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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA LED superbrilhante - a base da iluminação economizadora de energia. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / iluminação Mais recentemente, o autor deste artigo testemunhou como um mascate em um vagão do metrô anunciou uma lâmpada de LED. "As lâmpadas superbrilhantes desta lanterna", gritou o famoso vendedor sobre o barulho de um trem em movimento, "consomem pouca energia, o que significa que você não precisa trocar as baterias com frequência". Provavelmente, há alguma verdade publicitária em suas palavras: todo mundo conhece lâmpadas incandescentes, mas para mencionar uma fonte de luz fundamentalmente nova - talvez eles pensem se esses LEDs superbrilhantes são tão bons e se uma lanterna feita com base neles funcionará servir de forma tão confiável é desconhecido. Embora muitos, muitos estejam cientes de uma tarefa tão trivial quanto usar um LED como um dispositivo de sinalização luminosa. Pode-se até dizer que, em termos de prevalência, os LEDs convencionais podem competir facilmente com as lâmpadas incandescentes e, no dia a dia, são muito comuns hoje - basta lembrar os interruptores domésticos com indicação de luz projetados para procurá-los no escuro. Os modernos LEDs de sinalização de LED (diodo emissor de luz) são produzidos em grandes quantidades, têm uma cor de brilho diferente, o que é muito conveniente para dispositivos de sinalização, designs diferentes. Você pode comprar modelos de duas cores que mudam suavemente de cor dependendo da proporção dos sinais de entrada, você pode - piscando quando a tensão é aplicada, você pode - com uma base padrão para substituir lâmpadas incandescentes em luminárias de sinalização. Mas qual dos LEDs padrão é a fonte de luz no sentido em que entendemos a fonte de luz? Afinal, o máximo para o que basta é destacar o indicador de cristal líquido de um celular. Não é difícil imaginar que uma pessoa possa viver normalmente à luz de fontes de luz semicondutoras, que faça seu trabalho diário, leia um livro, tenha conversas agradáveis em um ambiente aconchegante... Você diria fantasia? Não, esta é apenas a realidade do tempo presente. A propriedade de emitir ondas de luz por junções pn é uma propriedade fundamental de todos os semicondutores. Mas eles são dotados dessa capacidade em graus variados. Por exemplo, as junções pn de silício usadas para fazer transistores e diodos comuns são completamente inadequadas mesmo para LEDs comuns: elas emitem muito poucas ondas de luz. Os semicondutores à base de compostos de gálio (fosfeto de gálio e arsenieto de gálio) irradiam muito melhor, portanto, é com base neles que são produzidos os conhecidos LEDs vermelho, verde-amarelo e verde. A eficiência luminosa desses aparelhos na década de 60 do século passado era de apenas 1,5 lm/W. Um pouco mais tarde, os resultados da pesquisa permitiram aumentar a eficiência de radiação dos semicondutores em até 10 lm/W. O desenvolvimento de tecnologias para a produção de nitreto de gálio levou ao surgimento de LEDs azuis. E aqui é hora de pensar nos LEDs que emitem luz branca. Os LEDs brancos apareceram pela primeira vez no mercado mundial em 1998. Os indicadores de eficiência das fontes de luz de estado sólido alcançados até o momento não são impressionantes: a eficiência luminosa de amostras comerciais de LEDs que emitem na parte vermelho-amarela do espectro é de 65 ... 75 lm / W, na região verde - até até 85 lm/W, e na região branca luminescência até 100 lm/W. No caminho - amostras comerciais de luz branca com eficiência de cerca de 150 lm / W, e esse não é o limite. Ou seja, em média, ao longo dos 50 anos de existência das fontes de estado sólido, sua eficiência aumentou quase duas ordens de grandeza. Em geral, a saída de luz de um LED "muito mediano" com um espectro de emissão "branco" hoje está no nível da saída de luz de uma boa lâmpada fluorescente, e o aumento na saída de luz continua. E o alto custo de produção de fontes de estado sólido compensa com uma vida útil fantástica - mais de 100000 horas de operação contínua sem problemas, bem como a mais alta confiabilidade mecânica e climática, operação ininterrupta em temperaturas muito baixas, ausência de materiais como o mercúrio, a possibilidade de ajuste de brilho elementar, garantindo os requisitos de segurança contra incêndio em termos de baixa radiação térmica, baixos custos de manutenção. É verdade que há uma circunstância que introduz alguma dissonância nessa "canção de vitória" sobre os fantásticos recursos dos LEDs superbrilhantes. O fato é que os diodos emissores de luz tendem a "envelhecer" no processo de operação, o que se expressa na perda de sua capacidade de emissão e, portanto, na eficiência da radiação. No entanto, reputados fabricantes mundiais de LEDs ultrabrilhantes garantem que sua emissividade inicial seja mantida em 80% pela metade de sua vida útil. Em fóruns da Internet, o autor do artigo encontrou declarações peremptórias sobre a vida real das fontes de LED em 2 ... 3 mil horas. Isso pode ser verdade apenas em dois casos: quando produtos de produção duvidosa são usados, eles podem realmente perder até 40% da eficiência de radiação durante essas mesmas 3000 horas de operação, ou quando os LEDs são operados em níveis significativamente mais altos do que modos de operação nominais. E agora vamos nos familiarizar com as tecnologias para obter luz branca de "estado sólido" a partir da radiação "multicolorida" dos LEDs padrão. Atualmente, existem quatro métodos para obter luz branca, todos usados ativamente na indústria de "tecnologia de estado sólido". Na fig. 1 mostra o método de mistura de diferentes cores, ou seja, a clássica tríade RGB, ou seja, vermelho, verde e azul. Em um cristal da fonte de LED, cristais emissores de luz multicoloridos são dispostos em uma ordem de mosaico, sua luz é focada por uma lente de modo que o espectro total de emissão seja próximo à luz solar natural. Ao controlar separadamente os canais R, G e B, você pode obter qualquer cor (ou tonalidade de cor) do brilho do LED. A desvantagem do método também é óbvia: é uma grande laboriosidade (e, portanto, alto custo) de fabricação e a necessidade de balanceamento de cores dos canais R, G, B, uma vez que LEDs de cores diferentes têm eficiência de radiação diferente. No entanto, esse método está sendo cada vez mais usado na criação de displays coloridos de publicidade externa.
As principais disposições do segundo método de obtenção de luz branca são emprestadas dos princípios de operação de uma lâmpada fluorescente. Neste caso (ver Fig. 2), um fósforo especial de três cores é aplicado na superfície interna do invólucro do LED emitindo ondas na faixa UV, que, sob a ação da radiação, começa a brilhar com luz branca. Entre as deficiências do método, devemos mencionar sua eficiência não muito alta de emissão de luz. É por esse motivo que o terceiro e o quarto métodos se revelaram os mais avançados tecnologicamente e os mais lucrativos comercialmente. Mas o mais interessante é que esses métodos são um desenvolvimento lógico do segundo método, ou seja, eles também usam o efeito de luminescência.
A tecnologia do terceiro método é baseada no uso de um LED azul, mas o cristal emissor de luz aqui é cercado por um refletor construtivo, no qual é aplicado um fósforo amarelo brilhante. Assim, quando as cores são misturadas, produz-se uma luz que tem uma composição espectral muito próxima do branco, como mostra a Fig. 3.
O quarto método tem pouca diferença do terceiro e, na verdade, é seu desenvolvimento lógico voltado para melhorar a composição espectral da luz emitida. Este método é baseado no mesmo diodo emissor de luz azul, o mesmo refletor construtivo é fornecido, mas dois tipos de fósforo já estão depositados nele - com cores de brilho verde e vermelho (veja a Fig. 4).
A grande maioria dos LEDs comerciais com um espectro de emissão próximo à luz branca é feita com base na tecnologia de luminescência de fósforo simples e duplo. Por esse motivo, a luz desses LEDs tem uma leve tonalidade "fria" azul-violeta. O que pode ser dito sobre o custo da "luz de estado sólido" e a viabilidade econômica de sua implementação? Até o momento, a "luz de estado sólido" é a fonte mais cara de energia luminosa, se, é claro, apenas o custo de "produção" de uma unidade de energia luminosa for levado em consideração. O preço de 1 lúmen de "luz de estado sólido" ainda é 30...50 vezes maior do que o custo de 1 lúmen produzido por uma lâmpada incandescente clássica. Por exemplo, o autor conseguiu comprar uma lâmpada LED de 5 W por US$ 15, enquanto uma lâmpada incandescente comum com a mesma saída de luz e consumo de energia de 60 W custa pouco menos de US$ 1. Outro cálculo mostra que uma matriz de 20 LEDs ultrabrilhantes com um custo total de US$ 20 em produção de luz está próxima de uma lâmpada halógena de 20 W com um custo de US$ 1. Mas não se apresse em tirar conclusões. Comparando a vida útil das lâmpadas LED e incandescentes clássicas, bem como a sua eficiência luminosa, podemos dizer que a poupança é óbvia. Só que a economia não é de curto prazo, mas de longo prazo. Segundo especialistas, a dinâmica de queda do custo das fontes de luz de estado sólido não será tão rápida quanto o aumento de sua emissão de luz: espera-se que o custo caia apenas 20% com a duplicação da eficiência de usar. A promoção das fontes de LED para os mercados segue o seguinte cenário: no início eram usadas como iluminação secundária (decorativa), e hoje já se trabalha para eliminar gradualmente as lâmpadas incandescentes e halógenas. Os fabricantes de automóveis já estão desenvolvendo ativamente faróis altos e baixos baseados em LEDs brancos. As conquistas do desenvolvimento são impressionantes: foi obtido um fluxo luminoso da ordem de 1000 lm, que se correlaciona com uma lâmpada de xenônio padrão. Com indicadores de direção no exterior, tudo fica muito mais simples - as tecnologias foram trabalhadas e estão sendo introduzidas rapidamente. Na fig. A Figura 5 mostra um farol baixo automotivo LED industrial de 106 mm de diâmetro feito de 4 LEDs ultrabrilhantes.
E agora falaremos sobre as características ópticas dos LEDs ultrabrilhantes e, em particular, como esses dados são apresentados na documentação técnica. Qualquer LED emite um fluxo luminoso em uma direção, ou seja, desigual, dependendo da posição em relação ao observador. Alguns LEDs têm uma direcionalidade pronunciada: eles brilham como pequenos holofotes. Outros são como uma lâmpada incandescente com um refletor - as ondas de luz aqui se propagam em um setor espacial bastante amplo. Se houver necessidade de garantir a uniformidade da radiação espacial, uma montagem construtiva de LEDs direcionados em diferentes direções ajuda. A principal característica óptica espacial de um LED é sua diretividade. Os fabricantes descrevem o tipo de diretividade, em primeiro lugar, pelo ângulo de radiação (ângulo de radiação) e, em segundo lugar, pelo padrão de radiação. Se a primeira característica for apenas um "número" simples, a segunda é um gráfico muito mais informativo. O tipo de padrão de radiação é extremamente importante para um engenheiro de projeto de iluminação saber. Na fig. A Figura 6 mostra o padrão de radiação mais informativo do LED branco NSPW515BS, fabricado pela NICHIA, uma das líderes mundiais na indústria de LED. A parte direita do diagrama é feita em coordenadas polares e a parte esquerda - em cartesiano. Nesses gráficos, o argumento é o ângulo de rotação em relação ao eixo principal (a linha de radiação máxima) e a função é uma quantidade adimensional. O gráfico ao longo da linha da função é normalizado para o valor máximo de radiação, e a intensidade luminosa, dada em mcd em um determinado valor da corrente direta do LED, atua como um valor de normalização. No padrão de radiação, este parâmetro corresponde a uma "unidade" adimensional.
Em alguns casos, quando o padrão de radiação é amplo o suficiente (esses LEDs geralmente são destinados apenas para fins de iluminação não direcional), o valor do fluxo luminoso é dado em lm, o que é muito conveniente para calcular a iluminação usando métodos padrão. As empresas também fornecem na documentação técnica o tipo de característica espectral da radiação dos LEDs. Para que? O fato é que a temperatura da cor da luz afeta muito o estado emocional de uma pessoa. Até agora, a iluminação LED teve uma imagem de "fria", "sombrio", "desconfortável". No entanto, surgiram recentemente no mercado LEDs brancos quentes, que imitam a luz de uma lâmpada incandescente. Em particular, esses LEDs também estão na nomenclatura da NICHIA. A diferença entre a radiação dos LEDs brancos quentes e a radiação do tipo branco é mais claramente demonstrada na Fig. 7, que mostra os espectros dos LEDs mencionados.
Vamos analisar os espectros apresentados. A emissão de um LED do tipo branco é tornada "pálida" por um pico de alta amplitude na região "azul" do espectro, enquanto em um LED branco quente, o componente azul é "esmagado" pela emissão mais intensa de um amarelo fósforo, que colore a emissão em um tom "quente". Por outro lado, é necessário avaliar os parâmetros elétricos dos LEDs. Isso é mais claramente descrito pela característica corrente-tensão (CVC), ou seja, a dependência da corrente que passa pelo diodo em relação à tensão aplicada a ele (Fig. 8). Quando uma tensão reversa (de bloqueio) é aplicada, qualquer diodo, incluindo um LED, não conduz corrente. Mas, ao contrário dos diodos retificadores, os LEDs não permitem grandes tensões reversas. O limite de tensão reversa do LED padrão não excede 5 V, portanto, é recomendável ter cuidado com a "polaridade reversa".
O ramo direto do CVC dos LEDs difere do CVC dos diodos convencionais apenas no valor da tensão de abertura e da queda de tensão no estado aberto. Se os diodos de germânio abrirem a uma tensão de 0,1 ... 0,2 V, silício - a 0,6 ... 0,7 V, a tensão de abertura dos LEDs estará na faixa de 1,2 ... 2,9 V. Após a abertura, a tensão em os LEDs aumentam ligeiramente com o aumento da corrente, estabilizando em um determinado nível já em uma corrente de cerca de 1 mA. Da fig. 8 também mostra claramente que a diferença entre a tensão de ignição do LED e o aumento descontrolado da corrente através dele é de apenas 0,3 V. Um LED, como qualquer semicondutor, não pode passar correntes infinitamente grandes - ele simplesmente derreterá com o aquecimento. Portanto, é necessário usar um reator que "reembolse" o excesso de tensão sobre si mesmo e limite o fluxo de corrente. Como os LEDs são alimentados por uma tensão constante (ou pulsada), o reator mais simples é predominantemente a resistência ativa usual. Existem também tipos de reatores mais complexos e econômicos baseados em fontes eletrônicas de corrente. Autor: B. Semenov
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