Меню
ГлавнаяЯндекс

Назначение принцип работы и структура светодиода. Преимущество светодиодов перед другими типами освещения. Различные цвета 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.

DIP

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.

SMD

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.

COB

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 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 , 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.

Читайте так же

Светодиоды становятся все более востребованными решениями, причем в самых разных сферах. Они могут задействоваться как декоративные изделия или же в целях освещения помещений, а также различных территорий за пределами зданий. Светодиоды поставляются на рынок в достаточно широком спектре модификаций. При этом разработчики соответствующих изделий периодически предлагают инновационные решения, которые в перспективе способны образовывать новые рыночные ниши. Каковы самые распространенные типы светодиодов сегодня? В каких целях они могут использоваться?

Что представляют собой светодиоды?

Прежде чем рассматривать распространенные типы светодиодов, изучим общие сведения о соответствующих устройствах. Светодиод представляет собой полупроводник, который способен преобразовывать электрический ток в свет. При этом полупроводниковый кристалл, который является его основным компонентом, состоит из нескольких слоев, характеризующихся 2 типами проводимости. А именно - дырочной и электронной.

Проводимость первого типа предполагает переход электрона с одного атома на другой, на котором есть свободное место. В свою очередь, на первый атом приходит другой электрон, на предыдущий — еще один и т. д. Данный механизм действует за счет ковалентных связей между атомами. При этом их перемещения не происходит. По сути дела, перемещается положительный заряд, который физики условно именуют дыркой. При этом при переходе электрона на дырки происходит выделение света.

По своей структуре светодиод в целом схож с выпрямительным диодом. То есть у него есть 2 вывода — анод и катод. Данная особенность предопределяет необходимость соблюдения полярности при подключении светодиода к источнику электрического тока.

Рассчитаны соответствующие изделия в общем случае на прямой ток в 20 миллиампер. В принципе, это значение можно и уменьшить, правда, в этом случае может измениться цвет и снизиться яркость светодиода. В свою очередь, увеличивать соответствующий параметр нежелательно. В случае если ток превышает оптимальное значение, то для того, чтобы уменьшить его до требуемого уровня, применяется ограничивающий резистор.

Существует довольно много нюансов, которые следует иметь в виду при инсталляции светодиодов. Это предопределяется их внутренней структурой, формой исполнения. В ряде случаев может потребоваться применять стабилизатор для светодиодов и иные электронные компоненты для обеспечения функционирования прибора, в который инсталлируется рассматриваемое изделие.

В зависимости от состава полупроводников в светодиоде он может быть красным, желтым, зеленым или же синим. Например, если в структуре соответствующего электронного компонента содержится нитрид галлия, то светодиод будет светиться синим. Собственно, одним из критериев, исходя из которых выделяются те или иные типы светодиодов, может быть их цвет.

Применение

Первые светодиоды, поставляемые на рынок, выпускались в корпусах из металла. Постепенно его стала заменять пластмасса. При этом по цвету она, как правило, выбирается с учетом цвета свечения светодиода. Однако довольно часто встречаются также прозрачные пластмассовые корпуса.

Рассматриваемые электронные устройства находят широкое применение в самых разных сферах. Это обусловлено тем, что практически все характеризуются:

Энергоэффективностью;

Долгим сроком службы;

Возможностью определять цвет свечения, а также регулировать его мощность;

Безопасностью;

Экологичностью.

Если говорить об энергоэффективности, светодиоды при одинаковой световой отдаче могут иметь существенно меньшую мощность, чем обычные лампы. Меньшая мощность светодиода при этом снижает общую нагрузку на энергосистему здания. Срок службы устройств может в несколько десятков раз превышать тот, что характеризует обычные лампы. При этом с точки зрения функций светодиоды могут совершенно не уступать им.

По мере образования массового спроса на подобные изделия, а также их удешевления, светодиоды все чаще применяются в тех же целях, что и обычные лампы. Каких-либо сложностей в инсталляции соответствующих решений в сравнении с традиционными осветительными приборами не возникает. Важно только убедиться в том, подходит ли конкретный светодиод для установки в электросеть помещения. Для этого может потребоваться заблаговременно — перед закупкой светодиодов - выявить ее основные параметры.

Какие еще преимущества могут иметь рассматриваемые решения?

Так, можно отметить, что цветовая температура светодиода может быть практически любой — в том числе при сочетании указанных выше цветов. Кроме того, устройства можно дополнять различными светофильтрами, которые могут значительно расширить сферу применения светодиодов с точки зрения подбора требуемой цветовой температуры.

Возможность управления мощностью свечения — еще одно преимущество рассматриваемых устройств. Данная опция отлично сочетается с их высокой энергоэффективностью. Мощность светодиода может регулироваться в автоматическом режиме — исходя из фактических условий пользования осветительными приборами. И это практически не влияет на срок их службы.

Светодиоды экологичны, поскольку не выделяют вредных для человека видов излучения. Данная характеристика, опять же, расширяет возможности применения рассматриваемых устройств.

Классификация: индикаторные и осветительные решения

Эксперты выделяют 2 основные категории светодиодов — индикаторные, а также осветительные. Первые предназначены главным образом для создания декоративного светового эффекта и используются как элемент украшения здания, комнаты, транспортного средства. Или же как инструмент стилизации текста — например, на рекламном баннере.

В свою очередь, есть осветительные светодиоды. Они предназначены для повышения яркости освещения в помещении или на определенном участке территории — например, если рассматривать светодиоды для авто. Соответствующего типа решения являются альтернативой применению обычных ламп и во многих случаях более выгодной с точки зрения энергоэффективности и экологичности.

Типы исполнения

Но вернемся к классификации светодиодов. Можно определить самый широкий спектр оснований для их отнесения к тем или иным категориям. Распространенный в среде экспертов подход предполагает выделение следующих основных типов светодиодов:

Волоконные;

Рассмотрим их подробнее.

В чем заключается специфика DIP-светодиодов?

Если подробнее изучать то, каким образом указанные типы светодиодов появлялись на рынке, то устройства класса DIP можно отнести к первым, которые стали продаваться массово. Данные решения представляют собой кристаллы, которые размещены в корпусах с оптическими компонентами, в частности линзой, которая создает световой пучок.

Светодиоды DIP относятся к категории индикаторных. У них есть еще одно наименование — DIL. Инсталлируются они на плату, на которой предварительно нужно проделывать отверстия. Можно отметить, что в рамках рассматриваемой категории могут выделяться различные типы светодиодов, которые отличаются диаметром колбы, цветом, материалом изготовления. При этом соответствующие параметры могут быть представлены в самом широком спектре. По форме рассматриваемые решения — цилиндрические. Среди соответствующих светодиодов есть как монохромные, так и многоцветные устройства.

Spider LED

Данного типа светодиоды в целом очень схожи с предыдущими устройствами. Но у них вдвое больше выводов — 4. В то время как у светодиодов DIP — 2. Тот факт, что представленный тип решений имеет больше выходов, оптимизирует теплоотвод и повышает надежность соответствующих компонентов. На практике они используются в разных сферах, в частности как светодиоды для авто.

Светодиоды типа SMD

Данные решения выпускаются с применением концепции поверхностного монтажа. То есть они представляют собой светодиоды, инсталлируемые на какую-либо поверхность, в то время как другие решения могут устанавливаться посредством сквозного монтажа.

Размеры светодиодов этого типа могут быть существенно меньше, чем у альтернативных им решений, равно как и тех конструкций, на которые они инсталлируются. Опять же, в данном случае правомерно вести речь о более оптимальном теплоотводе. Использование светодиодов типа SMD во многих случаях позволяет расширить вариативность исполнения осветительных конструкций.

SMD-светодиоды относятся к категории осветительных. Характеризуются достаточно сложной структурой. Так, сам светодиод состоит из металлической подложки. На ней фиксируется кристалл, который припаивается непосредственно к контактам корпуса подложки. Над кристаллом размещается линза. При этом на одной подложке может быть инсталлировано 1-3 светодиода. К SMD относятся распространенные типы сверхярких светодиодов, таких как 3528. Данные решения имеют высокий уровень востребованности.

Светодиоды типа COB

Следующий популярный тип светодиода — COB. Он изготовлен с применением технологии, которая предполагает инсталляцию кристалла непосредственно на плату. Данное решение характеризуется большим количеством преимуществ:

Защищенность соединения от окисления;

Небольшие габариты конструкции;

Эффективность теплоотвода;

Снижение себестоимости инсталляции светодиодов — в сравнении, в частности, с устройствами типа SMD.

Если рассматривать указанные выше типы светодиодов, то можно отметить, что решения марки COB можно отнести к самым инновационным. Впервые подобная технология была реализована японскими инженерами в конце 2000-х годов. Сейчас данные виды светодиодов продолжают набирать популярность.

Как считают эксперты, рассматриваемые решения могут и вовсе стать наиболее востребованными на рынке, особенно если говорить о коммерческом сегменте, о сфере бытового освещения. Стоит отметить, что есть сферы, в рамках которых применение светодиодов COB может быть затруднено. В числе таковых — производство профессионального осветительного оборудования. Дело в том, что рассматриваемые светодиоды не слишком оптимальны с точки зрения приспособления к организации освещения с установленной кривой силы света. В таких случаях более подходящими могут оказаться устройства типа SMD.

Описываемые диоды относятся к осветительным. Как отмечают эксперты, их можно отнести к лучшим, исходя из характеристик светового потока. Поставляются на рынок в разных цветах, например красном, зеленом, синем, а также белом. Световой поток у этих моделей имеет угол рассеивания в 40-120 градусов.

На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов типа COB. Покрываются они люминофором, вследствие чего приобретают высокую яркость. Можно отметить, что световой поток у данных решений выше, чем у устройств типа SMD. Таким образом, если рассматривать то, какой тип светодиодов лучше, то по указанному критерию преимущество может иметь решение класса COB.

Светодиоды типа COB также находят применение в автомобильной индустрии. Их можно использовать в качестве компонента передних, задних фар, поворотников. Главное — правильно инсталлировать приобретенные устройства. Для этого имеет смысл обратиться к опытным специалистам.

Волоконные светодиоды

К инновационным можно отнести волоконные светодиоды. Они появились на рынке недавно, в 2015 году. Разработаны были рассматриваемые решения инженерами из Южной Кореи.

Использовать данные типы светодиодов можно в производстве одежды. То есть, из них вполне реально сшить рубашку или футболку, которые могут светиться. Производство одежды на основе волоконных светодиодов предполагает также применение различных полимеров, а также соединений алюминия.

Светодиоды Filament

Еще один пример инновационных светодиодов — решения типа Filament. Главное их преимущество — высокая энергоэффективность. При одинаковой мощности, к примеру, с такими светодиодами, как COB, решения типа Filament могут обеспечивать более высокий уровень освещенности.

Рассматриваемый чаще всего используется при изготовлении В числе примечательных характеристик производства соответствующих светодиодов — осуществление монтажа непосредственно на подложку, выполненную из стекла. Данный подход дает возможность распространять свет, излучаемый светодиодом, на 360 градусов.

Как выбрать оптимальный вариант?

Как определить тип светодиода, оптимальный для той или иной конструкции? Существует большое количество критериев, на которые можно ориентироваться в данном вопросе. В принципе, вполне правомерно определить сферу применения светодиода исходя из его классификации по тем признакам, которые мы рассмотрели выше. Изучим специфику выбора соответствующих электронных компонентов с учетом особенностей девайсов:

Выбор светодиодов: особенности решений типа DIP

Как мы отметили выше, DIP-светодиоды относятся к самым ранним продуктам, появившимся на рынке. Таким образом, в них задействованы довольно старые, но до сих пор востребованные технологии. Главные их преимущества — простота установки, удобство формы, низкое энергопотребление, слабый нагрев, а также достаточно высокая степень защищенности от внешнего воздействия.

Чаще всего рассматриваемые светодиоды выпускаются в диаметре 3 и 5 мм. Если проводить сравнения светодиодов по типам, то можно прийти к выводу, что рассматриваемые решения наиболее оптимальны для применения:

В качестве элементов тюнинга автомобилей;

Как декоративные компоненты;

В составе маломощных — как вариант самодельных - фонарей.

Рассматриваемые светодиоды имеют относительно невысокую стоимость и доступность на рынке. Можно отметить, что в числе самых часто встречаемых модификаций — светодиоды на 12 вольт. Они могут присутствовать в различных онлайновых каталогах, а также специализированных магазинах в широком ассортименте. Собственно, любые светодиоды на 12 вольт характеризуются достаточно высокой востребованностью на рынке.

Выбор светодиодов: особенности решений типа SMD

Соответствующего типа решения по внешнему виду принципиально отличаются от других тем, что имеют плоскую форму. Монтаж данных электронных компонентов осуществляется без использования ножек. Ток на светодиоды типа SMD подается на клеммы, которые находятся с их обратной стороны.

Таким образом, инсталляция данных девайсов осуществляется без использования отверстий. Размещение светодиодов можно осуществить очень компактно. Как результат — может уменьшиться и конструкция, на которой соответствующие устройства располагаются.

Основные способы применения рассматриваемых устройств — тот же автотюнинг, различные типы интерьерного освещения. В числе самых значимых преимуществ данных вариантов — высокая яркость, светоотдача. В сочетании с небольшими размерами эти решения обладают существенными преимуществами перед альтернативными моделями изделий.

В числе самых распространенных на современном рынке — тип светодиода 3528. Данные изделия широко применяются при выпуске светодиодных лент. Конструкция соответствующих изделий позволяет выпускать трехцветные светодиоды — с красным, синим, а также зеленым цветами свечения. На базе решений типа 3528 производятся многие другие электронные компоненты, например светодиод типа SMD 5050.

Рассматриваемые изделия также характеризуются ценовой доступностью. Представлены на рынке они обычно в широком ассортименте.

Выбор светодиодов: особенности решений типа COB

Прежде всего стоит отметить, что значительная часть светодиодов соответствующего типа — очень мощные конструкции. Их характерная особенность — быстрое рассеивание света, благодаря размещению кристаллов на поверхности, которая обеспечивает динамичное отведение тепла.

Рассматриваемые светодиоды — очень яркие. Это делает их востребованными как раз для использования в конструкции автомобильных фар. Стоит отметить, что данные изделия следует инсталлировать с учетом ряда значимых нюансов — таковые могут знать только опытные специалисты. Поэтому для установки соответствующих решений рекомендуется обращаться к компетентным сервисным службам.

В переводе с английского сокращение LED дословно означает «диод, который излучает свет». Это полупроводниковое устройство, способное трансформировать электрический ток в простое приспособление, конструкция которого довольно сильно отличается от привычных нам изделий для освещения (лампы накаливания, разрядные, люминесцентные лампы и т. д.).

Как работает светодиод, будет интересно узнать каждому. Этот прибор не имеет изначально ненадежных хрупких элементов конструкции и стеклянной колбы (в отличие от других ламп). Стоимость диодов настолько мала, что ненамного отличается от батареек, которые служат их источником питания. Популярность подобных изделий объясняется рядом факторов, в том числе и их конструкцией.

История возникновения

Рассматривая вопрос, почему работают светодиоды, следует изучить историю их возникновения. Впервые подобное устройство было создано в 1962 г. ученым Н. Холоньяком. Это был монохромный свечения. Он имел ряд недостатков, но сама технология была признана перспективной.

Спустя 10 лет после создания красного диода появились зеленые и желтые разновидности. Их применяли в качестве индикаторов во многих электронных приборах. Интенсивность светового потока диодов благодаря научным разработкам постоянно возрастала. В 90-х годах был создан осветитель с эффективностью потока 1 люмен.

В 1993 году С. Накамура создал первый синий диод, который характеризовался высокой яркостью. С этого момента стало возможным создавать любой цвет спектра (в том числе белый). Технологии неустанно развивались.

При соединении синего и ультрафиолетового типа диодов получается белый люминофорный осветитель. Они стали постепенно вытеснять лампы накаливания. К 2005 году выпускались диоды с мощностью светового потока до 100 лм и даже выше. Стали изготавливать белые осветительные приборы с разными оттенками (теплые, холодные).

Устройство светодиода

Чтобы понять, как работает точечный светодиод, необходимо подробно рассмотреть его устройство. Этот осветительный прибор, по мнению представителей Ассоциации развития оптоэлектронной индустрии и департамента энергетики, в скором времени станет самым востребованным источником освещения в обычных домах, офисах, учреждениях.

Светодиод имеет основой полупроводниковый кристалл. Он пропускает электрический ток только в одну сторону. Кристалл расположен на особой подложке. Она не проводит ток. Корпус защищает кристалл от внешних воздействий. Он имеет выходы в виде контактов, а также оптическую систему.

Чтобы повысить продолжительность эксплуатации прибора, пространство между пластиковой линзой и самим кристаллом заполнили прозрачным силиконовым компонентом. Чтобы отводить избыточное тепло, применяется алюминиевая основа. Это обычное устройство современного диода. При работе он выделяет относительно небольшое Это также является преимуществом прибора.

Принцип работы

Рассматривая, как работает светодиод, необходимо вникнуть в основной принцип работы подобных устройств. Прибор представленного типа имеет один электронно-дырчатый переход. Это связано с разным принципом проводимости компонентов осветителя. Один полупроводник имеет излишек электронов, а другой - излишек дырок.

При помощи процесса легирования дырчатый материал обогащается носителями отрицательного заряда. Если в месте обогащения полупроводников противоположными зарядами приложить ток, получится прямое смещение. Через переход этих двух материалов побежит электричество.

При этом в корпусе диода происходит сплавление носителей зарядов с различным электрическим статусом. Когда дырки и электроны сталкиваются, выделяется определенное количество энергии. Это квант светового потока. Его называют фотоном.

Цвет светодиода

При создании диодов применяются различные полупроводниковые материалы. Это определяет цвет, который испускает при работе представленное устройство. Разные материалы способны посылать в пространство волны разной длины. Это позволяет человеческому глазу увидеть тот или иной цвет видимого спектра.

Изучая вопрос, как работает светодиод, следует рассмотреть материалы полупроводников. Раньше в подобных целях применялись фосфид галлия, тройные соединения GaAsP, AlGaAs. При этом прибор мог посылать в пространство красный, желто-зеленый

Представленная технология ныне применяется только для индикаторных устройств. Сегодня для таких изделий используют алюминий индий-галлий (AllnGaP) и индий-нитрид галлия (InGaN). Они выдерживают довольно высокий уровень проходящего тока, высокие показатели влажности и нагрева. Возможна комбинация светодиодов разных типов.

Смешение цветов

Современные диодные ленты могут выдавать разные оттенки светового потока. Один прибор может производить монотонный цвет. При создании многокристального устройства возможно получить огромное количество различных оттенков. Подобно монитору телевизора или компьютера, диод может создать любой цвет при помощи модели RGB (расшифровывается как красный, зеленый, синий).

Это простой принцип, позволяющий понять, как работают RGB-светодиоды. При помощи этой технологии можно создавать и белое освещение. Для этого все три цвета смешиваются в равной пропорции.

Однако, помимо представленной технологии, можно получить белое свечение при соединении диода коротковолнового излучения (ультрафиолетовый, синий) вместе с желтым покрытием люминофорного типа. При комбинации фотонов желтого и синего цвета в итоге получается белое свечение.

Производство

Чтобы понять, от скольких вольт работают светодиоды, необходимо рассмотреть производство этих устройств. В первую очередь следует отметить, что приборы с матрицей типа RGB стоят дороже, чем люминоформы. Причем последние позволяют добиться освещения высокого качества.

Недостатком люминофоров является меньшая светоотдача, а также различная окраска (температура) потока. Это устройство стареет быстрее, чем светодиод. Поэтому в продажу поступают осветительные приборы обоих принципов работы. Для создания индикаторов производятся диоды с потреблением 2-4 В напряжения постоянного типа (при токе 50 мА).

Для создания полноценного освещения необходимы устройства с таким же потреблением напряжения, но более высоким уровнем тока - до 1 А. Если в одном модуле диоды подключить последовательно, суммарное напряжение будет достигать 12 или 24 В.

Усиление яркости

Рассматривая вопрос, от какого напряжения работают светодиоды, следует сказать о повышении яркости представленных устройств. Мощность таких приборов достигает 60 мВт. Если подобные диоды установить в средний по габаритам корпус, световых элементов потребуется установить 15-20 шт.

Диоды с усиленной яркостью свечения могут нести в себе мощность до 240 Вт. Чтобы обеспечить нормальную подсветку, подобных элементов потребуется 4-8 шт. В продаже представлены устройства, способные полноценно освещать помещения, наружную рекламу, витрины и т. д. Некоторые ленты создаются для выполнения подсветки средней или малой интенсивности.

Для подключения представленного оборудования применяют блоки управления соответствующей мощности. Для цветных лент возможно применять контроллеры, управляющие не только интенсивностью освещения, но и задающие оттенки и режимы работы устройства.

Управление свечением

Существует огромное количество вариантов представленного оборудования. Есть светодиоды, работающие от батареек (например, в фонариках), запитанные в стационарную сеть. Их применяют как для внутренней, так и внешней работы. В зависимости от условий применения подбирается соответствующий класс защиты диода.

Чтобы отрегулировать яркость свечения, напряжение питания не снижают. Для уменьшения интенсивности свечения применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В этом случае приобретается блок управления.

Представленный метод заключается в подаче на диод импульсно-модулированного тока. Частота сигнала при этом достигает тысяч герц. Может изменяться ширина импульсов и интервалов пауз. При этом можно управлять свечением прибора. Диод в этом случае не погаснет.

Долговечность

Диоды считаются долговечными устройствами. Это объясняется их конструкцией. Однако если не работают светодиоды на лампе, возможно, срок их эксплуатации вышел. Это можно определить по насыщенности свечения и изменению цвета.

Также специалисты отмечают, что срок эксплуатации маломощных устройств гораздо продолжительнее. Но даже в самых ярких лентах или лампах диоды гарантированно работают 20-50 тыс. часов. Так как они не имеют хрупких элементов конструкции, механические воздействия с большей вероятностью не нанесут вреда подобным осветителям.

Изучив, как работает светодиод, можно понять принцип устройства этого прибора, а также его эксплуатационные характеристики. Это оборудование считается осветителями будущего поколения.

Светодиоды для человечества стали одним из наиболее распространенных источников света для промышленных и бытовых нужд. Этот полупроводниковый прибор имеет один электрический переход, он преобразует электроэнергию в энергию видимого светового излучения. Явление открыто Генри Джозефом Раундом в 1907 году. Первые эксперименты были поставлены советским физиком-экспериментатором О.В. Лосевым, которому в 1929 году удалось получить рабочий прототип современного светодиода.

Первые современные светодиоды (СД, СИД, LED ) были созданы в начале шестидесятых годов. У них было слабое красное свечение, их применяли в качестве индикаторов включения в самых разных приборах. В 90-х появились синие, желтые, зеленые и белые светодиоды. Их стали выпускать в промышленных масштабах многие компании. Сегодня LED-диоды применяются повсеместно: в светофорах, лампочках, автомобилях и так далее.

Устройство

Светодиод представляет полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, который создает оптическое излучение при прохождении через него тока в прямом направлении.

Стандартный индикаторный светодиод выполнен из следующих частей;

1 — Эпоксидная линза
2 — Проволочный контакт
3 — Отражатель
4 — Полупроводник (Определяет цвет свечения)
5 и 6 — Электроды
7 — Плоский срез

В основании светодиода закрепляются катод и анод. Все устройство сверху герметично закрыто линзой. На катоде установлен кристалл. На контактах имеются проводники, которые подсоединены к кристаллу p-n-переходом (проволока соединения для объединения двух проводников с различными типами проводимости). Для создания стабильной работы светодиода применяется теплоотвод, который необходим для осветительных приборов. В индикаторных приборах тепло не имеет решающего значения.

DIP-диоды имеют выводы, которые монтируются в отверстия печатной платы, они при помощи пайки подсоединяются на электрический контакт. Имеются модели с несколькими кристаллами различного цвета в одном корпусе.

SMD-светодиоды сегодня являются наиболее востребованными источниками света любых форматов.

  • Основа корпуса, куда крепится кристалл, является отличным проводником тепла. Благодаря этому в разы улучшился отвод тепла от кристалла.
  • В структуре белых светодиодов между линзой и полупроводником имеется слой люминофора, который нейтрализует ультрафиолет и задает необходимую цветовую температуру.
  • В SMD-компонентах, имеющих широкий угол излучения, линза отсутствует. При этом сам светодиод выделяется формой параллелепипеда.

Chip-On-Board (COB) представляют новейшее практическое достижение, которое должно занять в искусственном освещении лидерство в создании белых светодиодов.


Устройство светодиодов по технологии COB предполагает следующее:

  • На алюминиевую основу посредством диэлектрического клея крепят десятки кристаллов без подложки и корпуса.
  • Полученная матрица покрывается общим слоем люминофора. В итоге получается источник света, который имеет равномерное распределение светового потока без возможности появления теней.

Разновидностью Chip-On-Board является Chip-On-Glass (COG) технология, предусматривающая размещение на поверхности из стекла множества мелких кристаллов. К примеру, это филаментные лампы, где излучающим элементом является стеклянный стержень со светодиодами, которые покрыты люминофором.

Принцип действия

Несмотря на технологические особенности и разновидности, работа всех светодиодов основывается на общем принципе функционирования излучающего элемента:

  • Преобразование электроэнергии в световой поток осуществляется в кристалле, который выполнен из полупроводников с самым разным типом проводимости.
  • Материал с n­-проводимостью обеспечивают путем легирования его электронами, а материал с p-проводимостью при помощи дырок. В результате в сопредельных слоях появляются дополнительные носители заряда разной направленности.
  • При подаче прямого напряжения стартует движение электронов, а также дырок к p-n-переходу.
  • Заряженные частицы проходят барьер и начинают рекомбинировать, вследствие этого протекает электрический ток.
  • Процесс рекомбинации электрона и дырки в зоне p-n-перехода идет выделением энергии в качестве фотона.

В целом, указанное физическое явление свойственно всем полупроводниковым диодам. Однако длина волны фотона в большинстве случаев располагается за пределами видимого спектра излучения. Чтобы элементарная частица двигалась в диапазоне 400-700 нм, ученые проводили множество опытов и экспериментов с разными химическими элементами. В итоге появились новые соединения: фосфид галлия, арсенид галлия и более сложные формы. У каждой из них своя длина волны, то есть свой цвет излучения.
К тому же, кроме полезного света, который испускает светодиод, на p-n-переходе образуется некоторое количество теплоты, которое уменьшает эффективность полупроводникового прибора. Именно поэтому в конструкции мощных светодиодов предусматривается эффективный отвод тепла.

Разновидности

На текущий момент LED-диоды могут быть следующих видов:

  • Осветительные, то есть с большой мощностью. Их уровень освещенности равен вольфрамовым и люминесцентным источникам света.
  • Индикаторные – с небольшой мощностью, их применяют для подсветки в приборах.

Индикаторные LED-диоды по типу соединения делятся на:

  • Двойные GaP (галлий, фосфор) – имеют зеленый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
  • Тройные AIGaAs (алюминий, мышьяк, галлий) – имеют желтый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
  • Тройные GaAsP (мышьяк, галлий, фосфор) – имеют красный и желто-зеленый свет в структуре видимого спектра.

По типу корпуса светодиодные элементы могут быть:

  • DIP — устаревшая модель низкой мощности, их применяют для подсветки световых табло и игрушек.
  • «пиранья» или Superflux – аналоги DIP, но с четырьмя контактами. Они применяются для подсветки в автомобилях, меньше нагреваются и лучше крепятся.
  • SMD – самый распространенный тип, применяются во множестве источников света.
  • COB – это усовершенствованные светодиоды SMD.

Применение

Область применений светодиодов условно можно разделить на две широкие категории:

  • Освещение.
  • С использованием прямого света.

Светодиод в освещении применяется для освещения объекта, пространства или поверхности, вместо того, чтобы быть непосредственно видимым. Это интерьерная подсветка, фонарики, освещение фасадов зданий, освещение в автомобилях, подсветка клавиш мобильных телефонов и дисплеев и так далее. Широкое применение LED-диоды находят в коммуникаторах и сотовых телефонах.

Прямой светодиодный свет применяется для передачи информации, к примеру, в полноцветных видео дисплеях, в которых LED-диоды формируют пиксели дисплея, а также в алфавитно-цифровых табло. Прямой свет также применяется сигнальных устройствах. К примеру, это индикаторы поворота и стоп-сигналы автомобилей, светофоры и знаки.

Будущее светодиодов

Ученые создают светодиоды нового поколения, к примеру, на основе нано-кристаллических тонких пленок из перовскита. Они дешевые, эффективные и долговечные. Исследователи надеются, что такие LED-диоды будут применяться вместо обычных экранов ноутбуков и смартфонов, в том числе в бытовом и уличном освещении.

Создаются и волоконные LED-диоды, которые предназначены для создания носимых дисплеев. Ученые считают, что создаваемый метод производства волоконных светодиодов позволит наладить массовый выпуск и сделать интеграцию носимой электроники в одежду и текстиль совершенно недорогой.

Типичные характеристики

Светодиоды характеризуются следующими параметрами:

  • Цветовая характеристика.
  • Длина волны.
  • Сила тока.
  • Напряжение (тип применяемого напряжения).
  • Яркость (интенсивность светового потока).

Светодиодная яркость пропорциональна протекающему через него току, то есть чем напряжение будет выше, тем будет больше яркость. Единицей силы света служит люмен на стерадиан, она также измеряется в милликанделах. Бывают яркие (20-50 мкд.), а также сверх яркие (20000 мкд. и более) LED-диоды белого свечения.

Величина падения напряжения – характеристика допустимых значений прямого и обратного включений. Если подача напряжений выше этих значений, то наблюдается электрический пробой.

Сила тока определяет яркость свечения. Сила тока осветительных элементов обычно равняется 20 мА, для индикаторных светодиодов она составляет 20-40 мА.

Цвет излучения светодиода зависит от активных веществ, внесенных в полупроводниковый материал.

Длина волны света определяется разностью энергий при переходе электронов на этапе рекомбинации. Она определяется легирующими примесями и исходным полупроводниковым материалом.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств светодиодов можно отметить:

  • Малое потребление электроэнергии.
  • Долгий срок службы, измеряемый 30-100 тысячами часов.
  • Высокая светоотдача. Светодиоды дают 10-250250 люменов светового потока на ватт мощности.
  • Нет ядовитых паров ртути.
  • Широкое применение.

Недостатки:

  • Низкие характеристики у некачественных светодиодов, созданных неизвестными производителями.
  • Сравнительно высокая цена качественных светодиодов.
  • Необходимость качественных источников питания.
Введение

Светодиод, или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED от английского “Light-emitting diode ”), является полупроводниковым прибором с электронно-дырочным переходом (pn-переходом) или контактом металл-проводник, создающий оптическое излучение при прохождении электрического тока через него в прямом направлении. Кристалл светодиода создает оптическое излучение в довольно узком спектре. Его спектральные характеристики зависят в первую очередь от химического состава полупроводников, используемых при его изготовлении. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

История

Электролюминесценция впервые была открыта и описана в 1907 году, учёным Генри Джозеф Раундом, который обнаружил её при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены О. В. Лосевым в 1923 году, который, экспериментируя с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Вероятно, первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса (США) группой, которой руководил Ник Холоньяк.

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

В чем разница?

Светодиодная технология излучения света кардинально отличается от традиционной технологии свечения источников света, таких как лампы накаливания, люминесцентные лампы и разрядные лампы высокого давления. В светодиоде нет ни газа, ни нити накала, он не имеет хрупкой стеклянной колбы и потенциально ненадежных подвижных деталей.

Главным отличием светодиодных источников света от традиционных является то, что в светодиодах применяется совершенно иной принцип генерации света и используются абсолютно другие материалы. Менее очевидным отличием является то, что в светодиодном световом приборе стирается граница между лампой и светильником. В светодиодной осветительной технике «лампы», которыми являются светодиоды, неотделимы от «светильника», а именно: корпуса, электроники и линзы.

Характеристики светодиодов

Вольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток, начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.

Современные сверхъяркие светодиоды обладают менее выраженной полупроводимостью, чем обычные диоды. Высокочастотные пульсации в питающей цепи (т. н. «иголки») и выбросы обратного напряжения приводят к ускоренному деградированию кристалла. Скорость деградирования также зависит от питающего тока (нелинейно) и температуры кристалла (нелинейно).

Стоимость

Стоимость мощных светодиодов, применяемых в портативных прожекторах и автомобильных фарах, на сегодняшний день довольно высока — порядка 8-10$ и более за штуку. Как правило, в небольших фонариках и бытовых лампах-сборках используется несколько десятков не слишком мощных светодиодов.

К началу 2011 года стоимость мощных (1 Вт и более) светодиодов снизилась и начинается от 0,9 $. Стоимость сверхмощных (10Вт и более P7 и CREE M-CE 15-20$ CREE XM-L 10W 1000Lm) составляет порядка 10$.


Преимущества

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

    Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт;

    Высокая механическая прочность , вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);

    Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости;

    Спектр современных светодиодов бывает различным — от тёплого белого (2700 К) до холодного белого (6500 К);

    Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды;

    Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп);

    Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов;

    Низкая стоимость индикаторных светодиодов , но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снижается при увеличении производства и продаж (экономия от масштаба);

    Безопасность — нет необходимости в высоком напряжении;

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

    Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения, в отличие от люминесцентных ламп.

Применение светодиодов

    В уличном, промышленном, бытовом освещении (в том числе светодиодная лента);

    В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах);

    Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами;

    В оптопарах;

    Мощные светодиоды используются как источники света в фонарях и светофорах;

    Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, интернет);

    В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.);

    В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее;

    В светодиодных дорожных знаках;

    В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.


Если после прочтения данной статьи у Вас ещё остались вопросы по поводу светодиодного оборудования, то мы с радостью поможем выбрать светильник, который подойдет именно Вам!