Сергей Шмаков - Профессиональные советы домашнему электрику

Кристалл соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Оптически прозрачный полимерный корпус, являющийся одновременно фокусирующей линзой, вместе с рефлектором определяют угол излучения (диаграмму направленности) светодиода.

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB круг» и сделало возможным получение светодиодов белого свечения. Существует несколько способов создания белых LED со своими достоинствами и недостатками. Рассмотрим основные из них.

Первый способ — смешение излучения LED трех или более цветов.

На рис. 7.2 показано получение белого света путем смешивания в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов.

Рис. 7.2. Получение белого света путем смешивания излучения красного, зеленого и синего светодиодов

В принципе, такой способ должен быть наиболее эффективным. Для каждого из LED — красного, зеленого или синего можно выбрать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего квантового выхода излучения. Но при этих J (ток LED) и V (рабочее напряжение LED) интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям, необходимым для результирующих цветовых координат в области белого цвета.

Этого можно достигнуть, изменяя число диодов каждого цвета и составляя источник из многих диодов. Для практических применений этот способ встречает неудобства, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких или более LED.

Примечание.

Даже наиболее качественные RGB-светодиоды характеризуются тем, что получаемое при освещении ими поверхности световое пятно хотя и является по большей площади белым без каких-либо оттенков, но, тем не менее, по его краям все равно выделяются цветные полосы, имеющие форму дуг.

Обусловлено это тем, что кристаллы, излучающие синий, красный и зеленый свет, естественно, несколько разнесены друг от друга в светодиоде.

Второй способ — смешение синего излучения LED с излучением желто-зеленого люминофора.

На рис. 7.3 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора. А на рис. 7.4 показано строение 5 мм светодиода, излучающего белый свет.

Рис. 7.3. Получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора

Рис. 7.4. Строение светодиода, излучающего белый свет

Этот способ наиболее прост и в настоящее время наиболее экономичный. Состав кристалла с гетероструктурами на основе InGaN/GaN подбирается так, м чтобы его спектр излучения соответствовал спектрам возбуждения люминофоров. Кристалл покрывается слоем геля с порошком люминофора таким образом, чтобы часть синего излучения возбуждала люминофор, а часть — проходила без поглощения.

Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчитываются и подбираются так, чтобы спектр имел белый цвет в нужном телесном угле. Сейчас исследуется около десятка различных люминофоров для белых LED.

Третий способ — смешение излучения трех люминофоров (красного, зеленого и синего), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом.

На рис. 7.5 показано получение белого света с помощью ультра-фиолетового светодиода и RGB-люминофора.

Рис. 7.5. Получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора

Этот способ использует принципы и люминофоры, хорошо разработанные в течение многих лет для люминесцентных ламп. Он требует только два контактных ввода на один излучатель.

Но этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от диода в люминофорах. Кроме того, эффективность источника излучения уменьшается, т. к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ спектру излучения кристалла LED.

Для источников белого цвета важны не только цветовые координаты суммарного спектра разных составляющих излучателя. Многолетние исследования люминесцентных ламп показали, что для цветовых характеристик необходимо учитывать отражение света от поверхностей с различным спектром отражения. Этот учет можно количественно обосновать, эмпирически введя индекс цветопередачи как среднее значение индексов цветопередачи от 8 стандартных цветовых поверхностей.

Примечание.

Индекс цветопередачи, R a— CRI (Color Rendering Index), характеризует насколько близки к «истинным» будут видны цвета объектов, при рассматривании их в свете LED. Под «истинными» понимаются цвета, сформированные с использованием тестового источника.

R aпринимает значения от 1 до 100:1 — наихудшая цветопередача; 100 — наилучшая. Индекс более 80 является хорошим показателем, более 90 — отличным.

Суммирование излучения LED более трех цветов дает возможность получить белый свет с индексом цветопередачи близким к 100 %.

Индекс цветопередачи для суммы голубого излучения LED с излучением желто-зеленого люминофора ниже, чем для других способов, но он может быть улучшен применением дополнительного оранжево-красного люминофора.

Для массового применения LED в обычном освещении необходимы психофизиологические исследования зрительного восприятия цвета светодиодов. Будущее покажет, в каких применениях целесообразно использовать белые LED каждого из четырех типов.

Конструкции мощных светодиодов, например, Luxeon, основаны на следующих принципах:

♦ использованы высокоэффективные излучающие гетероструктуры в системах AlGalnP/GaAs. AlGalnP/GaP и InGaN (активная область гетероструктуры содержит либо одиночную, либо множественные квантовые ямы);

♦ излучающие кристаллы имеют увеличенную площадь S более 1 мм 2(вместо 0,05 мм 2в стандартных СИД диаметром 5 мм), увеличение площади кристалла направлено на увеличение рабочего тока, т. е. на увеличение светового потока и снижение теплового сопротивления кристалла;

♦ для увеличения светового потока в ряде конструкций применяются несколько кристаллов, соединенных как последовательно, так и параллельно-последовательно;

♦ в качестве кристаллодержателя для улучшения теплоотвода использованы мощные медные или алюминиевые основания (радиаторы);

♦ для сбора и преобразования бокового излучения кристаллов применены соответствующие рефлекторы;

♦ для эффективного вывода излучения и формирования заданной диаграммы направленности излучения, конструкции светодиодов содержат полимерную линзу, согласованную по размерам с отражателем бокового излучения, а также в некоторых конструкциях вторичную оптику.