрягает глаза. Средний срок их службы – 50000 часов.

Преимущества установки светодиодного освещения:

• Экономит электроэнергию, работает в непрерывном режиме до 12 лет без снижения яркости. Это в 10 раз дольше, чем свечение люминесцентных ламп.
• Простая схема подключения. Один неработающий светодиод не выведет из строя всю электрическую цепь.
• Регулировка яркости свечения и цветового спектра под конкретные условия эксплуатации.
• Отсутствие пульсирующего эффекта. Светодиоды не напрягают мышцы глаз.
• Мгновенное включение до максимальной яркости.
• Расширенная цветодинамика, как возможность создать цепочку из световых акцентов.

Компактные светодиоды подходят для установки на маленькие стенды и табло, в напольные плинтусы и кухонные фартуки. В любом варианте они делают обстановку ярче и привлекают внимание. Современные LED-лампы поддерживают световой баланс в интерьере, а по световому спектру схожи с солнечным свечением. Влагостойкость таких приборов позволяет устанавливать их в жилых помещениях и санузлах.

Как светодиоды могут быть использованы в промышленности

Цифры поражают, но едва ли светодиодное освещение будет аргументом в пользу энергоэффективности в металлургии, где каждая машина потребляет немыслимое количество электроэнергии. Почему же тогда и эти предприятия обязывают переходить на светодиодное освещение?

Помимо энергосбережения у светодиодных светильников есть ряд иных преимуществ, которые так ценятся в промышленном освещении:

1. Качество света. Установка светодиодных светильников в значительной мере улучшает качество освещения на предприятии. Это снижает риск травматизма
2. Долгий срок службы. Заменить перегоревшую лампу в цеху — сложный процесс, а светодиодный светильник служит долго и таких проблем не вызывает.
3. Светодиодное освещение позволяет добиться равномерной засветки, что особенно важно для работы за станком. Глаз рабочего не адаптируется к разным типам света, а значит не устает. Более того, светильники не пульсируют, мерцание не раздражает глаз. Это повышает общую производительность

Если все так просто и легко, почему процесс перехода на светодиодное освещение на многих предприятиях постоянно тормозится. Отбрасывая такие причины, как нет денег и не выделяют бюджет, чаще всего проблема в излишней бюрократизации. На предприятиях сложился стереотип, что сколько объектов, столько и должно быть компаний, занимающихся светопереоснащением. И вот круг заинтересованных лиц растягивает процедуру на несколько лет. Как можно оптимизировать и ускорить процесс установки светодиодного освещения? Доверить его единому поставщику. Такая практика уже давно существует в СТП SDSВЕТ. Стоимость всего проекта в комплексе получается дешевле, чем если осуществлять каждый этап отдельно.

Как светодиоды могут помочь сократить энергопотребление

Возрастающий уровень потребления энергии при одновременном удорожании энергоресурсов приводит к распространению новых энергосберегающих технологий. В настоящее время наблюдает рост объема продаж основанных на светодиодах осветительных приборов бытового и промышленного назначения, которые становятся все более доступными.

В России и многих странах Европы действуют законы о постепенном прекращении выпуска ламп накаливания. Экономия энергии при замене таких источников света, а также галогенных и люминесцентных ламп на светодиодные достигает 2-8 раз. Кроме того, при переходе на энергосберегающие устройства снижаются эксплуатационные затраты и расходы на техническое обслуживание, повышается экологическая безопасность объектов и сокращаются выбросы углекислого газа.

Энергосберегающие характеристики светодиодных светильников

Конструкция светодиодного светильника, включающая корпус, оптическую систему и кристалл, обладающий полупроводниковыми свойствами, позволяет без лишних потерь преобразовывать электроэнергию в световой поток, благодаря чему снижается потребление энергоресурсов и обеспечивается существенная экономия энергии .

Срок службы LED-устройств при обеспечении эффективного отвода тепла достигает 60-100 тыс. часов или более 10 лет. Время работы ламп накаливания составляет в среднем 1 тыс. часов. Благодаря надежности, долговечности и низкому энергопотреблению экономия энергии при установке новых осветительных приборов заметна даже в масштабах небольшого производственного предприятия или коммерческого объекта. Устройства на основе LED-технологий полностью окупают вложения за период 1-2,5 лет.

Выбор светодиодных приборов с оптимальными характеристиками

На современном светотехническом рынке представлены LED-приборы с различными характеристиками и энергосберегающими показателями, от которых зависит экономия энергии при использовании устройств.

При выборе светильника важно обратить внимание на значение показателя световой эффективности, то есть величины светового потока, который источник света излучает при потреблении одного ватта электрической энергии. С целью сохранения уровня освещенности и поддержания комфортных условий на объекте световой поток устанавливаемого светильника должен выбираться не ниже данного показателя для заменяемого прибора. При установке светильников необходимо учитывать, что для ламп накаливания световая эффективность составляет 10-15 лм/Вт, люминесцентных приборов – 65 лм/Вт, современных светодиодных устройств – 110-150 лм/Вт.

Получить подробную информацию о вариантах исполнения и характеристиках осветительных приборов заказчики могут в каталоге продукции и у консультантов компании ReLED. Высококачественные светодиоды, применяемые в предлагаемых источниках света, обеспечивают высокие характеристики светового потока в течение полного эксплуатационного срока.