Министерство образования и науки Российской Федерации
Санкт-Петербургский национальный
исследовательский университет
информационных технологий,
механики и оптики
Кафедра световых технологий и оптоэлектроники
Реферат
по дисциплине:
«Введение в профессиональную деятельность»
на тему: «Трёхцветный светодиод»
Выполнила: Симоненко Е.Г.
Группа: В3131
Принял: Прокопенко В.Т.
Санкт-Петербург
2016
Оглавление
Введение……………………………………………………………………………………………… 2
История создания светодиодов…………………………………………………………..3
Устройство светодиодных приборов…………………………………………………..6
Получение различных цветов видимого света……………………………………8
Виды светодиодов………………………………………………………………………………10
RGB-светодиод ……………………………………………………………………………………11
Преимущества светодиодного освещения и область применения…………………………………………………………………………………………13
Заключение………………………………………………………………………………………….16
Список используемой литературы …………………………………………………….17
Введение
Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED – light-emitting diode) – полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Иными словами, электрический ток трансформируется в видимое свечение.
Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов (пр.: алмаз, нитрид бора, нитрид алюминия, кремний, селенид цинка и т.п.), образующих p-n-переход. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника.
Основные параметры светодиодов:
1. Мощность (1-100 Вт)
2. Цветовые характеристики (сверхъяркие светодиоды могут иметь зеленый, синий и иные цвета)
3. Угол освещения
4. Нагрев
5. Вес
6. Энергопотребление (при наличии мощного светодиода затраты энергии велики)
История создания светодиодов
В 1907 году британский инженер-экспериментатор Генри Джозеф Раунд впервые обнаружил едва заметное излучение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами, вследствие неизвестных в то время электронных превращений.
В 1923 году в Нижнем Новгороде, молодой российский ученый Олег Лосев также зафиксировал это свечение при проведении радиотехнических лабораторных опытов с полупроводниковыми детекторами, но интенсивность обнаруженных свечений была крайне низкой, и Российское научное сообщество не придало этому событию должного значения. Через несколько лет Олег Лосев провел целенаправленные исследования этого феномена и углублялся в их изучение вплоть до своей смерти – Олег Лосев ушел из жизни в блокадном Ленинграде зимой 1942 года в возрасте 38 лет. До начала войны Олег Лосев активно публиковал результаты своих изысканий в немецкий научных изданиях, где открытый им эффект посчитали сенсационным и назвали его именем ученого – "Losev Licht". Природа этого излучения окончательно стала понятна только в 1948 после изобретения транзистора и появления теории "p-n-перехода", являющейся научной основой функционирования известных ныне полупроводников.
В 1962 году группа ученых из Университета Иллинойса (США), которой руководил Ник Холоньяк ,продемонстрировала работу первого светодиода, что стало знаковым событием и именно этот момент многие специалисты считают открытием привычного нам светодиода. В этом же году Ник Холоньяк создал первые "красные" светодиоды, которые уже можно было применять в промышленности.
В 1972 были открыты полупроводниковые излучатели зеленого и желтого цвета. Их яркость постепенно увеличивалась и в 1990 году уже составляла 1 люмен.
Суджи Накамура – инженер малоизвестной тогда японской фирмы Nichia (Ничиа) в 1993 году получил первый синий сверхъяркий светодиод. После этого, почти моментально были созданы светодиодные RGB (Red-Green-Blue) устройства, поскольку эти три цвета (зеленый, синий, красный) в своем сочетании сделали возможным создать любой цвет, даже белый. Этот момент стал настоящим прорывом и первые светодиоды белого цвета "увидели свет" в 1996 г., что явилось сильнейшим толчком к развитию отрасли.
К 2005 году яркость светодиода достигла значения 100 лм/Вт и продолжает увеличиваться. Были сконструированы так-называемые многоцветные светодиоды, а повышение яркости и надежности всех компонентов светодиодных ламп позволило начать конкуренцию с энергосберегающими (люминесцентными) и лампами накаливания.
С 2008-2009 годов стартовало активное применение светодиодных источников света в бытовых светильниках и чуть позднее с ростом светоотдачи – в уличном освещении. В 2012-2013 годах из-за многократного роста объемов производства их стоимость начала снижаться, что привело к стремительному повышению интереса со стороны потребителей.
Генри Джозеф Раунд Олег Лосев
Ник Холоньяк Суджи Накамура
Резюмируя, можно расписать историю создания светодиодов по годам:
1907 г.
Генри Джозеф Раунд, обнаружение едва заметного излучения.
1923 г.
Олег Лосев, обнаружение свечения при проведении радиотехнических лабораторных опытов с полупроводниковыми детекторами
60-е гг.
1962 г. – Первый красный светодиод разработанный Ником Холоньяком (Nick Holonyak) в компании GE (General Electric). Красные индикаторные светодиоды, выпущенные компанией HP из материалов производства Monsanto – 0,01 лм.
Первые зеленые и желтые светодиоды.
70-е гг.
1971 г. – Первый синие светодиоды.
1972 г. – Красные светодиоды со световым потоком 1 лм.
Светодиоды начинают использоваться в наручных часах, калькуляторах, светофорах и указателях «Выход».
80-е гг.
1984 г. – Достижения в области повышения эффективности по световому потоку: первые сверхъяркие светодиоды красного цвета.
90-е гг.
1993 г. – Инженер компании Nichia Суджи Накамура (Shuji Nakamura) создал первый синий светодиод высокой яркости.
1995 г. – Созданы зеленые светодиоды высокой яркости.
1996 г. – Изобрели первый белый светодиод.
Появились сверхъяркие красные и янтарные светодиоды.
Светодиоды начинают вытеснять лампы накаливания там, где требуется освещение окрашенным светом, появление RGB-светодиодов.
1997 г. – Создание компании Color Kinetics.
2000-е гг.
Появляется белый свет, созданный с помощью светодиодов RGB.
Белый свет, созданный с помощью синего светодиода с люминофорным покрытием.
Первые «настраиваемые» светодиодные источники белого света.
Появляются светодиоды со световым потоком 10-100 лм.
2003 г. – Светодиоды широко применяются при проведении развлекательных мероприятий.
2004 г. – Светодиоды используются для акцентного освещения объектов.
2005 г. – Появляются светодиодные кластеры со световым потоком, превышающим 1000 лм.
2008 г. – Светодиоды используются в системах общего освещения.
Увеличение количества производителей светодиодов (Nichia, Cree, Osram, Lumileds, King Brite, Toyoda Gosei, Cotco).
Устройство светодиодных приборов
Светодиодный световой прибор представляет собой систему, состоящую из светодиодов, источников питания и преобразователей напряжения, драйверов светодиодов, цепей контроля и управления, устройств для отвода тепла, а также линз и других оптических устройств для смешивания, рассеивания и выведения света.
Проектировщикам и инсталляторам светодиодных систем освещения, вероятно, никогда не придется вскрывать корпуса световых приборов, подобно тому, как пользователю персонального компьютера нет необходимости открывать системный блок ПК и разбирать его содержимое.
Тем не менее, знать, что находится внутри «черного ящика», все же весьма полезно. К основным компонентам светодиодного светового прибора относятся:
1) Собственно, сами светодиоды и электроника, обеспечивающая
их работу;
2) Источник питания с микропроцессорным управлением, преобразователи напряжения и схемы управления;
3) Устройства для отвода тепла (вентиляционные отверстия и радиаторы);
4) линзы и средства нацеливания для направления, смешивания и рассеивания света.
Дополнительно светодиодные световые приборы обычно включают постоянно подсоединенные или отсоединяемые кабели для подключения к источнику питания.
С точки зрения физики, светодиод выглядит следующим образом
По своей сути, светодиод – это диод полупроводникового типа, p-n-переход. Это соединение двух кусков полупроводника с разными типами проводимости. Один из них обладает избытком электронов («n-тип»), а второй – избытком дырок («p-тип»). Если к p-части такого диода присоединить плюсом источник электротока, то через него пойдёт ток. Сегодня интегральные технологии развиты настолько, что на одном кристалле может быть размещено великое множество p-n-переходов . Иными словами, p-n-переход – это есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
В устройстве светодиодов значение имеет процесс, происходящий после того, как через диод прошёл ток. В тот момент осуществляется рекомбинация носителей электрического заряда. Отрицательно заряженные электроны занимают место в положительно заряженных ионах кристаллической решётки полупроводника. И когда электрон и дырка встречаются, происходит выделение энергии, излучается фотон, квант света. Если излучение не происходит, высвобожденная энергия переходит в тепловую, нагревая вещество.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему?
Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона.
Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.
Чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Однако ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.
Получение различных цветов видимого света
Светодиоды, изготовленные из разных полупроводниковых материалов, излучают свет разных цветов. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам видимого света.
|
В первых светодиодах использовались такие материалы, как фосфид галлия (GaP), тройное соединение AIGaAs и тройное соединение GaAsP. Они создавали излучение от красного до желто-зеленого цвета. В настоящее время GaP, AIGaAs и GaAsP используются только для изготовления индикаторных светодиодов, так как большие токи, необходимые для получения излучения, и большое тепло, выделяющееся при работе светодиодов, изготовленных из этих материалов, значительно сокращают срок их службы.
Говоря о белом цвете, нельзя не упомянуть 4 способа его получения
Для производства осветительных светодиодов используются новые материалы, способные выдерживать необходимые уровни тока, высокий нагрев и высокую влажность. В красных и янтарных светодиодах высокой яркости применяются полупроводники алюминий индий – галлий (AllnGaP), в синих, зеленых и голубых – индий – нитрид галлия (InGaN).
Светодиоды, изготовленные из AllnGaP и InGaN, в совокупности перекрывают почти всю область спектра видимого излучения с промежутком в области зелено-желтого и желтого цветов. Корпоративные цвета с применением желтого (например, Shell или McDonald’s) трудно получить с помощью одноцветных светодиодов.
Одним из способов получения «сложных» цветов является совместное использование в одном осветительном приборе светодиодов разных типов. InGaN покрывают почти весь спектр видимого излучения для светодиодов высокой интенсивности, кроме желто-зеленой и желтой областей спектра с длиной волны 550-585 нанометров (нм).
Цвета, соответствующие этому диапазону длин волн, могут быть получены с помощью совместного использования зеленых и красных светодиодов.
Стоит отметить, что светодиодная технология излучения света кардинально отличается от традиционной технологии свечения источников света, таких как лампы накаливания, люминесцентные лампы и разрядные лампы высокого давления. В светодиоде нет ни газа, ни нити накала, он не имеет хрупкой стеклянной колбы и потенциально ненадежных подвижных деталей.
Главным отличием светодиодных источников света от традиционных является то, что в светодиодах применяется совершенно иной принцип генерации света и используются абсолютно другие материалы. Менее очевидным отличием является то, что в светодиодном световом приборе стирается граница между лампой и светильником. В светодиодной осветительной технике «лампы», которыми являются светодиоды, неотделимы от «светильника», а именно: корпуса, электроники и линзы.
Виды светодиодов
Индикаторные светодиоды являются наиболее компактным видом и имеют совсем небольшую силу света (относительно) – до 100 мКд. Рабочий диапазон тока здесь составляет около 20 миллиампер. Выпускается такой вид в стандартном корпусе, оснащенном выводами с диаметром основания в три миллиметра, или пять миллиметров. Чаще всего используются в оптических индикаторах.
Индикаторные светодиоды для поверхностного монтажа широко применяются в системах отображения информации в качестве основных излучающих элементов, для подсветки жидкокристаллических матриц и др. Основные тенденции их развития – повышение световой эффективности и надежности. Важной отличительной особенностью светодиодов такой конструкции является возможность автоматизации сборки как диодов, так и плат с их использованием.
Сверхъяркие светодиоды состоят из полупроводниковых кристаллов малого или среднего размера (до 500 микрометров). Световые характеристики их достаточно высоки – до 10 мкд, а световой поток (белый цвет) – до 30 лм, и даже более. Рабочий диапазон тока здесь может составлять до 100 миллиампер. Используются в световой рекламе, мобильных телефонах и др.
Мощные светодиоды имеют наибольшие размеры и, как следствие, значительное значение световой отдачи – более 50 лм/Вт (белый цвет). Мощность равна одному ватту (с током в 350 миллиампер). Используется для общего наружного светодиодного освещения
RGB-светодиод
(трёхцветный светодиод)
Трёхцветный светодиод или RGB-светодиод — это совмещённые в одном корпусе светодиоды красного, зелёного и синего цветов.
Светодиод имеет 4 ноги. 3 ноги — аноды, соответствующие отдельным цветам и одна — общий катод. Подавая сигнал на один из анодов, можно добиться свечения одним из цветов. Другими словами, RGB-светодиод – это просто три светодиода в одном корпусе. Меняя ток через каналы можно получить любой цвет.
Для управления многоцветной светодиодной подсветкой, плавного перехода процесса изменения цвета, последовательного переключения светодиодов от одного цвета к другому с различными временными интервалами, существуют контроллеры с несколькими выходными каналами, позволяющие осуществлять различные операции со светодиодами или светодиодными группами.
RGB контроллеры служат для управления интенсивностью свечения светодиодов, для создания статических и динамических световых эффектов в декоративной подсветке, светодиодном освещении. Как правило, контроллер имеет несколько программ переключения каналов с регулировкой яркости по каждому каналу и соответственно память последней настройки.
Преимущества светодиодного освещения и область применения
Будучи сравнительно новой технологией, светодиоды в большинстве случаев превосходят традиционные источники света по энергоэффективности, качеству света, рентабельности и экологичности. Светодиодные осветительные приборы превосходят лампы накаливания практически во всех областях применениях, а разрядные лампы высокого давления – в областях, требующих использования цветного света.
Преимущества светодиодов над другими электрическими источниками света:
· Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт;
· Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);
· Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости;
· Спектр современных светодиодов бывает различным — от тёплого белого (2700 К) до холодного белого (6500 К);
· Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды;
· Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп);
· Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов;
· Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снижается при увеличении производства и продаж (экономия от масштаба);
· Безопасность — нет необходимости в высоком напряжении;
· Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам;
· Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения, в отличие от люминесцентных ламп.
Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Они оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.
Есть надежность совершенно особого рода — та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.
Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера
Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.
Систематизируя, можно выделить следующие области применения светодиодов:
1. Все виды световой рекламы (вывески, щиты, световые короба и др.)
2. Замена неона
3. Дизайн помещений
4. Дизайн мебели
5. Архитектурная и ландшафтная подсветка
6. Одноцветные дисплеи с бегущей строкой
7. Магистральные информационные табло
8. Полноцветные дисплеи для больших видео экранов
9. Внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах
10. Дорожные знаки и светофоры
Другие сферы применения включают подсветку жидкокристаллических дисплеев в сотовых телефонах, цифровые камеры, а также архитектурное и другие виды освещения. Сектор электронного оборудования включает применение светодиодов в качестве индикаторных ламп в промышленных и потребительских товарах.
Заключение
Таким образом, современный мир очень сложно представить без светодиодов. Освещение дорог и туннелей, спортивных сооружений и арен, улиц и площадей, городских ландшафтов и взлетно-посадочных полос аэропорта – всё это непосредственно связано со светодиодными осветительными приборами белого света с фиксированной цветовой температурой. Светодиодные лампы бывают самых разнообразных технических спецификаций, кроме того, у них привлекательный внешний дизайн, – это составляет большой список преимуществ, которые предоставляют светодиодные технологии в осветительные системы современного поколения. Белые светодиоды активно используются в системах общего освещения. По своей функциональности, эксплуатационным характеристикам и экономичности правильно сконструированные светодиодные световые приборы превосходят традиционные.
Светодиодная лампа абсолютно безопасна для использования в жилых и рабочих помещениях. Она не наносит вреда экологии и не требует специальной утилизации. В наше время это особенно важно: экологические требования всех развитых стран постоянно меняются в сторону уменьшения вреда здоровью людей и экосистеме планеты в целом. В условиях общего сокращения расходов, разработки новых стандартов, зеленых инициатив и принятия законодательных актов, направленных на защиту окружающей среды, создаются большие возможности для использования светодиодного освещения, как на национальном, так и на международном уровне. При этом всячески стимулируется развитие технологий энергосбережения. В подавляющем большинстве стран Евросоюза и в США продажа ламп накаливания уже запрещена, а продажи люминесцентных ламп стремительно снижаются. На этом фоне "светлое" будущее систем освещения на основе светодиодов видится весьма отчетливо.
Список используемой литературы
1. Л. П. Варфоломеев. Элементарная светотехника. Москва, 2013 г.
2. Ф. Шуберт. Светодиоды. Перевод с англ. Под ред.
А.Э. Юновича. М.: Физматлит 2008 г.
3. Справочная книга по светотехнике. Под ред.
Ю. Б. Айзенберга. С 74.3-е изд. Перераб. И доп. М.: Знак. – 972 с: ил 2006 г.
4. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и устройства. М., 1978 г.
5. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983 г.
6. http://www.globalinformatics.ru/gloins-1191-1.html
7. http://www.chipdip.ru
8. http://svetlix.ru/articles/about_led
9. http://www.ledbay.ru/page/chto-takoe-svetodiod
10. http://www.laser-portal.ru/content_865
11. http://amperka.ru/product/rgb-led-5mm