`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

LED: за кулисами успеха ярких технологий

Статья опубликована в №39 (705) от 3 ноября

+66
голосов

Еще 15–20 лет назад светоизлучающий диод мог составить конкуренцию разве что желтому огоньку неоновой или перегорающей в самый неподходящий момент сигнальной лампе накаливания. Сегодня этому технологически сложному источнику света пророчат исключительную роль во всех аспектах человеческой жизни. Однозначен ли этот вывод уже сейчас?

LED за кулисами успеха ярких технологий

Интересно отметить, что люминесценцию вблизи p-n-перехода карбида кремния в Нижегородской радиотехнической лаборатории впервые наблюдал О. В. Лосев еще в 1923 г. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована в 30-х годах прошлого века. Принято считать, что первый твердотельный светодиод видимого диапазона был изготовлен в 1962 г. Но только в 90-х «LED – тронулся»: после этапа накопления произошел технологический прорыв, и светодиоды начали занимать рыночный плацдарм в фонарях (рис. 1), фарах, экономичных прожекторах, а сейчас нацелились на освоение коммерчески привлекательных массовых групп ИТ-товаров, в частности на сегмент подсветки ЖК-дисплеев.

Первые имеющие промышленное значение LED на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в красной, желтой и желто-зеленой областях спектра, были созданы в 60–70-х годах прошлого века. Их характеристики по сегодняшним меркам были более чем скромны. Внешний квантовый выход (отношение числа излученных светодиодом фотонов к общему числу перенесенных через p-n-переход элементарных зарядов) не превышал 0,1%, а световая отдача (отношение светового потока к потребляемой энергии) составляла лишь 1–2 лм/Вт. Спасало то, что светились они в области наивысшей чувствительности человеческого глаза, поэтому яркости их желто-зеленого излучения было достаточно для индикации режимов на приборных панелях. По мере совершенствования технологий они начали находить применение в рекламных экранах, световых табло, различных системах визуализации информации и в ряде других уникальных и мелкосерийных устройств, некритичных к цене. Несколько обособленной линией шло развитие светодиодов для более специфических прикладных задач. LED кардинально изменили судьбу приборов оптоэлектронной развязки, а появление скоростных излучателей, согласованных с оптоволокном, существенно ускорило развитие индустрии телекоммуникаций.

Выход на рынок высокоярких, а также синих LED (в середине 1990-х годов) и постоянное снижение цен на них привлекли активное внимание многих производителей к данным источникам света. Чтобы потеснить традиционные источники освещения, необходимо было прежде всего научиться изготовлять белые LED, а также продолжать наращивать их яркость и эффективность, снижая стоимость.

В начале этого века, ознаменовавшегося появлением белых диодов, LED по светоотдаче, долговечности, надежности, безопасности обогнали обычные лампы накаливания и стали массово использоваться и для прецизионной подсветки, в том числе для ЖК-экранов различных диагоналей. И первым препятствием на этом пути стала большая (в пять раз по сравнению с CCFL) неравномерность яркости и цвета в светодиодных кластерах. Так, спустя несколько лет, благодаря просочившейся информации от поставщика LED для одной из моделей телевизора Sony образца 2004 г. компании Lumileds стало известно, что при входном контроле только треть излучателей подходила для подсветки. Но даже в случае строжайшего отбора ряд проблем, таких как неравномерность деградации параметров элементов массивов по мере старения, оставался.

Вывод, который напрашивается исходя из этого краткого экскурса, такой: светодиод – устройство технологически значительно более сложное, чем люминесцентная или лампа накаливания. И «виной» тому – ряд специфических особенностей, связанных с природой генерации света, которая и сегодня заставляет серьезно задумываться не только теоретиков и технологов при производстве и сборке кристаллов, но и конструкторов, прорабатывающих «обвязку» для столь заманчивых по перспективам, но капризных полупроводников.

От учебника до производства

LED за кулисами успеха ярких технологий
LED за кулисами успеха ярких технологий
Рис.1. Высокая энергоэффективность позволила светодиодам занять место в светильниках уличных фонарей. Производители откликнулись на тенденцию предложением широкой гаммы устройств

Принцип работы светоизлучающих диодов основан на свойствах p-n-перехода между двумя типами полупроводников: n-типа, в котором ток переносится электронами, и p-типа, где носителями заряда являются дырки. Для этого слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: с одной стороны акцепторными, по другую – донорскими. При прохождении электрического тока через p-n-переход в прямом направлении электроны и дырки рекомбинируют, излучая в связи с переходом электронов с одного энергетического уровня на другой поток фотонов.

Не всякий p-n-переход излучает свет. Для этого, во-первых, ширина запрещенной зоны активной области кристалла должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона, во-вторых – сохраняться высокой вероятность излучательной рекомбинации, пропорциональная концентрации электронно-дырочных пар. Поэтому наряду с повышением концентраций основных носителей в p- и n-областях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет рекомбинация. Полупроводниковый «пирог» должен содержать минимально дефектов, на которых происходит безызлучательная рекомбинация, ведь в этом случае энергия превращается в тепло.

Специфика требований к условиям генерации света кристаллом в некоторой степени противоречива, поэтому формирования единственного p-n-перехода оказывается недостаточно. Приходится обращаться к теории многослойных полупроводниковых структур, гетероструктур и другим, существенно усложняющим технологии и повышающим требования к дисциплине в процессе изготовления LED.

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Практической характеристикой эффективности светодиода является квантовый выход. Параметр определяется как количество излученных квантов света на одну рекомбинировавшуюся электронно-дырочную пару. Различают внутренний, характеризующий сам p-n-переход, и внешний квантовый выход.

Внешний – одна из основных характеристик эффективности LED в целом, ведь свет теряется «по дороге» – поглощается, рассеивается. И если внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом приближается к единице, то значения внешнего гораздо скромнее: лишь относительно недавно для серийных красных LED был преодолен рубеж в половину, а для синих и ультрафиолетовых – в треть выхода от количества сгенерированного света.

С целью уменьшения паразитных переотражений используется нанотекстурирование внутренних и внешних поверхностей светодиодных структур. Определенное воздействие на дальнейшее развитие LED также оказывают технология квантовых точек и теория фотонных кристаллов, предметом изучения которой являются структуры с периодически изменяющейся (период соизмерим с длиной волны света) диэлектрической проницаемостью.

С точки зрения электрических параметров светодиод – низковольтный прибор постоянного тока с напряжением пробоя порядка 5–7 В, при подключении которого требуется соблюдение полярности. Чем больше ток, протекающий через него, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Обычный светодиод, применяемый для индикации и в системах отображения информации с силой света 0,5–3 кд, потребляет до 50–100 мА при постоянном напряжении от 2 до 4 В. Для мощного кристалла, световой поток которого составляет более 10 лм, используемого для освещения, требуется такое же напряжение, но допустимый протекающий ток выше – от десятых долей до единиц ампер.

Мощность, преобразуемая в тепло, у светодиодных систем на порядок ниже, чем у галогенных ламп. Разумеется, ток нельзя увеличивать свыше заданных рабочих пределов. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода LED перегреется и выйдет из строя.

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, причем деградация светодиода сопровождается не только снижением его яркости, но и изменением спектральной кривой излучения.

От второй больше зависит световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому крайне важен хороший отвод тепла. Градиент уменьшения яркости с ростом температуры неодинаков для светодиодов разных цветов: например, он выше у красных и желтых AlGalnP- и AIGaAs-светодиодов в сравнении с зелеными, синими и белыми на InGaN. В общем, важно не доводить LED до предельной температуры, ведь при нагреве кристалла до значения, близкого к 150 °С, происходит его ускоренное «отравление», и время жизни светодиода снижается с декларируемых 50–100 до 10–15 тыс. часов.

Светить всегда, светить везде...

LED за кулисами успеха ярких технологий
Рис. 2 Типичная вольт-амперная характеристика светодиода. В рабочих режимах незначительные колебания приложенного напряжения приводят к большим и опасным изменениям тока

Поскольку количество излучаемых фотонов прямо пропорционально току, экспоненциально зависящему от напряжения (рис. 2), то даже при незначительных его колебаниях яркость LED оказывается нестабильной. Кроме того, по мере приближения тока к допустимому пределу нагрев приводит к смещению рабочих характеристик светодиода в более опасную зону. Ведь в отличие от вольт-амперной характеристики (ВАХ) лампы накаливания с металлической нитью (при питании постоянным током, у которой чем больше протекающий ток, тем сильнее нагревается нить, следовательно, тем выше становится ее сопротивление) ВАХ светодиода носит обратный характер.

Поэтому эксплуатация всех LED предполагает жесткую стабилизацию тока, протекающего через светодиод. Эти функции возлагаются на конвертор (driver), исполняющий ту же роль, что и балласт для люминесцентной лампы. От того, насколько качественно он спроектирован, какие компоненты использовались и как он реализован, во многом зависят качество и время жизни всей светодиодной системы. К слову, стоимость этого обязательного элемента с возможностью прецизионной регулировки яркостью сопоставима со стоимостью LED.

Схемой начального уровня является последовательно подключенный с источником постоянного напряжения и светодиодом токоопределяющий резистор. Единственное ее достоинство – простота: при изменении напряжения питания она не обеспечивает требуемой стабильности тока через диод и бесполезно растрачивает достаточно существенную часть мощности источника. Известны достижения китайских схемотехников, умудряющихся в светодиодных фонарях снизить номинал этого резистора настолько, что увеличение внутреннего сопротивления батареи аккумуляторов приводит к значительному уменьшению световой отдачи. Так как такому «эффективно-экономичному» решению сопутствует выбор пусть и мощного, но, как правило, дешевого светодиода, то становится понятным причина разочарования покупателя «в новых технологиях» уже спустя полгода от начала эксплуатации.

Ненамного эффективнее выглядит и применение линейных параметрических стабилизаторов (по схеме стабилизации тока). В этом случае энергоэффективность системы зависит от того, насколько напряжение на входе соответствует требуемому при выбранном токе, и снижается по мере уменьшения яркости светодиода. Рациональность применения подобных линейных схем падает при токах свыше 1 А. Большой потребляемый ток требует использования массивных радиаторов на силовом регулирующем элементе, ухудшает и без того напряженный тепловой режим и увеличивает габариты компактного светодиодного устройства в целом.

Тем не менее есть эффективный способ питания и регулирования яркости светодиодов, но не за счет вариации напряжением питания и без выделения избыточной мощности на регулирующем элементе. Наиболее эффективным, как и в случае с первым этапом эволюции компьютерных БП, оказывается переход на импульсные источники с обратной связью по току. Метод ШИМ-управления яркостью заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять минимум сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Благодаря этому средняя яркость светодиода становится управляемой. Высокий КПД драйвера в этом случае объясняется тем, что силовой регулирующий элемент функционирует в ключевом режиме (открыт либо заперт). Теория и схемотехника таких БП хорошо отработана, а некоторые особенности в их построении для реализации питания и управления именно LED привели к появлению в номенклатуре производителей отдельной категории микросхем.

LED за кулисами успеха ярких технологий
Рис. 3. Варьируя состав полупроводников, можно создавать эффективные светодиоды для всевозможных длин волн

Общее количество предлагаемых чипов для драйверов различного назначения, функциональности, мощности и класса точности, их вариаций и реплик на момент написания данного обзора составляет свыше двух сотен. Как тенденцию следует отметить увеличение среди них в последнее время доли многоканальных микросхем, нацеленных на групповое питание LED. Попутно напомним, что последовательное, а тем более параллельное и смешанное соединение светодиодов ужесточает требования к схожести их параметров.

Без ложки дегтя, пусть чайной, и здесь не обойдется. Импульсные источники характеризуются высоким уровнем помех, поэтому при конструировании источников-драйверов для LED уделяется дополнительное внимание экранированию и подавлению высокочастотных составляющих в шине питания. Кроме того, при диммировании происходит небольшое изменение цветовой температуры излучения светодиода, которое несравнимо меньше аналогичного, пусть и более «природного» смещения («потепления» цветовой температуры), присущего лампам накаливания.

Еще один «скользкий» момент, о котором, судя по немногочисленности публикаций, никто пока не задумывается, – психофизическое восприятие такого рода освещения, граничная частота воздействия которого отнюдь не ограничивается предельной, явно различаемой глазом как мелькание.

От одноцветного к белому LED

Цвет LED определяется длиной волны излучения (координатами цветности) и цветовой температурой (у белых) и у монохромных приборов зависит исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, т. е. от материала и легирующих примесей (рис. 3). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше энергия квантов, а значит, тем «синее» излучение.

Яркость светодиода характеризуется световым потоком, осевой силой света, а также диаграммой направленности. Угол раскрыва существующих светодиодов разных конструкций составляет, как правило, от нескольких единиц до 140°.

Известны три способа получения белого света от LED. Первый – смешивание трех (или более) цветов по технологии RGB. Для этого на одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые (предпочтительнее – пурпурно-зеленые с длиной волны 525–535 нм) светодиоды, излучение которых смешивается с помощью оптической системы, например линзы.

Второй способ заключается в том, что на поверхность LED, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносится три люминофора, соответственно излучающих голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на принцип, используемый в люминесцентных лампах.

При третьем способе, близком по логике к предыдущему варианту, желто-зеленый или пара люминофоров зеленый+ красный наносятся на голубой LED, так что два или три излучения смешиваются, образуя близкий к белому (с легкой «мертвецкой синевой») или белый свет.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Промышленность освоила как LED с люминофорами, так и RGB-матрицы – у них разные области применения.

Наиболее прогрессивна технология RGB, которая, в принципе, позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме (достигать различных цветовых температур) за счет изменения тока через элементы триады. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах и обладают огромным потенциалом для подсветки ЖК-дисплеев. Кроме того, большое количество LED в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и высокую осевую силу света. Но получение белого света от триады требует соблюдения определенного расстояния между ней и освещаемой поверхностью (экраном), да и в этом случае световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям.

LED за кулисами успеха ярких технологий
Рис. 4. Исключительные качества LED по достоинству оценены светодизайнерами

Из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины LED нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения – суммарные яркость и цветовая температура «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать за счет обратной связи, ведь единственно достоверную информацию об этих параметрах можно получить лишь от колорометрического фотодатчика. На практике же в лучшем случае довольствуются коррекцией в светодиодном драйвере на основе изменения показаний термодатчика.

Белые LED с люминофорами существенно дешевле, чем LED RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Для изготовленных по второму способу и вовсе не проблема вывести в точку белого (с координатами 0,33, 0,33 цветовой диаграммы CIE). Недостатки же таковы: во-первых, из-за преобразования света в слое люминофора светоотдача у них меньше, чем у RGB-триад, во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец, в-третьих – люминофор (-ы) зачастую стареет быстрее, чем сам LED.

Выводы

Итак, при более пристальном рассмотрении светодиод не столь прост и однозначен, каким представляется в школьном учебнике физики или в маркетинговых материалах производителей светотехнической продукции. Тем не менее он уже обречен на успех и в скором времени по мере дальнейшего совершенствования технологии производства кристаллов, их сборки, драйверов для обвязки и удешевления существенно потеснит позиции отпраздновавшей вековой юбилей лампы накаливания и вдвое более молодой люминесцентной трубки.

Поэтому неудивительно, что в то время, когда производители полупроводников чуть ли не в один голос заявляют о продолжающемся снижении оборота по сравнению с предыдущим годом, изготовители светодиодной продукции потирают руки и закатывают рукава. В любом случае ведущие производители светодиодов, используемых для экономичного освещения и обеспечения подсветки ЖК-мониторов (подробнее об этом – в следующей статье номера), на ближайшую перспективу себя работой обеспечили. Ведь согласно летним отчетам DisplaySearch, в 40% телевизоров и практически во всех ноутбуках к 2013 г. будет использована только светодиодная подсветка. Кстати, свои завышенные на 2009 г. прогнозы по поводу пятикратного (в сравнении с предыдущим) роста доли ЖК-устройств с твердотельной светодиодной подсветкой аналитики объясняют не только общим снижением объемов готовой продукции. В перечне факторов, сыгравших негативную роль, называются трудности с поставками светодиодных систем производителям мониторов и недостаточные темпы уменьшения стоимости LED-подсветки, что, в свою очередь, завышает стоимость мониторов, снижая спрос на них. Одним из путей удешевления считается перенос изготовления систем подсветки на мощности производителей панелей для повышения выхода годных изделий.

Попутно можно с большой вероятностью прогнозировать, что в моделях с диагоналями от 10" по мере заполнения рынка телевизоров и мониторов (кроме устройств самого нижнего уровня и критичных к суммарной толщине) торцевая подсветка с люминофорными белыми LED постепенно уступит место тыловой. Уменьшение площади автономно управляемого элемента такого светодиодного массива позволит добиться еще более высоких яркости и контрастности за счет локального управления. Дальнейшему совершенствованию и снижению стоимости способствует конкуренция со стороны дисплеев на OLED. Так, по словам вице-президента Samsung, ее AMOLED 4-го поколения уже сегодня характеризуются временем наработки порядка 50 тыс. часов, их производство – выходом годной продукции на собственных линиях свыше 90%, что позволит им конкурировать в массовом сегменте рынка среди устройств с диагоналями 40–50" уже через 4–5 лет.

LED глазами светодизайнера

На сегодняшний день светодиоды и продукция на основе сверхъярких сверхмощных светодиодов признаются наиболее технологичными и перспективными источниками света. Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: значение светового потока на один 1 Вт электрической мощности (табл. 1).

Под светодиодами осветительного класса подразумеваются высокомощные, соответствующие заданным минимальным требованиям к световому потоку (лм), эффективности (лм/Вт), качеству света (определяются по индексу цветопередачи, CRI) и надежности (время в работе до достижения заданного процента от исходной отдачи), что позволяет выполнять замену привычных источников света на светодиодные источники. Среди прочих достоинств, справедливо подчеркиваемых «зелеными» экологами, – то, что в отличие от большинства люминесцентных источников света и разрядных ламп они не содержат ртути, а наработка многих светодиодов осветительного класса при паспортных условиях эксплуатации составляет не менее 50 тыс. часов.

Однако потенциал применения полупроводниковых источников примитивной прямой заменой ламп накаливания на LED не ограничивается. У светодиодного освещения есть множество исключительных качеств, включая прикладную эффективность в дизайнерских решениях благодаря своей направленности (излучению света только в пределах определенного телесного угла в отличие от практически равномерного во все стороны у большинства электрических лампочек) без необходимости использования дополнительных оптических рефлекторов или линз (рис. 4). Уникальными, например, являются и достижение полной яркости за несколько наносекунд, и более высокая эффективность при низких температурах (табл. 2).

Низкое рабочее напряжение позволяет легко «подружить» наружные светодиодные светильники с солнечными батареями, а высокая эффективность и добавление в конструкцию датчиков освещенности и движения дают возможность строить небольшие автономные системы, не нуждающиеся в питании от сети, по мнению экспертов, даже в средних широтах. Кроме того, в светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно это 12 или 24 В), что дает возможность выбора сбалансированного решения исходя из площади сечения подводящих питание проводников и обеспечения требований по электробезпасности.

Таблица 1. Эволюция источников света от простейших ламп накаливания до современных сверхмощных светодиодов
Источник Средний срок службы, ч* Светоотдача, лм/Вт
Лампа накаливания 500–1000 7–10
Галогеновая лампа 2000–3000 10–15
Люминесцентная лампа (в том числе и компактная) 5000–12000 40–60
Компактная люминесцентная лампа 6000–9000 40–60
Газоразрядная металлогалоидная лампа высокого давления 6000–12000 60–80
Газоразрядная натриевая лампа высокого давления 9000–16000 75–90
Осветительный светодиод 50000–80000 50–150
*Срок жизни галогенных ламп, как правило, определяется до момента, после которого 50% ламп выйдет из строя, а у светодиодов чаще всего нормируется продолжительность до момента снижения интенсивности света на 30%.
Таблица 2. Современные сверхмощные светодиоды обладают рядом существенных преимуществ перед традиционными источниками света
Высокий срок службы До 80 000 ч; в 5–100 раз выше, чем у традиционных источников света
Низкое энергопотребление В 3–12 раз ниже, чем у традиционных источников света
Мгновенное включение 100%-ная светимость после подачи питания достигается в пределах 0,05 с
Низкий нагрев При правильном теплоотводе температура радиатора менее 60–70 °С; у других источников – до 300 °С
Практическое отсутствие инфракрасного и ультрафиолетового излучения Исключаются выгорание тканей, помутнение и потеря цвета поверхностей
Работа при низких температурах Срок службы и светоотдача светодиодов увеличиваются
Широкий спектр цветовых температур белого цвета От 2700К до 10000К
Цветные светодиоды Чистые и естественные цвета свечения
Простота диммирования Гибкая регулировка освещенности и смены цвета по RGB принципу
Широкий спектр оптических систем для любых задач – непосредственно в источнике света без рефлектора От единиц до 180 °С

 

+66
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Для тех кому популярного изложения недостаточно посоветую обратится к научному описанию принципов роботы светодиодов:

Светодиод - Физико-технический справочник

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT