Яркие посLEDствия
Постоянное совершенствование технологий делает нашу жизнь ярче и насыщенней. Обычно в переносном смысле. Но стремительный прорыв в технологии производства светоизлучающих диодов на рубеже тысячелетий делает жизнь ярче уже в буквальном смысле. И если на заре своего появления яркость свечения светодиодов (LED - light emitting diode) позволяла использовать их разве что в целях индикации, то сегодня силой своего света они начинают конкурировать с лампами накаливания.
Из устройств индикации светодиоды распространились в яркие светодиодные экраны, светофоры, габаритные огни автомобилей, а последние разработки даже используются в качестве фар ближнего и дальнего света. Не осталась в стороне и область Hi-Fi электроники - яркости стало достаточно для замены светодиодами ламп подсветки в ЖК-панелях, и, что совсем удивительно, светодиодами стали заменять лампы подсветки в видеопроекторах.
Почему мы заостряем внимание на таком, казалось бы, чисто технологическом аспекте как замена ламп накаливания светодиодами? Этому есть ряд причин:
Во-первых, это борьба за экологичность и экономичность продукции. В условиях постоянного роста цен на энергоносители, вопрос этот становится особенно актуальным. Речь тут идет даже о вопросе энергетической безопасности отдельного государства. По проскочившей в СМИ информации, со следующего года в Евросоюзе планируется ввести запрет на производство и использование ламп накаливания в качестве источников освещения. Ведь это только в потреблении электрическая энергия самая "экологически чистая" - в ее производстве не все так радужно. Чаще всего "электричество" является результатом сжигания угля, продуктов переработки нефти и газа, использования атомной энергии.
Во-вторых, это совершенно новые возможности. В первую очередь - возможности миниатюризации, когда уменьшение размеров самого источника света дополняется пониженным энергопотреблением, а значит и низким выделением тепла. Другими словами, нужно меньше места для самого источника, меньше места для системы охлаждения, да и сама система охлаждения теперь может быть пассивной, что еще больше экономит энергию: нет необходимости использовать вентиляторы. Электрическая коммутация источников трех базовых цветов делает ненужными вращающиеся цветоделительные диски. А отсутствие механически подвижных элементов в конструкции только увеличивает ее надежность.
В-третьих, уменьшенное энергопотребление открывает новые горизонты мобильности устройств, когда становится возможным вдесятеро увеличить время автономной работы без подзарядки. Еще одна открывшаяся возможность - это создание нового класса мобильных устройств, которые не могли возникнуть раньше из-за непропорционально больших требований к источникам питания, когда размер требуемого аккумулятора должен был превышать размеры самого устройства в разы.
Путь от красной точки до прожектораНачалом зарождения светодиодов, пожалуй, можно назвать 1907 год. Именно тогда английским исследователем Генри Раундом было зафиксировано явление электролюминесценции в карбиде кремния. Множество опытов по изучению этого явления проводил в 20-е годы наш соотечественник Олег Владимирович Лосев в стенах Нижегородской Радиолаборатории (НРЛ). И в 1923 году именно он окончательно определил связь этого явления с полупроводниковым переходом. Открытие даже получило официальное название - "Свечение Лосева". О приоритете Олега Лосева говорится в статье Эгона Лёбнера "Предыстория светоизлучающего диода". Первые же опытные образцы светодиодов в привычном для нас виде были получены на стыке 50-х и 60-х годов в лабораториях Иллинойского университета. Промышленное производство было организованно в 1962 году, что можно считать уже началом самой истории светодиодов.
Первые серийные светодиоды на базе фосфида галлия излучали свет в красном диапазоне. Яркость свечения была поначалу настолько малой, что речь могла идти о световом потоке порядка одной тысячной люмена. Но то, что на формирование света тратилось более 80% подводимой энергии и только 20% - в тепло уже тогда показало весь скрытый потенциал новинки. Для примера, лампа накаливания только 5% энергии преобразовывала в свет, остальные 95% излучались в виде тепла. Светодиоды могли пока использоваться только в целях индикации и работы велись в направлении расширения цветового охвата. Использование карбида кремния дало светодиоды желтого цвета свечения, чуть позже были получены зеленый и оранжевый светодиоды. Полученный в 80-е годы светодиод синего цвета открыл второе дыхание в распространении технологии - дело в том, что стало возможным получать цветное изображение на базе триады цветов красный-зеленый-синий, как принято в цветном телевидении.
Полноцветное изображение хочется показать как можно большему количеству зрителей, а значит не обойтись без увеличения яркости свечения отдельного светодиода. Все усилия разработчиков были брошены на увеличение яркости, и эти усилия увенчались успехом. Стали даже говорить о "светодиодном Законе Мура" - удвоении яркости светодиода каждые полтора года. Световой поток увеличился от одной тысячной люмена до сотен люмен. И это на единичный кристалл, использование же кластеров позволяет уже говорить о тысячах люмен на устройство. Многие потребители заметили этот прорыв увеличения яркости на примере одноразовых зажигалок с литиевой батарейкой и сверхярким светодиодом, ярких экранов сотовых телефонов, миниатюрных фонариков с парой "пальчиковых" батареек и белыми светодиодами вместо привычных лампочек накаливания.
Более высокий КПД светодиодов по сравнению с лампами накаливания и даже с люминесцентными лампами позволяет не только экономить электроэнергию, но и использовать источники освещения на их основе там, где обычные лампы доставляют множество хлопот. Это подсветка мебели и торгового оборудования, всепогодная ландшафтная и подводная подсветка, многоцветная архитектурная подсветка с произвольным изменением цвета в широком диапазоне и многое другое. Если эффективность ламп накаливания редко превышает 10-12 люмен/ватт, то в сверхярких светодиодах последнего поколения она на порядок выше. Например, эффективность светодиода серии Z-Power P7 фирмы Seoul Semiconductor достигает величины 90 люмен/ватт, а новые белые светодиоды Raijin NSPWR70CS-K1 одного из лидеров сегмента - компании Nichia достигают фантастической эффективности в 150 люмен/ватт.
Капли дегтяВдесятеро меньшее энергопотребление и тепловыделение, упрощающее использование во влажной среде низковольтное питание, чистые монохроматические цвета без использования светофильтров, декларируемый срок службы в 100000 часов непрерывной работы - все это одна сторона медали. Что же составляет оборотную?
В первую очередь это, конечно, цена вопроса. Стоимость наиболее ярких светодиодов сегодня высока настолько, что замена ламп освещения подъездов на такие светодиоды окупится лет через десять, не меньше. Здесь видится два решения. Использовать такие светодиоды сегодня стоит там, где это экономически оправданно или является единственно возможным решением и ждать пока технологии позволят удешевить производство.
Следующая неприятность - максимальный световой поток на один кристалл. Заменить прожектор мощностью в один киловатт одним светодиодом сегодня нельзя. Для получения приемлемой яркости приходится использовать кластеры светодиодов, что, конечно, несколько увеличивает размеры осветительного прибора. Но уже сегодня 100 люмен на кристалл явление почти обыденное, а отдельные образцы вплотную подбираются к планке в 1000 люмен. Можно надеяться что "светодиодный Закон Мура" будет действовать и дальше, что уравняет светодиоды и лампы и по этому признаку.
Срок службы 100000 часов - это замечательно, но... Сегодня, к сожалению, нет единого стандарта измерения срока службы светодиода. И срок этот будет зависеть от множества условий, таких как качество светодиода, условия его использования и от критерии оценки надежности. В первых двух случаях еще можно сказать что мы "сами виноваты" - купили дешевый no-name вместо качественного бренда или превысили значение номинального тока, не обеспечив качественного отвода тепла. А вот с критериями оценки надежности сложнее. Даже самые надежные компоненты неизбежно уменьшают свой световой поток при длительном использовании. Этому способствует целый ряд причин: деградация активной области, деградация электродов, термическая деградация, электростатический разряд и электрическая перегрузка, термическая усталость и короткое замыкание. Проблема решаема, необходимо только принять стандарт, определяющий некоторое значение деградации яркости за норму (например, 50% от первоначальной), как это принято в ЭЛТ или лампах проекторов. Некоторые компании-потребители уже заверяют о практическом результате в 30000 часов непрерывной работы, что дает основания предполагать реальность достижения заявленных производителями 100000 часов.
Надежды на светлое... яркое...Бурный рост яркости светодиодов в последние годы привел к значительному росту занимаемого ими сегмента в области освещения и индикации. Если покупатели голосуют рублем-долларом-евро за технологию уже сегодня, то это только подтверждает, что технология вышла из лабораторий в реальный сегмент экономики. Потребительские качества сверхярких светодиодов уже сегодня удовлетворяют множеству требований, а возможное снижение себестоимости их производства вызовет лавинообразный рост их доли на рынке.
Арсен Газимагомедов
Яркие события лета 2009 года в HI-FI индустрииНовая волна: светодиодные (LED) проекторы||
Оставить комментарий