Светодиодные источники оптического излучения видимого диапазона, в силу конструктивных особенностей не могут светиться при напряжении ниже 1,6... 1,8 В. Это обстоятельство резко ограничивает возможность применения светодиодов в устройствах, с низковольтным (от одного гальванического элемента) питанием.
Предлагаемые светодиодные излучатели с низковольтным (0,1... 1,6 В) питанием можно использовать для индикации напряжений, передачи данных по оптическим каналам связи и т.д. Для их питания можно использовать и электрохимические элементы сверхмалого напряжения, в которых электролитом служат увлажненная почва или биологически активные среды.
Многообразие схем низковольтного питания светодиодов можно свести к двум основным разновидностям преобразования напряжения низкого уровня в напряжение высокого. Это схемы с емкостными и индуктивными накопителями энергии.
На рис.1 показана схема питания светодиода с использованием принципа удвоения напряжения питания. Генератор низкочастотных импульсов, частота следования которых определяется цепочкой R1-C1, а продолжительность - R2-C1, выполнен на транзисторах p-n-р и n-p-n структуры. С выхода генератора короткие импульсы через резистор R4 подаются на базу транзистора VT3, в коллекторную цепь которого включен красный светодиод HL1 и германиевый диод VD1. Между выходом генератора импульсов и точкой соединения светодиода и германиевого диода подключен электролитический конденсатор С2 большой емкости.
Рис.1. Схема питания светодиода по принципу удвоения напряжения
В период продолжительной паузы между импульсами (транзистор VT2 закрыт и не проводит ток) этот конденсатор заряжается через VD1 и R3 до напряжения источника питания. При генерации короткого импульса транзистор VT2 открывается. Отрицательно заряженная обкладка конденсатора С2 оказывается соединенной с положительной шиной питания. Диод VD1 запирается. Заряженный конденсатор С2 оказывается подключен последовательно с источником питания и нагружен на цепочку: светодиод - переход эмиттер-коллектор транзистора VT3. Поскольку тем же импульсом транзистор VT3 отпирается, его сопротивление эмиттер-коллектор уменьшается. Таким образом, практически удвоенное напряжение питания (исключая незначительные потери) оказывается кратковременно приложенным к светодиоду - следует его яркая вспышка. После этого процесс заряда-разряда конденсатора С2 периодически повторяется.
При использовании светодиодов типа АЛ307КМ с напряжением свечения 1,35... 1,4 В, рабочее напряжение генератора составляет 0,8...1,6 В. Границы диапазона определены так: нижняя указывает напряжение начала свечения светодиода, верхняя - напряжение, при котором потребляемый устройством ток равен 20 мА.
Поскольку генератор работает в импульсном режиме, генерируются яркие вспышки света, привлекающие внимание. В схеме необходимо использовать хотя и низковольтный, но довольно громоздкий электролитический конденсатор С2 большой емкости.
Источники низковольтного питания светодиодов на основе мультивибраторов изображены на рис.2, 3. Первый из них выполнен на основе асимметричного мультивибратора, вырабатывающего короткие импульсы с большой междуимпульсной паузой. Накопитель энергии - конденсатор СЗ - периодически заряжается от источника питания и разряжается на светодиод, суммируя свое напряжение с напряжением питания.
Рис.2. Источник низковольтного питания светодиода на основе асимметричного мультивибратора (импульсный характер свечения)
Генератор (рис.3) обеспечивает, в отличие от предыдущей схемы, непрерывный характер свечения светодиода. Устройство выполнено на основе симметричного мультивибратора и работает на повышенных частотах. В связи с этим емкости конденсаторов в этой схеме достаточно малы. Конечно, яркость свечения заметно понижена, но средний ток, потребляемый генератором при напряжении питания 1,5 В, не превышает 3 мА.
Рис.3. Источник низковольтного питания светодиода на основе симметричного мультивибратора (непрерывный характер свечения)
Преобразователи напряжения конденсаторного типа (с удвоением напряжения) для питания светодиодных излучателей теоретически могут обеспечить снижение рабочего напряжения питания только до 60%. Использование в этих целях многокаскадных умножителей напряжения малоперспективный в связи с прогрессивно возрастающими потерями и падением КПД преобразователя.
Более перспективны в плане дальнейшего снижения напряжения питания преобразователи с индуктивными накопителями энергии. Заметно понизить нижнюю границу напряжения питания стало возможным за счет перехода на LC-варианты схем генераторов, использующих индуктивные накопители энергии.
В качестве индуктивного накопителя энергии в первой из схем (рис.4) использован телефонный капсюль. Одновременно со световым излучением генератор вырабатывает акустические сигналы. При увеличении емкости конденсатора до 200 мкФ генератор переходит в импульсный режим работы, вырабатывая прерывистые световые и звуковые сигналы. В качестве активного элемента используется несколько необычная структура - последовательное соединение транзисторов разного типа проводимости, охваченных положительной обратной связью.
Рис.4. Источник с индуктивным (телефонный капсюль) накопителем энергии
Преобразователи напряжения для питания светодиода на рис.5 и 6 выполнены на аналогах инжекционно-полевых транзисторов. Первый из преобразователей (рис.5) использует комбинированную индуктивно-емкостную схему повышения выходного напряжения, сочетая принцип емкостного удвоения напряжения с получением повышенного напряжения на коммутируемой индуктивности.
Рис.5. Преобразователь напряжения для питания светодиода на аналоге инжекционно-полевого транзистора №1
Наиболее прост генератор на аналоге инжекционно-полевого транзистора (рис.6), где светодиод одновременно исполняет роль конденсатора и является нагрузкой генератора. Устройство работает в узком диапазоне питающих напряжений, однако яркость свечения светодиода довольно высока, поскольку преобразователь является чисто индуктивным и имеет высокий КПД.
Рис.6. Преобразователь напряжения для питания светодиода на аналоге инжекционно-полевого транзистора №2
На рис.7 показан генератор трансформаторного типа для питания светодиодов низковольтным напряжением. Генератор содержит три элемента, одним из которых является светоизлучающий диод. Без светодиода устройство является простейшим блокинг-генератором, причем на выходе трансформатора может формироваться довольно высокое напряжение. Если в качестве нагрузки генератора использовать светодиод, он начинает ярко светиться. В схеме в качестве трансформатора использовано ферритовое кольцо Ф1000 К10x6x2,5. Обмотки трансформатора имеют по 15.. .20 витков провода ПЭВ диаметр 0,23 мм. В случае отсутствия генерации концы одной из обмоток трансформатора меняют местами.
Рис.7. Генератор трансформаторного типа для питания светодиодов низковольтным напряжением
При переходе на высокочастотные германиевые транзисторы типа 1Т311, 1Т313 и использовании унифицированных импульсных трансформаторов типа МИТ-9, ТОТ-45 и др., нижнюю границу рабочих напряжений можно опустить до 0,125 В.
Напряжение питания всех рассмотренных схем, во избежание повреждения светодиодов, не должно превышать 1,6... 1,7 В.
Нанотехнологии и мегапроекты: размер не имеет значения?
В самом начале я хочу объяснить, что такое нанотехнологии, для этого приведу правильное на мой взгляд определение. Нанотехнологии — это технологии производства материалов и устройств с определяющими их свойства элементами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров.
Для того, чтобы наглядно представить, о сколь малых размерах идет речь, можно сказать, что, например, человеческая ладонь столь же больше одного нанометра, сколь ее размер меньше диаметра Земли.
Многие говорят: нанотехнологии — это «все, что меньше ста нанометров». Конечно, такое определение неправильно, хотя бы потому, что все атомы и молекулы как правило меньше ста нанометров. Поэтому, согласно такому определению, все технологии, касающиеся обработки любых материалов, будут нанотехнологиями. Тут есть очень важное свойство. Существует много материалов, у которых есть элементы меньше ста нанометров. И это не обязательно атомы или молекулы. Например, домены, которые возникают в стали и влияют на ее прочность. Но это совсем не значит, что чем домены меньше, тем сталь лучше. Все гораздо сложнее. Поэтому сталеплавильная индустрия не является нанотехнологией. В моей любимой «википедии» приведено такое определение:
«Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.»
Полупроводниковые наноструктуры: квантовые ямы и квантовые точки — «искусственные атомы»
Главное здесь то, что обязательно надо манипулировать отдельными атомами и молекулами. Представьте себе, что я хочу сделать какой-нибудь транзистор при помощи нанотехнологий. В мобильном телефоне, например, таких транзисторов несколько миллиардов, а в лэптопе их несколько десятков миллиардов. И вот я буду, «манипулируя отдельными атомами и молекулами», изготавливать транзистор за транзистором. Предположим, я буду изготавливать по одному в секунду. Сколько мне понадобится времени, чтобы изготовить один такой девайс? Думаю, к моменту моих похорон он будет готов в лучшем случае наполовину. Соответственно, такое определение не имеет значения для народного хозяйства. С помощью таких технологий ничего путного не сделаешь, можно только проводить исследования.
В настоящее время нанотехнологии являются самыми высокими технологиями. Они нужны, чтобы выжить в современных рыночных условиях. Например, рис, пшеницу и все, что мы едим, очень хорошо умеют выращивать китайцы. В отличие от нас, они мало едят, живут в теплом климате и получают очень мало денег. Поэтому, чтобы соревноваться с ними в культуре выращивания риса, нужно жить так же, как они. Помните, в советские времена нам говорили, что тяжелая промышленность — это основа всего. Вот, например, судостроение — самая, что ни на есть, тяжелая промышленность. Корабли — самые большие устройства, которые производятся людьми. Оказывается, что в судостроении китайцы тоже очень хороши. Они это доказали еще в конце 80-х годов, когда Швеция в одночасье лишилась своей судостроительной отрасли, потому что китайцы стали строить точно такие же корабли, но гораздо дешевле. Соответственно, выживание в современных рыночных условиях возможно, только если умеешь делать то, что никто другой не умеет. Придумать, а потом быстро делать, пока этому не научились другие. Еще хорошо бы защитить это каким-нибудь патентом. Правда, против китайцев патенты не всегда действуют...
Полупроводниковые нанотехнологии: революция света
Почему «полупроводниковые»? Потому что в силу современного развития науки и техники легче всего делать наноструктуры именно из полупроводников. Полупроводники не лучше, чем другие материалы, просто для них существует развитая инфраструктура и придумано много разных машин, которые обеспечивают рост полупроводниковых структур. Например, смартфон — в нем куча таких структур- транзисторов. Из транзисторов состоят микросхемы, благодаря которым устройства типа смартфона или компьютера работают. В старые добрые времена вместо них были лампы-триоды.
Сверхъяркие светодиоды с силой света 10-15 тысяч кандел
Почему «революция»? Мы с вами уже наблюдали похожую революцию. Она заключалась в следующем: до некоторого времени считалось, что для создания какого-либо устройства нужно произвести детали, а потом их собрать. Свойства прибора определялись размером и формой его деталей. Это касалось всего без исключения, пока не придумали полупроводниковые приборы, которые постепенно заменили, например, триоды на транзисторы. Разница заключается в том, что полупроводниковые приборы делаются не из деталей, их как будто намазывают слой за слоем, как бутерброд. Хлеб — это полупроводниковая пластина, дальше можно «намазывать» «масло», «сыр» — различные полупроводники... А детали в таких приборах по сути дела отсутствуют. Представьте себе, что мы делаем бутерброд, поочередно намазывая на хлеб сначала масло «Валио», потом масло «Тысяча озер», потом «Вологодское»... Только большому гурману под силу определить на вкус, из каких сортов масла состоит этот бутерброд. В полупроводниковых структурах, из которых делают транзисторы, слои различаются даже меньше, чем разные сорта масла на нашем бутерброде. Если посмотреть на такую структуру невооруженным глазом, мы ничего не поймем: то ли это один проводник, то ли его слои чуть-чуть отличаются. Эти слои образуют так называемые полупроводниковые гетероструктуры — структуры из полупроводников, различающихся т.н. «шириной запрещенной зоны». За гетероструктуры в 2000 году Жорес Алферов получил Нобелевскую премию. Он поделил ее с американским коллегой Джоном Килби, который еще в 50-х годах придумал, что одну полупроводниковую пластину можно использовать для изготовления сразу нескольких устройств. Как-то, когда его коллеги были в отпуске, он сделал целых два транзистора, несколько резисторов и конденсаторов на одном куске полупроводника. Таким образом, у него получилась первая в мире микросхема радиоприемника. Со временем плотность «упаковки» транзисторов становилась все больше, сейчас на одной полупроводниковой пластине их может быть десятки и сотни миллиардов. Именно благодаря этому мы можем очень быстро обрабатывать информацию на компьютерах, лазать по интернету или пользоваться высокоскоростной связью.
Сейчас происходит аналогичная революция, правда в области использования света. Например, все мы пользуемся лампами накаливания, хотя знаем, что они очень неэффективны, потому что светятся благодаря раскаленному кусочку металла. Соответственно, большая часть излучения этих лампочек находится в инфракрасной области, которую мы не воспринимаем зрением. Хотелось бы сделать освещение более эффективным. Светодиоды — это новые источники света, которые делаются на основе полупроводниковых структур, излучающих свет. Они уже достигли уровня натриевых, самых эффективных среди ламп накаливания, и продолжают бурно развиваться. Например, из одинаковых на вид кристалликов полупроводника можно получать любой свет: красный, синий, зеленый, т.к. цвет свечения полупроводника определяется не температурой нагрева, а шириной запрещенной зоны в полупроводнике.
Полупроводниковые лазеры с рекордной мощностью и эффективностью
Для каждого полупроводника ширина запрещенной зоны своя, поэтому можно подбирать цвет свечения по нашему желанию. Даже белый, который, как известно, является зрительным обманом. Чтобы его получить, на поверхность синего светодиода наносится желтый люминофор — вещество, которое поглощает свет одного цвета, а испускает свет другого цвета. В данном случае как правило используется церий — он поглощает синий свет, а испускает желтый. В зависимости от того, пожалели люминофор или щедро капнули, получается цвет теплый или холодный — желтоватый или синеватый. Кроме того, что с помощью светодиодов можно получать свет разных цветов, они очень долго светят, примерно 100 тыс. часов. То есть около 11 лет, тогда как обычные лампочки перегорают за год. Соответственно, это может быть новой концепцией освещения: например, светильник покупается с полупроводниковой лампочкой-светодиодом, и вместе с ней и выбрасывается.
Система индикации температуры воды в бытовых смесителях «Световод», основанная на волноводном эффекте и использовании светодиодов
Светодиоды используются уже сейчас в специальных видах подсветки, например, для налобных фонарей шахтеров. По сравнению с обычной лампочкой, светодиоду необходимо гораздо меньше напряжения, примерно 3 вольта, а значит — нет опасности возникновения искры и взрыва метана в шахте. Как известно, основная проблема шахт — это освещение.
Если шахтеры попадают в завал, то, как правило, выходят из него только за счет экономного использования своих фонарей, то есть зажигают их по очереди, если же все будут гореть одновременно, света хватит на 8 часов (это определяется емкостью аккумулятора). Кончился аккумулятор — скоро кончится жизнь. Если же от такого аккумулятора питать светодиод, он будет светить около 20 часов, а в экономном режиме — 2 недели. Кстати, в отличии от обычной лампочки светодиод очень сложно механически разрушить, поэтому наши шахтеры отдают предпочтение именно таким фонарям. Кроме того, из светодиодов можно делать целые прожектора, например, для кораблей. Бывают случаи, когда во время шторма моряки выпадают за борт. Так как в воде очень холодно, человека нужно доставать быстро или совсем не доставать. Для этого необходимо какое-то устройство, которое светит в любую погоду, не подвергается атмосферным воздействиям, быстро включается и не ломается при ударе о палубу. Кроме того, у него должен быть мало расходящийся луч и сила света не меньше ста тысяч кандел, чтобы освещать поверхность моря на километр. Для сравнения — боевые прожектора, при помощи которых в Блокаду сбивали самолеты, имели силу света порядка миллиона кандел. Еще одним достоинством светодиодного прожектора является то, что во время работы он остается холодным, тогда как к боевому прожектору в 1 млн. кандел подойти опасно. Он очень сильно нагревается, и его нельзя трогать руками.
Фосгеном не пахнет?
Еще одно применение нанотехнологий. Дело в том, что большинство газов имеют весьма специфические линии поглощения в так называемой средней инфракрасной области. Мы видим только «видимый» свет, длина волны которого примерно от четырех десятых до восьми десятых микрона. В средней инфракрасной области длина волны составляет от двух до пяти микрон, причем у каждого газа есть линии поглощения в средней инфракрасной области, которые так же отличаются друг от друга, как отпечатки пальцев у людей. То есть, зная эти линии, можно точно сказать, содержится ли газ в воздухе или нет. Есть много газов, которые хотелось бы определять не по запаху. Простейший пример — склад химического оружия. «Старшина Пэтрэнко, сходи проверь, не пахнет ли там фосхэном!» Если Петренко пойдет и понюхает, то он не сможет доложить: «Да, пахнет». Только: «Нет, товарищ полковник, не бачу». Соответственно, лучше вместо старшины Петренко посылать кого-то неживого. Например, поставить пару: инфракрасный лазер/светодиод и фотоприемник, и смотреть, как у фотоприемника изменяется его ответный сигнал, то есть, поглощает ли какой-нибудь газ излучаемый свет. Именно благодаря этим усилиям в полупроводниковых нанотехнологиях, становятся возможными такие вот необычные применения. С ними можно столкнуться не только на складах военного оружия — в каждой квартире необходим пожарный датчик на основе детектора углекислого газа.
А вот другой интересный пример - питерские гаишники смекнули, что и у спирта есть специфические линии поглощения в средней инфракрасной области, поэтому они заказали на одном предприятии некую приставку к гаишному лазерному радару (т.н. «лидару»), которая измеряет отражение не от переднего бампера или лобового стекла автомобиля, а от заднего стекла. Таким образом, свет лазера будет проходить через салон автомобиля. Ну а там уже не проблема определить, поглотился свет при помощи спирта или нет. Если поглотился — есть повод поговорить с водителем.
Еще одно необычное применение. Дело в том, что есть такое «магическое» определение «оптический пинцет». Это не тот пинцет, которым можно погнуть оптическую ось. Скорее это касается закона преломления: свет, проходя через какую-либо поверхность, например через стекло, преломляется. Если кто видел рыбку в воде, и ему хотелось ткнуть ее чем-то острым, то, как правило, это не получалось, потому что рыбка была видна в одном месте, а плавала в другом. Таким образом, свет, падая на воду под одним углом, проходит сквозь нее под другим. Если я буду смотреть из воды наружу, то выяснится, что при некотором угле обзора свет не будет выходить из воды совсем. Например, когда я ныряю, то вижу из-под воды отражение от ее поверхности. Точно так же свет, введенный в какое-то вещество, например, в так называемое «оптическое волокно» входит и распространяется, не выходя наружу. Спектры излучения различных светодиодов в средней инфракрасной области спектра Пояснение принципа действия оптического пинцета
Можно сделать наоборот. Предположим, маленький кусочек вещества находится в луче света. Попробуем перетащить его в другое место, «схватив» этим лучом. Это было бы очень удобно для биологов, ведь если взять клетку обычным пинцетом, то она после этого будет не совсем живым организмом. А ведь хочется покопаться еще и внутри клетки, ДНК потрогать... Для этого, конечно, нужны не обычные пинцеты, а что-нибудь более деликатное. Допустим, мы посветили на клетку и как бы «схватили» ее светом — это и называется оптический пинцет.
Пусть появилась какая-то сила, которая пытается наше вещество — например, клетку — из нашего луча света «выудить». Предположим, что она его уже почти «выудила», но свет при этом стал преломляться. При этом частицы света — фотоны — изменяют направление своего движения из-за преломления света. И в силу закона сохранения импульса возникает сила, которая пытается «запихать» наше вещество обратно в свет. Именно поэтому такое устройство, как оптический пинцет, и может работать. Соответственно, такое применение света тоже существует. Оно очень важно именно для исследования живых систем. И это нужно не только в лабораториях где изучают живые клетки. Дело в том, что сейчас совершенно серьезно обсуждается возможность размещения «лаборатории» на чипе. То есть берем что-то размером с кредитную карточку, кладем на нее свой палец, маленькая иголочка его вкалывает и берет одну сотую мл крови. Кровь при помощи устройств типа оптических пинцетов растаскивается по микролабораториям, находящимся на этой «карточке». В одном месте меряется уровень сахара, в другом уровень гемоглобина, в третьем что-то еще. Таким образом, без визита к доктору, можно поставить первоначальный диагноз. Потом эта карточка по Wi-Fi связывается с вашим домашним компьютером, а тот уже передает доктору через интернет информацию о состоянии вашего здоровья. Доктор, не выходя из кабинета, сообщает вам диагноз и назначает лечение. Естественно, рыночные перспективы этого проекта огромные. И средств в него вливается очень много.
Не предел мечтаний
Ну, и последнее. Мне кажется, что нынешние видео проекторы скоро совсем перестанут использоваться. Конечно, по сравнению с телевизором они являются громадным шагом вперед: можно делать изображение почти любого размера и задешево. Но это далеко не предел мечтаний. Дело в том, что в проекторе стоит галогенная лапочка, которая весьма неэффективна, потому что излучает очень много тепла. Во время работы проектора всегда слышно жужжание, это шумит вентилятор, который является самым главным устройством. Ведь если сломается любая деталь проектора, ее можно будет починить, а если сломается вентилятор, то очень быстро произойдет перегрев и сгорят все детали. Получается, что вентилятор нужен только из-за неэффективной лампочки.
Давайте сделаем источник света более эффективным, поставим вместо лампы три лазера: красный, синий, зеленый. По аналогии с телевизором. Благодаря своим небольшим размерам и высокой эффективности они смогут применяться даже в мобильных устройствах, типа смартфонов. На данный момент основной проблемой смартфонов являются маленькие кнопки и маленький экран. Однако все может измениться, если использовать лазерную проекцию. Уже появились проекционные клавиатуры: когда один лазер проецирует на стол или любую другую поверхность изображение клавиатуры, а другой считывает отражение ваших ногтей. Соответственно, можно печатать почти как по-настоящему. Именно эти технологии станут основой для создания новых мобильных устройств, которые появятся в ближайшие год-два. И они, конечно, изменят облик наших гаджетов, развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ) Солнечная фотоэлектрическая установка (СФЭУ) мощностью 1 кВт на основе 18 концентраторных фотоэлектрических модулей (КФЭМ) общей площадью 4,5 м2, установленных на системе слежения за Солнцем.
Григорий Соколовский — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе
