Домашний электрик - Владимир Онищенко

Светодиоды в освещении

Давно прошли времена, когда светодиоды представляли интерес только для ученых и производителей радиоэлектронной аппаратуры, применявших их в качестве светящихся индикаторов включения в сеть. Теперь каждый из нас встречается со светодиодами по нескольку раз в день, хотя чаще всего даже не подозревает об этом. Необычные осветительные приборы таят в себе массу возможностей.

Что такое светодиод? Светодиод – это полупроводниковый прибор, действие которого основано на явлении испускания фотонов при рекомбинации носителей разноименных зарядов в области контакта полупроводниковых материалов с разными типами проводимости (так называемый р-n-переход).

Явление свечения (выделение фотонов при совершении упомянутого p-n-перехода) сопровождало работу уже самого первого полупроводникового диода, разработанного для того, чтобы пропускать ток в одном направлении, и использовавшегося в качестве выпрямителя. Но оно скорее мешало, чем помогало ему выполнять свои основные функции. Ну а с тем, что мешает работать, как известно, надо бороться всеми возможными способами. И боролись примерно до середины 50-х гг. XX века. Но уже в начале 60-х гг. были начаты работы по увеличению яркости свечения и появились первые диоды, действующие как источник света, – светодиоды. Светились они красным светом, очень слабо, но тем не менее быстро нашли применение в качестве индикаторов включения в самых разных приборах, сменив мини-лампы накаливания. Довольно долго сфера их применения этим и ограничивалась.

С мертвой точки процесс сдвинулся в начале 90-х, когда создали первый синий светодиод. Правда, чтобы увидеть его свечение, необходимо было воспользоваться мощным увеличительным стеклом. А уж стоил он столько!.. Но светился. Затем, как утверждают специалисты, произошла революция, которую совершил японский профессор С. Накамура, создав яркий синий светодиод. Дальнейшие события развивались, как в ускоренной киносъемке: появились зеленые светодиоды, за ними желтые и, наконец, белые. Практически одновременно с разработкой велась подготовка к их промышленному выпуску. И пять-семь лет назад они впервые были использованы при создании наружной рекламы. В последние же год-полтора светодиоды стали массовым видом продукции, выпускаемой производителями Европы, Юго-Восточной Азии и США.

Основу светодиода (Light Emitting Diode, или LED) составляет искусственный полупроводниковый кристаллик размером 0,3x0,3 мм, в котором реализован вышеупомянутый p-n-переход. Цвет свечения зависит от материала кристаллика. Так, красные и желтые светодиоды, как правило, изготовляют на основе арсенида галлия, зеленые и синие – на галлий-нитридной основе. Усиления свечения добиваются разными способами. В одних случаях в состав кристаллика вводят специальные добавки и присадки, в других – применяют многослойные структуры, что позволяет реализовать в одном кристаллике сразу несколько р-n-переходов, увеличив тем самым яркость его свечения.

Кристаллик «сажают» в металлическую полированную чашечку (медную или алюминиевую), которая является отражателем и «катодом» (—). К самому кристаллику «приваривают» золотую нить – «анод» (+). Затем всю конструкцию заливают прозрачным компаундом, которому придают определенную форму (назовем это колбой). От нее зависит угол излучения света, испускаемого кристалликом. Если верх колбы плоский, свет выходит широким пучком (угол составляет 120–130°). Если верх выпуклый, получается линза, собирающая свет в более узкий пучок (угол 8-60°). Чем меньше угол излучения, тем более интенсивный световой поток дает кристалл. Выпускаются светодиоды разных цветов: красного, желтого, зеленого, синего, сине-зеленого и белого, причем белый с недавних пор бывает нескольких оттенков (холодного, теплого, «солнечного» и т. д.). Стоимость светодиодов зависит от цвета и колеблется довольно существенно. Если выбрать для примера наиболее простые устройства с диаметром колбы 5 мм, то самыми дешевыми окажутся красные (от $ 0,01), а самыми дорогими – зеленые (от $ 0,15).

Естественно, сам по себе светодиод – пластмассовый баллончик с двумя тонкими ножками-выводами – это еще не полноценный осветительный прибор. Чтобы такой прибор создать, надо обеспечить стабильную работу диода. А для этого его необходимо встроить в соответствующую электросхему. Дело в том, что, в отличие от лампы накаливания, светодиод нуждается не только в определенном напряжении, но и в ограничении протекающего через него тока. То есть для нормального функционирования прибора мало подать на контакты напряжение, чтобы электроны начали преодолевать p-n-переход, испуская при этом фотоны (например, для срабатывания красного светодиода необходимо 2 В, для синего и зеленого – 3–4 В). Надо еще обеспечить определенную силу тока (для разных диодов его величина колеблется от 20 до 150 мА), иначе светодиод быстро сгорит. Почему? Особенности действия p-n-перехода таковы, что изменение напряжения всего на 0,1 В вызывает увеличение тока, проходящего через диод, в несколько раз. И значит, чтобы прибор нормально работал, необходимо применить стабилизатор тока или хотя бы простейшую схему на резисторах, ограничивающую ток.

Чтобы потребитель не занимался всем этим самостоятельно, светодиоды заранее устанавливают на печатную плату с нужной электронной схемой. В результате получается не просто светодиод, а светодиодный модуль – в плане квадратный, прямоугольный или округлый, снабженный собственными контактами. Это и есть простейший осветительный прибор, который можно встретить в продаже.

Модули, в схеме которых имеются только ограничительные резисторы, наиболее дешевы ($ 0,5–2), но зато требуют источника питания, стабильно дающего, например, 12 В. Если схема представляет собой так называемый электронный стабилизатор тока, модули обойдутся дороже ($ 1–5). Зато, во-первых, они позволяют использовать источник питания с напряжением 10–90 В, во-вторых, не пострадают, если при подсоединении перепутать «плюс» с «минусом», – в схеме есть диодный мостик (как говорят специалисты, «дуракоустойчивая» схема).

Одна из новинок рынка – так называемые RGB-модули. Их собирают либо на основе трех диодов – красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue), отсюда и название, – либо на основе трехцветных диодов, внутри каждого из которых спрятаны кристаллы трех цветов. Последние устройства несколько дороже (от $ 1) и управляются специальным контроллером. Зато благодаря смешению названных цветов в разных пропорциях способны светиться практически всеми оттенками радужного спектра.

С помощью единичных модулей можно создавать, например, светящиеся буквы для поздравительных надписей, орнаменты и т. п. Но надо сказать, что этим путем идут довольно редко. Куда чаще применяются так называемые светодиодные линейки (источников света в них может быть 4-24 шт.), снабженные общей контактной группой. К ней остается лишь подсоединить источник питания (отдельные светодиоды в цепи включаются последовательно, и в результате требуется более высокое суммарное напряжение – 12 В). Такую систему могут составлять светодиоды разных цветов, что позволяет с помощью единственного модуля получать самую широкую гамму световых красок (управляется модуль специальным контроллером).

Встречаются линейки как без защиты (длинная печатная плата с открыто установленными диодами), так и в специальном корпусе. При использовании первых об их безопасности вам придется позаботиться самому (например, можно спрятать устройство под матовым оргстеклом). Зато они гибкие (плата тонкая и легко гнется), что позволяет при создании подсветки без проблем «обтекать» сложные геометрические поверхности (колонны и т. п.). Во втором случае система надежно оберегается от механических повреждений (например, американская фирма SUPER VISION INTERNATIONAL предлагает устройства, которые можно смело монтировать в подступенники лестниц). Помимо этого может быть предусмотрена защита таких моделей от влаги (IP65), что позволяет применять их для садовой и архитектурной подсветки. Недаром PHILIPS (Нидерланды) называет свои изделия LEDline2 не иначе как прожекторами. Понятно, что цена линеек зависит от количества светодиодов и их цвета ($ 8-25), а также наличия корпуса и степени его защищенности (до $1600). Кстати, из подобных систем, как и из модулей, можно собирать разнообразные геометрические фигуры и узоры.

Для сравнения: лампа накаливания мощностью 100 Вт – это примерно 1000 люменов, то есть чтобы заменить одну такую лампу, надо собрать в одну конструкцию около 500 светодиодов. Но сравнивать таким образом светодиоды с обычными лампами не совсем правомерно: лампа дает свет рассеянный, светодиод – направленный.

Разные конструкции светодиодов сравнивают между собой по силе испускаемого ими света, измеряемой в канделах. Но при таком сравнении важно учитывать и угол раскрытия излучаемого диодом светового пучка. Например, если взять две конструкции с одинаковым углом излучения в 30°, но обладающие различной силой света, например в 20 и 30 кандел, то второй прибор окажется в 1,5 раза мощнее первого. Ну а если с устройством в 20 кандел и углом в 30° сравнить источник в 30 кандел с углом в 60°, то окажется, что создают они примерно одинаковый световой поток. К чему все эти сложности?