Твердотельное будущее

У существующих источниках света, потенциальные возможности  уже исчерпаны или приблизятся к технически достижимым пределам . Но здесь  речь пойдет о таких световых источниках, которые, по прогнозам специалистов, уже к 2020 году по светоотдаче приблизятся к магической цифре в 200 лм/Вт, то есть станут самыми эффективными рукотворными «солнцами». Как вы уже догадались, в этой главе речь пойдет о светодиодах, их устройстве и возможностях.

1. Сверх яркий луч светодиода

По своей распространенности светодиоды, пожалуй, могут легко соперничать с лампами накаливания: встретить их можно практически везде. Только подавляющее большинство этих замечательных полупроводников используется не для освещения, а для… сигнализации! Взгляните на лицевую панель системного блока своего персонального компьютера, и вы увидите одну-две цветные точечки, ровно горящие или «подмигивающие». Разглядывать что-либо в свете этого «огонечка» бессмысленно, но его свет вы увидите при внешней засветке любой интенсивности, а значит, догадаетесь, что компьютер функционирует исправно… Оглянитесь вокруг себя — и вы, не вставая с места, обязательно найдете еще два-три примера использования светодиода в качестве сигнальной лампочки. Симпатично выглядят бытовые выключатели со встроенным светодиодом, который позволит обнаружить этот самый выключатель даже в полной темноте.

Современные сигнальные светодиоды LED (light emitting diode) выпускаются в огромных количествах, имеют разный цвет свечения (что очень удобно для сигнализационных устройств), разные размеры, разную конструкцию корпуса. Их применяют при создании буквенно-цифровых и даже графических табло. Можно приобрести двухцветные модели, которые плавно меняют свой цвет в зависимости от соотношения входных сигналов. Можно — мигающие при подаче напряжения. Можно — со стандартным цоколем, для замены ламп накаливания в сигнальной арматуре. Но какой из стандартного светодиода источник света в том смысле, в котором мы понимаем источник света? Да никакой! Максимум, на что его хватит, — это подсветить жидкокристаллический индикатор мобильного телефона… Не правда ли, трудно представить, что вы нормально живете в свете полупроводниковых ламп: выполняете обычную работу, читаете книгу, обедаете, занимаетесь домашними делами. Что в вашем автомобиле установлены полупроводниковые фары. Что дорогу вам освещают светодиодные фонари. Фантастика? Нет, всего лишь реальность ближайшего будущего.

Но прежде чем начать разговор о светодиодах или, как их сейчас называют, твердотельных источниках света, немного окунемся в историю вопроса и вспомним, что еще сто лет назад, в 1907 году английский инженер X. Раунд, занимаясь вопросами радиосвязи, случайно заметил свечение в месте контакта электрода с полупроводником. В 1922 году свечение карборунда пытался исследовать советский ученый О. Лосев, а затем исследования были продолжены после II Мировой войны изобретателем транзистора У. Шокли. Значительно продвинуться по пути увеличения световой отдачи полупроводников позволили труды нашего академика Ж. Алферова. Еще одно известнейшее имя — сотрудник фирмы Nichia Chemical, японец, доктор Ш. Накамура, которому впервые удалось получить свечение полупроводника голубым цветом. Ему же принадлежит «пальма первенства» в разработке высокоэффективных светодиодов увеличенной яркости, которые возможно использовать уже как источники света, а не как сигнализаторы.

Свойство испускания световых волн /п-н-переходами — это фундаментальное свойство всех полупроводников. Но такой способностью они наделены в разной степени. Например, используемые для изготовления транзисторов и обычных диодов кремниевые р-я-переходы совершенно не годятся для светодиодов: они испускают крайне мало световых волн. Значительно лучше излучают полупроводники на основе соединений галлия (фосфид галлия и арсенид галлия), поэтому как только подобные соединения были найдены, специалисты разработали коммерческие светодиоды красного, желто-зеленого и зеленого свечения. Световая отдача этих приборов составляла всего 1,5 лм/Вт, но не будем забывать, что тогда, в 60-х годах прошлого века, все только начиналось. Заслуга нашего ученого Ж. Алферова состоит в увеличении эффективности излучения полупроводников до 10 лм/Вт. Открытие технологий получения нитрида галлия привело к появлению светодиодов синего свечения. Настала пора задуматься о свето-диодах, излучающих белый свет. Белые светодиоды впервые появились на мировом рынке в 1998 году.

Возможности современных светодиодов впечатляют: световая отдача коммерческих образцов, излучающих в красно-желтой части спектра, составляет 65 лм/Вт, в зеленой области достигнута светоотдача до 85 лм/Вт. На подходе — образцы с эффективностью 150 лм/Вт, и это далеко не предел!

А сейчас давайте и мы, вслед за Ш. Накамурой, задумаемся, каким образом получить с помощью «многоцветья» светодиодных источников белый свет? Найдено четыре способа получения белого света, причем все они жизнеспособны и активно используются в промышленном производстве.

Умный дом светодиод RGB

Способ номер один допускает смешивание разных цветов (рис. 1), а именно — красного, зеленого и синего. На одном кристалле очень близко компонуются в мозаичном порядке свето-излучающие кристаллики, их свет фокусируется при помощи линзы так, чтобы суммарный спектр был близким к естественно-солнечному. Осуществляя отдельное управление всеми тремя каналами, можно получить любой цвет (или оттенок цвета) свечения светодиода. Недостаток способа: очень сложная технология изготовления и необходимость цветовой балансировки (поскольку светодиоды разных цветов имеют разную эффективность излучения).

Способ номер два чем-то напоминает люминесцентную лампу: на корпус светодиода, излучающего волны в УФ-диапазоне, наносится специальный трехцветный люминофор, который под действием излучения начинает светиться белым светом (рис. 2).

RGB умный дом

Конечно, этот способ проверен и не вызывает никаких сложностей, но все же наибольшее распространение получили способы номер три и номер четыре, которые являются логическим продолжением способа номер два.

При реализации способа номер три задействуется светодиод голубого цвета, но в него включается конструктивный рефлектор, на который наносится люминофор желтого цвета свечения. При смешении цветов образуется белый свет (рис. 3).

световые решения

Наконец, четвертый способ имеет мало отличий от третьего: тот же самый голубой светодиод, тот же самый рефлектор, но наносят на него уже два люминофора — с зеленым и красным цветом свечения (рис. 4).

свет умный дом

Предупреждаем читателя: подавляющее большинство светодиодов белого свечения изготовлено на основе именно люминофорной технологии. Именно по этой причине свет таких светодиодов имеет небольшой (мало заметный) сине-фиолетовый оттенок. В целом же светоотдача очень среднего белого светодиода сегодня находится на уровне светоотдачи хорошей люминесцентной лампы, продолжая свой рост. А высокая стоимость производства окупается фантастическим сроком службы (более 100 000 часов непрерывной безотказной работы), высочайшей механический и климатической надежностью, работой при очень низких температурах, отсутствием вредных материалов типа ртути, возможности элементарной регулировки яркости, противопожарной безопасности (отсутствие излучений в ИК-области), малых затрат на обслуживание. Есть, правда, обстоятельство, которое внесет некоторый диссонанс в эту «победную песню» о фантастических ресурсах светодиодов. Дело в том, что светоизлучающие диоды имеют свойство стареть в процессе работы, что выражается в потере излучающей способности. Известные фирмы-производители гарантируют сохранение на 80 процентов начальной излучающей способности к половине срока службы. На Интернет-форумах иногда встречаются безапелляционные заявления о реальном сроке службы в пределах 2…3 тысяч часов, приводятся примеры, связанные с подсветкой мобильных телефонов. Это может оказаться правдой только в двух случаях: когда используется «подпольная» продукция, которая действительно может потерять до 40 % за те самые 3000 часов, или когда светодиоды эксплуатируют в значительно завышенных по сравнению с номинальными режимах.

А как ныне обстоит дело со стоимостью светодиодного света? Пока это — самый дорогой источник, если учитывать только световую производительность Тем не менее, учитывая срок службы светодиодной лампы, экономия — «налицо». По прогнозам специалистов, динамика снижения стоимости светодиодных ламп окажется не такой «шустрой», как повышение их светоотдачи: ожидается падение стоимости всего на 20 % при удвоении показателя эффективности использования. Продвижение светодиодных источников на рынки будет происходить по следующему сценарию — вначале их будут использовать как второстепенную (декоративную) подсветку, потом начнется процесс вытеснения ламп накаливания и галогенных ламп. Вопрос о вытеснении газоразрядных и HID-ламп пока остается за рамками уверенных прогнозов, этот вопрос будет решаться в ближайшее десятилетие. Уже сейчас автомобилестроители ведут активные разработки твердотельных фар дальнего и ближнего света на основе светодиодов белого свечения. Достижения разработок впечатляют: уже получен световой поток порядка 1000 лм, что коррелируется со стандартной «ксеноном». С указателями поворотов за рубежом все гораздо проще — технологии отработаны и давно внедрены.

Добавить комментарий