Светотехника автомобилей не стоит на месте, сегодня все более часто применяются светодиодные подсветки. Можно сказать определенно, что за светодиодами будущее. Светодиодные элементы подсветки (в английском варианте light emitting diode или аббревиатура - LED) будут применятся изначально во всех серийных автомобилях и для этого есть все предпосылки. Что бы понять насколько светодиоды лучше чем лампы накаливания, необходимо просто знать элементарные истины и все предрассудки которые все же возможно имеются у обывателей и инспекторов ГИБДД в ближайшем будущем покажутся нам смешными. Но все же одно но, давайте оговоримся сразу, что в данной статье пойдет речь о светодиодах с общепринятым излучающим спектром - белый свет. Светодиоды синего, красного, зеленого и другого из цветов радуги оставим для новогодних елок, а не для габаритов автомобиля.
Итак в чем принцип излучения света или фотонов. Принцип в протекающем физическом процессе. Процесс следующего характера - когда в каком либо элементе, электроны из более высокого энергетического состояния, переходят в более низкое при этом излучая фотон, то есть свет. Принцип один, но энергия для того чтобы электрон перешел из одного состояния с выделением фотона в другое может быть приложена разная. То есть повлиять на электрон можно нагревом, пропусканием тока, да даже ударом. Естественно, что все виды данной энергии можно трансформировать из одной в другую, но это не значит что они адекватны в смысле требования к вложенным в них затратам мощности для реализации данного процесса.
Проще говоря, лампа накаливания требует до 94 % энергии для нагрева, который влияет на переход электронов из одного энергетического слоя в другой, тем самым выделяя свет, а светодиод требует лишь пропускание тока через p-n переход при этом электроны вырываются притягиваясь к так называемым дыркам (положительным зарядам).
Лампы неэкономичны, что влечет за собой перегрев плат, проводов, перегрев соединений и т.д. более подробно о лампах можно прочитать в разделе Лампы накаливания, галогенные и газоразрядные для автомобилей. Типы, маркировка характеристики, эксплуатация (почему нельзя брать руками галогенную лампочку).
Данная статья будет посвящена все же светодиодам их характеристикам и применяемости.
Для производства светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий—мышьяк—фосфор (GaAsP) и галлий—мышьяк—алюминий (GaAsAl),кроме того нитрид галлия (GaN), который имеет значимую ширину запрещенной зоны (Eg > 3,4 эВ). Запрещенная зона ограничивает проходимость фотонов разной частоты и как следствие разной энергии. То есть запрещенная зона должна быть открыта для фотонов с видимым световым диапазоном. Вариации данной зоны позволяют получать инфракрасные и ультрафиолетовые излучающие светодиоды, но о них тоже в следующий раз.
На настоящий момент при производстве светодиодов можно произвести почти все оттенки. Выбор цвета в светодиодах зависит не от светового фильтра, а от той самой запрещенной зоны. Добавки в диод различных элементов - атомов веществ-активаторов изменяют цвет светодиода. Так на основе фосфида галлия, легированного цинком, кислородом или азотом, можно изготовить светодиод с зеленым излучением, желтым или красным. Многоэлементные соединения GaAsP и GaAsAl используют, в основном, для получения светодиодов красного цвета.
Белый цвет светодиода не получается так просто как какой либо из цветов. Для его получения необходимо применение одной из следующих технологии.
1 смешивание цветов по технологии RGB – как в телевизоре. На основании максимально близко друг к другу размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, при излучении их свет смешивается путем применения специализированной оптической системы, например линзы. В итоге мы видим белый свет.
2 на поверхность ультрафиолетового светодиода, наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Ульрафиолет при попадании на данные слои активирует их и при отражении они смешиваются, в итоге получается белый свет.
3 желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что эти излучения смешиваются, образуя белый свет.
Теперь немного о характеристиках светодиодов. Светодиод – низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше – от нескольких сотен мА. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение питания оказывается более высоким (обычно для применения в автомобиле 12 или 24 вольта).
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе свтодиод может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5 вольт для одного светодиода.
Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света и диаграммой направленности. Цвет, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности.
Яркость светодиодов может быть изменена, снижение напряжения как правило не приводит к желаемому результату (светодиод резко гаснет) , здесь необходимо применение так называемого метода широтно-импульсной модуляции, для чего необходим специальный управляющий блок (блок питания с мультивибратором). На светодиод подается импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а время импульсов и пауз между ними может варьироваться.
Говоря о рабочих температурах светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй – световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, так как при колебании решетки увеличивается ее устойчивость и сопротивление. Поэтому для светодиодов очень важен радиатор, которым фактически является его корпус.Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это относится не ко всем светодиодам. Чем больше ток в светодиоде, тем ярче светит светодиод, и большее количество электронов участвуют в процессе. В итоге нарушается баланс электронов и дырок приводящий к старению которое выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. Именно по этому затруднена разработка и применения мощных светодиодов для головных ламп освещения в автомобиле. Наиболее практичным для автомобилей на данный момент является применение светодиодов в подсветке и габаритных огнях.
В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. О чем говорилось ранее. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых конструкций в пластиковых цоколях столь часто применяемых в автомобиле. Светодиод излучает в узкой части спектра, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение отсутствуют, тем самым не оказывая влияния на пластиковые детали подверженные большему старению в данных диапазонах. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 – 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы.