Из чего состоит светодиод

Светодиод (сокращенно СИД — светоизлучающий диод, в английском варианте LED — light emitting диодs) — это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным p-n переходом или контактом металлполупроводник, генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое (видимое, УФ, ИК) излучение.

Напомню, что p-n-переход — это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов — «n-тип», второй с избытком дырок — «p-тип»). Если к p-n переходу приложить «прямое смещение», т. е. подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток.

Нас интересует, что происходит после того, как через прямо смещенный p-n переход пошел ток, а именно момент рекомбинации (соединение) носителей электрического заряда — электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны «находят пристанище» в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света — фотона.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой. Для этого полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Но чтобы соблюсти оба условия, одного р-n-перехода в кристалле оказывается недостаточно. Приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры. За изучение этих структур российский физик Жорес Ж. И. Алферов (академик, директор Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, лауреат Ленинской премии) получил золотую медаль Американского физического общества за исследования гетероструктур на основе Ga1-xAlxAs еще в 70-х годах.

В 2000 г., когда стало ясно, как велико значение этих работ для развития науки и техники, насколько важны их практические применения для человечества, ему была присуждена Нобелевская премия.

Какое строение имеет светодиод?

Самая распространенная конструкция светодиода — традиционный 5-миллиметровый корпус. Конечно, это не единственный вариант

«упаковки» кристалла. На рис. 1 показано строение традиционного 5-миллиметрового светодиода.

Светодиод имеет два вывода — анод и катод. На катоде расположен алюминиевый параболический рефлектор (отражатель). Он внешне выглядит, как чашеобразное углубление, на дно которого помещен светоизлучающий кристалл.

24. Принцип работы светодиода. Электроника для начинающих

Рис. 1. Строение традиционного 5-миллиметрового светодиода

Активный элемент — полупроводниковый монокристалл — в большинстве современных 5-мм светодиодах используется в виде кубика (чипа) размерами 0,3´0,3´0,25 мм, содержащего р-n или гетеропереход и омические контакты.

Кристалл соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Оптически прозрачный полимерный корпус являющийся одновременно фокусирующей линзой вместе с рефлектором определяют угол излучения (диаграмму направленности) светодиода.

Строение мощных светодиодов

Принципы получения белого свечения

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB круг» и сделало возможным получение светодиодов белого свечения. Существует 4 способа создания белых СД со своими достоинствами и недостатками. Первый способ — смешение излучения СД трех или более цветов.

Рис. 2. Получение белого света путемсмешивания излучения красного,зеленого и синего светодиодов

На рис. 2 показано получение белого света путем смешивания в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов.

В принципе, такой способ должен быть наиболее эффективным. Для каждого из СД — красного, зеленого или синего можно выбрать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего квантового выхода излучения. Но при этих J (ток СД) и V (рабочее напряжение СД) интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям, необходимым для результирующих цветовых координат в области белого цвета.

Этого можно достигнуть, изменяя число диодов каждого цвета и составляя источник из многих диодов. Для практических применений этот способ встречает неудобства, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких или более СД.

Примечание. Даже наиболее качественные RGB-светодиоды характеризуются тем, что получаемое при освещении ими поверхности световое пятно хотя и является по большей площади белым без каких-либо оттенков, но, тем не менее, по его краям все равно выделяются цветные полосы, имеющие форму дуг.

Обусловлено это тем, что кристаллы, излучающие синий, красный и зеленый свет, естественно, несколько разнесены друг от друга в светодиоде.

Рис. 3. Получение белого света с помощью излучения синего кристаллаи желтого люминофора

Второй способ — смешение синего излучения СД с излучением желто-зеленого люминофора. На рис. 3 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.

Этот способ наиболее прост и в настоящее время наиболее экономичный. Состав кристалла с гетероструктурами на основе InGaN/ GaN подбирается так, чтобы его спектр излучения соответствовал спектрам возбуждения люминофоров. Кристалл покрывается слоем геля с порошком люминофора таким образом, чтобы часть синего излучения возбуждала люминофор, а часть — проходила без поглощения.

Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчитываются и подбираются так, чтобы спектр имел белый цвет в нужном телесном угле. Сейчас исследуется около десятка различных люминофоров для белых СД. На рис. 4 показано строение 5 мм светодиода, излучающего белый свет.

Третий способ — смешение излучения трех люминофоров (красного, зеленого и синего), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом. На рис. 5 показано получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора.

Рис. 4. Строение 5 мм светодиода, излучающего белый свет

Этот способ использует принципы и люминофоры, хорошо разработанные в течение многих лет для люминесцентных ламп. Он требует только два контактных ввода на один излучатель. Но этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от диода в люминофорах. Кроме того, эффективность источника излучения уменьшается, т. к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ спектру излучения кристалла СД.

Рис. 5. Получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиодаи RGB-люминофора

Для источников белого цвета важны не только цветовые координаты суммарного спектра разных составляющих излучателя. Многолетние исследования люминесцентных ламп показали, что для цветовых характеристик необходимо учитывать отражение света от поверхностей с различным спектром отражения. Этот учет можно количественно обосновать, эмпирически введя индекс цветопередачи как среднее значение индексов цветопередачи от 8 стандартных цветовых поверхностей.

Определение.

Индекс цветопередачи, Ra — CRI (Color Rendering Index), характери- зует насколько близки к «истинным» будут видны цвета объектов, при рассматривании их в свете СД.

Под «истинными» понимаются цвета, сформированные с использованием тестового источника. Ra принимает значения от 1 до 100:

1 — наихудшая цветопередача; 100 — наилучшая.

Примечание. Индекс более 80 является хорошим показателем, более 90 — отличным.

Суммирование излучения СД более трех цветов дает возможность получить белый свет с индексом цветопередачи близким к 100 %.

Индекс цветопередачи для суммы голубого излучения СД с излучением желто-зеленого люминофора ниже, чем для других способов, но он может быть улучшен применением дополнительного оранжево-красного люминофора.

Для массового применения СД в обычном освещении необходимы психофизиологические исследования зрительного восприятия цвета светодиодов. Будущее покажет, в каких применениях целесообразно использовать белые СД каждого из четырех типов.

принципы построения мощных светодиодов

Конструкции мощных светодиодов основаны на следующих принципах:

— использованы высокоэффективные излучающие гетероструктуры в системах AlGalnP/GaAs. AlGalnP/GaP и InGaN (активная область гетероструктуры содержит либо одиночную, либо множественные квантовые ямы);

— излучающие кристаллы имеют увеличенную площадь S более 1 мм2(вместо 0,05 мм2 в стандартных СИД диаметром 5 мм), увеличение площади кристалла направлено на увеличение рабочего тока, т. е. на увеличение светового потока и снижение теплового сопротивления кристалла;

— для увеличения светового потока в ряде конструкций применяют- ся несколько кристаллов, соединенных как последовательно, так и параллельно-последовательно;

— в качестве кристаллодержателя для улучшения теплоотвода использованы мощные медные или алюминиевые основания (радиаторы);

— для сбора и преобразования бокового излучения кристаллов применены соответствующие рефлекторы;

— для эффективного вывода излучения и формирования заданной диаграммы направленности излучения, конструкции светодиодов содержат полимерную линзу, согласованную по размерам с отражателем бокового излучения, а также в некоторых конструкциях вторичную оптику.

На данный момент широкое распространение получили светодиоды типа Luxeon фирмы Lumileds Lighting. На рис. 6 показано строение мощного светодиода Luxeon.

Подобную конструкцию имеет многие мощные недорогие светодиоды китайских производителей. Конструкция светодиода Luxeon обеспечивает эффективный отвод тепла от кристалла. Значительное количество энергии, подводимой к светодиоду, все еще расходуется на нагрев кристалла. Световая отдача белого светодиода Luxeon при номинальном прямом токе 0,3 А составляет 30–40 лм/Вт. Т. е. это уже больше светоотдачи классических и галогенных ламп накаливания.

Рис. 6. Строение мощного светодиода Luxeon

Светодиоды Luxeon делятся по электрической мощности на следующие серии:

— Luxeon — 1 Вт (однокристальные с прямым рабочим током 350 мА);

— Luxeon III — 3 Вт (однокристальные с прямым рабочим током 0,1 А);

— Luxeon V — 5 Вт (четырехкристальные с прямым рабочим током 0 мА).

Светодиоды Luxeon делятся по исполнению:

— Emitter — единичный светодиод (базовый элемент);

— Star — Emitter на теплоотводящем основании. На рис. 7 показан внешний вид белого светодиода Luxeon Star (кристалл и рефлектор покрыты слоем желтого люминофора). А на рис. 8 показан LuxeonSide Emitting на основании Star. Благодаря специальной конической линзе (обратная линза) имеет круговую диаграмму излучения.

— Star/C — Emitter на квадратном теплоотводящем основании с разъемом.

— Star/O — Emitter с интегрированной вторичной оптикой.

Рис. 7. Внешний видбелого светодиодаLuxeon Star

Рис. 8. Внешний видLuxeon Side Emitting наосновании Star

Рис. 9. Внешний видбелого светодиодаLuxeon Star

Рис. 10. Внешний видсветодиодных модулей Ring 6, Ring 12

На рис. 9 представлены слева направо Luxeon Star/O (с интегрированной вторичной оптикой), Luxeon Star и Luxeon Emitter.

Ring 6, Ring 12 — модуль, состоящий из 6 и 12 светодиодов Star/O, закрепленных на кольцевом основании (рис. 10).

Помимо Lumileds Lighting высокоэффективные (мощностью 1 Вт) светодиоды выпускают и другие известные фирмы производители, например, OSRAM Optosemiconductors выпускает серию Golden DRAGON™. В табл. 1 приведены технические характеристики светодиодов белого света OSRAM, NICHIA, Edixeon мощностью 1 Вт.

Таблица 1 Технические характеристики светодиодовбелого света OSRAM, NICHIA, Edixeon

Тип изделия

Cветовойпоток, лм

Прямой ток номинальный, мА,

Прямое напряжение номинальное, B

уголизлучения, градус

Как устроен светодиод

Светодиод состоит из полупроводникового материала, обычно германия, галлия и индия, примеси, придающей светодиоду желаемый цвет, и электродов. Один из электродов является анодом, а другой — катодом. Между ними имеется активный слой полупроводника, который испускает свет при пропускании тока через него.

Цвет светодиода определяется полупроводниковым материалом и примесью, добавленной к нему. К примеру, германий и галлий арсенид образуют красные светодиоды, а галлий фосфид и арсенид галлия — зеленые. Путем контролируемого добавления различных элементов в полупроводниковую основу можно получить светодиоды разных цветов, включая синий, желтый и белый.

Электрические характеристики

Светодиоды имеют низкое напряжение прямого смещения, обычно около 1,3-3,3 вольта для различных цветов. Они также обладают высокой эффективностью преобразования энергии, что делает их более энергоэффективными по сравнению с традиционными источниками света. Кроме того, светодиоды отличаются долговечностью и малым временем отклика, что делает их идеальными для использования в электронике.

Светодиоды типа DIP (Dual Inline Package) представляют собой классическую версию светодиода, которая используется уже долгое время. Они имеют прямоугольную или круглую форму и два электрода, которые подключаются к источнику питания. Светодиоды типа DIP находят применение в осветительных приборах, сигнальных индикаторах и других электронных устройствах.

Типоразмеры светодиодов

Единого стандарта для технической маркировки типоразмеров светодиодных изделий не существует, поэтому каждый производитель полупроводниковой техники использует свою собственную систему.

Единственной системой, которая применяется для обозначения размеров светодиодов, является общая классификация типоразмеров компонентов поверхностного монтажа, т.е. подходит для светодиодов изготовленных по технологии SMD.

Обозначение на схеме

Традиционным обозначением светодиодов является графический значок обычного диода, помещенный в круг и двумя стрелками, направленными наружу, что указывает на его излучающую способность (в отличие от фотодиода с обратным назначением).

Обозначение светодиода на схеме

Общепринятым обозначением светодиодов на принципиальных электрических схемах выступает латинская аббревиатура HL, что означает по ГОСТ 2.702-2011 — приборы световой сигнализации.

светодиод

Светодиод-это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение.

Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод («минус»), а другой — анод («плюс»).

Схема лампы на светодиодах

Лампы на светодиодах всё более популярны. Цены на светодиоды постепенно снижаются, и замена ламп накаливания на светодиоды выглядит все более привлекательной. Экономичность и долговечность, удешевление и улучшение качественных характеристик светодиодов, располагают к тому, что самодельная лампа на светодиодах это реальность. Лампа на светодиодах своими руками — это здорово.

Несложная схема светодиодной лампы для изготовления в домашних условиях показана на рисунке.

На этой схемы видно, что для питания светодиодов используется мостовой выпрямитель с емкостным балластом, который ограничивает выходной ток. Такие источники питания экономичны и просты, не боятся коротких замыканий, их выходной ток ограничивается емкостным сопротивлением конденсатора. Подобные выпрямители часто называют стабилизаторами тока.

Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного светодиода серии Luxeon, выпускаемой компанией Lumileds, схематически изображена на рисунке.

Принцип работы светодиода заключается в следующем: свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя [1].

Светодиод хорош тем, что в нём, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Рис. 1. Световая отдача различных типов светодиодов в сравнении с другими источниками света

Плох светодиод только одним — ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2 — 3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

Цвет светодиода зависит исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал кпд и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегре­вались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.

Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB-круг» и сделало возможным получение светодиодов белого свечения. Существует четыре способа создания белых СД, каждый со своими достоинствами и недостатками. Один из них – смешение излучения СД трёх или более цветов. На рис. 2 показано получение белого света путем смешивания в определённой пропорции излучения красного, зелёного и синего светодиодов.

В принципе такой способ должен быть наиболее эффективным. Для каждого из СД – красного, зелёного или голубого – можно выбрать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего квантового выхода излучения. Но при этих токах и напряжениях интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям, необходимым для синтеза белого цвета. Этого можно достигнуть, изменяя число диодов каждого цвета и составляя источник из многих диодов. Для практических применений этот способ неудобен, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких СД. Второй и третий способы – смешение голубого излучения СД с излучением либо жёлто-зелёного люминофора, либо зелёного и красного люминофоров, возбуждаемых этим голубым излучением. На рис. 3 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесённого на него слоя жёлтого люминофора [6].

Эти способы наиболее просты и в настоящее время наиболее экономичны. Состав кристалла с гетероструктурами на основе InGaN/GaN подбирается так, чтобы его спектр излучения соответствовал спектрам возбуждения люминофоров. Кристалл покрывается слоем геля с порошком люминофора таким образом, чтобы часть голубого излучения возбуждала люминофор, а часть – проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчитываются и подбираются так, чтобы излучение имело белый цвет в нужном телесном угле. Сейчас исследуется около десятка различных люминофоров для белых СД. На рис. 4 показано строение 5мм светодиода, излучающего белый свет. Четвертый способ – смешение из лучения трёх люминофоров (красного, зелёного и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым светодиодом. На рис. 5 показано получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора. Этот способ использует технологии и материалы, которые разрабатывались в течение многих лет для люминесцентных ламп. Он требует только два контактных ввода на один излучатель. Но этот способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от диода в люминофорах. Кроме того, эффективность источника излучения уменьшается, т.к. разные люминофоры имеют разные спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ-спектру излучения кристалла СД. Светоотдача белых СД ниже, чем светоотдача СД с узким спектром, поскольку в них происходит двойное преобразование энергии, часть её теряется в люминофоре. В настоящее время светоотдача лучших белых СД 25. 30 лм/Вт.

Свойства и характеристики светодиодов

Светодиод – низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

Реакция светодиода на повышение температуры такова: p-n-переход – это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий собой соединённые вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов – «n-тип», второй с избытком дырок – «p-тип»). Если к p-n переходу приложить «прямое смещение», т.е. подсоединить источник электрического тока плюсом к р-части, то через него потечёт ток. Современные технологии позволяют создавать интегральные схемы, содержащие огромное количество p-n переходов на одном кристалле; так, в процессоре Pentium-IV их количество измеряется десятками миллионов [1].

Нас интересует, что происходит после того, как через прямо смещённый p-n переход пошёл ток, а именно момент рекомбинации носителей электрического заряда – электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны «находят пристанище» в положительно заряженных ионах кристаллической решётки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света – фотона. В случае безизлучательной рекомбинации энергия расходуется на нагрев вещества. В природе существует как минимум 5 видов излучательной рекомбинации носителей зарядов, в том числе так называемая прямозонная рекомбинация. Впервые это явление в далёкие 20-е годы исследовал О.В. Лосев, наблюдавший свечение кристаллов карборунда (карбид кремния SiC). Для большинства полупроводниковых диодов это явление – просто «побочный эффект», не имеющий практического смысла. Для светодиодов же излучательная рекомбинация – физическая основа их работы.

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Применение и недостатки светодиодов

Изобретение первых светодиодов — полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку — относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными -газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения — максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Светодиодный модуль — многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.

Есть надежность совершенно особого рода — та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.

Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.

Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

Поверхностный взгляд на использование светодиодов сразу отмечает их высокую стоимость – главный недостаток по сравнению с лампами накаливания и неоновыми трубками различных типов. Если говорить о цене изделия как таковой, то LED-изделия действительно «не каждому по карману». До сих пор затраты на светодиодные модули — два раза выше стоимости неонового изделия аналогичной яркости. Однако производители по всему миру продолжают наращивать мощности по изготовлению светодиодов, и цены на данные источники света неуклонно понижаются. Практика показывает, что совокупные затраты на приобретение и эксплуатацию светодиодных изделий, в конечном итоге оказываются в 2 — 2,5 раза ниже затрат на обычные светильники.

Также недостатком при использовании светодиодов в конструировании объемных букв средних и крупных размеров можно считать их миниатюрность, из-за которой требуется объединять многочисленные отдельные светодиоды в группы. Чтобы обеспечить яркий и красочный свет, мгновенно привлекающий внимание, требуется большое количество светодиодов. В данном случае возникает необходимость использования универсальных модулей: один или два светодиода, которые можно интегрировать практически в любой рекламный образ.

Где применяют светодиоды?

все виды световой рекламы (вывески, щиты, световые короба и др.)

архитектурная и ландшафтная подсветка

одноцветные дисплеи с бегущей строкой

магистральные информационные табло

полноцветные дисплеи для больших видео экранов

внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах

дорожные знаки и светофоры

Другие сферы применения включают подсветку жидкокристаллических дисплеев в сотовых телефонах, цифровые камеры, а также архитектурное и другие виды освещения. Сектор электронного оборудования включает применение светодиодов в качестве индикаторных ламп в промышленных и потребительских товарах.

Все о светодиодах (LED).

Все быстрее растет популярность светодиодов и все шире становится территория применения их в светотехнике. Потребители, производители и продавцы стараются не отставать от современных нововведений, но лишь дизайнеры в полной мере ощутили все уникальные возможности светодиодов. Время, когда интерес к светодиодам проявляли лишь ученые, давно прошло. В наши дни тема «светодиоды» никого не удивит и поговаривают, что перспектива использования исключительно светодиодов очень реальна.

Уникальный свет по своим характеристикам излучается светодиодами, именно этими свойствами активно пользуются современные дизайнеры в области работы со светом и интерьерного оформления. Не перестает излучать и оптимизмом, который доказывается все большим спросом.

Но нельзя полностью раскрыть преимущества и недостатки светодиодов, не поговорив о его сущности.

Что же представляет собой светодиод?

Светодиод – прибор полупроводниковый, принцип работы которого заключается в преобразовании электрического тока в световое излучение. На английском: diode, light emitting или LED.

Структура светодиода.

Состоит светодиод из кристалла полупроводникового на подложке, оптической системы и корпуса с контактными выводами. Раньше применялись корпусные светодиоды для индикации, в наше время светодиоды значительно отличаются от первичных. На рисунке схематически представлена конструкция современного светодиода.

Особенности светодиода.

В сравнении с лампой накаливания и люминесцентной лампой, электрический ток преобразуется в светодиоде в световое излучение, что теоретически позволяет сделать это без потерь. На практике светодиод при должном теплоотводе имеет минимальный нагрев, что придает незаменимость для некоторых приложений. В узкой части светодиодного спектра излучается чистым цветом, а это особенно ценно для дизайнеров, при этом важно, что ИК и УФ излучения отсутствуют. Срок службы достигает ста часов (а это почти в сто раз больше срока службы лампы накаливания и в десять раз больше срока люминесцентной лампы!), в связи с исключительной надежностью и механической прочности. Необходимо отметить и высокую безопасность прибора, так как светодиод низковольтный.

Получение белого света с помощью светодиода.

Различают 3 способа получения белого света с помощью светодиода:

  1. Смешивание цветов (технология RGB). Красные, зеленые и голубые светодиоды плотно размещены на одной матрице, излучение их смешивается с помощью линзы (или другой оптической системы). Итог – белый свет.
  2. Принцип люминесцентной лампы. Светодиод излучает в ультрафиолетовом диапазоне, а на его поверхность наносится 3 люминофора, которые излучают красным, голубым и зеленым светом.
  3. Заключается в нанесении на голубой светодиод зеленого, желто-зеленного и красного люминофора. Все или только два излучения смешивается и образуется близкий к белому или белый свет.

Рис. 1. Световая отдача различных типов светодиодов в сравнении с другими источниками света

Оптические и электрические характеристики светодиодов.

Как уже говорил, светодиоды являются низковольтными приборами и применяются для индикации, потребляя 2-4В постоянного напряжения при 50мА токе. Светодиод, используемый для освещения, имеет такое же потребление напряжения, но при токе от нескольких сотен мА до А в проекте. Включение отдельных светодиодов в модуле может быть последовательным, а суммарное напряжение при этом более высокое (12 или 24 В).

Светодиод может выйти из строя, если при его подключении не соблюдать полярность. Для светодиода изготовителем определяется напряжение пробоя и составляет 5В. Характеристики яркости: световой поток, осевая сила света, диаграмма направленности. Разные конструкции светодиодов позволяют излучать свет в телесном углу 4-1400. Длина волны, цветовая температура и координаты цветности определяют цвет.

Сравнение эффективности светодиодов и других источников происходит с помощью светоотдачи – величина светового потока на 1 В электрической мощности. Цена 1 люмена – интересная маркетинговая характеристика.

Необходимость стабилизации тока через светодиод.

Совсем незначительные перемены напряжения приводят к большим переменам тока, поскольку в рабочем режиме ток имеет экспоненциальную зависимость от напряжения. А яркость светодиода нестабильна из-за прямой пропорциональности светового выхода к току, исходя из этого, появляется необходимость стабилизировать ток. Кроме этого, если ток превышает допустимый предел, то происходит перегрев, что приводит к ускоренному старению светодиода.

Регулируется ли яркость светодиода?

Да, очень хорошо регулируется яркость светодиодов за счет метода широтно–импульсной модуляции (ШИМ). Для этого необходим управляющий блок, который в реальности может быть совмещен с конвертером, блоком питания и контроллером управления цветом RGB матрицы. Суть метода: на светодиод подается импульсно-модулированный ток, сигнальная частота составляет сотни или тысячи Гц, а импульсная ширина может измениться. Светодиод не гаснет, а средняя яркость – управляема. При процессе диммирования в светодиоде небольшая перемена цветовой температуры несравнима со смещением для ламп накаливания.

Важно отметить, что за счет снижения напряжения питания нельзя регулировать яркость светодиода.

Срок службы светодиода.

Существует мнение, что светодиод исключительно долговечен, но это ошибочное мнение. Разберемся почему. Температура светодиода повышается в процессе службы после постоянного пропускания тока, а значит, старение наступает быстрее при увеличении пропуска тока. В связи с этим относительно короче срок службы у мощных светодиодов по сравнению с маломощными, и в настоящее время составляет от 20 до 50 тысяч часов. Старение характеризуется уменьшением яркости, а когда происходит снижение от 30% до 50%, то светодиод необходимо заменить.

Существует ли вред светодиодного света для глаз?

Из-за монохроматического спектра излучения, светодиод имеет кардинальное отличие от спектра лампы накаливания и солнечного спектра. Но сказать плохо это или хорошо точно нельзя, так как исследований в этой области не проводилось, а данных о вреде воздействия светодиода на человеческий глаз нет. Но все-таки надежда, что серьезное изучение влияния светодиода на человеческий глаз все-таки состоится.

Целесообразное применение светодиодов.

Практически во всех светотехнических областях нашли свое применение светодиоды. Исключение является лишь освещение производственных территорий, хотя для аварийного освещения они все-таки используются. Из-за чистого цвета, светодиоды пользуются огромной популярностью в дизайнерском освещении и в светодинамических системах. В местах, где высокие требования электробезопасности, жесткая экономия электроэнергии, частое и дорогое обслуживание очень выгодно применение светодиодов.

Возможности светодиодов и их применение.

Первые светодиоды, в 60х годах 20 века, были изобретены в эпоксидной оболочке, которые при подключении к электротоку выделяли монохроматический свет. До 80х годов массовое применение их как источников света было ограничено высокими затратами на производство, низкой яркостью и отсутствием светодиодов белого и синего цвета. Поэтому применение светодиоды находили лишь для наружных электронных табло, которыми оборудовали системы для регулирования дорожного движения, медицинское оборудование и оптоволоконные системы.

До начала 21 века появление синих, белых и сверх ярких диодов, постоянное снижение рыночной стоимости, привлекло внимание производителей к такому виду источника света. Стали использовать светодиоды как индикаторы режимов работы электронных устройств, а также для подсветки ЖК экранов мобильных телефонов и другого оборудования. Стремительное развитие и широкое применение светодиодов основных цветов привело к тому, что появилась возможность получения цветов любых оттенков и конструирования из них дисплеев с полноцветной графикой и анимацией.

В связи с малой потребностью в электроэнергии светодиоды стали оптимальным выбором для декоративного освещения, особенно где наблюдаются проблемы с энергетикой.

Главными качествами конкурентоспособности светодиодов по отношению к лампам накаливания и люминесцентным лампам:

  1. срок службы (в 6-8 раз превышает срок люминесцентных ламп);
  2. простота в эксплуатации;
  3. нет необходимости регулярного обслуживания;
  4. антивандальные свойства.

Существенным аспектом, который влияет на отсутствие стремительного распространения, является высокая стоимость светодиода.

Основные преимущества светодиодов.
Экономичность в работе.

Конечно же, главным достоинство для потребителя является экономичность и долговечность прибора. Ресурс использования светодиодов – 100 тыс. часов, что примерно составляет 10-12 лет. В сравнении со сроком люминесцентной или неоновой лампы (10 тыс. часов), светодиоды долговечны. Лампы мы сменим 10-30 раз, а светодиоды до сих пор будут работать, еще и экономят деньги снижая затраты на энергию до 87%.

Удобные светодиоды.

Структура светодиодного модуля многокомпонентная и имеет неприхотливую схему подключения. Возьмем цепочку из полусотни светодиодов, в которой 1-2 неисправных диода не выводят из строя фрагмент и не влияют на световое излучение. Такой огромный ресурс решает проблему с заменой светодиодов. Помимо этого, светодиоды способно функционировать при самых различных температурах.

Надежность.

Существует такая надежность, от которой зависят жизни людей. Светодиоды применяются в устройствах отображения информации, для примера светофоры и дорожные знаки, и это ведет к увеличению расстояния, которое воспринимает человеческий глаз. Именно по этой причине во многих европейских городах нет светофоров, а вместо них светодиодные схемы, которые также используют в надводных и воздушных системах.

Другими важными свойствами светодиодов являются антивандальные качества и прочность. Прибор изготовлен из пластика, что значительно уменьшает возможность повредить светодиод. 3-4 вольта – необходимое напряжение для работы светодиода, поэтому они очень распространены там, где требуются повышенные меры безопасности или отсутствует высокое напряжение. Применение проводов с сильной изоляцией большого сечения не требуется при низком напряжении и это значительно облегчает подключение к сети. Существует порог срабатывания у газоразрядных трубок и для загорания источника света необходимо подать напряжение. А светоизлучающие диоды при подключении к сети сразу излучают свет и яркость, возможно, регулировать путем изменения напряжения. Также важным достоинством является устойчивость к низким температурам. Этого свойства не хватает газоразрядным источникам, так как при минусовой температуре у них возникают проблемы с неоном.

Эстетически красивый вид.

Если бы технологии LED не были изобретены, то обязательно их придумали дизайнеры. Светодиоды имеют неограниченные возможности для манипуляций с цветовым спектром. Практически незаметные плавные световые переходы для человеческого глаза уступают живописи по выразительности, но далеко впереди по сравнению с другими источниками света. Уникальная светодинамика светодиодных модулей удовлетворит желания самого великого дизайнера. Важно заметить, что не только эстетическое, но и экологическое значение имеет своеобразная игра со спектром: спектры, комфортные для глаза человека, часто бывают, дискомфортны для растительности. Для решения такой проблемы применяется зональное разделение растений и человеческой зоны.

Компактность и представительный вид.

Нельзя не сказать о компактности прибора. Очень выразительный и необычный вид приобретают стенды, украшенные светодиодами. Со временем в некоторых развитых странах возрастает доля рынка таких изделий и символом такой своеобразной революции является светодиодное полотно в 500 м над главной улицей Las-Vegas.

Недостатки светодиодов.
  1. Высокая стоимость.
    Является главным недостатком таких приборов. Затраты на светодиоды в 2 раза превышают стоимость неонового изделия такой же яркости. Но в современном мире растет конкуренция и объемы производства, что со временем медленно, но верно понижают стоимость. По прогнозам специалистов, цены скоро понизятся больше чем в 10 раз.
  2. Сложность конструирования объемных букв и изображений.
    Для этого потребуется объединить огромное количество отдельных светодиодов, которые обеспечат яркий свет и привлекут внимание человека. Поэтому необходимы универсальные модули, которые в дальнейшем будут интегрироваться в разные образы.
Применение светодиодов.
  1. Световая реклама – вывески, борды;
  2. при замене неона;
  3. для дизайна помещений, лестниц и мебели;
  4. ландшафтная и архитектурная подсветка;
  5. дисплеи;
  6. информационные табло;
  7. дисплеи с бегущей строкой;
  8. освещение в автобусах, автомобилях, грузовиках;
  9. светофоры;
  10. подсветка ЖК-дисплеев мобильных телефонов, цифровых камер.
Светодиоды – приборы будущего?

Прогноз специалистов – цены на светодиоды значительно упадут. При таком развитии событий неон, люминесцентные лампы и другие известные источники света уйдут на второй план. Перспектива светодиодов не только в низкой цене, но и в гибкости конструкции, особенно ценно это для дизайнеров и изготовителей рекламы. Очень легко объединить светодиоды в разные формы и фигуры и также легко присоединить к любой поверхности. Автономное использование осветительных приборов отходит на второстепенный план и теперь модно и удобно встраивать свет в объекты, что придает интерьеру фантастический вид и освобождает зрительное пространство.

Восхитительное зрелище формируют используемые светодиоды насыщенного цвета в зонировании пространства и создании цветовых акцентов. Очень интересно наблюдать за внедрением светодиодных технологий в нашу жизнь. При сочетании конструкций из светодиодов создаются необычные и удивительные формы для дизайна привычных помещений.

Остро стоит вопрос о наружном освещении. Обслуживание такого вида освещения очень сложное и поэтому здесь находят свое применение светодиоды. Характеристики модулей светодиодов значительно превышают альтернативы, а стоимость в процессе эксплуатации оказывается вполне сравнимой. Насыщенный и яркий свет светодиодных модулей незаменим при подсветке воды и фонтанов. С помощью светодиодного освещения можно создавать захватывающие дух картины. Необходимость светодиодов в современном мире очевидна.

Перевод статьи опубликованной в журналах: lespiedGrafika, Латвия и Reklamos ir Marketingo Idejos, Литва.

Способы подключения

Простейший вариант – подключение к низковольтному источнику постоянного тока.

Самый удобный и безопасный вариант – подключить светодиод к батарейке или аккумулятору с помощью включения в схему маломощного резистора. Его функция – ограничение тока, протекающего через p-n-переход, определенным значением. Без этого элемента LED быстро утратит рабочие свойства.

Светодиоды: виды и схема подключения

Резистор выбирают по сопротивлению и мощности. Расчет сопротивления по формуле:

R = (Uпитания – Uпаспорт.)/Iном., Ом, в которой:

  • Uпитания – напряжение электропитания, В;
  • Uпаспорт. – падение напряжения, паспортное значение, В;
  • Iном. – номинальный ток.

Полученное значение округляют в большую сторону до ближайшей номинальной величины из ряда Е24. После этого рассчитывают мощность, которую должен рассеивать резистор.

P = Iном. 2 х R, где R – выбранное по таблице значение сопротивления.

Провести все эти действия можно быстро и просто с использованием онлайн-калькулятора.

Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания

Существует несколько типов блоков питания:

  • Стабилизированные источники постоянного напряжения для светодиодов на 5 Вольт и 12 Вольт. При колебаниях параметров сети напряжение на выходе такого источника питания остается постоянным и равным заявленной в паспорте величине. LED-светильники подсоединяют через резисторы.
  • Драйвер – импульсный блок питания со стабилизированным током. Характеристики, которые учитывают при его выборе: максимальное и минимальное выходное напряжение, выходной (рабочий) ток. В драйвере присутствует схема, стабилизирующая ток при скачках входного напряжения 220 В. При подключении светодиодного излучателя к драйверу резистор не требуется.

Устройство, конструкция и технологические отличия

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

DIP

DIP светодиод

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

светодиоды

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

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

SMD

SMD светодиод

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

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

COB

cob-matrica

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

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

Принцип работы светодиода

принцип работы LED

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

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

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

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий