Светодиоды


Определение


Светодиод или светоизлучающий диод (СД, LED англ. Light-emitting diode) – это полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава, использованного в нем полупроводника.




История


Первое известное сообщение об излучении света твердотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.


Первый в мире практически-применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году.


Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания Монсанто была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Последним в 1991 году был изобретен светодиод синего цвета, его автором стал ученый, доктор, японец Ш. Накамура, работающий на компанию Nichia. Именно с появлением синего светодиода стало возможным построение полноцветных светодиодных экранов, поскольку у производителей появились в распоряжении диоды всех 3 основных цветов (красный R, зеленый G, голубой B) необходимых для получения нескольких миллионов различных цветовых оттенков, тем самым RGB круг замкнулся.


Все это цветовое многообразие достигается путем суммирования компонентов RGB в определенных пропорциях. Белый же цвет получался при свечении всех трех диодов (RGB) с одинаковой степенью яркости. Тем не менее, была необходимость в белом светодиоде, который и был изобретен в 1997 году американским инженером Фредом Шубертом. Белые светодиоды получили в последнее время исключительно широкое распространение. Потребности в создании осветительных приборов на их основе давно ощущалась как в теле-, так и в кинопроизводстве.


Особенности


По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:



    • Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL).

    • Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).

    • Длительный срок службы. Но и он не бесконечен – при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, срок его службы может достигать 100 тыс. часов, что почти 100 раз больше лампы, и в 5 - 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы накаливания.

    • Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это - достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.

    • Малая инерционность.

    • Малый угол излучения – также может быть как достоинством, так и недостатком.

    • Низкая стоимость.

    • Безопасность – не требуются высокие напряжения.

    • Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

    • Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.


Разновидности


Сегодня, в основном, при производстве LED экранов используются раздельные, овальные диоды (красные, зеленые и синие), называемые DIP светодиодами 546-го и 346-го типа. Светодиоды этого типа используются, главным образом, для уличных экранов.




Для внутренних экранов применяют так называемые SMD светодиоды 5050, 3528, 0805, 2724 типов.  В SMD диоде все три световых излучателя (кристалла) заключены в одном корпусе, его еще называются 3 в 1. SMD светодиоды также называю кластерами.


Более ранняя версия SMD светодиодов носила название 3 в линию. Сегодня они используются все меньше и меньше. Некоторые азиатские производители не комплектуют ими экраны, идущие на экспорт в другие страны, а лишь изготавливают на них экраны для внутреннего рынка Азии.



 
SMD диод 3 в 1    SMD диод 3 в линию

Свечение DIP светодиодов намного ярче свечения их SMD «братьев», поскольку они рассчитаны для работы на улице, а там необходимо бороться с солнечной засветкой. Средняя величина яркости DIP диодов находится в пределах 6000 nits, а SMD диодов всего 1500 nits.


Также существуют, так называемые, Dot Matrix, представляющие собой несколько SMD светодиодов интегрированных в один квадратный корпус с применением разных шагов. Недостатком этих матриц можно считать тот факт, что при выходе из строя одного светодиода, необходимо менять всю матрицу целиком. Эти матрицы получили широкое распространение в бегущих информационных строках.




Рейтинг


На сегодняшний день можно составить рейтинг качества наиболее популярных брендов светодиодов используемых при производстве LED экранов:



    • 1 место – светодиоды Nichia (Япония). Признанные лидеры с высоким качеством, но ОЧЕНЬ дорогой стоимостью, поскольку изготавливаются в Японии. Им принадлежит порядка 20% рынка.

    • 2 место – светодиоды Osram (Германия). Качество на высоте, но в силу своей молодости, не так популярны на мировом рынке.

    • 3 место – светодиоды Cree (США). Отменное качество практически не уступающее первым двум брендам, очень популярны на мировом рынке. Им принадлежит порядка 40% рынка.

    • 4 место – светодиоды Silan и Epistar (Китай/Тайвань), очень быстроразвивающиеся бренды с достойным качеством. Ими сейчас по умолчанию, если нет иных требований к производителю диодов, комплектуется большинство LED-экранов.

    • 5 место – светодиоды AXT (Тайвань). В настоящее время теряют свои позиции и становятся мало популярными из-за невысокого качества.


Пиксель


Пикселем (от слова Picture – элемент изображения) является элементарная точка изображения, совокупность которых и образует изображение на экране.


Пиксели могут быть физическими или виртуальными.


Физический пиксель состоит из светодиодов основных цветов (красный, зеленый, синий) и имеет различные размеры, в зависимости от типа используемых светодиодов и их количества.


Наибольшую популярность уличных экранов имеют пиксели с конфигурацией 1 красный (1R), 1 зеленый (1G), 1 голубой (1B). Либо 2 красных (2R), 1 зеленый (1G), 1 голубой (1B).



Физический пиксель 1R1G1B
Физический пиксель 2R1G1B

Виртуальный пиксель (дополнительный пиксель) формируется программно-аппаратным способом из набора светодиодов, принадлежащих соседним физическим пикселям. Использование виртуального пикселя позволяет увеличить разрешающую способность экрана в динамическом режиме (при демонстрации движущихся объектов) и, как правило, улучшает качество изображения. За счет инерционности зрительной системы человеческого глаза при виртуальном пикселе возникает ощущение удвоения разрешающей способности экрана. Получается очень качественное изображение, как будто на экране в четыре раза больше пикселей.




Физический пиксель
Виртуальный пиксель

Несмотря на некоторые преимущества, технология «виртуального пикселя» позволяет улучшить качество выводимой на экран информации лишь в некоторых случаях (сюжетная картинка с плавными переходами яркости или видеоинформация). В большинстве случаев (особенно это касается изображений с резкими цветовыми переходами), на экране могут возникнуть цветовые артефакты, более того, часть информации может быть вообще утеряна.