Энерговектор
О насНовостиНаука и технологииСтратегияАрхив

Светодиодная эволюция

08.06.2016, Алексей Батырь
На очередном витке развития появились две новые технологии

Полупроводниковые источники света постепенно вытесняют не только лампы накаливания, но и «энергосберегающие» компактные люминесцентные лампы. При том же потреблении энергии полупроводники дают свет большей яркости. Кроме того, они не содержат ртути и других вредных веществ, с гораздо меньшими тепловыми потерями преобразуют электроэнергию в свет, значительно долговечнее, мгновенно включаются и выключаются, эффективно работают при низких температурах. Разработчики непрерывно совершенствуют светодиодные лампы, увеличивая их световую отдачу (отношение излучаемого светового потока к потребляемой мощности). Последнее рекордное достижение — чуть более 300 лм/Вт — примерно в 20 раз превышает соответствующий показатель ламп накаливания и в 4 раза — люминесцентных ламп.

Мы уже писали об истории создания и технологиях изготовления светоизлучающих диодов (Light-Emitting Diodes, LED), или просто светодиодов (см. «Энерговектор», № 12/2014 и № 8/2015). Теперь поговорим от технологиях, используемых при изготовлении источников света на основе светодиодов.

 

Кто на свете всех белее

После того как Сюдзи Накамура создал сравнительно дешёвые в производстве синие светодиоды, следующим шагом в развитии полупроводникового освещения стало создание «белого светодиода». Последнее словосочетание не зря взято в кавычки — на самом деле светодиода чисто белого цвета, т. е. равномерно излучающего во всём видимом спектре, не существует по причине принципиальной узости спектра излучения возбуждённого p-n-перехода. Поэтому для получения белого свечения тем или иным способом смешивают излучения основных цветов — красного, зелёного и синего.

Сначала инженеры пошли наиболее очевидным путём, устанавливая в светильниках красные, зелёные и синие (RGB) светодиоды. Однако этот способ по многим причинам оказался неэффективным. От него отказались в пользу проверенного десятилетиями на люминесцентных лампах способа — преобразования части синего света в более длинноволновое излучение (стоксовского сдвига длины волны) с помощью люминофора. Смешав жёлто-оранжевое свечение люминофора с синим излучением светодиода, нетрудно получить белый свет различных оттенков — от «тёплого», желтоватого, похожего на свет ламп накаливания (цветовая температура около 3000 К), до «холодного дневного» (6500 К). Именно благодаря люминофору на основе легированного церием иттрий-алюминиевого граната светодиоды в выключенных осветительных лампах имеют жёлтый цвет.


«Кукурузные» лампы уже устарели, но ещё встречаются в продаже

Другой вариант — применение светодиода ближнего ультрафиолетового диапазона, который возбуждает свечение люминофоров трёх разных видов: «красного», «синего» и «зелёного». Такой комбинированный светодиод имеет более широкий и равномерный спектр излучения, но значительно дороже вышеописанного и менее эффективен из-за того, что стоксовский сдвиг длины волны здесь значительно больше и, следовательно, требует большей затраты энергии, что снижает светоотдачу прибора. Кроме того, в отличие от синего, невидимое ультрафиолетовое излучение светодиода не участвует в создании общего светового потока, а более толстый трёхслойный люминофор поглощает больше света.

Наконец, третий способ получения белых светодиодов (на сей раз без кавычек, потому что здесь используется только «честная» электролюминесценция полупроводникового материала), не вышедший пока за пределы исследовательских лабораторий, основан на гомоэпитаксиальном наращивании активного слоя селенида цинка на подложке из этого же материала. Приложенное к такому «пирогу» напряжение вызывает одновременно синее свечение активной зоны и жёлтое свечение подложки, которые, смешиваясь в оптической системе, дают белый свет.

 

Здоровое питание

Диод светится, находясь в открытом состоянии, под воздействием небольшого напряжения (единицы вольт). При этом даже при его незначительном повышении ток через полупроводниковый прибор очень сильно возрастает, что может привести к «выгоранию» p-n-перехода. Поэтому для питания светодиодных ламп применяются встроенные преобразователи (драйверы), которые снижают и выпрямляют сетевое напряжение, а также стабилизируют ток, протекающий через диод.

В отличие от лампы накаливания, у которой температура раскалённой нити превышает 2000 °C, светодиод может нормально работать при температурах не выше 100—120 °C — дальше начинается быстрая деградация полупроводника с падением светоотдачи, а то и полное его разрушение. Поэтому мощным светодиодам, выделяющим значительное количество тепла в малом объёме, требуется эффективное охлаждение. Эта проблема решается конструкторами по-разному, как именно — расскажем ниже.

 

Все за одного

Ещё одна проблема, которую пришлось решать разработчикам светодиодных источников света, — довольно узкий телесный угол излучения светодиода. Для его расширения сверху на светодиод наклеивались специальные линзы. Чтобы получить равномерное освещение по большей части окружности, в первых бытовых лампах (в народе их называли «кукурузой») множество маломощных светодиодов устанавливалось на поверхности цилиндрического или многогранного «сердечника» лампы. Поскольку эти светодиоды включались последовательно, их, как ёлочную гирлянду, можно было питать высоким напряжением. Поэтому внутри сердечника помещали простейший драйвер-выпрямитель. Проблема теплоотвода также решалась автоматически — маломощные светодиоды располагались на теплопроводной керамической подложке достаточно далеко друг от друга.

«Кукурузные» лампы, в отличие от одноимённого злака, не насаждались директивным образом и довольно быстро были вытеснены лампами на мощных светодиодах, выполненных по технологии chip-on-board (COB, кристалл на плате). В них один или несколько полупроводниковых кристаллов приклеиваются специальным клеем к теплопроводной керамической подложке с печатными соединениями и выводами и покрываются общим слоем люминофора. Подложка, смазанная тонким слоем термопасты, закрепляется на металлическом основании, переходящем в ребристый радиатор. Такие лампы изготавливаются в различных стандартных для ламп накаливания форм-факторах — шарообразных, точечных, свечеобразных и др., но их с первого взгляда можно отличить от обычных ламп по ребристой металлической конструкции между цоколем и колбой.

 

Старые новые подходы

Примечательно, что последние достижения в технологиях изготовления светоизлучающих элементов в какой-то степени можно рассматривать как возврат к безрадиаторным «кукурузным» технологиям.

Так, примерно два года назад на рынке появились «нитевые» (filament) лампы, внешне очень похожие на старые добрые лампы накаливания. Светоизлучающими элементами в этих лампах служат так называемые светодиодные нити, протянувшиеся не поперёк, как вольфрамовые, а вдоль лампы — от цоколя к центральному держателю. На самом деле «нити» представляют собой узкие прозрачные стеклянные или сапфировые пластинки, на которых по технологии COB закреплено множество соединённых последовательно маломощных светодиодных кристаллов. Пластинка со всех сторон, кроме торцов с выводами, покрывается слоем люминофора. Нити помещаются в стеклянную или поликарбонатную колбу со стандартным цоколем, точно такую же, как у ламп накаливания. В цоколе размещается миниатюрный драйвер. Для улучшения теплопередачи колба заполняется каким-либо инертным газом — азотом, углекислотой или гелием.


«Светодиодные нити» — это цепочки светодиодов
на узкой прозрачной подложке под слоем люминофора

В филаментных лампах нет радиаторов, они очень лёгкие — 6-ваттная лампа весит всего 35 г, 4-ваттная — 20 г. Эффективность ламп на светодиодных нитях (более 105 лм/Вт) выше, чем у радиаторных, а нагрев корпуса — заметно ниже. Благодаря конструктивному сходству нитевых ламп с лампами накаливания для наладки их производства требуется минимальная перенастройка имеющихся автоматических линий. Этим воспользовались, в частности, на Томском электроламповом заводе, организовав серийное производство филаментных ламп стандартного формфактора под торговой маркой «Лампочка томича» (по аналогии с «лампочкой Ильича»).


Технология Crystal Ceramic MCOB создана
с прицелом на автоматизированное производство

Совсем недавно появились лампы на основе новой технологии Crystal Ceramic MCOB. В них на пластине в виде кольца из прозрачной керамики по кругу расположено большое количество соединённых последовательно синих светодиодов небольшой мощности. Пластина со всех сторон покрыта люминофором, благодаря чему лампа практически равномерно светит во все стороны. Как и в первых «кукурузных» и филаментных лампах, такая конструкция позволяет полностью отказаться от охлаждающих радиаторов. Драйвер располагается внутри пластиковой трубки в центре лампы. Он обеспечивает стабильное питание светодиодов и отсутствие пульсации света. Утверждают, что светоотдача новых ламп достигает 120 лм/Вт. В Китае построен первый завод, выпускающий лампы по новой технологии.

Эта статья изначально была опубликована в газете «Энерговектор» за май 2016 г. здесь.



 

Редакция

Главный редактор: Иван Рогожкин
Консультант: Людмила Зимина
Корректор: Анатолий Печейкин
Дизайнер: Мария Хомутская
Руководитель проекта:
Максим Родионов

Контакты

Россия, 101000,
г. Москва, а/я 230.
Тел.: +7 (916) 422-95-19
Web-site: www.enegrovector.com
E-mail: oilru.com
facebook.com/energovector


©2011-2017. Ежемесячная газета «Энерговектор». Все права защищены.