Що таке світлодіод історія розвитку, цікаві факти, перспективи

Що таке світлодіод?

Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, що трансформує електрострум в видиме світіння. У світлодіода є загальноприйнята абревіатура - LED (light-emitting diode), що в дослівному перекладі на українську мову означає "світловипромінювальних діод". Світлодіод складається і з напівпровідникового кристала (чіп) на підкладці, корпусу з контактними висновками і оптичної системи. Безпосередньо випромінювання світла відбувається від цього кристала, а колір видимого випромінювання залежить від його матеріалу і різних добавок. Як правило, в корпусі світлодіода знаходиться один кристал, але при необхідності підвищення потужності світлодіода або для випромінювання різних кольорів можлива установка декількох кристалів.

У светодиоде, на відміну від звичної лампи розжарювання або люмінесцентної лампи (її ще називають "енергозберігаючої"), електрострум трансформується в видиме світло. У теорії, таке перетворення можна виконати взагалі без, так званих, "паразитних" втрат електроенергії на нагрів. Це пов'язано з тим, що при грамотно спроектованому теплоотводе світлодіод нагрівається дуже слабо. Світлодіод випромінює світло у вузькому спектрі, його колір "чистий", що особливо цінно стосовно дизайнерському висвітлення. Ультрафіолетові та інфрачервоні випромінювання, як правило, відсутні.

Історія розвитку світлодіода

У 1907 році британський інженер-експериментатор Генрі Джозеф Раунд (на фото зліва) вперше виявив ледь помітне випромінювання, що випускається карбідокремнієвих кристалами, внаслідок невідомих у той час електронних перетворень.

У 1923 році в Нижньому Новгороді, молодий український вчений Олег Лосєв (на фото праворуч) також зафіксував це світіння при проведенні радіотехнічних лабораторних дослідів з напівпровідниковими детекторами, але інтенсивність виявлених світінь була вкрай низькою і українське наукове співтовариство не додало цій події належного значення. Через кілька років Олег Лосєв провів цілеспрямовані дослідження цього феномена і заглиблювався в їх вивчення аж до своєї смерті - Олег Лосєв пішов з життя в блокадному Ленінграді взимку 1942 року в віці 38 років. До початку війни Олег Лосєв активно публікував результати своїх досліджень в німецький наукових виданнях, де відкритий ним ефект порахували сенсаційним і назвали його ім'ям ученого - "Losev Licht". Природа цього випромінювання остаточно стала зрозуміла тільки в 1948 після винаходу транзистора і появи теорії "p-n-переходу", що є науковою основою функціонування відомих нині напівпровідників.

У 1962 році група вчених з Університету Іллінойсу (США), якою керував Нік Холоньяк (на фото зліва), продемонструвала роботу першого світлодіода, що стало знаковою подією і саме цей момент багато фахівців вважають відкриттям звичного нам світлодіода. В цьому ж році Нік Холоньяк створив перші "червоні" світлодіоди, які вже можна було застосовувати в промисловості.

яскравість світлодіода

Яскравість світлодіода залежить від сили струму (вимірюється в амперах), який через нього проходить. Однак, силу струму не можна збільшувати без обмежень, так як кристал перегріється і вийде з ладу. Саме з цієї причини конструкція світлодіодних ламп щодо складна і дорога у виробництві. Але прогрес не стоїть на місці і щорічно провідні виробники світлодіодів домагаються зростання світлового потоку своїх світлодіодів на 20-30%, що з точки зору швидкості прогресу, досить вражаючі цифри. Постійному вдосконаленню піддаються конструкції і матеріали елементів світлодіодних ламп.

За силою світла світлодіоди поділяються на три основні групи:
- світлодіоди ультрависокої яскравості, потужністю від 1W (Ultra-high brightness LEDs) - сотні канделл;
- світлодіоди високої яскравості, потужністю до 20 mW (High brightness LEDs) - сотні і тисячі мілліканделл;
- світлодіоди стандартної яскравості (Standard brightness LEDs) - десятки мілліканделл.

Основні типи світлодіодів

Існує два основних типи світлодіодів: індикаторні та освітлювальні.

Індикаторні світлодіоди - не яскраві, малопотужні і тому дешеві у виробництві світлодіоди, які використовуються в якості світлових індикаторів в різних електронних приладах, підсвічуванні дисплеїв комп'ютерів, РК-телевізорів, приладових панелей автомобіля і багатьох інших пристроїв.

Освітлювальні світлодіоди відрізняються високою потужністю і яскравістю, що дозволяє використовувати їх у виробництві побутових і промислових лампах і світильниках.

Історично через невелику яскравості і потужності світлодіоди застосовувалися тільки для індикації. Щоб зробити їх придатними для освітлення, необхідно було перш за все навчитися виготовляти світлодіоди з білим світлом, що, як ми писали вище, відбулося лише в 90-х роках двадцятого століття, а також значно збільшити світловіддачу, чого в свою чергу, вдалося домогтися лише в двохтисячних роках.

Довговічність і старіння світлодіодів

Світлодіод механічно міцний і надійний - навіть при нинішньому розвитку технологій, його термін експлуатації в системі освітлення теоретично може досягати ста тисяч годин, що приблизно в 100 разів більше середнього терміну експлуатації звичайної лампи розжарювання і приблизно в 10 разів більше, ніж у енергозберігаючих (люмінесцентних) ламп. Однак, термін служби світлодіода може бути різним і безпосередньо залежить від типу світлодіода, сили подається на нього струму, охолодження кристала (чіпа) світлодіода, складу і якості кристала, компонування елементів і збірки в цілому. Саме тому термін служби у освітлювальних світлодіодів коротше, ніж у малопотужних індикаторних. У побутовому сенсі, старіння світлодіода пов'язано більшою мірою зі зниженням його яскравості і в меншій - зі зміною кольору видимого випромінювання. Сам процес старіння починає бути помітним по витікання декількох десятків тисяч годин і відбувається досить повільно, тобто різкого згасання світлодіода не відбувається.

Найбільшому старіння схильні якраз білі світлодіоди, що застосовуються в освітленні. Як ми вже писали раніше, світлодіодів з білим світлом поки не винайшли і біле світло виходить за рахунок накладення структури кристалів, на яку нанесений люмінофор (спеціальний склад). При цьому л юмінофор погіршує теплові характеристики світлодіода і термін його служби скорочується. Проте, на сьогоднішній день, світлодіодні лампи за заявами провідних виробників будуть працювати без погіршення своїх показників від 30 до 50 тисяч годин, що при їх безперервній роботі становить мінімум 3,5 року. Якщо врахувати, що за статистикою лампа включена не більше 3-х годин на добу, то цей термін збільшується мінімум до 30 років! Такі цифри вражають!

Сфера застосування світлодіодів. Перспективи розвитку.

Сферу застосування світлодіодів в якості джерел світла можна описати одним словом - повсюдно: у вуличному, промисловому, автотранспортному і побутовому освітленні. При підготовці цієї статті ми планували перерахувати сфери застосування, але почавши складання переліку, зрозуміли, що в цьому немає сенсу, так як доведеться перераховувати всі. Потім ми спробували йти від зворотного - де зараз поки що не застосовують світлодіоди в якості джерел світла і прийшли до висновку, що прикладів цього немає. Всі великі Компанії переводять висвітлення своїх виробничих і офісних приміщень на світлодіодне. Ті, хто поки не робить - планують це зробити в самий найближчий час і чекають ще більшого зниження цін. Основних причин такого масового переходу дві: економічний ефект і нешкідливість для людини і екології планети в цілому.

На думку більшості фахівців галузі, вартість світлодіодних ламп, як побутових, так і спеціальних буде знижуватися і вельми сильно. За різними оцінками, від 10 до 20% в рік протягом наступних кількох років. Щорічно, світловий потік самого продуктивного світлодіода кожного зі світових брендів зростає на 20-30%.

Світлодіодна лампа абсолютно безпечна для використання в житлових і робочих приміщеннях. На відміну від ламп розжарювання і люмінесцентних ( "енергозберігаючих") ламп, вона не містить скло (за рідкісним винятком) і небезпечні речовини, такі як ртуть і свинець. Лампа не завдає шкоди екології і не вимагає спеціальної утилізації. У наш час це особливо важливо: екологічні вимоги всіх розвинених країн постійно змінюються в сторону зменшення шкоди здоров'ю людей і екосистемі планети в цілому. При цьому всіляко стимулюється розвиток технологій енергозбереження. У переважній більшості країн Євросоюзу і в США продаж ламп розжарювання вже заборонена, а продажу люмінесцентних ламп стрімко знижуються. На цьому тлі "світле" майбутнє систем освітлення на основі світлодіодів бачиться вельми чітко.

Лампи розжарювання і галогенні лампи відходять у минуле. Обсяги виробництва падають в рази рік від року. Люмінесцентні (енергозберігаючі) лампи також по всіх параметрах програють світлодіодним і їх обсяг виробництва також знижується. Причини переможної ходи світлодіодних технологій настільки очевидні, що не виникає жодного сумніву, що інші типи ламп скоро просто вимруть або залишаться у вузьких сегментах ринку.