Светодиодные лампы освещения

Автор: Peychev Viktor   

Итак, полупроводниковые источники света – светодиоды.
    Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического тока в световую, основой которого является излучающий кристалл. Излучение светодиода занимает достаточно узкою полосу (до 25-30 нм) шкалы спектрального распределения плотности энергетической яркости и поэтому носит характер квазимонохроматического излучения.
   Важной энергетической характеристикой излучения светодиода является световой поток F (lm), определяющийся как интеграл всей энергии, заключённой под пространственной индикатрисой излучения. Именно этот параметр производители светодиодов часто указывают в спецификациях. Особенно это касается мощных приборов с большим углом излучения и равномерным пространственным распределением.
   Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (lm) к потребляемой электрической мощности (W). Эта величина, называемая светоотдачей, для светодиодов из материалов типа AIIIBIV стала больше, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона. Современные светодиодные лампы имеют эффективность, достигающую 20-100 lm/W, а КПД колеблется от 9-16 % в приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов GaN, InxGa1–xN, AlxGa1–xN, до 25-35% у светодиодов на основе гетероструктур из твердых растворов InyAlxGa1–x–yP.
    Как я сказал ранее световая эффективность полупроводниковых излучателей уже достигла 100 люмен на ватт. Вместе с тем, стремление к дальнейшему повышению выхода светового потока неизбежно приводит к увеличению прямого тока через кристалл полупроводника, и как следствие, увеличению тепловыделения. Данные исследований говорят о том, что примерно 65~85 % электроэнергии при работе светодиода уходит в тепло. При неправильном тепловом расчете устройства излишек тепла повышает температуру активной области кристалла, что приводит к уменьшению максимального оптического выхода и ограничивает срок службы светодиода. К тому же полимер, из которого изготовлен корпус светодиода, нельзя нагревать свыше определенного предела – деформация колбы может привести к обрыву токовода. Понятно, что температура кристалла, находящегося внутри полимерной колбы, не должна превышать некоего значения в определенном интервале времени. Если не принять должных мер по отводу излишнего тепла, то все вышеперечисленные неприятные последствия неизбежно скажутся. В случае с полупроводниковым источником света вопрос отвода избыточного тепла становится невероятно сложным из-за маленьких размеров непосредственно излучателя. (Например при работе светодиода с током 150 ма плотность тока составляет около 200 А\см2.) .
    Из графической зависимость видно, что с ростом температуры светоотдача полупроводникового излучателя значительно снижается.
   Не буду вдаваться в подробности этого процесса, для практического использования важно уяснить, что характеристики заявленные производителями приведены в большинстве случаев для внешней температуры 20С, и при температуре 30С снижаются на 10%. Если возникают проблемы с теплоотводом от кристалла снижение светоотдачи еще более значительное.
   Стоит затронуть вопрос о старении или деградации полупроводникового излучателя.


Деградация активной области
   Излучение света в светодиоде происходит в результате рекомбинации инжектированных носителей в активной области. Зарождение и рост дислокаций, также как преципитация узловых атомов, приводит к деградации внутренней части этой области. Эти процессы могут осуществиться только при наличии дефекта кристаллической структуры; высокая плотность инжектированного тока, разогрев из-за инжектированного тока и тока утечки, а также испускаемый свет ускоряют развитие дефекта.


Деградация электродов
   Деградация электродов в светодиодах в основном имеет место на электроде р-области (обычно прибор состоит из подложки n-типа, и электрод р-области формируется вблизи активной области прибора). Основная причина деградации электрода заключается в диффузии металла во внутреннюю область (так называемая периферийная диффузия) полупроводника. Диффузия усиливается с увеличением инжектированного тока и температуры.
    Термическая деградация Количество тепла, выделяющееся при работе светодиодов, требует их монтажа на радиатор или теплопоглощающую подлодку, часто с помощью припоя. Если каверны в припое создают условия для недостаточного отвода тепла, возникающие горячие точки приводят тепловой деградации и отказу. Тепловая деградация из-за каверн в припое часто доминирует в светодиодах в первые 10000 часов работы.


Электростатический разряд и электрическая перегрузка
   Полупроводники чувствительны к дефектам, вызванным электростатическим разрядом (ЭСР). Видами отказа из-за ЭСР могут быть внезапный отказ, параметрические сдвиги или внутреннее повреждение, приводящее к деградации в процессе последующей эксплуатации.


Термическая усталость и короткое замыкание
    Разница в коэффициенте термического расширения у соединенных частей и припоя приводит к появлению механических напряжений на этапе изготовления, связанного с термоциклированием, которые могут вызывать расслоение в соединенных частях. Разница в коэффициенте термического расширения внутренних компонентов светодиода может привести к механическому повреждению. При очень низких температурах может произойти растрескивание эпоксидной композиции, из которой изготовлены линзы. Высокая температура, вызванная внутренним нагревом и неизлучающей рекомбинацией, и достигающая 150ºС, приводит к пожелтению эпоксидной композиции, что в результате меняет выходную оптическую мощность или цвет излучаемого света.
   В настоящее время не существует какого либо стандарта для определения срока наработки на отказ полупроводникового излучателя. Предложения разные. От увеличения тока при стабильном световом потоке, до снижения светового потока на 10-20-50%. Для досвечивания растений критическим снижением уровня световой эффективности прибора принято считать 10%.
   Скажу, что зависимость срока службы светодиода обратно пропорциональна рабочему току и соответственно светоотдаче.


   Максимальный ток, который может быть пропущен через светодиодный чип, зависит от следующих двух факторов:
1. ток, на котором чип может работать без существенной деградации;
2. ток, при котором эффективность светодиодного чипа (люмен/ватт) понижается не слишком сильно.


    В недавнем прошлом светодиоды работали с плотностью тока 20А/см2. Теперь некоторые мощные светодиоды (Power LEDs) работают на 70-100А/см2. Ток можно увеличить, так называемый разгон по китайски. Но надо понимать, что такие разогнанные параметры светодиода очень быстро деградируют и приводят к выходу прибора из строя.
    Все эти вопросы в настоящее время решены до уровня светоотдачи 100 Лм\Вт. Все что заявлено больше этого предела это либо экспериментальные образцы, либо разогнанные образцы с коротким сроком службы.
    Все сказанное выше относится к полупроводниковым излучателям на длины волн от 400 нм до 700 нм (Другие диапазоны растения не интересуют) работающих в непрерывном режиме. Не рассматриваются импульсные светодиоды, достигающие светоотдачи до 150 Лм\Вт (нам они не подходят). Не рассматриваем мы и светодиоды с люминофором ( их кпд низок ).
    Прошу всех читателей не считать мою писанину как отрицательное отношение к полупроводниковым источникам света. Это не так. Но я против создания необоснованных легенд о невероятно высоком КПД и отсутствии выделения тепла.
   В будущем (далеком или нет) полупроводниковый излучатель наверное выйдет на первое место среди источников света ( теоретически КПД можно довести до 100%), но мы говорим о настоящем времени.


Комментарии  
  •  
  •  
  • Ответить
  • Ответить с цитатой
  • Цитировать

# Dad » 01.07.2012 19:53

Теоретические выкладки верны, но вашу долю пессимизма я не разделяю. Вы, видимо, никогда не держали у рук современные светодиоды. От себя могу добавить, что в сочетании с линзовой оптикой их эффективность может на порядок(в 6 раз проверено) превосходить эффективность днат. Очень хочу попробовать гидропонику совместно со светодиодным освещением, огурцы на грунте с таймером на 14 часов и светодиодной лампой 24вт растут и зеленеют.
+2 +−

Dad

  •  
  •  
  • Ответить
  • Ответить с цитатой
  • Цитировать

# Ози » 16.03.2016 16:02

Светодиоды для меня хороши пока в направленных источниках. В ненаправленных с Днат и сберегайками они легко проиграют. Но в теплице лучше направленный свет. Тут СД на высоте.
Не описана очень высокая зависимость свечения от тока-напряжения источника питания. Очень аккуратным надо быть по этой части. Не разгонять СД - быстро выйдут из строя. И недогружать тоже не подарок - резко садится КПД и можете из-за блока питания разочароваться в СД.
0 +−

Ози

Уважаемые спамеры, никакие HTML теги и прочие не поддерживаются. Добропорядочных граждан это правило не касается.
Комментарии
Защитный код
Обновить