Светодиодные лампы история создания кратко

Обновлено: 05.07.2024

История создания светодиодов

Впервые о свечении твердого кристалла под влиянием тока человечество узнало в начале XX столетия.

1907 – британец Генри Раунд провел эксперименты, в процессе которых заметил цветное свечение при похождении электричества через соединение металла с карбидом кремния (карборундом). Так была открыта электролюминесценция.

1961 – следующим шагом в разработке современных ламп стало изобретение инфракрасного светодиода. Открытие сделали сотрудники американского производителя Texas Instruments. Г. Питтман и Р. Байард, которые чуть позже запатентовали свое детище.

1962 – первое применение светодиода на практике в американском гиганте General Electrics. Кристаллы с красным свечением были созданы в Университете Иллинойса Ником Холоньяком.

Себестоимость первых светодиодов достигала 200$ – огромные деньги для середины XX века. Научно-технический прогресс позволил удешевить производство твердотельных источников света, и с 1968 года крупные корпорации обратили внимание на возможную выгоду от использования таких элементов в своей продукции.

1971 – американец украинского происхождения Жак Панков в лабораторных условиях получает синее излучение от кристаллов. Начинается эра светодиодов, первые массовые партии индикаторов были произведены компанией Monsanto, и использованы в калькуляторах HP.

1972 – ученик Холоньяка Джордж Крафорд улучшает силу света красных светодиодов в 10 раз, и находит способ получить желтое излучение.

Изобретение светодиодной лампы

Несмотря на снижение стоимости, цена на светодиоды оставалась высокой вплоть до 1990-х гг. Исходящие световые лучи были слабоваты, и подходили только для использования в качестве индикаторов. Но в конце прошлого века три сотрудника японской корпорации Nichia Chemical Industries (Хироси Амано, Сюдзи Накамура и Исама Акасаки) сдвинули прогресс с мертвой точки, создав недорогой светодиод с синим свечением. Чуть позже на основе изобретения трех сотрудников Nichia началось массовое производство люминофорных светодиодов с белым свечением. В 2014 году Хироси Амано, Сюдзи Накамура и Исама Акасаки за свое изобретение были удостоены Нобелевской премии.

Благодаря низкой стоимости люминофорных светодиодов и довольно высокому световому потоку, стало возможным массовое производство светодиодных ламп.

Последним шагом на пути к созданию современных светодиодных ламп с высоким световым потоком стало производство первого модуля по технологии COB (Chip-on-Board) в 2003 году компанией Citizen Electronics. Citizen Electronics первыми начали использовать диэлектрический клей для монтажа кристаллов от Nichia на алюминиевую подложку, необходимой для поглощения выделяемого тепла.

История светодиодных ламп

Все началось в далеком 1907 году, когда английский инженер Генри Раунд, выключив освещение в лаборатории, случайно заметил свечение вокруг диодного контакта, находящегося под напряжением. Он решил, что свечение вызвано какой-то ошибкой в расчетах и не придал этому особого внимания, хотя и отметил этот факт в отчете.

Спустя 16 лет после этого события советский физик Олег Владимирович Лосев занялся исследованием странного свечения, возникающего в месте пайки контактов диода из карбида кремния (карборунда). Лосев так и не выяснил природы свечения, отметив, что нагрева до высоких температур при этом не было — причина свечения таилась в каком-то электронном процессе, не известном науке тех лет. Результаты исследований Лосева по свечению диодов были переведены на несколько языков и опубликованы в ряде научных журналов, но особого интереса не вызвали. Привычные лампы с нитью накаливания в начале XX века считались вполне достаточными и незаменимыми — изобретать что-то новое не было необходимости.

Устойчивый интерес к свечению диодов возник во второй половине прошлого века, когда американский инженер Рубин Браунштейн заявил о своем открытии — диоды из арсенида галлия (GaAs) при подключении питания излучают инфракрасные лучи. По словам инженера точно такое же излучение было замечено им у диодов из фосфида индия (InP), антимонида галлия (GaSb) и состоящих из кремнево-германиевого сплава.

Первый инфракрасный диод был запатентован в 1961 году — американскими исследователями Гари Питманом и Робертом Бьярдом. Но использовать такие диоды для освещения помещений было невозможно, т.к. инфракрасные лучи находятся за пределами спектра, видимого человеческим глазом.

Первый светодиод, испускающий яркий белый свет, был создан не так давно — в 1997 году, его создателем стал американский инженер Фред Шуберт.

Сегодня энергосберегающие светодиодные лампы уже существуют, но все еще проходят совершенствование, ведь первые светодиоды, интенсивность света которых стала равна и, в последствии, превысила яркость ламп с нитью накаливания, появились лишь в начале XXI века.

Как устроена и работает светодиодная лампа

Устройство любой современной лампы на светодиодах таково:

цоколь. Стандартный элемент любой лампы, предназначен для вкручивания в патрон светильника;
пускатель-балласт (драйвер), заключенный в пластиковый корпус с вентиляционными отверстиями. Преобразует переменный ток в постоянный, содержит более мощные конденсаторы, чем в схеме балласта люминесцентных ламп. Причина следующая — тепло, вырабатываемое диодами в светодиодных лампах, направлено не наружу, а внутрь ее корпуса, поэтому и требуются вентиляционные отверстия в корпусе балласта. Срок службы любой светодиодной лампы связан с количеством вентиляционных отверстий в корпусе и надежностью конденсаторов, а также от стабилитронов, выравнивающих напряжение в случае его перепадов;
алюминиевый радиатор. Его выступающие ребра расположены вдоль и по спирали, что улучшает отвод тепла;
плата, на которой установлены светодиоды. Выполнена из алюминия, на сторону, обращенную к радиатору, нанесена термопаста, отводящая тепло — 90% излучения тепла от светодиодов приходится на алюминиевую плату, в которой они установлены;
светодиоды, числом от 5-ти, обеспечивающие общую мощность лампы. От качества светодиодов зависит световой поток, генерируемый ими;
рассеиватель света, закрепленный на внутреннем кольце из алюминия. Производится из матового пластика, служит для равномерного рассеивания светового пучка от светодиодов. Практически не греется.

Основными элементами светодиодной лампы являются светодиоды — полупроводниковые приборы, преобразующие электрический ток в световое излучение. Любой светодиод состоит из не проводящей ток подложки, на которую уложен полупроводниковый кристалл — оба этих элемента заключены в корпус с выводами контактов с одной и линзой из пластика с другой стороны. Свободное пространство между линзой и кристаллом заполнено бесцветным силиконом, конструкция светодиода закреплена на алюминиевом основании, отводящем тепло и придающем светодиоду большую жесткость.

Почему же светодиод светится? Секрет свечения заключается в рекомбинации электронов между двумя контактами полупроводника с разной проводимостью. Кристалл полупроводника в местах вывода контактов проходит легирование акцепторной примесью, содержащей недостаточное число электронов, с одной стороны и донорской, где электроны имеются в изобилии, с другой. При подаче питания происходит рекомбинация электронов и возникающая при этом избыточная энергия превращается в видимый свет. На первый взгляд создается впечатление, что чем выше сила тока — тем более интенсивно будет свечение светодиода. Все верно, интенсивность световой энергии будет выше, но при этом из-за сопротивления в полупроводнике резко возрастет нагрев диода, что вызовет оплавление контактов или сгорание полупроводника.

Плюсы и минусы энергосберегающих светодиодных ламп

Существующие на сегодня светодиодные лампы обладают как преимуществами, так и недостатками — их разработка до полноценного источника света в наших домах еще не завершена.

Положительные характеристики:

Отрицательные характеристики:

Как выбрать светодиодную лампу для дома

Помимо известных брендов, в магазинах часто встречаются недорогие светодиодные лампы китайских и небольших отечественных производителей — на мой взгляд, приобретать их продукцию не стоит, т.к. дешевизна скорее всего объясняется экономией на комплектующих, а значит такие лампы прослужат недолго.

А теперь о критериях выбора светодиодных ламп:

Не сомневаюсь, что в ближайшие 5-10 лет светодиодные лампы будут усовершенствованы — количество люменов на каждый потребленный ватт возрастет, а стоимость существенно снизится. Они станут не менее популярными, как когда-то были лампы накаливания, только более выгодными и для рядового потребителя и для государства. Но на это уйдет время…

Что такое светодиодная лампа

Лампочка накаливания светится от того, что ее спираль раскаляется добела, до сверхвысоких температур (более 3000 градусов). Из-за этого до 97-99 % энергии уходит в тепло, и только 1-3 % — превращается в свет. У диода свечение возникает при протекании тока через полупроводниковый кристалл, который излучает фотоны, и каждый электрон генерирует свой фотон. Поэтому таких колоссальных потерь энергии у LED нет. КПД светодиодов составляет 10-30 % (в 10 раз выше, чем у лампы накаливания), и этот показатель растет из года в год.

Современная светодиодная лампа — это электронный осветительный прибор, состоящий из массива светодиодов и миниатюрного блока управляющей электроники. Светодиоды могут быть точечными и нитевидными (филаментными). Иногда подложка для светодиодов может выполнять и функции материнской платы (с одной стороны — диоды, а с другой — преобразователь и стабилизатор), но такое решение — не самое удачное, из-за паразитного нагрева диодов, сокращающего их срок службы.

Немного истории

В теории светодиоды были изобретены советским инженером Олегом Лосевым в 20-х годах прошлого века (он обнаружил, что карбид кремния светится при пропускании тока). Но до создания первых работоспособных образцов, излучающих видимый свет, оставалось еще 35 лет. Американскому профессору Нилу Холоньяку это удалось только в 1962 году. Первые образцы светодиодов были непригодны для практического использования, так как стоили дорого (200 долларов тех времен, или 1500 современных долларов, с учетом инфляции) и излучали тусклый красный свет. Лишь 10 лет спустя ученик Холоньяка, Джордж Крафорд, изобрел желтые диоды и повысил в 10 раз яркость их свечения.

Только в начале 90-х японские ученые смогли создать дешевые синие диоды, а также существенно удешевить технологию производства LED. За это коллектив был удостоен Нобелевской премии в 2014 году. Комбинация красного, зеленого и синего излучения дала возможность получить чисто белый свет. И лишь в конце 90-х — начале 2000-х стало возможным массовое производство дешевых белых светодиодов, пригодных на роль осветительного прибора, а не индикатора.

Автор статьи помнит, как на рубеже тысячелетий начали массово появляться в продаже китайские фонарики, использующие диод вместо лампы, а также компактные устройства с LED-подсветкой. К примеру часы Montana, мечта мальчиков в 80-х — 90-х годах, еще не имели качественной подсветки: при нажатии кнопки их дисплей подсвечивался тусклым желтым светом.

Только в середине 2000-х компании стали массово производить дешевые диоды высокой яркости, светящиеся в том диапазоне, что и Солнце. Тем самым они ознаменовали начало эпохи LED-освещения, ударив по древним лампам накаливания и не очень экологичным люминесцентным лампам.

Что такое филаментная лампа

По типу светодиодов лампы можно поделить на классические точечные (с точечными диодами) и новые нитевидные (филаментные). В первых используются специальные пластины подложки, по поверхности которых расположены LED-излучатели. Филаментная лампа — это осветительный прибор, в котором используются нитевидные светодиоды. Если в классических диодах полупроводниковые кристаллы заключены в отдельные корпуса (один диод — один корпус), то в нитевидных — массив кристаллов соединен последовательно и запаян в тонкую трубочку из стекла или прозрачного пластика. За счет этого достигается повышение яркости в разы и увеличение угла излучения.

Многие производители светодиодных ламп на филаментных диодах ранее занимались изготовлением классических ламп накаливания. На новый тип они переходят потому, что старые технологии уже не в почете. А использование филаментных диодов существенно упрощает переход. Те же машины, на которых ранее производились лампочки накаливания, подвергаются небольшой модификации. Вместо механизма, натягивающего вольфрамовую проволоку на электроды, внедряется узел, который устанавливает туда нитевидные диоды. Вместо смеси инертных газов внутрь колбы, перед запаиванием, закачивается гелий. Последний штрих — цоколь: в него устанавливают небольшую круглую (размером с 50-копеечную монету) плату, на которой размещен блок преобразователя-стабилизатора.

Как правило, диоды и платы производители филаментных ламп заказывают китайцам, но производство ламп может осуществляться в Украине, России, других странах, где есть мощности по выпуску ламп накаливания, теряющие актуальность. Уточнить, имеет ли свои мощности в Украине компания Maxus, не удалось, но точно известно, что российская компания Лисма имеет завод по выпуску филаментных ламп в Саранске. Компании приведены в пример потому, что их лампы — одни из лучших в бюджетной категории.

Виды светодиодных ламп

Груша

Филаментные лампы в форме груши — универсальны. Они рассеивают свет на 360 градусов, как обычная лампочка накаливания. За счет этого помещение равномерно заливается светом, затененные участки сводятся к минимуму. Недостаток таких ламп кроется в их же достоинстве: если нужно осветить только ограниченный участок, без затеняющего плафона сделать это не получится.

Кукуруза

Свое название светодиодные лампы этого типа получили за схожесть с кукурузным початком. Они имеют цилиндрическую форму колбы, по диаметру ненамного шире цоколя. Внутри колбы расположены несколько листов подложки для диодов, сформированных в многогранник. Желтоватые светодиоды, размешенные на подложке, придают лампочке схожесть с кочаном, на котором размещены зернышки. За счет такого расположения диоды светят почти во все стороны, угол рассеивания света может достигать более 300 градусов. Такие дампы хороши для светильников с горизонтальным расположением лампы и подходят как для общего, так и точечного освещения (в затеняющем плафоне).

Филаментные лампы в форме кукурузы — продукт редкий. Использование цилиндрической колбы для размещения нитей не дает особых преимуществ, а уменьшение ее объема приводит к уменьшению объема гелия внутри. За счет этого снижаются охлаждающие свойства лампы, ограничивается ее мощность. Поэтому лампочка-кукуруза на филаментных диодах — оптимальный вариант для умеренного точечного освещения, но не более того. Размер таких ламп позволяет вкручивать их в небольшие светильники, для которых они и предназначены.

Свеча

Светодиодная лампа-свеча имеет предназначение, схожее с филаментной кукурузой. Она обладает ограниченным (как и груша) углом рассеивания, а также небольшой мощностью. Основное освещение с помощью таких ламп можно организовать, если для этого используется люстра на много рожков, а патроны обращены вниз. Верхняя ориентация ламп оставляет тень в центре помещения, под люстрой. А вот для ночника или настольной лампы свечи вполне хороши.

Мифы о светодиодных лампах

Миф 1: Светодиодные лампы мерцают

Первые экземпляры светодиодных ламп китайского производства действительно были склонны к мерцанию. Они содержали дешевые электролитические конденсаторы в конструкции выпрямителя, и при пересыхании электролита под воздействием температур — появлялись пульсации. В настоящее время (2016 год) к мерцанию склонны только дешевые (до 50 грн) светодиодные лампы неизвестного происхождения. Качественные LED-лампы, в которых используются современные выпрямители и твердотельные конденсаторы, не мерцают даже после нескольких лет эксплуатации. Точный срок назвать сложно (технология довольно новая), но это минимум 1-3 года.

Миф 2: Излучение LED-ламп вредно для глаз

Можно сделать следующий вывод: спектр излучения LED-ламп не полностью совпадает с солнечным, но он не представляет вреда для глаз. По крайней мере, по части спектра современные диодные лампы не хуже люминесцентных, использующихся уже несколько десятилетий.

Миф 3: LED-лампы очень долго окупаются

Скептики часто утверждают, что срок службы диодов никогда не достигает заявленных 10 или 30 тысяч часов, а на окупаемость лампы выходят очень долго. Таким образом, ставится под сомнение сам факт экономии денег на электроэнергии, при использовании LED-освещения. Чтобы развеять миф, достаточно вооружится калькулятором и узнать тариф на электроэнергию. Он на данный момент составляет 1,29 грн/кВтч, для объема от 100 до 600 кВтч в месяц.

Световой поток 100-ваттной лампочки накаливания составляет 1200-1300 лм. Аналогичный световой поток обеспечивает качественная LED-лампа на 12 Вт. 12 (Втч)*5 (часов)*365 (дней)=21900 Втч или 21,9 кВтч, 21,9*1,29=28,25 грн в год. Экономия — почти в 10 раз! Стоимость светодиодной лампы MAXUS модели 1-LED-564, мощностью 12 Вт, в каталоге Price.ua составляет 139 грн. Даже если лампа прослужит 2 года (такую гарантию дают проверенные производители) — 139+28,25*2=195,5 грн, против 2*250=500 грн — с лампой накаливания. То есть, даже если лампочка будет перегорать как раз на следующий день после окончания гарантии — экономия составит более 2,5 раз. LED-лампа полностью окупается уже за первый год использования.

Как выбрать светодиодные лампы

Перед тем, как выбрать светодиодные лампы, нужно определиться с их типом, формой и цветовой температурой. Имеет значение и мощность, но от том, как рассчитать освещение светодиодами, расскажет следующий подраздел.

Тип светодиодной лампы

Какую светодиодную лампу выбрать, с точечными или филаментными диодами, зависит от условий ее использования. Для центрального освещения комнаты с помощью люстры наиболее оптимальной является светодиоднрая лампа с нитевидными источниками света. Она равномерно рассеивает свет, не создает затененных зон и темных пятен посреди помещения.

Лампы на точечных диодах имеют ограниченный угол освещения, поэтому их использование ограничено. Использовать их в основном освещении стоит, если диоды в лампе будут направлены именно в ту часть комнаты, которую нужно подсветить сильнее всего.

Форма LED-лампы

Для основного освещения филаментными лампами подойдет практически любая форма. Стоит лишь помнить, что чем меньше колба — тем меньше внутри охлаждающего газа, а это накладывает ограничения на мощность. Если люстра рассчитана на один патрон — стоит купить филаментную лампу-грушу, альтернативы ей пока нет. Для светильников, рассчитанных на много лампочек, подойдут свечи. Также свеча и кукуруза — оптимальные форматы для локальных источников света (настольных ламп, ночников, бра, торшеров).

В случае с лампами на точечных диодов — ограничения на формат накладывает конструкция светильника. Какой формы выбрать светодиодную лампу — зависит от положения патрона в нем. Важно, чтобы диоды были направлены на участок, который нужно подсветить. Если вкрутить грушу в патрон, направленный вверх — потолок будет залит светом, а пол окажется в тени. При горизонтальном расположении патрона — основной поток света от груши будет падать на стену, а часть помещения сзади цоколя будет плохо освещена. Для горизонтального патрона оптимальна кукуруза. Она же хороша и для торшера.

Цветовая температура

Светодиодные лампы имеют широкий спектр свечения, регулируемый путем изменения свойств люминофора, которым покрывается полупроводниковый кристалл. Современные LED-лампы могут иметь цветовую температуру от 2000 до 7000 К. В диапазоне 2000-3000 К свет получается теплый, с оранжевым оттенком. 3000-4000 К дают теплый желтовато-белый свет, близкий к солнечному освещению вечером. 4000-6000 К — это нейтральные тона, подобные естественном дневному освещению в хорошую погоду. При цветовой температуре 6000-7000 К достигается практически идеальный нейтрально-белый свет, у верхней границы — с легкими голубыми оттенками.

Цветовая температура влияет на субъективное восприятие, подбирать ее следует на свой вкус. Для спальни, гостиной, других жилых помещений вполне подходят теплые тона, подчеркивающие уютную атмосферу. 6000-7000 К подходят для рабочего места, так как именно при естественном дневном освещении человеческий организм демонстрирует наилучшую трудоспособность. Также холодные тона хороши для кухни, ванной, уборной и коридора или прихожей.

Как рассчитать светодиодное освещение

Для правильного подбора мощности LED-ламп нужно провести несложные расчеты. Итоговая величина зависит от площади комнаты и требуемого уровня освещенности. Основной единицей измерения освещенности является люкс (лк) — производная от люмена. Она указывает, сколько люмен света приходится на 1 м2 площади. Если лампа, светимостью 1000 лм, установлена в комнате на 10 м2 — уровень освещения составляет 1000/10=100 лк. Уровень освещения, рекомендуемый специалистами, отличается для разных типов помещений. Нормативные документы, регулирующи нормы освещения — СНиП (действующие еще с советских времен) и ISO 8995 (международный стандарт).

Нормы освещения:

Прихожая, коридор — 50-100 лк.
Гостиная, столовая — 100-200 лк.
Спальня — 100 лк.
Ванная, туалет, гардеробная, лестница — 50-200 лк.
Рабочий кабинет — 300 лк.
Кабинет или зал для четехных работ — 300-500 лк.

Для расчета освещенности нужно сложить суммарную яркость ламп, используемых одновременно, и разделить ее на площадь помещения. Оценить, соответствует ли реальный уровень освещения теоретическому можно без сложных приборов. Достаточно современного смартфона, оборудованного датчиком освещенности. Нужно установить приложение, вроде SensorSense, которое и покажет уровень освещения. Для более точного замера нужно запустить программу в освещенном месте, но не направлять датчик смартфона (расположен над экраном) непосредственно на лампу.

Пример расчета:

Имеется гостиная, площадью 15 м2, с люстрой на 3 патрона посредине комнаты. При верхней норме освещенности 200 лк необходима суммарная яркость ламп на уровне 15 (м2)*200 (лк)=3000 лм. При использовании трех одинаковых ламп — каждая из них должна выдавать около 1000 лм. Такой световой поток способна генерировать светодиодная лампа, мощностью около 10 Вт. То есть, для освещения комнаты нужно 3 LED-лампы по 10 Вт (вместо 3 лампочек накаливания по 75-100 Вт).

Мало, кто знает, но история появления светодиодов уходит своими корнями аж в начало XX века, когда один учёный случайно обнаружил свечение вокруг контакта при работе детектора. Этим учёным был Х.Д.Раунд, а произошло всё в далёком 1907 году. И хотя, настоящий светодиод в то время создать не удалось, наблюдение учёного заинтересовало многих последователей.

В 1923 году советский учёный О.В.Лосев смог доказать свечение полупроводниковых кристаллов при подаче на них тока. Первым подопытным кристаллом стал карбид кремния. На основании этого опыта стали проводиться множественные эксперименты с другими сплавами. А в 50-х, в США была создана лаборатория по разработке полупроводниковых ламп. Первые опыты давались тяжело, на разработку ушло несколько десятков лет. Но упорство учёных позволило совершить величайшее открытие.

Как появились первые светодиоды

В 1962 году в Иллинойском университете США появился на свет первый настоящий светодиод. Его появлению человечество обязано инженеру Нику Холоньяку. Первый кристалл светил тускло и только красным цветом. Но эта особенность никак не повлияла на веру учёных в перспективность сделанного открытия.

Уже в 1968 году увидел свет первый в мире рекламное светодиодное табло. Это был настоящий прорыв в истории светотехники. Но, мало, кто мог позволить себе в те годы такую роскошь, как светодиодные приборы. Производство первых кристаллов было довольно сложным, стоимость одного такого кристалла могла доходить до 200$! Первые лампочки использовались в качестве индикаторов в электроприборах, также, их применяли при производстве электронных часов. На большее мощности крошечных диодов не хватало.

За что получил нобелевскую премию Жорес Алфёров

Учёные всего мира были озадачены проблемой развития светодиодной техники. Одно из величайших открытий 60-х не могло остановиться на полпути. И вот, когда многие уже отчаялись произвести что-либо, более яркое, чем имеющийся вариант, величайший советский физик Жорес Алфёров разработал первый элемент, на основе которого производятся все ныне существующие светодиоды.

В то время важность открытия оценили лишь разработчики светодиодной продукции. Несмотря на это, изобретение Ж. Алфёрова стало настоящим прорывом в развитии осветительных приборов, и в 2000 году Жорес Алфёров получил Нобелевскую премию за разработку полупроводниковых гетероструктур и создание микроэлектронных и оптоэлектронных компонентов.

Современная светодиодная лампочка

Постепенно учёным удавалось увеличивать мощность светового потока. Но, пика своего развития светодиоды достигли вы 90-е годы прошлого столетия, когда японцы смогли создать элемент, способный произвести синее свечение. Надо сказать, до этого удавалось добиться лишь красного, жёлтого и зелёного цветов, а с этим открытием стало возможным достижение любого цвета.

Сегодня спектр светодиодного освещения не ограничивается только цветовой гаммой. Теперь мы можем выбирать даже оттенки. Так, к примеру, обычная белая лампочка может иметь тёплое, холодное и нейтральное свечение – кому как нравится.

В наши дни светодиодное освещение можно встретить где угодно и теперь уже сложно представить себе, что современная светодиодная лампочка преодолела такой огромный путь, длиной в 100 лет, прежде, чем появилась в домашнем светильнике.

Одно можно сказать однозначно: многолетние труды учёных открыли поистине безграничные возможности и показали немыслимые грани светотехники.

Читайте также: