Сегодня 22.10.2017

Что следует знать о светодиодах. Как правильно подобрать светодиоды для подсветки рекламных конструкций - световых коробов (лайтбоксов), объемных букв?

Но сначала немного из истории светодиодов.

Жизнь светоизлучающим диодам дала электролюминесценция, которую открыл Генри Джозеф Раунд в 1907 году.

Первый в мире светодиод был разработан в лаборатории компании General Electric в 1962 году, автор Ник Холоньяк.

Это были полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования. В начале 70-х годов 20 века появились светодиоды жёлтого и зелёного цвета свечения. Световой выход этих, в то время ещё малоэффективных, устройств к 1990 году достиг уровня в один люмен.

В 1993 году Сюдзи Накамура, инженер компании Nichia (Япония), создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB устройства, поскольку синий, красный и зелёный цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый.

Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем технология быстро развивалась, и к 2005 году световая отдача светодиодов достигла значения 100 лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света позволило конкурировать с лампами накаливания и ставшими уже традиционными люминесцентными лампами.

Что же такое светодиод?

LED

Это прибор на основе полупроводника, который излучает свет при пропускании через него электрического тока. У светодиода два контакта: анод(плюс) и катод (минус).

Светодиод пропускает электрический ток только в одном направлении, т.е. для свечения светодиода необходим постоянный ток.

Необходимо стабилизировать ток для светодиодов. Как известно, сила тока прямо пропорциональна напряжению, т. е., любое изменение напряжения приведет к увеличению тока. При превышении допустимых значений тока срок службы светодиодов резко уменьшается или они выходят из строя.

Существует большое количество различных полупроводниковых материалов из которых делают светодиоды, причем характеристики светодиодов (цвет свечения, яркость свечения и т.д.) зависят от химического состава данных материалов.

В корпусе одного светодиода может находится один полупроводниковый кристалл, или три, например, RGB-светодиоды. RGB расшифровывается как аббревиатура Red, Green, Blue, при помощи этих цветов можно получить любой цвет путем смешения. Три кристалла одного цвета в одном корпусе светодиода кратно увеличивают его яркость.

Яркость и качество света.

Самым важным параметром считается даже не яркость светодиода, а его световая отдача, то есть световой выход с каждого ватта потреблённой светодиодом электрической энергии. Световая отдача современных светодиодов достигает 150—170 лм/Вт. Теоретический предел технологии оценивается в 260—300 лм/Вт.

При оценке необходимо учитывать, что эффективность светильника на базе светодиодов существенно ниже за счёт КПД источника питания, оптических свойств рассеивателя, отражателя и других элементов конструкции.

Кроме того, производители зачастую указывают начальную эффективность излучателя при нормальной температуре. Тогда как температура чипа в процессе работы значительно выше. Это приводит к тому, что реальная эффективность излучателя ниже на 5—7 %, а светильника — зачастую вдвое. Второй не менее важный параметр — качество производимого светодиодом света.

Для оценки качества цветопередачи существует три параметра:

• Цветовая температура, цветовая коррелированная температура (correlated color temperature, CCT) — характеризует оттенок цвета, даётся производителями для указания субъективного восприятия цветового оттенка света, производимого источником, в сравнении с Планковским чёрным телом, нагретым до указанной температуры (в Кельвинах). Для освещения жилых помещений, преимущественно используют излучатели тёплого света (от 2700 K до 3000 K) и в некоторых случаях нейтрального (от 3500 K до 4000 K).

• Индекс цветопередачи (color rendering index, CRI) — характеризует полноту спектра излучения, способность передавать правильно цвет предметов, по сравнению с солнечным светом. Определяется по стандарту опытным путём при сравнении цвета восьми эталонов, освещённых тестовым источником и максимально приближенным к идеальному. Считается, что источник бытового освещения должен иметь индекс цветопередачи не менее 80.

• Качество света. Цветовая температура и индекс цветопередачи во многих случаях не могут адекватно передать качество производимого светодиодами света. Это в основном определяется особенностями спектра с резкими выбросами и провалами. Некоторые цвета, такие как глубокий красный, не анализируются по стандарту измерения CRI.

Влияние температуры на срок службы светодиода.

Полупроводниковый чип в процессе работы часть электрической энергии излучает в виде излучения, часть в виде тепла. При этом, в зависимости от эффективности такого преобразования, количество тепла составляет около половины для самых эффективных излучателей или более. Современные светодиоды работают при температурах чипа в районе 70-80 градусов. И дальнейшее увеличение этой температуры недопустимо.

Высокая температура приводит к увеличению количества дефектов в активном слое, приводит к повышенной диффузии, изменению оптических свойств подложки.

Увеличение мощности и долговечности достигается усовершенствованием как самой полупроводниковой структуры (снижение локального перегрева), так и развитием конструкции светодиодной сборки, улучшением качества охлаждения активной области чипа.

Корпус светодиода, изготавливаемый из оптически прозрачной кремнийорганической пластмассы или эпоксидной смолы, подвержен старению под воздействием температуры и со временем начинает тускнеть и желтеть, поглощая часть излучаемой светодиодом энергии. Отражающие поверхности также портятся при нагреве — вступают во взаимодействие с другими элементами корпуса, подвержены коррозии.

Все эти факторы в совокупности приводят к тому, что яркость и качество излучаемого света постепенно снижается.

Однако, этот процесс можно успешно замедлить, обеспечивая эффективный теплоотвод.

В зависимости от состава люминофора выпускаются светодиоды с разной цветовой температурой («тёплые» и «холодные»).

Один из путей увеличения яркости люминофорных светодиодов при сохранении или даже снижении их стоимости — увеличение тока через полупроводниковый чип без увеличения его размеров — увеличение плотности тока.

Такой метод связан с одновременным повышением требований к качеству самого чипа и к качеству теплоотвода.

При достижении предельных токов происходит локальный перегрев участков чипа, что влияет на световой выход и долговечность светодиода в целом.

Для удешевления стоимости светодиодов некоторые производители используются дешевые светодиоды сомнительного производства, как следствие светодиод теряет 30% своего светового потока уже впервые 5-8 месяцев – это называется деградация полупроводникового излучающего кристалла.

Одна из основных причин – нет отвода тепла, т.е. под платой светодиода нет теплоотводящей пластины для отвода избытка тепла.

Как правильно подобрать светодиоды для подсветки рекламных конструкций - световых коробов (лайтбоксов), объемных букв?

В последние годы широкое распространение приобрели светодиодные модули на чипах 3528, 5050 и 5630.

Что означают эти цифры?

Это площадь чипа в миллиметрах: 3528 – 3,5 х 2,8 мм, 50 х 50 – 5 х 5 мм и т.д. Главное же, чем отличаются эти модули между собой, это площадью пятна контакта чипа с платой. Чем больше эта величина, тем более сильному нагреву может подвергаться светодиодный чип, не повреждая его, и тем быстрее рассеивается тепло.

Практически все современные светодиодные модули оснащаются линзами, которые обеспечивают рассеивание излучаемого света на угол 160 градусов. Максимальный угол рассеивания светового потока, на который ранее были способны светодиодные модули без линз, составлял 120 градусов.

Более широкий угол свечения позволяет устанавливать меньшее количество светодиодных модулей, чтобы засветить поверхность вывески и получить при этом равномерную засветку. Также необходимо отметить, что светодиодные модули с углом рассеивания светового потока в 160 градусов можно устанавливать в световые короба меньшей глубины, поскольку в данном случае предотвращается образование световых пятен.

Таким образом, достигается качественная, яркая и равномерная засветка вывески и при этом обеспечивается экономия за счет сокращения затрат на светодиодные модули и блоки питания, а также сокращается расход электропотребления.

Также необходимо отметить, что экономия достигается не только на количестве модулей и блоках питания, но и на работе и времени, которые необходимы на их установку.

Низкое электропотребление, экологическая безопасность, простота сборки и монтажа, антивандальные качества, срок службы дают неоспоримые преимущества светодиодов перед другими традиционными искусственными источниками света такими, как люминесцентные лампы, неон, галогеновые и газоразрядные лампы.