Еще один источник света — твердотельные излучатели

Здравствуйте.

В прошлой части урока вы рассмотрели тепловые излучатели и газоразрядные лампы.

Вы узнали, что лампы накаливания и галогенные лампы образуют свет за счет нагрева. Однако они малоэффективны, потому что большая часть энергии уходит на образование тепла.

Газоразрядные лампы образуют свет за счет электрического разряда, намного эффективнее тепловых излучателей и служат в 2-3 раза дольше. Однако содержат токсичные вещества, что не дает им стать идеальными источниками искусственного света.

В этой части рассмотрим еще один вид источника света, который сегодня наиболее востребован. Это твердотельные излучатели или, по простому, светодиоды.

Твердотельные излучатели — источники света, в которых излучение создается внутри твердотельных материалов.

Твердотельный материал — это полупроводник. У него, как и в обычных диодных микросхемах, многослойное покрытие, которое образует p-n-переходы. Отсюда и пошли названия «светоизлучающий диод» и «светодиод».

Что такое p-n-переход

p-n-переход (или электронно-дырочный переход) — это область, где соприкасаются полупроводники с разным типом проводимости:

• p — дырочной;
  
• n — электронной.

В полупроводнике p-типа намного больше дырок (квазичастиц, носителей положительного заряда), чем электронов. В полупроводнике n-типа наоборот.

Когда в p-n-переходе возникает напряжение, электроны и дырки начинают двигаться к месту стыка слоев. Там электроны из n-слоя проникают в дырки p-слоя. Это можно сравнить с автомобильной пробкой. Один автомобиль проехал вперед, и образовалось пустое пространство, которое тут же занял второй автомобиль.

Когда электрон попадает в дырку p-слоя, он переходит на более низкий уровень энергии. В результате возникает разность энергий, которая приводит к излучению света. Происходит это примерно так:

Такой процесс образования света оказался самым эффективным на сегодняшний день. Чтобы убедиться в этом, давайте сравним светодиоды с лампой накаливания и компактной люминесцентной лампой (аналог ртутной газоразрядной лампы, которая используется в быту):

Органические светодиоды (OLED)

Существуют еще органические светодиоды. Они изготавливаются из органических соединений — химические соединения, в которые обязательно входит углерод. В то время как в производстве обычных светодиодов используются неорганические вещества.

OLED в основном используют для создания устройство отображения информации, например, экранов смартфонов, телевизоров и уличных экранов.

Световой спектр светодиодов очень узкий. Каждый светодиод может излучать свет только одного цвета. Если провести аналогию с алфавитом, то получается, что лампа накаливания использует все 33 буквы в своем излучении, а светодиод — только одну.

Кроме этого, дело усложняется тем, что результат при производстве светодиодов невозможно контролировать. Неизвестно, какая цветовая температура свечения будет у светодиода. Поэтому после изготовления их обязательно сортируют.

Однако тут есть еще одна тонкость. Внутри одной цветовой температуры светодиоды могут быть разного оттенка: в одном больше синего, в другом — красного, в третьем зеленого.

Как быть уверенным, что светодиоды с одной цветовой температурой светят одним цветом

Если светодиоды из одной партии, то они точно светят одинаково — производитель отсортировал.

Если же вы выбираете светильники одного производителя, но из разных партий, смотрите на маркировку BIN — она точнее говорит о цветовом тоне светодиода.

Чтобы светодиодный светильник излучал свет нужного цвета, в нем сочетают несколько светодиодов разных цветов. Например, чтобы получить белое свечение, сочетают синий, красный и зеленый светодиоды.

Недостаток такого смешения цветов в том, что полученное излучение плохо передает цвета предметов.

На заметку

Сейчас светотехники работают над тем, чтобы создать один многослойный светодиод, каждый слой которого создает излучение определенного цвета.

Например, если один слой будет создавать красный свет, другой — синий, а третий — зеленый, то в целом светодиод будет излучать белый свет.

Чтобы светодиодный светильник обладал высокой цветопередачей, используют голубые светодиоды и люминофор желтого цвета:

Такое смешение выбрано неспроста. Считается, что самой хорошей цветопередачей обладает дневной свет. Он получается в результате прохождения солнечного излучения желтого цвета через голубую атмосферу. В светодиоде наоборот: голубое излучение проходит через желтую «атмосферу». Однако результат один: белый свет, почти как дневной.

Цветопередача — это способность источника света верно передавать цвета освещаемого предмета. Часто бывает такое: две лампы имеют одинаковую цветовую температуру, но передают цвет освещаемых предметов по-разному. Сравните:

Когда цветопередача плохая, освещаемые предметы выглядят невзрачно. И наоборот.

В тех местах, где важно, чтобы цвета предметов передавались верно, необходимо ставить светильники с хорошей цветопередачей. Такими местами могут быть магазины одежды, музеи, картинные галереи и т.д.

Помни о цветопередаче

В светодиодах по мере увеличения напряжения увеличивается ток. Из-за этого даже небольшие скачки напряжения могут их повредить. Чтобы такого не произошло, применяют стабилизирующие устройства — драйверы.

Драйвер светодиода, который иногда называют токовым стабилизатором — это электронная схема, которая поддерживает ток на приемлемом уровне, каким бы высоким не было напряжение. Благодаря этому светодиод можно подключить к любому источнику питания. Кроме этого, некоторые драйверы наделяют функцией регулировки светового потока.

Принцип работы драйвера: какое бы ни было напряжение, он поддерживает ток на приемлемом уровне

На заметку

Из прошлой части мы помним, что газоразрядным лампам тоже необходимо устройство для ограничения тока — балласт. Однако балласты и ИЗУ для газоразрядных ламп и драйверы (блоки питания) для светодиодов — это совершенно разные устройства.

Если подключить балласт к светодиоду, то в лучшем случае он просто не будет работать, а в худшем — либо испортится оборудование, либо возникнет опасность для здоровья.

Каждому свое: балласты — газоразрядным лампам, драйверы — светодиодам

У светодиодов только один недостаток: сложный и трудоемкий процесс производства. Сначала их надо вырастить, потом отполировать до идеальной гладкости, подсоединить контакты, залить люминофором и т.д. Усложняется процесс тем, что большинство компонентов производства настолько маленькие, что не видны невооруженным глазом. Из-за этого светодиодные светильники стоят дороже газоразрядных ламп и ламп накаливания.

Однако технологии не стоят на месте, и светодиоды постепенно становятся мощнее, эффективнее и дешевле в производстве.

Если хотите больше узнать о процессе производства светодиодов, посмотрите это короткое видео.

Светодиоды становятся дешевле с каждым годом

1. Твердотельные источники света — это многослойные полупроводники, в которых образуется p-n-переход.

Когда в p-n-переходе возникает напряжение, электроны и дырки начинают двигаться к месту стыка слоев. Там электроны из слоя n-типа проникают в дырки слоя p-типа. При этом электрон переходит на более низкий уровень энергии, и возникшая разность энергий приводит к излучению света.

2. Светодиод может излучать свет одного цвета. Чтобы светодиодная лампа излучала белый свет, в ней сочетают три светодиода: один излучает красный свет, другой — синий, третий — зеленый. Совмещение этих цветов дает белое излучение. Однако у такого излучения плохая цветопередача.

3. Чтобы получить свет с хорошей цветопередачей, совмещают светодиод, излучающий синий свет, с люминофором. Последний преобразует синие лучи в лучи разных цветов.

4. Светодиодные светильники комплектуются драйверами. Это электросхемы, которые поддерживают ток на одном уровне вне зависимости от изменения напряжения. Без них при каждом скачке напряжения будет увеличиваться ток — а увеличение тока может повредить светодиоды.

5. Светодиоды более дороги, чем их предшественники, но дешевеют с каждым годом.

На сегодня все. В следующем уроке разберемся с тем, как подчинить себе свет, чтобы он светил в нужные места, не слепил глаза и обеспечивал нужный уровень освещенности.

Всегда ваша,
команда Азбуки Света

Отписаться от бесплатного курса по основам света можно здесь