Анатомия светодиодных ламп - Время электроники

Эффективность компактных люминесцентных ламп достигла предела, а эффективность светодиодных ламп продолжает свой рост. Цены на светодиодные лампы продолжают падение, что повышает их привлекательность и делает их альтернативой люминесцентным лампам

Cветодиодная революция в технологии освещения продолжается. Производительность светодиодных ламп (LED-ламп) быстро увеличивается, а цена падает. В прошлом году светодиодные лампы формата A19 – стандартный бытовой формат – продавались по цене от 20 до 60 долл. Существовала сильная зависимость между ценой и качеством изделия. В этом же году продукцию, занимающую в рейтинге по качеству верхние позиции, например, лампы LG, можно приобрести уже за 10 долл. (на российском рынке розничные цены пока не столь оптимистичны – прим. ред.).

LED-лампы, по сравнению с компактными люминесцентными лампами (КЛЛ), имеют примерно одинаковую эффективность – от 50 до 60 лм/Вт. Однако, эффективность LED-ламп продолжает расти, в то время как эффективность КЛЛ уже достигла предела. LED-лампа компании LG мощностью 7,5 Вт излучает 485 лм, т.е эффективность этой LED-лампы составляет 65 лм/Вт. Те же 485 люмен обеспечит старомодная 40-Вт лампочка накаливания, но при этом её эффективность составит только 12 лм/Вт, т.е. будет в пять раз меньше.

Светодиодная лампочка формата A19 от LG мощностью 7,5 Вт (LB08D830L0A.E50JWU0)

Равномерное освещение

При замене в настольном светильнике обычной лампы на LED-лампу, включая и уже упоминавшуюся выше LED-лампу LG, обнаружится, что помимо направленного вниз, на поверхность стола светового потока, какая-то часть светового потока направлена вверх. Это связано с горизонтальным размещением светодиодных излучателей внутри корпуса LED-лампы. Для решения этой проблемы, в лампах компании Philips используются три вертикально ориентированные LED-панели. Несмотря на имеющиеся проблемы, LED-светильники, настольная лампа или лампа направленного действия обеспечивают равномерное освещение рабочей поверхности и не нагревают освещаемую поверхность.

Лампа LG излучает свет, главным образом, вверх из-за горизонтального размещения светодиодных панелей внутри лампы

Конструкция настольной лампы предполагает установку в неё лампочки, которая излучает свет во всех направлениях. Цоколь лампы обеспечивает соединение с линией электроэнергии, а абажур выполняет функции отражателя. Абажур, будучи открытым сверху и снизу, также обеспечивает естественную конвекцию воздуха и позволяет устранить нежелательное тепло. Он также позволяет легко заменять недолговечные лампочки.

По мере создания новых осветительных ламп совершенствовалась и конструкция электрической настольной лампы, и этот процесс происходил на протяжении более века. Конструкция современных настольных ламп значительно отличается от их предшественников – масляных ламп.

У самых первых электрических ламп не было высокой эффективности и они не сразу стали популярными, но они обладали определёнными преимуществами, и использование керосиновых ламп стало сокращаться. В течение некоторого времени — вероятно, весьма быстро — конструкции светильников будут развиваться, чтобы адаптироваться к особенностям светодиодных источников. Когда срок службы светодиодных источников будет измеряться десятилетиями, и их замена больше не будет проблемой, конструкции светильников будут принимать различные формы и очертания. А пока фирмы продолжают производить LED-лампы по конструкции совпадающие с лампой Эдисона, что сродни забиванию квадратного в сечении колышка в круглое отверстие.

Strategies Unlimited (исследовательская компания, специализирующаяся на маркетинговых исследованиях на рынке светодиодной продукции) прогнозирует, что —«объём мирового рынка источников освещения, необходимого для замены существующих источников освещения, вырастет с 2,2 млрд долл. в 2011 г. до 3,7 млрд долл. в 2016 г.» Как отмечают эксперты, LED-лампы обеспечивают существенно более приятное освещение чем КЛЛ, и рынок их ожидает с нетерпением. LED-лампы служат дольше КЛЛ, они не содержат ртути и мгновенно включаются. У КЛЛ же, по сравнению с LED-лампами, есть одна неприятная особенность – КЛЛ требуется значительное время для перехода в режим максимального уровня освещённости.

Компоненты конструкции LED-лампы

LED-лампы являются сложными электронными устройствами. Светодиоды являются полупроводниковыми диодами, для питания которых требуется низкое напряжение постоянного тока — как правило, около 3 В. В зависимости от географического положения сетевое напряжение в домах — 220 В или 110 В переменного тока. Упомянутая выше лампа LG не имеет режима димминга. В более дорогих моделях заложена функция димминга, хотя, по мере падения цен на LED-лампы, в новых лампах эта функция может стать стандартной.

Компоненты конструкции LED-лампы

Подобно КЛЛ, внутри LED-лампы находится небольшая плата управления.

На рисунке видно, что печатная плата покрыта компаундом

Печатная плата

На печатной плате этой лампы находится трансформатор, несколько конденсаторов и транзисторов.

На установленной вертикально дочерней плате находится контроллер LED-лампы HS01G (полумостовой резонансный контроллер, производитель ON Semiconductor).

Наблюдая излучаемый лампой большой световой поток, очень необычно осознавать реальный размер светодиодов. В LED-лампе LG используется 32 светодиода, каждый размером 0,5 х 0,5 мм. По сравнению с этими размерами зерна риса (размером в среднем 5 х 2 мм) кажутся просто огромными! Светодиоды сгруппированы в матрицу четыре на четыре и размещены под желтыми флюоресцирующими куполами, которые, преобразуют излучаемый нитрид-галлиевыми кристаллами светодиодов поток синего света в поток белого света.

Термин «фосфор» обычно используется для обозначения флюоресцирующей среды, даже если в этой среде нет фосфора. В светодиоде излучателем является эмиттер, который состоит из мелких частиц ИАГ (иттрий-алюминиевого граната) и бария, стронция и силиката кальция, удерживаемых вместе чистым силиконом. Для достижения холодного или тёплого оттенка белого светового потока используются различные материалы.

Светодиоды

Четыре светодиода, каждый размером 0,5мм x 0.5мм x 0.1мм установлены на плату под жёлтыми куполами

Поскольку светодиоды выделяют тепло, необходимо, чтобы конструкция задней части эмиттеров позволяла рассеивать тепло.

Конструкция эмиттеров позволяет отводить тепло

Кристалл светодиода крупным планом

Вид светодиодного кристалла в электронном микроскопе. Один из встраиваемых электродов подключён к катоду, а другой электрод к аноду

Каждый светодиодный кристалл имеет очень маленькие размеры и устанавливается с помощью вспомогательных материалов. Кристалл светодиода разрезается по диагонали, при этом формируются две излучающие поверхности. Каждая из распиленных частей кристалла представляет собой очень тонкий слой нитрида галлия (GaN) толщиной всего 7 микрон и размещается на сапфировой подложке толщиной 0,1 мм. Сапфировая подложка служит основой для установки нитрид-галлиевого кристалла.

Сапфировая подложка снижает плотность дислокаций в кристалле GaN. Во время работы кристалла подложка работает как радиатор, рассеивая выделяющуюся тепловую энергию. Основание излучающего GaN-кристалла толщиной около 6 микрон не используется для создания светового потока и обеспечивает лишь механическую связь с сапфировой подложкой. Толщина слоя, в котором прогрессивно нарастает мощность излучаемого сигнала, составляет около 1 микрона. Область наиболее интенсивного светового излучения находится примерно на 100 нм ниже верхней поверхности кристалла.

Поперечный вид светодиодного кристалла показан на следующем фото.

Поперечный вид кристалла. Шкала линейки 0,1 мм. На верхней поверхности виден тонкий слой GaN. Ближе к центру виден электрод, соединённый с катодом.

С помощью электронного микроскопа можно наблюдать и слой GaN.

Слой GaN. Синие стрелки показывают приблизительный район, где формируется световой поток. Над этой областью кристалла GaN находится легированная область р-типа; ниже области – легирование n-типа.

Множество квантовых ям InGaN

Синий свет генерируется в очень тонкой области, содержащей несколько квантовых ям InGaN с разной концентрацией индия. Область, где располагается «множество квантовых ям» (МКЯ) имеет толщину порядка 50 нм, т.е. её толщина меньше показанной на предыдущем рисунке стрелки. Через р-область протравлен канал и т.о. МКЯ имеет контакт с n-областью перехода. Поскольку свет не может выделяться из области травления, площадь этой области сведена к минимуму. Тем не менее, эта область достаточна для того чтобы обеспечить хороший контакт, установить электрод для подачи тока и избежать проблем, связанных с неравномерным распределения тока.

Очень приятным для глаз является излучаемый LED-лампой световой поток с цветовой температурой около 3000 К. Флюоресцирующая среда преобразует излучаемый кристаллом поток синего света в световой поток, спектр которого очень близок к солнечному свету. При этом отсутствует избыточное тепло, возникающее при инфракрасном излучении. Некоторые производители устанавливают внутри колбы лампы красные светодиоды, что добавляет в световой поток компоненты, находящиеся в конце спектра видимого света, где чувствительность человеческого глаза не так велика.

С добавлением красных светодиодов увеличивается сложность схемы, потому что необходимо управлять двумя наборами светодиодов, отличающимися напряжением включения. Однако одновременно повышается эффективность лампы, обеспечивая больший световой поток при той же потребляемой мощности. В лампе LG A19 не используются красные светодиоды.

Спектр излучения лампы LG ограничен видимым светом. Пиковый уровень при длине волны 450 нм соответствует излучению синего светодиода.

Заключение

С понижением цен на LED-лампы их привлекательность растёт и они становятся прекрасной альтернативой содержащим ртуть компактным люминесцентным лампам. У LED-ламп, также как и у КЛЛ, слабым звеном конструкции является печатная плата. Однако в лампе LG A19 конструкция печатной платы имеет отличное качество, что должно обеспечить срок службы изделия сверх ожидаемых значений.

Об авторе: Мартин Симард-Нормандин является президентом и главным исполнительным директором компании MuAnalysis (Оттава, Канада).

Источник: EE Times

Оставьте отзывОтмена