Белые светодиоды

В сегодняшней светодиодной отрасли белые светодиоды (white LEDs) совершили качественный скачок по показателям яркости, однородности света, цветовой эффективности и уменьшения стоимости люме-на. Светодиоды белого свечения теперь имеют устойчивый спрос и находят применение на множестве прикладных рынков (мобильные коммуникации, общее освещение, автомобильные приборные панели, вывески и реклама). В настоящее время потребление белых светодиодов составляет более 50% от об-щего потребления светодиодов высокой яркости.

Эффективность

Световая эффективность, измеряемая в люменах на ватт (лм/Вт, lm/W) - величина, используемая для определения эффективности преобразования энергии (в нашем случае – электрической) в свет. Обыч-ные лампочки накаливания работают в диапазоне 10-15 лм/Bт. Несколько лет назад стандартной вели-чиной эффективности светодиодов было приблизительно 30 лм/Bт. Но к 2006 году эффективность све-тодиодов белого свечения более чем удвоилась: один из передовых производителей, компания Cree, смогла продемонстрировать на опытных образцах показатель 70 лм/Вт, что представляет 43-процентное увеличение по сравнению с максимальной светоотдачей их серийных белых светодиодов. В декабре 2006 года фирма Nichia анонсировала новые светодиоды белого свечения с достигнутой эф-фективностью светоотдачи 150 лм/Вт. Данные образцы продемонстрировали световой поток 9,4 лм с цветовой температурой 4600 К при силе тока 20 мА в условиях лаборатории. Заявленная эффектив-ность приблизительно в 11,5 раз выше таковой у ламп накаливания (13 лм/Вт), в 1,7 раза выше, чем у современных люминесцентных ламп (90 лм/Вт). Более того, превышен показатель натриевых ламп вы-сокого давления (132 люмен/ватт), являющихся лучшим по эффективности источником света среди традиционных ламп.

Преимущества

Твердотельный белый свет (SSL – Solid State Light) все еще не является хорошо известным, несмотря на разнообразие способов его получения и реализации через светодиоды. Большинство компаний и проектировщиков знакомы только с традиционным аналоговым белым освещением, без реальной оцен-ки выгодных и полезных альтернатив, обеспечиваемых применением светодиодов. Кроме легко про-гнозируемых выгод, которые могут быть получены от твердотельного светодиодного освещения (эко-номия электроэнергии, длительный срок службы, и т.д.), следует обратить внимание на следующие специфические признаки светодиодов как новых источников белого света:
малое тепловыделение и низкое питающее напряжение (гарантирует высокий уровень безо-пасности);
отсутствие стеклянной колбы (определяет очень высокую механическую прочность и надеж-ность);
отсутствие разогрева или высоких пусковых напряжений при включении;
безынерционность включения/выключения (реакция < 100 нс);
не требуется преобразователь постоянного/переменного тока;
абсолютный контроль (регулировка яркости и цвета в полном динамическом диапазоне);
полный спектр излучаемого света (или, если требуется, специализированный спектр);
встроенное светораспределение;
компактность и удобство в установке;
отсутствие ультрафиолетового и иных вредных для здоровья излучений;
не применяется никаких опасных веществ, типа ртути.

Как получить белый свет с использованием светодиодов ?

Черный цвет – это отсутствие всех цветов. Когда свет от всех частей цветового спектра накладывает-ся друг на друга (то есть все цвета присутствуют), совокупная смесь кажется белой. Это так называе-мый полихроматический белый свет. Основными цветами, из которых можно получить все оттенки, яв-ляются красный, зеленый и синий (RGB). Вторичные цвета, также называемые дополнительными: си-реневый (смесь красного и синего); голубой (смесь зеленого и синего); и желтый (смесь красного и зеленого). Любой дополнительный цвет и противоположный основной цвет также дают в сумме белый свет (желтый и синий, голубой и красный, сиреневый и зеленый).

Существуют различные способы получения белого света от светодиодов.

Первый – смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, си-ние и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, напри-мер линзы. В результате получается белый свет. В другом, менее распространенном подходе, для по-лучения белого света смешивается излучение светодиодов основных и вторичных цветов.

Во втором способе желтый (или зеленый плюс красный) люминофор наносится на синий светодиод, в результате два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

Третий способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносятся три люминофора, излучающих, соответственно, синий, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.

В основе четвертого способа получения белого света с помощью светодиодов, лежит использование полупроводника ZnSe. Структура представляет собой синий светодиод ZnSe, "выращенный" на ZnSe-подложке. Активная область проводника при этом излучает синий свет, а подложка - желтый.

Какой же из способов лучше? У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Технология смешения цветов в принципе позво-ляет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока, пропускаемого через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством специальной программы. Таким же образом возможно получать различные цветовые температуры. По-этому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количе-ство светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, в связи с неравномерным отводом тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет "плывут" за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами (phosphor-converted LEDs) существенно дешевле, чем светодиод-ные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них, в принципе, не проблема попасть в точку с координатами (X=0,33, Y=0,33) на цвето-вой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролиро-вать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе (как следствие, не контроли-руется цветовая температура); и в-третьих – люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам све-тодиод.

Белые светодиоды ZnSe обладают рядом преимуществ. Они работают при напряжении 2,7 В и очень устойчивы к статическим разрядам. Светодиоды ZnSe позволяют излучать свет в гораздо более широ-ком диапазоне цветовых температур, чем устройства на основе GaN (3500-8500 К по сравнению с 6000-8500 К). Это позволяет создавать приборы с более "теплым" свечением, которое предпочитают американцы и европейцы. Есть и недостатки: хотя излучатели на основе ZnSe имеют высокий кванто-вый выход, они недолговечны, имеют большое электрическое сопротивление и пока не нашли коммер-ческого применения.

Белое светодиодное освещение по RGB-технологии используется в разных областях: многоцветные табло и дисплеи; наружная реклама и архитектура; интерьерная подсветка домов или освещение ландшафта; "здоровое" освещение, устраняющее некоторые из побочных физиологических и психоло-гических эффектов, вызванных люминесценцией; подсветка ЖКИ дисплеев портативных электронных приборов; освещение транспортных средств. Особенности RGB-светодиодов позволяют производить не только белый свет, но и широкую смесь цветовых оттенков с использованием адресного управления, создавать различные цветовые эффекты.

Белый свет, произведенный светодиодами с люминофорами, получил наибольшее распространение в сферах деятельности, напрямую связанных с освещением: от карманных фонариков до головного све-та автомобилей; от подсветки табличек и дорожных знаков до световых рекламных вывесок и уличного освещения; от сигнальных и навигационных огней до прожекторов. В отличие от RGB-светодиодов, белые светодиоды с фосфором имеют заданный заранее, в процессе производства, оттенок белого. Теперь нам надо выяснить, какой же оттенок подходит лучше для задач общего освещения?

Цветовая температура

Рассмотрим спектр излучения белого светодиода с люминофором как источника полихроматического света. Белые светодиоды позволяют делать выбор в широком диапазоне цветов от "теплого" белого цвета лампы накаливания до "холодного" люминесцентного белого, в зависимости от задач примене-ния.

Эта диаграмма показывает полный диапазон белого от его более теплой области 2800 K, до холодной синевато-белой области 9000 К. Многие оттенки белого уже определены различными источниками све-та, используемыми в окружающем нас пространстве: офисный, прохладный синевато-белый свет лю-минесцентных ламп; домашний, желтовато-белый свет ламп накаливания; индустриальный, бриллиан-товый сине-белый свет ртутных ламп; желто-белый свет от уличных натриевых ламп высокого давле-ния.

Компания Osram Optosemiconductors, как изготовитель и международный дистрибьютор светодиодных систем освещения, нашла различия внутри США и Европы, где каждый регион имеет свои собственные понятия о том, какой диапазон белого света более всего подходит для нужд освещения. Тем не менее, 6500 K считают оптимальной температурой, которая стала фактическим стандартом для белых свето-диодов. Многие компании, работающие в области световой рекламы, в интересах простоты и соблюде-ния последовательности, предлагают этот единственный один оттенок белого - 6500 K. Это создает больше предпосылок для выработки стандарта и меньше замешательства среди проектировщиков световых коробов в попытке привести в соответствие, скажем, светодиодный белый к белому торговой марки/эмблемы их заказчика.