Светодиодные лампы история с момента открытия и до сего дня

История возникновения светильников

Многие историки склонны считать, что эра активного развития человечества началась с того момента, когда первобытные люди научились добывать огонь, использовать его для приготовления пищи, обогрева и освещения жилища. Огонь считался даром богов, его почитали и берегли, о нем слагали легенды и мифы, передаваемые из поколения в поколение.

История светильника – от лампады к газовым фонарям

С течением времени люди научились не только контролировать огонь, но и создавать первые в истории человечества осветительные приборы.

Самым первым светильником, придуманным человеком, являлся обычный факел. В средневековье его стали фиксировать на стене при помощи специальных зажимов. Прототип современного оборудования использовался и в Древней Греции. Здесь для освещения помещений использовались специальные конструкции – треноги, оснащенные чашей с горючим веществом, а также подвесные лампады.

Следующим этапом эволюционирования считается появление свечи. Первые свечи изготавливали из воска, который отличался очень высокой ценой. Именно поэтому долгое время позволить себе подобную роскошь могли только представители аристократии. В 19 веке французский химик Мишель Шевроль впервые предложил заменить воск более дешевым аналогом — стеарином, который практически не имел запаха и не выделял копоть при горении.

Дальнейшее развитие науки в области химии позволило использовать для освещения разнообразные горючие газы. Впервые такие фонари появились в Европе, где получили достаточно широкое распространение. Главным компонентом, так называемого, «светильного газа» был бензол. Его получали путем пиролиза жира морских млекопитающих, а чуть позже – из каменного угля при его коксовании.

Лампы накаливания и светодиодные светильники

История возникновения светильника в традиционном для нас исполнении началась после открытия электричества. Его использование открыло для изобретателей практически неограниченные возможности, так как позволило существенно увеличить температуру нагрева источников света и, тем самым, увеличить интенсивность светового потока. Первыми токопроводящими материалами, которые использовали для нагревания, стали угольная нить, молибден, вольфрам и его сплавы. Источники света решили помещать в стеклянные резервуары, заполненные инертными газами, которые защищали их от внешних воздействий. Сегодня для производства традиционных ламп накаливания используется вольфрамовая нить, способная нагреваться до показателей 2800-3200 0 С.

С момента появления первого светильника и до сегодняшних дней изобретатели пытались решить две основные задачи: повысить их эффективность и сделать максимально безопасными. Добиться прекрасных результатов удалось с появлением светодиодного оборудования. К преимуществам таких изделий относится экономичность, отсутствие вредных компонентов, устойчивость к внешним воздействиям. Единственным недостатком LED-оборудования считается его высокая стоимость, однако, постепенно цена светодиодных светильников становится все более доступной.

Несмотря на прекрасные результаты, специалисты уверены, что с появлением светодиодного оборудования история светильника не завершилась. Впереди изобретателей ждет масса захватывающих открытий, которые обеспечат светильникам максимальную эффективность, а нашей жизни – комфорт.

История появления светодиодных ламп

Светоизлучающие диоды и электролюминесценция известны более века. Генри Раунд (Henry Round), британский экспериментатор из лаборатории Маркони, в 1907 году впервые обратил внимание на эмиссию света при работе с кристаллами карбида кремния и контактным детектором (диодом). В опубликованном отчете, посвященном этому открытию, отмечалось, что под воздействием электрического возбуждения из кристалла карбида кремния выходил свет. Раунд особенно отмечал тот факт, что при низком напряжении он видел желтоватый свет, а затем, по мере увеличения напряжения, в различных точках разных кристаллов, желтый, зеленый, оранжевый и синий. Однако, после этого, до середины 1920-х годов, никаких работ, относящихся к случайно открытой Раундом электролюминесценции, в печати больше не появлялось.

В это время, русский экспериментатор Олег Лосев успешно создал светодиод после того, как обнаружил, что используемые в радиоприемниках диоды испускали свет при протекании через них электрического тока. В течение последующих лет он исследовал это явление и опубликовал множество работ, описывающих связь спектров излучения с вольтамперными характеристиками диодов. В 1927 Лосев запатентовал «световое реле». Это была первая ссылка на использование светодиодов в целях коммуникации.

И, хотя Раунд и Лосев сдвинули изучение электролюминесценции с мертвой точки, выбранное ими направление дальнейшего движения оказалось бесполезным для практики. Используемый в точечных диодах карбид кремния в то время был полупроводником с непрямой запрещенной зоной, и, как следствие, неэффективным. Производимый им свет, в лучшем случае, был слаб.

В 1955 Рубин Браунштайн (Rubin Braunstein) из Radio Corporation of America сообщил об инфракрасном излучении, генерируемом простыми диодными структурами, сделанными на основе арсенида галлия, антимонида галлия, фосфида индия и сплавов кремний-германий. Спустя несколько лет, исследователи из Texas Instruments Боб Биард и Гари Питтмен (Bob Biard и Gary Pittman) обнаружили, что под воздействием электрического тока арсенид галлия излучает инфракрасный свет. В 1961 году ими был получен первый патент на инфракрасный светодиод.

В начале 1960-х годов Ник Холоньяк (Nick Holonyak) из General Electric занимался исследованиями комбинаций галлия, мышьяка и фосфида в поисках путей создания туннельных диодов с большей шириной запрещенной зоны. При содействии сослуживца д-ра Роберта Холла (Robert Hall), изобретателя арсенид галлиевого лазера, Холоньяк в 1962 году создал лазер с видимым излучением. Вскоре после этого началось коммерческое внедрение первых светодиодов видимого (красного) спектра.

Холоньяк стал профессором Иллинойского университета в 1963 году. Именно там у него учился аспирант М. Джордж Крэфорд (M. George Craford), который в 1972 году изобрел желтый светодиод, а яркость красных и красно-оранжевых сумел увеличить на порядок.

Усилиями Крэфорда и Холоньяка компания Monsanto, в которой ранее служил Крэфорд, смогла впервые организовать массовое производство светодиодов видимого спектра, а также, семисегментных индикаторов на их основе. Первые стали применяться в лабораторном и электронном оборудовании, вторые — в коммерческих приборах, таких как телевизоры, радиоприемники, телефоны, калькуляторы и часы.

Заметно снизить себестоимость производства светодиодов удалось в середине 1970-х компании Fairchild Optoelectronics. Разработчики компании впервые использовали планарную технологию изготовления полупроводниковых кристаллов, изобретенную доктором Жаном Эрни (Jean Hoerni) из фирмы Fairchild Semiconductor. Комбинация этой уникальной, используемой и по сей день, технологии и новых методов упаковки позволила пионеру оптоэлектроники Томасу Брандту (Thomas Brandt) и группе его сотрудников намного снизить производственные затраты и, одновременно, повысить надежность их светодиодов.

В 1976, Т.П. Пиэрсолл (T.P. Pearsall) изобрел уникальный полупроводниковый материал, длина волны излучения которого была специально оптимизирована для передачи по оптоволокну. На базе этого материала им был создан первый сврхяркий высокоэффективный светодиод.

Арсенид галлия-алюминия (GaAlAs) стал широко использоваться как полупроводниковый материал в середине 1980-х годов. Он позволил поднять яркость светодиодов, уменьшить рассеиваемую мощность и повысить гибкость использования за счет появления возможности импульсного питания и мультиплексирования. А это, в свою очередь, расширило список возможных применений светодиодов, добавив в него сканеры штрих-кодов, системы волоконно-оптической связи и медицинское оборудование.

Однако оставались нерешенными некоторые проблемы, связанные с первыми GaAlAs светодиодами, а именно — единственная длина волны излучения (660 нм) и значительная деградация светоотдачи, существенно большая, в сравнении со светодиодами, выпускавшимися по традиционной, на то время, технологии. К 1987 году компания Hewlett Packard усовершенствовала технологию GaAlAs све- тодиодов настолько, что их яркость стала достаточной для замены автомобильных габаритных огней и стоп-сигналов. Это была знаменательная веха в истории светодиодов, когда впервые в светотехнических приложениях появилась возможность замены ламп накаливания светодиодами.

В конце 1980-х — начале 1990-х годов появился и стал использоваться более эффективный полупроводник — фосфид алюминия- галлия-индия (AlGalnP). Благодаря возможности управления шириной запрещенной зоны, новый материал позволил значительно уменьшить деградацию светоотдачи и расширить цветовой диапазон. Отныне зеленые, желтые, оранжевые и красные светодиоды стали изготавливаться по одной и той же технологии.

Теперь недоставало только чистого синего светодиода. Первые эксперименты в попытке создать такой прибор были выполнены Жаком Панковом (Jacques Pankove) в лабораториях RCA в середине 1970-х, однако результаты оказались более чем скромными. Была очевидна необходимость дополнительных исследований.

В конце 1980-х служащие университета Нагои Исаму Акасаки (Isamu Akasaki) и Ироси Амано (Hiroshi Amano) совершили важный прорыв в технологии выращивания эпитаксиальных структур нитрида галлия и легирования p-примесями. Результаты своих исследований они принесли в компанию Nichia Corporation, чтобы в 1993 году, используя нитрид индия-галлия, продемонстрировать первый ярко-синий светодиод. Этим открытием завершилось формирование RGB триады цветов, и потребовалось совсем немного времени, чтобы мы смогли увидеть на улицах полноцветные вывески и экраны.

В 1995 году в лаборатории Кардиффского университета Альберто Барбьери (Alberto Barbieri) занимался проблемами повышения эффективности и надежности высокоэффективных светодиодов, и с успехом продемонстрировал впечатляющие результаты, достигнутые при использовании прозрачных контактов на светодиодах из алюминия-галлия-индия-фосфида/арсенида галлия (AlGalnP/GaAs). Последние достижения в области синих светодиодов, в совокупности с усовершенствованиями, сделанными Барбьери, быстро привели к появлению первых высокоэффективных белых светодиодов, в которых смешение желтого излучения люмино- форного покрытия с синим излучением кристалла дают результирующее свечение, кажущееся белым.

В течение двух последних десятилетий популярность и диапазон использования светодиодов росли экспоненциально. Сегодня, благодаря их эффективности и долгосрочной надежности, с ними связывают главные решения будущего в области светотехники. Но исследования продолжаются, и имеются все признаки того, что мы станем свидетелями новых открытий, которые сделают светодиоды еще более мощными, надежными и дешевыми.

Что такое светодиод? История развития, интересные факты, перспективы

Во всех наших статьях мы стараемся доносить информацию до читателей и покупателей магазина в максимально доступной форме, старательно избегая малопонятных обывателю терминов и описания физико-химических процессов. Так мы попробуем поступить и сейчас, поскольку, подкованные в научных дисциплинах читатели без труда смогут найти в Интернете информацию по данной теме на гораздо более научном языке.

Светодиод — это полупроводниковый прибор, трансформирующий электроток в видимое свечение. У светодиода есть общепринятая аббревиатура — LED (light-emitting diode), что в дословном переводе на русский язык означает «светоизлучающий диод». Светодиод состоит и з полупроводникового кристалла (чип) на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Непосредственно излучение света происходит от этого кристала, а цвет видимого излучения зависит от его материала и различных добавок. Как правило, в корпусе светодиода находится один кристалл, но при необходимости повышения мощности светодиода или для излучения разных цветов возможна установка нескольких кристаллов.

В светодиоде, в отличие от привычной лампы накаливания или люминесцентной лампы (ее еще называют «энергосберегающей»), электроток трансформируется в видимый свет. В теории, такое преобразование можно выполнить вообще без, так называемых, «паразитных» потерь электроэнергии на нагрев. Это связано с тем, что при грамотно спроектированном теплоотводе светодиод нагревается очень слабо. Светодиод излучает свет в узком спектре, его цвет «чист», что особенно ценно применительно к дизайнерскому освещению. Ультрафиолетовые и инфракрасные излучения, как правило, отсутствуют.

В 1907 году британский инженер-экспериментатор Генри Джозеф Раунд (на фото слева) впервые обнаружил едва заметное излучение, испускаемое карбидокремниевыми кристаллами, вследствие неизвестных в то время электронных превращений.

В 1962 году группа ученых из Университета Иллинойса (США), которой руководил Ник Холоньяк (на фото слева), продемонстрировала работу первого светодиода, что стало знаковым событием и именно этот момент многие специалисты считают открытием привычного нам светодиода. В этом же году Ник Холоньяк создал первые «красные» светодиоды, которые уже можно было применять в промышленности.

В 1972 были открыты полупроводниковые излучатели зеленого и желтого цвета. Их яркость постепенно увеличивалась и в 1990 году уже составляла 1 люмен.

Суджи Накамура (на фото справа) — инженер малоизвестной тогда японской фирмы Nichia (Ничиа) в 1993 году получил первый синий сверхъяркий светодиод. После этого, почти моментально были созданы светодиодные RGB (Red-Green-Blue) устройства, поскольку эти три цвета (зеленый, синий, красный) в своем сочетании сделали возможным создать любой цвет, даже белый. Этот момент стал настоящим прорывом и первые светодиоды белого цвета «увидели свет» в 1996 г., что явилось сильнейшим толчком к развитию отрасли.

К 2005 году яркость светодиода достигла значения 100 лм/Вт и продолжает увеличиваться. Были сконструированы так-называемые многоцветные светодиоды, а повышение яркости и надежности всех компонентов светодиодных ламп позволило начать конкуренцию с энергосберегающими (люминесцентными) и лампами накаливания. У нас есть интересная статья на эту тему, где сравниваются разные типы ламп.

С 2008-2009 годов стартовало активное применение светодиодных источников света в бытовых светильниках и чуть позднее с ростом светоотдачи — в уличном освещении. В 2012-2013 годах из-за многократного роста объемов производства их стоимость начала снижаться, что привело к стремительному повышению интереса со стороны потребителей.

Яркость светодиода зависит от силы тока (измеряемой в амперах), который через него проходит. Однако, силу тока нельзя увеличивать без ограничений, так как кристалл перегреется и выйдет из строя. Именно по этой причине конструкция светодиодных ламп относительно сложна и дорога в производстве. Но прогресс не стоит на месте и ежегодно ведущие производители светодиодов добиваются роста светового потока своих светодиодов на 20-30%, что с точки зрения скорости прогресса, весьма впечатляющие цифры. Постоянному совершенствованию подвергаются конструкции и материалы элементов светодиодных ламп.

По силе света светодиоды делятся на три основные группы:

— светодиоды ультравысокой яркости, мощностью от 1W (Ultra-high brightness LEDs) – сотни канделл;

— светодиоды высокой яркости, мощностью до 20 mW (High brightness LEDs) – сотни и тысячи милликанделл;

— светодиоды стандартной яркости (Standard brightness LEDs) – десятки милликанделл.

Яркость свечения светодиодов очень хорошо поддается регулированию или «диммированию» при использовании так называемого метода широтно-импульсной модуляции, для чего необходим специальный управляющий блок, встроенный в лампу. Однако, на сегодняшний день (2013-2014 года) не все продаваемые светодиодные лампы диммируются, что делает их немного дешевле и этот момент надо учитывать при покупке. Именно поэтому, перед приобретением светодиодных ламп мы настоятельно рекомендуем прочитать нашу статью «Как выбрать светодиодную лампу».

Существует два основных типа светодиодов: индикаторные и осветительные.

Индикаторные светодиоды — не яркие, маломощные и оттого дешевые в производстве светодиоды, используемые в качестве световых индикаторов в различных электронных приборах, подсветке дисплеев компьютеров, ЖК-телевизоров, приборных панелей автомобиля и многих других устройств.

Осветительные светодиоды отличаются высокой мощностью и яркостью, что позволяет использовать их в производстве бытовых и промышленных лампах и светильниках.

Исторически из-за небольшой яркости и мощности светодиоды применялись только для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать светодиоды с белым светом, что, как мы писали выше, произошло только в 90-х годах двадцатого века, а также значительно увеличить светоотдачу, чего в свою очередь, удалось добиться только в двухтысячных годах.

Светодиод механически прочен и надежен — даже при нынешнем развитии технологий, его срок эксплуатации в системе освещения теоретически может достигать ста тысяч часов, что примерно в 100 раз больше среднего срока эксплуатации обычной лампы накаливания и примерно в 10 раз больше, чем у энергосберегающих (люминесцентных) ламп. Однако, срок службы светодиода может быть разным и напрямую зависит от типа светодиода, силы подаваемого на него тока, охлаждения кристалла (чипа) светодиода, состава и качества кристалла, компоновки элементов и сборки в целом. Именно поэтому срок службы у осветительных светодиодов короче, чем у маломощных индикаторных. В бытовом смысле, старение светодиода связано в большей степени со снижением его яркости и в меньшей — с изменением цвета видимого излучения. Сам процесс старения начинает быть заметным по истечение нескольких десятков тысяч часов и происходит достаточно медленно, т.е. резкого угасания светодиода не происходит.

Однако, все вышесказанное относится исключительно к качественным продуктам от производителей с именами мировой величины. Проблема в том, что большинство российских светодиодных ламп построено на ультра-дешевых китайских светодиодах и других комплектующих, что сказывается на потребительских свойствах продуктов. Чаще всего это проявляется в том, что указанные на упаковке характеристики мощности, светового потока и срока службы очень сильно завышены. Именно по этой причине мы рекомендуем покупать лампы известных брендов.

Наибольшему старению подвержены как раз белые светодиоды, применяемые в освещении. Как мы уже писали ранее, светодиодов с белым светом пока не изобрели и белый свет получается за счет наложения структуры кристаллов, на которую нанесен люминофор (специальный состав). При этом л юминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода и срок его службы сокращается. Тем не менее, на сегодняшний день, светодиодные лампы по заявлениям ведущих производителей будут работать без ухудшения своих характеристик от 30 до 50 тысяч часов, что при их непрерывной работе составляет минимум 3,5 года. Если учесть, что по статистике лампа включена не более 3-х часов в сутки, то этот срок увеличивается минимум до 30 лет! Такие цифры впечатляют!

Сферу применения светодиодов в качестве источников света можно описать одним словом — повсеместно: в уличном, промышленном, автотранспортном и бытовом освещении. При подготовке этой статьи мы планировали перечислить сферы применения, но начав составления перечня, поняли, что в этом нет смысла, так как придется перечислять все. Потом мы попробовали идти от обратного — где сейчас пока еще не применяют светодиоды в качестве источников света и пришли к выводу, что примеров этому нет. Все крупные Компании переводят освещение своих производственных и офисных помещений на светодиодное. Те, кто пока не делает — планируют это сделать в самое ближайшее время и ждут еще большего снижения цен. Основных причин такого массового перехода две: экономический эффект и безвредность для человека и экологии планеты в целом.

По мнению большинства специалистов отрасли, стоимость светодиодных ламп, как бытовых, так и специальных будет снижаться и весьма сильно. По разным оценкам, от 10 до 20% в год в течение последующих нескольких лет. Ежегодно, световой поток самого производительного светодиода каждого из мировых брэндов возрастает на 20-30%.

Светодиодная лампа абсолютно безопасна для использования в жилых и рабочих помещениях. В отличие от ламп накаливания и люминесцентных («энергосберегающих») ламп, она не содержит стекло (за редким исключением) и опасные вещества, такие как ртуть и свинец. Лампа не наносит вреда экологии и не требует специальной утилизации. В наше время это особенно важно: экологические требования всех развитых стран постоянно меняются в сторону уменьшения вреда здоровью людей и экосистеме планеты в целом. При этом всячески стимулируется развитие технологий энергосбережения. В подавляющем большинстве стран Евросоюза и в США продажа ламп накаливания уже запрещена, а продажи люминесцентных ламп стремительно снижаются. На этом фоне «светлое» будущее систем освещения на основе светодиодов видится весьма отчетливо.

Лампы накаливания и галогенные лампы уходят в прошлое. Объемы производства падают в разы год от года. Люминесцентные (энергосберегающие) лампы также по всем параметрам проигрывают светодиодным и их объем производства также снижается. Причины победного шествия светодиодных технологий настолько очевидны, что не возникает ни малейшего сомнения, что другие типы ламп скоро просто вымрут или останутся в узких сегментах рынка.

История возникновения светильников
История возникновения светильника – от факела к светодиодным светильникам
http://www.oporatrade.ru/stati/istoriya-vozniknoveniya-svetilnikov.html
История появления светодиодных ламп
Светоизлучающие диоды и электролюминесценция известны более века. Генри Раунд (Henry Round), британский экспериментатор из лаборатории Маркони, в 1907 году
http://www.ruqrz.com/istoriya-poyavleniya-svetodiodnyh-lamp/
Что такое светодиод История развития, интересные факты, перспективы
Что такое светодиод? История развития, интересные факты, перспективы Во всех наших статьях мы стараемся доносить информацию до читателей и покупателей магазина в максимально доступной форме,
http://svetlix.ru/articles/about_led

COMMENTS