Site Loader

Содержание

Устройство светодиода и принцип действия

Светодиод сокращённо (СД), светоизлучающий диод (СИД), light emitting diode сокращённо LED – это полупроводниковое устройство, которое способно создавать световое излучение различной интенсивности при подключении его в прямом направлении к электрическому току.

Светодиод: устройство.

Основа светодиода – полупроводниковый кристалл. Кристалл размещается на металлическое основание катод, который также является отражателем.

Кристалл соединяется тонкой проволокой с анодным выводом. Вся конструкция помещается в корпус колбу нужной формы, верхняя часть колбы состоит из рассеивающей или собирающей линзы. От формы линзы зависит угол рассеивания светового потока, чем более плоская линза, тем шире угол рассеивания и наоборот, чем выпуклей линза, тем уже световой поток.

Для изготовления кристалла светодиода могут, используются такие  полупроводниковые материалы как арсенид галлия, алюминия галлия арсенид, галлия фосфид, галлия арсенид-фосфид, кремний и пр.

В зависимости от материала, из которого сделан кристалл, светодиод может излучать заданный спектр свечения.

Все светодиоды можно поделить на два основных типа:

Индикаторные – маломощные светодиоды используются как индикаторы в различных приборах (см. рис. сверху).

Осветительные – более мощные светодиоды, используются в осветительных приборах.

Типы осветительных диодов:

  • SMD.
  • HP – высокой яркости.
  • HP – высокой мощности.

Устройство осветительного светодиода.

Светодиод: принцип действия.

Принцип действия светодиода основан на так называемом p-n (электронно-дырочном) переходе.

Светодиод включает в себя полупроводниковый p-n переход, где материал — n обогащён отрицательными носителями заряда (приобретают дополнительные электроны), а материал – p положительными носителями заряда (приобретают «дырки» места, где отсутствуют электроны на орбитах атомов).

Когда в диоде возникает электрическое поле, электроны из материала — n и дырки из материала – p, устремляются к p – n переходу, где электроны инжектируются в – p материал.

При подаче отрицательного напряжения со стороны – n проходит ток в материал – p (прямое смещение).

При переходе из – n в – p избыточные электроны рекомбинируют с «дырками» при этом выделяется энергия из элементарных частиц фотонов и светодиод испускает свечение.

Обозначение светодиода в электрических схемах.

Светодиод может работать только при пропускании через него тока в прямом направлении (анод положительный потенциал относительно катода).

Недопустимо подключение светодиода обратной полярностью к источнику напряжения, светодиоды обычно имеют невысокое обратное пробивное напряжение, поэтому если в схеме возможно обратное напряжение светодиод нужно дополнительно защитить параллельно подключённым обычным диодом.

Подключать светодиод к источнику напряжения можно только через ограничитель тока, например через последовательно подключённый резистор.

Некоторые диоды могут иметь встроенную в корпус токоограничивающую цепь.

Для мощных светодиодов также применяются схемы, с широтно импульсной модуляцией которые могут поддерживать среднее значение тока на заданном уровне.

При пропускании через светодиод тока превышающего предельно допустимые параметры, светодиод мгновенно перегревается и выходит из строя.

Преимущества применения светодиодов в качестве источников света.

Высокая светоотдача до 146 люмен на ватт.

Современные светодиоды имеют широкий спектр свечения от 2700 К (теплый белый) до 6500 К (холодный белый).

Низкая инерционность, светодиод включается сразу на полную яркость.

Угол излучения от 15 до 180 градусов.

Механическая прочность и вибростойкость.

Светодиоды не чувствительны к низким температурам.

Продолжительный срок службы светодиодов, некоторые светодиоды могут работать до 100000 часов.

На продолжительность службы светодиодов не влияет количество циклов включения-выключения, в отличие от газоразрядных ламп и ламп накаливания.

Экологичность – в отличие от люминесцентных ламп для производства светодиодов не используются опасные материалы, такие как ртуть и фосфор.

Недостатки светодиодов.

При недостаточном отводе тепла у мощных светодиодов происходит деградация и падение яркости кристалла.

Светодиоды чувствительны к перепадам напряжения, повышенное напряжение приводит к перегреву светодиода и сокращает срок его службы.

Применение светодиодов.

Современные мощные светодиоды применяются в промышленном и бытовом освещении, светодиоды используются в качестве источников света в лампах, фонарях, светильниках, светодиодных лентах.

Светодиоды применяются в подсветке жидкокристаллических экранов телевизоров, мониторов, мобильных телефонов.

Маломощные светодиоды применяются в качестве индикаторов для бытовых и промышленных приборов, используются в панелях управления и пр.

Поделиться в соц. сетях

Устройство светодиодов и принцип работы

В прошлой статье я рассказал о том, каким образом и на какие виды и типы подразделяют светодиоды. Мы определились, что ни один из видов не похож друг на друга. Точнее — конструкция светодиодов не аналогична друг другу. А вот устройство светодиодов практически похожее.

Сегодня рассмотрим каким образом устроены большинство LEDs. За основу возьмем статью, о которой упоминалось выше.

Но для начала нам стоит посмотреть на принцип работы светодиодов.

к оглавлению ↑

Принцип работы светодиодов


Чтобы не утруждать Вас научными терминами попробую все рассказать на пальцах. Все светодиоды имеют p-n-p переход. Электронно-дырочный переход. В процессе легирования материал n-типа насыщается положительными электронами, а в материале p-типа атомы насыщаются дырками. Дырки – места на внешних электронных орбитах атомов, где отсутствуют электроны.

После подачи на чип напряжения электроны и дырки в p и n материалах начинают занимать место в p-n переходе. Как только носители заряда подходят к p-n-переходу, электроны вводятся в материал р-типа.

Если к n-материалу приложить отрицательное напряжение, через диод пойдет электрический ток от материал n-типа к p-типу. Такой процесс называется прямым смещением.Поэтому материал из которого производят светодиод выбирают таким образом, чтобы испускаемые фотоны находились в видимой области спектра. Каждый материал испускает фотоны со своей длиной волны, отчего зависят цвета света.

к оглавлению ↑

Устройство светодиодов индикаторных


Первенцами в светодиодной промышленности можно назвать индикаторные светодиоды 3мм и т.п. типа. Устройство светодиодов индикаторных конструкционно  отличается от SMD, COB и filament диодов.

На графической картинке мы видим, что устройство 3 мм диодов не сложное. Линзу производят из эпоксидной смолы. Есть и другие материалы, но как точно они называются я сейчас не припомню. Я уже давно перестал следить за тем, как идет «жизнь» данных светодиодов. Они мне не интересны. Если кто-то желает дополнить мой материал, то милости прошу в комментарии.)

В корпус интегрированы анод и катод. Светодиодный кристалл помещают в рассеиватель. От анода к кристаллу припаивается проводник. Как правило выполнен он из золота. Более дешевые модели ( китайские ) оснащаются медными проводниками.

На этом вся сложность и заканчивается. Далее остается только не ошибиться с определением «плюса и минуса». В зависимости от конструкции линзы свет может рассеиваться до 90 градусов.

к оглавлению ↑

Устройство индикаторного светодиода – «Пиранья»


Маломощные светодиоды. За счет того, что конструкционно на них размещаются четыре пина, увеличивается механическая прочность. Большое распространение этот вид диодов получил в автомобилестроении. Устройство LEDs пиранья понятно из картинки. Как говорится — без комментариев. Ну и дополню еще, что у данного типа полупроводников отмечается более качественная теплопроводность.

к оглавлению ↑

Устройство светодиода на основе волокон


Интересная разработка, которая появилась в конце 2015 года. Разработка представлена корейскими учеными института науки передовых технологий ((Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST).

Как заявляют ученые, в скором будущем технология получения волоконных светодиодов станет основой создания источников света на волокнах различны тканей. Сейчас мощность у них очень маленькая и составляет всего 0,3 Вт. Подождем, посмотрим, когда удасться перенести их в группу осветительных. Сейчас же посмотрим на устройство светодиодов из волокон.

Основой будущих диодов является волокно терефталата полиэтилена. погруженного в раствор PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate. Следующим этапом происходит сушка волокна при 130 градусах в течении получаса. На просушенную заготовку наносят OLED раствор poly-(p-phenylenevinylene) polymer organic LED (OLED) имеющий желтое свечение. Затем будущий диод снова отправляют в сушку и покрывают слоем фторида лития-алюминия (Lithium Fluoride/Aluminum (LiF/Al)).

к оглавлению ↑

Устройство осветительных мощных светодиодов


Устройство осветительных мощных диодов несколько отличается от тех, что мы рассматривали выше. Общая конструкция состоит из корпуса с кристаллом, подложку. Также на подложке монтируются выводные контакты. проводники кристаллов, теплоотвод и линзы.

По сравнению с индикаторными устройство осветительных имеет одно существенное различие. А именно, наличие теплоотвода. Индикаторные полупроводники маломощные, а следовательно практически не выделяют тепла. А если таковое и имеется. то легко рассеивается в линзе. Осветительные не могут похвастаться таким счастьем. Их припаивают к алюминиевой подложке для более быстрого распространения тепла. Ну и для тех, кто еще не понял — теплоотвод необходим для большинства светодиодов.

Некоторые различия также можно наблюдать и в устройствах SMD и COB чипах. Первые имеют как правило один кристалл ( есть исключения. в частности SMD 3528 ). COBовские имеют большее количество кристаллов и заливаются единым слоем люминофора.

к оглавлению ↑

Устройство светодиодов filament — филаментных


Первое упоминание о филаментных светодиодах датируется 2008 годом. Однако, настоящее признание пришло к ним только в 2014-2015 году, когда на их основе стали выпускать лампы.

Сами по себе led filament — ни что иное, как отрезок из сапфира или стекла диаметром до 1.5 мм и длиной 3 см. Разные источники относят филаменты или  к COB или COG ( chip on glass ). Это зависит от того, на какой подложке будет расти светодиод. Для удешевления процесса большинство маленьких производителей используют стеклянную подложку. Дешевизна — не единственное преимущество филаментов. Расположенные на нем диоды способны распространять свет на 360 градусов. Чего мы не сможем добиться. если будем применять обычные СМД или СОБ полупроводники. Стекло по сравнению с сапфиром плохо передает тепло, плюс к этому очень хрупкое. Поэтому, если заказывать лампы на основе филаментов, то необходимо просить продавцов о тщательной упаковке.

Устройство светодиодов filamen led основано на размещении 28 кристаллов на один отрезок последовательно. Для получения более теплого свечения в линейку добавляют красные диоды. Число кристаллов от этого не меняется. Их всегда будет только 28. Вся полученная конструкция заливается люминофором. Каждый отрезок потребляет от 0,8 до 1,3 Вт.

Далее полученные отрезки формируют в единое целое и «замуровывают» в колбу. Вот… На основании этой статьи родилась мысль написать статью о производстве именно филаментных ламп…

Филаментными диодами мы завершаем сегодняшнюю статью об устройстве светодиодов. В принципе, все идентично. За исключением лишь некоторых моментов. Так как мир не стоит на месте, то скорее всего будут появляться новые виды светодиодов. Возможно будет другое устройство. И если доживу, то обязательно буду дополнять этот материал. Если что-то пропустил, то прошу указать на это. Принимается только конструктивная критика).

к оглавлению ↑

Вывод об устройстве светодиодов


Решил не много дополнить материал. Времени особо нету сейчас переделывать статью, поэтому даю ссылку на свою другую работу, в которой рассказано устройство светодиода MCOB. На сегодняшний момент это самый продвинутый вид светодиодов. Как только соберусь с силами и «подточу» материал об MCOB, чтобы воткнуть его в эту статью,так сразу и опубликую. А пока — простите и сильно не пинайте.

устройство, принцип работы, обзор конструкций

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.

Классификация светодиодов

Две различные конструкции 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.

DIP

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.

SMD

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.

Принцип работы светодиода

Светодиод или светодиодная лампа представляет собой электронное устройство размером с половину спички. Предназначен светодиод, как обычная электрическая лампочка, для освещения окружающего пространства в тёмное время суток и в недоступных для света местах. Как работает светодиод и по какому принципу он устроен, пойдёт речь дальше в этой статье.

По определению, электрический ток – это направленный поток электронов. Принцип работы светодиода заключается в том, что при пропускании через полупроводник прямого электрического тока, часть электронов выскакивает на p-n переходе из потока на одной пластине светодиода, сталкивается с электронами другой пластины, выбивает их со своих ячеек, вследствие чего образуются, говоря научным языком, «дырки». Из-за хаотичного движения электронов и их сталкивания друг с другом, выделяется энергия и появляется свечение.

Светодиод

В начале изобретения светодиода свечение было только синего цвета, но по мере того, как развивалась и совершенствовалась технология массового производства светодиодов, инженерам-электроникам удалось получить все имеющиеся цвета светового спектра. Важный принцип при использовании светодиодных ламп — это тот факт, что данное микроскопическое устройство освещает окружающее пространство намного лучше ламп накаливания, люминесцентных и галогенных ламп всеми цветами радуги без использования громоздких светофильтров и при этом светодиоды никогда не перегорают.

Почему светодиоды пользуются большим спросом в использовании их как осветительные приборы в местах с ограниченным пространством – всем понятно, поскольку другие источники света просто не пройдут по габаритам.

В этом их кардинальное отличие от электроламп накаливания, люминесцентных и газоразрядных ламп. При пропускании через светодиод электрического тока данный полупроводниковый прибор излучает некогерентное или «холодное» излучение. Для совершенствования работы светодиодных ламп применяют новейшие технологии получения полупроводников из наращивания кристаллов камня сапфира. При этих работах используются точнейшие способы резки камня и его шлифовки. Таким же способом подготавливаются пластины нитрида галлия. Внутрь помещают проводники для прохождения электрического тока и собирают устройство.

Светодиодная лампа

Работа светодиода не сопровождается ни шумом, ни выделением тепла. В наши дни научились изготавливать светодиодные лампы различной мощности, формы и цвета.

Конструкция и типаж светодиода постоянно улучшается. По мере развития технологий промышленного производства светодиодов, появления новых надёжных материалов и сплавов, их производство и внедрение в различные сферы потребления развивается и совершенствуется.

Преимущества светодиодов перед другими видами ламп очевидны и неоспоримы:

  1. Дают холодное свечение. Не нагревают имеющиеся рядом электроприборы.
  2. Имеют малые габариты, компактные и лёгкие. Не бьются при транспортировке и при падении с высоты. Не перегорают.
  3. Не нуждаются в использовании громоздких светофильтров и защитных колпаков. Могут работать и освещать улицы под дождём и под градом.
  4. Имеют красивый дизайн и малые габариты.
  5. Длительный период эксплуатации. Могут работать на протяжении 20 и более лет.
  6. Низкое энергопотребление – в 10 раз меньше обычной лампы накаливания.
  7. Экологически безвредны. Не имеют внутри газов и ртутных паров.
  8. Пожаро и взрывобезопасны.

Основной недостаток – высокая стоимость. Цена 1 люмена свечения светодиода в 10 раз выше ламп накаливания, почему светодиодные лампы не могут пока их вытеснить.

Своё применение светодиоды находят в самых широких областях промышленности. Многие самолёты ТУ-134 и ТУ-154 оснащены светодиодными устройствами, они устанавливаются на морских судах и подводных лодках. Особенно широко светодиоды используются на рекламных вывесках, баннерах, для праздничных иллюминаций, ночного освещения домов, подъездов. Недавно японская корпорация «Мазда» продемонстрировала свои разработки легкового автомобиля с задними фонарями, где использован принцип светодиода. Существуют светодиодные фары головного света для автомобилей, плафоны для паркового освещения, подсветки натяжных потолков в интерьерах квартир и домов. Принцип работы светодиодных ламп развивается, совершенствуется и в скором будущем данное устройство заменит привычную лампу накаливания и вытеснит её навсегда!

Светодиоды: принципы работы, виды, характеристики, области применения | LIGHT-RU.RU

Светодиоды различных цветов

Сегодняшний мир невозможно себе вообразить без электрического освещения. Огромные мегаполисы и самые отдаленные уголки земного шара освещаются всевозможными электрическими источниками искусственного света. Однако, непрерывное развитие технологий приводит к тому, что мастодонт электрического освещения — «лампочка Ильича» — уверенно уступает лидирующие позиции современным высокотехнологичным и высокоэкономичным источникам электрического света, среди которых, безусловно, безоговорочно лидируют светодиоды.

Содержание статьи

Что такое светодиод и история его изобретения

Принцип действия светодиода

Светодиод — это полупроводниковый прибор, излучающий фотоны определенной частоты при пропускании через него электрического тока.

Часто термин «светодиод» заменяется англоязычной аббревиатурой LED от «led emitting diod» — светоизлучающий диод. Русскоязычный аналог данного словосочетания — СИД — используется значительно реже.

Эффект испускания фотонов достигается благодаря наличию в этих приборах электронно-дырочного перехода, рекомбинация электронов и дырок в котором сопровождается переходом электронов с одного энергетического уровня на другой, в результате чего избыток энергии высвобождается в виде свободного фотонного излучения.

Олег Лосев, советский ученый, изобретатель, один из праотцов светодиода

Впервые подобное явление было обнаружено в далеком 1907 году английским исследователем Генри Раундом. Позднее независимо от него советский ученый Олег Лосев в 1923 году также зафиксировал электролюминесценцию в точке контакта карбида кремния и стали под воздействием электрического тока и даже смог запатентовать своё изобретение под названием «Световое реле» в 1927 году. Но, как часто бывает, открытие не было должным образом оценено современниками и до победного шествия светодиодов оставались долгие десятилетия.

Технология создания инфракрасных светодиодов была освоена в США лишь в 1961 году, а первый реально применимый светодиод в видимом диапазоне спектра (красный) был создан в 1962 году Ником Холоньяком. Позднейшие исследования привели к созданию в 1971 году синего светодиода, а в 1972 году был создан первый жёлтый светодиод и были разработаны способы десятикратного увеличения яркости красных светодиодов.

Тем не менее, несмотря на очевидный прогресс в развитии светодиодной техники, светодиоды оставались чрезмерно дорогими вплоть до конца 60-х годов ХХ века. Их широкое промышленное производство и применение начинается лишь в 70-х годах ХХ века, а производство дешевых синих светодиодов началось лишь после 1990 года, когда японским ученым, получившим позднее за это Нобелевскую премию, удалось критически усовершенствовать технологию их создания.

Виды светодиодов в зависимости от химического состава полупроводников

Поскольку светодиоды являются полупроводниковыми приборами, то и материалы, используемые для их создания, являются традиционными для полупроводниковой техники. Самый распространенный, безусловно, галлий в химических соединениях с другими элементами. Широко применяются также индий, алюминий, кремний.

Использование разнообразных соединений дает возможность получать светодиоды, испускающие свет в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. А использование дополнительно нанесенных люминофоров и цветных пластиков еще больше расширяет цветовую палитру получаемого света.

Виды полупроводниковых материалов, используемых в светодиодах для получения излучения различного спектра
Цвет Длина волны, нм Падение напряжения, В Полупроводниковые материалы
Инфракрасный λ > 760 ΔU Арсенид галлия (GaAs)
Алюминия галлия арсенид
(Aluminium gallium arsenide AlGaAs)
Красный 610 1,63 Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
(Aluminium gallium arsenide AlGaAs)
Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Оранжевый 590 2,03 Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Жёлтый 570 2,10 Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Зеленый 500 1,9 Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
Синий 450 2,48 Селенид цинка (ZnSe)
Индия-галлия нитрид (InGaN)
Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата
Кремний (Si) в качестве субстрата — (в разработке)
Фиолетовый 400 2,76 Индия-галлия нитрид (InGaN)
Пурпурный Смесь нескольких спектров 2,48 Двойной: синий/красный диод,
синий с красным люминофором,
или белый с пурпурным пластиком
Ультрафиолетовый λ 3,1 Алмаз (235 нм)
Нитрид бора (215 нм)
Нитрид алюминия (AlN) (210 нм)
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) — (менее 210 нм)
Белый Широкий спектр ΔU ≈ 3,5 Синий/фиолетовый диод с люминофором

Типоразмеры SMD светодиодов

SMD — Surface Mount Device — электронные детали или устройства, монтируемые на поверхность (как правильно, на поверхность платы). Именно такой тип монтажа стал самым распространенным в мире электроники и, соответственно, самыми распространенным являются и SMD светодиоды, т.е. светодиоды, предназначенные для поверхностного монтажа. Иногда их называют чип-светодиодами, но такое название скорее редкость.

Существует несколько самых распространенных размеров SMD светодиодов. Как правило, разные производители придерживаются общепринятых стандартов, хотя, например, световой поток светодиодов одного типоразмера у разных изготовителей может отличаться.

SMD 3528

Светодиод SMD 3528

Светодиоды для поверхностного монтажа типоразмера 3528 являются, пожалуй, одним из наиболее распространенных вариантов. Они имеют прямоугольную форму со сторонами 3,5 и 2,8 миллиметра. Толщина составляет 1,4 мм. Для облегчения монтажа на корпусе светодиода со стороны катода делается срез угла, позволяющий однозначно определить правильное расположение элемента. Светоизлучающая поверхность сформирована в виде круга и, как правило, покрыта люминофором, отличающимся в зависимости от целей использования светодиода. Существенной особенностью данных светодиодных элементов является сильная зависимость их яркости от температуры. Так, при нагревании светодиода до 80 °C его яркость может упасть на 25% и более.

SMD 5050

Светодиод SMD 5050

Светодиоды SMD 5050 обладают квадратным корпусом размером 5,0 на 5,0 мм, внутри которого расположены три кристалла по своим характеристикам идентичных тем, которые устанавливаются в SMD 3528. Фактически SMD 5050 можно считать более совершенной версией светодиодов 3528. Возможность установки трёх кристаллов в один корпус позволяет создавать более мощные и яркие светодиоды, а наличие возможности независимого управления каждым кристаллом позволяет создавать многоцветные RGB светодиоды, способные излучать практически весь видимый человеческим глазом световой спектр.

SMD 5630

Светодиод SMD 5630

Появление нового типа светодиодов с габаритами корпуса 5,6 на 3,0 мм засвидетельствовало не только внешние изменения привычных размеров SMD, но и ознаменовало внесение в их конструкцию заметных улучшений, влияющих на существенные показатели их работы. Применение новых материалов и инженерных решений позволило увеличить мощность и светоотдачу светодиодов 5630 по сравнению с их более ранними собратьями.

Несмотря на наличие в SMD 5630 четырёх выводов используется всего два из них. Второй является отрицательным катодом, а четвертый положительным анодом. При этом ключ катода расположен возле первого вывода. Размещение чипов SMD 5630 на металлической подложке является хорошим тоном, так как способствует значительному улучшению отвода тепла из рабочей зоны и, соответственно, продлению срока службы высокотехнологичного устройства.

На следующем рисунке наглядно представлена разница между направлением светового потока и углами обзора у светодиодов 3528, 5050 и 5630. Невооруженным глазом заметен рост данных показателей с увеличением форм-фактора чип-светодиода.

Сравнительная характеристика направления и угла излучения светодиодов 3528, 5050 и 5630

SMD 5730

Светодиод SMD 5730

Братья-близнецы светодиодов 5630 — светодиоды SMD 5730 — появились на рынке практически одновременно со своими младшими соплеменниками и во многом являются их аналогами. Среди конструктивных отличий необходимо отметить, что светоизлучающие диоды 5,7 на 3,0 мм имею лишь два контакта, в отличие от светодиодов 5630. При этом они несколько выше (приблизительно на 0,5 мм). Также светодиоды 5730 подразделяются по потребляемой мощности на два класса: 0,5 Вт и 1 Вт, и часто обозначаются соответственно SMD 5730-05 и SMD 5730-1. Устройства обоих этих классов являются высокоэффективными светоизлучающими устройствами с низким тепловым сопротивлением кристалл/подложка около 4 °C, что значительно повышает энергоэффективность и долговечность оборудования на их базе.

Сравнительные характеристики чип-светодиодов SMD5730-05 и SMD5730-1
Параметр SMD Максимально допустимое значение Единица измерения
SMD5730-05 SMD5730-1
Прямой ток 180 350 mA
Импульсный прямой ток 400 800 mA
Рассеиваемая мощность 0.5 1.1 W
Температура перехода 130 130 °C
Рабочая температура — 40 / + 65 — 40 / + 65 °C
Температура хранения — 55 / + 100 — 55 / + 100 °C
Температура пайки 300°C в течении 2 сек. 300°C в течении 2 сек.

Как видно из приведенных данных, светодиоды 5730-1, имея вдвое большую рассеиваемую мощность, функционируют и при больших токах. Таким образом, при выборе между светодиодами 5730-05 и 5730-1 необходимо учитывать как условия отвода тепла в готовом изделии, так и электротехнические параметры работы светоизлучающего диода.

Сравнительная характеристика светодиодов различных типоразмеров
Параметр 3528 5050 5630 5730 (0,5 Вт) 5730 (1 Вт)
Световая отдача (Лм/Вт) 5 15 40 40 100
Мощность, Вт 0,06 0,2 0,5 0,5 1,0
Температура, °C +65 +65 +80 +80 +80
Ток, А 0,02 0,06 0,15 0,15 0,30
Напряжение, В 3,3 3,3 3,3 3,4 3,4
Размеры, мм 3,5 х 2,8 5,0 х 5,0 5,6 х 3,0 5,7 х 3,0 5,7 х 3,0

SMD 3014

Светодиод SMD 3014

Сравнительно недавно появившиеся светоизлучающие диоды форм-фактора 3,0 на 1,4 мм не только имеют существенно меньшие внешние размеры, чем более ранние SMD, но и обладают значительно более высокой энергетической эффективностью.

Данные светодиоды работают при максимальном токе 30 мА, что позволяет отнести их к слаботочным устройствам. Также при их монтаже необходимо учитывать, что контакты анода и катода не только выведены на боковые поверхности, но и уходят под нижнюю часть изделия. Целью данного изменения было увеличение теплоотвода от меньшего по размеру, но более мощного потребителя.

SMD 2835

Светодиод SMD 2835

Светодиоды SMD 2835 вобрали в себя, пожалуй, самые лучшие черты других LED SMD. Несмотря на то, что размеры светодиодов 2835 совпадают с размерами светодиодов 3528 (3,5 х 2,8 мм), SMD2835 имеют иную конструкцию светоизлучающей поверхности, выполненной в форме прямоугольника, что снижает неэффективные потери энергии и повышает оптические показатели, в частности, угол обзора.

Конструктивные особенности светодиодов 2835 (использование контактов анода и катода в качестве теплоотводящей подложки) сближает эти устройства с SMD3014, в которых реализован такой же принцип. По электротехническим же характеристикам наиболее близкими к SMD2835 являются SMD5730-05

Энергетическая эффективность различных светодиодов

Развитие LED технологий направлено в первую очередь на увеличение их энергоэффективности. Средние показатели световой отдачи для различных типов чип-светодиодов составляют следующие значения:

  • SMD 3528 — 70 лм/Вт
  • SMD 5050 — 80 лм/Вт
  • SMD 5630 — 80 лм/Вт
  • SMD 5730-05 — 80 лм/Вт
  • SMD 5730-1 — 100 лм/Вт

Из приведенных данных видно, что со сменой поколений светодиодов кардинального роста световой отдачи не произошло. В тоже время, если сравнить светодиоды SMD3528 и светодиоды SMD5730-1, то можно обнаружить, что световой поток вырос почти в 22 раза, в то время как потребление энергии возросло всего в 15 раз.

Подключение светодиодов в электрическую цепь

Обозначение светодиода на электрической схеме

Штатное функционирование светоизлучающих диодов возможно только при подаче на анод положительного потенциала, а на катод — отрицательного, т.е. при прохождении через него тока только в прямом направлении.

Поскольку p-n переход имеет резко возрастающую вольт-амперную характеристику, светодиод должен подключаться к источнику тока. При подключении светодиода к источнику напряжения должна предусматриваться установка ограничивающих ток элементов (например, резисторов). Роль таких элементов может выполнять сама электрическая цепь. Модели светодиодов некоторых производителей поставляются с уже встроенными токолимитирующими элементами. В таких случаях в техническом описании к светодиодам указываются максимальные и минимальные допустимые значения подаваемого на светоизлучающий диод напряжения.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода в светодиодах

Выход из строя светодиода может быть связан с подачей на его контакты напряжения, превышающего заявленные производителем пределы. В этом случае на светодиоде выделяется количество тепла, которое не может быть отведено теплоотводящими элементами, что приводит к перегреву SMD светодиода и его необратимому выходу из строя.

Токолимитирующая цепь для маломощных светодиодов (простейший вариант) может представлять собой элементарный резистор, включенный последовательно со светодиодом. В более сложных случаях, когда существует необходимость защиты мощных светодиодов, применяются схемы с широтно-импульсной модуляцией. Такой вариант позволяет решить сразу две задачи: во-первых, поддерживает среднее значение тока, идущего через светодиод на безопасном уровне и, во-вторых, позволяет диммировать светодиод, т.е. регулировать яркость его свечения.

Необходимо помнить, что при использовании источников питания с низким внутренним сопротивлением, не допускается подача на светодиод напряжения обратной полярности, т. к. у большинства светодиодов обратное пробивное напряжение составляет всего несколько вольт. В том случае, если светодиод используется в схеме, где есть вероятность появления обратного напряжения, светодиод следует защищать путём установки параллельно с ним обычного диода в обратной полярности.

Варианты защиты светодиодов от обратного напряжение (на примере подключения к сети переменного тока 220В)
Защита светодиодов от обратного напряжения диодом Встречно-параллельное подключение светодиода и диода Встречно-параллельное подключение двух светодиодов

Преимущества светодиодов по сравнению с другими источниками света

Являясь качественно новыми источниками электромагнитного излучения, светодиоды обладают рядом существенных преимуществ перед своими предшественниками, что способствует их широкому перманентному внедрению в различных областях народно-хозяйственного комплекса.

Среди преимуществ светодиодов необходимо выделить следующие их качества и характеристики:

  • Отсутствие в LED светодиодах чувствительных к механическим воздействиям конструктивных элементов (таких, например, как нить накаливания) определяет их повышенную вибро- и механическую стойкость к неблагоприятным воздействиям во время изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации.
  • Крайне эффективное преобразование светодиодами электрической энергии в световую определяет крайне высокий коэффициент их световой отдачи. Натриевые газоразрядные и металлогалогенные лампы, бывшие многие десятилетия бесспорными лидерами на рынке по показателю световой отдачи, в настоящее время утратили свои лидирующие позиции из-за появления не менее эффективных светоизлучающих диодов. Так, если показатель световой отдачи у натриевых газоразрядных ламп составляет около 150 лм на Вт потребляемой мощности, то у самых современных светодиодов он достиг 146 лм/Вт и продолжает повышаться вместе с развитием технологий и применением новых конструкторских решений.
  • Срок эксплуатации светодиодов составляет от 30 тыс. до 100 тыс. часов, что значительно превышает показатели источников света, изготовленных по другим технологиями. Недостатком светоизлучающих диодов является то, что при длительной эксплуатации и/или неэффективном отводе тепла их кристаллы подвержены так называемой деградации, приводящей к плавному снижению яркости излучения.
  • Существенным плюсом светодиодов является независимость длительности их службы от количества итераций включения-выключения. Этим они выгодно отличаются от других светоизлучающих устройств (например, газоразрядных ламп и ламп накаливания), чувствительных к количеству циклов включения-выключения.
  • Излучению светодиодов имманентно присуща спектральная чистота, в то время как в других устройствах она достигается за счет использование различных светофильтров. Спектрографический анализ излучения красного светодиода
  • Экологическая безопасность LED обусловлена тем, что в их производстве не используются опасные элементы и соединения (ртуть, фосфор, галогениды металлов). Также в спектре их излучения отсутствует ультрафиолет, что приводит к отсутствию необходимости создания защиты от него.
  • Светодиоды безопасны в эксплуатации, т.к. обычно они питаются относительно низкими напряжениями и, благодаря высокой светоотдаче, редко нагреваются выше 50-60 °C
  • Немаловажным фактором, способствующим широкому применению светодиодов, является отсутствие инерционности их включения: максимальная яркость излучения достигается сразу после включения, в то время как у энергосберегающих люминесцентных ламп время включения колеблется от 1 секунды до 1 минуты, а выход на стопроцентную яркость происходит в течение 3-10 минут после начала работы (в зависимости от температуры окружающей среды и особенностей лампы).
  • Практически нулевая чувствительность светодиодов к низким и ультранизким температурам позволяет использовать их вне помещений в странах с суровым климатом. В тоже время, как уже отмечалось, светодиоды (как и любые другие полупроводниковые приборы) чувствительны к высоким температурам. В связи с этим при монтаже LED устройств всегда необходимо уделять особое внимание наличию достаточного уровня отвода тепла.
  • Широкое варьирование угла излучения у различных видов светодиодов (от 15° до 180°) позволяет решать различные конструкторские и технологические задачи при создании устройств с их использованием.
  • Наличие широкого спектра белых светодиодов (белый теплый, белый дневной, белый холодный) дает возможность использовать различные их типы для решения различных задач в зависимости от конкретной ситуации и необходимости получения того или иного эффекта от освещения.
  • Относительно низкая стоимость светодиодов (особенно индикаторных).
  • Высокие показатели коэффициента цветопередачи CRI.

Применение светодиодов

Благодаря широкому спектру преимуществ, светодиодные источники излучения нашли применения в разнообразных областях. Основными направлениями использования LED являются:

  • Исторически первой областью применения светодиодов было приборостроение. Именно здесь светодиоды стали массово применяться в качестве устройств индикации. Индикаторами могут быть как одиночные LED (например, индикатор включения в сеть), так и собранные в различные табло (цифровые, цифро-буквенные).
  • В последние десятилетия стали широко использоваться так называемые светодиодные кластеры. По сути это массив светодиодов, находящихся под общим цифровым (как правило) управлением. Обывателю такие кластеры знакомы в виде бегущих строк, больших экранов, размещаемых на улицах городов.
  • Также светодиоды обеспечивают подсветку жидкокристаллических экранов мобильных устройств, телевизоров и мониторов персональных компьютеров и ноутбуков.
  • Мощные и сверхмощные светодиоды нашли своё применение в фонарях уличного освещения, а также в современных светофорах. Применение LED излучателей в светофорах крупных городов не только способствует оптимизации потребления электроэнергии, но и за счет высокой светоотдачи и цветопередачи способствует снижению аварийности на дорогах.
  • Повышению безопасности на дорогах способствует и внедрение принципиально новых элементов дорожной обстановки: дорожных знаков на основе светодиодов. Такие знаки прекрасно видны в любое время суток и практически в любую погоду.
  • В последние годы светодиоды получили широкое распространение в качестве основных источников промышленного и бытового освещения. Светильники на основе LED, а также светодиодные ленты уверенно вытесняют с рынка другие виды источников света. В первую очередь это происходит за счет лавинообразного снижения цен на светодиоды в последнее время, а также благодаря появлению множества локальных производителей достаточно качественной светодиодной продукции.
  • Использование LED технологий в растениеводстве позволяет создавать узкоспециализированные источники освещения (фитолампы) с особым спектром излучения, обеспечивающим максимальную эффективность процесса фотосинтеза в листьях сельскохозяйственных растений. Применение подобных приборов особенно перспективно на территориях с северным климатом.
  • Стремительное развитие информационных технологий также обуславливает значительный спрос на светодиодную продукцию. Использование LED в качестве легкодоступных источников модулированного электромагнитного излучения широко распространено при создании систем передачи информации по оптическим волокнам.
  • Заняли свою нишу светодиоды и в сфере дизайна в виде цветных светодиодных лент, гибких шнуров дюралайт, светодиодных гирлянд. С их помощью оформляются как интерьеры жилых помещений, так и архитектурные и арт-объекты, а также концертные и выставочные залы, бары, дискотеки, ночные клубы.
  • Дешевизна и чарующая привлекательность LED привела к их повсеместному использованию в игрушках, детских играх, различных USB-устройствах.
  • Менее известно, но от того не менее широко распространено использование светодиодов в оптронах, позволяющих создавать разнообразные детекторы наличия, дискретные спидометры, детекторы начала и конца, а также устройства передачи сигнала без передачи электрического напряжения. Устройство и обозначение оптрона (оптопары)

LIGHT-ru.RU — С НАМИ СВЕТЛЕЕ!

Все о светодиодах: виды, характеристики, сферы применения, принцип работы

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. 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.

Сферы применения

Проще перечислить те сферы нашей жизни, где smd-светодиодов нет, чем те, где они используются. Белые диоды можно встретить:

  • в тактических и карманных фонариках;
  • в автомобильных лампах;
  • в бытовых лампочках различной мощности;
  • в декоративной внутренней и наружной подсветке.

Разноцветные RGB и RGBW применяются не менее широко:

  • в вывесках, дорожных знаках, светофорах, указателях, рекламе;
  • в лампах освещения, с изменяемой цветовой температурой;
  • в ландшафтном дизайне;
  • в декоративной внутренней и наружной подсветке;
  • в приборах индикации.
Примеры использования smd светодиодов

Вот вкратце и все о smd светодиодах. Теперь ты знаешь, почему они так называются, какими бывают и где используются.

В настоящее время светодиоды обрели широкую популярность. При этом четко разделить их по мощности, яркости свечения, области применения, форм-фактору и другим параметрам не представляется возможным, поскольку у каждого производителя своя классификация. Тем не менее, различные виды светодиодов можно объединить в классы по некоторым характерным признакам.

Устройство светодиода

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Светодиод состоит из нескольких частей:

  • анод, по которому подается положительная полуволна на кристалл;
  • катод, по которому подается отрицательная полуволна на кристалл;
  • отражатель;
  • кристалл полупроводника;
  • рассеиватель.

Эти элементы есть в любом светодиоде, вне зависимости от его модели.

Светодиод является низковольтным прибором. Для индикаторных видов напряжение питания должно составлять 2-4 В при токе до 50 мА. Диоды для освещения потребляют такое же напряжение, но их ток выше – достигает 1 Ампер. В модуле суммарное напряжение диодов оказывается равным 12 или 24 В.

Подключать светодиод нужно с соблюдением полярности, иначе он выйдет из строя.

Цвета светодиодов

Светодиоды бывают разных цветов. Получить нужный оттенок можно несколькими способами.

Первый – покрытие линзы люминофором. Таким способом можно получить практически любой цвет, но чаще всего эта технология используется для создания белых светодиодов.

RGB технология. Оттенок получается за счет применения в одном кристалле трех светодиодов красного, зеленого и синего цветов. Меняется интенсивность каждого из них, и получается нужное свечение.

Применение примесей и различных полупроводников. Подбираются материалы с нужной шириной запрещенной зоны, и из них делается кристалл светодиода.

Принцип работы светодиодов

Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками.

При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны.

Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия:

  • ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света;
  • полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.

Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами.

Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка).

Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения.

Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия.

Индикаторные и осветительные LED

Чтобы яснее представлять, какие бывают светодиоды, их можно разделить на две большие группы: индикаторные и осветительные.

Индикаторные используются в основном в целях цветовой индикации, а также при подсветке дисплеев, приборных панелей и других приборов. То есть это светодиоды сравнительно небольшой мощности (до 0.2 Вт) с умеренной яркостью.

Осветительные LED используются при освещении помещений в составе светодиодных ламп и лент, в автомобильных фарах и везде, где требуется получить высокую интенсивность свечения. Мощность таких светодиодов может достигать десятков ватт.

Индикаторные LED

Индикаторные светодиоды, в свою очередь, можно разбить на несколько групп.

1. DIP светодиоды

Светодиоды этого типа представляют собой светоизлучающий кристалл в выводном корпусе, часто с выпуклой линзой. Типы корпусов: цилиндрические, диаметром 3, 4, 5, 8, 10… мм, и прямоугольные.

Выпускаются в очень широком диапазоне цветов – вплоть до ИК и УФ диапазонов. Могут быть как одноцветными, так и многоцветными (когда в одном корпусе сосредоточено несколько кристаллов разных цветов), — например, RGB.

Одним из недостатков этих LED можно отметить невысокий угол рассеяния светового потока: обычно не более 60⁰.

2. Super Flux “Piranha”

Конструктивно светодиоды Пиранья представляют собой сверхъяркие светодиоды в прямоугольном корпусе с четырьмя выводами. Такая конструкция позволяет надежно закрепить светодиод на плате.

Доступные разновидности: красный, зеленый, синий и три белых (различаются температурой свечения). Выпускаются в корпусах с линзой (3 и 5 мм) и без нее. Угол рассеяния варьируется в пределах от 40⁰ до 120⁰.

Область применения Piranha – подсветка автомобильных приборов, дневных ходовых огней, рекламных вывесок и т.д.

3. Straw Hat

Наряду с Piranha, большим углом рассеяния светового потока обладают светодиоды типа Straw Hat («соломенная шляпа»). Внешне они напоминают обычные цилиндрические двухвыводныне LED, но с меньшей высотой и увеличенным радиусом линзы, за что и получили свое название.

Излучающий кристалл в этих светодиодах расположен ближе к передней стенке линзы (не забудьте почитать про назначение линзы для светодиода), благодаря чему достигается угол рассеяния порядка 100-140⁰.

Выпускаются красные, синие, зеленые, желтые и белые LED. Благодаря способности создавать ненаправленное излучение, могут использоваться в декоративных целях, в качестве замены ламп аварийной тревоги и других местах, где требуется равномерная подсветка с низким энергопотреблением.

4. SMD светодиоды

Кроме выводных LED, выпускаются светодиоды типа SMD. Сюда следует отнести сверхъяркие цветные и белые светодиоды мощностью около 0.1 Вт в корпусе для поверхностного монтажа. Размеры корпусов обычно стандартные для любых элементов типа SMD: 0603, 0805, 1210 и т.д., где маркировка обозначает длину и ширину в сотых долях дюйма или в миллиметрах. При этом существуют как разновидности с выпуклой линзой, так и без нее.

Благодаря простоте монтажа, на основе этих LED выпускаются светодиодные ленты. Например, широкую известность в этой области приобрел светодиод Cree SMD 3528.

Осветительные LED

Эти светодиоды применяются при освещении помещений и улиц в составе фонарей, автомобильных фар, светодиодных лент и т.д. В связи с этим обладают большой мощностью, высокой интенсивностью излучения, и выпускаются только в белом цвете в корпусах для поверхностного монтажа.

Обычно производятся две разновидности, различающиеся цветовой температурой: cool white (холодный белый) и warm white (теплый белый).

Поскольку кристаллов, излучающих белый свет, в природе не существует, при производстве осветительных светодиодов прибегают к различным технологиям смешения трех базовых цветов (RGB). От способа их сложения зависит цветовая температура получаемого белого света.

Одним из способов получения белого свечения является покрытие излучающего кристалла тремя слоями люминофора, причем каждый слой отвечает за свой базовый цвет. Другой метод состоит в нанесении двух слоев люминофора на кристалл голубого цвета.

1. Осветительные SMD LED

Большинство осветительных светодиодов также выпускаются в корпусах SMD. В отличие от индикаторных, характеризуются большей мощностью и производятся только в белом цвете.

Стоит отметить, что некоторые осветительные LED небольшой мощности, например упомянутые выше SMD 3528, могут использоваться в качестве индикаторных, поэтому здесь разделение на типы довольно условное.

Основная область применения SMD – светодиодные ленты и лампы, переносные фонари, фары автотранспорта. При этом они дают довольно направленное излучение (порядка 100⁰-130⁰), поэтому при освещении больших территорий приходится использовать большое количество этих LED для равномерной засветки площади.

Конструктивно осветительные SMD представляют собой покрытый люминофором излучающий кристалл на теплоотводящей подложке, обычно медной или алюминиевой. Встречаются как разновидности с линзой, так и без нее.

2. COB светодиоды

Большое распространение получили светодиоды типа COB (Chip On Board, чип на плате). По сути, это интеграция большого количества (обычно несколько десятков) кристаллов SMD в одном корпусе, которые потом покрываются люминофором.

На картинке вверху показаны для сравнения Cree SMD 5050 (слева) и COB – матрица из 36 чипов (справа).

COB используются только для освещения. Их световой поток на порядок больше, чем у одиночных SMD. Однако следует учесть, что эти светодиоды не подойдут для создания узконаправленного излучения ввиду большого угла рассеяния светового потока. При этом создать абсолютно ненаправленное излучение тоже не получится – угол рассеяния светодиодов менее 180⁰.

Замечено, что некоторым людям неприятен спектр свечения светодиодов типа SMD или COB. Кроме того, недостаточное количество светодиодов при засветке больших площадей приводит к тому, что освещенность носит дискретный характер, то есть сильно освещенные участки чередуются со слабо освещенными. Это нужно учитывать при выборе осветительных LED.

3. Filament LED

Этот тип светодиодов также используется пока только для освещения. Широкое распространение получили в качестве декоративной подсветки помещений. Спектр свечения, в отличие от SMD и COB, гораздо приятнее человеческому глазу и напоминает свет лампы накаливания. При этом сохраняются все присущие LED достоинства: низкое энергопотребление и долгий срок службы.

В этом ролике демонстрируется сравнение декоративной лампы накаливания мощностью 40 Вт и лампы Filament на 4 Вт:

Здесь видно, что при мощности в 10 раз меньше, световой поток, отдаваемый лампой Filament, в 3-4 раза больше.

В то же время КПД Filament даже выше, чем у тех же SMD, — при одинаковой мощности первые позволяют получить большую освещенность. Это достигается за счет технологии COG (Chip On Glass, чип на стекле), при которой светоизлучающие кристаллы устанавливаются на стеклянную подложку, а затем покрываются люминофором.

Сама подложка имеет цилиндрическую форму, что позволяет получить угол рассеяния светового потока 360⁰. То есть такие LED очень хороши при создании ненаправленного излучения.

Лазерные диоды

И напоследок еще об одном типе, который нельзя отнести ни к индикаторным, ни к осветительным LED, – лазерный диод. Собственно, светодиодом его можно считать с натяжкой, поскольку по технологии производства он не имеет ничего общего с обычными LED.

Лазерные диоды представляют собой особым образом обработанные полупроводниковые кристаллы, которые при подаче напряжения генерируют очень узкий пучок света. При этом образцы нового поколения позволяют получить угол расхождения луча в пределах 5-10⁰. Встречаются как модели, работающие в видимом диапазоне, так и вне его (УФ и ИК).

Широкое применение эти диоды нашли в лазерных указках, целеуказателях, DVD-приводах, оптических компьютерных мышах, линиях оптоволоконной связи.

Основные характеристики светодиодов:

Величина тока потребления светодиода

Как правило, для обычных светодиодов предусмотрена сила тока величиной 0,02А. Однако бывают светодиоды, рассчитанные на 0,08А. К таким светодиодам относят более мощные приборы, в устройстве которых задействованы четыре кристалла. Они располагаются в одном корпусе. Так как каждый из кристаллов потребляет по 0,02А, в сумме один прибор будет потреблять 0,08А.

Стабильность работы светодиодных приборов зависит от величины тока. Даже незначительное увеличение силы тока способствует снижению интенсивности излучения (старению) кристалла и увеличению цветовой температуры. Это в конечном результате приводит к тому, что светодиоды начинают отливать синим цветом и преждевременно выходят из строя. А если показатель силы тока увеличивается существенно, светодиод сразу перегорает.

Чтобы ограничить потребляемый ток, в конструкциях LED-ламп и светильников предусмотрены стабилизаторы тока для светодиодов (драйверы). Они преобразуют ток, доводя его до нужной светодиодам величины. В случае, когда требуется подключить отдельный светодиод к сети, нужно использовать токоограничительные резисторы. Расчет сопротивления резистора для светодиода выполняют с учетом его конкретных характеристик.

Полезный совет! Чтобы правильно подобрать резистор, можно воспользоваться калькулятором расчета резистора для светодиода, размещенным в сети интернет.

Эффективность (светоотдача).

Отношение светового потока к потребляемой мощности (Лм/Вт). Это та величина, которая в первую очередь попадает во внимание специалистов, потому что именно по эффективности определяется применимость светодиодов для систем освещения. Для сравнения:

  • лампочка накаливания 8-12 Лм/Вт;
  • люминесцентные (энергосберегающие) лампы 30-40 Лм/Вт;
  • современные светодиоды 120-140 Лм/Вт;
  • газоразрядные лампы (ДРЛ) 50-60 Лм/Вт.

Показатели очень хорошие, что позволяет успешно конкурировать с люминесцентными, натриевыми, галогеновыми лампами. Более того, светодиоды уже выигрывают по этому показателю у газоразрядных ламп, т.к. весь световой поток у них идет в одну полуплоскость, поэтому не требуются разного рода отражатели.

Цветовая температура.

Шкала световых температур

Цветовая температура используемых светодиодов: 2500 Кельвинов- 9500 Кельвинов.

2500-3000 Кельвинов: теплый белый свет. (warm white или сокращенно WW) Он ближе к лампам накаливания.
4000-5000 Кельвинов: нейтральный белый свет.( white neutral или сокращенно NW)
6500-9500 Кельвинов: холодный белый свет. (cold white или сокращенно CW)

По источникам независимых исследований, именно нейтральный белый свет является наиболее комфортным для офисной работы, и в нем предметы становятся наиболее четкими.Нашей компание используются светодиоды с нейтральным светом .Кроме того, в осветительных приборах мы используем цветные светодиоды (основные цвета : красный, синий, зеленый, желтый) и светодиоды RGB(полноцветный светодиод).

Мощность светодиодов.

Малой мощности: до 0,5 Вт (20-60 мА).

Маломощные индикаторные светодиоды

Маломощные smd (slt) светодиоды

Средней мощности: 0,5-3 Вт (100-700 мА).

Светодиоды SEOULSEMICONDUCTOR, Корея, 0,5 Вт (150 мА)

Светодиоды Epistar , Тайвань, 1 Вт , 300 мА

Светодиоды NICHIA, Япония, 1 Вт, 300 мА

 

Большой мощности: более 3-х Вт (1000 мА и более).

Рис.9 Сверхмощный светодиод 20W

Угол свечения.

Как правило 120-140 градусов, в индикаторных 15-45 градусов.

Деградация (ресурс) светодиодов.

Очень важный показатель. Многие производители декларируют около 100 тысяч часов и даже более. Какие факторы оказывают влияние на ресурс светодиодов? В первую очередь это токовая деградация. Если через диод пропустить силу тока большую, чем та, на которую он рассчитан, то наступает быстрая деградация. Как правило: в пределах первых 1000 часов. Этим пользуются недобросовестные производители.

Следующий фактор – температурная деградация. Светодиод в процессе работы нагревается. И, если не отводить тепло, то диод быстро потускнеет. Для отвода тепла применяется много конструкторских решений. В наших светильниках применяется плата с алюминиевой подложкой. Подложка в свою очередь имеет механический контакт с корпусом светильника, что дополнительно отводит тепло. Главное: в точке пайки светодиода соблюдать температурный режим не более 65 градусов Цельсия. В наших светильниках это достигается. Соответственно, находясь в рабочем режиме, ресурс диодов в предлагаемых светильниках составляет декларируемые 40-50 тысяч часов.

Угол рассеивания.

Ну последнее, на что стоит обратить внимание – угол рассеивания. Большинство диодов выпускается с углом рассеивания в 120 градусов. Но это не конечная цифра. Разброс углов начинается от 15 и заканчивается 360 градусами ( к примеру филаментные ).

Здесь Вам стоит определиться опять же, что хотите получить. Узконаправленный свет или рассеянный по всей комнате. Для комнаты подойдет и 120 градусов, но лучше применить линзы, чтобы увеличить угол.

Для узконаправленного луча с лихвой хватит диодов с рассеивание в 40 градусов.

Есть еще несколько характеристик светодиодов. Но они более интересны для промышленного производства. А нам, простым обывателям, с лихвой хватает этих.

Я могу понять, что для кого-то эту информацию тяжело понять, но это только первое время. Если Вы один раз разберетесь, то в дальнейшем никаких трудностей правильно выбрать светодиод под свои нужды не составит труда. Во всяком случае я уже не «болею» муками подбора.

Срок эксплуатации

Этот параметр указывает на предполагаемую продолжительность работы LED кристалла. Индикационные светодиоды имеют продолжительность работы до 100 000 часов. Для сверхярких источников этот показатель составляет максимум 60 000 часов. Производители из Поднебесной зачастую завышают и этот показатель.

Для продления срока эксплуатации необходимо соблюдать температурный режим работы лед светильника. Другими словами, чем эффективней охлаждение, тем дольше живет источник.

Для наглядного ознакомления рекомендуется посмотреть видео. Автор видео всего за несколько минут лаконично описывает основные параметры и характеристики, которые действительно важны при выборе светодиодов.

Итоги:

При выборе светодиодов желательно отдавать предпочтение маркам, зарекомендовавших себя брендов. Стоимость данных источников света значительно выше традиционных, следовательно, срок окупаемости тоже увеличен.

Позарившись на дешевое изделие с плохими характеристиками, можно просто выбросить деньги на ветер и, напротив, светодиодные изделия от проверенных производителей обычно отрабатывают заявленный срок.

 

Источники: http://ledno.ru/svetodiody/vidy-led.html; https://colorleds.ru/stati/upravlenie-osveshcheniem-v-kvartire-s-telefona.html; https://arduinomaster.ru/datchiki-arduino/printsip-raboty-i-vidy-svetodiodov/

как работает лампа, технические характеристики и история ее создания

Светодиод представляет собой двухпроводный полупроводниковый источник света. Когда подходящий ток подается на выводы, электроны способны рекомбинировать с электронными дырами внутри устройства, выделяя энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет света определяется зазором энергетической зоны полупроводника.

Что такое светодиод

Светоизлучающий диод является оптоэлектронным устройством, способным излучать свет, когда через него проходит электрический ток. Светоизлучающий диод только пропускает электрический ток в одном направлении и производит некогерентное монохроматическое или полихроматическое излучение от преобразования электрической энергии.

Он имеет несколько производных:

Из-за световой эффективности светодиоды на современном этапе представляют собой 75% рынка внутреннего и автомобильного освещения. Они используются при строительстве телевизоров с плоским экраном, а именно: для подсветки ЖК-экранов или источника электроэнергии. Используются в качестве основного освещения в OLED-телевизорах.

Первые светодиоды, поступившие в продажу, производили инфракрасный, красный, зеленый, а затем желтый свет. Выход синего светодиода, связанный с техническим и монтажным прогрессом, позволяет покрыть диапазон длины волны излучения, простирающийся от ультрафиолетового (350 нм) до инфракрасного (2 тыс. нм), который отвечает многим потребностям. Многие устройства оснащены составными светодиодами (три в одном компоненте: красный, зеленый и синий) для отображения многих цветов.

Светодиодная лампа

Светодиодные лампы — это светотехнические изделия для бытового, промышленного и уличного освещения, в которых источником света являются светодиоды. По сути это набор светодиодов и схемы питания для преобразования сетевой энергии на постоянный ток низкого напряжения.

Светодиодный светильник представляет собой отдельное и самостоятельное устройство. Его корпус чаще всего индивидуален по конструкции и специально спроектирован под различные источники освещения. Большое количество ламп и их малый размер позволяют расположить их в разных местах, собирать панели, использовать для подсветки дисплеев, телевизоров .

Освещение общего назначения требует белого света. Принцип работы светодиодной лампы основан на излучении света в очень узком диапазоне длин волн: то есть, с цветовой характеристикой энергии полупроводникового материала, который используется для изготовления светодиодов. Для излучения белого света от светодиодной лампы надо смешивать излучения от красного, зеленого и синего светодиодов или использовать люминофор для преобразования частей света в другие цвета.

Один из методов — RGB (red, green, Blue), это использование нескольких светодиодных матриц, каждая из которых излучает различную длину волн, в непосредственной близости, для создания общего белого цвета.

История создания первых ламп

Первое излучение света полупроводником датируется 1907 годом и было открыто Генри Джозефом Раундом. В 1927 году Олег Владимирович Лосев подал первый патент на то, что впоследствии будет называться светоизлучающим диодом.

В 1955 году Рубин Браунштейн обнаружил инфракрасное излучение арсенида галлия — полупроводник, который позже будет использоваться Ником Холоньяком-младшим и С. Беваккой для создания первого красного светодиода в 1962 году. В течение нескольких лет исследователи ограничились некоторыми цветами, такими как красный (1962), желтый, зеленый и более поздний синий (1972).

Вклад японских ученых

В 1990-х годах исследования Shuji Nakamura и Takashi Mukai of Nichia в полупроводниковой технологии InGaN позволили создать синие светодиоды высокой яркости, а затем адаптироваться к белым, добавив желтый люминофор. Это продвижение позволило использовать новые крупные приложения, такие как освещение и подсветка телевизионных экранов и ЖК-экранов. 7 октября 2014 года Шудзи Накамура, Исаму Акасаки и Хироши Амано получили Нобелевскую премию по физике за работу над голубыми светодиодами.

Принцип работы устройства

Когда диод смещен вперед, электроны быстро движутся через соединение. Они постоянно объединяются, удаляя друг друга. Вскоре, после того как электроны начинают движение от n-типа к кремнию p-типа, диод соединяется с отверстиями, а затем исчезает. Следовательно, он делает полный атом более стабильным и дает небольшой импульс энергии в виде фотона света.

Принцип образования световой волны

Чтобы разобраться как устроен светодиод, необходимо узнать о его материалах и их свойствах. Светодиод представляет собой специализированную форму PN-перехода, которая использует составное соединение. Составным должен быть полупроводниковый материал, используемый для соединения. Обычно используемые материалы, включая кремний и германий, являются простыми элементами, и соединение, изготовленное из этих материалов, не излучает свет. Что же касается таких полупроводников, как арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия — они являются составными, и соединения из этих материалов излучают свет.

Эти составные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые занимают их составляющие. Арсенид галлия имеет валентность трех, а мышьяк — валентность пяти. Это и называют полупроводником группы III-V. Существует ряд других полупроводников, которые соответствуют обозначенной категории. Есть полупроводники, которые образуются из материалов группы III-V.

Светоизлучающий диод излучает свет, когда он смещен вперед. Когда напряжение накладывается на соединение, чтобы заставить его смещаться вперед, ток течет, как и в случае любого PN-соединения. Отверстия из области р-типа и электроны из области n-типа входят в соединение и рекомбинируют, как нормальный диод, чтобы обеспечить протекание тока. Когда это происходит, выделяется энергия.

Обнаружено, что большая часть света получается из области перехода ближе к области Р-типа. Конструкция диодов выполнена таким образом, что эта область располагается как можно ближе к поверхности устройства для поглощения конструкцией минимального количества света.

Чтобы получить свет, который можно увидеть, соединение следует оптимизировать, а материалы должны быть правильными. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра. Для приведения световой эмиссии алюминий добавляется к полупроводнику в видимый красный спектр с последующим получением арсенида аргицида галлия (AlGaAs). Можно добавить и фосфор, чтобы получить красный свет. Для других цветов используются иные материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия кальция используется для получения желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основаны на галлиевых полупроводниках.

Квантовая теория

Поток тока в полупроводниках обусловлен обоими потоками свободных электронов в противоположном направлении. Следовательно, будет рекомбинация из-за потока этих носителей заряда.

Рекомбинация показывает, что электроны в зоне проводимости спускаются к валентной зоне. Когда они перескакивают из одной полосы в другую, то излучают электромагнитную энергию в виде фотонов, а энергия фотона равна запрещенной энергетической щели.

Отображено математическое уравнение:

Eq = hf

H известна как постоянная Планка, а скорость электромагнитного излучения равна скорости света. Частотное излучение связано со скоростью света как f = c / λ. λ обозначается как длина волны электромагнитного излучения, а уравнение станет таким:

Eq = he / λ

Исходя из этого уравнения можно понять, как работает светодиод, основываясь на том, что длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна запрещенной щели. В целом полное излучение электромагнитной волны при рекомбинации имеет вид инфракрасного излучения. Невозможно увидеть длину волны инфракрасного излучения, потому что она находится вне видимого диапазона.

Инфракрасное излучение называется теплотой, потому что кремний и германиевые полупроводники не являются прямыми щелевыми полупроводниками, а относятся к непрямым промежуточным разновидностям. Но в полупроводниках с прямым зазором максимальный уровень энергии валентной зоны и минимальный уровень энергии зоны проводимости не происходит одномоментно с электронами. Поэтому во время рекомбинации электронов и дырок происходит миграция электронов из зоны проводимости в валентную зону, и импульс электронной зоны будет изменен.

Преимущества и недостатки

Как и любое устройство светодиод также имеет ряд своих особенностей, основные преимущества и недостатки.

Главные преимущества выглядят так:

  • Небольшие размеры: например, можно изготавливать светодиоды размером с пиксель (что открывает возможность использования диодов для создания экранов с высоким разрешением).
  • Простота сборки на печатной плате, традиционная или CMS (компонент с поверхностным монтажом).
  • Потребление электрической энергии ниже, чем у лампы накаливания, и того же порядка величины, что и люминесцентные лампы.
  • Отличная механическая устойчивость.
  • Собирая несколько светодиодов, можно добиться хорошего освещения с помощью инновационных форм.
  • Продолжительность жизни (приблизительно от 20 000 до 50 000 часов), что намного дольше, чем обычная лампа накаливания (1 тыс. часов) или галогенная лампа (2 тыс. часов). Тот же порядок величины, что и у люминесцентных ламп (от 5 тыс. до 70 000 часов).
  • Очень низкое напряжение, гарантия безопасности и легкость транспортировки. Для отдыхающих есть светодиодные фонарики, питаемые простым ручным динамомедленным движением («кривошипная лампа»).
  • Световая инерция почти нулевая. Диоды включаются и выключаются за очень короткое время, что позволяет использовать при передаче сигналов ближнего (оптопары) или дальнего (оптического волокна) сигналов. Они сразу достигают своей номинальной силы света.
  • Благодаря своей мощности классические 5-миллиметровые светодиоды едва нагреваются и не могут обжечь пальцы.
  • Светодиоды RGB (красный-зеленый-синий) позволяют использовать цветные улучшения с неограниченными возможностями вариаций.

Из недостатков можно отметить такие:

  • Светодиоды, как и любой электронный компонент, имеют максимальные пределы рабочей температуры, а также некоторые пассивные компоненты, составляющие их схему питания (например, химические конденсаторы, которые нагреваются в зависимости от среднеквадратичного тока). Теплоотдача компонентов светодиодных лампочек является фактором, ограничивающим увеличение их мощности, особенно в многочиповых сборках.
  • По словам производителя Philips, световая эффективность некоторых светодиодов быстро падает. Температура ускоряет падение световой эффективности. Philips также указывает, что цвет может меняться на некоторых белых светодиодах и светится зеленым, когда они становятся старше.
  • Процесс изготовления светодиода очень энергозатратный. Зная основные характеристики светодиодов, их преимущества и недостатки, можно сделать выбор — либо приобрести их, либо отказаться от покупки и пользоваться обыкновенными лампами накаливания. Однако учитывая экономичность такого освещения, стоит задуматься над тем, что оно может стать хорошей альтернативой привычным, более дешевым источникам света.

Светоизлучающий диод (LED) | Fiberlabs Inc

Дата: 8 марта, 2016 г. 更新 日 時: 2018 12 18 投稿 者: fiberlabsus_admin

1. Что такое светодиод?
LED — это аббревиатура от Light Emission Diode и представляет собой устройство, которое излучает свет, пропуская ток к p-n переходу, как полупроводниковый лазер (LD). Он излучает свет с различной длиной волны в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях, что соответствует его ширине запрещенной зоны. В частности, белые светодиоды обеспечивают длительный срок службы и низкое энергопотребление по сравнению с лампами накаливания и люминесцентными лампами, и поэтому в настоящее время все чаще используются для освещения.Белые светодиоды также используются для многих приложений в области освещения и отображения, включая ЖК-подсветку, используемую для сотовых телефонов, светофоров, дорожных знаков, наружных дисплеев и фонарей.

2. Принцип излучения светодиода
На рисунке 1 показан принцип излучения светодиода. Активный слой, зажатый между полупроводниками p- и n-типа, сформирован на сапфировой подложке, и напряжение подается через p-n переход от электродов. При приложении прямого напряжения электроны соединяются с дырками на p-n-переходе и исчезают.В это время электрон переходит из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией, и избыточная энергия выделяется в виде света.


Рис.1 Принцип излучения светодиода.

3. Что вызывает различия в цветах светодиодов?
Рисунок 2 объясняет, почему длины волн излучения разных полупроводниковых материалов различаются. Объединение дырок и электронов в p-n-переходе означает, что электроны попадают из зоны проводимости в валентную зону. Когда разница в энергии между обеими полосами больше, свет с большей энергией, т.е.е. излучается свет с более короткой длиной волны. Поскольку разность энергий (ширина запрещенной зоны) зависит от полупроводникового материала, материалы светодиодов выбираются на основе ширины запрещенной зоны, чтобы соответствовать желаемому цвету света.


Рис.2 Разница в цвете излучения полупроводникового материала.
(И синий, и зеленый свет излучаются InGaN, но соотношение In / Ga отличается.)

4. Механизм излучения белого светодиода
Есть три способа получить белый свет от светодиодов, как показано на рис.3.
(1) Первый — это способ облучения желтого люминофора с помощью синего светодиода. Поскольку желтый цвет является дополнительным к синему, смесь синего и желтого выглядит белой. Хотя этот метод наиболее популярен из-за простоты изготовления и высокой интенсивности, его слабым местом является слегка голубоватый оттенок.
(2) Второй — это способ излучения синего, зеленого и красного люминофора путем облучения ультрафиолетового светодиода. Хотя свет выглядит естественным и чистым белым, его интенсивность еще не такая сильная, как у метода (1).
(3) Третий — это способ использования трех светодиодов: синего, зеленого и красного. Поскольку свет интенсивный и можно получить любой цвет, этот метод применяется к большому дисплею и светодиодному экрану.


Рис.3 Механизм излучения белого светодиода.

5. Отличия светодиода от светодиода
Светодиод — это полупроводниковый светоизлучающий прибор, аналогичный светодиоду. Какая разница между двумя? На рисунке 4 показаны базовые конструкции светодиода и LD. Хотя принцип излучения тот же, электроны и дырки соединяются в p-n-переходе и излучается свет, свойства испускаемого света разные.Поскольку светодиодный свет имеет случайные фазы, он распространяется так же, как лампочки. С другой стороны, свет LD имеет определенную фазу, и поэтому он распространяется прямо, не распространяясь. Эта разница объясняется наличием или отсутствием резонатора. LD может выравнивать фазу света с помощью резонатора, но светодиод без резонатора выводит свет без изменений. Еще одно отличие — это потери связи в оптоволокне. Свет LD может быть направлен в оптическое волокно с низкими потерями связи, поскольку свет выходит из узкого активного слоя.Между тем, свет СИД не только слегка падает на волокно, потому что СИД имеет большую площадь излучения.


Рис.4 Базовые конструкции светодиода и LD.

Конструкция, схема, работа и применение

Светодиод представляет собой двухпроводной полупроводниковый источник света. В 1962 году Ник Холоняк придумал светоизлучающий диод, и он работал в компании General Electric.Светодиод — это особый тип диода, который имеет электрические характеристики, аналогичные диодам с PN переходом. Следовательно, светодиод позволяет току течь в прямом направлении и блокирует ток в обратном направлении. Светодиод занимает небольшую площадь, менее 1 мм 2 . Применение светодиодов в различных электрических и электронных проектах. В этой статье мы обсудим принцип работы светодиода и его применение.

Что такое светоизлучающий диод?

Светоизлучающий диод представляет собой диод с p-n переходом.Это специально легированный диод, сделанный из полупроводников особого типа. Когда свет излучает в прямом смещении, это называется светодиодом.


Светоизлучающий диод

Символ светодиода

Символ светодиода похож на символ диода, за исключением двух маленьких стрелок, которые указывают излучение света, поэтому он называется светодиодом (светоизлучающим диодом). Светодиод имеет две клеммы, а именно анод (+) и катод (-). Символ светодиода показан ниже.

Светодиодный символ

Конструкция светодиода

Конструкция светодиода очень проста, поскольку он разработан путем нанесения трех слоев полупроводникового материала на подложку.Эти три слоя расположены один за другим, где верхняя область является областью P-типа, средняя область активна и, наконец, нижняя область является областью N-типа. В конструкции можно увидеть три области полупроводникового материала. В конструкции область P-типа включает отверстия; область N-типа включает выборы, тогда как активная область включает как дырки, так и электроны.

Когда на светодиод не подается напряжение, поток электронов и дырок отсутствует, поэтому они стабильны.После подачи напряжения светодиод будет смещен в прямом направлении, поэтому электроны в N-области и дырки из P-области переместятся в активную область. Эта область также известна как область истощения. Поскольку носители заряда, такие как дырки, содержат положительный заряд, тогда как электроны имеют отрицательный заряд, свет может генерироваться за счет рекомбинации полярных зарядов.


Как работает светоизлучающий диод?

Светодиод просто, мы знаем как диод.Когда диод смещен в прямом направлении, электроны и дырки быстро перемещаются по переходу, и они постоянно объединяются, удаляя друг друга. Вскоре после того, как электроны переходят из кремния n-типа в кремний p-типа, он соединяется с дырками, а затем исчезает. Следовательно, он делает атом в целом более стабильным и дает небольшой всплеск энергии в форме крошечного светового пакета или фотона.

Работа светодиода

На приведенной выше диаграмме показано, как работает светоизлучающий диод, и пошаговый процесс построения диаграммы.

  • Из приведенной выше диаграммы мы можем видеть, что кремний N-типа имеет красный цвет, включая электроны, которые обозначены черными кружками.
  • Силикон P-типа синего цвета и содержит дырки, они обозначены белыми кружками.
  • Источник питания через p-n-переход заставляет диод смещаться в прямом направлении и переводить электроны из n-типа в p-тип. Продвигая отверстия в обратном направлении.
  • Электрон и дырки на стыке совмещены.
  • Фотоны испускаются при рекомбинации электронов и дырок.

История светоизлучающих диодов

Светодиоды были изобретены в 1927 году, но это не новое изобретение. Краткий обзор истории светодиодов обсуждается ниже.

  • В 1927 году Олег Лосев (русский изобретатель) создал первый светодиод и опубликовал некоторые теории своих исследований.
  • В 1952 году профессор Курт Леховец проверил теории неудачников и рассказал о первых светодиодах.
  • В 1958 году Рубин Браунштейн и Эгон Лебнер изобрели первый зеленый светодиод.
  • В 1962 году красный светодиод был разработан Ником Холоняком.Итак, первый светодиод создан.
  • В 1964 году IBM впервые реализовала светодиоды на печатной плате компьютера.
  • В 1968 году компания HP (Hewlett Packard) начала использовать светодиоды в калькуляторах.
  • В 1971 году Жак Панков и Эдвард Миллер изобрели синий светодиод.
  • В 1972 году М. Джордж Кроуфорд (инженер-электрик) изобрел желтый светодиод.
  • В 1986 году Уолден С. Райнс и Герберт Маруска из Университета Стаффорда изобрели светодиод синего цвета с магнием, включая будущие стандарты.
  • В 1993 году Хироши Амано и физики Исаму Акаски разработали нитрид галлия с высококачественными светодиодами синего цвета.
  • Инженер-электрик, такой как Шуджи Накамура, разработал первый синий светодиод с высокой яркостью благодаря разработкам Amanos & Akaski, что быстро привело к расширению использования светодиодов белого цвета.
    В 2002 году светодиоды белого цвета использовались в жилых помещениях, стоимость каждой лампы составляла от 80 до 100 фунтов стерлингов.
  • В 2008 году светодиодные фонари стали очень популярны в офисах, больницах и школах.
  • В 2019 году светодиоды стали основными источниками света;
  • Развитие светодиодов невероятно, поскольку они варьируются от небольших индикаторов для освещения офисов, домов, школ, больниц и т. Д.

Схема светоизлучающего диода для смещения

Большинство светодиодов имеют номинальное напряжение от 1 вольт- 3 вольта, тогда как номинальный прямой ток составляет от 200 мА до 100 мА.

Смещение светодиода

Если на светодиод подается напряжение (от 1 В до 3 В), то он работает правильно, так как ток, подаваемый на подаваемое напряжение, находится в рабочем диапазоне.Точно так же, если приложенное к светодиоду напряжение выше рабочего напряжения, то область обеднения внутри светодиода выйдет из строя из-за сильного протекания тока. Этот неожиданно сильный ток приведет к повреждению устройства.

Этого можно избежать, последовательно подключив резистор к источнику напряжения и светодиоду. Безопасные номинальные значения напряжения светодиодов будут находиться в диапазоне от 1 В до 3 В, тогда как безопасные номинальные значения тока находятся в диапазоне от 200 мА до 100 мА.

Здесь резистор, который расположен между источником напряжения и светодиодом, известен как резистор ограничения тока, потому что этот резистор ограничивает ток, иначе светодиод может его разрушить.Таким образом, этот резистор играет ключевую роль в защите светодиода.

Математически протекание тока через светодиод можно записать как

IF = Vs — VD / Rs

Где

‘IF’ — прямой ток

‘Vs’ — источник напряжения

‘ VD ‘- это падение напряжения на светоизлучающем диоде

«Rs» — ограничивающий ток резистор

Величина падения напряжения для преодоления барьера области обеднения. Падение напряжения на светодиодах будет от 2 В до 3 В, в то время как диод Si или Ge равен 0.3 иначе 0,7 В.

Таким образом, светодиод может работать от высокого напряжения по сравнению с Si- или Ge-диодами.
Светодиоды для работы потребляют больше энергии, чем кремниевые или германиевые диоды.

Типы светодиодов

Существуют различные типы светодиодов, некоторые из которых упомянуты ниже.

  • Арсенид галлия (GaAs) — инфракрасный
  • Фосфид арсенида галлия (GaAsP) — красный к инфракрасному, оранжевый
  • Фосфид арсенида галлия алюминия (AlGaAsP) — красный, оранжево-красный, оранжевый и желтый
  • Фосфид галлия (GaP) — красный, желтый и зеленый
  • Фосфид алюминия-галлия (AlGaP) — зеленый
  • Нитрид галлия (GaN) — зеленый, изумрудно-зеленый
  • Нитрид галлия-индия (GaInN) — почти ультрафиолетовый, голубоватый -зеленый и синий
  • Карбид кремния (SiC) — синий в качестве подложки
  • Селенид цинка (ZnSe) — синий
  • Нитрид алюминия и галлия (AlGaN) — ультрафиолетовый

Принцип работы светодиода

Принцип работы света -излучающий диод основан на квантовой теории.Квантовая теория утверждает, что когда электрон опускается с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, энергия излучается фотоном. Энергия фотона равна энергетической щели между этими двумя энергетическими уровнями. Если диод с PN-переходом смещен в прямом направлении, то ток течет через диод.

Принцип работы светодиода

Поток тока в полупроводниках вызывается потоком дырок в противоположном направлении тока и потоком электронов в направлении тока.Следовательно, будет рекомбинация из-за потока этих носителей заряда.

Рекомбинация указывает на то, что электроны в зоне проводимости прыгают вниз в валентную зону. Когда электроны переходят из одной полосы в другую, электроны излучают электромагнитную энергию в виде фотонов, а энергия фотонов равна запрещенной энергетической щели.

Например, давайте рассмотрим квантовую теорию, энергия фотона является произведением постоянной Планка и частоты электромагнитного излучения.Математическое уравнение показано

Eq = hf

, где его называют постоянной Планка, а скорость электромагнитного излучения равна скорости света, т.е. c. Частота излучения связана со скоростью света как f = c / λ. λ обозначается как длина волны электромагнитного излучения, и приведенное выше уравнение будет иметь вид

Eq = he / λ

Из приведенного выше уравнения мы можем сказать, что длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна запрещенной зоне.В обычных кремниевых и германиевых полупроводниках эта запрещенная энергетическая щель находится между условием и валентными зонами, так что полное излучение электромагнитной волны во время рекомбинации находится в форме инфракрасного излучения. Мы не можем видеть длины инфракрасных волн, потому что они находятся за пределами нашего видимого диапазона.

Инфракрасное излучение считается тепловым, потому что кремний и германий полупроводники не являются прямозонными полупроводниками, а являются непрямозонными полупроводниками.Но в прямозонных полупроводниках максимальный уровень энергии валентной зоны и минимальный уровень энергии зоны проводимости не возникают в один и тот же момент электронов. Следовательно, во время рекомбинации электронов и дырок происходит миграция электронов из зоны проводимости в валентную зону, импульс электронной зоны будет изменяться.

Белые светодиоды

Светодиоды можно производить двумя способами. В первом методе светодиодные чипы, такие как красный, зеленый и синий, объединены в одном корпусе для генерации белого света; тогда как во втором методе используется фосфоресценция.Флуоресценцию внутри люминофора можно суммировать в окружающей эпоксидной смоле, тогда светодиод будет активирован коротковолновой энергией с использованием светодиодного устройства InGaN.

Огни разного цвета, такие как синий, зеленый и красный, комбинируются в изменяемых количествах для получения различного цветового ощущения, известного как основные аддитивные цвета. Эти три интенсивности света складываются в равной степени, чтобы получить белый свет.

Но для достижения этой комбинации с помощью комбинации зеленого, синего и красного светодиодов требуется сложная электрооптическая конструкция для управления сочетанием и диффузией разных цветов.Кроме того, этот подход может быть усложнен из-за изменений в цвете светодиода.

Линейка белых светодиодов в основном зависит от одиночного светодиодного чипа с люминофорным покрытием. Это покрытие генерирует белый свет при попадании через ультрафиолетовые фотоны или синие фотоны. Тот же принцип применяется и к люминесцентным лампам; излучение ультрафиолета от электрического разряда внутри трубки заставит люминофор мигать белым.

Несмотря на то, что этот процесс светодиода может генерировать разные оттенки, различия можно контролировать с помощью экранирования.Устройства на основе белых светодиодов экранируются с использованием четырех точных координат цветности, которые примыкают к центру диаграммы CIE.

Диаграмма CIE описывает все достижимые цветовые координаты в пределах подковообразной кривой. Чистые цвета лежат над дугой, но белый кончик находится в центре. Цвет белого светодиода на выходе может быть представлен четырьмя точками, которые представлены в середине графика. Несмотря на то, что четыре координаты графика близки к чистому белому, эти светодиоды обычно не эффективны, как обычный источник света, для освещения цветных линз.

Эти светодиоды используются в основном для белых линз, в противном случае прозрачных линз, непрозрачной подсветки. Когда эта технология будет развиваться, белые светодиоды наверняка завоюют репутацию источника освещения и индикации.

Световая отдача

Световая отдача светодиодов может быть определена как создаваемый световой поток в лм для каждой единицы, а электрическая мощность может использоваться в пределах Вт. Номинальная внутренняя эффективность светодиода синего цвета составляет 75 лм / Вт; Желтые светодиоды имеют 500 лм / Вт, а красные светодиоды — 155 лм / Вт.Из-за внутренней реабсорбции потери могут быть приняты во внимание; порядок световой отдачи составляет от 20 до 25 лм / Вт для зеленых и желтых светодиодов. Это определение эффективности также известно как внешняя эффективность и аналогично определению эффективности, обычно используемому для других типов источников света, таких как многоцветные светодиоды.

Многоцветный светоизлучающий диод

Светоизлучающий диод, который выдает один цвет при подключении в прямом смещении и выдает цвет при подключении в обратном смещении, известен как многоцветный светодиод.

Фактически, эти светодиоды включают в себя два PN-перехода, и их соединение может быть выполнено параллельно с анодом одного, который соединен с катодом другого.

Многоцветные светодиоды обычно красные, когда они смещены в одном направлении, и зеленые, когда они смещены в другом направлении. Если этот светодиод включается очень быстро при двух полярностях, он будет генерировать третий цвет. Зеленый или красный светодиод будет генерировать желтый цвет при быстром переключении назад и вперед между полярностями смещения.

В чем разница между диодом и светодиодом?

Основное отличие диода от светодиода заключается в следующем.

Диод

Светодиод

Полупроводниковый прибор, такой как диод, проводит просто в одном направлении. Светодиод — это один из типов диодов, используемых для генерации света.
Конструкция диода может быть выполнена из полупроводникового материала, и поток электронов в этом материале может придать их энергии тепловую форму. Светодиод разработан с использованием фосфида галлия и арсенида галлия, электроны которых могут генерировать свет, передавая энергию.

Диод преобразует переменный ток в постоянный Светодиод меняет напряжение на свет
Он имеет высокое обратное напряжение пробоя Он имеет низкое обратное напряжение пробоя.
Напряжение в открытом состоянии диода составляет 0,7 В для кремния, тогда как для германия оно равно 0.3v Напряжение в открытом состоянии светодиода составляет приблизительно от 1,2 до 2,0 В.
Диод используется в выпрямителях напряжения, схемах ограничения и фиксации, умножителях напряжения.

Применение светодиодов: светофоры, автомобильные фары, медицинские приборы, вспышки для фотоаппаратов и т. Д.
IV Характеристики светодиода

Существуют различные типы светодиодов, доступные в На рынке существуют различные характеристики светодиодов, которые включают в себя цветной свет или длину волны излучения, интенсивность света.Важной характеристикой светодиода является цвет. В начале использования светодиода есть только красный цвет. Поскольку использование светодиодов увеличивается с помощью полупроводникового процесса и исследования новых металлов для светодиодов, были сформированы различные цвета.

ВАХ светодиода

На следующем графике показаны приблизительные кривые между прямым напряжением и током. Каждая кривая на графике обозначает свой цвет. В таблице приведены сводные характеристики светодиодов.

Характеристики светодиода
Какие бывают два типа конфигураций светодиодов?

Стандартные конфигурации светодиода — это два подобных эмиттера, а также COB.

Эмиттер — это одиночный кристалл, который монтируется к печатной плате, а затем к радиатору. Эта печатная плата передает электроэнергию на излучатель, а также отводит тепло.

Чтобы помочь снизить стоимость, а также улучшить однородность света, исследователи определили, что подложку светодиода можно отсоединить, а одиночный кристалл можно установить на печатной плате открыто.Так что эта конструкция называется COB (chip-on-board array).

Преимущества и недостатки светодиодов

К преимуществам светодиода относятся следующие.

  • Стоимость светодиодов меньше и они маленькие.
  • С помощью светодиода контролируется электричество.
  • Яркость светодиода меняется с помощью микроконтроллера.
  • Длительный срок службы
  • Энергоэффективность
  • Без периода прогрева
  • Прочная
  • Не влияет на низкие температуры
  • Направленная
  • Цветопередача отличная
  • Экологически чистая
  • Контролируемая

Недостатки светодиоды включают следующее.

  • Цена
  • Температурная чувствительность
  • Температурная зависимость
  • Качество света
  • Электрическая полярность
  • Чувствительность по напряжению
  • Падение КПД
  • Воздействие на насекомых
Применение светоизлучающих диодов

Светодиодные и некоторые из них описаны ниже.

  • Светодиод используется в качестве лампочки в домах и на производстве
  • Светодиоды используются в мотоциклах и автомобилях
  • Они используются в мобильных телефонах для отображения сообщений
  • На светофорах используются светодиоды

Таким образом, в данной статье рассматривается принцип работы и применения светодиодной схемы.Надеюсь, прочитав эту статью, вы получили некоторую основную и рабочую информацию о светодиодах. Если у вас есть какие-либо вопросы об этой статье или о электрическом проекте последнего года, пожалуйста, не стесняйтесь оставлять комментарии в разделе ниже. Вот вам вопрос, Что такое светодиод и как он работает?

Принцип работы светодиода — инженерные знания

Здравствуйте, ребята, надеюсь, у вас все отлично. В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим принцип работы светодиода . Полная форма светодиода — это светоизлучающий диод, это диод, который излучает свет при наличии входного питания. Это полупроводниковые приборы и, как и другие диоды, имеет PN переход. Излучаемый диодом свет зависит от энергии, необходимой для запрещенной зоны полупроводникового материала. Для излучения белого света используется более одного слоя полупроводникового материала, и может использоваться люминофор. Это было время, используемое для общих целей в 1962 году, но их интенсивность света была меньше, и они излучали инфракрасный свет.

Светодиоды, излучающие инфракрасный свет, используются в схемах дистанционного управления, таких как пульт дистанционного управления ЖК-дисплеем и т. Д. Используемые в настоящее время светодиоды излучают свет ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона. Старые типы светодиодов использовались в различных небольших лампах накаливания, индикаторных лампах и 7-сегментных дисплеях. В настоящее время в зданиях и помещениях для освещения используются светодиоды, излучающие высокоинтенсивный свет. У светодиодов есть многочисленные преимущества перед лампами накаливания, такие как меньшее энергопотребление, более длительный срок службы, меньшие размеры и т. Д.В диодах используются светофоры, фотоаппараты, различные медицинские инструменты. В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим его работу, приложения и некоторые другие связанные параметры. Итак, давайте начнем с принципа работы светодиода .

Принцип работы светодиода
  • LED обозначает светоизлучающий диод, а на рисунке ниже вы можете увидеть символ светодиода.
  • Работа светодиода очень проста, когда светодиод находится в условиях прямого смещения, электроны, существующие на N-стороне диода, пересекают PN-переход и входят в P-область вместе с отверстиями, существующими в этой области, и излучают свет.
  • Как мы обсуждали в уроке об атоме, есть две основные энергетические зоны, первая — это зона проводимости с большим количеством электронов, в данном случае это N-область.
  • Секунда — это полоса, которая является P-областью диода и имеет в ней отверстия. Поэтому, когда электроны перемещаются из зоны высокой проводимости в зону валанса или соединяются с дырками, высвобождает энергию в виде света.
  • Тип излучаемого света зависит от типа запрещенной зоны и других связанных параметров.
  • Большая видимая область на одном листе полупроводникового вещества позволяет фотонам испускаться в виде видимого света.
  • Эта процедура известна как электролюминесценция и описана на рисунке ниже.
  • Для поддержания длины волны излучаемого света в процессе добавляются многочисленные материалы. Цвет видимого света зависит от излучаемой длины волны.
  • Есть некоторые светодиоды, которые излучают свет, который не встречается в спектре видимого света, но их длина волны длиннее и выходит в инфракрасной области спектра.

Светодиодные полупроводниковые материалы
  • В старых светодиодах использовался GaAs, который испускает инфракрасное излучение, которое невидимо.
  • Для производства первого светодиода видимого диапазона, излучающего видимый свет, на подложке GaAs используется арсенид-фосфид (GaAsP) галлия.
  • Для увеличения яркости этого светодиода из фосфида галлия (GaP), используемого в качестве подложки, в результате были созданы красные светодиоды большой интенсивности и светодиоды оранжевого цвета.
  • Для бледно-зеленого света использовался GaP для излучения света.
  • Для излучения желтого света в светодиодах использовались микросхемы красного и зеленого цвета.
  • Впервые были созданы сверхяркие красные, желтые, зеленые и светодиоды с использованием фосфида арсенида галлия и алюминия.
  • В начале 90-х сверхяркие светодиоды, созданные с использованием InGaAlP, излучают оранжевый, красный и зеленый цвета.
Смещение светодиода
  • Напряжение, необходимое для прямого смещения светодиода, больше, чем для диода, созданного из силикона.
  • Нормальное смещение в прямом направлении для светодиода составляет от 1,2 до 3,2 вольт в зависимости от используемого материала.
  • Напряжение обратного смещения светодиода меньше, чем у диода, используемого для выпрямительных цепей, обычно от 3 до 10 вольт.
  • Излучаемый свет зависит от тока, используемого для прямого смещения светодиода. Вы можете видеть на схеме, обозначенной как (a).
  • График на рисунке показывает, что излучаемый свет прямо пропорционален току, необходимому для прямого смещения диода.
  • Приращение I F увеличивает свет, излучаемый светодиодом.
  • Интенсивность света также зависит от температуры. На рисунке видно, что интенсивность жизни уменьшается с увеличением температуры.

Светодиодное излучение
  • Светодиод, излучающий свет в определенном диапазоне длин волн, как показано на рисунке через спектральную кривую.
  • Кривая на графике (a) объясняет связь излучаемого света с длиной волны соответствующих видимых светодиодов.
  • График (б) для инфракрасного светодиода. Единица измерения длины волны (нм).
  • Стандартизированные излучаемые пики видимого красного светодиода составляют 660 (нм), длина волны желтого пика составляет 590 нм, зеленого — 540 нм, а синего — 460 нм. Инфракрасный светодиод находится на 490 нм.

  • Диаграмма излучения для светодиодов небольшого размера показана на рисунке ниже.
  • Светодиоды имеют направление, в отличие от ламп накаливания и люминесцентных ламп.
  • Диаграмма излучаемого излучения находится под углом 90 градусов к поверхности, с которой излучаются.
  • Это можно сделать за счет использования линзы, изменения формы излучающей поверхности и использования диффузионных пленок в заданном направлении.
  • Указанная диаграмма направленности имеет множество преимуществ для различных приложений, таких как светофор, где свет должен быть виден только определенным водителям.
  • На рисунке, обозначенном как (a) показан шаблон для светодиода в прямом направлении.
  • Используется для обозначения панелей.
  • На рисунке, обозначенном как (b) , показан узор для более широкого угла обзора, который используется в многочисленных сверхъярких светодиодах.
  • С помощью этих двух шаблонов можно создать множество шаблонов длин волн светодиода.

  • Малогабаритный светодиод, используемый в различных индикаторах, показан на рисунке ниже. С маленькими светодиодами, используемыми в индикаторах, светодиоды большого размера используются для освещения из-за их большой эффективности и долговечности.
  • Обычный светодиод может давать от пятидесяти до шестидесяти люмен на ватт, что почти в пять раз больше, чем у обычной лампы накаливания.
  • Различные конфигурации светодиодов показаны на рисунке ниже.

Светодиодный лист данных
  • Техническое описание инфракрасного светодиода TSMF1000 показано на рисунке ниже. Вы можете видеть, что значение максимального напряжения для обратного смещения составляет всего пять вольт, максимальный ток для прямого смещения составляет 100 миллиампер, а падение напряжения для прямого смещения составляет почти 1.3 вольта для значения прямого тока смещения в двадцать миллиампер.
  • На графике, обозначенном как (c), , вы можете заметить, что пиковая выходная мощность для этого диода выходит на длине волны 870 нанометров, а его диаграмма направленности показана на рисунке, обозначенном (d).

Применение светодиодов

Семисегментный дисплей

  • Обычные светодиоды используются в различных индикаторных лампах, отображающих различные варианты устройств, от бытовых приборов до приборов, используемых в исследовательских целях.
  • Обычное устройство, использующее светодиоды, — это 7-сегментный дисплей. Расположение светодиодов для 10 десятичных разрядов показано на рисунке ниже.
  • Путем прямого смещения определенной комбинации светодиодов мы можем получить каждую десятичную цифру и десятичную точку.
  • На соответствующем рисунке 2 показана категория конфигурации схем светодиодов, первый — это общий анод, а второй — общий катод.

  • Обычно светодиодное инфракрасное излучение используется для телевидения, DVD, доводчика и т. Д.
  • Инфракрасный луч проходит через ИК-светодиод и обнаруживается приемником, установленным в телевизоре.
  • Например, для каждой кнопки пульта ДУ телевизора есть специальный код
  • При нажатии любой кнопки на пульте дистанционного управления для смены канала вырабатывается специальный кодированный электрический сигнал, который направляется на светодиод, который трансформируется в кодированный ИК-световой сигнал.
  • Приемник, установленный в телевизоре, считывает сигнал кода и выполняет связанную задачу, которую вы отправляете на телевизор, либо изменение канала, либо уровень громкости.
  • Эта особая конструкция используется для подсчета бейсбольных мячей, когда они подаются по желобу в коробку для доставки.
  • Когда каждый шар движется по желобу, инфракрасный луч, испускаемый светодиодом, нарушается.
  • Это воспринимается фотодиодом, а результирующее изменение тока обнаруживается схемой считывания.
  • Электронная схема считает каждый раз, когда инфракрасный луч нарушается, определенное количество шариков перемещается по желобу, срабатывает техника остановки, чтобы остановить движение шариков, пока следующий незаполненный ящик самопроизвольно не переместится на место на конвейере.
  • Этот метод используется для подсчета и контроля упаковки для многих других типов вещей.
Светодиоды высокой яркости
  • Светодиоды, которые генерируют большую мощность, чем обычные светодиоды, используются во многих приложениях, таких как светофоры, автомобильные фары, внутренние и наружные огни, рекламные вывески и т. Д.

Светодиод, используемый в светофорах

  • Использование ламп накаливания в светофорах заменено на светодиоды.Светодиоды небольшого размера используются в виде массива для получения красных, зеленых и желтых огней.
  • У светодиодов есть 2 преимущества перед лампами накаливания. Во-первых, светодиоды ярче, срок службы дольше и потребляет меньше энергии, почти на 90 процентов меньше, чем лампы накаливания.
  • Светодиодные светофоры
  • собраны в массивы с линзами, которые увеличивают и направляют излучаемый свет.
  • На рисунке ниже показана работа светофорной решетки с использованием красного светодиода.
  • Для пояснения показана сравнительно меньшая плотность светодиодов.
  • Количество светодиодов и расстояние между ними при использовании в светофоре зависит от диаметра устройства, категории линз, цвета и интенсивности излучаемого света.
  • При использовании светодиода подходящей плотности и линзы восемь или двенадцать дюймов светофора будут выглядеть как сплошная сфера.
  • В светофоре используется параллельная и последовательная комбинация светодиодов в матрице. Комбинация серий некоторое время не используется, как если бы один светодиод был поврежден или все остальные погасли.
  • Благодаря преимуществу параллельной комбинации, он имеет недостаток в том, что ему требуется сопротивление, что делает его дорогостоящим.
  • Чтобы свести к минимуму использование ограничителей сопротивлений, используется последовательная и параллельная комбинация светодиодов, как показано на рисунке ниже.

  • Для максимального эффекта излучаемого света некоторые линзы, используемые в светофорах, имеют отражатели небольшого размера.
  • Существует также оптическая линза, которая закрывает лицевую сторону матрицы, чтобы обеспечить правильное направление света, излучаемого диодом.Этот объектив также сводит к минимуму несоответствующее рассеивание света.
  • На приведенном ниже рисунке поясняется использование линзы для обеспечения правильного направления света на наблюдателя.

  • Определенная компоновка схемы светодиода зависит от приложенного напряжения и цвета светодиода.
  • Предусмотрено другое значение напряжения для получения разных цветов светодиода. Для красного светодиода требуется меньшее напряжение, и если мы перейдем от красного к синему цвету в спектре, необходимое напряжение для цветов увеличится.
  • Обычно для красного светодиода требуется два вольта, для синего светодиода — от трех до четырех вольт.
  • Обычно светодиоды требуют тока от двадцати до тридцати миллиампер, независимо от требуемого напряжения.
  • На рисунке ниже показана общая кривая V-I для красного, желтого, зеленого и синего цветов.

Светодиодные дисплеи

  • В наружных и внутренних вывесках, досках объявлений и в больших телевизорах используются светодиоды.Эти вывески могут иметь один или несколько цветов или полноцветные.
  • Полноцветные экраны имеют небольшие группы ярких зеленых, красных и синих светоизлучающих дидо для создания пикселей.
  • Обычный экран состоит из тысяч красно-зеленых и синих или цветных пикселей RGB.
  • Сине-зеленый и красный являются основными цветами при слиянии друг с другом в различной концентрации, чем можно использовать для создания любого цвета, существующего в видимом диапазоне.
  • На рисунке ниже показан основной пиксель, созданный с использованием 3-х светодиодов.
  • Светоотдача каждого из 3 диодов может быть изменена автономно, изменяя величину прямого тока.

Похожие сообщения

Итак, друзья, это полный пост о принципе работы светодиода. Я объяснил каждый параметр, связанный с принципом работы светодиода. Если у вас есть вопросы по принципу работы светодиода, задавайте их в комментариях. Увидимся в следующем посте, хорошего дня.

Автор: Генри
http: // www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Сообщение навигации

Что такое светоизлучающий диод (LED)? — Определение, работа, конструкция и преимущества

Определение: Светодиод представляет собой диод с PN-переходом, который излучает свет, когда через него проходит электрический ток в прямом направлении.В светодиоде происходит рекомбинация носителей заряда. Электрон с N-стороны и дырка со стороны P объединяются и дают энергию в виде тепла и света. Светодиод изготовлен из бесцветного полупроводникового материала, и свет излучается через переход диода.

Светодиоды широко используются в сегментных и матричных дисплеях с числовыми и буквенно-цифровыми символами. Несколько светодиодов используются для создания одного линейного сегмента, в то время как для создания десятичной точки используется одиночный светодиод.

Конструкция светодиода

Рекомбинация носителей заряда происходит в материале P-типа, и, следовательно, P-материал является поверхностью светодиода. Для максимального излучения света анод осаждается на краю материала P-типа. Катод изготовлен из золотой пленки и обычно размещается внизу N-области. Этот золотой слой катода помогает отражать свет на поверхность.

Фосфид арсенида галлия используется для производства светодиодов, которые излучают красный или желтый свет.Светодиоды также доступны в зеленом, желто-янтарном и красном цветах.

Простой транзистор можно использовать для включения / выключения светодиода, как показано на рисунке выше. Базовый ток I B проводит транзистор, а транзистор — сильно. Сопротивление R C ограничивает ток светодиода.

Работа светодиода

Работа светодиода зависит от квантовой теории. Квантовая теория утверждает, что когда энергия электронов уменьшается с более высокого уровня на более низкий уровень, он излучает энергию в виде фотонов.Энергия фотонов равна промежутку между верхним и нижним уровнями.

Светодиод подключен в прямом смещении, что позволяет току течь в прямом направлении. Течение тока происходит из-за движения электронов в противоположном направлении. Рекомбинация показывает, что электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и излучают электромагнитную энергию в виде фотонов. Энергия фотонов равна щели между валентной зоной и зоной проводимости.

Преимущества светодиодов в электронных дисплеях

Ниже перечислены основные преимущества светодиодов в электронных дисплеях.

  1. Светодиоды меньше по размеру, и их можно сложить вместе, чтобы сформировать числовой и буквенно-цифровой дисплей в матрице высокой плотности.
  2. Интенсивность светового потока светодиода зависит от протекающего через него тока. Интенсивность их света можно плавно регулировать.
  3. Доступны светодиоды, которые излучают свет разных цветов, таких как красный, желтый, зеленый и янтарный.
  4. Время включения и выключения или время переключения светодиода менее 1 наносекунды. Из-за этого светодиоды используются для динамической работы.
  5. Светодиоды очень экономичны и обладают высокой степенью надежности, поскольку производятся по той же технологии, что и транзисторы.
  6. Светодиоды работают в широком диапазоне температур, например, от 0 ° до 70 °. Кроме того, он очень прочный и выдерживает удары и колебания.
  7. Светодиоды обладают высоким КПД, но для работы им требуется умеренная мощность.Обычно для полной яркости требуется напряжение 1,2 В и ток 20 мА. Поэтому он используется там, где меньше энергии.

Недостатки LED

Светодиоды потребляют больше энергии по сравнению с ЖК-дисплеями, и их стоимость высока. Также он не используется для создания большого дисплея.

Светоизлучающий диод (LED) — Работа, конструкция и символ

Что такое свет?

Перед тем, как войти как работает светодиод, давайте сначала кратко рассмотрим сам свет.С древних времен человек получал свет от различных источники, такие как солнечные лучи, свечи и лампы.

В 1879 г., Томас Эдисон изобрел лампочку накаливания. В свете лампочка, через нить накала внутри лампочка.

Когда достаточно ток проходит через нить накала, она нагревается и излучает свет.Свет, излучаемый нитью накала, — это результат электрической энергии преобразуется в тепловую энергию, которая, в свою очередь, превращается в световую энергию.

В отличие от света лампочка, в которой электрическая энергия сначала преобразуется в тепло энергия, электрическая энергия также может быть напрямую преобразована в световую энергию.

в светоизлучающем Диоды (светодиоды), через которые протекает электрическая энергия. непосредственно преобразуется в световую энергию.

Light — это разновидность энергия, которую может высвободить атом. Свет состоит из множества мелких частиц, называемых фотонами. Фотоны обладают энергией и импульс, но не масса.

Атомы являются основными строительные блоки материи. Каждый объект во вселенной состоит из атомов. Атомы состоят из мелких частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны.

электронов отрицательно заряжены, протоны заряжены положительно, и нейтроны не имеют заряда.

Привлекательный сила между протонами и нейтронами заставляет их слипаться вместе, чтобы сформировать ядро. У нейтронов нет заряда. Следовательно общий заряд ядра положительный.

Отрицательно заряженные электроны всегда вращаются вокруг положительно заряженных ядро из-за электростатической силы притяжения между ними.Электроны вращаются вокруг ядра в разные орбиты или оболочки. Каждая орбита имеет разную энергию уровень.

Например, электроны, вращающиеся очень близко к ядру, имеют низкую энергию в то время как электроны, движущиеся дальше от ядра, обладают высокой энергией.

Электроны в нижнему энергетическому уровню требуется дополнительная энергия для прыжка на более высокий энергетический уровень.Эта дополнительная энергия может быть поставляется внешним источником. Когда электроны вращаются вокруг ядро получает энергию из внешнего источника, в которое они прыгают в более высокие орбита или более высокий уровень энергии.

Электроны в более высокий уровень энергии не сохраняется надолго. После В течение короткого периода электроны возвращаются на более низкий энергетический уровень. Электроны, которые прыгают с более высокого уровня энергии на более низкий уровень энергии высвобождает энергию в виде фотона или свет.В некоторых материалах эта потеря энергии высвобождается в основном в виде тепла. Электрон, теряющий большую энергию будет выпускать фотон с большей энергией.

Что такое свет Излучающий диод (светодиод)?

Светоизлучающий Диоды (светодиоды) — наиболее широко используемые полупроводники. диоды среди всех различных типов полупроводников диоды в наличии уже сегодня.Светодиоды излучают видимые свет или невидимый инфракрасный светится при смещении вперед. Светодиоды, излучающие невидимые инфракрасный свет используется для дистанционного управления.

А светоизлучающий Диод (LED) — это оптическое полупроводниковое устройство, излучающее свет при напряжении применены. Другими словами, светодиод — это оптический полупроводниковое устройство, преобразующее электрическую энергию в Световая энергия.

Когда светится Диод (LED) с прямым смещением, свободный электроны в зоне проводимости рекомбинируют с дырками в валентная зона и высвобождает энергию в виде света.

Процесс излучающий свет в ответ на сильное электрическое поле или поток электрического ток называется электролюминесценцией.

Диод с нормальным p-n переходом пропускает электрический ток только в одном направлении.Это позволяет электрический ток при прямом смещении и не позволяет электрический ток при обратном смещении. Таким образом, нормальный p-n переходной диод работает только в режиме прямого смещения.

вроде нормальный п-н переходные диоды, светодиоды тоже работают только в прямом смещении условие. Для создания светодиода материал n-типа должен быть подключен к минусовой клемме АКБ и р-типа материал должен быть подключен к положительной клемме аккумулятор.Другими словами, материал n-типа должен быть отрицательно заряжен, и материал p-типа должен быть положительно заряженный.

Строительство Светодиод похож на обычный диод с p-n переходом, за исключением того, что галлий, фосфор и мышьяк используются для конструкция вместо кремниевых или германиевых материалов.

В нормальном п-п переходные диоды, кремний наиболее широко используется, потому что он менее чувствителен к температуре.Кроме того, это позволяет электрическое ток эффективно без каких-либо повреждений. В некоторых случаях, германий используется для создания диодов.

Однако кремний или германиевые диоды не излучают энергию в виде света. Вместо этого они излучают энергию в виде тепла. Таким образом, кремний или германий не используется для изготовления светодиодов.

Слои светодиода

Светоизлучающий Диод (LED) состоит из трех слоев: p-типа полупроводник Полупроводник n-типа и обедненный слой.Р-тип полупроводник и полупроводник n-типа разделены область истощения или истощающий слой.

Полупроводник P-типа

Когда трехвалентный примеси добавляются к собственному или чистому полупроводнику, Формируется полупроводник p-типа.

в р-типе полупроводник, дырки являются основными носителями заряда и свободными электроны являются неосновными носителями заряда.Таким образом, дыры несут большая часть электрического тока в полупроводнике p-типа.

Полупроводник N-типа

Когда пятивалентный примеси добавляются к собственному полупроводнику, n-тип полупроводник.

In n-типа полупроводник, свободные электроны являются основными носителями заряда а дырки — неосновные носители заряда.Таким образом, бесплатно электроны переносят большую часть электрического тока в n-типе полупроводник.

Слой или область истощения

Область истощения область между полупроводниками p-типа и n-типа где отсутствуют подвижные носители заряда (свободные электроны и дырки). настоящее время. Эта область действует как барьер для электрического тока. Он противодействует потоку электронов из полупроводника n-типа и истечение дырок из полупроводника p-типа.

Для преодоления барьер обедненного слоя, нам нужно приложить напряжение, которое больше, чем барьерный потенциал обедненного слоя.

Если применяется напряжение больше, чем барьерный потенциал обеднения слой, электрический ток начинает течь.

Как свет Излучающий диод (светодиод) работает?

Светоизлучающий Диод (LED) работает только в режиме прямого смещения.Когда свет Излучающий диод (LED) смещен в прямом направлении, свободные электроны с n-стороны, а отверстия со стороны p сдвинуты к соединение.

Когда свободные электроны достигают стыка или области истощения, некоторые из свободных электроны рекомбинируют с дырками в положительных ионах. Мы знать, что положительные ионы имеют меньше электронов, чем протоны.Следовательно, они готовы принимать электроны. Таким образом, свободные электроны рекомбинируют с дырками в обедненной области. Аналогичным образом дырки с p-стороны рекомбинируют с электронами. в области истощения.

Из-за рекомбинация свободных электронов и дырок в обеднении регион, ширина области истощения уменьшается. В результате больше заряда перевозчики пересекут р-н соединение.

Часть заряда носители со стороны p и n будут пересекать p-n переход прежде, чем они рекомбинируют в области истощения. Например, некоторые свободные электроны из полупроводника n-типа пересекают p-n переход и рекомбинирует с дырками в полупроводнике p-типа. В аналогичным образом дырки из полупроводника p-типа пересекают p-n переход и рекомбинирует со свободными электронами в n-типе полупроводник.

Таким образом, рекомбинация имеет место как в области истощения, так и в p-типе и Полупроводник n-типа.

Свободные электроны в зоне проводимости выделяет энергию в виде света прежде, чем они рекомбинируют с дырками в валентной зоне.

В кремнии и германиевые диоды, большая часть энергии выделяется в виде тепла и излучаемого света слишком мало.

Однако в такие материалы, как арсенид галлия и фосфид галлия, испускаемые фотоны обладают достаточной энергией для получения интенсивных видимый свет.

Как светодиод излучает свет?

При внешнем напряжение приложено к валентности электронов, они получают достаточную энергию и нарушают связь с родительским атомом.Валентные электроны, которые разрывы связи с родительским атомом называются свободными электронами.

Когда валентность электрон покинул родительский атом, они оставляют пустое место в валентная оболочка, на которой ушел валентный электрон. Этот пустой пространство в валентной оболочке называется дырой.

Уровень энергии все валентные электроны почти одинаковы.Группировка ассортимента уровней энергии всех валентных электронов называется валентная полоса.

Аналогичным образом уровень энергии всех свободных электронов практически одинаков. Группировка диапазона уровней энергии всех свободных электронов называется зоной проводимости.

Уровень энергии свободных электронов в зоне проводимости высока по сравнению с уровень энергии валентных электронов или дырок в валентных группа.Следовательно, свободным электронам в зоне проводимости необходимо теряют энергию, чтобы рекомбинировать с дырками в валентная полоса.

Свободные электроны в зоне проводимости не задерживаются надолго. После короткий период свободные электроны теряют энергию в виде свет и рекомбинировать с дырками в валентной зоне. Каждый рекомбинация носителей заряда испускает некоторую световую энергию.

Потеря энергии свободные электроны или интенсивность излучаемого света зависит от запрещенная зона или энергетическая щель между зоной проводимости и валентная полоса.

Полупроводник устройство с большим запрещенным зазором излучает свет высокой интенсивности тогда как полупроводниковый прибор с малой запрещенной зоной излучает свет низкой интенсивности.

Другими словами, яркость излучаемого света зависит от материала используется для построения светодиода и прямого тока через ВЕЛ.

В нормальном кремнии диоды, энергетическая щель между зоной проводимости и валентной полоса меньше. Следовательно, электроны падают только на короткое расстояние. В результате высвобождаются фотоны с низкой энергией.Эта низкая энергия фотоны имеют низкую частоту, невидимую для человеческого глаза.

В светодиодах энергия зазор между зоной проводимости и валентной зоной очень велик, поэтому свободные электроны в светодиодах имеют большую энергию, чем свободные электроны в кремниевых диодах. Следовательно, свободные электроны попадают в большое расстояние. В результате фотоны высоких энергий выпущенный.Эти фотоны высокой энергии имеют высокую частоту, которая виден человеческому глазу.

Эффективность генерация света в светодиодах увеличивается с увеличением инжектируемого ток и при понижении температуры.

В светоизлучающем диоды, свет возникает за счет процесса рекомбинации. Рекомбинация носителей заряда происходит только при условие прямого смещения.Следовательно, светодиоды работают только в прямом направлении. условие смещения.

Когда светоизлучающий диод смещен в обратном направлении, свободные электроны (большинство носители) с n-стороны и дырки (мажоритарные носители) с p-сторона удаляется от стыка. В результате ширина область истощения увеличивается и нет рекомбинации заряда носители бывают. Таким образом, свет не производится.

Если обратное смещение напряжение, приложенное к светодиоду, сильно увеличено, устройство может также быть поврежденным.

Все диоды излучают фотоны или свет, но не все диоды излучают видимый свет. В материал в светодиодах выбирается таким образом, чтобы длина волны выпущенных фотонов попадает в видимый часть светового спектра.

Светоизлучающий диоды можно включать и выключать с очень высокой скоростью 1 нс

Светоизлучающий диод (LED) символ

Символ светодиода похож на обычный диод с p-n переходом, за исключением того, что он содержит стрелки, указывающие от диода, указывающие, что свет излучается диодом.

Доступно

светодиода в разных цветах. Наиболее распространенные цвета светодиодов: оранжевый, желтый, зеленый и красный.

Схема символ светодиода не отображает цвет света. В схематический символ одинаков для всех цветов светодиодов. Следовательно, это невозможно определить цвет светодиода по его символ.

светодиод строительство

Один из способов Используется для создания светодиода, чтобы нанести три полупроводниковых слоя на подложке.Три полупроводниковых слоя, нанесенные на Подложка — полупроводник n-типа, полупроводник p-типа и активная область. Активная область находится между Полупроводниковые слои n-типа и p-типа.

Когда светодиод горит вперед смещенные, свободные электроны из полупроводников и дырок n-типа из полупроводника p-типа подталкиваются к активному область, край.

Когда свободные электроны с n-стороны и дырки с p-стороны рекомбинируют с противоположным носители заряда (свободные электроны с дырками или дырки со свободными электронов) в активной области невидимый или видимый свет испускается.

В светодиодах большая часть носители заряда рекомбинируют в активной области. Таким образом, большинство свет излучается активной областью.Активная область также называется областью истощения.

Смещение светодиода

Безопасный форвард номинальное напряжение большинства светодиодов составляет от 1 В до 3 В и выше. номинальный ток от 200 мА до 100 мА.

Если напряжение применяется к светодиоду, находится в диапазоне от 1 В до 3 В, светодиод работает отлично потому что ток для приложенного напряжения находится в рабочий диапазон.Однако, если напряжение, приложенное к светодиоду, увеличился до значения более 3 вольт. Истощение область в светодиоде выходит из строя и электрический ток внезапно встает. Это внезапное повышение тока может разрушить устройство.

Чтобы избежать этого, мы нужно поставить резистор (R s ) последовательно со светодиодом. Резистор (R s ) должен быть помещен между источником напряжения (Vs) и светодиодом.

Резистор установлен между светодиодом и источником напряжения называется ограничением тока резистор. Этот резистор ограничивает дополнительный ток, который может разрушить светодиод. Таким образом, токоограничивающий резистор защищает светодиод. от повреждений.

Текущий текущий через светодиод математически записывается как

Где,

I F = Прямой ток

В S = Напряжение источника или напряжение питания

V D = падение напряжения на светодиоде

R S = резистор или токоограничивающий резистор

Падение напряжения — это количество напряжения, потраченного впустую, чтобы преодолеть область истощения барьер (который приводит к протеканию электрического тока).

Падение напряжения Светодиод составляет от 2 до 3 В, тогда как кремниевый или германиевый диод составляет 0,3 или 0,7 В.

Следовательно, чтобы Для работы светодиода нам нужно подать большее напряжение, чем кремний или германиевые диоды.

Светоизлучающий диоды потребляют больше энергии, чем кремниевые или германиевые диоды, чтобы работать.

Выход характеристики светодиода

Сумма выходной свет, излучаемый светодиодом, прямо пропорционален количество прямого тока, протекающего через светодиод.Более чем прямой ток, тем больше излучаемый выходной свет. График прямого тока относительно выходного света показан в фигура.

Светодиоды видимого диапазона и невидимые светодиоды

светодиодов в основном делятся на два типа: видимые светодиоды и невидимые светодиоды.

Светодиод видимого диапазона тип светодиода, излучающего видимый свет.Эти светодиоды в основном используется для отображения или освещения, где используются светодиоды индивидуально без фотосенсоров.

Невидимый светодиод — это тип светодиода, излучающего невидимый свет (инфракрасный свет). Эти Светодиоды в основном используются с фотодатчиками, такими как фотодиоды.

Что определяет цвет светодиода?

Используемый материал для построения светодиода определяет его цвет.Другими словами, длина волны или цвет излучаемого света зависит от запрещенный зазор или энергетический зазор материала.

Разные материалы испускать разные цвета света.

Светодиоды из арсенида галлия излучают красный и инфракрасный свет.

Светодиоды из нитрида галлия излучают ярко-синий свет.

Светодиоды на иттриевом алюминиевом гранате излучают белый свет.

Светодиоды из фосфида галлия излучают красный, желтый и зеленый свет.

Алюминиевые светодиоды из нитрида галлия излучают ультрафиолетовый свет.

Светодиоды из фосфида алюминия-галлия излучают зеленый свет.

Преимущества Светодиод

  1. яркость света, излучаемого светодиодами, зависит от силы тока протекает через светодиод. Следовательно, яркость светодиода может быть легко управляется изменением силы тока.Это делает возможность работы светодиодных дисплеев в различных условиях окружающей среды условия освещения.
  2. Светодиоды потребляют мало энергии.
  3. Светодиоды
  4. очень дешевы и легко доступны.
  5. Светодиоды
  6. имеют малый вес.
  7. Меньший размер.
  8. Светодиоды
  9. имеют более длительный срок службы.
  10. Светодиоды
  11. работают очень быстро.Их можно включать и выключать в очень меньше времени.
  12. Светодиоды
  13. не содержат токсичных материалов, таких как ртуть. в люминесцентных лампах.
  14. Светодиоды
  15. могут излучать разные цвета света.

Недостатки светодиодов

  1. светодиодов нужно больше мощности для работы, чем обычные диоды с p-n переходом.
  2. Световая отдача светодиодов низкая.

Приложения светодиодов

      Различные применения светодиодов следующие

        1. Системы охранной сигнализации
        2. Калькуляторы
        3. Картинные телефоны
        4. Светофоры
        5. Вычислительные цифровые
        6. Мультиметры
        7. Микропроцессоры
        8. Цифровые часы
        9. Автомобильные тепловые лампы
        10. Вспышки для фотоаппарата
        11. Авиационное освещение

        Типы диодов

        различные типы диодов следующие:

        1. стабилитрон диод
        2. Лавинный диод
        3. Фотодиод
        4. Свет Излучающий диод
        5. Лазер диод
        6. Туннель диод
        7. Шоттки диод
        8. Варактор диод
        9. П-Н переходной диод
              Светодиод

              < Что такое светодиоды и как они работают? > | Основы электроники

              Что такое светодиоды?

              Светодиоды

              — это полупроводники, называемые «светоизлучающими диодами».Белые светодиоды, которые получили практическую реализацию благодаря использованию синих светодиодов высокой яркости, разработанных в 1993 году на основе нитрида галлия, привлекают повышенное внимание как 4-й тип источника света.

              Как светодиоды излучают свет?

              Светодиоды

              (светоизлучающие диоды) представляют собой полупроводниковые источники света, которые объединяют полупроводник P-типа (большая концентрация дырок) с полупроводником N-типа (большая концентрация электронов). Приложение достаточного прямого напряжения заставит электроны и дырки рекомбинировать в P-N переходе, высвобождая энергию в виде света.

              По сравнению с традиционными источниками света, которые сначала преобразуют электрическую энергию в тепло, а затем в свет, светодиоды (Light Emitting Diodes) преобразуют электрическую энергию непосредственно в свет, обеспечивая эффективное производство света с небольшими потерями электроэнергии.

              Типы светодиодов

              Доступны светодиоды двух типов: ламповые (с выводами) и микросхемы (для поверхностного монтажа). Пользователи могут выбрать идеальный тип на основе установленных требований.

              Длина волны и цвет

              Цвет светодиода (длина волны излучения) будет меняться в зависимости от используемых материалов.Это позволяет настроить цвет в соответствии с определенными спецификациями длины волны, необходимыми для приложений, которые используют традиционные лампы в качестве источников света (для которых существуют стандарты), таких как светофоры и автомобильные лампы.

              Для обозначения цвета используются две спецификации длины волны: λP (пиковая длина волны) и λD (доминирующая длина волны), при этом λD соответствует цвету, фактически наблюдаемому человеческим глазом.

              Как создается белый свет?

              Есть несколько методов получения белого света с помощью светодиодов.Ниже приведены 2 типичных метода эмиссии.

              Синий светодиод + Желтый люминофор

              Комбинация синего светодиода с желтым люминофором, который является дополнительным цветом, дает белый свет. Этот метод проще других решений и обеспечивает высокую эффективность, что делает его наиболее популярным выбором на рынке.

              Красный светодиод + Зеленый светодиод + Синий светодиод

              Сочетание трех основных цветов приведет к белому свету. Обычно этот метод используется не для освещения, а для полноцветных светодиодных устройств.

              Светоизлучающий диод
              LED К странице продукта

              Линейка светоизлучающих диодов

              ROHM включает в себя светоизлучающие диоды с боковым излучением, с задним креплением и тип лампы в дополнение к стандартным типам SMD.

              Как работает светодиод »Электроника

              Используемые полупроводниковые технологии и материалы являются ключом к пониманию того, как работают светодиоды.


              Light Emitting Diode Tutorial Включает:
              LED Как работает светодиод Как делается светодиод Технические характеристики светодиодов Срок службы светодиода Светодиодные пакеты Светодиоды высокой мощности / яркости Светодиодное освещение Органические светодиоды, OLED

              Другие диоды: Типы диодов


              Светодиодная технология считается само собой разумеющимся, поскольку светодиоды широко используются.Однако используемые технологии и материалы являются ключом к пониманию того, как работает светодиод.

              Хотя основной PN переход использовался в течение многих лет, только в 1962 году был разработан светодиод, и его действие стало понятным.

              Светодиод, символ цепи светодиода

              Светодиодная технология: как работает светодиод

              Светодиод — это специализированная форма PN-перехода, в которой используется составной переход. Полупроводниковый материал, используемый для перехода, должен быть составным полупроводником.Обычно используемые полупроводниковые материалы, включая кремний и германий, представляют собой простые элементы, и переходы, сделанные из этих материалов, не излучают свет. Вместо этого сложные полупроводники, включая арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия, являются составными полупроводниками, и переходы, сделанные из этих материалов, действительно излучают свет.

              Эти сложные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые занимают их составляющие. Что касается арсенида галлия, галлий имеет валентность три, а мышьяк — пять, и это то, что называется полупроводником группы III-V, и есть ряд других полупроводников, которые подходят к этой категории.Также возможно использование полупроводников, изготовленных из материалов III-V групп.

              Как работает светодиод

              Светодиод излучает свет при прямом смещении. Когда к переходу прикладывается напряжение, чтобы сделать его смещенным в прямом направлении, течет ток, как в случае любого PN перехода. Дырки из области p-типа и электроны из области n-типа входят в переход и рекомбинируют, как обычный диод, чтобы позволить току течь. Когда это происходит, высвобождается энергия, часть которой находится в форме световых фотонов.

              Обнаружено, что большая часть света излучается из области перехода, более близкой к области P-типа. В результате конструкция диодов сделана так, чтобы эта область сохранялась как можно ближе к поверхности устройства, чтобы гарантировать, что минимальное количество света поглощается структурой.

              Для получения видимого света необходимо оптимизировать соединение и выбрать правильные материалы. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра.Чтобы довести световое излучение до видимого красного конца спектра, к полупроводнику добавляют алюминий, чтобы получить арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Также можно добавить фосфор, чтобы получить красный свет. Для других цветов используются другие материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия, индия, галлия используется для желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основано на полупроводниках галлия.

              Светодиодные материалы и цвета света

              Длина волны
              Диапазон (нм)
              Цвет В F при 20 мА Материал
              <400 Ультрафиолет 3.1 — 4,4 Нитрид алюминия (AlN)
              Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
              Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN)
              400–450 фиолетовый 2,8 — 4,0 Нитрид индия-галлия (InGaN)
              450–500 Синий 2,5 — 3,7 Нитрид индия-галлия (InGaN)
              Карбид кремния (SiC)
              500–570 зеленый 1.9 — 4,0 Фосфид галлия (GaP)
              Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)
              Фосфид алюминия-галлия (AlGaP)
              570–590 желтый 2,1 — 2,2 Фосфид арсенида галлия (GaAsP)
              Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)
              Фосфид галлия (GaP)
              590 — 610 оранжевый / янтарный 2,0 — 2,1 Фосфид арсенида галлия (GaAsP)
              Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaUInP)
              Фосфид галлия (GaP)
              610–760 Красный 1.6 — 2,0 Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs)
              Фосфид арсенида галлия (GaAsP)
              Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP)
              Фосфид галлия (GaP)
              > 760 Инфракрасный <1,9 Арсенид галлия (GaAs)
              Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs)

              Другие электронные компоненты: Резисторы
              Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
              Вернуться в меню «Компоненты».

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *