Разновидности и основные параметры светодиодных источников света

При оценке различных источников света, включая и светодиоды, следует в первую очередь анализировать следующие их параметры [35,36]:

- фотометрические (световые);

- радиометрические (энергетические);

- колориметрические (спектральные);

- гониометрические (угловые);

- эксплуатационные (срок службы).

Фотометрия – это раздел физической оптики, занимающийся измерениями электромагнитного излучения в видимом диапазоне спектра (длины волн 380 – 780 нм). Существует множество фотометрических величин, но основными являются: световой поток, сила света, яркость и освещенность.

Световой поток (Ф) – это полное количество излучения, производимого данным источником в видимой области спектра. Единицей измерения светового потока является люмен (лм), численно равный световому потоку, излучаемому в телесном угле, равном одному стерадиану (ср), точечным источником с силой света в одну канделу (1 лм = 1 кандела х 1 стерадиан). Величина светового потока характеризует излучающий источник и её нельзя увеличить никакими оптическими системами. Действие этих систем может сводиться лишь к перераспределению светового потока в пространстве, например, большей концентрации его по некоторым избранным направлениям.

Сила света (I) – это пространственная плотность светового потока в заданном направлении или отношение светового потока, направленного от источника света в пределах телесного угла, к величине этого телесного угла. То есть сила света характеризует восприятие источника света наблюдателем. Единицей измерения силы света является кандела (1 кд = 1 люмен / 1 стерадиан).

Яркость (L) – это отношение силы света элемента поверхности к площади его проекции, перпендикулярной рассматриваемому направлению. Единицей измерения яркости служит нит (1 нит = 1 кд/м²). Яркость характеризует пространственное и поверхностное распределение светового потока. Из всех фотометрических величин яркость наиболее близко связана со зрительными ощущениями, так как освещенности изображений предметов на сетчатке глаза пропорциональны именно яркости этих предметов.

Освещенность (Е) – это плотность падающего светового потока на поверхность, или отношение светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. За единицу освещенности – люкс (лк) считают освещенность, создаваемую световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на поверхности в один квадратный метр (1 люкс = 1 люмен/м²). В Англии и США освещенность измеряют в фут-свечах (fc) – один люмен на 1 кв. фут (1fc = 10,76 лк); в некоторых странах «фот» - 1 люмен на 1 см² (1 фот = 104 лк). Освещенность характеризует уровень освещения поверхности, создаваемый световым потоком, падающим на эту поверхность. С увеличением дистанции от поверхности освещенность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. При падении световых лучей наклонно к освещаемой поверхности освещенность падает пропорционально косинусу угла падения лучей.

Радиометрия занимается измерениями полного электромагнитного излучения во всех оптических диапазонах (видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом). Основными величинами радиометрии являются:

- световая эффективность преобразования энергии в свет, которая определяется отношением величины излучаемого светового потока к потребляемой электрической мощности и измеряется в люменах на ватт (лм/Вт);

- поток излучения определяется количеством энергии, излучаемой за единицу времени и измеряется в ваттах (Вт).

Колориметрические (спектральные) параметры источников света обычно выражены в координатах цветности или в значении коррелированной цветовой температуры Т_ц, которая измеряется в градусах Кельвина (К).

Цветовая температура – это температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение с той же цветностью, что и рассматриваемое излучение. Это мера объективного впечатления от цвета данного источника света. Цветовые координаты характеризуют цвет по диаграмме цветности, принятой Международной комиссией по освещению (МКО) в 1931 году. Цветовая температура и координаты цветности используются главным образом для характеристики оттенков излучения источником света белого цвета.

Как известно, при нагревании все тела излучают в соответствии с законом Вина так, что максимум излучения абсолютно черного тела сдвигается из красной области в синюю как λ_max=2886/Т, где Т – температура [35]. Это означает, что нагреваемые тела изменяют свой цвет в зависимости от температуры от красного до голубовато-синего. Для стандартного излучателя, которым является абсолютно черное тело, можно точно указать положение цветности при разных температурах. На рисунке 2.1 показан цветовой график в системе XY, на котором представлено положение цветов, соответствующих излучению абсолютно черного тела при различных температурах (кривая Планка).

Рисунок 2.1 - Цветовой график в системе ХУ по DIN 5033

Цветовая температура источника света определяется сравнением с абсолютно черным телом и отображается кривой Планка. Меньшая цветовая температура соответствует желтовато-красным (теплым) оттенкам белого, характерного для ламп накаливания, а большая – голубовато-синим (холодным) оттенкам газоразрядных дуговых ламп.

Государственный стандарт ГОСТ 721-76 устанавливает четыре источника света, излучение которых близко к излучению абсолютно черного тела. Это источники со сплошным спектром, т.е. излучают непрерывное по длинам волн излучение, а отличаются различным спектральным распределением. Соответственно, излучению стандартных источников соответствует разная цветовая температура и разное положение точек на кривой Планка диаграммы цветности (рисунок 2.1).

Источник типа А – норма среднего искусственного света. Он имеет то же распределение даваемого им потока излучения в видимой области спектра, что и абсолютно черное тело при температуре 2856 К. Это средняя цветовая температура ламп накаливания. Координаты цветности источника типа А: Х = 0,4475; Y = 0,4074.

Источник типа В – норма прямого солнечного света. Для источника типа В цветовая температура близка к 4800 К. Координаты цветности излучения: Х = 0,348; Y = 0,352.

Источник типа С – норма рассеянного дневного света. Цветовая температура приблизительно соответствует 6500 К. Координаты цветности: Х = 0,310; Y = 0,316.

Источник типа D – норма излучения люминесцентных источников света. В зависимости от типа люминофора цветовая температура источников типа D может быть разной. Для дополнительной информации о характере спектрального распределения источников типа D указывают первые две цифры значения цветовой температуры. Например, обозначение D65 означает, что цветовая температура данного источника света близка к 6500 К. Координаты цветности источника D65: Х = 0,313; Y = 0, 329.

Источники света с одинаковой цветовой температурой могут иметь весьма различные характеристики цветопередачи, что объясняется спектральным составом излучаемого ими света. Поэтому, кроме указанных колориметрических параметров, для источников света часто используются общий Ra и частные Ri (монохроматические) индексы цветопередачи.

Указанные индексы отражают уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света. Для определения значений Ra и Ri используются эталонные цвета, указанные в стандарте DIN6169 (8 основных и 7 дополнительных для насыщенных тонов и различных оттенков цвета). При этом фиксируется сдвиг цвета, который наблюдается при направлении света тестируемого или эталонного источника света на эти цвета. Чем меньше отклонение цвета, излучаемого тестируемым источником света, от эталонных цветов, тем лучше характеристики цветопередачи.

Источник света с коэффициентом цветопередачи Ra = 100 излучает свет, оптимально отражающий все цвета, так же как свет эталонного источника света, за один из которых принимается солнце. Чем ниже значение Ra, тем хуже цветопередача. Например, при Ra = 91-100 очень хорошая цветопередача, при Ra = 81-90 – хорошая, при Ra = 51-80 – средняя и при Ra< 51 – плохая цветопередача.

Вместе с тем, проведенные исследования показали, что Ra, полученный с использованием восьми основных цветов, не всегда адекватно отражает реальные цветовые ощущения [37]. Поэтому выбор технических решений на основе подобной оценки качества цветопередачи может приводить к ошибкам, особенно в изображениях с насыщенными цветами. Для уточнения частных (монохроматических) Ri и общего Ra индексов цветопередачи предложен новый метод оценки качества. Это модификация стандартного метода индексов цветопередачи МКО – метод шкалы качества цвета (Colour Quality Scale – CQS), который МКО (ТК1-69) готовит как новый стандарт. В этом методе частные и общие индексы цветопередачи определяются по 10 основным цветам, и расчет цветовых сдвигов ведется в системе CIELAB. При этом, помимо точности воспроизведения цветов, учитываются критерии цветового контраста, т.е. максимального цветового различия объектов.

В Национальном институте стандартов и технологии США (NIST) создана установка для проведения подобных измерений, содержащая 22 регулируемых цветовых канала, охватывающий спектральный диапазон 440 –640 нм, а значения коррелируемой цветовой температуры Т_ц синтезируемого белого света могут меняться от 2000 до 10000 К.

Гониометрические (угловые) параметры источников света характеризуются главным образом диаграммой пространственного распределения силы света или углом излучения. Эти параметры необходимы для более эффективного выбора типа источника света при проектировании конкретной светооптической системы.

Основной характеристикой надежности источников света является срок их службы. В процессе эксплуатации возможны две ситуации: световой поток излучателя либо частично уменьшился, либо вовсе прекратился. Поэтому различают полезный срок службы (пока световой поток не упадет ниже определенного предела) и полный (пока источник света не выйдет из строя). Правильный выбор корпуса источника света, показателями которого являются оптические и тепловые свойства, а также способ установки, во многом влияет на эффективность работы проектируемых светооптических систем.

Светодиод – это полупроводниковый прибор, генерирующий при прохождении через него электрического тока оптическое излучение, которое в видимой области спектра воспринимается как одноцветное (монохромное). Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, например GaAs (арсенид галлия) или GaP (фосфид галлия), так и легирующими примесями (для получения зеленого свечения GaP легируют азотом) [35].

Для улучшения фотометрических и колориметрических параметров разработаны цветные светодиоды с люминофорами, например, с алюмогалиевым гранатом, возбуждаемым синим излучением кристалла на основе p-n-гетероструктуры InGaAlN или InGaAlP.

Основными недостатками таких светодиодов являются низкая световая отдача зеленых и желтых светодиодов и узкий спектр излучения для ряда применений.

В работах [38-40] предложены и исследованы люминофоры для зеленого, желтого, красного и синего светодиодов, возбуждаемые фиолетовым излучением кристаллов p-n-гетероструктуры InGaAlN. Использовались кристаллы фирмы SemiLEDs типа SL-V-U40A с размером 1,07 1,07 мм (размер p-n-гетероперехода – 0,97 0,97 мм). Спектр излучения кристаллов имеет максимум на длине волны 400 5 нм. Это хорошо согласуется со спектром возбуждения новых люминофоров.

Люминофор, разработанный для получения зеленого и желтого излучений, представляет собой тройную систему силикатов бария, стронция и магния (Ba-Sr-Mg)₂SiO₄, легированную европием (Eu). Его кристаллическая структура соответствует структуре минерала бредигита. Средний размер зерен люминофора составляет 4-10 мкм.

Зеленое излучение с максимальной длиной волны λ_max =525 нм достигается при соотношении стронция и бария примерно 1:4, а желтое излучение с λ_max =580 нм – при соотношении 4:1.

Для получения синего излучения разработан люминофор в системе двойных металлофосфатов на основе LiSrPO₄.

В качестве активатора люминесценции использован европий (Eu²⁺) с содержанием в 0,01-0,05 атомных процентов. Размер зерен люминофора равен 4-16 мкм. Длина волны синего излучения лежит в диапазоне λ_max = 455-460 нм.

Для красного излучения разработан люминофор на основе сульфо-оксидов элементов II и III групп. Активатором люминесценции служит европий (Eu²⁺). Люминофор содержит оксиды стронция и кальция, образующие сложный по составу полиалюмосиликат. Последний имеет кристаллическую кубическую структуру, близкую к структуре минерала содалита. Максимальная длина волны λ_max красного излучения лежит в диапазоне 625-635 нм.

Измерения фотометрических и колориметрических параметров указанных цветных светодиодов производились при различных величинах прямого тока (50,150, 250 и 350 мА). Результаты измерений при прямом токе 350 мА приведены в таблице 12, где приняты следующие обозначения:

- λ_max– максимальная длина волны излучения, нм;

- Δλ_0,5 – полуширина спектра излучения, нм;

- η – световая отдача, лм/Вт;

- Φ – световой поток, лм;

- l₀ – осевая сила света, кд;

- X, Y–координаты цветности на диаграмме МКО 1931.

Таблица 2.1 - Фотометрические и колориметрические параметры цветных светодиодов

Полученные значения световой отдачи η (до 100 лм/Вт) зеленых светодиодов примерно вдвое выше, чем у «традиционных» безлюминофорных светодиодов с зеленоизлучающим кристаллом из InGaAlN.

Зависимость светового потока Ф от тока в диапазоне значений последнего от 50 до 400 мА близка к линейной. Соответственно, и η в диапазоне токов 50 – 350 мА меняется незначительно (90 -100 лм/Вт).

Спектр излучения желтого светодиода имеет основную полосу с λ_max =575-585 нм и полушириной около 100 нм. Последняя значительно шире, чем у «традиционных» желтых светодиодов с кристаллом из AlGaInP (16 – 20 нм). Фиолетовая полоса излучения кристалла в спектре светодиода отсутствует, практически полностью поглощаясь люминофором. Полученные значения η (до 50 лм/Вт) больше, чем у «традиционных» желтых светодиодов (30 – 40 лм/Вт). Зависимость Ф от тока близка к линейной.

Следует отметить, что световая отдача η разработанных синих (η=4 лм/Вт) и красных (η=8,5 лм/Вт) светодиодов меньше, чем у «традиционных» безлюминофорных синих (η=8 – 11 лм/Вт) и красных (η=35 – 40 лм/Вт) аналогов.

Вместе с тем, цветные светодиоды на основе новых люминофоров, возбужденных фиолетовым излучением p-n-гетероструктуры InGaAlN, могут находить разные применения. Например, они могут использоваться при разработке светодиодов белого излучения с повышенной световой отдачей и улучшенной цветопередачей.

Световая отдача и качество цветопередачи светодиода зависит от его спектра излучения. Чем уже кривая спектральной плотности потока излучения и чем ближе ее пиковая длина волны (λ_max) к 555 нм, тем ближе к теоретическому пределу (683 лм/Вт) значение световой отдачи.

С другой стороны, для хорошего качества цветопередачи необходимо иметь спектр излучения, охватывающий по возможности весь интервал длин волн видимого диапазона, а значит и те участки спектра, в которых чувствительность человеческого глаза мала. Это неизбежно приводит к снижению световой отдачи белых светодиодов.

В настоящее время при разработке белых светодиодов используются следующие способы:

1. Размещение в одном корпусе нескольких цветных кристаллов, что позволяет получить при смешении их излучений белый цвет и всю цветовую гамму.

2. Преобразование излучения синего кристалла в более длинноволновое видимое излучение с помощью широкополосного люминофора.

3. Комбинация 3-цветных люминофорных светодиодов.

4. Комбинация цветных кристаллов и кристаллов с люминофорами.

В работе [37] проведен анализ исследований белых светодиодов с цветными кристаллами. Было установлено, что предельная световая отдача светодиодов с двумя цветными кристаллами может превышать 440 лм/Вт, но при очень низких индексах цветопередачи. При использовании трех и четырех кристаллов можно получить индексы цветопередачи Ra соответственно 80 и 90, а предельную световую отдачу 410 и 360 лм/Вт.

Помимо требуемых значений световых и цветовых параметров белых светодиодов, необходимо обеспечить возможность их реализации в широком диапазоне коррелированных цветовых температур (Т_ц), а также устойчивость их к разбросу характеристик кристаллов и влиянию условий питания и окружающей среды.

Следует отметить, что максимальные значения индекса цветопередачи Ra и световой отдачи η белых светодиодов с разными комбинациями цветных кристаллов могут достигаться при различных сочетаниях их потоков излучения (весовых коэффициентов m_i). Однако, отклонения спектральных потоков излучения кристаллов приводят к сдвигам коррелированной цветовой температуры. При этом даже специально отобранные кристаллы имеют разброс по спектральному потоку излучения, λ_max и λ_0,5. Эти параметры зависят от условий эксплуатации в процессе работы светодиодов.

Исследования, выполненные в работе [37], показали, что в трехкристальном белом светодиоде изменения λ_max излучения красного и синего кристаллов в пределах 7-8 нм приводят к падению Ra ниже 70 в широком диапазоне Т_ц (от 2500 до 7000 К).

При высоких Т_ц наблюдается их сдвиг, доходящий до 300 К. Уменьшение или увеличение потока излучения зеленого кристалла на 10 % при неизменном соотношении потоков синего и красного кристаллов снижает Ra до 55-60. При этом наибольшие сдвиги Т_ц происходят при низких их значениях.

Использование четырехцветных кристаллов в белом светодиоде позволяет повысить Ra.Так, например, для двух комбинаций длин волн,λ_max (Δλ_0,5) четырехцветных кристаллов: 462(24)-524(43)-577(17)-625(45) нм и 462(24)-524(43)-577(17)-624(17) нм, достижимы Ra свыше 90 при Т_ц 2500 – 6000 К.

Световая отдача четырехкристальных белых светодиодов, как правило, уменьшается с ростом Т_ц, лежит в диапазоне 290 – 365 лм/Вт и менее чувствительна к отношениям λ_max, Δλ_0,5и m_i, чем Ra.

Исследования параметров белого светодиода, состоящего из синего, зеленого, оранжевого и красного кристаллов с фиксированными значениямиλ_max (470, 530, 590 и 625 нм) и определение влияния на эти параметры отклонений λ_max в диапазонах 460 – 490, 520 – 550, 585 – 595 и 620 – 645 нм соответствующих излучениям указанных цветных кристаллов, показали, что Ra изменяется в диапазоне 57 – 92, световая отдача η – в пределах 308 – 438 лм/Вт, а коррелированная цветовая температура Т_ц от 2311 до 3949 К.

В работе [41] приведены результаты исследований и Ra для 2-, 3-, 4- и 5-цветных белых светодиодов, которые показывают, что в случае типичных спектров (λ_max и Δλ_0,5) светодиодов, оптимальной является 4-цветная система с Ra до 95.Добавление 5-й составляющей уже избыточно. При этом в 4-цветной системе (в отличие, от 3-цветной) существует достаточно широкая область комбинаций цветов, для которых Ra=95, при η порядка 300 лм/Вт. Однако, для всех вариантов комбинирования цветов необходим глубокий зеленый диапазон 540-560 нм, который пока труднодоступен для светодиодов. Поэтому реальные значения Raи η оказываются меньше расчетных.

Таким образом, при существующих спектральных характеристиках кристаллов можно создавать трехкристальные белые светодиоды с Ra свыше 80 и четырехкристальные с Ra до 96. Световая отдача таких светодиодов лежит в диапазоне 290 – 380 лм/Вт и достигает максимальных значений при низких Т_ц.

Кроме многокристальных белых светодиодов широкое распространение получили белые светодиоды с люминофорами. Белый светодиод с люминофором, впервые разработанный фирмой Nichia (Япония), представляет собой гибрид синего светодиода с материалом кристалла из индия, галия и нитрида (InGaN), покрытый слоем люминофора (желтого фосфора), который под действием синего излучения кристалла светодиода излучает цвет в широкой области спектра – от зеленого до красного. При смешении с собственным излучением синего светодиода получается свет, который воспринимается человеческим глазом как близкий к обычному дневному свету, иногда с небольшим смещением в сторону холодных (синих) или теплых (красных) тонов.

В современных белых светодиодах чаще всего используется частичное преобразование излучения синего кристалла в более длинноволновое видимое излучение с помощью широкополосного люминофора. Вместе с тем, дополнительный этап преобразования энергии в люминофоре может приводить к снижению световой отдачи светодиода. Выбором типа люминофора и параметров синего кристалла можно частично управлять диапазоном Т_ц, соответствующим максимальным значениям Ra, но сами Ra повышены быть не могут.

В целом белые светодиоды с одним широкополосным люминофором не могут применяться в осветительных установках с высокими требованиями к цветопередаче. Световая отдача светодиодов составляет 230 – 270 лм/Вт, что существенно ниже, чем у многокристальных белых светодиодов. Это связано со спектральными особенностями излучения таких светодиодов и появлением стоксовых потерь при использовании широкополосного люминофора для преобразования части энергии излучения синего кристалла.

Для повышения Ra можно использовать несколько люминофоров. При этом, прежде всего необходимо добавить излучение в длинноволновой области видимого диапазона спектра. В этом случае, кроме улучшения спектра белого светодиода, появляется дополнительная возможность выбора цветовых характеристик варьированием соотношения коэффициентов поглощения красного и зеленого люминофора. Благодаря этому удается получить высокие Ra (до 90) в широком диапазоне Т_ц. Стабильность и воспроизводимость цветовых параметров зависят также от спектральных характеристик синего кристалла белого светодиода. Так, сдвиг λ_max синего излучения на 10 нм при неизменном соотношении коэффициентов поглощения красного и зеленого люминофоров и эффективного коэффициента выхода излучения синего кристалла светодиода приводит к значительному снижению Ra и сдвигу высоких Т_ц. В этом случае необходимо либо строго контролировать спектр синего излучения светодиода, либо подбирать свойства комбинированного люминофора.

Световая отдача η белого светодиода с комбинированным люминофором значительно меньше зависит от характеристик кристалла и люминофора. Ее предельные значения могут лежать в диапазоне 230-260 лм/Вт. Это подтверждается исследованиями компании Cree, в которых достигнута световая отдача 208 лм/Вт при Т_ц 4580 К.

Для снижения стоксовских и других потерь в слое люминофора, вместо красного люминофора можно использовать красный кристалл. В этом случае можно достигнуть существенного повышения световой отдачи, особенно при малых Т_ц.

Для экспериментальной оценки возможностей синтеза белого свечения с помощью промышленно выпускаемых мультикристальных полноцветных (полихромных) светодиодов в работе [41] исследовались несколько вариантов сложения: RGB, RGBA, RGBW_c и RGBW_n, где R соответствует спектральный диапазон 620-640 нм, G – 510-530 нм, B – 450-470 нм, A – 590-595 нм, W_c и W_n– люминофорные светодиоды холодно-белого (Т_ц 6500 К) и нейтрально-белого (Т_ц 4000 К) света. Результаты исследований приведены в таблице 2.2. При этом указывается, что 3-цветный (RGB) кристальный светодиод на практике мало пригоден для получения полноценного белого света. Это объясняется тем, что помимо низкого значения Ra (около 50), наблюдается значительное уменьшение частных индексов цветопередачи в красно-пурпурной (R₈), красной (R₉) и зеленой (R₁₁) областях спектра вплоть до отрицательных значений.

Более лучшие результаты обеспечивают четырехкомпонентные системы RGBA или RGBW. Спектры таких светодиодных модулей перекрывают практически всю видимую область длин волн, что позволяет получать широкий набор цветов, а при синтезе белого света достигать высоких значений не только общего (Ra 80-90), но и частных (R₁-R₁₄) индексов цветопередачи. При этом имеется возможность их дальнейшего увеличения за счет расширения спектров излучения исходных светодиодов.

Однако, следует отметить, что чем больше компонентов (кристаллов, люминофоров) в структуре белого светодиода, тем труднее обеспечить стабильность световой отдачи и цветовых характеристик.

Таблица 2.2 - Индексы цветопередачи Ra и световая эффективность η многокомпонентных светодиодных систем при различных Т_ц

Тип светодиодной системы	Тц, К
Ra	, лм/Вт	Ra	η, лм/Вт	Ra	η, лм/Вт	Ra	η, лм/Вт
RGB	43,8	55,6	46,9	54,7	53,9	52,8	55,8	45,4
Тип светодиодной системы	Тц, К
Ra	, лм/Вт	Ra	η, лм/Вт	Ra	η, лм/Вт	Ra	η, лм/Вт
RGBWn	75,8		75,9		91,9		90,8
RGBA	78,8	67,8	79,1	68,2	92,9	62,8	92,3	56,7
RGBWc	56,9	98,0	65,1		91,7		90,7

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- при существующих спектральных характеристиках кристаллов можно создавать трехкристальные белые светодиоды с Ra свыше 80 и четырехкристальные – с Ra до 96. Предельная световая отдача таких светодиодов лежит в диапазоне 290-380 лм/Вт, достигая максимума при низких Т_ц;

- люминофорные белые светодиоды могут давать хорошее качество цветопередачи или с помощью комбинированных люминофоров при большой доли излучения в длинноволновой части видимого спектра, или при добавлении красного кристалла. Предельная световая отдача люминофорных белых светодиодов примерно на 50-100 лм/Вт меньше, чем многокристальных;

- для создания высококачественного белого светодиода с высокими цветовыми параметрами и световыми характеристиками необходимо выполнение жестких требований к спектральным характеристикам и потоку излучения кристаллов, свойствам люминофоров и однородности конструктивных параметров источников света.

Для каждого белого светодиода в документации указывается цветовая температура в градусах Кельвина, характеризующая оттенок белого цвета: теплый или мягкий белый (Warm White) с цветовой температурой от 2000 до 3500 К; нейтральный натуральный белый (Natural White) с цветовой температурой от 3500 до 4500 К и холодный или чисто-белый (Cool White) с цветовой температурой выше 4500 К. Однако такой грубой градации оттенков белого свечения в некоторых случаях бывает недостаточно, поэтому для более точного определения цветовых характеристик применяют понятие «бин». Бин задает цветовую температуру излучения белого светодиода в довольно узком спектральном диапазоне [42].

На рисунке 2.2 приведены бины (коды оттенков белого цвета) на примере кодирования фирмой Philips Lumileds Lighting (США). При кодировании был принят во внимание тот факт, что глаз человека не находит различий в оттенках белого двух светодиодов с соседними бинами (отличие можно зарегистрировать только с помощью специальных приборов). Однако для получения равномерного освещения при большом количестве близко расположенных светодиодов желательно размещать источники света с одинаковыми бин-кодами, тогда отклонения оттенков белого цвета будут незаметны.

Рисунок 2.2 - Бины оттенков белого цвета светодиодов фирмы

Philips Limiteds Lighting (USA)

Производители светодиодов используют разные системы кодирования (бинов) цветовых оттенков для белых светодиодов, поэтому в каждой серии светодиодов белого свечения необходимо изучать документацию конкретного производителя для каждого подходящего светодиода.

Световые характеристики, надежность и срок службы светодиодов зависят не только от типа используемого полупроводникового материала и легирующих примесей, но и от их температурного режима, т.е. от отношения тока светодиода к количеству выделяемого тепла. Большие световые потоки при сроке службы светодиодов до 50000-100000 часов могут быть достигнуты только в отсутствие воздействия высоких температур. Поэтому важными параметрами для светодиодов являются величина теплового сопротивления и максимальная температура p-n перехода кристалла светодиода.

Эксплуатация при высокой температуре перехода резко сокращает срок службы светодиода и ведет к деградации его излучательной способности. В связи с этим при проектировании осветительных систем на базе мощных светодиодов необходимо предусмотреть эффективную систему теплоотвода, позволяющую поддерживать температуру перехода в заданных пределах. Эффективность системы охлаждения выражается в единицах теплового сопротивления между p-n переходом кристалла светодиода и окружающей средой. Чем меньше величина теплового сопротивления (и, соответственно, выше эффективность теплоотвода), тем выше допустимое значение тока при заданной температуре перехода. Например, если задать рабочую температуру перехода 100⁰С, то при общем тепловом сопротивлении системы 25⁰С/Вт прямой ток через светодиод не должен превышать 500 мА, а при снижении теплового сопротивления до значения 20⁰С/Вт можно поднять ток до 600 мА, увеличив тем самым интенсивность свечения (световой поток).

Путь отвода тепла в светодиоде образуется множеством тепловых сопротивлений: p-n переход – теплоотвод корпуса; теплоотвод корпуса – печатная плата; печатная плата – радиатор; радиатор – окружающая среда [43, 44].

Кроме использования радиаторов эффективность охлаждения светодиодов можно повысить, реализовав принудительную вентиляцию. Вентилятор, установленный на радиаторе, в зависимости от способа применения, может улучшить теплоотвод примерно на 40%. Однако активное охлаждение сопряжено с шумом электродвигателя вентилятора. Среди других методов охлаждения светодиодов с большим тепловыделением можно отметить термоэлектрическое (на базе элементов Пельтье) и жидкостное охлаждение (через микроканалы и т.п.). Однако эти методы пока находят лишь ограниченное применение по причине их большой стоимости, хотя и позволяют увеличить световой поток светодиодов в два и более раза.

К категории сверхъярких принято относить светодиоды, работающие на относительно небольших токах порядка нескольких десятков миллиампер, но обладающие большой силой света и повышенной яркостью свечения. Сверхъяркие светодиоды, в отличие от мощных, не требуют никаких систем теплоотвода, так как рассеиваемая ими мощность незначительна. Благодаря этому обстоятельству данная категория светодиодов может выпускаться в стандартных типовых корпусах для массового применения.

В таблице 2.3 приведены основные параметры сверхъярких белых светодиодов с максимальными показателями силы света при разных углах излучения, выпускаемых компаниями Avago Technologies (США), COTCO Holding Ltd (Гонконг) и Cree Lighting (США) [45-47].

Представленные в таблице 2.3 светодиоды имеют диаметр 3 и 5 мм, длину от 5 до 8,8 мм и цветовую температуру от 3500 К до 7000 К.

Потребителей мощных светодиодов в первую очередь интересуют световые и энергетические характеристики. В настоящее время заявленный производителем максимальный световой поток, который может обеспечить однокристальный светодиод, уже достиг величины 750-820 лм. Появление светодиодных матриц и многокристальных светодиодов с большими световыми потоками и углами излучения позволяет разработать конструкцию светодиодного осветителя для кино- и видеопроекции.

В таблицах 2.4 и 2.5 приведены параметры однокристальных и многокристальных светодиодов [36, 48-50]. У каждого из производителей выбраны светодиоды с максимальными значениями светового потока.

Таблица 2.3 - Параметры 3-и 5-мм белых сверхъярких светодиодов Avago Technologies, COTCO Ltd и Cree Lighting

Из отечественных производителей в таблицах представлена компания ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника», выпускающая серийно светодиодную продукцию под торговой маркой SVETLED. Данные изделия выполнены на базе стандартного корпуса для различных вариантов конструктивного использования и монтажа. Конструкция корпуса обеспечивает эффективный теплоотвод в широком диапазоне температур окружающей среды и согласуется со многими типами существующей светодиодной оптики. При этом светодиоды могут быть изготовлены в соответствии со следующими бинами (группами) по коррелированной цветовой температуре: 2700, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5700, 6500 К (рисунок 2.3).

В таблице 2.6 приведены координаты XY для различных групп цветности. Разбивка по цветовым координатам стандартизирована и совпадает с рекомендациями ANSI NEMA C78.377-2008. На рисунке 2.4 показаны внешний вид и габаритные размеры однокристальных светодиодов SvL-02 и SvL-05. Внешний вид и габаритные размеры матрицы SvL-06 из 10 кристаллов приведены на рисунке 2.5. На рисунке 2.6 показаны внешний вид и габариты матриц SvL-07 и SvL-08 из 50 и 100 кристаллов.

Таблица 2.4 - Параметры мощных однокристальных белых светодиодов различных производителей

Таблица 2.5 - Параметры светодиодных матриц и многокристальных светодиодов различных фирм

Рисунок 2.3 - Бины оттенков белого цвета светодиодов марки SVETLED

Таблица 2.6- Координаты ХУ для различных групп цветности

а)

б)

Рисунок 2.4 - Внешний вид и габаритные размеры однокристальных светодиодов SVETLED: а-SvL-02; б- SvL-05

Рисунок 2.5 - Внешний вид и габаритные размеры матрицы SvL-06 из 10 кристаллов

Рисунок 2.6 - Внешний вид и габаритные размеры матриц SVETLED: а - SvL-07 (100 кристаллов); б - SvL-08 (50 кристаллов)

Компания Epistar производит высококачественные, мощные светодиоды компактных размеров с низким энергопотреблением и длительным сроком эксплуатации.

Светодиодные матрицы Epistar серии 3F на основе нитрида галлия разработаны для применения в мощных светильниках, а также в проекторных и прожекторных системах [51]. Они отличаются продолжительным сроком службы, стабильностью характеристик и качественным исполнением. В конструкции светодиодов применен желтый люминофор YAG:Ce 530-580 нм с силиконовым герметиком и линзой из поликарбоната, обладающий повышенной термоустойчивостью. Массивная медная подложка облегчает отвод тепла от светоизлучающих кристаллов. В конструкциях матриц применяется от 4 до 100 кристаллов Epistar со световой эффективностью 90Лм/Вт. Основные параметры матриц приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Параметры мощных многокристальных светодиодных матриц компании Epistar

На рисунках 2.7 – 2.16 показаны внешний вид, габаритные размеры, спектральный состав излучения и распределение светового потока матриц Epistar.

Рисунок 2.7 - Внешний вид и габаритные размеры матрицы Epistar 3F5 из 4 кристаллов

Рисунок 2.8 – Спектральный состав излучения и диаграмма распределения светового потока матрицы Epistar 3F5 из 4 кристаллов

Рисунок 2.9 - Внешний вид и габаритные размеры матрицы Epistar 3F25 из 25 кристаллов

Рисунок 2.10 – Спектральный состав излучения и диаграмма распределения светового потока матрицы Epistar 3F25 из 25 кристаллов

Рисунок 2.11 - Внешний вид и габаритные размеры матрицы Epistar 3F50 из 50 кристаллов

Рисунок 2.12 – Спектральный состав излучения и диаграмма распределения светового потока матрицы Epistar 3F50 из 50 кристаллов

Рисунок 2.13 - Внешний вид и габаритные размеры матрицы Epistar 3F80 из 80 кристаллов

Рисунок 2.14 – Спектральный состав излучения и диаграмма распределения светового потока матрицы Epistar 3F80 из 80 кристаллов

Рисунок 2.15 - Внешний вид и габаритные размеры матрицы Epistar 3F100 из 100 кристаллов

Рисунок 2.16 – Спектральный состав излучения и диаграмма распределения светового потока матрицы Epistar 3F100 из 100 кристаллов