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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 매우 밝은 LED - 에너지 절약형 조명의 기초. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / Освещение 최근에 이 기사의 저자는 지하철 차량의 행상인이 LED 램프를 광고하는 방법을 목격했습니다. "이 랜턴의 매우 밝은 전구" 판매자는 움직이는 기차의 소음에 대해 "에너지를 거의 사용하지 않으므로 배터리를 자주 교체할 필요가 없습니다."라고 외쳤습니다. 아마도 그의 말에는 약간의 광고 진실이 있습니다. 모두가 백열 램프에 대해 알고 있지만 근본적으로 새로운 광원을 언급하기 위해 아마도 그들은이 초고휘도 LED가 그렇게 좋은지, 그리고 기반으로 만들어진 손전등이 그렇게 안정적으로 제공되는지는 알 수 없습니다. 매우 많은 사람들이 LED를 조명 신호 장치로 사용하는 것과 같은 사소한 작업을 알고 있습니다. 보급률 측면에서 기존 LED는 백열등과 쉽게 경쟁 할 수 있으며 오늘날 일상 생활에서 매우 일반적입니다. 어둠 속에서 LED를 검색하도록 설계된 조명 표시가있는 가정용 스위치를 기억하십시오. 최신 LED 신호 LED(Light Emitting Diode)는 대량으로 생산되며 발광 색상이 다르기 때문에 신호 장치, 다양한 디자인에 매우 편리합니다. 입력 신호의 비율에 따라 색상이 부드럽게 변하는 XNUMX색 모델을 구입할 수 있습니다. 전압이 가해질 때 깜박일 수 있습니다. 그러나 우리가 광원을 이해한다는 의미에서 표준 LED 중 어느 것이 광원입니까? 결국 휴대 전화의 액정 표시기를 강조 표시하는 것만으로 충분합니다. 사람이 반도체 광원에 비추어 평범하게 살 수 있다는 것, 편안한 분위기에서 일상적인 일을 하고 책을 읽고 즐거운 대화를 나누는 것은 상상하기 어렵지 않나요? 아니, 이것이 바로 지금의 현실이다. pn접합에 의해 광파를 방출하는 성질은 모든 반도체의 기본적인 성질이다. 그러나 그들은 다양한 정도로 이 능력을 부여받았다. 예를 들어 트랜지스터와 일반 다이오드를 만드는 데 사용되는 실리콘 pn 접합은 일반 LED에도 완전히 부적합합니다. 광파를 거의 방출하지 않습니다. 갈륨 화합물 (인화 갈륨 및 비화 갈륨)을 기반으로 한 반도체는 훨씬 더 잘 방출되므로 잘 알려진 빨간색, 황록색 및 녹색 LED가 생산됩니다. 지난 세기 60년대에 이러한 장치의 발광 효율은 1,5lm/W에 불과했습니다. 얼마 후, 연구 결과 반도체의 방사 효율을 최대 10lm/W까지 높일 수 있게 되었습니다. 질화 갈륨 생산 기술의 발전으로 청색 LED가 등장했습니다. 이제 백색광을 방출하는 LED에 대해 생각해 볼 때입니다. 백색 LED는 1998년 세계 시장에 처음 등장했습니다. 현재까지 달성된 고체 광원의 효율성 지표는 인상적이지 않습니다. 스펙트럼의 적황색 부분에서 방출하는 상용 LED 샘플의 발광 효율은 녹색 영역에서 65 ... 75 lm/W입니다. 최대 85 lm/W, 백색 영역에서 최대 100 lm/W의 발광. 도중에 - 약 150lm / W의 효율성을 가진 상업용 백색광 샘플이며 이것이 한계가 아닙니다. 즉, 평균적으로 고체 소스가 존재한 50년 동안 효율성은 거의 두 배 정도 증가했습니다. 일반적으로 오늘날 "백색" 방출 스펙트럼을 가진 "매우 평균적인" LED의 광 출력은 우수한 형광등의 광 출력 수준이며 광 출력의 증가는 계속됩니다. 그리고 고체 소스를 생산하는 데 드는 높은 비용은 환상적인 서비스 수명으로 보상됩니다. 100000시간 이상의 연속 무고장 작동, 최고의 기계적 및 기후 신뢰성, 매우 낮은 온도에서의 중단 없는 작동, 유해한 요소 없음 수은과 같은 재료, 기본 밝기 조정 가능성, 낮은 열 방사, 낮은 유지 보수 비용 측면에서 화재 안전 요구 사항 보장. 사실, 매우 밝은 LED의 환상적인 자원에 대한 이 "승리의 노래"에 약간의 불협화음을 도입하는 상황이 있습니다. 사실 발광 다이오드는 작동 과정에서 "노화"되는 경향이 있으며, 이는 방출 능력의 손실과 그에 따른 복사 효율의 손실로 표현됩니다. 그러나 평판이 좋은 세계 초고휘도 LED 제조업체는 초기 방사율이 서비스 수명의 절반까지 80%까지 유지되도록 보장합니다. 인터넷 포럼에서 기사 작성자는 2 ~ 3 천 시간 이내에 LED 소스의 실제 수명에 대한 선제 진술을 만났습니다. 이는 두 가지 경우에만 해당될 수 있습니다. 의심스러운 생산 제품을 사용하는 경우 동일한 40시간 작동 동안 방사 효율이 최대 3000%까지 손실될 수 있습니다. . 이제 표준 LED의 "다색" 방사에서 흰색 "고체" 빛을 얻는 기술에 대해 알아 보겠습니다. 현재 백색광을 얻기 위한 네 가지 방법이 있으며 모두 "고체 상태 기술" 산업에서 활발하게 사용됩니다. 무화과에. 그림 1은 서로 다른 색상, 즉 고전적인 RGB XNUMX조, 즉 빨강, 녹색 및 파랑을 혼합하는 방법을 보여줍니다. LED 광원의 한 결정에는 다색 발광 결정이 모자이크 순서로 밀접하게 배열되어 있으며 전체 방출 스펙트럼이 자연광에 가깝도록 렌즈에 의해 빛이 집중됩니다. R, G 및 B 채널을 개별적으로 제어하여 LED 발광의 모든 색상(또는 색상 음영)을 얻을 수 있습니다. 이 방법의 단점도 분명합니다. 다른 색상의 LED는 방사 효율이 다르기 때문에 제조가 상당히 힘들고 (따라서 높은 비용) R, G, B 채널의 색상 균형이 필요합니다. 그러나 이 방법은 컬러 옥외 광고 디스플레이 제작에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
백색광을 얻는 두 번째 방법의 주요 조항은 형광등의 작동 원리에서 차용한 것입니다. 이 경우 (그림 2 참조) 특수 XNUMX 색 형광체가 UV 범위의 LED 방출 파동의 하우징 내부 표면에 적용되어 복사 작용에 따라 백색광으로 빛나기 시작합니다. 이 방법의 단점 중 광 출력 효율이 그다지 높지 않다는 점을 언급해야 합니다. 이러한 이유로 세 번째와 네 번째 방법이 기술적으로 가장 진보되고 상업적으로 가장 수익성이 높은 것으로 판명되었습니다. 그러나 가장 흥미로운 점은 이러한 방법이 두 번째 방법의 논리적 발전, 즉 발광 효과도 사용한다는 것입니다.
세 번째 방법의 기술은 파란색 LED 사용을 기반으로 하지만 여기에서 발광 결정은 노란색 형광체를 적용한 구조적 반사판으로 둘러싸여 있습니다. 따라서 색상이 혼합되면 그림 3과 같이 흰색에 매우 가까운 스펙트럼 구성을 갖는 빛이 생성됩니다. 삼.
네 번째 방법은 세 번째 방법과 거의 차이가 없으며 실제로는 방출된 빛의 스펙트럼 구성을 개선하기 위한 논리적 개발입니다. 이 방법은 동일한 파란색 발광 다이오드를 기반으로 하며 동일한 구성 반사기가 제공되지만 녹색 및 빨간색 글로우 색상의 두 가지 유형의 형광체가 이미 증착되어 있습니다(그림 4 참조).
백색광에 가까운 방출 스펙트럼을 가진 대부분의 상업용 LED는 단일 및 이중 형광체 발광 기술을 기반으로 만들어집니다. 이러한 이유로 이러한 LED의 조명에는 약간의 청자색 "차가운" 색조가 있습니다. "고체 조명"의 비용과 구현의 경제적 타당성에 대해 무엇을 말할 수 있습니까? 현재까지 "고체 조명"은 물론 빛 에너지 단위를 "생산"하는 비용만 고려한다면 가장 비싼 빛 에너지원입니다. "고체 조명"의 1루멘 가격은 여전히 고전적인 백열 램프가 생산하는 30루멘 비용보다 50~1배 더 높습니다. 예를 들어, 저자는 5W LED 램프를 15달러에 구입할 수 있었던 반면, 동일한 광 출력과 60W 소비 전력을 가진 일반 백열 램프는 1달러에 조금 못 미치는 가격에 구입할 수 있었습니다. 또 다른 계산에 따르면 총 광 출력 비용이 20달러인 20개의 초고휘도 LED 매트릭스는 비용이 20달러인 1W 할로겐 램프에 가깝습니다. 그러나 결론을 내리기 위해 서두르지 마십시오. LED와 기존 백열등의 수명과 발광 효율을 비교하면 절약 효과가 분명하다고 말할 수 있습니다. 저축은 단기가 아니라 장기적이라는 것입니다. 전문가에 따르면 고체 광원의 비용 감소 역학은 광 출력 증가만큼 빠르지 않을 것입니다. 사용. 시장에 대한 LED 광원의 홍보는 다음과 같은 시나리오를 따릅니다. 처음에는 20차(장식) 조명으로 사용되었으며 현재 백열등 및 할로겐 램프를 단계적으로 제거하는 작업이 이미 진행 중입니다. 이미 자동차 제조사들은 백색 LED를 기반으로 하는 상향등 및 하향등 헤드라이트를 적극적으로 개발하고 있습니다. 개발 성과는 인상적입니다. 표준 크세논 램프와 관련된 1000lm 정도의 광속을 얻었습니다. 해외 방향 표시기를 사용하면 모든 것이 훨씬 간단합니다. 기술이 개발되었으며 빠르게 도입되고 있습니다. 무화과에. 그림 5는 106개의 초고휘도 LED로 만든 직경 4mm의 산업용 자동차 LED 하향등 전조등을 보여줍니다.
이제 초고휘도 LED의 광학적 특성, 특히 이러한 데이터가 기술 문서에 어떻게 표시되는지에 대해 이야기하겠습니다. 모든 LED는 관찰자에 대한 위치에 따라 일정 방향, 즉 불균일하게 광속을 방출합니다. 일부 LED는 방향성이 뚜렷합니다. 작은 스포트라이트처럼 빛납니다. 다른 것들은 반사경이 있는 백열등과 같습니다. 여기에서 광파는 상당히 넓은 공간 영역으로 전파됩니다. 공간 복사의 균일성을 보장해야 하는 경우 서로 다른 방향으로 향하는 건설적인 LED 조립이 도움이 됩니다. LED의 주요 공간 광학 특성은 지향성입니다. 제조업체는 먼저 방사 각도 (방사 각도)로, 두 번째로 방사 패턴으로 지향성 유형을 설명합니다. 첫 번째 특성이 단순한 "숫자"라면 두 번째 특성은 훨씬 더 유익한 그래프입니다. 조명 설계 엔지니어가 알아야 할 방사 패턴 유형은 매우 중요합니다. 무화과에. 그림 6은 LED 산업의 세계적 리더 중 하나인 NICHIA에서 제조한 NSPW515BS 백색 LED의 가장 유용한 방사 패턴을 보여줍니다. 다이어그램의 오른쪽 부분은 극좌표로, 왼쪽 부분은 데카르트 좌표로 만들어집니다. 이러한 그래프에서 인수는 주축(최대 방사선 선)에 대한 회전 각도이고 함수는 무차원 수량입니다. 함수의 선을 따라 그래프는 최대 방사 값으로 정규화되며 LED의 순방향 전류의 특정 값에서 mcd로 주어지는 광도는 정규화 값으로 작용합니다. 방사 패턴에서 이 매개변수는 차원이 없는 "단위"에 해당합니다.
경우에 따라 방사 패턴이 충분히 넓은 경우(이러한 LED는 일반적으로 무방향성 조명 용도로만 사용됨) 광속 값이 lm으로 제공되므로 표준 방법을 사용하여 조명을 계산하는 데 매우 편리합니다. 회사는 또한 기술 문서에서 LED 방사의 스펙트럼 특성 유형을 제공합니다. 무엇을 위해? 사실 빛의 색온도는 사람의 감정 상태에 큰 영향을 미칩니다. 지금까지 LED 조명은 '춥다', '우울하다', '불편하다'라는 이미지를 가지고 있었습니다. 그러나 최근 백열등의 빛을 모방한 온백색 LED가 시장에 등장했다. 특히 이러한 LED는 NICHIA의 명명법에도 포함되어 있습니다. 온백색 LED의 방사와 백색 유형의 방사 사이의 차이는 그림 7에 가장 명확하게 설명되어 있습니다. XNUMX은 언급된 LED의 스펙트럼을 보여줍니다.
제시된 스펙트럼을 분석해 보겠습니다. 백색 유형 LED의 방출은 스펙트럼의 "파란색" 영역에서 높은 진폭 피크에 의해 "옅은 색"으로 렌더링되는 반면, 따뜻한 백색 LED에서는 파란색 구성 요소가 노란색의 보다 강렬한 방출에 의해 "뭉개집니다" 발광체를 "따뜻한" 색조로 착색하는 형광체. 한편, LED의 전기적 매개변수를 평가할 필요가 있습니다. 이것은 전류-전압 특성(CVC), 즉 다이오드에 적용된 전압에 대한 다이오드를 통과하는 전류의 의존성에 의해 가장 명확하게 설명됩니다(그림 8). 역(차단) 전압이 가해지면 LED를 포함한 모든 다이오드는 전류를 전도하지 않습니다. 그러나 정류기 다이오드와 달리 LED는 큰 역 전압을 허용하지 않습니다. 표준 LED 역방향 전압 제한은 5V를 초과하지 않으므로 "역극성"에 주의하는 것이 좋습니다.
LED CVC의 직접 분기는 개방 전압 값과 개방 상태에서의 전압 강하에서만 기존 다이오드의 CVC와 다릅니다. 게르마늄 다이오드가 0,1 ... 0,2 V의 전압에서 열리면 실리콘 - 0,6 ... 0,7 V에서 LED의 개방 전압은 1,2 ... 2,9 V 범위에 있습니다. 개방 후 전압이 켜집니다. LED는 전류가 증가함에 따라 약간 증가하여 약 1mA의 전류에서 이미 특정 수준에서 안정화됩니다. 무화과에서. 8은 또한 LED의 점화 전압과 제어되지 않은 전류 증가 사이의 차이가 0,3V에 불과하다는 것을 명확하게 보여줍니다. 다른 반도체와 마찬가지로 LED는 무한히 큰 전류를 전달할 수 없습니다. 단순히 가열로 인해 녹습니다. 따라서 과도한 전압을 자체적으로 "보상"하고 흐르는 전류를 제한하는 안정기를 사용할 필요가 있습니다. LED는 일정한(또는 펄스형) 전압으로 전원을 공급받기 때문에 가장 단순한 안정기는 주로 일반적인 능동 저항입니다. 또한 전자 전류원을 기반으로 하는 보다 복잡하고 경제적인 유형의 안정기가 있습니다. 저자: B. 세메노프
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