Kitsa kiirgusspektriga LED-id. LED-lampide kahjustus nägemisele ja inimeste tervisele

Valge LED

Võimas valge LED

Valgeid LED-e on kahte tüüpi:

Mitmekiibilised LED-id, sagedamini kolmekomponendilised (RGB LED-id), mis sisaldavad kolme punase, rohelise ja sinise valguse pooljuhtkiirgust, mis on ühendatud ühes korpuses.
Ultraviolett- või sinise LED-i baasil loodud fosfor-LED-id, mis sisaldavad spetsiaalse fosfori kihti, mis fotoluminestsentsi tulemusena muudab osa LED-kiirgusest valguseks suhteliselt laias spektriribas, maksimumiga kollases piirkonnas. (kõige tavalisem disain). LED-valgusti ja fosfori emissioon tekitavad segamisel erinevat tooni valget valgust.

Leiutamise ajalugu

Esimesed tööstuslikuks kasutamiseks mõeldud punased pooljuhtemitterid hankis N. Holonyak 1962. aastal. 70ndate alguses ilmusid kollased ja rohelised LED-id. Varasemate madala efektiivsusega seadmete valgusvõimsus saavutas ühe luumeni taseme 1990. aastaks. 1993. aastal lõi Nichia (Jaapan) insener Suji Nakamura esimese suure eredusega sinise LED-i. Peaaegu kohe ilmusid LED RGB-seadmed, kuna sinine, punane ja roheline värv võimaldas saada mis tahes värvi, sealhulgas valget. Valged luminofoor-LED-id ilmusid esmakordselt 1996. aastal. Seejärel arenes tehnoloogia kiiresti ja 2005. aastaks jõudis LED-ide valgusvõimsus 100 lm/W või rohkem. LED-id ilmusid erinevate helendusvarjunditega, valguse kvaliteet võimaldas konkureerida hõõglampide ja juba traditsiooniliste luminofoorlampidega. LED-valgustite kasutamine igapäevaelus, sise- ja välisvalgustuses on alanud.

RGB LED-id

Valget valgust saab luua erinevat värvi LED-ide segamisel. Kõige tavalisem trikromaatiline disain on valmistatud punasest (R), rohelisest (G) ja sinisest (B) allikast, kuigi leidub ka bikromaatilisi, tetrakromaatilisi ja mitmevärvilisemaid variante. Mitmevärvilisel LED-il on erinevalt teistest RGB pooljuhtkiirguritest (valgustid, lambid, klastrid) üks terviklik korpus, mis enamasti sarnaneb ühevärvilise LED-iga. LED-kiibid asuvad üksteise kõrval ning jagavad ühist objektiivi ja reflektorit. Kuna pooljuhtkiipide suurus on piiratud ja neil on oma kiirgusmustrid, on sellistel LED-idel enamasti ebaühtlased nurgavärvi omadused. Lisaks ei piisa õige värvisuhte saamiseks sageli disainivoolu määramisest, kuna iga kiibi valgusvõimsus pole eelnevalt teada ja see võib töötamise ajal muutuda. Soovitud toonide seadistamiseks on RGB-lambid mõnikord varustatud spetsiaalsete juhtseadmetega.

RGB-LED-i spekter määratakse selle koostisosade pooljuhtemitterite spektriga ja sellel on selgelt väljendunud joon. See spekter erineb suuresti päikese spektrist, seetõttu on RGB LED-i värviedastusindeks madal. RGB LED-id võimaldavad hõõgumise värvi hõlpsalt ja laialdaselt juhtida, muutes iga triaadis sisalduva LED-i voolu, reguleerides nende poolt otse töötamise ajal kiirgava valge valguse värvitooni - kuni üksikute sõltumatute värvide saamiseni.

Mitmevärviliste LED-ide valgusvõimsus ja värvus sõltuvad temperatuurist tulenevalt seadet moodustavate kiirgavate kiipide erinevatest omadustest, mille tulemusel muutub töötamise ajal helendav värvus veidi. Mitmevärvilise LED-i kasutusiga määrab pooljuhtkiipide vastupidavus, see sõltub konstruktsioonist ja ületab enamasti luminofoor-LED-de kasutusiga.

Mitmevärvilisi LED-e kasutatakse peamiselt dekoratiiv- ja arhitektuurvalgustuseks, elektroonilistes märkides ja videoekraanides.

Fosfor LED-id

Ühe luminofoor-LED-valiku spekter

Sinise (sagedamini) või ultraviolettkiirgusega (harvemini) pooljuhtemitteri ja luminofoormuunduri kombineerimine võimaldab toota heade omadustega odavat valgusallikat. Sellise LED-i levinuim konstruktsioon sisaldab sinist galliumnitriidi pooljuhtkiipi, mida on modifitseeritud indiumiga (InGaN) ja kollases piirkonnas maksimaalse reemissiooniga fosforit - kolmevalentse tseeriumiga (YAG) legeeritud ütrium-alumiiniumgranaat. Osa kiibi algkiirguse võimsusest lahkub LED-i korpusest, hajudes fosforikihis, teine osa neeldub fosforis ja kiirgab uuesti välja madalama energiaväärtuse piirkonnas. Reemissioonispekter hõlmab laia piirkonna punasest roheliseni, kuid sellise LED-i spekter on rohelise-sini-rohelise piirkonna märgatavalt langenud.

Sõltuvalt fosfori koostisest toodetakse LED-e erineva värvitemperatuuriga (“soe” ja “külm”). Erinevat tüüpi luminofooride kombineerimisel saavutatakse värviedastusindeksi (CRI või R a) oluline tõus, mis viitab võimalusele kasutada LED-valgustit värviedastuse kvaliteedi seisukohalt kriitilistes tingimustes.

Üks viis fosfor-LED-de heleduse suurendamiseks, säilitades või isegi nende maksumust vähendades, on pooljuhtkiibi läbiva voolu suurendamine ilma selle suurust suurendamata – voolutiheduse suurendamine. See meetod on seotud kiibi enda kvaliteedi ja jahutusradiaatori kvaliteedi samaaegse suurenemisega. Kui voolutihedus suureneb, vähendavad elektriväljad suuremas osas aktiivsest piirkonnast valguse väljundit. Piirvoolude saavutamisel, kuna LED-kiibi erineva lisandite kontsentratsiooni ja ribavahega alad juhivad voolu erinevalt, tekib kiibi alade lokaalne ülekuumenemine, mis mõjutab valgustugevust ja LED-i kui terviku vastupidavust. Väljundvõimsuse suurendamiseks, säilitades samal ajal spektraalomaduste ja soojustingimuste kvaliteedi, toodetakse LED-e, mis sisaldavad LED-kiipide klastreid ühes korpuses.

Üks enim arutatud teemasid polükroomse LED-tehnoloogia vallas on selle töökindlus ja vastupidavus. Erinevalt paljudest teistest valgusallikatest muudab LED aja jooksul oma valgusvõimsust (efektiivsust), kiirgusmustrit ja värvitooni, kuid harva ebaõnnestub täielikult. Seetõttu võetakse kasuliku eluea hindamiseks, näiteks valgustuse puhul, valgusefektiivsuse vähenemise tase kuni 70% algväärtusest (L70). See tähendab, et LED, mille heledus väheneb töötamise ajal 30%, loetakse rikkis olevaks. Dekoratiivvalgustuses kasutatavate LED-ide puhul kasutatakse eluea hinnanguna heleduse vähendamise taset 50% (L50).

Fosfor-LED-i kasutusiga sõltub paljudest parameetritest. Lisaks LED-koostu enda tootmiskvaliteedile (kiibi kristallihoidja külge kinnitamise meetod, voolu juhtivate juhtide kinnitusviis, tihendusmaterjalide kvaliteet ja kaitseomadused) sõltub eluiga peamiselt kiirgava kiibi enda omadused ja fosfori omaduste muutused töö käigus (lagunemine). Pealegi, nagu näitavad arvukad uuringud, on LED-i kasutusiga peamiseks teguriks temperatuur.

Temperatuuri mõju LED-i kasutusajale

Töötamise ajal eraldab pooljuhtkiip osa elektrienergiast kiirguse ja osa soojuse kujul. Veelgi enam, olenevalt sellise muundamise efektiivsusest on soojushulk kõige tõhusamate emitterite puhul umbes pool või rohkem. Pooljuhtmaterjal ise on madala soojusjuhtivusega, lisaks on korpuse materjalidel ja konstruktsioonil teatud ebaideaalne soojusjuhtivus, mis viib kiibi kuumutamiseni kõrgete temperatuurideni (pooljuhtstruktuuri puhul). Kaasaegsed LED-id töötavad kiibi temperatuuridel vahemikus 70-80 kraadi. Ja selle temperatuuri edasine tõus galliumnitriidi kasutamisel on vastuvõetamatu. Kõrge temperatuur põhjustab aktiivse kihi defektide arvu suurenemist, difusiooni suurenemist ja substraadi optiliste omaduste muutumist. Kõik see toob kaasa mittekiirgusliku rekombinatsiooni ja footonite neeldumise protsendi suurenemise kiibi materjali poolt. Võimsuse ja vastupidavuse kasv saavutatakse nii pooljuhtstruktuuri enda täiustamise (vähendades kohalikku ülekuumenemist) kui ka LED-koostu disaini arendamisega ja kiibi aktiivse ala jahutuse kvaliteedi parandamisega. Uuringuid tehakse ka muude pooljuhtmaterjalide või substraatidega.

Fosfor on vastuvõtlik ka kõrgetele temperatuuridele. Pikaajalisel kokkupuutel temperatuuriga inhibeeritakse uuesti kiirgavad keskused ja konversioonikoefitsient ning fosfori spektraalsed omadused halvenevad. Varajases ja mõnes kaasaegses polükroomse LED-disaini puhul kantakse luminofoor otse pooljuhtmaterjalile ja soojusefekt on maksimeeritud. Lisaks kiirgava kiibi temperatuuri alandamise meetmetele kasutavad tootjad erinevaid meetodeid, et vähendada kiibi temperatuuri mõju fosforile. Eraldatud luminofoortehnoloogiad ja LED-lampide konstruktsioonid, mille puhul luminofoor on emitterist füüsiliselt eraldatud, võivad pikendada valgusallika kasutusiga.

Optiliselt läbipaistvast silikoonplastist või epoksüvaigust LED-korpus vananeb temperatuuri mõjul ning hakkab aja jooksul tuhmuma ja kollaseks muutuma, neelates osa LED-i kiirgavast energiast. Peegeldavad pinnad halvenevad ka kuumutamisel – need interakteeruvad teiste kehaelementidega ja on vastuvõtlikud korrosioonile. Kõik need tegurid koos viivad selleni, et kiiratava valguse heledus ja kvaliteet vähenevad järk-järgult. Seda protsessi saab aga edukalt pidurdada, tagades tõhusa soojuse eemaldamise.

Fosfor-LED disain

Ühe valge LED-i kujunduse skeem. MPCB on kõrge soojusjuhtivusega trükkplaat.

Kaasaegne luminofoor-LED on keerukas seade, mis ühendab endas palju originaalseid ja ainulaadseid tehnilisi lahendusi. LED-il on mitu põhielementi, millest igaüks täidab olulist, sageli rohkem kui ühte funktsiooni:

Kõik LED-disainielemendid kogevad termilist pinget ja need tuleb valida nende soojuspaisumise astet arvestades. Ja hea disaini oluline tingimus on valmistatavus ja LED-seadme kokkupanemise ja lampi paigaldamise madal hind.

Valguse heledus ja kvaliteet

Kõige olulisem parameeter pole isegi mitte LED-i heledus, vaid selle valgusefektiivsus ehk valgusväljund igast LED-i tarbitavast elektrienergia vatist. Kaasaegsete LED-ide valgusefektiivsus ulatub 150-170 lm/W. Tehnoloogia teoreetiliseks piiriks on hinnatud 260-300 lm/W. Hindamisel on vaja arvestada, et LED-idel põhineva lambi kasutegur on oluliselt madalam tänu toiteallika efektiivsusele, hajuti, reflektori ja muude konstruktsioonielementide optilistele omadustele. Lisaks näitavad tootjad sageli emitteri esialgset efektiivsust normaaltemperatuuril. Kuigi kiibi temperatuur töötamise ajal on palju kõrgem. See toob kaasa asjaolu, et emitteri tegelik kasutegur on 5–7% madalam ja lambi oma sageli kaks korda madalam.

Teine sama oluline parameeter on LED-i toodetava valguse kvaliteet. Värviedastuse kvaliteedi hindamiseks on kolm parameetrit:

Ultraviolettkiirguril põhinev fosfor-LED

Lisaks juba laialt levinud sinise LED-i ja YAG-i kombinatsioonile on väljatöötamisel ka ultraviolett-LED-il põhinev disain. Pooljuhtmaterjal, mis on võimeline kiirgama ultraviolettkiirguse lähipiirkonnas, on kaetud mitme kihiga fosforiga, mis põhineb euroopiumil ja tsinksulfiidil, mida aktiveerivad vask ja alumiinium. See fosforite segu annab spektri rohelises, sinises ja punases piirkonnas reemissiooni maksimumid. Saadud valgel valgusel on väga head kvaliteedinäitajad, kuid sellise muundamise efektiivsus on siiski madal.

Fosfor-LED-de eelised ja puudused

Arvestades LED-valgustite kõrget hinda võrreldes traditsiooniliste lampidega, on selliste seadmete kasutamiseks kaalukad põhjused:

Valgete LED-ide peamine eelis on nende kõrge efektiivsus. Madal energia eritarbimine võimaldab neid kasutada pikaajaliselt töötavad autonoomse ja avariivalgustuse allikad.
Kõrge töökindlus ja pikk kasutusiga viitavad võimalikule säästule lambi vahetamisel. Lisaks vähendab LED-valgusallikate kasutamine raskesti ligipääsetavates kohtades ja välistingimustes hoolduskulusid. Koos suure kasuteguriga on LED-valgustuse kasutamine mõnes rakenduses märkimisväärne kulude kokkuhoid.
Seadmete kerge kaal ja suurus. LED-id on väikese suurusega ja sobivad kasutamiseks raskesti ligipääsetavates kohtades ja väikestes kaasaskantavates seadmetes.
Ultraviolett- ja infrapunakiirguse puudumine spektris võimaldab kasutada LED-valgustust inimesi kahjustamata ja eriotstarbel (näiteks haruldaste raamatute või muude valgusega kokkupuutuvate objektide valgustamiseks).
Suurepärane jõudlus miinustemperatuuridel ilma parameetreid vähendamata ja sageli isegi parandamata. Enamikul LED-ide tüüpidel on temperatuuri langedes suurem tõhusus ja pikem eluiga, kuid võimsusel, juhtimisel ja disainikomponentidel võib olla vastupidine mõju.
LED-id on inertsivabad valgusallikad, nende soojenemine või väljalülitamine (nt luminofoorlambid) ei vaja aega ning sisse- ja väljalülitamistsüklite arv ei mõjuta negatiivselt nende töökindlust.
Hea mehaaniline tugevus võimaldab LED-e kasutada karmides töötingimustes.
Lihtne võimsuse reguleerimine nii töötsükli kui ka toitevoolu reguleerimise kaudu, ilma et see kahjustaks tõhusust ja töökindluse parameetreid.
Ohutu kasutada, madala toitepinge tõttu puudub elektrilöögi oht.
Madal tuleoht, kasutusvõimalus plahvatus- ja tuleohu tingimustes hõõguvate elementide puudumise tõttu.
Niiskuskindlus, vastupidavus agressiivsele keskkonnale.
Keemiline neutraalsus, kahjulikud heitmed ja erinõuded kõrvaldamisprotseduuridele.

Kuid on ka puudusi:

Valgustus-LED-idel on ka kõikidele pooljuhtemitteritele omased omadused, mida arvesse võttes võib leida edukaima rakenduse näiteks kiirguse suuna. LED paistab ainult ühes suunas ilma täiendavaid helkureid ja hajureid kasutamata. LED-valgustid sobivad kõige paremini koht- ja suundvalgustuseks.

Valge LED-tehnoloogia arendamise väljavaated

Aktiivne arendustöö on valgustamiseks sobivate valgete LED-ide valmistamise tehnoloogiad. Selle valdkonna teadusuuringuid stimuleerib avalikkuse suurenenud huvi. Olulise energiasäästu väljavaade meelitab ligi investeeringuid protsessiuuringutesse, tehnoloogia arendusse ja uute materjalide otsimisse. Valgusdioodide ja nendega seotud materjalide tootjate, pooljuhtide ja valgustustehnika spetsialistide väljaannete põhjal on võimalik välja tuua selle valdkonna arenguteed:

Vaata ka

Märkmed

, lk. 19-20
Cree MC-E LED-id, mis sisaldavad punast, rohelist, sinist ja valget emitterit. LED professionaal. Arhiveeritud
Vishay VLMx51 LED-id, mis sisaldavad punaseid, oranže, kollaseid ja valgeid emittereid. LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Cree XB-D ja XM-L mitmevärvilised LED-id. LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Cree XP-C LED-id, mis sisaldavad kuut monokromaatilist emitterit. LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Nikiforov S. Pooljuhtvalgustustehnoloogia S-klass // Komponendid ja tehnoloogiad: ajakiri. - 2009. - nr 6. - Lk 88-91.
Truson P. Halvardson E. RGB LED-ide eelised valgustusseadmete jaoks // Komponendid ja tehnoloogiad: ajakiri. - 2007. - nr 2.
, lk. 404
Nikiforov S. Temperatuur LED-ide eluea ja töö ajal // Komponendid ja tehnoloogiad: ajakiri. - 2005. - nr 9.
LED-id sise- ja arhitektuurvalgustuseks (inglise keeles). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Siang Ling Oon LED-lahendused arhitektuursetele valgustussüsteemidele // : ajakiri. - 2010. - nr 5. - Lk 18-20.
RGB LED-id kasutamiseks elektroonilistes ekraanides (inglise keeles). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Turkin A. Galliumnitriid kui üks paljutõotav materjal kaasaegses optoelektroonikas // Komponendid ja tehnoloogiad: ajakiri. - 2011. - nr 5.
Kõrge CRI väärtusega LED-id. LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Cree EasyWhite tehnoloogia. LED-ide ajakiri. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Nikiforov S., Arhipov A. AlGaInN-il ja AlGaInP-l põhinevate LED-ide kvantsaagise määramise omadused erinevatel voolutihedustel kiirgava kristalli kaudu // Komponendid ja tehnoloogiad: ajakiri. - 2008. - nr 1.
Nikiforov S. Nüüd on elektronid näha: LEDid muudavad elektrivoolu väga nähtavaks // Komponendid ja tehnoloogiad: ajakiri. - 2006. - nr 3.
Valgusdioodid suure hulga pooljuhtkiipide maatriksi paigutusega (inglise). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
White LED Lifetime Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Laaditud 10. novembril 2012.
LED-defektide tüübid ja analüüsimeetodid (inglise). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
, lk. 61, 77-79
LEDid firmalt SemiLEDs (inglise keeles). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
GaN-on-Si Silicon LED-uuringute programm. LED professionaal. Vaadatud 10. novembril 2012.
Cree isoleeritud fosforitehnoloogia. LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Turkin A. Pooljuhtide LED-id: ajalugu, faktid, väljavaated // Pooljuhtvalgustuse tehnoloogia: ajakiri. - 2011. - nr 5. - Lk 28-33.
Ivanov A.V., Fedorov A.V., Semenov S.M. Suure heledusega LED-idel põhinevad säästulambid // Energiavarustus ja energiasääst – regionaalne aspekt: XII ülevenemaaline koosolek: aruannete materjalid. - Tomsk: Peterburi graafika, 2011. - lk 74-77.
, lk. 424
Suure valgusvõimsusega valged LED-id valgustusvajaduste jaoks. Phys.Org™. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
LED-valgustuse põhitõed. USA Energeetikaministeerium. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Sharakshane A. Skaalad valguse spektraalkoostise kvaliteedi hindamiseks - CRI ja CQS // Pooljuhtvalgustuse tehnoloogia: ajakiri. - 2011. - nr 4.
Ultravioletsed LED-id SemiLED lainepikkusega 390-420 nm. (Inglise) . LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
, lk. 4-5
Nuventixi kampaania aktiivsed jahutussüsteemid. LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
N.P.Soschin Kaasaegsed fotoluminestseeruvad materjalid tõhusate pooljuhtvalgustusseadmete jaoks. Konverentsi materjalid. (vene) (1. veebruar 2010). Arhiveeritud
O.E.Dudukalo, V.A.Vorobiev(vene) (31. mai 2011). Arhiveeritud originaalist 27. oktoobril 2012.
Fosforide kiirendatud temperatuuridegradatsiooni testid (inglise). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Teadusuuringud ja turud avaldavad uue 2012. aasta aruande LED-fosformaterjalide kohta (inglise keeles). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 10. detsembril 2012. Vaadatud 30. novembril 2012.
Intematix esitles luminofooride komplekti kvaliteetseks värviedastuseks (inglise keeles). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Lumi-tech pakkus valgete LED-ide jaoks välja SSE-luminofoori. LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Punane fosfor firmalt Intematix (inglise keel). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Quantum dot LED-id (inglise keeles). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Osrami 609 nm punane täisdioodi prototüüp 61% efektiivsusega. LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Üleminek GaN-on-Si struktuurile (inglise). LED professionaal. Arhiveeritud originaalist 23. novembril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
Tim WhitakerÜhisettevõte ZnSe valgete LED-ide valmistamiseks (inglise keeles) (6. detsember 2002). Arhiveeritud originaalist 27. oktoobril 2012. Vaadatud 10. novembril 2012.
, lk. 426

Kirjandus

Schubert F.E. LEDid. - M.: Fizmatlit, 2008. - 496 lk. - ISBN 978-5-9221-0851-5
Weinert D. LED-valgustus: käsiraamat. - Philips, 2010. - 156 lk. - ISBN 978-0-615-36061-4

Lingid

USA energeetikaministeeriumi veebisait LED-valgustuse kohta
Led Professional. Teadus- ja tehnikaajakiri LED-ide ja LED-valgustuse kohta, Austria
LED-ide ajakiri. Teadus- ja tehnikaajakiri LED-idest ja LED-valgustitest. USA
Pooljuhtvalgustuse tehnoloogia. Vene ajakiri LED-ide ja LED-valgustite kohta


Hõõglamp	Hõõglamp Halogeenlamp
Fluorestseeruv

Kuid lillede kasvatamine meie talvistes tingimustes pole lihtne. Ma räägin teile sellest, mis aitab taimede kasvatamisel - spetsiaalne valgus, fütolambid.

Ilusaid kevadpühi, kallid daamid! Mis on kevadpüha ilma lilledeta?

Olen juba kirjutanud mitmeid artikleid omatehtud taimelampide kohta.

Nüüd räägin teile spetsiaalsetest "täisspektriga" taimedele mõeldud LED-idest
Protsess sõltub suuresti valguse spektrist.

Seetõttu on efektiivsem kasutada valgust võimalikult lähedal 445nm ja 660nm. Samuti on soovitatav lisada infrapuna LED. Sellest kõigest on vastavates foorumites päris mitu eksemplari kirjutatud. Ma ei hakka teoretiseerima, vaid jätkan praktikaga. Seekord ostsin ALI avarustest taimedele 3-vatised “täisspektrilised” LED-id.

Toote omadused

Võimsus: 3W (samas partiis on 1W)
Töövool: 700mA
Tööpinge: 3,2-3,4V
Kiibi tootja: Epistar Chip
Kiibi suurus: 45mil
Spekter: 400nm-840nm
Sertifikaadid: CE, RoHS,
Eluiga: 100 000 h
Eesmärk: lambid taimedele

LED-ide hind on üsna atraktiivne.
Pakend on väga lihtne.

Välimuselt sarnaneb LED oma külma ja sooja valgete vendadega.

Pakend jäi üle varem kasutatud LED-idest.

LED testimine

Alustuseks kontrollige võimsust ja võtke voolu-pinge karakteristikud
Arvuti toiteplokk, mida kasutasin laborina ja vana hea PEVR-25, mis kehastab suurt ajastut)))

Voolu/pinge mõõtmine lihtsa seadmega, kuna siin pole erilist täpsust vaja. No ja jahutusradiaator, et LED-i mitte üle kuumeneda, kui ma seda mõnitan. Lisaks mõõtsin valgustust igas režiimis umbes 15-20 cm kauguselt, et hinnata hõõgumise efektiivsust erinevatel vooludel.

Suurendasin LED-i võimsust 7,5W-ni, arvasin, et ta sureb, aga ei, ta jäi ellu!

Vaatame, mida annab pinge ja valgustuse ja voolu graafik.

Pinge muutub üsna lineaarselt. 1,5A voolul pole kristallide lagunemise märke. Kõik muutub valgustusega huvitavamaks. Umbes 500 mA järel väheneb valgustuse sõltuvus voolust. Järeldan, et 500–600 mA on selle LED-iga kõige tõhusam töörežiim, kuigi see töötab oma 700 mA nimivõimsusel üsna hästi.

Spektraalanalüüs

Spektraalanalüüsiks kasutasin spektroskoopi

Me valgustame uuritava allikaga ühte torusse ja teise valgustame skaalat. Vaatame valmis spektrit läbi okulaari

Kahjuks pole sellel spektroskoopil pildistamiseks spetsiaalset kinnitust. Pilt oli visuaalselt väga ilus ja ei tahtnud arvutisse toota. Proovisin erinevaid kaameraid, telefone ja tahvelarvuteid. Selle tulemusena asusin paika , mille abil õnnestus kuidagi spektrit pildistada. Täiendasin redaktoris skaalanumbrid, kuna kaamera ei tahtnud normaalselt teravustada.

See on see, millega ma lõpetasin
Päikese spekter

Luminofoor laualamp
Elavhõbeda spektrijooned on selgelt nähtavad

Radiaatorina kasutan U-kujulist 30mm alumiiniumprofiili. 1m profiilil (umbes 20W) on 10 LED-i. Pideva töötamise ajal soojeneb selline lamp mitte rohkem kui 45C.

Valmistan juhtidele korpuseid elektrikaabli kanalitest.

LED-ide liimimiseks profiilile kasutan Kaasani hermeetikut, kuigi sobiks ka kuumsulamliim.

Siis ühendan kõik juhtmetega, kontaktid isoleerin termokahanevaga

Nüüd on juht ja fütolamp valmis

Paar tundi töötamist näitab, et soojusarvutus on tehtud õigesti ja ülekuumenemist ei teki ka pikaajalisel tööl

Lambi valgus on pehmem kui eraldiseisvate 440 nm ja 660 nm LED-ide valgus. See pimestab silmi vähem.

On aeg kokkuvõtteid teha

"Täisspektriga" LED-id õigustavad täielikult oma eesmärki ja sobivad fütolampide valmistamiseks.

Deklareeritud võimsus ja spekter vastavad deklareeritud omadustele, kuigi infrapunakomponenti ei saanud kontrollida.

Nõutav spekter sellistes LED-ides saavutatakse spetsiaalse fosfori abil, nii et dioodide endi disain võib olla ükskõik milline. Kasvuhoonetes kasutamiseks võite võtta võimsaid 20 W ja suuremaid maatrikseid. Need LED-id on piisavad istikute ja toataimede valgustamiseks.

Väljasõiduülevaatus läbitud!

Tarbimise ökoloogia. Ideaalis on lambi emissioonispektri kvaliteedi hindamiseks vaja spektrofotomeetrit. Viimase abinõuna saate monitoride profileerimiseks/kalibreerimiseks kasutada spektrofotomeetreid (näiteks ColorMunki) - kui teil on selline seade.

Ideaalis on lambi emissioonispektri kvaliteedi hindamiseks vaja spektrofotomeetrit. Viimase abinõuna saate monitoride profileerimiseks/kalibreerimiseks kasutada spektrofotomeetreid (näiteks ColorMunki) - kui teil on selline seade. Lampide hindamiseks pole mõtet koju osta spektrofotomeetreid, need maksavad sadadest kuni kümnete tuhandete dollariteni.

Sellegipoolest valmistatakse geoloogide ja juveliiride vajadusteks lihtsaid difraktsioonvõrel põhinevaid spektroskoope. Nende maksumus on 1200 kuni 2500 rubla. Ja see on lõbus ja kasulik asi.

Spekroskoop näeb välja selline:

Peate vaatama okulaari (vasakul, kus on koonus), samal ajal kui lääts (paremal) peaks olema suunatud kiirgusallika poole.

Difraktsioonvõre jagab valguse spektriks (nagu vikerkaar või optiline prisma).

Enne tõeliste lampide spektritesse süvenemist tuletan teile meelde üldist teavet. (Seda on üksikasjalikult käsitletud raamatu peatükis “Valguse kvaliteet”).

Siin näitan kahte SDL-spektrit erakordselt kõrge värviedastusindeksiga 97:

Külm valgus:

Näete, et värvitemperatuur on 5401 K, indeks 97. Peaasi, et on näha, millistest silmaga nähtavatest värvidest spekter koosneb.

Soe valgus:

Temperatuur 3046 K, indeks samuti 97.

Spektrofotomeeter – erinevalt spektroskoobist – ei näita mitte ainult seda, millised värvid moodustavad spektri, vaid annab ka nende intensiivsuse. On selgelt näha, et mõlema lambi spektris on kõik värvid, millest koosneb valge (“iga jahimees tahab teada, kus faasan istub”, st punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo, violetne). Värvustemperatuuri erinevus saavutatakse jaheda (sinine-tsüaan) ja sooja (kollane-punane) komponentide suhtelise panuse kaudu.

Olen sunnitud mainima, et see spektroskoop on mõeldud mobiilseks kasutamiseks silmade abil. Pildi fikseerimine on äärmiselt ebamugav, kuna okulaar on väike ja kaameral puuduvad fikseerimisseadmed. Seetõttu peate ühe käega hoidma kaamerat, teisega spektroskoopi ja juhtima pildistamist häälega. Samal ajal peate siiski hoidma valgusallika suunda, väikesed kõrvalekalded tavapärasest põhjustavad spektri värvide moonutamist. Peaaegu kümnest erinevast kaamerast, mis mul kodus on, osutus parimaks Samsungi tahvelarvuti. Kaamera on küll vaid 5-megapiksline, kuid tarkvara on hea ning objektiivi suurus ja asend seadme korpusel võimaldavad spektroskoopi enam-vähem mugavalt külge panna. Valge tasakaal oli fikseeritud kui “päevavalgus”, ISO 400. Pilte ei töödeldud, vaid sirgendati ja kärbiti. Parempoolsed numbrid näitavad allika värviedastusindeksit (100 - päevavalgus pilvise ilmaga, 99 - hõõglamp). Ma ei ole fotode kvaliteediga väga rahul – aga ma ei saaks seda paremini teha.

Niisiis, alustame ülalt alla ja proovime konkreetsete näidete abil mõista, millele peate sellistes spektrites tähelepanu pöörama.

Päevavalgus ja hõõglamp: ideaalne spekter, mis hõlmab kõiki ülaltoodud värve.

SDL-id, mille värviedastusindeksid on 87 ja 84, näitavad samuti peaaegu kogu spektrit. Probleem on tavaliselt punases osas – kui tavaliselt piisab kollasest ja oranžist, siis sügavpunased toonid enamasti puuduvad. Neid pole ka siin näha. Samuti võib eeldada (näiteks sinise hulga spektrites), et tootjad kasutavad erinevaid 5736SMD LED-e. Need. Meil ei ole tegu sama lambiga, mis on ostetud erinevatelt müüjatelt – vaid erinevatelt tootjatelt.

SDL indeksiga 78 (selle analüüs on toodud raamatu peatükis “Hindamistesti näide”) koos kärbitud punase osaga näitab samuti vähesel määral sinist. (Võib tunduda, et võrreldes indeksiga 84 lambi spektriga pole see nii. Kuid siin peate meeles pidama, et 84 on soe lamp, T = 2900. Ja 78 on külm, T = 5750 K, definitsiooni järgi on palju rohkem sinist) . Just see on lihtsate soodsate SDL-ide peamine puudus, mis LED-i sinise või lilla kiirguse ja fosfori kollakasoranži valguse tõttu toodavad väidetavalt valget valgust. Sinisest paremal asub sinine - kuid kirjeldatud kombinatsioonist see "ei tööta". Seetõttu on seal SDL-i spektris tavaliselt langus. Selle tõttu (pluss sügavpunase puudumise tõttu) värviedastusindeks langeb.

Madalaim spekter on kvaliteetne kompaktluminofoorlamp (CFL, T=2700 K, ressurss 12 000 tundi, deklareeritud värviedastusindeks vähemalt 80). Ja siin on selgelt näha, kuidas see formaalselt üsna kõrge väärtus saavutatakse. Tootja ise nimetab seda "Tricolori süsteemiks". Need. see kasutab kolmest komponendist koosnevat fosforit, millest igaüks kiirgab valgust kitsas ribas. (Loomulikult pole sellist lampi sugugi lihtne teha, kuna on vaja hoolikalt valida fosfori kombinatsiooni.) Just selliste vertikaalsete triipude (näiteks violetne, roheline, kollane) olemasolu on oluline. märk madala kvaliteediga valgusallikatest. Allika joonspektri teine tagajärg on mõne värvi füüsiline puudumine põhimõtteliselt (joonisel näiteks kollast praktiliselt pole ja sinist väga vähe). On ilmne, et selliste lampide valgusest on vaatamata formaalselt üsna kõrgele jõudlusele silmadele vähe kasu. Selliseid lampe tuleks kasutada kvaliteetsete hajutitega lampides (kuigi loomulikult ei muuda see lambi spektrit).

Järeldus: kõrge värviedastusindeksiga valgusallikate spektrites peaksid esinema kõik spektri värvid ja ei tohiks olla intensiivseid kitsaid ribasid.

Eraldi tahaksin hoiatada kiirustamise eest spektrite analüüsimisel. Oma töös rääkisin palju spektroskoopidega ja märkasin raudset mustrit: mida kvalifitseeritum ja professionaalsem on spetsialist, seda ettevaatlikum ja kõrvalehoidlikum on ta järeldustes. Parimatelt, professorilt, spektroskoopialbori juhatajalt, oli üldiselt võimatu selget järeldust teha (mis alguses, noorena, mind metsikult ärritas). Silm on kahtlemata parim optiline instrument. Kuid spektrite analüüs ja tõlgendamine on lõputult keeruline teema. Tööl on tohutult palju erinevaid tegureid. Seetõttu soovitan tungivalt ainult kõige lihtsamat spektrite kvalitatiivset hindamist silmadega, ilma kavalate arutluskäikude ja kaugeleulatuvate järeldusteta. Parim on vaheldumisi vaadata hinnatava lambi spektrit ja päevavalguse või valguse ideaalset spektrit. Need. selge võrdlus üksteisega. avaldatud

Valgusdioodi emissioonispekter määratakse kasutatava pooljuhtmaterjali ribalaiuse, lisandi tüübi, dopingu taseme ja kiirgusrekombinatsiooni mehhanismi järgi.. Nagu eespool mainitud, on tõhusate LED-ide valmistamise peamisteks materjalideks kahekomponentsed pooljuhtühendid A III B V ja nende tahked lahused. Joonisel fig. Joonis 4.4 näitab mõne tüüpilise kaubanduslikult toodetud LED-i emissioonispektreid toatemperatuuril suhtelistes ühikutes.

Kõige tõhusamad on galliumarseniidil põhinevad LED-id GaAs ribavahega ∆ E= 1,45 eV. Järelikult kiirguse enda spektraalomaduste maksimum GaAs täheldatud lainepikkusel λ max=1,24/1,4 = 0,9 µm, mis vastab infrapunapiirkonnale. Kui dopingut tarvitada GaAs Erinevad lisandid (telluurium, seleen, liitium jne), mille ribalaius on erinev, võivad LED-id kiirata vahemikus λ max= 0,9…0,96 µm. LED-id põlevad GaAs on kõrgeima kvanttõhususega ( η välised=10...30% olenevalt konstruktsioonist). On oluline, et emissioonispekter GaAs-LED-id vastavad väga hästi kõige levinumate valgustundlikkuse spektrile Si- fotodioodid.

Pikema lainepikkusega LED-id toodetakse otsese vahega tahkete lahenduste põhjal Ga X 1p 1 As Ja Ga X 1p 1 As 1 R juures . Nende jaoks on valdav kvaasiribadevaheline kiirgusrekombinatsioon.

On oluline, et selliste LED-ide maksimaalne emissioonispekter oleks määratud tahke lahuse koostisega. Muutuv X Ja juures, on võimalik toota valgusdioodi antud spektripiirkonna jaoks, mis langeb kokku näiteks optilise kiu minimaalsete kadudega või mis tahes aine, mille kontsentratsiooni tuleb kontrollida, neeldumisspektri maksimumiga. LED-id spektripiirkonna jaoks λ >5 pliikalkogeniidide põhjal saab valmistada mikroneid: Rb X SP 1- x Need ja elavhõbe: Cd X Hg 1- x Need.

galliumfosfiid ( GaP) on ribavahe ∆ E = 2,25 eV, mis määrab kiirguse lainepikkuse λ max=0,56 um. See vastab sära rohelisele värvile. Lisanditega legeeritud ( N, O 2 , Zn) sellised LED-id võivad kiirata punast, kollast, rohelist valgust. Seega GaP LED-id on loodud töötama spektri nähtavas osas. GaP jaoks – η välised = 7…0,7 %.

Galliumnitriidi baasil saab luua valgusdioode nähtava spektri lühilaine piirkonna jaoks, mis töötavad sinises, indigo- ja violetses vahemikus GaN ja heteroühendused, kasutades tahkeid lahuseid Ga X sisse 1- x N Ja Ga 1- x Al x N. LED-põhine GaN kiirgust välja andma λ max=0,44 µm, kuid väga madala efektiivsusega η välised 0,5 %.

Samal eesmärgil kasutatakse ränikarbiidi. SiC. Kuigi dioodide baasil SiC on väikesed η välised 0,01%, kuid neil on kõrge aja- ja temperatuuristabiilsus. Nende põhjal luuakse standardsed kiirgusallikad.

Joon.4.4. LED-ide emissioonispektrid.

Nii infrapuna- kui ka nähtava kiirguse dioodide väljastamiseks kasutatakse laialdaselt gallium-alumiinium-arseeni tahke lahuse baasil valmistatud kolmekomponentseid ühendeid. GaAlAs. Kasutatakse ka gallium-arseeni-fosfori baasil valmistatud tahkeid lahuseid GaAsP ja indium galliumfosfor I nGaP. Üldnäitaja järgi ( R izl, esitus) GaAlAs vastab kõige paremini optoelektroonika nõuetele. Selles materjalis on mõned aatomid Ga kristallis GaAs asendatud aatomitega Al. Asendatud aatomite osakaalu suurenedes varieerub ribavahemik ∆ E=1,45 eV ( GaAs) enne ∆ E=2,16 eV (puhas AlAs). Seega võivad sellised LED-id kiirata lainepikkusel  max=0,6...0,9 µm, s.o. tekitavad kiirgust nii spektri nähtavas kui ka infrapuna piirkonnas. Selle materjali väline kvantsaagis on η välised =1,2…12 %.

Heledus LED-i valgustus või kiirgusvõimsus sõltub peaaegu lineaarselt dioodi läbivast voolust paljude voolumuutuste vahemikus. Erandiks on punane GaP- LED-id, mille heledus voolu suurenedes küllastub. LED-i pideva voolu korral väheneb selle heledus temperatuuri tõustes. Punaste jaoks GaP- LED-ide puhul vähendab temperatuuri tõus võrreldes toatemperatuuriga 20 o C nende heledust umbes 10% ja roheliste puhul - 6%. Temperatuuri tõustes LED-ide eluiga lüheneb. LED-i eluiga väheneb ka selle voolu suurenedes.

Olen juba kirjutanud mitmeid artikleid omatehtud taimelampide kohta.
Kasutades tavalisi siniseid ja punaseid LED-e
Spetsiaalse spektriga LED-ide kasutamine 440nm ja 660nm

Täna räägin teile spetsiaalsetest taimedele mõeldud "täisspektrilistest" LED-idest. Nende LED-ide jaoks saavutatakse vajalik emissioonispekter spetsiaalse fosforiga, mis annab sekundaarset kiirgust.

Toote omadused

Võimsus: 3W (samas partiis on 1W)
Töövool: 700mA
Tööpinge: 3,2-3,4V
Kiibi tootja: Epistar Chip
Kiibi suurus: 45mil
Spekter: 400nm-840nm
Sertifikaadid: CE, RoHS,
Eluiga: 100 000 h
Eesmärk: lambid taimedele

Välimus

Pakend poest

Mugavuse huvides panen selle valgetest LED-idest üle pakendisse

Aitab imetlusest, liigume edasi testimise juurde

Testimine erinevatel vooludel

Alustuseks kontrollige võimsust ja võtke voolu-pinge karakteristikud
Arvuti toiteplokk, mida kasutasin laborina ja vana hea PEVR-25, mis kehastab suurt ajastut)))

Algas väga pisikese 30mA vooluga

Tõstasin tasapisi voolu 1,5A-ni ja võimsust 7,5W-ni, arvasin, et ta sureb ära, aga ei, ta jäi ellu!

Pinge ja valgustuse ja voolu graafik näeb välja selline

Pinge muutub üsna lineaarselt. 1,5A voolul pole kristallide lagunemise märke. Kõik muutub valgustusega huvitavamaks. Umbes 500 mA järel väheneb valgustuse sõltuvus voolust. Järeldan, et 500-600mA on selle LED-iga kõige tõhusam töörežiim, kuigi see töötab oma nimivõimsusel 700mA üsna hästi ja heleduse vähenemine on tingitud lihtsast ülekuumenemisest.

Spektraalanalüüsiks kasutasin spektroskoopi

Me valgustame uuritava allikaga ühte torusse ja teise valgustame skaalat. Vaatame valmis spektrit läbi okulaari

Kahjuks pole sellel spektroskoopil pildistamiseks spetsiaalset kinnitust. Pilt oli visuaalselt väga ilus ja ei tahtnud arvutisse toota. Proovisin erinevaid kaameraid, telefone ja tahvelarvuteid. Selle tulemusena leppisin endoskoobiga, mille abil õnnestus kuidagi spektrit pildistada. Täiendasin redaktoris skaalanumbrid, kuna kaamera ei tahtnud normaalselt teravustada.

Analüüsiks kasutasin tasuta programmi Cell Phone Spectrophotometer
Olles võidelnud vigadega, nagu artiklis kirjutatud, mis on seotud erinevate Windowsi komavormingutega, sain järgmised spektrogrammid

päikesevalgus

Luminofoor laualamp. Elavhõbeda spektrijooned on selgelt nähtavad

"Täisspektri" LED-id sellest ülevaatest

840 nm infrapunakomponendi olemasolu sellel seadmel ei ole võimalik kontrollida, kuid nägemisulatuses on LED-ide spekter nende sihtotstarbeks üsna sobiv. Maksimaalne luminestsents toimub 440 nm ja 660 nm juures. Selle vahemiku spektririba on laiem ja sujuvam kui eraldiseisvatel ühevärvilistel LED-idel.

Lambi disain on äärmiselt lihtne. Tootmiseks võtsin:

LEDid 3W “täisspekter” – 10 tk.
LED-draiver 10×3W 600mA (täiesti sobiv)
U-kujuline alumiiniumprofiil 30mm – 1m
Juhtmed, Kaasani hermeetik, elektrikaabli kanali tükk 25×20

Lõikasin ja märgin profiili