Новости

Любое тело излучает (за счет теплового движения молекул) электромагнитные волны, частота которых увеличивается при нагревании и при температуре около 900 градусов достигает (за счет широкого спектра) и оптического диапазона. Человеческий глаз начинает воспринимать его как свет – вначале красный, а при 2000К – желтоватый, как от ламп накаливания, при 4100К – самый «солнечный» дневной, свыше 6000К – голубоватый. Отсюда, кстати, и классификация люминесцентных ламп по «теплоте» (только холодным называется более голубой цвет, соответствующий как раз большей температуре излучения). Но в таком случае к реальному нагреву источника света это не имеет никакого отношения. Спектр зависит только от свойств нанесенного на стекло люминофора, который может оставаться совершенно холодным.

Также получать свет практически любой длины волны без нагревания излучателя можно, пропуская электрический ток через p-n переход полупроводника. Некоторый паразитный нагрев при этом происходит из-за омического сопротивления кристалла, а цвет излучения (энергия испускаемых фотонов) зависит исключительно от его химического состава (от ширины так называемой запрещенной зоны в уровнях энергии носителей). Именно на генерации квантов света соответствующей энергии при рекомбинации носителей в p-n переходе и основана работа светодиода.

Температура (градусы Кельвина)

Длина волны максимума излучения * (нанометры)

Цвет

Химический состав кристалла светодиода

монохромного (узкополосного) излучения

теплового спектра

с максимумом на данной волне

2700

1075*


 

Белый тёплый

AlGaInP+InGaN, GaAlAs+GaP

4100

705*


 

Дневной

AlGaInP+InGaN, GaAlAs+GaP

4600

630

Красный


 

InGaAlP, GaP, GaAsP, GaAlAs

4900

590

Желтый


 

InGaAlP, GaP, GaAsP

5200

550

Зеленый


 

InGaAlP, AlGaInN, InGaN, GaP, GaAsP

6400

455


 

Белый холодный

AlGaInP+InGaN, GaAlAs+GaP

6450

450

Синий


 

InGaN, AlGaInN

* Длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения теплового спектра значительно больше субъективно кажущейся усреднённой из-за падения чувствительности глаза в инфракрасной области. Металлический волосок, нагретый всего до 2000 градусов, кажется нам сияющим белым светом, хотя львиная доля энергии излучается им в невидимом тепловом диапазоне. Именно в этом причина столь малой эффективности низкотемпературных ламп накаливания.

Первый практически работающий светодиод (по-английски – Light-emitting diode – LED) был продемонстрирован в США еще в 1962 году в университете Иллинойса. Но это была не более, чем модель, экстравагантная и дорогая игрушка для ученых. Мощность и яркость первых образцов были ничтожны, цвет – только красный, световая отдача – даже ниже, чем у ламп накаливания. Для того чтобы стать применимым на практике, а в последствии – и самым эффективным источником света, светодиодам пришлось пройти долгий путь поисков новых химических решений и совершенствования технологий производства.

Улучшение характеристик LED-излучателей велись по двум основным направлениям. Прежде всего, это было повышение световой отдачи: увеличение создаваемого диодом светового потока при той же потребляемой энергии. То есть, по сути – коэффициента полезного действия. А уже с решением этой задачи (вернее, в процессе решения, когда не осталось сомнений в достижимости хороших результатов, в том, что светодиод может стать не лабораторным, а коммерческим прибором) – стали проводиться исследования и практические разработки по увеличению мощности отдельных элементов и получению белого света. Причем для действительно широкого использования LED-осветителей по экологическим и эргономическим соображениям необходимо было получить спектр излучения, максимально приближенный к естественному солнечному или, во всяком случае, не уступающий по качеству традиционным источникам света.

Существует и обратная связь между этими направлениями: световая отдача зависит не только от полезной мощности, «снимаемой» с кристалла, но и от спектрального распределения его излучения. Это происходит потому, что световой поток – величина, опирающаяся не на физические константы, а на особенности восприятия света человеческим глазом. Даже для самого видимого желто-зеленого света (с длиной волны 555нм) принципиальный предел отдачи составляет 683 лм/Вт. Естественно, для широкого, близкого к солнечному, спектра (на рисунке пример очень эргономичной лампы «BIOLUX») эта величина не может достигать и 400 лм/Вт. То есть, улучшая спектральные характеристики, мы неминуемо снижаем КПД источника света.

На фоне этой цифры очень вдохновляет апрельская новость о том, что ведущим производителем LED-излучателей «Cree» взята планка в 200 лм/Вт – более половины теоретического предела! А рубеж в 150 лм/Вт перейден также компаниями «Philips» и «Osram». Причем это касается не лабораторных образцов, а коммерческой продукции. Стоимость 1-ваттного диода подобной эффективности в России не превышает шести долларов США, а субъективную освещенность (при прочих равных условиях) он создает приблизительно, как 25-ваттная лампа накаливания.

Разумеется, при концентрации таких мощностей на малом кристалле возникает проблема отвода тепла. Это привело к существенным отличиям в конструкции современных сверхярких диодов от их прародителей.

В решении же задачи спектральной комфортности светодиодного освещения переломным моментом стало изобретение в 1971 году светодиода синего цвета из нитрида галлия, а затем – и его более дешевого собрата в 1990 году. Ведь белый свет невозможно создать без синего (принцип RGB). Смешивая же три основных цвета в различных пропорциях, можно получать любые субъективные оттенки и «теплоту» белого. А, используя полупроводниковые приборы с раздельными выводами каждого кристалла (так называемые RGB-светодиоды) – и управляемое в реальном времени регулирование цвета, то есть – различные светодинамические устройства и телеэкраны.

Однако лишь субъективно свет от RGB-источника может казаться белым. Спектр его не сплошной, как тепловой, и даже не многопиковый, как у люминесцентных ламп. Он состоит из трех очень узких полос, что неминуемо сказывается на точности цветовосприятия различных предметов. Это ограничивает применение LED-светильников в помещениях, где существенной может стать ошибка в очень тонких оттенках – операционные, художественные и фото-студии, цеха, где монтируются мелкие детали с цветовой маркировкой и т.п.

Сегодня решение этой проблемы видится в совершенствовании люминофоров – повышения их отдачи и срока службы. Тогда, будучи нанесены на ультрафиолетовый светодиод, они (в точности, как на стекле люминесцентных ламп) смогут излучать в видимом диапазоне практически любое количество спектральных полос, полностью имитируя солнечный свет и создавая, таким образом, наиболее комфортное освещение для человека.

<style type="text/css">.news_body p { margin: 5px 0px; } .news_body table, .news_body table td { border: 1px solid black; } .news_body table td {padding: 3px; color: black;} .news_body img {margin: 4px} </style>
15.11.2010