Как получают белый светодиод: Три светодиода RGB-красный,синий и зеленый дают белый свет.Проверю,так ли это | Электронные схемы

Пример выгорания светодиодов после 17500 часов работы

Производители светодиодных ламп и светодиодов обещают большую длительность работы, обычно составляет от 20 тысяч часов для старых моделей, и 30-50 тысяч часов для последних популярных моделей, таких как SMD 5630 и SMD 5730. На самые современные диоды длительность может составлять уже до 100 тыс. часов.

Содержание

• 1. Характеристики кукурузы
• 2. Деградация
• 3. Ресурс
• 4. Измеряем падение яркости через 2 года
• 5. Определяем режим работы

Характеристики кукурузы

В качестве примера с большим временем эксплуатации будет рассмотрена кукуруза с цоколем Е27 и напряжением 220В. Примерное непрерывное время работы этой лампы составляет 2 года, то есть 17,000 – 20,000 часов.

Светодиодная лампочка на SMD 5630

Светодиодная лампа была куплена на Aliexpress, и была поставлена в коридор на лестничной площадке, из-за того, что я заказывал белого света, а одна а оказалась холодного свечения. Эксплуатировалась в замкнутом пространстве, в прозрачном рифленом плафоне, и плафон при этом был температуры окружающего воздуха. За это время пластик на кукурузе пожелтел и явно стали видны следы деградации люминофора на диодах, которые обнажили внутренности светодиодов SMD 5630 под силиконовой поверхностью.

В ней использованы диоды низкого качества от мелкокитайского производителя, которые включены на 30% от общепринятой мощности, на 0,15 Вт вместо 0,5 Ватт. Таким образом, производитель защищает его от преждевременного снижения характеристик и обеспечивает приемлемую длительность использования.

Диоды бюджетные китайские, на 0,15W, вместо положенных популярных 0,5W.  Этим китайцы умело пользуются, то есть обманывают. Выдают их за полватные. Кто покупает первый раз и не разбирается в этом, не поймет что его обманули. Это я подробно описал в статье про выбор светодиодных лент, сравнивая цены, мощность и конечную выгоду.

Деградация

Пример, слева новый, справа старый (2 года работы)

По мере эксплуатации, светодиод подвергается воздействиям, которые негативно сказываются на его характеристиках.

Основные факторы:

1. помутнение оптической части, выполненной из силикона;
2. выгорание люминофора под воздействием температур;
3. деформации корпуса из-за нагрева и напряжения корпуса;
4. деградация кристалла.

Светодиод белого света изначально светит холодным синим цветом. Для получения нейтрального белого дневного света, кристалл покрывают люминофором, который преобразует синий в белый цвет.

Во время деградации кристалла, появляются дефекты, при которых участок кристалла перестает светить, но продолжает нагреваться. При этом начинает увеличиваться ток утечки, то есть ток проходит не излучая свет. Самым плохими катализаторами деградации являются ток выше номинального и повышенная температура. Поэтому надо быть осторожным при покупке сомнительных экземпляров, потому что наши китайские братья по разуму могут «разгонять» светодиоды, подавая ток выше номинального.

Ресурс

График деградации  от температуры и времени

Что же будет, когда он отработает указанное производителем время?
Общепринятым стандартом считается, что за период указанной длительности работы яркость светодиода упадет на 30%.

Это правило в основном действует на именитых производителей, который соблюдают стандарты, а мелкие и неизвестные производители могут отходить от стандартных правил, с целью завышения параметров и технических характеристик светодиодных ламп. Они могут запросто указать стандартную длительность работы для модели, при этом умолчав, что при этом яркость упадет до 50%.

Во избежание различных неприятных сюрпизов, требуйте  продавца настоящие сертификаты на продукцию. Если сертификатов нет, то подсунуть могут что угодно. Еще одна сопутствующая проблема, это будет непонятно, относится сертификат к этим диодам или он от другой партии.

Измеряем падение яркости через 2 года

На торце обеих  установлено 8 штук

Выгорание люминофора и деградация налицо, но это лишь внешние признаки. Так как я покупал несколько одинаковых, из которых непрерывно в течение 2 лет работала одна, то сравним их яркость. Для теста берем такую же лампу с цоколем Е14 220В, которая практически не работала и отработавшую 17 – 20 тыс. часов.

Фото тестируемых кукуруз, одна в цилиндре

Для получения более точных результатов, будем сравнивать освещенность, создаваемую  SMD 5630, которые находятся только на торце, в количестве 8 штук. Для исключения влияния боковых светодиодов, одеваем неё цилиндр из бумаги.

Измеряем освещенность новой лампочки

Измеряем освещенность старой

В результате тестирования получаем:

• после 2 лет дает освещенность 49 Люкс;
• новая  светит на 73 Люкс.

Разница между старой и новой составляет 24 люкса, получается, что яркость  упала за время двухлетней непрерывной эксплуатации на 33%. Так как они неизвестного китайского производства и низкого качества, то можно сказать, что ресурс этих светодиодов составляет 20,000 часов.

Определяем режим работы

Чтобы определить светодиоды, которые не в номинальном режиме, а в заниженном или завышенном, то необходимо узнать тип диодов и вычислить суммарную потребляемую мощность и световой поток. Полученные данные сопоставляем с характеристиками светодиодной лампы, в результате чего делаем выводы. Основная проблема, это невозможность определить модель диода из-за наличия матовой колбы. Один из выходов, это найти такие же у другого продавца (например, если покупаете на Aliexpress), у которых указан тип диодов или есть фото без колбы.

Все о светодиодах.

Что такое светодиод?

Светодиоды образуют неотъемлемую часть в современной электроники, простые показатели для оптических коммуникационных устройств. Светоизлучающие диоды используют свойства р-п перехода и испускают фотоны, когда ток в прямом направлении. Светодиоды специально излучают свет, когда потенциалы приложены к аноду и катоду.

История светодиодов начинается с 1907 года, когда капитан Генри Джозефа наблюдал особенности электро-люминесценции карбида кремния. Первый светодиод был разработан в 1962 году. Он был разработан Холоньяк, работал в General Electric (GE).

Изготовление светодиодной технологии произвела бум в 1970-е годы с введением арсенида галлия алюминия (GaAlAs). Эти светодиоды высокой яркости и во много раз ярче, чем старая рассеянного типа. Синие и белые светодиоды были введены в 1990 году, в котором используется индия нитрида галлия (InGaN) в качестве полупроводника. Белый светодиод содержит неорганический фосфор. Когда голубой свет внутри светодиода попадает на люминофор, он излучает белый свет.

Что делает светодиод идеальным?

Светодиоды широко используются в электронных схемах из-за его преимущества по сравнению с лампами. Некоторые важные особенностями являются:

• Светодиоды заключены в пластик, так что они могут выдерживать механические удары.
• В отличие от ламп, светодиоды не выделяют тепло и потери мощности при нагреве практически отсутствует.
• Светодиоды требуют очень низкий ток и напряжений обычно 20 мА при 1,8 вольта.  Так что это идеально в схемах с батарейками.

Что находится внутри светодиода?

Внутри светодиода

Светодиодная технология

Яркость является важным аспектом LED. Глаз человека имеет максимальную чувствительность к свету около 550 нм в области желто — зеленой части видимого спектра. Именно поэтому зеленый светодиод излучается ярче, чем красный светодиод, хотя оба используют тот же ток. Важные параметры светодиодов являются:

• Световой поток
  Указывает на энергии света, исходящего от светодиодов. Он измеряется в Люмен (лм) или Милли просвет (MLM)
• Световая интенсивность
  светового потока, охватывающий большую площадь является силой света. Он определяется как Кандела (кд) или милли Кандела (MCD) Яркость светодиода напрямую связана с его силой света.
• Светоотдача
  Это испускаемых относительной световой энергии к потребляемой мощности.Она измеряется в терминах люмен на ватт (лм Вт).

Прямой ток, прямое напряжение, угол обзора и скорость реагирования это факторы, влияющие на яркость и эффективность светодиодов. Прямой ток (I) является ток, протекающий через светодиод, когда он смещен в прямом направлении и он должен быть ограничен от 10 до 30 миллиампер, если выше то светодиоды будут уничтожены.

Угол обзора составляет от — угол оси, при котором световая интенсивность падения до половины осевого значения. Вот почему индикатор показывает больше яркости в полном объеме состоянии. Высокие яркие светодиоды имеют узкий угол обзора, так что свет фокусируется в пучок. Рабочее напряжение (V) является падение напряжения на светодиоде. Падение напряжения в диапазоне от 1,8 В до 2,6 вольт для обычных светодиодов, но в голубой и белый он будет идти до 5 вольт.

Требуется ли балластный резистор?

Светодиоды всегда подключены к источнику питания через резистор. Этот резистор называют «балластный резистор», которая защищает диод от повреждений, вызванных избыточным током. Он регулирует прямой тока на светодиод для безопасного предела и защищает ее от жжения.

Номинал резистора определяет прямой тока и, следовательно, яркость светодиодов. Простое уравнение Vs — Vf — используется для выбора резистора. Vs представляет входное напряжения цепи, Vf прямое падение напряжения светодиода(ов) при допустимом токе через светодиод. Полученное значение будет в Омах. Лучше ограничить ток до безопасного предела 20 мА.

Приведенная ниже таблица показывает прямое падение напряжения на светодиоде.

Через типичный светодиод может пройти 30 -40 мА безопасный ток через него .

R = V / I

Где R — является значение сопротивления в Ом, V — является входное напряжение в цепи, и

Vs — Vf / Если = 12 — 1,8 / 20 мА = 10,2 / 0,02 = 510 Ом.

Но если 510 Ом резистор не доступен то можно подобрать ближайший, например 470 Ом резистор может быть использован даже если ток через светодиод слегка увеличивается. Но рекомендуется использовать 1 K резистор для увеличения срока службы светодиодов, хотя там будет небольшое снижение яркости.

Ниже готова арифметические для выбора ограничительного резистора для различных версий светодиодов при различных напряжениях.

С добавлением других цветов

Светодиод, который может дать разные цвета полезно в некоторых приложениях. Например, светодиоды могут указывать на все системы OK, когда он становится зеленой, и неисправный, когда он становится красной. Светодиоды, которые могут производить два цвета называются Bicolour (Биколор) светодиодов.

Двухцветный светодиодный охватывает два светодиода (обычно красный и зеленый) в общем пакете. Два кристалла установлены на двух клеммах. Двухцветный светодиодный дает красный цвет, если ток проходит в одном направлении и становится зеленым, когда направление тока меняется на противоположное.

Триколор и многоцветные светодиоды , также доступны, которые имеют два или более кристаллов, заключенных в общий корпус. Трехцветный светодиодный имеет два анода для красного и зеленого кристалла и общим катодом. Таким образом, он излучает красный и зеленый цвета в зависимости от анода, в котором имеется ток. Если оба анода подключены, то светодиоды испускают свет и получается желтый цвет. Общий анод и отдельные светодиоды типа катода, также имеются.

Двухцветный индикатор светится разными цветами , начиная от зеленого через желтый, оранжевый и красный основной на ток, протекающий через их аноды, выбрав подходящий резистор для ограничения тока анода. Многоцветные светодиоды содержат более двух чипов, обычно красного, зеленого и синего чипы-в одном корпусе. Мигание разными цветами светодиодов, теперь доступны с двумя выводами. Это дает радугу цвета, которые являются весьма привлекательным.

Инфракрасный диод — источник Невидимого света

ИК диоды широко используются в удаленном управлении (пульт ДУ).  Инфракрасные диоды на самом деле испускают нормальный свет с определенным цветом, который не чувствителен к человеческим глазом, потому что его длина волны 950 нм, ниже видимого спектра. Многие источники, такие как солнце, лампы, даже человеческое тело испускает инфракрасные лучи. Поэтому необходимо, чтобы модулировать излучение от ИК-диода, чтобы использовать его в электронном приложении, чтобы предотвратить ложное срабатывание. Модуляции делает сигнал от ИК-светодиода значительно выше чем шум. Инфракрасные диоды есть в корпусе, которые являются непрозрачным для видимого света, но прозрачна для инфракрасного. ИК-светодиоды широко используются в системах управления.

Инфракрасные диоды

Фотодиод — Он может увидеть свет

Фотодиод генерирует ток, когда его р-п перехода получает фотоны видимого или инфракрасного света. Основная работа фотодиода зависит от поглощения фотонов в полупроводниковом материале. Фото-генерируемых носителей разделены электрическим полем, и в результате фототок пропорционален падающему свету.  Скорость, с которой носители движутся в области обеднения связана с силой электрического поля по всему региону и подвижность носителей.

Фотон, который поглощается полупроводником в области обеднения приведет к образованию электронно-дырочной проводимости. Дырки и электроны будут транспортироваться под действием электрического поля к краям области обеднения. После носителей покидают область истощения они идут к клеммам фотодиода, чтобы сформировать фото-ток во внешней цепи. Время отклика фотодиода, как правило, 250 наносекунд .

Фотодиоды

Лазерные диоды

Лазерный диод похож на обычные прозрачные светодиодные, но производит Laserwith высокой интенсивности. В лазерном луче число атомов вибрируют в такой цикле, что всё испускаемое излучение одной длины волны в фазе друг с другом. Лазерный свет является монохроматическим и проходит в виде узкого пучка. Луч типичных лазерных диодов составляет 4 мм х 0,6 мм, которая расширяется только до 120 мм на расстоянии 15 метров.

Лазерный диод может включаться и выключаться на более высоких частотах даже выше, чем 1 ГГц. Так что это весьма полезно в телекоммуникационных системах.Поскольку лазер генерирует тепло на поражение тканей тела, он используется в хирургии, чтобы исцелить поражения в очень чувствительных частей, как сетчатки, головного мозга и т.д. лазерные диоды являются важными компонентами в проигрывателях компакт-дисков, чтобы получить данные, записанные в компакт-дисках.

Лазерные Диоды

Нобелевская премия по физике присуждена за изобретение эффективных синих светодиодов — Наука

СТОКГОЛЬМ, 7 октября. /Корр. ТАСС Ирина Дергачева/. Лауреатами Нобелевской премии в области физики в 2014 году стали японские ученые Исаму Акасаки и Хироси Амано, а также Сюдзи Накамура из США.

Как объявил Нобелевский комитет при Королевской академии наук, награда будет вручена «за изобретение эффективных синих светодиодов, обеспечивающих яркие и энергосберегающие источники белого света».

«Нобелевские лауреаты изобрели новый энергосберегающий и экологичный источник энергии — синий светодиод (LED). Он дает новые возможности для получения белого света, являющегося более устойчивой и эффективной альтернативой старым источникам света», — отмечает комитет.

«Их изобретение в начале 1990-х годов открыло путь к основополагающим изменениям в осветительной технике. Обычные лампы освещали весь ХХ век, а XXI век будут освещать светодиоды», — говорится в письме.

Председатель комитета Пер Делсинг отметил, что основатель премии Альфред Нобель был бы доволен выбором Нобелевского комитета. «Это изобретение делает освещение значительно более эффективным. При этом нет необходимости использовать в лампах ртуть», — сказал он, приведя в качестве примера применения мобильный телефон с сильным фонариком-светодиодом.

«Синий светодиод — это то, чего не хватало. В сочетании с зеленым и красным он дает белый свет с высокой энергетической эффективностью», — отметил он.

«Я не мыслил в категориях «успеха» или «провала». Я просто делал то, что считал нужным, — заявил Акасаки. — Я бы хотел призвать ученых всего мира, отдающих все силы своим исследованиям, поступать точно так же».

Акасаки также выразил благодарность за поддержку своим коллегам. «Я не сделал этого открытия в одиночку», — подчеркнул ученый.

В свою очередь, Накамура признался, что не может поверить в присуждение ему награды. «Спасибо. Я не могу в это поверить»,- сказал ученый, отвечая на вопрос пресс-службы Нобелевского комитета.

Освещение растений белыми светодиодами — о КПД и экономической эффективности

После написания

у меня самого остался не до конца решенным вопрос — а что же конкретно выгоднее купить и на сколько можно выиграть в дальней и ближней перспективе. Плюс остались некоторые неопределенности по эффективности светодиодов. А вопрос побуждает к поиску ответа на него, поэтому я продолжил разрабатывать это направление. Не скажу что получился материал на полноценную статью, но в качестве дополнения к предыдущей информация содержит существенно важные данные будет полезна.

Для начала разберемся с тем, какой точно КПД у рассмотренных в прошлой части светодиодов. Ранее я взял данные в основном из

, не проверяя, т.к. там рассматривался больше вопрос эффективности фотосинтеза при освещении светом разного спектра. Теперь же я решил разобраться и в общей эффективности.

Рассматривать будем светодиоды фирмы CREE, т.к. они, с одной стороны, на сегодняшний день наиболее продвинуты по технологиям и, соответственно, светоотдаче на единицу мощности, а с другой, все их показатели стабильны и хорошо задокументированы (в отличии от ноунейм производителей). Здесь указанная фирма должна бы мне заплатить за рекламу, но увы, я пишу не с их подачи, а просто потому что так проще и доступнее.

Итак, какие будем исследовать светодиоды? Не буду выкладывать сюда весь процесс изучения и отбора конкретных серий, дабы не затоплять материал «водой». Вкратце скажу, что вбирал наиболее мощные и одновременно наиболее эффективные чипы, при условии свободной доступности и выгодной цены. По этим критериям подходят два типа: белые будут из серии XM-L.

— это 10-ваттные чипы с эффективностью 158 lm/W (но не на максимальной мощности, а всего при 1 Вт). Холодно белые (6000-6500К), нейтрально белые (4000-4500К) и тепло-белые (3000-3500К).
И красные из серии XP-E, High Efficiency Photo Red 650-670nM.
Ссылки на документацию по светодиодам в конце статьи.

Разберемся с белыми. В прошлый раз разница в КПД светодиодов белого свечения не была учтена и эффективность оценивалась только по отношению к кривой фотосинтетической активности McCree.

В этот раз я решил более досконально уточнить этот вопрос. К сожалению в документации к светодиодам никогда не приводят кпд, а пишут люмены на ватт, поэтому пришлось делать обратный расчет. По спектру светодиода и фотопической кривой рассчитывается сколько люмен было бы у светодиода, если бы его кпд был равен 100%, а затем на это число делится число реальных люмен, взятое из документации на светодиод. И вот что у нас получилось для трех типов белых светодиодов:

Обращает на себя внимание, что не смотря на рост люменов при переходе от холодно-белому к тепло-белому спектру (при одинаковой мощности излучения), табличные значения lm/W и общий кпд светодиода падает и очень существенно — с 40 до 23%. Все дело в том, что люминофор, которого в светодиоде тепло-белого свечения гораздо больше, сам имеет не 100% КПД, да еще и, по всей видимости, при его большом количестве оказывает затеняющий эффект (лучи излученные нижними слоями поглощаются выше лежащими и пропадают). При этом показатель люмен на ватт используется при токе 2А (из максимально трех) — видно что он при этом падает со 140 при 350мА до 108 (для холодно-белого). В документе Cree такой таблицы нет — там даны абсолютные люмены при заданном токе, а мощность надо рассчитывать, пользуясь данными из графика вольт-амперной характеристики. Вот соответствующие данные из даташита:

Теперь разберемся с красными.

С ними все немного проще, т.к. световой поток указан не в люминах а в милливаттах. Достаточно разделить милливатты излучения на ватты потребления и получаем КПД с высокой точностью! На все бы светодиоды приводили эти данные — 2/3 работы можно было не делать!

И тут мы сразу делаем удивительное открытие — что КПД этих светодиодов равняется 50%, причем (еще один график, здесь не привожу), в отличие от синих/белых кристаллов, световой поток растет линейно с током и кпд чипа не падает! Зато при перегреве чипа падение значительно более существенно, чем у синих чипов. Для сравнения у чисто синих кпд при тех же условиях 48% (сравните с этим показателем у белых — выше). А вот у «просто красных» всё гораздо хуже. Их КПД получился где-то в районе 19%, а с ростом температуры световой поток падает еще быстрее чем у «Photo red».

Вот уже вырисовываются интересные варианты использования отдельных светодиодов и их комбинаций. Теперь пересчитаем таблицу эффективности с учетом вновь полученных данных.

Видно что красные Photo-red с большим отрывом впереди всех. Но освещать чисто красным нельзя, поэтому нужно комбинировать и тут идут варианты с белым и синим. Сразу отметем (я-то считал всё, но выбросил то, что получилось не перспективно) комбинации тепло-белых с красным. Низкая эффективность тепло-белых светодиодов сводит на нет все преимущества красных. А вот холодно-белые очень хороши в таком сочетании! Сами имеют неплохой кпд, еще усиленный красными светодиодами, а недостаток красного спектра так же покрывается ими. Так же хорошо смотрится сочетание красных с синими. Затем идут просто холодно-белые и ДНаТ 1000, а остальные по сути не тянут. Ну что ж посмотрим как это будет смотреться в полном комплекте — с драйверами.

Далее логика расчетов шла в предположении, что мы хотим получить за те же деньги больше фотосинтетически активного излучения, поэтому все цифры, в том числе цены на светодиоды и драйвера приведены к общей величине фитоактивной радиации светильника 100мкмоль/с.

Цветовая маркировка как в предыдущей таблице — чтобы проще было понять где какие светодиоды и не занимать место повторяющимися заголовками.

Но это только цена на старте — сколько нужно вложить денег, чтобы получить лампочку на 100мкмоль/с. Этого мало — нужно посмотреть во сколько она обойдется при эксплуатации. И вот если посчитать к этому еще и затраты электроэнергии во времени — вот тогда получится полная картина, которую я и представляю на всеобщее обозрение!

Благодаря пристальному вниманию комментаторов выяснилось, что далеко не всё светодиоды, которые продают на алиэкспрессе с названием CREE на самом деле ими являются. Самые дешевые из них, порядка полутора долларов за 10-ваттный диод или менее вероятнее всего являются подделкой с чипами производства китайской компании LatticeBright, которые стоят в разы дешевле оригинальных и, к сожалению, имеют примерно в 2 раза худшие показатели. В связи с этим, я провел поиск цен соответствующих светодиодов в компании Компэл, являющейся официальным дистрибутором компании cree в РФ. Цены там значительно выше чем в китае, но мелким оптом достаточно выгодно, в том числе по сравнению с зарубежными поставщиками.
И по ходу дела исправил два момента — добавил для кривой ДНаТ замену ламп раз в год. И исправил ошибку (мой недосмотр), из-за которой цена всех ламп считалась на одинаковую их мощность (100Вт), тогда как исходная идея была в расчете на единицу фотоактивной радиации. В новом графике данные цены за светильник излучающий 100мкмоль/с, а не 100Вт. приношу извинения за оплошность.

Как разобраться в этой вязанке прутьев?

Слева — цена светильника на старте. Напоминаю что при этом все они будут выдавать одинаковое количество фитоактивной радиации, но иметь разный спектр. Чем ниже начинается полоска, тем дешевле набор. По оси Х у нас месяцы. Предполагается что светильник работает 12 часов в сутки 7 дней в неделю, всего 36 месяцев, т.е. 3 года. Это всего лишь чуть более 13 тыс. часов, а для светодиодов заявлено 50 тыс. И если все сделано правильно с охлаждением, а так же на светодиоды подается ток 0.7 от максимального (так больше КПД на целую треть), то проработают они и того больше, т.е. более 10 лет практически без деградации.

Чем более горизонтально идет линия — тем больше КПД у светильника. Видим что многие линии начинаются выше (дороже чипы), но со временем оказываются дешевле чем более дешевые аналоги. В этом показательна линия для светодиодов photo red — она имеет наименьший наклон.

Самое удивительное что самыми дешевыми теперь оказались… Самые дорогие photo red светодиоды! Это потому что они имеют самый высокий КПД и самый «легкоусваиваемый» спектр — их нужно меньше всего в начале и они тратят меньше всего электричества и в будущем! Большой интерес представляют комбинации «Холодно-белый+красный photo red». На данном графике приведена кривая при соотношении белый: красный как 2:1 по мощности. И просто «холодно-белый». Эти три линии расходятся веером, где крайние — белый и красный светодиоды, а средняя — их комбинация. Для выращивание растений необходимы все составляющие спектра, но в разных комбинациях. Выходит что все варианты сочетаний спектров наиболее эффективно покрываются всего одной комбинацией — холодно-белых и красных светодиодов (но в разном численном соотношении).
Стоит отметить, что комбинация синий+красный хоть и имеет меньший наклон чем белый+красный, но дает существенно худший показатель цена/световой поток, поэтому не догоняет сочетание белый+красный даже за 3 года. В 10-летней перспективе может быть предпочтительнее, но это исключительный случай.
Фитолампа оказывается не такая уж и дешевая. Если учесть её КПД она дороже даже холодно-белых светодиодов, а уж в перспективе… Деньги за электричество на ветер…
ДНаТ и в начале не очень дешев (я удивился сколько стоят ЭПРА для них, а ЭмПРА брать не стоит — они имеют низкий КПД, лампа из-за мерцания — тоже, еще они гудят и греются как печка) и со временем не нагоняют — особенно с учетом замены ламп — которую придется делать не реже раза в год, что отображается как ступеньки на графике. Так что в сад.

Вот спектр сочетания белых с красными светодиодов, наложенный на кривую MkCree (4:1 по мощности, на 2:1 не стал переделывать):

Конечно неправильно судить о таких вещах основываясь на красивости графиков, но учитывая цифры, которые говорят то же самое — по моему график практически идеален в отношении покрытия спектра фотосинтетически активного диапазна.

Вывод остается прежним — покупайте холодно-белые светодиоды и красные CREE Photo red и будет вам куча света для ваших растений и экономия для кошелька!
Так же возможно освещение чисто красными светодиодами, о таком опыте писал один из комментаторов. Это будет наиболее целесообразно в случае, если растения частично освещаются естественным светом (огород на подоконнике, балконе, лоджии, когда прямой солнечный свет не попадает вовсе или на пару часов в день — тогда растения получают в основном синие лучи от неба, а красных им катастрофически не хватает, как и общей интенсивности света. Тут красные светодиоды заполнят имеющийся пробел как нельзя лучше. Только это должны быть высокоэффективные светодиоды с длиной волны излучения 660нМ и лучше если это будут CREE Photo red. Ну всё, я пошел заказывать диоды!

СВЕТОДИОД (СИД, Led, light emitting diode)

Свободный перевод статьи «LED» из Википедии.

Светоизлучающий диод (СИД) является полупроводниковым источником света. Светодиоды используются в качестве индикаторов во многих устройствах и все чаще используются для освещения. В качестве электронного компонента, пригодного для практического использования, был разработан в 1962 году. Первые образцы излучали красный свет низкой интенсивности, но современные версии излучают во всей видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра с очень высокой яркостью.

Светодиод разработан на базе полупроводникового диода. Когда на диод подается рабочее напряжение, электроны с дырками меняются местами, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией и цвет света (соответствует энергии фотона) определяется энергией запрещенной зоны полупроводника. Светодиодные кристаллы, как правило, небольшие по площади (менее 1 мм2), диаграмма распределения света и индекс отражения формируется дополнительной оптической системой, входящей в конструкцию светодиода. Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с лампами накаливания и другими источниками света, включая низкое потребление энергии, большой срок службы, повышенную надежность, меньший размер, быстрое включение и большую долговечность. Тем не менее, они достаточно дороги и имеют повышенные требования к питанию и рассеиванию тепла по сравнению с традиционными источниками света. Текущие образцы светодиодной продукции для общего освещения являются более дорогостоящими, чем флуоресцентные источники сопоставимых параметров.

Светодиоды все чаще используются в автомобильной электронике в качестве указателей поворотов, габаритных огней и стоп-сигналов. Светодиодные светофоры уже являются обыденным способом регулировки движения. Компактные размеры светодиодов позволяют разрабатывать новые типы дисплеев и экранов, а их высокая скорость переключения полезна в передовых коммуникационных технологиях.

Изобретение и первые образцы

Электролюминесценция кристалла карбида кремния (зеленого цвета ) была обнаружена в 1907 году английским ученым Раундом в лаборатории Маркони. Этому явлению тогда не придали значения. В 1923 году советский ученый О.В. Лосев, работая в НРЛ (Нижегородской радиолаборатории), проводил глубокие исследования такого явления, как излучательная рекомбинация, а так же наблюдал излучение света, исходящее из кристаллов карбида кремния SiC (карборунда). Длительные исследования позволили сформулировать основной принцип электролюминесценции полупроводниковых структур — инжекционная рекомбинация. В 1927 Лосев запатентовал принцип полупроводникового свечения. Изобретение было опубликовано в российских, немецких и английских научных журналах, но практического применения не получило. В 1955 году Р.Браунштейн из Radio Corporation of America заявил о наличии инфракрасного излучения арсенида галлия (GaAs) в комбинации с другими полупроводниковами сплавами. Браунштейн наблюдал инфракрасное излучение, генерируемое простой диодной структурой на основе антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия, фосфида индия (InP) и кремниево — германиевого сплава (SiGe) при комнатной температуре.

В 1961 году разработчики Р.Бард и Г.Питман, работающие в компании Texas Instruments, обнаружили что сплав арсенида галлия производит инфракрасное излучение при пропускании через него электрического тока и получили патент на ИК светодиод.

Первый светодиод, излучающий свет видимого спектра, был изобретен в 1962 году Н.Холоньяком, работающим в компании General Electric. С тех пор многие называют его «отцом» современных светодиодов. Чтобы понять, что это не так, достаточно изучить исторические справки о исследованиях О.В.Лосева и других именитых ученых 20-50 г.г. двадцатого века. Однако история несправедлива, и мы имеем то, что имеем, и в 60-х годах Россия потеряла приоритет в изобретении полупроводниковых источников света.

В 1972 году бывший студент Холоньяка Г.Грэфорд изобрел желтый светодиод и увеличил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз. В 1976 году Т.Пирсэлл создал первый сверхяркий светодиод для световолоконных телекоммуникаций, изобретя новые полупроводниковые сплавы, специально приспособленные для передачи света по оптоволокну.

Вплоть до 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды имели огромную себестоимость, около 200 USD за штуку, что создавало трудности для практического применения. Но в 1968 году фирма Monsanto впервые организовала массовое производство светодиодов видимого света на базе арсенида-фосфида галлия (GaAsP), пригодных для применения в качестве индикаторов. Компания Hewlett Paccard, представившая светодиоды в 1968 году, использовала светодиоды Monsanto для производства цифровых дисплеев и калькуляторов.

Практическое использование первых светодиодов

Первое коммерческое использование светодиодов связано с их применением в качестве замены индикаторов, ранее основанных на использовании ламп накаливания. Из светодиодов изготавливали семисегментные индикаторы, встраивали в дорогие лабораторные приборы,  использовали в тестовом оборудовании, но позже светодиоды стали применять при изготовлении телевизоров, радиоприемников, телефонов, калькуляторов и даже часов. Светодиоды красного свечения, применяемые для этих целей имели яркость, достаточную для использования лишь в качестве индикаторов. Светодиоды других цветов имели еще меньшую яркость. Все типы led выпускались в типоразмерах 3 или 5 мм.

Дальнейшее развитие светодиодных технологий

Первые сверхяркие светодиоды синего свечения на базе InGaN были продемонстрированы Ш. Накамурой из японской компании Nichia.  Это положило начало новой эре в применении светодиодов — использование в качестве источника света для освещения. Комбинация синего света и желтого фосфора позволила получить белый свет.  

Благодаря этому открытию светодиодные технологии начали бурно развиваться. В феврале 2008 года сотрудники Bilkent university в Турции заявили о получении 300 люмен видимого света на один ватт световой мощности. Это был белый цвет теплого оттенка, полученный с использованием нанокристаллов. 

В январе 2009 года исследователи из Кембриджа под предводительством С. Хэмфри доложили о выращивании нитрида галлия на подложке из кремния. Этот способ позволяет сократить производственные затраты при производстве сверхярких светодиодов на 90% по сравнению с выращиванием структур на сапфировой подложке.

Физические аспекты

Как и обычный диод, светодиод содержит кристаллы полупроводников, создающих p-n переход. Как и в обычном диоде, ток легко проходит в прямом направлении от анода к катоду и не проходит в обратном. Когда электроны встречаются с дырками, они теряют энергию, которая преобразуется в фотоны. Длина волны, на которой излучаются фотоны, зависит от материала, образующего p-n переход. 

Изобретние светодиодов начиналось с изготовления структур на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Нынешнее развитие полупроводниковых технологий позволяет получить видимый свет самых разных цветов.

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами (диэлектриками). При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике «сидит» в атомах на своих местах. Но связаны они с атомами слабее, чем в изоляторе. Причем при росте температуры сопротивление полупроводников падает, то есть полупроводник при нагревании не уменьшает свою электропроводность, как металл, а, наоборот, увеличивает ее. Иначе говоря, в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов, способных переносить электрический ток.

При подведении энергии (теплоты или света) в кристаллических решетках полупроводников часть электронов «убегает» из верхних атомных оболочек, при этом образуется положительный заряд. То место, где в решетке не хватает электрона, называют «дыркой».

Под действием электрического напряжения электроны дрейфуют к одному электроду (положительному полюсу), а дырки — к другому (отрицательному), причем их место тут же занимают свободные электроны. Закономерности движения дырок таковы, что этим «пустым местам» физики условно приписывают и заряд (равный заряду электрона, но положительный), и «эффективную массу».

В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях. Если добавлять в полупроводник атомы других элементов, его проводимость можно существенно увеличить. При введении легирующих примесей в различные части кристаллической решетки полупроводника возникает так называемая примесная проводимость (в отличие от собственной проводимости), которая, в зависимости от валентности легирующих элементов, называется либо электронной (проводимостью n-типа), либо дырочной (p-типа).

В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р-проводимостью, а другой — n-проводимостью. Между такими областями возникает пограничный слой, через который диффундируют основные носители (электроны или дырки), стремясь уравнять значения концентрации по обе стороны от слоя. На образующийся в этом слое p-n-переход можно воздействовать внешним напряжением, усиливая или, наоборот, «запирая» ток, проходящий через кристалл, — на основании этого принципа работают диоды и транзисторы. При положительной полярности внешнего напряжения (плюс — к p-зоне, минус — к n-зоне) барьер в p-n-переходе понижается, и происходит «перескакивание» (рекомбинирование) электронов и дырок в противоположные зоны, в результате чего выделяется энергия.

Сначала полупроводниковые приборы были только «гомопереходными» (как в случае с первым транзистором) — p-n-переход происходил внутри кристалла одного химического вещества. Но почти сразу появилась и идея гетероустройств, в которых такой переход образуется на стыке двух различных полупроводников. Реализация этой идеи позволила создать более миниатюрные приборы с большей эффективностью и функциональностью (так, первые в мире «гомопереходные» полупроводниковые светодиоды, а затем и лазеры могли работать только при температуре жидкого азота, а появившиеся позже гетеропереходные функционируют и при комнатной температуре).

(Авторы вставки — Ирик Имамутдинов, Тигран Оганесян)

Большинство материалов, используемых при производстве светодиодов, имеют очень высокий уровень отражения. Это необходимо для того, чтобы как можно больше света, производимого светодиодом, выходило с его поверхности за пределы корпуса. Именно поэтому этому посвящено большое количество исследований во всем мире.

Эффективность и параметры использования

Обычный светодиодный индикатор расчитан на мощность не более 30-60 мВт . В 1999 году компания Philips Lumileds представила мощный светодиод мощностью 1 Ватт. В этом светодиоде был использован полупроводниковый кристал гораздо большей площади, чем применяющиеся в обычных светодиодах индикаторного типа. Он был смонтирован на металлическом основании, что позволило организовать эффективный отвод тепла с кристалла.

Одной из ключевых позиций определения эффективности светодиода является световой выход на единицу мощности. Белый светодиод быстро достиг и превзошел показатели обычных систем на базе ламп накаливания. В 2002 году компания Lumileds произвела 5 Вт светодиод со значениями светового выхода на уровне 18-22 люмен/Ватт. Для сравнения, обычная лампа накаливания мощностью 60-100 Вт производит около 15 люмен на ватт. Люминесцентная лампа — около 100 Лм/Вт. Основной проблемой при разработке мощных светодиодов является падение светового потока при повышении тока , проходящего через кристалл. 

В сентябре 2003 года компания Cree продемонстрировала новый тип синего светодиода, производящий 24 мВт при токе 20 мА. Это позволило наладить коммерческого производство белых светодиодов с эффективностью 65 Лм/Вт при токе 20 мА, которые стали наиболее яркими на тот момент на рынке и превысили эффективность ламп накаливания более чем в четыре раза. В 2006 году эта же компания представила прототип белого светодиода со световым выходом 131 Лм/Вт на 20 мА.

Нужно отметить, что мощность СИД 1 Вт и более вполне достаточна для коммерческого применения в качестве источника основного освещения. Типовой ток подобных светодиодов — 350 мА. Хотя ведущие производители и производят светодиоды с эффективностью выше 100 Лм/Вт, в условиях реального использования многое зависит от условий эксплуатации и конструкции светильника. Энергетический департамент США, который в 2008 году проводил тестирование светодиодных ламп, представленных в широкой продаже, предоставил данные, говорящие о том, что большинство таких ламп имеет среднюю эффективность на уровне 31 Лм/Вт.

Компания Cree 19 Ноября 2008 года предоставила данные о лабораторном прототипе светодиода с эффективностью 161 Лм/Вт при комнатной температуре и температуре света 4689 К.

Неисправности и срок жизни светодиодов

Твердотельные устройства, такие как светодиоды, в очень малой степени подвержены повреждениям, когда работают при низких температурах и небольшом токе. Множество светодиодов, произведенных в 70-80 годах , работают по сей день. Теоретически, работоспособность светодиодов неограничена по времени, однако повышенный ток и высокая температура может легко вывести их из строя. Основной признак неисправности светодиода — сильное снижение светового выхода при номинальном рабочем напряжении. Разработка новых типов светодиодов привела к повышению рабочих токов и увеличению температуры кристалла. Реакция материалов, из которых производятся мощные светодиоды, на подобные условия, еще до конца не изучена, поэтому деградация кристаллов  — одна из основных причин отказов. Светодиод считается неработоспособным, когда его световой выход падает на 75%.

Материалы

В следующей таблице указана зависимость цвета свечения светодиода от материала полупроводника

Синие светодиоды

Синие светодиоды базируются на сплавах  GaN и InGaN. Комбинация с красным и зеленым светодиодами позволяет получить чистый белый цвет, но такой принцип формирования белого сейчас используется редко.

Первый синий светодиод был изготовлен в 1971 году Jacques Pankove (изобретателем нитрида галлия).  Но он производил слишком мало света, чтобы его можно было использовать на практике. Первый яркий синий диод был продемонстрирован в 1993 году и получил широкое распостранение. 

Белый свет

Существует два пути получения белого света достаточной интенсивности с применением светодиодов. Первый из них — объединение в одном корпусе кристаллов трех основных цветов — красного, синего и зеленого. Смешение этих цветов позволяет получить белый цвет. Другой путь — использование фософора для преобразования синего или ультрафиолетового излучения в белый цвет широкого спектра. Подобный принцип используется при производстве ламп дневного света.

Системы RGB

Белый цвет может быть получен смешением различных цветов, наиболее используемая комбинация — красный, синий и зеленый. Но из-за необходимости контролировать смешение и степень рассеивания цветов стоимость производства RGB-светодиодов довольно высока. Тем не менее этот метод интересен многим исследователям и ученым, так как позволяет получить разные оттенки цвета. При этом эффективность такого способа получения белого света очень высока.
 
Есть несколько типов многоцветных белых светодиодов — ди-, три-, и тетрахроматичные. Есть несколько ключевых особенностей каждого из этих типов, включая стабильность цвета, цветопередачу и световую эффективность. Высокая световая эффективность подразумевает низкий индекс цветопередачи (CRI). Например, дихроматичный белый светодиод имеет лучшую световую эффективность (около 120 Лм/Вт), но самый низкий CRI. Тетрахроматичный — небольшую световую эффективность, но превосходный CRI. Трихроматичный находится примерно посередине.  

Хотя многоцветные светодиоды являются не самым оптимальным решением для получения белого цвета, их использование позволяет создавать системы, производящие миллионы различных оттенков цвета. Основная проблема при этом — разные значения световой эффективности для основных цветов. При повышении температуры это вызывает «уплывание» необходимого цвета и, как следствие, более жестких требований к системам питания и контроля.

Светодиоды на базе фосфора

Спектр белого светодиода определяется синим светом, который излучается кристаллом на базе GaN (пик в районе 465 Нм) и, проходя через желтый фосфор  (500-700 Нм) преобразуется в белый.  Использование фосфора разных типов и оттенков позволяет получать разные оттенки белого — от теплого до самого холодного. Так же зависит от этого и качество цветопередачи .  Нанесение на синий кристалл нескольких слоев фосфора разных типов позволяет добиться самого высокого CRI .

СИД на базе фосфора имеют меньшую эффективность, чем обычные светодиоды, так как часть света рассеивается в слое фосфора, к тому же сам фосфор также подвержен деградации. Тем не менее это способ остается наиболее популярным при коммерческом производстве белых светодиодов. Наиболее часто используется желтый фосфорный материал Ce3+:YAG.

Также белые светодиоды могут быть изготовлены на базе ультрафиолетовых светодиодов с примененим фосфора красного и синего цвета с добавлением сульфида цинка (ZnS:Cu,Al) . Этот принцип аналогичен используемому в лампах дневного света. Этот способ хуже предыдущего, но позволяет добиться лучшей цветопередачи. К тому же ультрафиолетовые диоды имеют большую световую эффективность. С другой стороны, УФ излучение вредно для человека.

Органические светодиоды (OLED)

Если основа излучающей поверхности светодиода имеет органическое происхождение, такой светодиод называют OLED  (Organic Light Emitting Diode). Излучающим материалом может быть небольшая молекула в фазе кристаллизации или полимер. Полимерные кристаллы могут быть гибкими, соответсвенно их называют PLED или FLED.

По сравнению с обычными светодиодами, OLED светлее, а полимерные вдобавок позволяют делать источник света гибким. В будущем на базе таких светодиодов планируется изготовление гибких недорогих дисплеев для портативных устройств, источников света, декоративных систем, светящейся одежды. Но пока уровень разработки OLED не допускает их коммерческое применение.

Светодиоды на квантовых точках (экспериментальная разработка)

Новая технология производства светодиодов, разработанная M.Bowers предполагает покрытие синего светодиода «квантовыми точками», которые начинают излучать белый свет при облучении синим светом светодиода. Эта технология позволяет получить теплый желто-белый свет, схожий со светом ламп накаливания. «Квантовые точки» это нанокристаллы полупроводника, имеющие уникальные оптические характеристики. Их цвет излучения может быть изменен в широких пределах — от видимого спектра до невидимого — любой цвет в пределах CIE диаграммы.

В сентябре 2009 года  компания Nanoco Group объявила о заключении исследовательского соглашения с одной из крупнейших японских компаний. Темой исследований является дальнейшая разработка технологии «квантовых точек» для применения в жидкокристаллических телевизионных дисплеях.

Перевод, дополнение и адаптация — Юрий Рубан, led22.ru

Ligitek | Белый светодиод

Бе́лый светодио́д — полупроводниковый прибор, излучающий свет, вызывающий в силу особенностей психофизиологии восприятия цвета человеком (метамерия) ощущение света, близкого к белому.

Различают два вида белых светодиодов:

Многокристальные светодиоды, чаще — трёхкомпонентные (RGB-светодиоды), имеющие в своём составе три полупроводниковых излучателя красного, зелёного и синего свечения, объединённые в одном корпусе.
Люминофорные светодиоды, создаваемые на основе синего, фиолетового или ультрафиолетового светодиода (экспериментальные образцы), имеющие в своём составе слой специального люминофора, преобразующего в результате фотолюминесценции часть излучения светодиода в свет в относительно широкой спектральной полосе с максимумом в области жёлтого (наиболее распространённая конструкция). Излучение светодиода и люминофора, смешиваясь, дают белый свет различных оттенков.

История изобретения
Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены Н. Холоньяком в 1962 году. В начале 70-х годов появились светодиоды жёлтого и зелёного цвета свечения. Световой выход этих, в то время ещё малоэффективных, устройств к 1990 году достиг уровня в один люмен. В 1993 году Сюдзи Накамура, инженер компании Nichia (Япония), создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB-устройства, поскольку синий, красный и зелёный цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем технология быстро развивалась, и к 2005 году световая отдача светодиодов достигла значения 100 лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света позволило конкурировать с лампами накаливания и ставшими уже традиционными люминесцентными лампами. Началось использование светодиодных осветительных устройств в быту, во внутреннем и уличном освещении.

Применение светодиодов в электронных схемах

  В = ИК
3 = (0,02) R
R = 150