Как устроены и работают светодиоды

Как устроены и работают светодиоды

Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.

Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.

Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.

Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.

Устройство светодиода

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: анодом и катодом. Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.

Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:

Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.

На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.

Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.

Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.

За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан p-n переход.

Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:

1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;

2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.

Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.

Влияние температуры

При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.

Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.

За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.

Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:

1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;

2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.

На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.

Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.

Виды цветовой передачи света

Современные светодиоды излучают:

Желто-зеленый, желтый и красный спектр

В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.

Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.

Голубой спектр

Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:

1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;

2. высоких требований к содержанию примесей.

Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.

Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.

Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.

Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.

Белый спектр

Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;

3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.

У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.

Особенности технологий белого спектра

Методика RGB

задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;

вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;

создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.

Простым примером такой реализации служат цветовые елочные гирлянды. Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.

Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:

неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;

неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.

Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.

Светодиоды с люминофором

Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.

Для них характерны недостатки:

в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;

сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.

Особенности светодиодов разных конструкций

Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.

Способы питания

Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.

С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.

При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.

Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.

Способы управления

Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:

1. величиной подключаемого напряжения;

Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.

Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.

За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.

О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.

Производство

При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.

Физический ручной труд человека полностью исключен из производственного процесса.

Подготовленные специалисты осуществляют только контроль за правильным протеканием технологии.

Анализ качества выпускаемой продукции тоже входит в их обязанности.

Устройство и принцип работы светодиодов

С момента открытия красного светодиода (1962 г.) развитие твердотельных источников света не останавливалось ни на миг. Каждое десятилетие отмечалось научными достижениями и открывало для ученых новые горизонты. В 1993 году, когда японским ученым удалось получить синий свет, а затем и белый, развитие светодиодов перешло на новый уровень. Перед физиками всего мира стала новая задача, суть которой заключалась в использовании светодиодного освещения в качестве основного.

В наше время можно сделать первые выводы, свидетельствующие об успехах становления светодиодного освещения и продолжающейся модернизации светодиода. На прилавках магазинов появились светильники со светодиодами, изготовленными по технологии COB, COG, SMD, filament.

Как устроен каждый из перечисленных видов, и какие физические процессы вынуждают полупроводниковый кристалл светиться?

Что такое светодиод?

Перед разбором устройства и принципа работы, кратко рассмотрим, что светодиод из себя представляет.

Светодиод – это полупроводниковый компонент с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании электрического тока в прямом направлении.

В отличие от нити накала и люминесцентных источников света, испускаемый свет светодиодом лежит в небольшом диапазоне спектра. То есть кристалл светоизлучающего диода испускает конкретный цвет (в случае со светодиодами видимого спектра). Для получения определенного спектра излучения в светодиодах используют специальный химический состав полупроводников и люминофора.

Устройство, конструкция и технологические отличия

Существует много признаков, по которым можно классифицировать светодиоды на группы. Одним из них является технологическое отличие и небольшое различие в устройстве, которое вызвано особенностью электрических параметров и будущей сферой применения светодиода.

Цилиндрический корпус из эпоксидной смолы с двумя выводами стал первым конструктивом для светоизлучающего кристалла. Закругленный цветной или прозрачный цилиндр служит линзой, формируя направленный пучок света. Выводы вставляются в отверстия печатной платы (DIP) и с помощью пайки обеспечивают электрический контакт.

Излучающий кристалл располагается на катоде, который имеет форму флажка, и соединяется с анодом тончайшим проводом. Существуют модели с двумя и тремя кристаллами разного цвета в одном корпусе с количеством выводов от двух до четырёх. Кроме этого, внутри корпуса может быть встроен микрочип, управляющий очередностью свечения кристаллов либо задающий чистоту его мигания. Светодиоды в DIP корпусе относятся к слаботочным, используется в подсветке, системах индикации и гирляндах.

В попытках нарастить световой поток, появился аналог с усовершенствованным устройством в DIP корпусе с четырьмя выводами, известный как «пиранья». Однако увеличенная светоотдача нивелировалась размерами светодиода и сильным нагревом кристалла, что ограничило область применения «пираньи». А с появлением SMD технологии их производство практически прекратилось.

Полупроводниковые приборы с креплением на поверхность печатной платы коренным образом отличаются от предшественников. Их появление расширило возможности конструирования систем освещения, позволило снизить габариты светильника и полностью автоматизировать монтаж. Сегодня SMD-светодиод – это самый востребованный компонент, используемый для построения источников света любых форматов.

Основа корпуса, на которую крепится кристалл, является хорошим проводником тепла, что в разы улучшило отвод тепла от светоизлучающего кристалла. В устройстве белых светодиодов между полупроводником и линзой присутствует слой люминофора для задания нужной цветовой температуры и нейтрализации ультрафиолета. В SMD-компонентах с широким углом излучения линза отсутствует, а сам светодиод имеет форму параллелепипеда.

Chip-On-Board – одно из новейших практических достижений, которое в ближайшем будущем займет лидерство по производству белых светодиодов в искусственном освещении. Отличительная черта устройства светодиодов по технологии COB заключается в следующем: на алюминиевую основу (подложку) через диэлектрический клей крепят десятки кристаллов без корпуса и подложки, а затем полученную матрицу покрывают общим слоем люминофора. В результате получается источник света с равномерным распределением светового потока, исключающий появление теней.

Разновидностью COB является Chip-On-Glass (COG), которая подразумевает размещение множества мелких кристаллов на поверхности из стекла. В частности, широко известны филаментные лампы на 220 В, в которых излучающим элементом служит стеклянный стержень со светодиодами, покрытыми люминофором.

Принцип работы светодиода

Несмотря на рассмотренные технологические особенности, работа всех светодиодов базируется на общем принципе действия излучающего элемента. Преобразование электрического тока в световой поток происходит в кристалле, который состоит из полупроводников с разным типом проводимости. Материал с n­-проводимостью получают путем его легирования электронами, а материал с p-проводимостью – дырками. Таким образом, в сопредельных слоях создаются дополнительные носители заряда противоположной направленности. В момент подачи прямого напряжения начинается движение электронов и дырок к p-n-переходу. Заряженные частицы преодолевают барьер и начинают рекомбинировать, в результате чего протекает электрический ток. Процесс рекомбинации дырки и электрона в зоне p-n-перехода сопровождается выделением энергии в виде фотона.

Вообще, данное физическое явление применимо ко всем полупроводниковым диодам. Но в большинстве случаев длина волны фотона находится за пределами видимого спектра излучения. Чтобы заставить элементарную частицу двигаться в диапазоне 400-700 нм ученым пришлось провести немало экспериментов с подбором подходящих химических элементов. В результате появились новые соединения: арсенид галлия, фосфид галлия и более сложные их формы, каждая из которых характеризуется своей длиной волны, а значит, и цветом излучения.

Кроме полезного света, испускаемого светодиодом, на p-n-переходе выделяется некоторое количество теплоты, которая снижает эффективность полупроводникового прибора. Поэтому в конструкции мощных светодиодов должна быть продумана возможность реализации эффективного отвода тепла.

Как устроен и работает светодиод

С момента открытия монохромных красных светодиодов в 1962 году началось активное развитие полупроводниковых источников света.

Открытие синего и белого диодов перевело технологию на новый уровень.

С тех пор постоянно меняется устройство светодиода, его характеристики и конструкция. Сейчас они широко используются в светотехнике, электронике и других областях.

Что такое светодиод простыми словами

Светодиод – это полупроводниковое устройство, создающее излучение при прохождении через него электрического тока. Из чего состоит светодиод: из кристалла, заключенного в защитный корпус с выводами. Кристалл расположен на непроводящей подложке и излучает определенный цвет. Для получения нужного свечения используются химические составы из различных полупроводников и люминофоры.

Кристалл состоит из двух и более полупроводников разного типа проводимости. Принцип работы светодиода следующий – в прямом направлении через него пропускают электрический ток. В электронно-дырочном переходе на границе двух веществ происходит движение электронов и дырок, в результате чего выделяется энергия в виде кванта света и прибор начинает светить.

  • высокая светоотдача;
  • высокая механическая прочность и виброустойчивость;
  • долгий срок работы;
  • малый нагрев;
  • от количества циклов включения-выключения не зависит срок работы;
  • различный спектр белых светодиодов – от 2700 К до 6500 К;
  • спектральная чистота, полученная благодаря принципу устройства;
  • отсутствует задержка при включении;
  • широкий диапазон углов излучения (от 15 градусов до 180 градусов);
  • электрическая безопасность, так как не требуются высокие напряжения;
  • отсутствие чувствительности к низким температурам;
  • надежность;
  • разнообразие форм;
  • экономичность;
  • экологичность, ввиду отсутствия в конструкции светодиода ртути и других вредных компонентов в составе светоизлучающего диода.
  • нельзя допускать работы при высоких температурах – кристалл начинает деградировать;
  • высокая стоимость готового изделия.

Применение:

  • уличное, домашнее и производственное освещение;
  • индикация;
  • уличная реклама, бегущие строки;
  • фонари и светофоры;
  • подсветка экранов телефона, телевизора, компьютера и других жидкокристаллических дисплеев;
  • игрушки, значки и другие развлекательные элементы;
  • диодные дорожные знаки;
  • световые шнуры Дюралайт;
  • в фитолампах.

Осветительный прибор на основе светодиодов состоит из:

  • излучающего диода;
  • драйвера;
  • цоколя;
  • корпуса.

Из крупных производителей светодиодов можно выделить японскую фирму Nichia Corporation и ее подразделение Nichia Chemical. Они являются лидерами по изготовлению сверхъярких диодов синего, белого и зеленого цвета. Также изготовлением излучающих диодов занимаются компании Phillips, Cree, Seoul Semiconduction из российских можно выделить Оптоган и Светлана-Оптоэлектроника.

В Nichia Chemical впервые разработали белый и синий светодиод.

Как устроены и чем отличаются светодиоды разных типов

Светодиоды можно классифицировать по разным критериям. Основное отличие – в технологии и электрических параметрах.

Сокращение DIP пошло от слов Direct In-line Package. Такие светодиоды известны еще с конца прошлого века. Устройство представляет собой стеклянную или пластиковую прозрачную колбу размером 3 или 5 мм, в которой находится полупроводниковый кристалл. Колба является линзой и формирует направленный пучок света. Кристалл закрепляется на катоде, который с помощью провода соединяется с анодом. Из корпуса выходят контакты в виде металлических ножек, через которые светодиод и включается в схему.

По форме бывают круглые, овальные, прямоугольные. Напряжение питания – до 5 В при 25 мА.

Обычно внутри линзы располагается один кристалл, но есть модели с двумя и более разных цветов. Такие модели могут оснащаться тремя и четырьмя выводами. Принцип работы светодиода подобного вида задает микрочип.

Dip светодиоды являются малоточными, они используются в гирляндах, для индикации, в подсветке, уличном освещении. По сравнению с SMD диодами они имеют следующие преимущества:

  • яркость;
  • направленный световой поток;
  • долгий срок службы при работе на улице;
  • потребление электроэнергии.

Основной недостаток – большой размер, от 3 мм.

Важно! С течением времени яркость свечения может уменьшаться. Это связано с деградацией кристалла и материалов, из чего делают светодиоды.

Светодиоды SMD – это приборы для крепления на поверхность. В настоящее время этот тип диодов является самым востребованным. С их появлением расширились возможности создания осветительных систем. Начали уменьшаться размеры светильника, монтаж автоматизирован.

Как устроен светодиод SMD – излучающий кристалл закреплен на подложке, от которой отводится тепло. К ней вмонтированы выходы. Внутри размещен управляющий чип. Защитой является овальная или сферическая линза из стекла или пластика.

  • небольшая цена;
  • надежность;
  • срок службы;
  • высокая светоотдача.

SMD светодиоды в смеху включаются при помощи специального клея. Самые маленькие диоды имеют размер 0,6х0,3 мм. Максимальная яркость – 8000 кд/кв.м.

Существует технология, при которой кристалл наносится на проводящую подложку без использования корпуса. В качестве защиты используется специальный слой, который выбирается по назначению светодиодов.

Используются для подсветки интерьеров, уличных билбордов, рекламных экранов с широким разрешением.

Chip On Board (COB) светодиоды имеют большое количество кристаллов на одной подложке. Также их называют светодиодной матрицей. Сверху заливается люминофором.

  • простота монтажа;
  • хороший поток света;
  • высокий CRI;
  • разнообразие форм.

  • стоимость;
  • самый срок службы;
  • светоотдача ниже, чем у SMD.

КОБы активно используются в создании ярких прожекторов и в других светильниках, где требуется акцентированная подсветка.

Важно! Из-за высокого нагрева требуется силиконовая оптика. Она устойчива к высоким температурам. Перед подключением ее нужно подготовить, иначе подложка деформируется и кристалл повредится.

Как работают светодиоды: принцип действия

Электрический ток преобразуется в свет в кристалле. Он состоит из двух полупроводников различного типа проводимости – n и p. N-проводимость обеспечивается легированием электронов в полупроводник, p – дырок.

Принцип действия светодиода заключается в появлении свечения при рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе под действием тока, приложенного в прямом направлении. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой появляются фотоны.

Не все полупроводниковые материалы способны давать свет при рекомбинации. Для создания светодиодов используются прямозонные полупроводники, в которых разрешен прямой оптический переход зона-зона. К таким материалам относятся A3B5 (InP, GaAs), A2B4 (CdTe). В зависимости от состава можно получать светодиоды от ультрафиолетовых до инфракрасных.

Как работает светодиод, зависит от электронно-дырочного перехода. Условия пропускания света p-n переходом:

  • близость ширины запрещенной зоны к энергии кванта света;
  • минимальное содержание дефектов в полупроводниковом кристалле.

Для реализации этих требований одного p-n перехода недостаточно. Нужно создавать многослойные структуры – гетероструктуры, состоящие из нескольких полупроводников.

Получение светодиода определенного цвета

Для получения светодиода того или иного цвета используется три технологии – покрытие люминофором, использование RGB светодиодов и применение разных полупроводниковых материалов.

Покрытие люминофором

Люминофором называется вещество, которое может преобразовать поглощаемую энергию в свет. Получение светодиодов путем нанесения люминофора на поверхность имеет свои преимущества:

  • простота конструкции;
  • низкая стоимость производства;
  • экономия.

К недостаткам относятся:

  • снижение светоотдачи из-за потери световой энергии;
  • влияние на цветовую температуру;
  • быстрее стареет при эксплуатации.

Люминофор используется в белых светодиодах. С помощью люминофорного покрытия создаются диоды с различной цветовой температурой.

RGB-технология

Смешивание цветов по RGB технологии также помогает получить светодиоды различного спектра (обычно используются для белого). На матрице устанавливаются 3 монокристалла, каждый из них дает свой спектр RGB. Путем конструирования оптической системы цвета смешиваются и дают нужный оттенок.

  • возможность поочередного включения того или иного цвета вручную или автоматически;
  • можно вызывать разные оттенки, меняющиеся по времени;
  • создание эффектных осветительных конструкций для рекламы и дизайна.
  • неравномерность светового пятна;
  • неравномерность нагрева и отвода тепла.

Отрицательные качества вызваны расположением кристаллов полупроводника на поверхности. Из-за этого качественно организовать RGB модель сложно.

Применение различных примесей и полупроводников

Работа светодиода напрямую зависит от материала, из которого он выполнен. Использование полупроводников с различной шириной запрещенной зоны можно добиться нужного света от диода. От ширины запрещенной зоны зависит длина волны.

Для получения приборов в инфракрасном и красном цветовом спектре используются твердые растворы на основе арсенида галлия. Оранжевые, желтые и зеленые цвета получаются при помощи фосфида галлия. Синие, фиолетовые и ультрафиолетовые изготавливаются на основе нитрида галлия.

Основные выводы

Светодиоды – это компоненты, которые активно используются во многих сферах деятельности. Их можно встретить в освещении улиц и домов, подсветке экранов мобильного телефона и компьютера, в качестве индикаторов. Строение элемента: полупроводниковый кристалл, подложка, линза и электроды.

Излучающие диоды бывают нескольких типов – SMD, DIP, COB, они различаются по конструкции и техническим характеристикам. Получить устройство нужного цвета можно с помощью RGB технологии, нанесения люминофора на поверхность и путем подбора полупроводников для кристалла. Производство светодиодов активно развивается, и появляются все новые приборы с улучшенными характеристиками.

Что такое светодиод: как работает, как узнать его мощность

Светодиодные светильники успешно вытесняют с рынка лампы накаливания и люминесцентные. Причина – ряд характеристик, которые делают этот прибор более выгодным в использовании и более функциональным.

  1. Общая информация о светодиодах
  2. Принцип работы
  3. Сфера применения
  4. Разновидности и устройство
  5. Индикаторные устройства
  6. Осветительные светодиоды
  7. Основные характеристики
  8. Вольтамперная характеристика
  9. Прямой номинальный ток и падение напряжения
  10. Максимальное обратное
  11. Световой поток
  12. Угол рассеивания
  13. Длина волны и цветовая температура
  14. Световая отдача
  15. Как определить напряжение и полярность

Общая информация о светодиодах

Светодиод – это полупроводник, который генерирует видимое излучение при прохождении сквозь него электрического тока. В этом состоит его принципиальное отличие от любой другой лампы. В обычных вариантах светится от нагрева нить накала или газ, наполняющий трубку или корпус. Полупроводник не нагревается. Излучение является реакцией материала на прохождение тока, а не на нагрев какой-то части.

Светодиод дает почти монохромное излучение с определенной цветовой температурой. Полупроводники генерируют цветное излучение любого оттенка. В отличие от обычной лампочки, которая может изменить цвет только с помощью светофильтра, полупроводник именно излучает красный или синий свет.

Важное преимущество светодиода – возможность сформировать направленный световой поток. В обычных источниках света он рассеивается во все стороны и направление можно сформировать только за счет формы светильника и плафона. Полупроводник генерирует направленное излучение под углом от 15 до 180 угловых градусов. Уличный фонарь такого рода освещает именно дорогу под ногами прохожего, а не воздух на аллее.

В 1909 году Генри Раунд и Маркони Лебс впервые описали электролюминесценцию. В 1923 году советский инженер Лосев запатентовал устройство под названием «световое реле», где источником света служит полупроводниковый переход. Но только в 1961 году разработанный Ником Холоньяком инфракрасный светодиод получил промышленное применение. Источник белого света, который можно было использовать для освещения, был разработан только в начале 90-х и появился на рынке в 1993 году.

Принцип работы

Состоит конструкция из полупроводникового кристалла на подножке. Вокруг размещается корпус с контактными выводами и оптической системой из пластиковой линзы. Размеры устройства очень малы – 3*2 мм самый большой.

При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – движутся навстречу. Они рекомбинируются на обедненном слое диода и благодаря переходу электронов на другой энергетический уровень излучают оптический свет.

Сфера применения

Используются светодиоды чрезвычайно широко. Полупроводники при испускании света не нагреваются. Эта особенность вместе с минимальными размерами делает полупроводники особенно удобными.

Сферы применения светодиода:

  • уличное, промышленное и бытовое освещение – выпускаются светильники, лампы, прожекторы, светодиодные ленты для любых вариантов освещения;
  • индикация – в виде одиночных вариантов или буквенно-цифрового табло – цифры на часах, например;
  • уличные экраны и информационное табло – основой выступает массив светодиодов;
  • автомобилестроение – светодиоды применяются и как подсветка, и как лампы тормозного освещения;
  • светодиоды служат источником света в оптоволоконных линиях связи, где они модулируют изучение, чтобы сформировать сигнал;

По интенсивности излучения и расходу электроэнергии светодиодные светильники еще несколько уступают люминесцентным. Однако они намного безопаснее и дольше служат. Последняя особенность и делает их привлекательным даже при обустройстве уличного освещения.

Разновидности и устройство

Все светодиоды разделяют на категории индикаторные и осветительные.

Индикаторные устройства

Назначение состоит в индикации процессов и состояния. Также используются для подсветки приборных палений, мониторов. Мощность их сравнительно невелика – до 0,02 Вт, яркость умеренная.

Классификация диодов связана с конструкцией.

  • DIP – светоизлучающий маломощный кристалл заключен в корпус, обычно с выпуклой линзой. Форма корпуса цилиндрическая с диаметром от 3 мм и прямоугольная. Выпускаются модели, излучающие свет от инфракрасного до ультрафиолетового. Могут быть одно- и многоцветными, если требуется сложная индикация. Минус устройства – небольшой угол рассеяния, не более 60 градусов.
  • Super Flex «Pirahna» – сверхъяркий полупроводник в прямоугольном корпусе с 4 выводами. Конструкция легко крепится на плату. Диод используют для подсветки автомобильных приборов, рекламных вывесок холодных огней. Выпускают красный, зеленый, синий и 3 белых светодиодов. Корпусов всего 2: на 3 и 5 мм с линзой и без нее. Угол рассеивания – от 40 до 120 градусов.
  • Straw Hat – по виду напоминают двухвыводные цилиндрические модели, но меньшей высоты с линзой с большим радиусом. Полупроводник здесь расположен намного ближе к стенке линзы, что обеспечивает больший угол рассеивания – 100–140 градусов. Выпускают синие, красные, зеленые, желтые и белые светодиоды. Они чаще используются в декоративных целях, так как создают рассеянный, а не направленный свет. Обычная сфера применения – места, где требуется равномерная подсветка.
  • SMD – вариант для поверхностного монтажа. Кристаллы помещаются в корпуса прямоугольные и квадратные, но плоские. Размеры указаны в маркировке – 0603, 0805, где цифры обозначают длину и ширину в сотых дюйма. Есть разновидности с выпуклой линзой и без нее. Светодиоды сверхъяркие, мощность до 0,1 Вт, как цветные, так и белые. SMD-модели получили широкое применение при монтаже подсветки.

Осветительные светодиоды

Такие полупроводники применяются для освещения: помещений, улиц, автомобилей. Они намного мощнее и выпускаются только в белом цвете разной температуры: белый холодный, белый теплый, дневной.

На самом деле белого излучения в природе не существует. Чтобы получить генератор белого света, комбинируют три базовых цвета – красный, синий, желтый.

  • SMD LED – большинство осветительных светодиодов имеет такое исполнение. От индикаторных их отличает только большая мощность. Угол рассеивания – 100–130 градусов, поэтому для равномерного освещения нужно много LED.
  • COB – по сути, аналог платы, в которую интегрировано большое количество кристаллов SMD – несколько десятков. Угол рассевания – 180 градусов, так что этот вариант подходит для формирования только рассеянного излучения.
  • Filament LED – спектр излучения близок к лампе накаливания. Чаще используется для освещения жилых комнат и для создания декоративного освещения. КПД модели выше, чем у SMD.

Выпускают еще один необычный вариант – лазерный светодиод. Полупроводниковые кристаллы в них излучают узконаправленный поток света – в 5–10 градусов. Применяются в лазерных устройствах, наподобие строительного уровня, в линиях оптоволоконной связи, в целеуказателях.

Основные характеристики

При покупке светодиодов необходимо оценить его важнейшие параметры. К ним относится величина номинала тока, напряжения, вольтамперная характеристика и другие.

Вольтамперная характеристика

Светодиод на схеме функционирует, если ток пропускают в прямом направлении. Однако вольтамперная характеристика в этом направлении нелинейная. То есть, чтобы полупроводник начал проводить ток, последний должен достичь определенного порогового напряжения.

Эта характеристика определяется материалом прибора. ВАХ позволяет только подобрать токоограничительный резистор и в точности рассчитать, какое напряжение нужно приложить к кристаллу.

Прямой номинальный ток и падение напряжения

Прямой номинальный ток – это рабочий ток, при котором светодиод не перегорит, p-n-переход не будет пробит, а прибор будет нормально работать.

Указывают в паспорте и пиковый ток – максимальный, который прибор может проводить только импульсами.

Номинальный ток светодиода вызывает падение напряжения на p-n-переходе. Величина зависит от состава полупроводника, длины волны. Так, оранжевый светодиод излучает при подаче напряжения от 2,03 до 2,1 вольт, а белый – при 3,5 вольт.

Максимальное обратное

Вольтаж, при котором происходит пробой кристалла. В среднем обратный максимум составляет 5 В. Для COB величина больше, а для инфракрасных индикаторов всего 1–2 В.

Световой поток

Сила света или интенсивность в заданном направлении источника. Чем меньше угол рассеивания, тем больше сила света при одинаковом световом потоке.

Показатели измеряются при температуре +25°С. Выражается обычно в люменах.

Угол рассеивания

Параметр изменяется от 15 до 180 градусов, а в отдельных моделях составляет даже 5 градусов. Чем шире угол излучения, тем более рассеянный свет генерирует прибор. Но обычно светодиод оснащают фокусирующей линзой, поэтому яркость света неодинаковая по углу рассеяния.

Длина волны и цветовая температура

Показатель указывает на характер излучения. Длина волны инфракрасного излучения составляет более 760 нм, видимого желтого – от 560 до 590 нм, ультрафиолетового – менее 400 нм.

Цветовая температура обычно указывается в белых светодиодах. Она точно определяет оттенков белого, например, холодный белый имеет температуру в 6000 К, дневной – 4500 К.

Световая отдача

Характеристика осветительных светодиодов, которая определяет, сколько люменов генерирует светильник при определенной мощности – в 1 Вт. В среднем для светодиодов это составляет 100 Лм/Вт. Появились модели, в которых этот показатель выше, чем у люминесцентных и достигает 150 и более Лм/Вт.

Как определить напряжение и полярность

Светодиод пропускает ток только в одном направлении. Поэтому важно подключить устройство в схему правильно. Для этого нужно определить, который из выводов корпуса является катодом, а который анодом.

  • Визуально – традиционно ножка катода короткая, а анода длинная. Катод имеет знак «минус», анод – «плюс». Можно найти катод и по-другому. Внимательно посмотрев через корпус, можно увидеть кристаллик на подставке. Вывод подставки и будет катодом.
  • Подключение к источнику питания – выбирают устройство, напряжение которого не выше допустимого для светодиода напряжения. Обычно это батарейка или резистор. При правильном положении светодиод светится ярче.
  • Использование мультиметра – выставляют шкалу на приборе в режим измерения сопротивления и прикасаются щупами к выводам светодиода. Контакт очень короткий. При обратном подключении мультиметр ничего не показывает, при правильном – замеряет сопротивление в районе 1,7 кОм.

Напряжение светодиода измерять не нужно. Это справочный параметр, он указывается в паспорте. Но если документ утерян, можно оценить напряжение с опрометью мультиметра. Для этого прибор настраивают на режим «проверка на обрыв» и поочередно щупами касаются выводов.

Устройство и принцип действия светодиода

Светодиоды были изобретены около полувека назад как более удобная альтернатива миниатюрным лампам с нитями накаливания. Новые осветительные элементы были более удобны, просты в эксплуатации и энергоэффективны. На протяжении последних 30 лет светодиоды совершенствуются и дорабатываются, захватывая все большую часть рынка. Причиной большой популярности стала эксплуатационная надёжность, большой рабочий ресурс и простой принцип работы светодиода.

Историческая справка

Исторически изобретателями светодиодов считаются физики Г. Раунд, О. Лосев и Н. Холоньяк, которые по-своему дополняли технологию в 1907, 1927 и 1962 годах, соответственно:

  1. Г. Раунд исследовал излучение света твердотельным диодом и открыл электролюминесценцию.
  2. О. В. Лосев в ходе экспериментов открыл электролюминесценцию полупроводникового перехода и запатентовал «световое реле».
  3. Н. Холоньяк считается изобретателем первого светодиода, применяемого на практике.

Светодиод Холоньяка светился в красном диапазоне. Его последователи и разработчики дальнейших лет разработали жёлтый, синий и зелёный светодиоды. Первый элемент высокой яркости для применения в волоконно-оптических линиях был разработал в 1976 году. Синий светодиод LED был сконструирован в начале 1990-х трио японских исследователей: Накамура, Амано и Акасаки.

Эта разработка отличалась крайне малой себестоимостью и, по сути, открыла эпоху повсеместного применения LED-светодиодов. В 2014 году японские инженеры получили за это Нобелевскую премию по физике.

В нынешнем мире светодиоды встречаются повсеместно:

  • в наружном и внутреннем освещении светодиодными лампами и лентами;
  • как индикаторы для буквенно-цифровых табло;
  • в рекламной технике: бегущих строках, уличных экранах, стендах и т.п;
  • в светофорах и уличном освещении;
  • в дорожных знаках со светодиодным оснащением;
  • в USB-устройствах и игрушках;
  • в подсветке дисплеев телевизоров, мобильных устройств.

Устройство светодиода

Конструкция светодиода представлена следующими составляющими:

  • эпоксидная линза;
  • кристалл-полупроводник;
  • отражатель;
  • проволочные контакты;
  • электроды (катод и анод);
  • плоский срез-основание.

Рабочие контакты закреплены в основании и проходят сквозь него. Другие компоненты лампы находятся внутри неё в герметичном пространстве. Оно образовано спайкой линзы и основания. При сборке на катоде закрепляется кристалл, а на контактах – проводники, которые через p-n-переход подключены к кристаллу.

Что такое OLED?

OLED – это органические полупроводниковые светодиоды, которые производятся из органических компонентов, которые светятся при прохождении электрического тока. Для их производства применяются многослойные тонкоплёночные структуры из различных полимеров. Принцип действия таких светодиодов также базируется на p-n-переходе. Преимущества OLED проявляются в сфере дисплеев – по сравнению с жидкокристаллическими и плазменными аналогами они выигрывают по яркости, контрастности, энергопотреблению и углам обзора. Технология OLED не используется для производства осветительных и индикаторных светодиодов.

Как работает элемент?

Принцип действия светодиода основывается на функциях и свойствах p-n-перехода. Под ним понимается специальная область, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). p-полупроводник является носителем положительного, а n-полупроводник – отрицательного заряда (электронов).

В конструкции светодиода положительным и отрицательным электродами выступают анод и катод, соответственно. Поверхность электродов, которая находится снаружи колбы, имеет металлические контактные площадки, к которым припаяны выводы. Таким образом, после подачи положительного заряда на анод и отрицательного – на катод – на p-n переходе начинает протекание электрического тока.

При прямом включении питания дырки из области p-полупроводника и электроны из области n-полупроводника буду направлено двигаться на встречу друг другу. В результате этого на границе дырочно-электронного перехода происходит рекомбинация, то есть обмен, и выделяется световая энергия в виде фотонов.

Для преобразования фотонов в видимый свет материал подбирается таким образом, чтобы длина их волна оставалась в видимых пределах цветового спектра.

Разновидности светодиодов

Последовательное совершенствование открытой в 1962 году технологии привело к созданию разнообразных базовых элементов и моделей светодиодов на их основе. На сегодняшний день классификация проводится по расчётной мощности, типу соединения и типу корпуса.

В первом случае различаются осветительные и индикаторные варианты. Первые предназначены для использования в осветительных целях. Их уровень мощности приблизительно соответствует аналогичным вольфрамовым и люминесцентным лампам. Индикаторные светодиоды не излучают сильный поток света и используются в электронном оборудовании, приборных и навигационных панелях и т.д.

Индикаторные светодиоды между собой различают по типу соединения на тройные AlGaAs, тройные GaAsP и двойные GaP. Аббревиатуры, соответственно, означают алюминий-галлий-мышьяк, галлий-мышьяк-фосфор и галлий-фосфор. AlGaAs светят жёлтым и оранжевым в пределах видимого спектра, GaAsP- красным и жёло-зелёным, а GaP – зелёным и оранжевым.

По типу корпуса представленные в широком применении светодиодные светильники сейчас делятся на:

  • DIP. Это старый форм-фактор из линзы, пары контактов и кристалла. Такие светодиоды применяются в световых табло и игрушках для подсветки;
  • «Пиранья» или Superflux. Это доработанная модель DIP, которая имеет не два, а четыре контакта. Выделяет меньше тепловой энергии и, соответственно, меньше греется. Сейчас применяется в автомобильной подсветке;
  • SMD. Самая популярная технология на современном рынке LED-светильников. Это универсальный чип, монтаж которого был произведён непосредственно на плате. Используется в большинстве источников света, осветительных линий, лент и т.п;
  • COB. Это результат совершенствования технологии SMD. У таких светодиодов есть несколько чипов, монтированных на одной плате на алюминиевом или керамическом основании.

Технические характеристики и их зависимость друг от друга

Основными функциональными и эксплуатационными параметрами светодиодных светильников являются:

  • интенсивность светового потока (яркость);
  • рабочее напряжение;
  • сила тока;
  • цветовая характеристика;
  • длина волны.

Светодиодное напряжение и яркость выступают прямо пропорциональными величинами – чем выше одна, тем выше другая. Но это не напряжение питающего тока, а величина падения напряжения на приборе. Кроме того, от напряжения зависит и цвет светодиода. Таким образом, между собой связаны яркость, длина волны, напряжение и цвет светодиода, а их соотношение представлено в следующей таблице.

Цвет

Длина волны

Напряжение

Цвет свечения светодиодного элемента зависит от длины волны, которая измеряется в нанометрах. Для изменения цвета свечения в материал полупроводника на этапе производства добавляются активные вещества:

  • полупроводники обрабатываются аллюминий-индий-галлием (AlInGaP) для получения красного цвета;
  • оттенки зелёного и сине-голубого спектра получаются с использованием индий-нитрида галлия (InGaN);
  • для получения белого свечения на базе синего светодиода его кристалл покрывают люминофором, который преобразует синий спектр в красный и жёлтый свет;
  • для фиолетового свечения применяется индий-галлия нитрид;
  • для оранжевого – галлия фосфид-арсенид;
  • для синего – селенид цинка, карбид кремния или индий-галлия нитрид.

Аналогично методу получения белого свечения можно использовать люминофоры разных цветов для получения дополнительных оттенков. Так, красный люминофор позволяет выпускать розовые и пурпурные светодиоды, а зелёный – салатных оттенков. В обоих случаях люминофор наносит на основу в виде синего светодиода.

Преимущества

Особенности того, как работает светодиод, дали ему несколько важных эксплуатационных и функциональных достоинств перед другими видами преобразователей электрической энергии в световую:

  • современные светодиоды не уступают по параметрам светоотдачи металлогалогенным и натриевым газоразрядным лампам;
  • конструкция практически полностью исключает выход из строя каких-либо компонентов из-за вибрации и механических повреждений;
  • LED-светильники малоинерционные, то есть моментально достигают полной яркости после включения;
  • современный ассортимент позволяет выбирать модели со спектром от 2700 до 6500 K;
  • внушительный рабочий ресурс – до 100 000 часов;
  • ценовая доступность индикаторных светодиодов;
  • светодиодное освещение, как правило, не требует большого напряжения и сохраняет пожарную безопасность,;
  • температуры ниже 0˚С почти не сказываются на работоспособности устройств;
  • строение светодиода не предусматривает использование фосфора, ртути, других опасных веществ или ультрафиолетового излучения.

Что такое светодиод (LED)

Что такое LED и с чем его едят?

В повседневной жизни мы очень часто встречаемся с аббревиатурой LED, например, когда речь заходит о дисплеях. Что же это такое? Так вот, с английского LED расшифровывается как Light Emitting Diode, что можно дословно перевести, как “диод, испускающий свет”. Теперь все становится намного понятнее. Значит это все-таки один из видов диода, а точнее даже его особый вид. Давайте попробуем разобраться, где в повседневной жизни мы встречаемся с такими диодами и как вообще они работают.

Чаще всего можно увидеть эти 3 буквы при просмотре характеристик техники, которая имеет дисплеи. Например, матрицы телевизоров, телефонов и мониторов довольно часто оснащаются именно LED подсветкой. Если говорить проще, то LED — это световой диод, или светодиод. Уже проще, верно? Так как же он работает?

Почему светодиоды вообще работают?

Начну с того, что светодиод очень напоминает диод с PN переходом. Он работает по такому же принципу, то есть пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. Зачем это нужно? Если электроны будут двигаться в одном направлении, то будут создавать ток, который в дальнейшем и будет источником света.

Теперь подробнее именно про светодиод. Он устроен не сильно сложнее простого диода. Внутри находится полупроводник с высокой степенью легирования. Спектр излучения зависит от степени легирования и материала, из которого изготовлен полупроводник. Для того, чтобы светодиод работал, нужно воздействовать на него извне, то есть к полюсу p подается напряжение (это называется прямым смещением).

Далее все происходит следующим образом. Диод смещен в прямом направлении, поэтому электроны рекомбинируют с дырками из валентной зоны и высвобождается энергия, которой достаточно для производства фотонов. Эти самый фотоны излучают свет одного света (монохромный). Правда, слой очень тонкий, и поэтому большая часть фотонов покидает переход, тем самым создавая поток света из множества основных цветов видимого спектра.

А в чем же отличие от обычного диода?

Оказывается, световой диод все же отличается от обычного (сигнального) диода. Основное отличие, конечно же, заключается именно в конструкции. Так, у светодиода есть специальная полусферическая защита, которая хранит его от ударов и других механических воздействий извне. Также очень любопытен тот факт, что светодиодный переход самостоятельно излучает довольно мало фотонов. Именно по этой причине корпус светодиода специально делают из эпоксидной смолы, которая позволяет направить фотоны, идущие в другие стороны строго вверх.

Встречаются иногда и очень необычные формы светодиодов. Среди них и прямоугольная, и цилиндрическая и даже форма в виде стрелки. Все зависит от того, куда нужно концентрировать свет, а это зависит от цели, для которой этот светодиод создается.

В чем самые главные плюсы технологии LED?

Одной из главных особенностей светодиодов является его высокий КПД. Дело в том, что обычная лампа накаливания при работе выделяет очень много тепла, а вот светодиод, напротив, остается достаточно холодным. Все это происходит из-за того, что он в большую часть света производит именно в видимом для человека спектре и не расходует энергию на ненужные длины волн. Это позволяет технологии LED серьезно доминировать над уже устаревшими лампами накаливания. Кроме того, светодиоды гораздо меньше по размеру и их можно располагать благодаря этому как угодно и где угодно.

Можно выстраивать из них целые фигуры и даже программировать последовательность того, как они загорятся с помощью мини-компьютеров. Таким образом, это дает очень большой толчок для дальнейшего развития и совершенствования, но довольно лирики.

Какие цвета может излучать светодиод?

Многие заблуждаются в том, что светодиоды светят тем цветом, в который окрашен их корпус, хотя как мы уже говорили ранее, для регулировки цвета и регулировки его интенсивности нужно подбирать подходящий полупроводниковый материал. Именно он является определяющим фактором, если нужно подобрать цвет. Однако, светодиоды могут излучать не все цвета и есть точный спектр, который получить возможно.

Наиболее распространенные цвета — это красный, желтый, зеленый и оранжевый. Это все потому, что их легче производить, а соответственно и стоят они в разы дешевле ново появившихся синих и белых. Взгляните на эту таблицу, чтобы понять, какому напряжению соответствуют итоговые цвета:

Цвета, которые бывают у светодиодов

Давайте теперь подробно остановимся на конкретных материалах, которые влияют на выбор цвета:

  • арсенид галлия для получения инфракрасного (например, в пульте);
  • фосфид арсенида, чтобы получить оранжевый и весь спектр от красного и до инфракрасного;
  • фосфид арсенида галлия алюминия для ярко-красного, красно-оранжевого и даже желтого;
  • фосфид алюминия-галлия для зеленого;
  • фосфид галлия для желтого, зеленого и красного;
  • нитрид галлия, чтобы получить изумрудно-зеленый;
  • нитрид галлия-индия для бирюзового, синего и ближнего ультрафиолетового;
  • карбид кремния для синего;
  • селенид цинка и опять для синего;
  • нитрид алюминия-галлия для ультрафиолета.

Взглянув на этот список можно заметить, что для некоторых цветов подойдет сразу несколько полупроводников и это действительно так. Это уже сам производитель выбирает, какие полупроводники ему выбрать. Может быть, ему легче достать именно этот тип, а не другой, или он просто дешевле. Да, вот так много разных материалов нужно, чтобы создать даже очень простенький современный телевизор, например.

Подробнее про работу светодиода

Теперь, когда мы знаем достаточно много про работу светодиода, давайте еще немного поговорим о том, как он устроен изнутри. Каждый светодиод состоит из следующих деталей:

  • катод;
  • анод;
  • кристалл;
  • отражатель;
  • рассеиватель.

Каждая из этих деталей очень важна для работы светодиода. Но давайте поговорим о том, что каждый из них делает конкретно. Самые главные детали внутри светодиода — это катод и анод.

Светодиод (или led по другому)

Электроны идут от катода к аноду при подаче напряжения на устройство, благодаря чему электроны идут к PN переходу и там занимают свободные места. После этого электроны переходят на новый энергетический уровень, выделяется множество фотонов. Как мы уже говорили ранее, фотоны направляются вверх с помощью отражателя и рассеивателя.

Чем отличаются разные светодиоды и зачем нужен каждый из них?

Если говорить об основных видах LED или светодиодов, то это конечно же осветительные (используются для яркого света в помещении) и индикаторные (они для декоративных целей, например, чтобы украсить стадион или телебашню). Однако светодиоды также различают по типу конструкции:

    DIP светодиоды. Это довольно простые и не очень эффективные индикаторные светодиоды. Зато стоят они достаточно дешево. Линза у них цилиндрической формы, размер, как правило, немаленький, освещение со временем ухудшается на 30%, а угол распространения света всего 120 градусов.

Так выглядит DIP

  • А вот более совершенная версия этих светодиодов называется Spider LED. Они уже имеют целых 4 выхода, благодаря чему теплоотвод работает гораздо лучше, а это повышает надежность и долговечность компонентов. Хочется отметить, что они часто используются в различных индикаторах салонов авто.
  • Если же светодиоды нужно крепить на поверхность и места вертикально очень мало, то специально для этого придумали светодиоды SMD. Они намного более плоские и как раз используются для монтажа на поверхности.

    Это SMD светодиод
    Оказывается, габариты SMD еще далеко не предел. Сейчас для освещения используются новые инновационные светодиоды, которые называются COB (расшифровать можно как Clip On Board). Название прямо нам намекает о том, что светодиод, а точнее несколько светодиодов закрепляется прямо на плату. Да-да, именно несколько, ведь на одной подложке может быть закреплено до девяти светодиодов сразу! Это поразительно, ведь они очень плоские и кажется, что совсем не занимают места. Кроме маленьких габаритов среди плюсов также можно отметить и то, что они очень равномерно освещают и хорошо защищены от окисления. Благодаря этим преимуществам сейчас они используются для создания фар, а также поворотников для автомобилей среднего и премиального уровня.

    COB светодиод
    Есть еще одна крутейшая инновация. Пока она используется не очень часто, но мы уверены, что скоро она начнет дешеветь. Называется она Filament. Ее главное преимущество, что светодиоды можно монтировать прямо на стекло, благодаря чему свет можно распространять во все стороны (на все 360 градусов!). Однако, некоторые причисляют филаментные светодиоды к COB, хотя это и неверно.

    Лампочка со светодиодами Filament
    В производстве некоторой одежды и обуви сейчас не обойтись без волоконных светодиодов. Ну а как вы думали одежда должна светиться? Они встраиваются внутрь пластиковых волокон и излучают свет. Иногда они используются при производстве игрушек и декоративных предметов.

    Светодиоды в одежде
    Наверняка вы встречали среди множества характеристик смартфонов аббревиатуру OLED. Так вот, это тоже светодиоды, только специальные. Их также иногда называют органическими светодиодами. Почему? Потому что ток в них проводят именно органические вещества. Это позволяет еще сильнее уменьшить габариты. Так, они используются для подсветки экранов смартфонов, мониторов и телевизоров.

    Структура OLED

  • Также добавим и про то, что бывают ультрафиолетовые и даже инфракрасные светодиоды, но в обычной жизни они используются очень редко.
  • Как можно подсоединять светодиоды

    Когда мы уже знаем достаточно много о светодиодах, давайте узнаем, как можно объединять. Для этого нам нужно их соединить. Но каким образом можно это сделать и какой способ будет лучшим?

    Попробуем подсоединить последовательно

    Последовательное соединения нужно, если нужно массово увеличить количество освещенности (например, регулировка уровня яркости). Подсоединив светодиоды таким способом, они будут работать как один. Рекомендуем при этом использовать в цепочке светодиоды одного типа и даже одного цвета.

    Последовательное соединение LED

    Несмотря на то, что ток внутри светодиодов при последовательном подключении идет один и тот же, при установке резисторов нам точно придется учитывать, что напряжение тоже будет падать последовательно. Например, исходное напряжение равно 1.2 В на один светодиод, но тогда напряжение на всех n светодиодах будет уже n * 1.2. То есть если светодиодов 3, то общее падение будет уже 3.6 В. Так как же тогда посчитать падение напряжения на резисторах? Все очень просто. Давайте предположим, что все светодиоды будут питаться от одного и того же логического устройства с напряжением 5 В. Тогда:

    Обращаю ваше внимание, что среди резисторов E12 не встречается сопротивления 140 Ом, поэтому придется вариант с 150 Ом.

    Как же теперь включать и выключать светодиоды?

    Когда мы знаем уже достаточно много о светодиодах, пришло время узнать, как можно легко управлять их включением и выключением. Здесь схемы будут немного сложнее. Для управления мы будем использовать выходные каскады CMOS и TTL (они регулируют напряжение при высоком кпд и почти без искажений). Дело в том, что они могут использоваться как источники, так и как приемники полезного тока. А это как раз дает нам возможность пользоваться ими, как включателями и выключателями. Взгляните на эти примеры:

    Теперь вы знаете достаточно много про светодиоды. Если вам понравилась статья и вы хотели бы узнать о них еще больше, то мы будет очень рады узнать от вас эту информацию в комментариях.

    Светодиоды можно купить на алишке, вот по этой ссылке.

    Вот в передаче «Галилео» подробно рассказывают про светодиоды, можете посмотреть:

    Устройство светодиода: принцип работы и конструкция

    Наверняка в наше время нет таких людей, которые ни разу не сталкивались со светодиодами. Ведь сейчас они повсюду – их используют и для простых фонариков, и для ламп домашнего освещения, и для фонарных столбов на улицах, и для автомобилей, и даже для чайников с подсветкой. И это не удивительно, ведь на данный момент более экологичного и энергосберегающего, да к тому же еще и столь компактного вида осветительных приборов не существует.

    Конечно, почти каждый видел свечение работающего LED-компонента и знает, что такое светодиод, но очень многие даже представления не имеют, как устроен этот элемент освещения. А ведь такие знания могут пригодиться, и потому имеет смысл попытаться разъяснить устройство светодиода и принцип его работы, рассказать о существующих в наше время видах и модификациях.

    Вообще начало этим компактным световым элементам было положено в середине прошлого столетия и применялись они лишь для индикации подсветки в различных приборах, т. к. свет их был не очень ярким, можно сказать, даже тусклым. Однако все изменилось в конце ХХ века с появлением синего светового диода, а уже после появились яркие элементы подобного типа зеленого, желтого и белого цвета.

    Светодиод представляет собой миниатюрный световой прибор в корпусе из литого пластика различных цветов с двумя и более контактами на основе кристалла. На сегодняшний день это довольно распространенный вид освещения.

    Кто-то может сказать, что в эти дебри не стоит и лезть, что это все очень сложно, но на самом деле светодиоды просты, как все гениальное, и понять, как работает светодиод, не составит труда. Итак, приступим.

    1. Классификация светодиодов
    2. DIP
    3. SMD
    4. СОВ (Chip-On-Board)
    5. Принцип действия светодиода
    6. Спектры излучения
    7. Преимущества

    Классификация светодиодов

    Классифицируют светодиоды по многим характеристикам, но основной из них является небольшая технологическая разница в устройстве, которая вызвана различием по электрическим параметрам, равно как и областью использования осветительного прибора на кристаллах. А из чего состоит светодиод, можно увидеть на картинке выше.

    Различают несколько конструкций светодиодов в зависимости от того, как он устроен.

    Имеет корпус в виде цилиндра на два контакта. Это первый из изобретенных светодиодов. Сама его оболочка из эпоксидной смолы, закругленная сверху, работает как линза, направляя световой поток в нужном направлении. Выводные контакты утапливаются ножками в специальные отверстия печатной платы и припаиваются. Сам излучатель располагается на катоде, имеющем форму флажка и присоединенном к аноду тонким проводком.

    Различные модификации могут иметь и два, и три кристалла различных цветов, объединенных одним корпусом с двумя-четырьмя выводами. К тому же некоторые могут быть оборудованы и встроенным микроконтроллером, который управляет режимами включения или задает время мерцания кристаллов.

    Подобные DIP-элементы являются слаботочными. Используют их в основном, как индикаторы или в качестве световых элементов гирлянд.

    DIP-светодиод

    Конечно, как и любой прибор, его пытались усовершенствовать с целью наращивания светового потока, в результате чего был произведен более высокотехнологичный светодиод в том же корпусе на четыре вывода. Такая конструкция светодиода была названа «пиранья».

    Но увеличившийся световой поток привел, естественно, и к увеличению элемента, и к нагреву кристаллов, в результате этого «пиранья» не получила широкого применения. Ну а при появлении на рынке радиоэлектроники SMD-компонентов, имеющих другое строение, смысл в производстве подобных светодиодов и вовсе пропал.

    Данный компонент на кристаллах отличен от предыдущего в первую очередь тем, что его монтаж производится непосредственно на поверхность печатной платы. По сути, его изобретение произвело прорыв в данной области. И если при монтаже DIP-светодиодов можно был крепить элементы лишь только по одной стороне платы, т. к. токопроводящие дорожки находились на другой, то с приходом SMD-компонентов появилась возможность монтировать двухсторонние печатные платы.

    Это, вкупе с более мелкими габаритами элементов, позволило значительно снизить размеры приборов на их основе и полностью автоматизировать процесс сборки печатных плат.

    На сегодняшний день подобные светодиоды являются самыми востребованными и используются для изготовления различных световых приборов. Основание корпуса SMD-светодиода, сверху которого закреплен кристалл, служит ему также и радиатором. К тому же слой люминофора между линзой и полупроводником (от чего зависит цвет светодиода) может иметь различный состав и позволяет нейтрализовать излучение ультрафиолета.

    SMD-светодиод

    Есть и такие SMD-светодиоды, у которых нет линзы. Такой элемент выпускается в форме прямоугольника или квадрата и имеет более широкий угол излучения.

    СОВ (Chip-On-Board)

    Расшифровка названия данного компонента в переводе с английского звучит как «чип на доске». Новейшая разработка, которая, скорее всего, очень скоро станет лидером среди светодиодов в создании искусственного освещения.

    Отличаются подобные компоненты тем, что на алюминиевом основании (подложке) посредством диэлектрического клея закрепляется не один, а множество кристаллов, не имеющих корпусов, а после готовая матрица покрывается полностью люминофором.

    В итоге получившийся таким образом светодиод равномерно распределяет световой поток, исключающий тенеобразование.

    Существует и еще одна разновидность светодиодов СОВ – это компоненты, созданные по технологии COG (Chip-On-Glass, что означает «чип на стекле»). Кристаллы здесь размещены не на алюминиевой подложке, а на стеклянной. Как раз на основе светодиодов, созданных по такой технологии, появилась возможность производства довольно известных филаментных ламп, которые работают от сети с напряжением 220 вольт. Излучателем в них служит стержень из стекла с кристаллами, на которые нанесен слой люминофора.

    СОВ-светодиод

    Принцип действия светодиода

    Независимо от описанных технических классификаций принцип работы всех без исключения светодиодов основан на излучающем элементе. Кристалл, который является по своей сути полупроводником, имеющим различные типы проводимости, преобразует электрический ток в свечение. N-проводимый материал получается при помощи легирования электронами, ну а p-проводимый – дырами. В итоге происходит создание новых носителей заряда с противоположной направленностью.

    В результате, когда подается прямое напряжение, электроны, как и дыры, начинают движение в сторону p-n-перехода. При преодолении барьера заряженными частицами начинается их рекомбинация. В итоге это и создает возможность прохождения электрического тока. Ну а в процессе рекомбинирования электроны и дыры уже выделяют фотоны.

    Применение подобного физического явления относится ко всем элементам, подпадающим под определение полупроводникового диода. Проблема в том, что пределы видимого спектра излучения расположены ближе длины фотонов. По этой причине учеными была проведена огромная работа над тем, чтобы упорядочить движение частиц, заставив их двигаться в промежутке от 400 до 700 нм.

    Но зато после всех проведенных экспериментов появилось несколько новых соединений вроде арсенида галлия и фосфида галлия, ну и, конечно, их более сложных форм, которые имеют различную длину волн, т. е. цвет излучения.

    Принцип излучения света полупроводником

    Конечно же, при подобной работе по выделению света должно образовываться и тепло, хотя и в небольших количествах, ведь законы физики никто не отменял. По этой причине (ведь нагрев снижает производительность полупроводников) при установке светодиодов большой мощности появляется необходимость охлаждения, для чего и требуется радиатор. Роль такого охлаждающего элемента в СОВ, к примеру, и играет алюминиевое основание, на котором расположены кристаллы.

    Спектры излучения

    Современные светодиоды имеют шесть основных спектров, т. е. их свечение может быть желтым, зеленым, красным, синим, голубым и белым. И самым сложным для ученых оказалось создание голубого светового элемента на кристаллах.

    Вообще частота исходящих от светодиодов излучений лежит в узком направлении. Опираясь на все данные, ее можно назвать монохромной. И естественно, что она имеет кардинальное отличие от частоты солнечного излучения или ламп накаливания.

    Уже не первый год ведутся споры по поводу влияния подобного излучения на зрение человека, равно как и на весь организм в целом. Но проблема заключается в том, что все подобные дискуссии так до сих пор ни к чему и не привели, потому как нет ни одного документального доказательства о проведении исследований в этой области.

    Преимущества

    Если рассматривать преимущества светодиодов, то их наберется весьма значительное количество.

    Во-первых, они очень экономичны в плане расхода электроэнергии. На сегодняшний день нет световых приборов, которые могли бы с ними соревноваться по этому параметру. Причем это никак не отражается на силе светового потока, излучаемого элементами на кристаллах.

    К экономичности можно отнести и срок службы подобных LED-компонентов, т. к. частое приобретение приборов освещения негативно сказывается на финансовом состоянии. Если посмотреть на статистику, то светодиодные лампы приходится покупать в 10 раз реже, чем люминесцентные, а лампочки накаливания вообще меняются чаще в 35–40 раз. В то же время расход электроэнергии при использовании светодиодов в сравнении с «лампочкой Ильича» ниже на 87%!

    Во-вторых, светодиодные лампы удобны и просты в подключении и не требуют при этом каких-то особых навыков. К тому же, к примеру, в тех же рекламных щитах при выходе из строя нескольких элементов не произойдет ничего страшного. На его работе это никак не отразится. Ну а при огромном сроке службы светодиодов решается и проблема их замены. А главное удобство – это то, что работать такие элементы могут практически при любой температуре.

    В-третьих, это, конечно, их надежность. Ведь для того, чтобы расколоть лампу накаливания или люминесцентную трубку, не нужно прикладывать особых усилий. А вот со светодиодом придется повозиться. Эпоксидный корпус так легко не расколоть.

    Нельзя обойти вниманием и эстетическую сторону данного вопроса, ведь возможность игры с цветом при применении этих источников освещения практически ничем не ограничена, кроме воображения, фантазии человека. Работу со светодиодами можно сравнить с искусством рисования художником своих полотен.

    А потому, несмотря на то, что в наше время продажи подобных световых элементов пока не слишком внушительны, скорее всего, пройдет совсем немного времени, и светодиоды выйдут на первое место по этому показателю, вытеснив остальные виды освещения с прилавков магазинов электротехники.

    Читайте также:
    Как утеплить крышу из бетонных плит-перекрытий?
    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: