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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA LED super luminoso: la base dell'illuminazione a risparmio energetico. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / illuminazione Più recentemente, l'autore di questo articolo ha assistito a come un venditore ambulante in un vagone della metropolitana pubblicizzava una lampada a LED. "Le lampadine super luminose di questa lanterna", ha gridato notoriamente il venditore sopra il rumore di un treno in movimento, "usano poca energia, il che significa che non devi cambiare spesso le batterie". Probabilmente c'è della verità pubblicitaria nelle sue parole: tutti conoscono le lampade a incandescenza, ma per menzionare una fonte di luce fondamentalmente nuova - forse penseranno se questi LED super luminosi sono così buoni e se una torcia realizzata sulla loro base lo farà servire in modo così affidabile è sconosciuto. Anche se molti, moltissimi sono consapevoli di un compito così banale come utilizzare un LED come dispositivo di segnalazione luminosa. Si può anche dire che in termini di prevalenza, i LED convenzionali possono facilmente competere con le lampade a incandescenza, e nella vita di tutti i giorni sono molto comuni oggi - basta ricordare gli interruttori domestici con indicazione luminosa progettati per cercarli al buio. I moderni LED di segnalazione a LED (Light Emitting Diode) sono prodotti in grandi quantità, hanno un diverso colore del bagliore, che è molto conveniente per i dispositivi di segnalazione, design diversi. È possibile acquistare modelli a due colori che cambiano uniformemente il loro colore a seconda del rapporto dei segnali di ingresso, è possibile - lampeggiante quando viene applicata la tensione, è possibile - con una base standard per la sostituzione delle lampade a incandescenza negli apparecchi di segnalazione. Ma quale dei LED standard è la sorgente luminosa nel senso in cui intendiamo la sorgente luminosa? Dopotutto, il massimo di ciò che è sufficiente è evidenziare l'indicatore a cristalli liquidi di un telefono cellulare. Non è difficile immaginare che una persona possa vivere normalmente alla luce di sorgenti luminose a semiconduttore, che svolga il suo lavoro quotidiano, legga un libro, abbia conversazioni piacevoli in un'atmosfera accogliente... Diresti fantasia? No, questa è solo la realtà del tempo presente. La proprietà di emettere onde luminose mediante giunzioni pn è una proprietà fondamentale di tutti i semiconduttori. Ma sono dotati di questa capacità a vari livelli. Ad esempio, le giunzioni pn in silicio utilizzate per realizzare transistor e diodi ordinari sono del tutto inadatte anche per i normali LED: emettono pochissime onde luminose. I semiconduttori a base di composti di gallio (fosfuro di gallio e arseniuro di gallio) irradiano molto meglio, quindi è sulla loro base che vengono prodotti i noti LED rosso, giallo-verde e verde. L'efficienza luminosa di questi dispositivi negli anni '60 del secolo scorso era di soli 1,5 lm / W. Un po' più tardi, i risultati della ricerca hanno permesso di aumentare l'efficienza di radiazione dei semiconduttori fino a 10 lm/W. Lo sviluppo di tecnologie per la produzione di nitruro di gallio ha portato alla nascita di LED blu. E qui è il momento di pensare ai LED che emettono luce bianca. I LED bianchi sono apparsi per la prima volta sul mercato mondiale nel 1998. Gli indicatori di efficienza delle sorgenti luminose a stato solido raggiunti fino ad oggi non sono impressionanti: l'efficienza luminosa dei campioni commerciali di LED che emettono nella parte rosso-gialla dello spettro è di 65 ... 75 lm / W, nella regione verde - su a 85 lm/W, e nella regione bianca luminescenza fino a 100 lm/W. In arrivo: campioni commerciali di luce bianca con un'efficienza di circa 150 lm / W, e questo non è il limite. Cioè, in media, nei 50 anni di esistenza delle sorgenti a stato solido, la loro efficienza è cresciuta di quasi due ordini di grandezza. In generale, l'emissione luminosa di un LED "molto medio" con uno spettro di emissione "bianco" oggi è al livello dell'emissione luminosa di una buona lampada fluorescente e l'aumento dell'emissione luminosa continua. E l'elevato costo di produzione delle sorgenti a stato solido ripaga con una fantastica durata: oltre 100000 ore di funzionamento continuo senza problemi, nonché la massima affidabilità meccanica e climatica, funzionamento ininterrotto a temperature molto basse, assenza di dannosi materiali come il mercurio, possibilità di regolazione elementare della luminosità, garanzia di requisiti di sicurezza antincendio in termini di basso irraggiamento termico, bassi costi di manutenzione. È vero, c'è una circostanza che introduce una certa dissonanza in questa "canzone della vittoria" sulle fantastiche risorse dei LED super luminosi. Il fatto è che i diodi emettitori di luce tendono a "invecchiare" nel processo di funzionamento, che si esprime nella perdita della loro capacità di emissione, e quindi nell'efficienza della radiazione. Tuttavia, rinomati produttori mondiali di LED ultra luminosi garantiscono che la loro emissività iniziale sia mantenuta dell'80% per metà della loro vita utile. Sui forum Internet, l'autore dell'articolo ha incontrato dichiarazioni perentorie sulla vita reale delle sorgenti LED entro 2 ... 3mila ore. Questo può essere vero solo in due casi: quando vengono utilizzati prodotti di dubbia produzione, possono davvero perdere fino al 40% dell'efficienza di radiazione durante quelle stesse 3000 ore di funzionamento, oppure quando i LED vengono utilizzati in modalità di funzionamento significativamente superiori a quelle nominali . E ora conosciamo le tecnologie per ottenere luce bianca "a stato solido" dalla radiazione "multicolore" dei LED standard. Attualmente esistono quattro metodi per ottenere la luce bianca, tutti utilizzati attivamente nell'industria della "tecnologia a stato solido". Sulla fig. 1 mostra il metodo di miscelazione di diversi colori, ovvero la classica triade RGB, ovvero rosso, verde e blu. Su un cristallo della sorgente LED, i cristalli multicolori che emettono luce sono disposti strettamente in un ordine a mosaico, la loro luce è focalizzata da una lente in modo che lo spettro di emissione totale sia vicino alla luce solare naturale. Controllando separatamente i canali R, G e B, è possibile ottenere qualsiasi colore (o sfumatura di colore) del bagliore del LED. Anche lo svantaggio del metodo è evidente: si tratta di una notevole laboriosità (e quindi di un costo elevato) di produzione e della necessità di bilanciamento del colore dei canali R, G, B, poiché LED di colori diversi hanno un'efficienza di radiazione diversa. Tuttavia, questo metodo è sempre più utilizzato nella creazione di display pubblicitari esterni a colori.
Le principali disposizioni del secondo metodo per ottenere la luce bianca sono prese in prestito dai principi di funzionamento di una lampada fluorescente. In questo caso (vedi Fig. 2), uno speciale fosforo tricolore viene applicato sulla superficie interna dell'alloggiamento del LED che emette onde nella gamma UV, che, sotto l'azione della radiazione, inizia a brillare di luce bianca. Tra le carenze del metodo, va menzionata la sua efficienza di emissione luminosa non molto elevata. È per questo motivo che il terzo e il quarto metodo si sono rivelati i più tecnologicamente avanzati e commercialmente più redditizi. Ma la cosa più interessante è che questi metodi sono uno sviluppo logico del secondo metodo, cioè usano anche l'effetto luminescenza.
La tecnologia del terzo metodo si basa sull'uso di un LED blu, ma il cristallo che emette luce qui è circondato da un riflettore costruttivo, sul quale è applicato un fosforo giallo. Così, quando i colori sono mescolati, viene prodotta luce che ha una composizione spettrale molto vicina al bianco, come mostrato in Fig. 3.
Il quarto metodo ha poca differenza dal terzo e, infatti, è il suo sviluppo logico volto a migliorare la composizione spettrale della luce emessa. Questo metodo si basa sullo stesso diodo a emissione di luce blu, viene fornito lo stesso riflettore costruttivo, ma su di esso sono già depositati due tipi di fosforo - con colori luminosi verde e rosso (vedi Fig. 4).
La stragrande maggioranza dei LED commerciali con uno spettro di emissione vicino alla luce bianca sono realizzati sulla base della tecnologia di luminescenza a singolo e doppio fosforo. Per questo motivo, la luce di tali LED ha una leggera sfumatura blu-viola "fredda". Cosa si può dire del costo della "luce a stato solido" e della fattibilità economica della sua implementazione? Ad oggi, la "luce a stato solido" è la fonte di energia luminosa più costosa, se, ovviamente, si tiene conto solo del costo di "produzione" di un'unità di energia luminosa. Il prezzo di 1 lumen di "luce a stato solido" è ancora 30...50 volte superiore al costo di 1 lumen prodotto da una classica lampada ad incandescenza. Ad esempio, l'autore è stato in grado di acquistare una lampada LED da 5 W per $ 15, mentre una normale lampada a incandescenza con la stessa emissione luminosa e un consumo energetico di 60 W costa poco meno di $ 1. Un altro calcolo mostra che una matrice di 20 LED ultra luminosi con un costo totale di $ 20 in emissione luminosa è vicina a una lampada alogena da 20 W con un costo di $ 1. Ma non affrettarti a trarre conclusioni. Confrontando la durata dei LED e delle classiche lampade a incandescenza, nonché la loro efficienza luminosa, possiamo dire che i risparmi sono evidenti. È solo che i risparmi non sono a breve termine, ma a lungo termine. Secondo gli esperti, la dinamica del calo del costo delle sorgenti luminose a stato solido non sarà così rapida come l'aumento della loro emissione luminosa: si prevede che il costo diminuirà solo del 20% con un raddoppio dell'efficienza di utilizzo. La promozione delle sorgenti LED sui mercati segue il seguente scenario: inizialmente erano utilizzate come illuminazione secondaria (decorativa) e oggi sono già in corso lavori per eliminare gradualmente le lampade a incandescenza e alogene. Le case automobilistiche stanno già sviluppando attivamente fari abbaglianti e anabbaglianti basati su LED bianchi. I risultati dello sviluppo sono impressionanti: è stato ottenuto un flusso luminoso dell'ordine di 1000 lm, che è correlato a una lampada allo xeno standard. Con gli indicatori di direzione all'estero, tutto è molto più semplice: le tecnologie sono state elaborate e vengono introdotte rapidamente. Sulla fig. La Figura 5 mostra un faro anabbagliante a LED industriale per autoveicoli da 106 mm di diametro composto da 4 LED ultra luminosi.
E ora parleremo delle caratteristiche ottiche dei LED ultra luminosi e, in particolare, di come questi dati vengono presentati nella documentazione tecnica. Qualsiasi LED emette un flusso luminoso in una direzione, cioè in modo non uniforme, a seconda della posizione rispetto all'osservatore. Alcuni LED hanno una direzionalità pronunciata: brillano come piccoli faretti. Altri sono come una lampada a incandescenza con un riflettore: le onde luminose qui si propagano in un settore spaziale abbastanza ampio. Se è necessario garantire l'uniformità della radiazione spaziale, aiuta un assemblaggio costruttivo di LED diretti in direzioni diverse. La principale caratteristica ottica spaziale di un LED è la sua direttività. I produttori descrivono il tipo di direttività, in primo luogo, dall'angolo di radiazione (angolo di radiazione) e, in secondo luogo, dal diagramma di radiazione. Se la prima caratteristica è solo un semplice "numero", la seconda è un grafico molto più informativo. Il tipo di diagramma di radiazione è estremamente importante per un progettista illuminotecnico. Sulla fig. La Figura 6 mostra il diagramma di radiazione più informativo del LED bianco NSPW515BS, prodotto da NICHIA, uno dei leader mondiali nel settore dei LED. La parte destra del diagramma è realizzata in coordinate polari e la parte sinistra in cartesiano. In tali grafici, l'argomento è l'angolo di rotazione relativo all'asse principale (la linea di radiazione massima) e la funzione è una quantità adimensionale. Il grafico lungo la linea della funzione è normalizzato al valore massimo di irraggiamento, e l'intensità luminosa, data in mcd ad un certo valore della corrente diretta del LED, funge da valore normalizzante. Nel diagramma di radiazione, questo parametro corrisponde a una "unità" adimensionale.
In alcuni casi, quando il diagramma di radiazione è sufficientemente ampio (tali LED sono generalmente destinati solo a scopi di illuminazione non direzionale), il valore del flusso luminoso è indicato in lm, che è molto conveniente per il calcolo dell'illuminazione utilizzando metodi standard. Le aziende forniscono anche nella documentazione tecnica il tipo di caratteristica spettrale della radiazione dei LED. Per quello? Il fatto è che la temperatura del colore della luce influisce notevolmente sullo stato emotivo di una persona. Finora l'illuminazione a LED ha avuto un'immagine "fredda", "cupa", "scomoda". Tuttavia, di recente sono apparsi sul mercato LED a luce bianca calda, che imitano la luce di una lampada a incandescenza. In particolare, tali LED sono anche nella nomenclatura di NICHIA. La differenza tra la radiazione dei LED bianco caldo e la radiazione del tipo bianco è dimostrata più chiaramente in Fig. 7, che mostra gli spettri dei suddetti LED.
Analizziamo gli spettri presentati. L'emissione di un LED di tipo bianco è resa "pallida" da un picco di elevata ampiezza nella regione "blu" dello spettro, mentre in un LED bianco caldo la componente blu è "schiacciata" dall'emissione più intensa di un LED giallo fosforo, che colora l'emissione di una tonalità "calda". Occorre invece valutare i parametri elettrici dei LED. Ciò è descritto più chiaramente dalla caratteristica corrente-tensione (CVC), ovvero dalla dipendenza della corrente che passa attraverso il diodo dalla tensione ad esso applicata (Fig. 8). Quando viene applicata una tensione inversa (di blocco), qualsiasi diodo, incluso un LED, non conduce corrente. Ma, a differenza dei diodi raddrizzatori, i LED non consentono grandi tensioni inverse. Il limite di tensione inversa dei LED standard non supera i 5 V, quindi si consiglia di prestare attenzione alla "polarità inversa".
Il ramo diretto del CVC dei LED differisce dal CVC dei diodi convenzionali solo per il valore della tensione di apertura e la caduta di tensione nello stato aperto. Se i diodi al germanio si aprono a una tensione di 0,1 ... 0,2 V, silicio - a 0,6 ... 0,7 V, la tensione di apertura dei LED è compresa tra 1,2 ... 2,9 V. Dopo l'apertura, la tensione si accende i LED aumentano leggermente all'aumentare della corrente, stabilizzandosi ad un certo livello già ad una corrente di circa 1 mA. Dalla fig. 8 mostra anche chiaramente che la differenza tra la tensione di accensione del LED e l'aumento incontrollato della corrente che lo attraversa è di soli 0,3 V. Un LED, come qualsiasi semiconduttore, non può far passare correnti infinitamente grandi: si scioglierà semplicemente per riscaldamento. Pertanto, è necessario utilizzare un alimentatore che "ripaghi" su se stesso l'eccesso di tensione e limiti la corrente che scorre. Poiché i LED sono alimentati da una tensione costante (o pulsata), il reattore più semplice è prevalentemente la solita resistenza attiva. Esistono anche tipi di reattori più complessi ed economici basati su sorgenti di corrente elettronica. Autore: B. Semenov
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