Изучение характеристик светодиодов

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Изучение характеристик светодиодов

Рогов А.П. 1
1МБОУСОШ № 11 г. Пензы с углубленным изучением предметов гуманитарно-правового профиля
Абросимова М.А. 1
1МБОУСОШ № 11 г. Пензы с углубленным изучением предметов гуманитарно-правового профиля
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

 

В квартире, где я проживаю все люстры, светильники и различные световые приборы - светодиодные. Со временем я всё больше стал это замечать, но окончательно я осознал этот факт, когда мы решили поменять люстру в зале. Дедушка сказал: «Необходимо покупать светодиодную люстру, ведь у светодиодов, по сравнению с лампами накаливания, в свет превращается примерно 40% энергии».

При выборе люстры я удивился, увидев, что от одного нажатия кнопки свет люстры меняется от ярко белого до желтоватого, точно такие же маленькие огонечки в люстре зажигались то красным, то зеленым, то синим светом.

Я решил узнать, что такое светодиод, как он устроен, лучше ли он, чем лампы накаливания, люминесцентные лампы, безопасно ли свечение светодиода. Интерес к светодиодам растёт быстрее, чем область их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели – все как будто замерли на старте. Боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны только учёным. Теперь говорят - за ними будущее. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED. Светодиоды излучают уникальный по своим характеристикам свет.

Актуальность работы: светодиодное освещение набирает всё большую популярность, и человеку необходимо знать, как можно больше о светодиодах.

Быстрое развитие полупроводниковых технологий привело к созданию полупроводниковых приборов, в которых реализуются новые принципы генерации света - это светоизлучающие диоды (светодиоды). В светодиодах происходит преобразование энергии инжектированных в базовую область электронно-дырочного перехода электронов в энергию светового излучения c высокой (до 300 Лм/Вт) эффективностью преобразования электрической энергии в световое излучение.

Появление столь эффективного генератора светового излучения сможет поменять в ближайшие годы видение организации освещения вообще.

Цель работы: выяснив все необходимые данные о светодиодах, произвести замеры показателей светового потока и освещённости у светодиодов разного типа, и сравнить их. Исследовать эффективность образца -светодиода.

Задачи:

• выяснить кто и когда изобрёл светодиод;

• понять принцип работы светодиода;

• выяснить возможность использования светодиодных приборов в различных областях жизнедеятельности;

• выяснить какие бывают светодиоды, их типы и конструктивные особенности;

• произвести эксперименты по измерению светового потока и освещённости светодиодов;

• исследовать эффективность образца-светодиода;

• составить таблицы на основании экспериментальных данных.

О бъект исследования: светодиоды разных типов.

Предмет исследования: характеристики светодиодов.

Часть 1. Сведения о светодиодах.

Изобретение светодиода.

Во многих странах мира до 1970–х годов светодиоды назывались «Losev Light». Замечательный русский советский физик–изобретатель, Олег Владимирович Лосев (рис. 1) создал в конце 1920–х годов прототип современного светодиода.

В

Рис. 1. О.В. Лосев

1927 году, после проведения работ и исследований люминесценции карбида кремния, физик–изобретатель Лосев оформил два авторских свидетельства на «Световое реле» - прототип современного светодиода. А в 1929 году работы по изучению эффекта усиления на полупроводниковых кристаллах цинкита привели к созданию Лосевым детекторного приёмника с генерирующим диодом – Кристадин. Поражает то, что кристадинный детектор был произведён в примитивных условиях, в отличии от вакуумных трубок и современных полупроводниковых приборов.

Оптика — это раздел физики, в котором изучают свойства света, его физическую природу и взаимодействие с веществом. Но причём здесь оптика спросите вы, сейчас всё станет понятно.

С шестидесятых годов 20 века производство светодиодов встало на промышленную основу. Но это были маломощные индикаторные светодиоды красного, жёлтого и зелёного цвета. Для получения белого цвета не хватало синего светодиода. Если бы был синий светодиод, то можно было бы получить и белый цвет двумя путями:

сочетанием синего + красного + зелёного (RGB),

пропусканием синего цвета (с малой длиной волны 340 – 440 нанометров) через люминофор, который меняет длину синего светодиода на большую, «размазывая» излучение по своему диапазону видимого света.

Н

Рис. 2. Суджи Накамура

ад задачей получения синего светодиода работали многие фирмы. Но наибольшего успеха достиг Суджи Накамура (рис. 2) из небольшой японской фирмы «Nichia Chemicals». После десяти лет работы над созданием разных светодиодов красного, зелёного и жёлтого цвета он пришёл к пониманию как можно получить мощный светодиод синего цвета. С 1989 года он вплотную занимался разработками технологии получения синего светодиода из нитрида галлия (GaN), создав в 1991 году свой знаменитый двухпотоковый метод получения плёнок нитрида галлия n – типа с очень высокой подвижностьюосновных носителей. В 1992 году он получил нитрид галлия p – типа. И в 1993 году был получен синий светодиод на основе InGaN.

Это был прорыв в получении светодиодов белого света. В фирме «Nichia» это не оценили и не поняли. Но громадный поток поздравлений со всего мира сделали «Nichia» знаменитой. Продажи синих светодиодов вывели ранее неизвестную фирму в мировые лидеры по производству светодиодов. В 2000 году объём продажи синих светодиодов компанией «Nichia» был 200 миллионов долларов. Суджи Накамура по праву считается отцом светодиодного освещения.

На начальном этапе развития светодиодного освещения было непонятно возможно ли применение этого освещения для постоянного использования в самых уязвимых областях: школы, детские сады и другие образовательные заведения.

Огромный объем работ был выполнен при планировании и проведении научных исследований по оценке воздействия светодиодных источников света на здоровье детей школьного возраста. Научная работа была проведена в 2011- 2012 годах в Федеральном государственном автономном учреждении «Национальный научно-практический центр здоровья детей» Минздрава России и подтвердила возможность использования светодиодных источников освещения в общеобразовательных учреждениях.

По результатам проведенного научного исследования были подготовлены и 25.12.2013 утверждены в установленном порядке изменения в СанПиН 2.4.2.2821-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям и организации обучения в общеобразовательных учреждениях», разрешающие использование светодиодов в школах.

Определение. Принцип работы светодиода.

С ветодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение (рис. 3).

И

Рис. 3. Конструкция светодиода.

всё же как работает светодиод?

Генерация света в светодиоде происходит за счёт энергии, выделяемой при рекомбинации носителей тока - электронов и дырок – на границе полупроводниковых материалов с разным характером проводимости. Характер проводимости определяется не только своим материалом, но и примесями (легирующими веществами), вводимыми в основной материал в строго дозируемых количествах (рис. 4).

М

Рис. 4. Принцип излучения света полупроводником.

атериал, у которого в результате легирования проводимость определяется, в основном, избытком электронов, называется «полупроводником типа n». Материал с недостатком электронов, т.е. с избытком положительно заряженных ионов (так называемых «дырок»), способных притягивать электрон и становиться нейтральным атомом, называется «полупроводником типа p». На границе таких материалов образуется pn переход. При подаче напряжения прямой полярности (минус – к области с n проводимостью, плюс – к области с p проводимостью) через переход пойдёт ток, а при рекомбинации электронов и дырок будет выделяться световая энергия (фотоны). Длинна волны света, испускаемого фотонами, зависит от уровня перехода фотона (длинна волны – это цвет).

Цвет отличается от света тем, что это отраженный свет. Например, если мы видим зеленые листья, то ткани листьев не воспринимают свет (электромагнитное излучение) с длиной волны от 500 до 560 нм.

Ниже приведены диаграммы излучения светодиодов с люминофором.

П

Рис. 5. Спектральная диаграмма белого светодиода.

.

ервый пик – это излучение синего светодиода, второй – это его распространение в люминофоре.

Таким образом, излучением синего светодиода (450 нм) с помощью люминофора охватывается весь диапазон видимого света (рис. 5, 6).

В

Рис. 6. Спектральная диаграмма синего светодиода

ерхняя диаграмма отражает излучение белого светодиода при разных световых температурах. На нижней диаграмме показан спектр излучения синего светодиода. Максимум излучения приходится на длины волн 440-460 нм. За счёт люминофора это излучение «размывается» по всему видимому диапазону. Видимый диапазон спектра это от синего света (380 нм) и до красного (780 нм). В этом диапазоне укладывается вся радуга: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. В зависимости от толщины люминофора второй пакет излучений появляется справа от базового излучения (460 нм) и чем толще слой люминофора, тем правее – в районе 600 нм. Толщиной слоя люминофора определяется корреляционная цветовая температура: тонкий слой – холодный белый свет (5000 К); толстый слой – тёплый свет (2700 К). Цветовая температура обозначается в градусах Кельвина.

Типы светодиодов. Их технические характеристики.

Тип

Производитель

Параметры

XTE

CREE, США

U = 2,9 V

J = 350 mA

J max = 3 A

t = 4000 K

SZ5

Seoul Semiconductor, Республика Корея

U = 2,9 V

J = 350 mA

J max = 3 A

t = 4000 K

SVL

Светлана – Оптоэлектроника, Россия, СПб

U = 2,9 V

J = 350 mA

J max = 3 A

t = 5000 K

Таблица 1. Характеристики светодиодов ведущих производителей мира.

Светодиоды 4, 5, 6 имеют типоразмер 5730 с доступным током до 200 мА.

Страна производитель Республика Корея, фирмы Samsung и LG.

Цветовая температура у Samsung и LG – 4000К.

1.4. Световая отдача.

Любой источник света, будь то лампа накаливания, люминесцентная лампа или светодиод, имеют общие параметры: это световой поток, потребляемая мощность и световая температура.

Если световая температура определяет, в основном, эстетическую составляющую освещённости и комфортность наших глаз, то световой поток и потребляемая мощность напрямую влияют на стоимость светильника, на эффективность его использования. Эта зависимость светового потока и мощности определяется отношением:

, где Н — световая отдача, Ф — световой поток (Лм), Р — потребляемая мощность (Вт).

Таким образом, световая отдача — это световой поток, испускаемый источником света, при потреблении им одного ватта мощности. Чем выше световая отдача, тем больший световой поток получим от источника света при потреблении одинаковой мощности.

Световая отдача ламп накаливания 13 Лм/Вт, у люминесцентных ламп 40-100 Лм/Вт, у светодиодов до 200 Лм/Вт, что лишний раз подтверждает выгоду использования светодиодов над другими источниками света.

Светоотдача зависит от многих факторов, но основным является температурный режим работы светодиода, т.е. при повышении температуры кристалла светодиода светоотдача уменьшается.

Таким образом, при увеличении тока на светодиоде, то есть увеличении потребляемой мощности, температура кристалла растёт, световой поток растёт, а светоотдача падает, поэтому важно выбрать такой ток светодиода, чтобы и световой поток был высок, и температурный режим работы не превышал рекомендуемых параметров. Также нельзя забывать и об экономической выгоде использования светодиодов.

1.5. Области применения.

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении, благодаря их чистому цвету. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности. В начале светодиодной эпохи область их применения была очень узкой и специфичной. Светодиоды использовались в индикаторных целях, для подсветки шкал приборов, панелей радиоэлектронных устройств. Но с появлением мощных кристаллов не только красного, жёлтого и зелёного цвета, но и синего, в конце 20 века начался бум в развитии светодиодного освещения. Светодиоды эффективнее ламп накаливания в 7 – 8 раз, и в 3 – 4 раза эффективнее люминесцентных ламп. Их срок службы почти на порядок выше, чем у перечисленных источников. Варьируя составом и плотностью люминофора в светодиоде, можно получить разные оттенки белого света: от уютного желтовато – солнечного (цветовая температура от 2700К) до слепяще - белого (цветовая температура свыше 6000К).

Мягкий тёплый белый свет дают светодиоды в люминофорах, в домашнем освещении. Немного холоднее светодиоды используют в прожекторах в промышленных светильниках, в светильниках для общих мест пользования. При добавлении красных и синих светодиодов в светильник мы получаем фитосветильники, используемые для выращивания рассады и цветов. Синий свет действует на вегетативную и корневую систему, а красный ускоряет и повышает урожайность. Используя вторичную оптику: линзы или рефлекторы, можно получить или узко направленный световой поток (от 5 до 90 градусов) или эллипсный поток света с продольной осью в 3 – 4 раза больше поперечной.

Область применения светодиодов, благодаря широкому диапазону их характеристик, очень обширна. Это и все виды световой рекламы (вывески, щиты, световые короба), и замена неонового освещения, и дизайн помещений, мебели; архитектурная и ландшафтная подсветки, одноцветные дисплеи с бегущей строкой, магистральные информационные табло, полноцветные дисплеи для больших видео экранов, внутреннее и внешнее освещение в автотранспорте, дорожные знаки и светофоры и многое другое.

По сравнению с эпохой начала распространения светодиодов в настоящее время цены на светодиоды (LED) понизились в 10 раз. Практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 - 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники.

Часть 2. Исследование характеристик светодиодов

У любого освещения две стороны «медали». С одной стороны, источник света, который характеризуется световым потоком, измеряемом в люменах (Lm). Это величина мощности светового излучения. В первом эксперименте мы замерим мощность светового потока от разных светодиодов, разных производителей при разных значениях тока (I = 70 mА, 350 mА).

Другой стороной освещения является освещённость поверхности. Она замеряется в люксах (Lx), это количество светового потока, падающего на единицу поверхности (Lm/m2). Освещённость зависит от расстояния света до освещаемой поверхности и от мощности источника света. Во втором эксперименте мы замерим освещённость от разных источников (светодиодов) при разной величине тока (I = 70 mА и 350 mА).

2.1. Эксперимент по измерению светового потока различных светодиодов.

Цель исследования: измерение светового потока у светодиодов разного типа.

Оборудование: интегрирующая сфера (рис 7), светодиоды разных типов, блоки питания, рассчитанные на I = 70 mA, I = 350 mA.

Таблица 2. Световые потоки различных светодиодов.

Образец

Производитель

J = 70 mA

J = 350 mA

1

CREE, США

68 Lm

111 Lm

2

Seoul Semiconductor, Республика Корея

83 Lm

135,8 Lm

3

Светлана – Оптоэлектроника, Россия, СПб

94,8 Lm

Lm

4

Samsung, Корея

32,2 Lm

 

5

LG, Корея

23,9 Lm

 

Образцы № 1, № 2, № 3 имеют типоразмер 3535 (3,5 мм Х 3,5 мм), их максимальный допустимый ток (I max) составляет 3 А. Образцы № 4 и № 5 имеют типоразмер 5730 (5,7 мм Х 3 мм), их максимальный допустимый ток (I max) – 200 mA. В ходе эксперимента мы измерили световой поток у 5 светодиодов. Также отметим, что эксперимент производился не в заводских условиях и не в специализированном помещении, поэтому показания интегрирующей сферы могут не совпадать с показаниями прибора, при помощи которого они снимались у светодиодов в специальных условиях.

С

Рис. 7. Интегрирующая сфера – прибор для измерения светового потока.

уть эксперимента заключена в том, что в разъём, оборудованный на интегрирующей сфере, мы вставляем светящийся светодиод, датчик, установленный на внутренней поверхности интегрирующей сферы, производит замер светового потока. Результаты замера отображаются на индикаторе прибора.

Вывод. Фактически мы исследовали два типа кристаллов (чипов) светодиодов. Мощные светодиоды – это образцы № 1, № 2, № 3 (максимальная мощность до 9 Вт) и средней мощности – образцы № 4 и № 5 (до 0.5 Вт). Мы видим, что при разных токах (I = 70 mA, I = 350 mA) световые потоки на образцах существенно различаются. Различие в значениях световых потоков зависит от фирмы-производителя и типа светодиода.

2.2. Эксперимент по измерению освещённости у светодиодов разного типа.

Цель исследования: измерить освещённость у светодиодов разного типа.

Оборудование: люксметр (люксметр – прибор для измерения освещённости), светодиоды разных типов, блоки питания, рассчитанные на I = 70 mA, I = 350 mA.

Таблица 3. Освещенности различных светодиодов.

Образец

I = 70 mA

I = 350 mA

1

560 Lx

1323 Lx

2

1113 Lx

1780 Lx

3

776 Lx

1616 Lx

4

283 Lx

1534 Lx

5

231 Lx

813 Lx

В ходе эксперимента мы измерили освещённость у 5 светодиодов.

Т акже повторимся, что эксперимент производился не в заводских условиях и не в специализированном помещении, поэтому показания люксметра могут не совпадать с показаниями прибора, при помощи которого они снимались у светодиодов в специальных условиях.

Суть эксперимента заключена в том, что на специальный датчик ставится цилиндр, высота которого равна 25 см (h = 25 см), с обратной стороны цилиндра предусмотрено лишь отверстие для светодиода, вся остальная поверхность закрыта, мы вставляем в специализированное отверстие светодиод, датчик производит замер освещённости. Результаты отображаются на индикаторе прибора.

Вывод. Освещенность зависит только от типа светодиода и потребляемой мощности. Мощные светодиоды – образцы № 1, № 2, № 3 – на малых токах не вошли в режим максимальной эффективности и имеют довольно большой разброс (в 2 раза) по освещенности. На больших токах (350 mA) освещенность коррелирует с показаниями предыдущего эксперимента. При малых токах образцы № 4 и № 5 коррелирует с показаниями предыдущего эксперимента (Приложение 1).

2.3. Исследование характеристик спектра светодиода при изменении режима питания.

Оборудование: источник питания переменного напряжения «Марс», реостат, спектроскоп, светодиод, черное стекло, фотоаппарат.

В ходе эксперимента получены спектры излучения светодиода при разных напряжениях. С повышением напряжения увеличивается коротковолновая часть спектра.

2.4. Эффективность светодиодов.

Для того, чтобы использовать светодиоды с наибольшей эффективностью, мы проведём небольшое исследование на наиболее часто используемом в промышленности модуле для изготовления уличных светильников (рис. 8).

Э

Рис. 8. Модуль LED-12-P146x44

то модуль LED-12-P146x44 со светодиодами ХТЕ фирмы CREE (США). На эти диоды можно подавать ток до 3А. Световой поток доступными средствами мы замерить не сможем, но между световым потоком и освещённостью прямая зависимость, поэтому мы будем замерять освещённость люксметром. Так как на светодиоде постоянное падение напряжения на переходе, то мы будем измерять только ток, подаваемый на модуль от источника питания. По отношению же освещённости к току мы будем судить об относительной светоотдачи модуля. Результаты замеров и рассчитанных отношений освещённости к току сведены в таблицу:

Таблица 4. Эффективности светодиода ХТЕ.

Ток(А)

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Освещ.(Лк)

578

815

1040

1240

1430

1640

1850

2060

2240

К=(А)/(Лк)

2890

2716

2600

2480

2383

2343

2312

2288

2240

Как видим из таблицы, световой поток с увеличением тока замедляет свой рост, соответственно падает коэффициент эффективности. Его существенное замедление начинается при токах 0,6-0,7 А.

Следовательно, наиболее разумно применять данные светодиоды на токе 0,7 А. При данном токе мощность модуля будет 24 Вт. Производителями модулей на токе 0,7 А заявлен световой поток 3750 Лм, светотдача 156,25 Лм/Вт. Это очень неплохой результат.

Для чего же мы провели все вышеуказанные замеры и расчеты? Выбор рабочего тока для светодиода определяет температурный режим работы светодиода. При большом токе (даже разрешенным для данного типа светодиодов) светодиод может нагреться до 100ºС и выше на p-n переходе кристалла. В этом случае люминофор быстро будет разрушаться, что сокращает срок службы светодиода. При малом рабочем токе экономически нецелесообразно ставить данные типы светодиодов. При нормальной рабочей температуре в месте пайки диода до 85ºС, длительность жизни светодиода (падение светового потока на 30%) может достигать 100 тыс. часов.

Таким образом, мы на примере только одного образца светодиода убедились, что надежность и долговечность светодиодов можно увеличить до значительных величин при правильном выборе электрических параметров эксплуатации светодиодов.

Заключение.

В данной работе мы практическим путем определили зависимость оптических характеристик светодиодов разных производителей от основной электрической характеристики - потребляемого тока.

Два основных светотехнических параметра – световой поток и освещенность зависят от многих факторов при использовании светодиодов как источников света.

Мы затронули только малую часть взаимосвязи электрических и оптических характеристик источников света, в нашем случае – светодиодов.

Это начало пути ознакомления, исследования, разработки и применения светодиодов как источников света. В дальнейшем мы попытаемся поэкспериментировать с применяемой вторичной оптикой (рефлекторы – отражатели и линзы), с световой гаммой всего видимого спектра, с зависимостью оптоэлектрических характеристик светодиода от конструктивного исполнения светодиодов и светильников на их основе.

По своим показателям светодиод намного лучше ламп накаливания или люминесцентных ламп, а этот факт подтверждает то, что светодиод альтернативный источник освещения будущего.

Список литературы.

Брилёв Д.В. Большая Серия Знаний: Физика – М.: «ТД «Издательство Мир Книги», 2006.

Мешков В.В. Основы светотехники: Учеб. Пособие для вузов. Ч.1. 2-е изд. – М.: Энергия, 1979.

Справочная книга по светотехнике /под ред. Ю.Б. Айзенберга. – М.: Знак, 2006.

http://led22.ru/ledstat/html

https://www.compel.ru/infosheet/CREE/XTEAWT-00-0000-000000G50

http://www.lightingmedia.ru/magazine/newissue/

http://electrik.info/ledlight/1118-kak-ustroeny-i-rabotayut-svetodiody.html

http://www.energoatlas.ru/2017/05/04/и-снова-про-диоды/

https://studbooks.net/2332100/tehnika/aktualnost_harakteristika_vybrannoy_problemy

Приложение 1. Диаграммы светового потока и освещённости у различных светодиодов.

Просмотров работы: 39