Светодиоды и Лазерные диоды реферат. Светодиоды и Лазерные диоды. Бюджетное профессиональное образовательное учреждение Омской области омский авиационный колледж имени н е. Жуковского
 Скачать 472.28 Kb.
|
|
Возможности, применение и недостатки светодиодов Изобретение первых светодиодов - полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку - относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании. Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе - мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации. Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, - оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой [3]. Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными -газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов. Преимущества Экономично... Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения - максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов. За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%! Удобно... Светодиодный модуль - многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур. Надежно... Есть надежность совершенно особого рода - та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах. Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, - 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов [4]. Красиво... Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему. Представительно... Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса. Поверхностный взгляд на использование светодиодов сразу отмечает их высокую стоимость – главный недостаток по сравнению с лампами накаливания и неоновыми трубками различных типов. Если говорить о цене изделия как таковой, то LED-изделия действительно «не каждому по карману». До сих пор затраты на светодиодные модули - два раза выше стоимости неонового изделия аналогичной яркости. Однако производители по всему миру продолжают наращивать мощности по изготовлению светодиодов, и цены на данные источники света неуклонно понижаются. Практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 - 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники. Также недостатком при использовании светодиодов в конструировании объемных букв средних и крупных размеров можно считать их миниатюрность, из-за которой требуется объединять многочисленные отдельные светодиоды в группы. Чтобы обеспечить яркий и красочный свет, мгновенно привлекающий внимание, требуется большое количество светодиодов. В данном случае возникает необходимость использования универсальных модулей: один или два светодиода, которые можно интегрировать практически в любой рекламный образ. Где применяют светодиоды? все виды световой рекламы (вывески, щиты, световые короба и др.) замена неона дизайн помещений дизайн мебели архитектурная и ландшафтная подсветка одноцветные дисплеи с бегущей строкой магистральные информационные табло полноцветные дисплеи для больших видео экранов внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах дорожные знаки и светофоры Другие сферы применения включают подсветку жидкокристаллических дисплеев в сотовых телефонах, цифровые камеры, а также архитектурное и другие виды освещения. Сектор электронного оборудования включает применение светодиодов в качестве индикаторных ламп в промышленных и потребительских товарах. Будущее за светодиодами? Специалисты подчеркивают, что в ближайшие несколько лет цены на светодиоды упадут до уровня, при котором готовые изделия из них будут стоить дешевле неоновых. В этом случае необходимости в квалификации по работе с неоном, электропроводке высоковольтных проводов для подключения газоразрядных трубок и мерах для предотвращения ошибок, ведущих к перегоранию источников света, нет. Еще более перспективны светодиодные модули - исключительный по гибкости "конструктор" для дизайнера и изготовителя рекламы, включающий разнообразные простейшие геометрические формы - линии, кольца, звезды, прямоугольники... Подобно разноцветным пластиковым модулям LEGO светодиодные модули легко объединяются друг с другом и не менее легко присоединяются к любой поверхности. Если светодиоды открывают новую эру в освещении вообще, светодиодные модули - бесспорно, новая эра светодизайна. Осветительный прибор как автономное устройство перестает быть главным компонентом архитектурного и интерьерного освещения; светодиодные модули делают шаг "вглубь", встраивая, интегрируя свет в различные объекты, можно получить совершенно новую степень свободы в формировании световой среды, выходя на фантастический уровень детальности, согласованности, управляемости [2]. Пожалуй, самое интересное - это процесс вторжения светодиодных технологий в "традиционное" освещение. Начался он с установок, где не требуется высокий уровень освещенности: дежурное и аварийное освещение, ночное интерьерное освещение, знаки и таблички, "маркировочное" освещение. Насыщенный цвет светодиодных модулей позволяет использовать светодиоды для цветового зонирования пространства, создания цветовых акцентов. Сочетание светопрозрачных конструкций (окна, стеновые панели, стеклянная мебель) с гибкими линейными светодиодными модулями позволяет создавать светящиеся и меняющие цвет формы. Применение сверхминиатюрных источников света позволяет создать "альтернативные" яркие световые образы для привычных предметов интерьера. С ростом световой отдачи и удешевлением приборов, светодиодная "экспансия" распространяется не только на локальное, но и на общее освещение, в котором лидирующее положение пока занимают традиционные и галогенные лампы накаливания (жилые помещения) и люминесцентные лампы (офисные помещения). Наиболее остры вопросы обслуживания в наружном освещении, поэтому внедрение светодиодов в архитектурное освещение происходит очень быстро. Заманчивой идеей для архитекторов является применение светодиодных "линий" для создания световых карнизов. Характеристики светодиодных модулей по эксплуатационным параметрам многократно превышают существующие альтернативы, а по стоимости оказываются вполне сравнимыми с ними. Нужно только не забывать, что холодный свет светодиодов не в состоянии растопить скапливающийся на карнизах снег, поэтому использовать их (в наших краях) в архитектурной подсветке нужно в положении "светим вниз". Тот же аргумент справедлив для ландшафтного освещения, поэтому встраиваемые в дорожку или газон светодиодные "аплайты" зимой видны не будут. Однако здесь есть и плюсы: светодиоды, как и оптоволоконо, можно использовать для подсветки ледяных скульптур, замерзших прудиков из-под льда и т. д.). Насыщенные цвета светодиодов создают фантастические эффекты при подсветке воды. Светодиодное освещение фонтанов создает ни с чем не сравнимые "флюоресцирующие" световые картины. Лазерные диоды Под термином «лазерный диод» понимается лазер полупроводникового типа, основа конструкции которого представлена диодом. Принцип работы такого лазера строится на том, что после того, как в диод были инжектированы носители заряда, в зоне p‒n — перехода возникает инверсия населённостей. Излученный при спонтанном переходе 2‒1 фотон вызывает вынужденное испускание дополнительных фотонов, соответствующих переходу   , которые в свою очередь вызовут также вынужденное излучение и т.д.Полученное таким образом вынужденное излучение будет использовано для генерации когерентных световых волн. Чтобы активное вещество превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Необходимо, чтобы часть излученного света все время находилась в зоне активного вещества и вызывала вынужденное излучение все новых и новых атомов. Инверсия населенностей ‒ неравновесное состояние вещества, при котором населенность верхнего уровня из пары уровней энергии одного типа атомов (ионов, молекул), входящих в состав вещества, превышает населенность нижнего. Инверсия населенностей лежит в основе работы лазеров и других приборов квантовой электроники. Чтобы понять концепцию инверсии населённостей, необходимо сначала пояснить некоторые моменты термодинамики и законы взаимодействия света с веществом. Для примера представим, что рабочее тело лазера состоит из нескольких атомов, каждый из которых может находиться в одном из двух или нескольких энергетических состояний: 1)Основное состояние, с энергией   2)Возбуждённое состояние, с энергией   , причём   Количество атомов, находящихся в основном состоянии, примем равным   , а количество возбуждённых атомов —   .Таким образом, общее число атомов будет   = + .Разница между энергетическими уровнями   =   ‒ определяет характерную частоту   света, который взаимодействует с атомами. Найти её можно из следующего выражения:     =  , где   — постоянная Планка.Если группа атомов находится в термодинамическом равновесии, то число атомов, находящихся в каждом состоянии, можно найти с помощью распределения Больцмана:  где   — температура группы атомов,   — постоянная Больцмана.Таким образом, мы можем рассчитать населённость каждого энергетического уровня для комнатной температуры ( ≈ 300K) для энергии , соответствующей видимому свету (ν ≈ 5·  Гц). Так как — >>   , показатель степени в вышеприведённом выражении представляет собой большое отрицательное число, т. е. / крайне мало, а число возбуждённых атомов практически равно нулю.Таким образом, в случае термодинамического равновесия, состояние с низкой энергией намного популярней возбуждённого состояния, и это является нормальным состоянием системы. Если удастся каким-либо способом обратить ситуацию, т. е. сделать / > 1, то тогда можно будет сказать, что система перешла в состояние с инверсией электронных населённостей.Анализ этих утверждений показывает, что в случае термодинамического равновесия, согласно распределению Больцмана, для любых положительных значений и температуры, всегда будет значительно превышать . Отсюда следует, что для получения инверсии населённостей система не может находиться в термодинамическом равновесии (в квантовой статистике инверсия населенностей может осуществляться при отрицательной абсолютной температуре).Инжекция — физическое явление, наблюдаемое в полупроводниковых или гетеропереходах, при котором при пропускании электрического тока в прямом направлении через p-n-переход в прилежащих к переходу областях создаются высокие концентрации неравновесных («инжектированных») носителей заряда. Явление инжекции является следствием уменьшения высоты потенциального барьера в p-n-переходе при подаче на него прямого смещения. |