Спектр свечения светодиодных ламп. Выбор светодиодных ламп. Спектры источников света. Светодиоды с люминофором

Белый светодиод

Мощный белый светодиод

Различают два вида белых светодиодов:

• Многокристальные светодиоды, чаще - трехкомпонентные (RGB -светодиоды), имеющие в своём составе три полупроводниковых излучателя красного, зелёного и синего свечения, объединённые в одном корпусе.
• Люминофорные светодиоды, создаваемые на основе ультрафиолетового или синего светодиода , имеющие в своем составе слой специального люминофора, преобразующего в результате фотолюминесценции часть излучения светодиода в свет в относительно широкой спектральной полосе с максимумом в области жёлтого (наиболее распространенная конструкция). Излучение светодиода и люминофора, смешиваясь, дают белый свет различных оттенков.

История изобретения

Первые полупроводниковые излучатели красного цвета для промышленного использования были получены Н. Холоньяком в 1962 году. В начале 70-х годов появились светодиоды желтого и зеленого цвета свечения. Световой выход в начале малоэффективных устройств к 1990 году достиг уровня в один люмен . В 1993 году Суджи Накамура, инженер компании Nichia (Япония) создал первый синий светодиод высокой яркости. Практически сразу появились светодиодные RGB устройства, поскольку синий, красный и зеленый цвета позволяли получить любой цвет, в том числе и белый. Белые люминофорные светодиоды впервые появились в 1996 г. В дальнейшем, технология быстро развивалась и к 2005 году световой выход светодиодов достиг значения 100 лм/Вт и более. Появились светодиоды с различными оттенками свечения, качество света позволило конкурировать с лампами накаливания и с ставшими уже традиционными люминисцентными лампами. Началось использование светодиодных осветительных устройств в быту, в внутреннем и уличном освещении .

RGB светодиоды

Белый свет может быть создан путем смешивания излучений светодиодов различного цвета. Наиболее распространена трихроматическая конструкция из красного (R), зелёного (G) и синего (B) источников, хотя встречаются бихроматические, тетрахроматические и более многоцветные варианты. Многоцветный светодиод, в отличие от других RGB полупроводниковых излучателей (светильники, лампы , кластеры) имеет один законченный корпус, чаще всего аналогичный одноцветному светодиоду. Светодиодные чипы располагаются рядом друг с другом и используют одну общую линзу и отражатель . Поскольку полупроводниковые чипы имеют конечный размер и собственные диаграммы направленности , такие светодиоды чаще всего имеют неравномерные угловые цветовые характеристики . Кроме того, для получения правильного соотношения цветов зачастую недостаточно установить расчётный ток , поскольку световой выход каждого чипа неизвестен заранее и подвержен изменениям в процессе работы. Для установки нужных оттенков, RGB светильники иногда оснащают специальными регулирующими устройствами .

Спектр RGB светодиода определяется спектром составляющих его полупроводниковых излучателей и имеет ярко выраженную линейчатую форму. Такой спектр сильно отличается от спектра солнца, следовательно индекс цветопередачи RGB светодиода невысок. RGB-светодиоды позволяют легко и в широких пределах управлять цветом свечения путем изменения тока каждого светодиода, входящего в триаду , регулировать цветовой тон излучаемого ими белого света прямо в процессе работы - вплоть до получения отдельных самостоятельных цветов.

Многоцветные светодиоды имеют зависимость светового выхода и цвета от температуры за счет различных характеристик составляющих прибор излучающих чипов, что сказывается в незначительном изменении цвета свечения в процессе работы . Срок службы многоцветного светодиода определяется долговечностью полупроводниковых чипов, зависит от конструкции и чаще всего превышает срок службы люминофорных светодиодов.

Многоцветные светодиоды используются в основном для декоративной и архитектурной подсветки , в электронных табло и в видеоэкранах .

Люминофорные светодиоды

Спектр одного из вариантов люминофорного светодиода

Комбинирование синего (чаще) или ультрафиолетового (реже) полупроводникового излучателя и люминофорного конвертера позволяет изготовить недорогой источник света с неплохими характеристиками. Самая распространенная конструкция такого светодиода содержит синий полупроводниковый чип нитрида галлия , модифицированный индием (InGaN) и люминофор с максимумом переизлучения в области жёлтого цвета - иттрий -алюминиевый гранат, легированный трёхвалентным церием (ИАГ). Часть мощности исходного излучения чипа покидает корпус светодиода, рассеиваясь в слое люминофора, другая часть поглощается люминофором и переизлучается в области меньших значений энергии. Спектр переизлучения захватывает широкую область от красного до зелёного, однако результирующий спектр такого светодиода имеет ярко выраженный провал в области зелёного-синезелёного цвета.

В зависимости от состава люминофора, выпускаются светодиоды с разной цветовой температурой («тёплые» и «холодные»). Путем комбинирования различных типов люминофоров, достигается значительное увеличение индекса цветопередачи (CRI или R a) , что позволяет говорить о возможности применения светодиодного освещения в критических для качества цветопередачи условиях.

Один из путей увеличения яркости люминофорных светодиодов при сохранении или даже снижении их стоимости - увеличение тока через полупроводниковый чип без увеличения его размеров - увеличение плотности тока . Такой метод связан с одновременным повышением требований к качеству самого чипа и к качеству теплоотвода. С увеличением плотности тока, электрические поля в объеме активной области снижают световой выход . При достижении предельных токов, поскольку участки светодиодного чипа с различной концентрацией примеси и разной шириной запрещённой зоны проводят ток по-разному , происходит локальный перегрев участков чипа, что влияет на световой выход и долговечность светодиода в целом. В целях увеличения выходной мощности при сохранении качества спектральных характеристик, теплового режима, выпускаются светодиоды, содержащие кластеры светодиодных чипов в одном корпусе.

Одна из самых обсуждаемых тем в области технологии полихромных светодиодов - это их надёжность и долговечность. В отличие от многих других источников света, светодиод с течением времени меняет свои характеристики светового выхода (эффективности), диаграммы направленности, цветовой оттенок, но редко выходит из строя полностью. Поэтому для оценки срока полезного использования принимают, например для освещения, уровень снижения светотдачи до 70% от первоначального значения (L70) . То есть, светодиод, яркость которого в процессе эксплуатации снизалась на 30% считается вышедшим из строя. Для светодиодов, используемых в декоративной подсветке используется в качестве оценки срока жизни уровень снижения яркости 50% (L50).

Срок службы люминофорного светодиода зависит от многих параметров . Кроме качества изготовления самой светодиодной сборки (способа крепления чипа на кристаллодержателе, способа крепления токоподводящих проводников, качества и защитных свойств герметизирующих материалов), время жизни в основном зависит от особенностей самого излучающего чипа и от изменения свойств люминофора с течением наработки (деградация). Причём, как показывают многочисленные исследования, основным фактором влияния на срок службы светодиода считается температура.

Влияние температуры на срок службы светодиода

Полупроводниковый чип в процессе работы часть электрической энергии излучает в виде излучения , часть в виде тепла . При этом, в зависимости от эффективности такого преобразования, количество тепла составляет около половины для самых эффективных излучателей или более. Сам полупроводниковый материал обладает невысокой теплопроводностью , кроме того, материалы и конструкция корпуса обладают определенной неидеальной тепловой проводимостью, что приводит к разогреву чипа до высоких (для полупроводниковой структуры) температур. Современные светодиоды работают при температурах чипа в районе 70-80 градусов. И дальнейшее увеличение этой температуры при использовании нитрида галлия, недопустимо. Высокая температура приводит к увеличению количества дефектов в активном слое, приводит к повышенной диффузии , изменению оптических свойств подложки. Всё это приводит к увеличению процента безизлучательной рекомбинации и поглощению фотонов материалом чипа. Увеличение мощности и долговечности достигается усовершенствованием как самой полупроводниковой структуры (снижение локального перегрева), так и развитием конструкции светодиодной сборки, улучшением качества охлаждения активной области чипа. Также, проводятся исследования с другими полупроводниковыми материалами или подложками .

Люминофор также подвержен действию высокой температуры. При длительном воздействии температуры переизлучательные центры ингибируются и коэффициент преобразования, а также спектральные характеристики люминофора ухудшаются. В первых и некоторых современных конструкциях полихромных светодиодов люминофор наносится прямо на полупроводниковый материал и тепловое воздействие максимально. Кроме мер по снижению температуры излучающего чипа, производители используют различные способы снижения влияния температуры чипа на люминофор. Технологии изолированного люминофора и конструкции светодиодных ламп, в которых люминофор физически отделен от излучателя позволяют увеличить срок службы источника света.

Корпус светодиода, изготавливаемый из оптически прозрачной кремнийорганической пластмассы или эпоксидной смолы, подвержен старению под воздействием температуры и со временем начинает тускнеть и желтеть, поглощая часть излучаемой светодиодом энергии. Отражающие поверхности также портятся при нагреве - вступают во взаимодействие с другими элементами корпуса, подвержены коррозии. Все эти факторы в совокупности приводят к тому, что яркость и качество излучаемого света постепенно снижается. Однако, этот процесс можно успешно замедлить, обеспечивая эффективный теплоотвод.

Конструкция люминофорных светодиодов

Схема одной из конструкций белого светодиода. MPCB - печатная плата с высокой тепловой проводимостью.

Современный люминофорный светодиод - это сложное устройство, объединяющее много оригинальных и уникальных технических решений. Светодиод имеет несколько основных элементов, каждый из которых выполняет важную, зачастую не одну функцию :

Все элементы конструкции светодиода испытывают тепловые нагрузки и должны быть подобраны с учетом степени их теплового расширения. И немаловажным условием хорошей конструкции является технологичность и низкая стоимость сборки светодиодного прибора и монтажа его в светильник.

Яркость и качество света

Самым важным параметром считается даже не яркость светодиода, а его cветовая отдача , то есть световой выход с каждого Ватта потреблённой светодиодом электрической энергии. Световая отдача современных светодиодов достигает 150-170 лм/Вт. Теоретический предел технологии оценивается в 260-300 лм/Вт . При оценке необходимо учитывать, что эффективность светильника на базе светодиодов существенно ниже за счет КПД источника питания, оптических свойств рассеивателя, отражателя и других элементов конструкции. Кроме того, производители зачастую указывают начальную эффективность излучателя при нормальной температуре. Тогда как температура чипа в процессе работы значительно выше. Это приводит к тому, что реальная эффективность излучателя ниже на 5 - 7%, а светильника зачастую - вдвое.

Второй не менее важный параметр - качество производимого светодиодом света. Для оценки качества цветопередачи существует три параметра:

Люминофорный светодиод на базе ультрафиолетового излучателя

Кроме уже ставшего распространённым варианта комбинации голубого светодиода и ИАГ, развивается также конструкция на базе ультрафиолетового светодиода. Полупроводниковый материал, способный излучать в близкой ультрафиолетовой области , покрывают несколькими слоями люминофора на базе европия и сульфида цинка, активированного медью и алюминием. Такая смесь люминофоров дает максимумы переизлучения в районе зелёной, синей и красной областей спектра. Полученный белый свет обладает весьма хорошими характеристиками качества, однако эффективность такого преобразования пока невелика.

Достоинства и недостатки люминофорных светодиодов

Учитывая высокую стоимость светодиодных источников освещения по сравнению с традиционными лампами, необходимы веские причины для использования таких устройств :

• Основное преимущество белых светодиодов - высокий КПД. Низкое удельное энергопотребление позволяет применять их в длительно работающих источниках автономного и аварийного освещения .
• Высокая надежность и длительный срок службы позволяют говорить о возможной экономии на замене ламп. Кроме того, использование светодиодных источников света в труднодоступных местах и уличных условиях позволяет снизить затраты на обслуживание. В совокупности с высокой эффективностью, можно сказать о существенной экономии средств при использовании светодиодного освещения в некоторых применениях.
• Малый вес и размер устройств. Светодиоды отличаются малыми габаритами и пригодны для использования в труднодоступных местах и малогабаритных переносных устройствах.
• Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения в спектре позволяет использовать светодиодное освещение без вреда для человека и в специальных целях (например для освещения раритетных книг или других подверженных влиянию света предметов).
• Отличная работа при отрицательных температурах без снижения, а зачастую и с улучшением параметров. Большинство типов светодиодов показывают бо́льшую эффективность и долговечность при снижении температуры, однако устройства питания, управления и элементы конструкции могут иметь противоположную зависимость.
• Светодиоды - безинерционные источники света, они не требуют времни на прогрев или выключение, как например люминесцентные лампы и количество циклов включения и выключения не оказывает негативного влияния на их надежность.
• Хорошая механическая прочность позволяет использовать светодиоды в тяжёлых условиях эксплуатации.
• Легкость регулирования мощности как скважностью , так и регулированием тока питания без снижения параметров эффективности и надёжности.
• Безопасность использования, нет опасности поражения электрическим током за счет низкого питающего напряжения.
• Низкая пожароопасность, возможность использования в условиях взрывоопасности и опасности возгорания за счет отсутствия накальных элементов.
• Влагостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред.
• Химическая нейтральность, отсутствие вредных выбросов и отсутствие специальных требований к процедурам утилизации.

Но есть и недостатки:

Светодиоды освещения обладают также особенностями, присущими всем полупроводниковым излучателям, учитывая которые, можно найти наиболее удачное применение, например направленность излучения. Светодиод светит только в одну сторону без применения дополнительных отражателей и рассеивателей. Светодиодные светильники наилучшим образом подходят для местного и направленного освещения.

Перспективы развития технологии белых светодиодов

Технологии изготовления светодиодов белого цвета, пригодных для целей освещения находятся в стадии активного развития. Исследования в этой области стимулируются повышенным интересом со стороны общества. Перспективы значительной экономии энергии привлекают инвестиции в сферу изучения процессов, развития технологии и поиска новых материалов. Судя по публикациям производителей светодиодов и сопутствующих материалов, специалистов в области полупроводников и светотехники, можно обозначить пути развития в этой области:

См. также

Примечания

1. , p. 19-20
2. Светодиоды MC-E компании Cree, содержащие красный, зелёный, голубой и белый излучатели (англ.) . LED Professional. Архивировано
3. Светодиоды VLMx51 компании Vishay, содержащие красный, оранжевый, жёлтый и белый излучатели (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
4. Многоцветные светодиоды XB-D и XM-L компании Cree (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
5. Светодиоды XP-C компании Cree, содержащие шесть монохроматических излучателей (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
6. Никифоров С. «S-класс» полупроводниковой светотехники // Компоненты и технологии : журнал. - 2009. - № 6. - С. 88-91.
7. Трусон П. Халвардсон Э. Преимущества RGB-светодиодов для осветительных приборов // Компоненты и технологии : журнал. - 2007. - № 2.
8. , p. 404
9. Никифоров С. Температура в жизни и работе светодиодов // Компоненты и технологии : журнал. - 2005. - № 9.
10. Светодиоды для интерьерной и архитектурной подсветки (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
11. Сян Лин Ун (Siang Ling Oon) Светодиодные решения для систем архитектурной подсветки // : журнал. - 2010. - № 5. - С. 18-20.
12. Светодиоды RGB для использования в электронных табло (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
13. Туркин А. Нитрид галлия как один из перспективных материалов в современной оптоэлектронике // Компоненты и технологии : журнал. - 2011. - № 5.
14. Светодиоды с высокими значениями CRI (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
15. Технология EasyWhite компании Cree (англ.) . LEDs Magazine. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
16. Никифоров С., Архипов А. Особенности определения квантового выхода светодиодов на основе AlGaInN и AlGaInP при различной плотности тока через излучающий кристалл // Компоненты и технологии : журнал. - 2008. - № 1.
17. Никифоров С. Теперь электроны можно увидеть: светодиоды делают электрический ток очень заметным // Компоненты и технологии : журнал. - 2006. - № 3.
18. Светодиоды с матричным расположением большого количества полупроводниковых чипов (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
19. Срок службы белых светодиодов Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
20. Виды дефектов LED и методы анализа (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
21. , p. 61, 77-79
22. Светодиоды компании SemiLEDs (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
23. GaN-on-Si Программа исследований светодиодов на кремниевой основе (англ.) . LED Professional. Проверено 10 ноября 2012.
24. Технология изолированного люминофора компании Cree (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
25. Туркин А. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы // Полупроводниковая светотехника : журнал. - 2011. - № 5. - С. 28-33.
26. Иванов А. В., Фёдоров А. В., Семёнов С. М. Энергосберегающие светильники на основе высокоярких светодиодов // Энергообеспечение и энергосбережение – региональный аспект : XII Всероссийское совещание: материалы докладов. - Томск: СПБ Графикс, 2011. - С. 74-77.
27. , p. 424
28. Белые светодиоды с высоким световым выходом для нужд освещения (англ.) . Phys.Org™. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
29. Основы светодиодного освещения (англ.) . U.S. Department of Energy. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
30. Шаракшанэ А. Шкалы оценки качества спектрального состава света - CRI и CQS // Полупроводниковая светотехника : журнал. - 2011. - № 4.
31. Ультрафиолетовые светодиоды SemiLED с длиной волны 390-420 нм. (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
32. , p. 4-5
33. Системы активного охлаждения кампании Nuventix (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
34. Н.П.Сощин Современные фотолюминофоры для эффективных приборов твердотельного освещения. Материалы конференции. (рус.) (february 1, 2010). Архивировано
35. О.Е.Дудукало, В.А.Воробьев (рус.) (may 31, 2011). Архивировано из первоисточника 27 октября 2012.
36. Тесты ускоренной температурной деградации люминофоров (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
37. Research and Markets Releases New 2012 Report on LED Phosphor Materials (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 10 декабря 2012. Проверено 30 ноября 2012.
38. Intematix представил набор люминофоров для качественной цветопередачи (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
39. Lumi-tech предложил SSE люминофор для белых светодиодов (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
40. Красный фосфор от компании Intematix (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
41. Светодиоды на квантовых точках (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
42. Прототип красного всетодиода с длиной волны 609 нм компании Osram с эффективностью 61 % (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
43. Переход на структуру GaN-on-Si (англ.) . LED Professional. Архивировано из первоисточника 23 ноября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
44. Tim Whitaker Joint venture to make ZnSe white LEDs (англ.) (December 6, 2002). Архивировано из первоисточника 27 октября 2012. Проверено 10 ноября 2012.
45. , p. 426

Литература

• Шуберт Ф.Е. Светодиоды. - М .: Физматлит, 2008. - 496 с. - ISBN 978-5-9221-0851-5
• Вейнерт Д. Светодиодное освещение: Справочник . - Philips, 2010. - 156 с. - ISBN 978-0-615-36061-4

Ссылки

• Сайт департамента энергетики США о светодиодном освещении
• Led Professional. Научно-технический журнал о светодиодах и светодиодном освещении, Австрия
• LEDs Magazine. Научно-технический журнал о светодиодах и светодиодном освещении. США
• Полупроводниковая светотехника. Российский журнал о светодиодах и светодиодном освещении

Накаливания	Лампа накаливания Галогенная лампа
Флуоресцентные

Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.

Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.

Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.

Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: . Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.

Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:

Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.

На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.

Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.

Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.

За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан .

Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:

1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;

2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.

Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.

Влияние температуры

При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.

Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.

За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.

Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:

1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;

2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.

На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.

Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.

Виды цветовой передачи света

Современные светодиоды излучают:

• белый свет.

Желто-зеленый, желтый и красный спектр

В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.

Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.

Голубой спектр

Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:

1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;

2. высоких требований к содержанию примесей.

Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.

Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.

Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.

Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.

Белый спектр

Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;

3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.

У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.

Особенности технологий белого спектра

Методика RGB

Она позволяет:

задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;

вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;

создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.

Простым примером такой реализации служат . Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.

Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:

неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;

неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.

Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.

Светодиоды с люминофором

Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.

Для них характерны недостатки:

в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;

сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.

Особенности светодиодов разных конструкций

Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.

Способы питания

Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.

С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.

При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.

Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.

Способы управления

Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:

1. величиной подключаемого напряжения;

Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.

Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.

За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.

О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.

Производство

При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.

Физический ручной труд человека полностью исключен из производственного процесса.

Подготовленные специалисты осуществляют только контроль за правильным протеканием технологии.

Анализ качества выпускаемой продукции тоже входит в их обязанности.

Экология потребления. Наука и техника: Какое нужно освещение, чтобы при умеренном энергопотреблении получить полноценно развитое, большое, ароматное и вкусное растение?

Интенсивность фотосинтеза под красным светом максимальна, но под одним только красным растения гибнут либо их развитие нарушается. Например, корейские исследователи показали, что при освещении чистым красным масса выращенного салата больше, чем при освещении сочетанием красного и синего, но в листьях значимо меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов. А биофак МГУ установил, что в листьях китайской капусты под узкополосным красным и синим светом (по сравнению с освещением натриевой лампой) снижается синтез сахаров, угнетается рост и не происходит цветения.

Рис. 1 Леанна Гарфилд, Tech Insider - Aerofarms

Какое нужно освещение, чтобы при умеренном энергопотреблении получить полноценно развитое, большое, ароматное и вкусное растение?

В чем оценивать энергетическую эффективность светильника?

Основные метрики оценки энергетической эффективности фитосвета:

• Photosynthetic Photon Flux (PPF ), в микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов света в диапазоне 400–700 нм, которые излучил светильник, потребивший 1 Дж электроэнергии.
• Yield Photon Flux (YPF ), в эффективных микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов на 1 Дж электроэнергии, с учетом множителя - кривой McCree .

PPF всегда получается немного выше, чем YPF (кривая McCree нормирована на единицу и в большей части диапазона меньше единицы), поэтому первую метрику выгодно использовать продавцам светильников. Вторую метрику выгоднее использовать покупателям, так как она более адекватно оценивает энергетическую эффективность.

Эффективность ДНаТ

Крупные агрохозяйства с огромным опытом, считающие деньги, до сих пор используют натриевые светильники. Да, они охотно соглашаются повесить над опытными грядками предоставляемые им светодиодные светильники, но не согласны за них платить.

Из рис. 2 видно, что эффективность натриевого светильника сильно зависит от мощности и достигает максимума при 600 Вт. Характерное оптимистичное значение YPF для натриевого светильника 600–1000 Вт составляет 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Натриевые светильники 70–150 Вт имеют в полтора раза меньшую эффективность.

Рис. 2. Типичный спектр натриевой лампы для растений (слева) . Эффективность в люменах на ватт и в эффективных микромолях серийных натриевых светильников для теплиц марок Cavita , E-Papillon , «Галад» и «Рефлакс» (справа)

Любой светодиодный светильник, имеющий эффективность 1,5 эфф. мкмоль/Вт и приемлемую цену, можно считать достойной заменой натриевого светильника.

Сомнительная эффективность красно-синих фитосветильников

В этой статье не приводим спектров поглощения хлорофилла потому, что ссылаться на них в обсуждении использования светового потока живым растением некорректно. Хлорофилл invitro , выделенный и очищенный, действительно поглощает только красный и синий свет. В живой клетке пигменты поглощают свет во всем диапазоне 400–700 нм и передают его энергию хлорофиллу. Энергетическая эффективность света в листе определяется кривой «McCree 1972 » (рис. 3).

Рис. 3. V (λ) - кривая видности для человека; RQE - относительная квантовая эффективность для растения (McCree 1972); σ r и σ fr - кривые поглощения фитохромом красного и дальнего красного света; B (λ) - фототропическая эффективность синего света

Отметим: максимальная эффективность в красном диапазоне раза в полтора выше, чем минимальная - в зеленом. А если усреднить эффективность по сколько-нибудь широкой полосе, разница станет еще менее заметной. На практике перераспределение части энергии из красного диапазона в зеленый энергетическую функцию света иногда, наоборот, усиливает. Зеленый свет проходит через толщу листьев на нижние ярусы, эффективная листовая площадь растения резко увеличивается, и урожайность, например, салата повышается .

Энергетическая целесообразность освещения растений распространенными светодиодными светильниками белого света исследована в работе .

Характерная форма спектра белого светодиода определяется:

• балансом коротких и длинных волн, коррелирующим с цветовой температурой (рис. 4, слева);
• степенью заполненности спектра, коррелирующей с цветопередачей (рис. 4, справа).

Рис. 4. Спектры белого светодиодного света с одной цветопередачей, но разной цветовой температурой КЦТ (слева) и с одной цветовой температурой и разной цветопередачей R a (справа)

Различия в спектре белых диодов с одной цветопередачей и одной цветовой температуры едва уловимы. Следовательно, мы можем оценивать спектрозависимые параметры всего лишь по цветовой температуре, цветопередаче и световой эффективности - параметрам, которые написаны у обычного светильника белого света на этикетке.

Результаты анализа спектров серийных белых светодиодов следующие:

1. В спектре всех белых светодиодов даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, крайне мало дальнего красного (рис. 5).

Рис. 5. Спектр белого светодиодного (LED 4000K R a = 90) и натриевого света (HPS ) в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B ), красному (A_r ) и дальнему красному свету (A_fr )

В естественных условиях затененное пологом чужой листвы растение получает больше дальнего красного, чем ближнего, что у светолюбивых растений запускает «синдром избегания тени» - растение тянется вверх. Помидорам, например, на этапе роста (не рассады!) дальний красный необходим, чтобы вытянуться, увеличить рост и общую занимаемую площадь, а следовательно, и урожай в дальнейшем.

Соответственно, под белыми светодиодами и под натриевым светом растение чувствует себя как под открытым солнцем и вверх не тянется.

2. Синий свет нужен для реакции «слежение за солнцем» (рис. 6).

Примеры использования этой формулы:

А. Оценим для основных значений параметров белого света, какова должна быть освещенность, чтобы при заданной цветопередаче и цветовой температуре обеспечить, например, 300 эфф. мкмоль/с/м2:

Видно, что применение теплого белого света высокой цветопередачи позволяет использовать несколько меньшие освещенности. Но если учесть, что световая отдача светодиодов теплого света с высокой цветопередачей несколько ниже, становится понятно, что подбором цветовой температуры и цветопередачи нельзя энергетически значимо выиграть или проиграть. Можно лишь скорректировать долю фитоактивного синего или красного света.

Б. Оценим применимость типичного светодиодного светильника общего назначения для выращивания микрозелени.

Пусть светильник размером 0,6 × 0,6 м потребляет 35 Вт, имеет цветовую температуру 4000 К , цветопередачу Ra = 80 и световую отдачу 120 лм/Вт. Тогда его эффективность составит YPF = (120/100)⋅(1,15 + (35⋅80 − 2360)/4000) эфф. мкмоль/Дж = 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Что при умножении на потребляемые 35 Вт составит 52,5 эфф. мкмоль/с.

Если такой светильник опустить достаточно низко над грядкой микрозелени площадью 0,6 × 0,6 м = 0,36 м 2 и тем самым избежать потерь света в стороны, плотность освещения составит 52,5 эфф. мкмоль/с / 0,36м 2 = 145 эфф. мкмоль/с/м 2 . Это примерно вдвое меньше обычно рекомендуемых значений. Следовательно, мощность светильника необходимо также увеличить вдвое.

Прямое сравнение фитопараметров светильников разных типов

Сравним фитопараметры обычного офисного потолочного светодиодного светильника, произведенного в 2016 году, со специализированными фитосветильниками (рис. 7).

Рис. 7. Сравнительные параметры типичного натриевого светильника 600Вт для теплиц, специализированного светодиодного фитосветильника и светильника для общего освещения помещений

Видно, что обычный светильник общего освещения со снятым рассеивателем при освещении растений по энергетической эффективности не уступает специализированной натриевой лампе. Видно также, что фитосветильник красно-синего света (производитель намеренно не назван) сделан на более низком технологическом уровне, раз его полный КПД (отношение мощности светового потока в ваттах к мощности, потребляемой из сети) уступает КПД офисного светильника. Но если бы КПД красно-синего и белого светильников были одинаковы, то фитопараметры тоже были бы примерно одинаковы!

Также по спектрам видно, что красно-синий фитосветильник не узкополосен, его красный горб широк и содержит гораздо больше дальнего красного, чем у белого светодиодного и натриевого светильника. В тех случаях, когда дальний красный необходим, использование такого светильника как единственного или в комбинации с другими вариантами может быть целесообразно.

Оценка энергетической эффективности осветительной системы в целом:

Реакция растения на свет: интенсивность газообмена, потребления питательных веществ из раствора и процессов синтеза - определяется лабораторным путем. Отклики характеризуют не только фотосинтез, но и процессы роста, цветения, синтеза необходимых для вкуса и аромата веществ.

На рис. 14 показана реакция растения на изменение длины волны освещения. Измерялась интенсивность потребления натрия и фосфора из питательного раствора мятой, земляникой и салатом. Пики на таких графиках - признаки стимулирования конкретной химической реакции. По графикам видно что исключить из полного спектра ради экономии какие-то диапазоны, - все равно что удалить часть клавиш рояля и играть мелодию на оставшихся.

Рис. 14. Стимулирующая роль света для потребления азота и фосфора мятой, земляникой и салатом.

Принцип ограничивающего фактора можно распространить на отдельные спектральные составляющие - для полноценного результата в любом случае нужен полный спектр. Изъятие из полного спектра некоторых диапазонов не ведет к значимому росту энергетической эффективности, но может сработать «бочка Либиха» - и результат окажется отрицательным.
Примеры демонстрируют, что обычный белый светодиодный свет и специализированный «красно-синий фитосвет» при освещении растений обладают примерно одинаковой энергетической эффективностью. Но широкополосный белый комплексно удовлетворяет потребности растения, выражающиеся не только в стимуляции фотосинтеза.

Убирать из сплошного спектра зеленый, чтобы свет из белого превратился в фиолетовый, - маркетинговый ход для покупателей, которые хотят «специального решения», но не выступают квалифицированными заказчиками.

Корректировка белого света

Наиболее распространенные белые светодиоды общего назначения имеют невысокую цветопередачу Ra = 80, что обусловлено нехваткой в первую очередь красного цвета (рис. 4).

Недостаток красного в спектре можно восполнить, добавив в светильник красные светодиоды. Такое решение продвигает, например, компания CREE . Логика «бочки Либиха» подсказывает, что такая добавка не повредит, если это действительно добавка, а не перераспределение энергии из других диапазонов в пользу красного.

Интересную и важную работу проделал в 2013–2016 годах ИМБП РАН : там исследовали, как влияет на развитие китайской капусты добавление к свету белых светодиодов 4000 К / Ra = 70 света узкополосных красных светодиодов 660 нм.

И выяснили следующее:

• Под светодиодным светом капуста растет примерно так же, как под натриевым, но в ней больше хлорофилла (листья зеленее).
• Cухая масса урожая почти пропорциональна общему количеству света в молях, полученному растением. Больше света - больше капусты.
• Концентрация витамина С в капусте незначительно повышается с ростом освещенности, но значимо увеличивается с добавлением к белому свету красного.
• Значимое увеличение доли красной составляющей в спектре существенно повысило концентрацию нитратов в биомассе. Пришлось оптимизировать питательный раствор и вводить часть азота в аммонийной форме, чтобы не выйти за ПДК по нитратам. А вот на чисто-белом свету можно было работать только с нитратной формой.
• При этом увеличение доли красного в общем световом потоке почти не влияет на массу урожая. То есть восполнение недостающих спектральных компонент влияет не на количество урожая, а на его качество.
• Более высокая эффективность в молях на ватт красного светодиода приводит к тому, что добавление красного к белому эффективно еще и энергетически.

Таким образом, добавление красного к белому целесообразно в частном случае китайской капусты и вполне возможно в общем случае. Конечно, при биохимическом контроле и правильном подборе удобрений для конкретной культуры.

Варианты обогащения спектра красным светом

Растение не знает, откуда к нему прилетел квант из спектра белого света, а откуда - «красный» квант. Нет необходимости делать специальный спектр в одном светодиоде. И нет необходимости светить красным и белым светом из одного какого-то специального фитосветильника. Достаточно использовать белый свет общего назначения и отдельным светильником красного света освещать растение дополнительно. А когда рядом с растением находится человек, красный светильник можно по датчику движения выключать, чтобы растение выглядело зеленым и симпатичным.

Но оправданно и обратное решение - подобрав состав люминофора, расширить спектр свечения белого светодиода в сторону длинных волн, сбалансировав его так, чтобы свет остался белым. И получится белый свет экстравысокой цветопередачи, пригодный как для растений, так и для человека.

Особенно интересно увеличивать долю красного, повышая общий индекс цветопередачи, в случае сити-фермерства - общественного движения по выращиванию необходимых человеку растений в городе, зачастую с объединением жизненного пространства, а значит, и световой среды человека и растений.

Открытые вопросы

Можно выявлять роль соотношения дальнего и ближнего красного света и целесообразность использования «синдрома избегания тени» для разных культур. Можно спорить, на какие участки при анализе целесообразно разбивать шкалу длин волн.

Можно обсуждать - нужны ли растению для стимуляции или регуляторной функции длины волн короче 400 нм или длиннее 700 нм. Например, есть частное сообщение, что ультрафиолет значимо влияет на потребительские качества растений. В числе прочего краснолистные сорта салата выращивают без ультрафиолета, и они растут зелеными, но перед продажей облучают ультрафиолетом, они краснеют и отправляются на прилавок. И корректно ли новая метрика PBAR (plant biologically active radiation ), описанная в стандарте ANSI/ASABE S640 , Quantities and Units of Electromagnetic Radiation for Plants (Photosynthetic Organisms , предписывает учитывать диапазон 280–800нм.

Заключение

Сетевые магазины выбирают более лежкие сорта, а затем покупатель голосует рублем за более яркие плоды. И почти никто не выбирает вкус и аромат. Но как только мы станем богаче и начнем требовать большего, наука мгновенно даст нужные сорта и рецепты питательного раствора.

А чтобы растение синтезировало все, что для вкуса и аромата нужно, потребуется освещение со спектром, содержащим все длины волн, на которые растение прореагирует, т. е. в общем случае сплошной спектр. Возможно, базовым решением будет белый свет высокой цветопередачи.

Литература
1. Son K-H, Oh M-M. Leaf shape, growth, and antioxidant phenolic compounds of two lettuce cultivars grown under various combinations of blue and red light-emitting diodes // Hortscience. – 2013. – Vol. 48. – P. 988-95.
2. Ptushenko V.V., Avercheva O.V., Bassarskaya E.M., Berkovich Yu A., Erokhin A.N., Smolyanina S.O., Zhigalova T.V., 2015. Possible reasons of a decline in growth of Chinese cabbage under acombined narrowband red and blue light in comparison withillumination by high-pressure sodium lamp. Scientia Horticulturae https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.08.021
3. Sharakshane A., 2017, Whole high-quality light environment for humans and plants. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2017.07.001
4. C. Dong, Y. Fu, G. Liu & H. Liu, 2014, Growth, Photosynthetic Characteristics, Antioxidant Capacity and Biomass Yield and Quality of Wheat (Triticum aestivum L.) Exposed to LED Light Sources with Different Spectra Combinations
5. Lin K.H., Huang M.Y., Huang W.D. et al. The effects of red, blue, and white light-emitting diodes on the growth, development, and edible quality of hydroponically grown lettuce (Lactuca sativa L. var. capitata) // Scientia Horticulturae. – 2013. – V. 150. – P. 86–91.
6. Lu, N., Maruo T., Johkan M., et al. Effects of supplemental lighting with light-emitting diodes (LEDs) on tomato yield and quality of single-truss tomato plants grown at high planting density // Environ. Control. Biol. – 2012. Vol. 50. – P. 63–74.
7. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., О.С. Яковлева, А.И. Знаменский, И.Г. Тараканов, С.Г. Радченко, С.Н. Лапач. Обоснование оптимальных режимов освещения растений для космической оранжереи «Витацикл-Т». Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50. № 4.
8. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., Яковлева О.С., Знаменский А.И., Тараканов И.Г., Радченко С.Г., Лапач С.Н., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. Оптимизация светодиодной системы освещения витаминной космической оранжереи. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50. № 3.
9. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Смолянина С.О., Помелова М.А., Ерохин А.Н., Яковлева О.С., Тараканов И.Г. Влияние параметров светового режима на накопление нитратов в надземной биомассе капусты китайской (Brassica chinensis L.) при выращивании со светодиодными облучателями. Агрохимия. 2015. № 11.

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .

С развитием светодиодной техники для нее постоянно находится все больше областей применения, она постепенно вытесняет люминесцентные и обычные лампы накаливания. Светодиоды намного практичнее в процессе эксплуатации, в 10 раз меньше потребляют электроэнергии, долговечнее, устойчивы к механическим воздействиям. Благодаря свойствам светодиодов обеспечивать излучение в определенных спектрах светового диапазона, их стали активно использовать для выращивания растений.

Интервалы спектров освещения, способствующие росту растений

Известно, что все растения развиваются благодаря процессу фотосинтеза, более глубокие изучения показали, что он активнее происходит в освещении синего и красного диапазона. Статистика различных экспериментов показывает, как некоторые растения отличаются по составу хлорофилла, от этого зависит интенсивность протекания фотосинтеза. Разные культуры растений в зависимости от этапа роста поглощают определенный участок спектра освещенности.

Зелень типа лука, петрушки, укропа активнее растет при синем спектре (длина волны 445 nm). На раннем этапе развития этот диапазон предпочитают и саженцы овощных культур. Когда наступает период цветения, завязи и созревания плодов, активно поглощается свет красного спектра в диапазоне 660 nm. Некоторым овощным культурам для благоприятного роста подходит белый свет широкого спектра.

Изучив эти свойства, можно понять, что для технологии выращивания растений в тепличных условиях при искусственном освещении легче всего адаптировать светодиоды.

Источники искусственного освещения

Ранее для растений в теплицах активно использовались белые светодиоды, люминесцентные или газоразрядные лампы широкого спектра излучения. Такая подсветка не совсем эффективна для стимулирования роста растений. Большая энергия тратится на освещение желто-зеленого диапазона, который бесполезен для роста саженцев.

На первом этапе использовались простые светодиоды красного и синего света, светодиодная лента. Но эти диоды имели довольно широкий рассеянный интервал за пределами красного и синего спектра, высокую стоимость и низкую интенсивность освещения. В процессе последовательных доработок кристаллы светодиодов стали покрывать слоем люминофора, который обладает свойствами пропускать только синие и красные лучи. Новые фитолампы излучают свет пурпурного цвета. Технологии с применением люминофора позволили добиться максимального эффекта по всем параметрам:

• низкая себестоимость производства;
• максимальная концентрация энергии излучения в синем и красном диапазонах;
• максимальная интенсивность излучения;
• экономичный режим потребления электроэнергии.

Такие светодиоды обеспечивают активный процесс фотосинтеза, стимулируя рост растений. Работы по совершенствованию параметров излучаемого спектра постоянно продолжаются, производители пытаются сделать фитофотодиоды, максимально приближая его к спектру солнечного света. Одним из современных образцов являются фитосветодиоды излучения полного спектра Bridgelux 35 мм и Epistar, первый имеет более выпуклую рассеивающую линзу.

Внешний вид Bridgelux 35 мм

Технические характеристики Bridgelux 35 мм:

• номинальная мощность – 1 Вт;
• напряжение от 3.0 до 3.4 В;
• ток – 350 мА;
• полный спектр цвета для растений 400–840 nm;
• ресурс работы – 50 000 часов;
• направленность рассеивания луча – 120 градусов;
• габариты – Ø чипа с корпусом 9 мм, Ø линзы 5.6 мм, высота всей конструкции чипа 6 мм.

Особенность этих фитосветодиодов в том, что не требуется несколько чипов с разными спектрами излучения – синим или красным. В данном случае все смонтировано в одном чипе с широким спектром подсветки, где преобладают синий и красный цвета.

Сравнительный анализ спектров красного светодиода и фитофотодиода

Интервалы желтого, зеленого и других спектров значительно снижены. Это позволяет сконцентрировать энергию на излучении полезного цвета.

Основные достоинства фитосветодиодов

• Спектр излучения охватывает полностью диапазон от 400 до 840 nm.
• Распределение интенсивности излучения участков спектра, она максимально приближена к солнечному свету.
• Решается проблема использования нескольких видов светодиодов с разными спектрами, когда в светильник вставляют красные и синие светодиоды.
• Фитосветодиод эффективно стимулирует рост растений весь период развития: до цветения, во время цветения, завязи плодов и созревания. Не требуется смены источников света на различных стадиях. Фитофотодиод собирается на основе одного кристалла.

Светильники с фитосветодиодными элементами, имеющими полный спектр солнечного света, работают в 1,9 раза эффективнее, чем простые фитолампы с пиками красного и синего диапазона. И в 1,2 раза лучше, чем сборки на отдельных диодах различного спектра.

Пример конструкции для подсветки саженцев фитосветодиодами

Замечено, что под фитолампами красного и синего спектра ростки растут выше, но завязей на цветках меньше. Фитофотодиоды с полным спектром имеют менее интенсивное излучение синего диапазона по сравнению с красным. Контрасты спектра сбалансированы так, что светодиоды для растений обеспечивают не значительный рост по высоте, а максимальное количество плодов.

Превосходство фитофотодиодов с полным спектром перед другими моделями очевидно. Чтобы они еще более широко применялись, остается совершенствовать детали по увеличению интенсивности светового потока.

Спектр излучения светодиода определяется шириной запрещенной зоны используемого полу­проводникового материала, типом легирующих примесей, уров­нем легирования и механизмом излучательной рекомбинации . Как указывалось выше, основными материалами для изготовления эффективных светодиодов являются бинарные по­лупроводниковые соединения А III В V и их твердые растворы. На рис. 4.4 в относительных единицах представлены спектры излу­чения при комнатной температуре некоторых типичных светоди­одов, выпускаемых промышленностью.

Наибольшей эффективностью облада­ют светодиоды на основе арсенида галлия GaAs с шириной запрещенной зоны ∆ E = 1,45эВ. Следовательно, максимум спектральной характеристики излучения собственно GaAs наблюдается на длине волны λ max =1,24/1,4 = 0,9 мкм, что соответствует инфракрасной области. При легировании GaAs различными примесями (теллур, селен, литий и др.), имеющими различные глубины залегания в запрещенной зоне, светодиоды могут излучать в диапазоне λ max = 0,9…0,96 мкм. Светодиоды на GaAs имеют наиболее высокую квантовую эффективность (η внеш =10…30 % в зависимости от конструкции). Важно, что спектр излучения GaAs -светодиодов очень хорошо соответствует спектру фоточувствительности наиболее распрост­раненных Si -фотодиодов.

Светодиоды на более длинноволновую область изготавлива­ются на основе прямозонных твердых растворов Ga х 1п 1-х А s и Ga х 1п 1-х А s 1-у Р у . Для них преобладающей является квазимежзонная излучательная рекомбинация.

Важно, что максимум спек­тра излучения таких светодиодов задается составом твердого раствора. Изменяя х и у , можно изготовить светодиод на задан­ную область спектра, например, совпадающую с минимумом потерь в оптическом волокне или с максимумом спектра погло­щения какого-либо вещества, концентрацию которого предстоит контролировать. Светодиоды на область спектра λ >5 мкм могут быть изгото­влены на основе халькогенидов свинца: Р b х S п 1- x Те и ртути: Cd х Hg 1- x Те .

Фосфид галлия (G aP ) имеет ширину запрещенной зоны ∆ E = 2,25 эВ, что определяет длину волны излучения λ max =0,56 мкм. Это соответствует зеленому цвету свечения. При легировании примесями (N , O 2 , Zn ) такие светодиоды могут излучать красный, желтый, зеленый свет. Таким образом, GaP светодиоды предназначены для работы в видимой части спектра. Для GaP – η внеш = 7…0,7 %.

Светоизлучающие диоды на коротковолновую область види­мого спектра, работающие в голубом, синем и фиолетовом диа­пазонах, могут быть созданы на основе нитрида галлия GaN и гетеропереходов с использованием твердых растворов Ga х In 1- x N и Ga 1- x Al x N . Светодиоды на основе GaN дают излучение λ max =0,44 мкм, но с очень низкой эффективностью η внеш 0,5 %.

Для этой же цели применяют карбид кремния SiC . Хотя диоды на основе SiC имеют малый η внеш  0,01 %, но обладают высокой временной и температурной стабильностью. На их основе создают эталонные источники излучения.

Рис.4.4. Спектры излучения светодиодов.

Для излучающих диодов как инфракрасного, так и видимого излучения широко применяют тройные соединения, изготовленные на основе твердого раствора галлий-алюминий-мышьяк GaAlAs . Применяют также твердые растворы на основе галлий-мышьяк-фосфор GaAsP и индий-галлий-фосфор InGaP . По обобщенному показателю (Р изл , быстродействие) GaAlAs наиболее полно удовлетворяет требованиям оптоэлектроники. В этом материале часть атомов Ga в кристалле GaAs замещается атомами Al . По мере увеличения доли замещенных атомов ширина запрещенной зоны меняется от ∆ E =1,45 эВ (GaAs ) до ∆ E =2,16 эВ (чистый AlAs ). Таким образом, такие светодиоды могут излучать на длине волны  max =0,6…0,9 мкм, т.е. генерировать излучение как в видимой, так и инфракрасной области спектра. Внешний квантовый выход для этого материала составляет η внеш =1,2…12 %.

Яркость высвечивания светодиода или мощность излучения практически линейно зависит от тока через диод в широком диапазоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP - светодиоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости. При постоянном токе через светодиод его яркость с ростом температуры уменьшается. Для красных GaP - светодиодов повышение температуры по сравнению с комнатной на 20 o C уменьшает их яркость примерно на 10%, а зеленых - на 6%. С ростом температуры сокращается срок службы светодиодов. Также сокращается срок службы светодиода с увеличением его тока.