Проблеми, теорія та реальність світлодіодів – частина 1
к.т.н. - Сергій Никифоров
Результатом інтенсивного розвитку технологій у галузі виробництва оптоелектронних приладів на основі напівпровідникових світловипромінюючих кристалів стало широке використання цих приладів у системах відображення інформації та світлової сигналізації. Великий вибір кольорів світіння, комбінація потужного випромінювання з будь-якою формою просторового розподілу та отримання будь-якого відтінку в широкому динамічному діапазоні яскравостей відкривають величезні перспективи використання світловипромінювальних діодів як джерела світла для цих пристроїв.
1. Напівпровідникові джерела світла
Завдання висікти вогонь із чого б там не було, супроводжувало людству всю історію його існування. Однак, на певному етапі вогонь, отриманий за допомогою кремнію, розділився на велику кількість функцій, однією з яких є його важлива складова – світло. По-різному вирішувалося це завдання в колишні століття, але в цій статті йтиметься про найсучасніший спосіб отримання світла з каменю. Основою для побудови сучасних напівпровідникових джерел світла є випромінюючий кванти світла p-n – перехід.
Існує безліч варіантів створення p-n - переходу в напівпровіднику, але ми зупинимося тільки на тих структурах, які здатні випромінювати кванти електромагнітного випромінювання при протіканні електричного струму через них. Це – гетероструктури з широкозонними p-n – переходами, які мають ширину забороненої зони понад 1,9 эВ. В даний час створені структури, здатні випромінювати у всьому видимому діапазоні, ближньому ІЧ та ультрафіолеті. Великий вибір кольорів свічення, комбінація потужного випромінювання з будь-якою формоюпросторового розподілу та отримання будь-якого відтінку в широкому динамічному діапазоні яскравостей відкривають величезні перспективи використання світловипромінюючих діодів як різні джерела світла.
2. Світлодіоди
Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, що перетворює енергію електричного струму на світлову, основою якого є випромінюючий кристал. Випромінювання світлодіода займає досить вузьку смугу (до 25-30 нм) шкали спектрального розподілу щільності енергетичної яскравості і тому носить характер квазімонохроматичного випромінювання.
На основі вищеперелічених напівпровідникових кристалів з випромінюючими p-n – переходами створено безліч різних світловипромінюючих діодів. Конструкція світлодіода визначає напрямок, просторовий розподіл, інтенсивність випромінювання, електричні, теплові, енергетичні та інші характеристики випромінювання напівпровідникового кристала. І, звичайно, взаємний вплив всіх цих параметрів один на одного.
Детальне вивчення цієї інформації про світлодіоди від різних виробників, різних конструкцій та призначення, порівняння її з отриманою в умовах лабораторії та дозволило зробити деякі важливі висновки про якість та сфери застосування світлодіодів.
Останнім часом світловипромінюючі діоди все більше претендують на використання їх у освітленні, художньому підсвічуванні, відповідальній сигнальній техніці. Все це стало можливим завдяки досить швидкому зростанню енергетичних показників, надійності та довговічності цих квазімонохроматичних джерел випромінювання. Мале споживання електричної енергії, легкість формування діаграми спрямованості за допомогою різної оптики, простота управління та найважливіше – специфічне сприйняття випромінювання оком роблятьсвітлодіоди є незамінними для створення повнокольорових екранів, вивісок та інших засобів подання інформації у вигляді динамічного зображення. Однак це використання породжує особливі вимоги до характеристик світлодіодів. Їх дослідження, оцінки та порівняння стали предметом обговорення у цій статті.
3. Теорія світлотехнічних та електричних характеристик сучасних світлодіодів та її зв'язок зі специфікаціями виробників
Найпоширенішою та узагальнюючою одиницею, що характеризує енергетичні параметри світлодіода, є осьова сила світла. Однак ця величина абсолютно не читається, якщо при цьому не вказати кут випромінювання за деяким рівнем. Сукупність цих двох параметрів – кута випромінювання та осьової сили світла – вже дає уявлення, хоч і дуже грубе, про те, в якому напрямку поширюється і якою буде сила світла при різних кутах спостереження. Для найбільш точного визначення величини сили світла за будь-якого вугілля спостереження, зазвичай наводиться двокоординатна плоска залежність, часто звана індикарисою випромінювання.
p align="justify"> Важливою енергетичною характеристикою випромінювання світлодіода є світловий потік, що визначається як інтеграл всієї енергії, укладеної під просторовою індикарисою випромінювання. Саме цей параметр виробники світлодіодів часто вказують у специфікаціях. Особливо це стосується потужних приладів з великим кутом випромінювання та рівномірним просторовим розподілом, що прагне Ламбертовського. Однак, навіть у цьому випадку неможливо достовірно оцінити розподіл світлового потоку всередині діаграми і, відповідно, правильно оцінити силу світла світлодіода.
Переважна більшість простих математичних перерахунків цих одиниць, якими користуються споживачі світлодіодної продукції, виявляютьсяабсолютно невірними та призводять до великої помилки у проектуванні енергетичних характеристик пристроїв на світлодіодах. Особливо це помітно при спробах перерахунку несиметричних діаграм спрямованості випромінювання (наприклад, світлодіодів із овальною оптикою) та індикатрис вузькоспрямованих світлодіодів. Тому варто зупинитися на деяких методах визначення світлового потоку і зв'язку його з іншими фотометричними одиницями, тому що, тільки безпосереднім виміром цієї величини можна з великою точністю отримати її значення.
Методи визначення світлового потоку з урахуванням малих сферичних інтеграторів (радіус сфери становить близько 300-400 мм) широко застосовують у електронної промисловості. При цьому світлодіод розташований у вхідному вікні сфери. Проте за вимірах світлодіодів з різним просторовим розподілом сили випромінювання можна отримати великі помилки, т.к. геометрія розподілу освітленості на внутрішній поверхні інтегратора буде різною.
Класичний підхід до вимірювань повного світлового потоку за допомогою сферичного інтегратора – це розміщення джерела випромінювання у центрі сфери. Але навіть у цьому випадку зв'язок з ідеалом люмена, похибки, пов'язані з нерівномірністю спектральних і зонних показників внутрішньої поверхні сфери, вимагають особливої уваги. Саме тому найбільш перспективним з погляду точності та інформативності є метод просторового сканування сили світла – гоніофотометричний метод.
Прилади, що використовуються для цих цілей, - гоніометр з достатньою кутовою роздільною здатністю і фотометрична головка з відомим коефіцієнтом перетворення. Суть цього методу ґрунтується на покроковій фіксації значень сили світла світлодіода при його повороті на відомий кут. Зменшення похибкивимірювання та отримання найбільш достовірного кутового розподілу можливе при мінімальному значенні кроку кута повороту світлодіода щодо фотометра (або навпаки). Сучасні гоніофотометричні установки мають крок 3…10 кутових хвилин. Одночасно виконуються вимірювання осьової сили світла та її просторовий розподіл. З цих даних розраховується світловий потік.
Розподіл світлового потоку всередині діаграми спрямованості дозволяє судити про те, яка його частина потрапить до спостерігача залежно від кута зору. Слід нагадати, що МКО 1931 регламентує т. зв. "стандартного колориметричного спостерігача", кут зору якого визначено в 1 градус. Ця обставина враховується при виборі цього параметра світлодіода в залежності від його призначення. Проте, часто користуються лише індикатрисою випромінювання, що завжди вірно при розрахунках сприйняття.
Стосовно екрану, табло або рядку, що біжить, як до джерела випромінювання сукупності світлодіодів, площею якого не можна знехтувати по відношенню до відстані до спостерігача – не виконується закон “зворотних квадратів” – використовується інша одиниця, за допомогою якої характеризується енергетика випромінювання такого протяжного джерела – яскравість [кд/м2].
Ефективність випромінювача світла характеризується ставленням світлового потоку до споживаної електричної потужності. Ця величина, звана світловіддачею, стала більшою, ніж у ламп розжарювання у всіх основних кольорах видимого діапазону. Сучасні світлодіоди мають ефективність, що досягає 20-30 лм/Вт, а ККД коливається від 9-16% у приладах на основі нітриду галію та його твердих розчинів до 25-55% у світлодіодів на основі гетероструктур.
Крім енергетичних, світлодіоди характеризуютьсяколориметричними характеристиками. Знання цих параметрів особливо важливо при формуванні правильної передачі кольору зображення в будь-якому пристрої відображення інформації, при використанні в світлосигнальній техніці, при проектуванні відтінків підсвічування в архітектурі і т.д.
МКО 1931 р. встановила трикоординатну XYZ – систему позначення кольору будь-якого джерела випромінювання. Як зазначалося, світлодіоди є досить вузькосмуговими (квазімонохроматичними) випромінювачами, напівширина спектрів яких становить лише 15 – 30 нм, що відповідає середньої теплової енергії електронів, тому координати кольоровості їхнього випромінювання лежать практично лінії “чистих” кольорів локусу МКО 31 р.
Однак, є і простіша одиниця, що характеризує колір – домінуюча довжина хвилі, одержувана як результат перетину прямої, що проходить через точку рівноенергетичного джерела типу “Е” та точку з координатами кольоровості даного світлодіода та локусу МКО – 1931. Саме її вказують у технічних характеристиках на світлодіоди монохроматичного випромінювання Лише, окремі фірми, і японська фірма “Nichia” у тому числі, вказують координати кольоровості, що, власне, правильніше.
Однак, для пристроїв відображення інформації, де важливість кольору зображення має дуже високий статус, цих характеристик найчастіше виявляється недостатньо. Тому розробники цих пристроїв користуються зазвичай спектральними характеристиками світлодіодів, перетворення яких можуть дозволити отримати ряд параметрів спектрального розподілу випромінювання, що дозволяють детально оцінити можливість використання конкретного світлодіода у формуванні необхідного відтінку або гами кольорів. Спектр випромінювання характеризується, крім зазначених, такими характеристиками, якцентральна та максимальна довжини хвиль, напівширина спектру, інтегральний коефіцієнт.
Так, наприклад, для отримання високоякісного зображення на світлодіодному екрані, що працює за схемою формування білого з трьох основних кольорів – RGB, необхідно, щоб напівширина спектра джерела кожного кольору була мінімальна, що забезпечить високу чистоту кольору поля зображення.
Не менш важливими також є електричні характеристики світловипромінюючих діодів. Це прямі та зворотні вольт-амперні характеристики, залежності прямої напруги та прямого струму від температури навколишнього середовища, люмен-амперні характеристики (залежності інтенсивності випромінювання від прямого струму через світлодіод). За цими параметрами можна визначити необхідні характеристики джерел живлення проектованих пристроїв і розрахувати режими кінцевих пристроїв комутації, навантаження яких будуть світлодіоди, що використовуються.
Слід зазначити, що всі описані вище характеристики світловипромінюючих діодів знаходяться в безпосередній залежності один від одного, тому, як правило, лише їхня сукупність дозволяє правильно судити про ті чи інші параметри світлодіода. Проте, найточніше визначити як відповідність заявленим виробником параметрів світлодіода, а й його якість, довговічність, можна лише провівши комплекс вимірів і розрахунків його характеристик.