Светодиодные автолампы

1. Что такое светодиодная автолампа?
Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Английское название светодиода light emitting diode (LED).

2. Из чего состоит светодиодная автолампа?
Светодиодная лампа состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Светодиоды, которые производят в наше время, почти не похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

3. Принцип работы светодиодных автоламп
Свечение появляется при рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе. Для этого необходим p-n переход, то есть контакт двух полупроводников с различными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют различными примесями: с одной стороны акцепторными, а с другой – донорскими. Но не каждый p-n переход излучает свет. Это происходит по нескольким причинам. Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиодной автолампы должна находиться как можно ближе к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть как можно выше, для этого полупроводниковый кристалл должен иметь меньшее количество дефектов, из-за которых рекомбинация будет происходить без излучения. Данные условия противоречат друг другу. А для того, чтобы соблюсти оба условия, оного р-n перехода мало, по этой причине нужно сделать многослойные полупроводниковые структуры, которые называются гетероструктуры.

4. Чем больший ток проходящий через светодиодную лампу, тем ярче свет?
Чем больше ток, тем больше электронов и дырок проходят в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток не может увеличиваться до бесконечности, из-за перегревания внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода, это приводит к выходу из строя светодиодной автолампы.

5. Чем лучше светодиодная автолампа?
В светодиодной автолампе электрический ток преобразуется в световое излучение. Теоретически, это можно сделать без особых потерь. Светодиодные автолампы при нормальной теплоотдаче не сильно нагреваются. Светодиодная лампа имеет излучение в узкой части спектра, ее цвет чист, УФ и ИК излучения нет. Светодиодная лампа прочная и имеет долгий срок службы. Она может проработать до 100 тысяч часов, а это почти в сто раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5-10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Светодиодная лампа – низковольтный электроприбор, поэтому она безопасна.

6. Минусы светодиодных автоламп
Единственным минусом является цена. На данный момент цена светодиодной автолампы в сто раз выше, чем галогенной лампы. Но в ближайшие 2-3 года ситуация изменится и показатель будет намного ниже.

7. Когда начали использовать светодиодные автолампы для освещения?
Сначала светодиодные автолампы использовались только для индикации. Для того чтобы они были годны для освещения, было нужно научиться делать белые светодиодные автолампы и увеличивать их яркость, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии. В 60-х и 70-х годах были сделаны светодиодные лампы на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их использовали в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, разных системах визуализации информации. Светодиодные автолампы по светоотдаче, долговечности надежности и безопасности со временем обошли лампы накаливания. Был только один минус – не было светодиодной лампы синего, сине-зеленого и белого цвета. Но сегодня и эта задача успешно решена.

8. От чего зависит цвет светодиодных автоламп?
От ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Если светодиодные лампы «синие», значит энергия квантов выше, поэтому ширина запрещенной зоны должны быть больше.

9. Как изготавливались учеными голубые светодиодные автолампы?
Голубой светодиод делался на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны – карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. У светодиода на основе SiC оказался маленький КПД и низкий квантовый выход излучения. У светодиода на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был высоким, но они перегревались, потому что сопротивление было большое, поэтому служили такие лампы недолго. Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом давление паров азота около составляет 40 атмосфер. Похожие соединения - нитриты алюминия и индия - тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной твердой зоны, которая зависит от состава. Его можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Эту проблему не получалось устранить до конца 80-х годов. Еще в 70-х годах первый голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, но руководство эти разработки не одобрило. А вот группой Сапарина и Чукичева было обнаружено, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и запатентовала устройство оптической памяти. Но это явление объяснить не смогли. Это смог объяснить японский профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. После обработки пленки GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Но разработчики светодиода не обратили никакого внимания на их публикации. Только в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical смог использовать результаты профессора Акасаки. Он подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, и получил инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот таким образом, была получена голубая светодиодная автолампа.

10. Обозначение квантового выхода светодиодных автоламп
Квантовым выходом является число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний - в самом p-n переходе, внешний - для прибора в целом. Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом может достичь около 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодных автоламп составил 55%, для синих – 35%. Внешний квантовый выход – одна из главных характеристик эффективности светодиодных автоламп.

11. Получение белого света при использовании светодиодных ламп
Есть несколько способов, чтобы получить белый свет светодиодных ламп. Первый – можно смешать цвета по технологии RGB. На одной из матриц находятся красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается с помощью оптической системы. В итоге получается белый свет. Второй способ – на поверхность светодиодных ламп, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне, наносится три люминофора, излучающих голубой, зеленый и красный свет. Третий способ – желто-зеленый или зеленый с красным люминофор наносится на голубую светодиодную лампу, при этом образуется белый свет.

                                                       12. Какой способ лучше?
По технологии RGB возможно получить не только белый свет, но перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через различные светодиоды. Управление этим процессом происходит через программу, а также можно получить разные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы применяются в светодинамических системах. Также большое количество светодиодов в матрице помогает сделать высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но у светового пятна из-за аберрации оптической системы есть неодинаковый цвет в центре и по краям, а из-за того, что отвод тепла неравномерный с краев матрицы и из середины светодиодные автолампы нагреваются неодинаково, и поэтому изменение света происходят по-разному в процессе старения. Белые светодиодные лампы с люминофорами намного дешевле, чем светодиодные автолампы на основе RGB-матрицы, но они тоже имеют свои недостатки:

• меньшая светоотдача, чем у RGB-матриц, из-за того, что преобразования света в слое люминофора;
• очень трудно проследить равномерность нанесения люминофора и цветовую температуру в технологическом процессе;
• быстрее стареет люминофор, чем сама светодиодная лампа.
  
  

13. Электрические и оптические характеристики светодиодных автоламп
Светодиодная автолампа является низковольтным прибором. Обычная светодиодная автолампа, используемая для индикации, расходует от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиодная автолампа, применяемая для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше – от нескольких сотен мА до 1 А. При включении светодиодной лампы в автомобильные фары и фонари нужно обязательно соблюдать полярность, в противном случае прибор выйдет из строя. Напряжение как правило составляет не больше 5 В для одного диода. Яркость светодиодной лампы зависит от светового потока, осевой силы света и диаграммы направленности. Светодиодные автолампы различных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Определение света происходит при определении координат цветности, цветовой температуры и длинны волны излучения. Чтобы сравнить светодиодные лампы между собой или с другими источниками света нужно использовать светоотдачу: величина потока на один ватт электрической мощности. У светодиодных автоламп последних поколений этот показатель превосходит все другие источники света.

14. Реакция светодиодной автолампы на повышенную температуру
Температура светодиодных ламп определяется на поверхности кристалла и в области p-n перехода. Если температура p-n перехода повышена, то яркость светодиодных ламп упадет, так как уменьшается внутренний квантовый выход, из-за влияния колебаний кристаллической решетки. По этой причине очень важен теплоотвод. У светодиодных ламп различных цветов яркость с повышением температуры падает по-разному. У AlGalnP- и AeGaAs-светодиодных ламп больше, а у красных, желтых, зеленых, синих и белых меньше. По этой причине не рекомендуется использовать светодиоды в конструкциях фар, где не обеспечивается достаточное расстояние между лампами накаливания и светодиодными лампами.

15. По какой причине нужно стабилизировать ток через светодиодную автолампу?
Ток экспоненциально зависит от напряжения, и небольшие изменения приводят к изменениям тока. Так как, световой выход прямо пропорционален току, светодиодные автолампы оказываются нестабильными. По этой причине, ток нужно стабилизировать. И если ток будет превышать допустимый предел, то перегрев светодиодных автоламп приводит к быстрому старению и выходу ламп из строя.

16. Для чего светодиодным автолампам нужен конвертер?
Конвертер для светодиодных автоламп, то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, который протекает через светодиодную автолампу.

17. Регулируется ли яркость светодиодных автоламп?
Яркость светодиодных автоламп регулируется так же, как яркость обычных ламп накаливания.

18. Как можно определить срок службы светодиодных автоламп?
Светодиодные автолампы долговечны, но чем больший ток пропускается через светодиодную автолампу в процессе ее службы, тем выше температура и тем быстрее может наступить старение. По этой причине у мощных светодиодных автоламп срок службы короче, чем у маломощных сигнальных, и на данный момент составляют 20-100 тысяч часов. Если у светодиодной автолампы уменьшилась яркость на 30% или на половину, ее нужно менять.

19. Может ли «испортится» цвет светодиодных автоламп с течением времени?
Старение светодиодной автолампы зависит не только от яркости, но и от изменения цвета. На данный момент нет стандартов, которые смогли бы выразить количественно изменение цвета светодиодных автоламп в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Вреден ли светодиод для глаз?
Спектр излучения светодиодных автоламп близок к монохроматическому, в чем выгодно отличается от спектра солнца или лампы накаливания. Данных о вредном воздействии светодиодных автоламп на глаза нет.

21. Какие бывают технологии производства светодиодных автоламп и светодиодных модулей?
Основной технологией является металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса нужны чистые газы. В более современных установках присутствует автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Выращиваемые слои можно измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Слои нужно регулировать примесями, донорами или акцепторами, для создания p-n перехода с большой концентрацией электронов в n-области и дырок - в р-области. Процесс длится несколько часов, за который можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Большое значение имеет обеспечение и контролирование однородности структур на поверхности подложек. Стоимость установки для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанной в Европе, около 1,5-2 млн долларов. Важнейшим этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n и р-слоям, покрытие металлическими пленками для определенных выводов. Пленку выращиваемую на одной подложке, нужно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24х0,24 до 1х1 мм2. Следующим этапом является создание светодиодных автоламп из этих чипов. Нужно смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы и оптические покрытия, которые просветляют поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если светодиодные автолампы должны быть белого света, нужно равномерно нанести люминофор, сделать теплоотвод от кристалла и корпуса, пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Примерно, половина стоимости светодиодных автоламп зависит от этих этапов высокой технологии. Увеличение мощности светового потока привело к тому, что традиционная форма корпусной светодиодной автолампы теперь не удовлетворяет производителей, потому что недостаточно теплоотвода. Нужно было, как можно больше приблизить чип к теплопроводящей поверхности. По этой причине традиционная технология была заменена на современную СОВ (chip on board). Светодиодные автолампы, которые сделаны по технологии SMD и СОВ монтируются на общую подложку, которая выполняет функции радиатора, и сделана из металла. Таким образом делаются светодиодные модули, у которых форма линейная, прямоугольная или круглая диаметром 50-75 мм. Стали появляться светодиодные автолампы с таким же цоколем, как и у низковольтных галогенных, чтобы заменить их. Для более мощных световых устройств вроде фар головного света, или противотуманных фар, делаются светодиодные автолампы-сборки на круглом большом радиаторе.

22. Где используются светодиодные автолампы?
Светодиодные автолампы применяются во всех областях автомобильной светотехники. Они практически незаменимы в дизайнерском освещении из-за чистого цвета, и поэтому широко используются для тюнинга. Также хорошо их использовать, в автомобилях с большим количеством мощных потребителей, где нужно экономить электроэнергию.