Что такое светодиод: Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества

Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели — все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.

Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions — часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен — не нужен.

А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

2. Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.

3. Как работает светодиод?

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.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?

Разумеется, да.

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.

5. Чем хорош светодиод?

В светодиоде, 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 достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

6. Чем 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.

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.

В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания.

По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

8. От чего зависит цвет светодиода?

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.

9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?

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.

Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения — нитрилы алюминия и индия — тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но… проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.

Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире — дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош.

..» — и работы Панкова не поддержали.

Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.

Это сделали японцы — профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.

Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах.

Вот как был получен голубой светодиод.

Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10-20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.

10. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную 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 теплоотводом 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.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

12. Какой из трех способов лучше?

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В 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.

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

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.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

Как видно из рисунка 2, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода.

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?

Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода — то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

18. Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?

Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо — доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.

Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский — крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?

Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.

Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.

В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто — фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.

Одновременно специалисты из группы Бориса Ферапонтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!

Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова — выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.

Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.

22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области.

Рис. 3. Схематическое представления светодиода.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5-2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это технология, требующая высокой культуры.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details — поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?

Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей — электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.

Впрочем, существуют компании, специализирующиеся только на производстве чипов. Это предприятия радиоэлектронной промышленности, и они не занимаются светотехникой. К их числу относится Nichia Corporation.

24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?

Чипы и отдельные светодиоды производят компании Nichia Corporation, Сгее, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core. Массовое производство структур и чипов для светодиодов ведут тайваньские фирмы Lite-On, Taiwan Oasis и др.

В России светодиоды производят компании Корвет Лайт, Светлана Оптоэлектроника, Оптэл, Оптоника. По конструкции и технологическому исполнению наши светодиоды не уступают зарубежным, специалисты перечисленных компаний имеют соответствующие патенты. В Москве и Санкт-Петербурге есть возможность выращивать собственные чипы — например, эпитаксиальная установка имеется в Санкт-Петербургском физтехе, — но для промышленного производства необходимо крупное финансирование, и пока наши компании используют зарубежные чипы.

25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

26. Возможности и применение

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.

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе — мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, — оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.

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.

27. Преимущества

Экономично…

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%!

Удобно…

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.

Надежно…

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.

Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, — 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12 В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.

Красиво…

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.

Представительно…

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.

Что такое светодиод? Устройство светодиода

Светодиод — это полупроводниковый прибор, который преобразует энергию электрического тока в свет.

Сердцем светодиода является nолуnроводниковый кристалл, по структуре напоминающий многослойный торт: он формируется из тонких пленок полупроводников с разными типами проводимости — дырочной и электронной. В зонах их контакта образуются р-п-переходы. Такие многослойные конструкции называются гетероструктурами.

При прохождении электрического тока в области р-п-переходов происходит рекомбинация дырок и электронов, сопровождаемая излучением света. Это излучение может быть красным, желтым, зеленым или синим — в зависимости от состава полупроводников в гетероструктере. Гетероструктуры, состоящие из слоев нитрида галлия (GaN) с определенными примесями, излучают синий свет.

Излучающий кристалл нитрида галлия с площадками для контактных проводов в отрасли принято называть чипом. Чип является ключевым компонентом, на базе которого собирается собственно светодиод.

Чтобы получить белый свет, на чип наносят люминофор — сложную химическую субстанцию, которая возбуждается излучением, исходящим от кристалла, и испускает собственное излучение. «Кристалл покрывают слоем геля с порошком люминофора так, чтобы часть его излучения поглощалась в веществе люминофора и возбуждала его, а часть проходила сквозь люминофор свободно, — поясняет Адександр Юнович, профессор физфака МГУ. — В результате смешение исходного синего свечения ни­трида галлия с желтым свечением люминофора дает белый свет».

Излучающий кристалл, покрытый люминофором и снабженный электрическими контактами, помещают в корпус с встроенной оптической системой — специальной линзой, которая формирует нужный световой пучок. В со­ временных мощных светодиодах предусмотрена также система отвода тепла от кристалла, чтобы исключить его перегрев. Теплоотводом чаще всего являются элементы корпуса диода.

Светодиоды. Характеристики. Достоинства и недостатки.

Светодиоды – это кристаллы, изготовленные или «выращенные» из химических элементов на основе полупроводников. После выращивания помещаются в специальный для каждого вида светодиодов корпус

Что такое светодиоды

Светодиоды – это приборы, излучающие свет, изготовленные с применением полупроводниковых материалов. Они превращают электрический ток, по ним протекающий, в свет, без дополнительных преобразований. Происходит это в результате работы механизма полупроводимости и сопутствующей ему рекомбинации. Полупроводимость и рекомбинация образуются в месте контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. Термин «рекомбинация» по отношению к физике полупроводников означает исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда. Разумеется, что это происходит с выделением энергии.

Светодиоды — обозначение на схеме

Светодиоды обозначаются короткой аббревиатурой буквами кириллицы – СД (светодиод). А также СИД (светоизлучающий диод). Или же латинскими буквами LED (Light Emitting Diode – с английского «светоизлучающий диод»).

Как делают светодиоды

Светодиоды – это кристаллы, выращенные или наращенные из химических элементов на основе полупроводников. Они помещаются в специальный для каждого вида светодиодов корпус. Технологии изготовления светодиодов разнятся в зависимости от вида светодиода. Изготавливают светодиоды с добавлением различных химических элементов. Среди них полупроводники и не полупроводниковые металлы и их соединения. А также легирующие, то есть придающие составу определенные характеристики, примеси.

Изготовление светодиодов

Процесс изготовления светодиодов выглядит, примерно, следующим образом:

Пластины, служащие в качестве подложки будущих кристаллов светодиодов, помещают в специальную герметичную камеру. Такие пластины изготавливают из удобных для наращивания светодиодов материалов. Например, из искусственного сапфира, у которого подходящая для этого кристаллическая решетка. Прежде всего камеру заполняют смесью газообразных химических веществ на основе полупроводников и легирующих добавок. Затем внутренность такой камеры начинают нагревать. В процессе этого нагрева химические элементы, находящиеся до этого в газообразном состоянии, осаждаются на пластинах.

Процесс длится несколько часов. В итоге на подложке наращивается несколько десятков слоев общей толщиной лишь несколько микрон. Отличие в толщине пластины до и после наращивания не различимо на глаз.

Затем с помощью трафарета на пластину напыляются золотые контакты. После чего ее разрезают на мельчайшие части. Каждая такая часть – это отдельный кристалл светодиода со своими контактами. Размеры ее очень малы. По крайней мере, разглядеть ее в деталях можно лишь под микроскопом.

На следующем этапе готовые кристаллы вставляют в корпус. После того, по необходимости покрывают слоем люминофора. Тип корпуса и количество кристаллов зависят от того, где и как данный светодиод будет использоваться.

Все светодиоды отличаются друг от друга как отпечатки пальцев. То есть нет двух идентичных по своим характеристикам светодиодов. Потому на следующем этапе и происходит сортировка светодиодов по двум-трем сотням параметров. Чтобы отобрать наиболее близкие друг другу по мощности, цветовой температуре и другим характеристикам светодиоды.

В конце концов светодиоды проверяют на работоспособность на испытательных стендах. И лишь затем из них изготавливают светодиодные лампы, ленты или используют в других сферах применения.

Виды светодиодов

Существует много видов светодиодов. Прежде всего светодиоды разделяются по применению. В основном по применению светодиоды подразделяются на два вида – индикаторные светодиоды и осветительные светодиоды. Еще светодиоды подразделяются по способу монтажа на монтажную плату. Осветительные и индикаторные светодиоды монтируются разными способами.

Индикаторные светодиоды

Безусловно, индикаторные светодиоды обычно относятся к DIP типу светодиодов (Dual In-line Package). А также другое  название этого типа – DIL (Dual In-Line – англ. двойное размещение в линию). Также этот способ монтажа именуется PHT (Plating Through Holes – англ. через отверстие платы).

Катод (-) короткий вывод, анод (+) длинный вывод двухпинового индикаторного светодиода.

Индикаторные светодиоды

 

К индикаторным можно отнести и светодиоды типа – Super Flux (обычно переводят как сверхяркие),называемые также – пиранья. Это светодиоды различных цветов в квадратном прозрачном корпусе с четырьмя выводами. Используются такие светодиоды в автомобилях, световой рекламе, декоративной подсветке. Цены на светодиоды пиранья по ссылке.

Светодиоды «Super Flux» — Пиранья

Индикаторные светодиоды, как понятно из их названия, используются для индикации работы различных приборов и аппаратов. К примеру, огонек на панели телевизора – это работа индикаторного светодиода.

Индикаторные светодиоды, излучающие невидимый глазу инфракрасный свет, применяются в пультах дистанционного управления. Также индикаторные светодиоды применяются в автомобилях. светофорах, для подсветки LED мониторов и экранов. Отдельно выделяются OLED (Organic Light Emitting Diode), так называемые органические светодиоды. На их основе осуществляется не просто подсветка экранов, а полностью работа OLED мониторов и телевизоров. Посмотреть примерную цену на индикаторные светодиоды можно по ссылке.

Осветительные светодиоды

Для освещения применяют светодиоды, излучающие белый свет. Обычно они подразделяются на излучающие холодный белый, просто белый и теплый белый цвета. Для получения излучения белого света применяется RGB технология (см. Цветовая температура цветодиодов). Пожалуй, это наиболее дешевый и распространенный метод. Однако, при его использовании ухудшается индекс цветопередачи светильников. То есть при таком освещении изменяются для зрительного восприятия цвета освещаемых предметов.

А также существует другой метод получения белого света. Он заключается в том, что светодиод, излучающий невидимый глазу ультрафиолет, покрывается тремя видами люминофора. При прохождении через них ультрафиолета они излучают голубой, зеленый и красный цвета. При смешении этих цветов опять-таки получается излучение белого света.

В-третьих, на голубой светодиод наносят два вида люминофора. Они излучают желтый и зеленый или же красный и зеленый цвет. В результате чего и получают белый свет. Во втором и в третьем вариантах получается эдакая модификация люминесцентной лампы.

SMD Светодиоды

По способу монтажа осветительные светодиоды бывают SMD типа. Surface Mounted Device – англ. прибор. монтируемый на поверхность. Значительную часть SMD светодиода занимает подложка. Она может играть роль теплоотвода, если изготавливается из соответствующих материалов. Например, алюминия или меди. А также подложка играет роль монтажной платы. Контакты светодиода припаиваются к контактным площадкам, которые располагаются на подложке.

SMD светодиоды

Сверху кристалл закрывается линзой или заливается люминофором. Разумеется все зависит от сферы применения светодиода. И уже на контакты корпуса подается напряжение, когда SMD светодиод вмонтирован в прожектор, в потолочный светильник, на светодиодную лампу или светодиодную ленту. На подложке могут располагаться один, два или три светодиода. А также соответственное количество выводов контактов. Опять-таки в зависимости от того, как светодиод будет применяться. Цены на SMD светодиоды в данный момент можно посмотреть по ссылке.

Светодиоды COB типа

Кроме SMD типа существуют светодиоды COB типа (Chip On Board – англ. чип на плате). На одной плате-подложке, служащей теплоотводом, припаивается большое количество кристаллов. Все они покрываются сплошным слоем люминофора соответствующего состава. Получается один большой светодиод с соответствующей яркостью. Такая технология позволяет упростить и удешевить изготовление светодиодных ламп, а также получить больший световой поток с меньшей площади по сравнению с SMD светодиодами.

COB светодиоды

Светодиоды COB удобно использовать для освещения, для чего они практически и так используются. SMD же светодиоды могут применяться не только для освещения, но и как индикаторные или декоративные. Лампа на SMD светодиодах более пригодна для ремонтна. Можно заменить один перегоревший светодиод. А к примеру в лампе на COB светодиодах придется заменить всю плату-подложку. К тому же лампы на COB светодиодах дают простор для действий недобросовестных производителей. Ведь покупатель не может визуально определить количество кристаллов светодиодов в лампе. А также соотнести их с заявленными характеристиками лампы. Приобрести или посмотреть актуальную цену на COB светодиоды можно перейдя по ссылке.

Характеристики светодиодов

Основные характеристики светодиодов подразделяются на электрические и световые. С одной стороны, электрические – это рабочий ток, напряжение, мощность. С другой стороны, световые характеристики светодиодов — световой поток, сила света (эффективность). А также цветовая температура, габариты и угол рассеивания.

Рабочий ток светодиодов

Светодиоды работают только от определенной силы тока. Эта характеристика наиболее важна для работоспособности светодиода. Даже небольшое превышение рабочей силы тока приведет к быстрой деградации светодиода. А в результате выходу его из строя. Чуть более высокое превышение силы тока ведет к мгновенному перегоранию светодиода.

Ток светодиодов, несомненно, зависит от их мощности. Более мощные светодиоды работают на более высоком токе. В светодиодных лампах и светильниках устанавливаются драйвера. Они ограничивают ток именно до тех параметров, которые нужны для светодиодов, установленных в этих приборах. Часто требуется подключить светодиод отдельно. В этом случае необходимо знать его характеристики. Для того чтобы ограничить ток соответствующим драйвером, токоограничивающим резистором или конденсатором.

Напряжение светодиодов

Рабочее напряжение светодиодов зависит от полупроводников и других химических элементов, использованных при изготовлении этих светодиодов. Применение разных типов материалов для изготовления существующих видов светодиодов ведет к излучению света различных цветов. То есть рабочее напряжение можно определить по цвету светодиода. Иначе говоря, светодиоды разных цветов имеют разное рабочее напряжение.

Для питания светодиодных лент и светильников обычно используются драйвера или блоки питания. Как правило у них на выходе 12 вольт постоянного тока. К примеру. От такого источника можно запитать цепочку из последовательно соединенных светодиодов с рабочим напряжением 3 вольта. Исключим в этом примере падение напряжения на токоограничивающем резисторе. Безусловно, такая последовательная цепь может состоять только из четырех светодиодов. Пятый светодиод, если включить его в эту цепь, работать не будет. Каждый из светодиодов, грубо говоря, забирает из 12 вольт питания по 3 вольта.

Эту характеристику светодиода называют напряжением падения. В данном случае у каждого из светодиодов напряжение падения составляет 3 вольта. Другими словами. Падение напряжения – это напряжение, возникающее на выводах светодиода при протекании через него прямого рабочего тока. Эту характеристику иногда и называют рабочим напряжением светодиода. Хотя, строго говоря, таких характеристик, как напряжения питания или рабочее напряжение, у светодиода нет. Как впрочем и у любого диода.

Мощность светодиодов

Мощность светодиода зависит от его рабочего тока и падения напряжения на нем. Падение напряжения разных светодиодов колеблется в диапазоне, примерно, 1,5 – 4 вольта. Рабочий ток индикаторных и маломощных светодиодов обычно составляет 15 – 20 мА. Ток мощных осветительных светодиодов может быть 150, 350, 750 мА и доходить до 1А.

Часто для повышения яркости светодиода используют повышение его рабочего тока до очень больших величин. При этом необходимо помнить.  Применение для светодиодов такого большого тока ведет к их чрезмерному нагреву. А также быстрой деградации и выходу из строя. Хотя этого можно избежать. При условии, что питании светодиодов большим током, для повышения их яркости, использоваться система охлаждения. Для этого применяются достаточно массивные радиаторы из алюминия или даже меди. Более того, в некоторых случаях применяется принудительный обдув воздухом с помощью вентилятора-кулера. Хорошее охлаждение светодиодов при их работе на большом токе снижает риск потери их работоспособности. Однако, но не исключает его совсем.

P=U×I

Чтобы определить мощность (P) светодиода необходимо умножить напряжении (U) на силу тока (I). К примеру, мы возмем максимальные для светодиодов 4 вольта и 1 ампер. В результате мы получим самый мощный светодиод мощностью 4 Ватта. Безусловно, это будет осветительный светодиод. Несомненно, работающий от тока с не характерной, искусственно завышенной для светодиодов, силой.

Поэтому нужно понимать. Если разговор идет о 10 ваттном или даже 100 ваттном светодиоде. Несомненно, имеется в виду лампа или светильник. Они состоят из нескольких штук или десятков штук светодиодов. Или же речь идет о светодиодной сборке, например, COB типа. Иными словами, 100 кристаллов-светодиодов, каждый мощностью 1 Ватт, припаиваются на единую плату. И все это заливается слоем люминофора. Так и получается светодиод мощностью 100 Ватт.

Световые характеристики светодиодов — световой поток, освещенность, световая отдача и угол рассеивания

Осветительные светодиоды испускают более мощный световой поток чем другие источники освещения. Несомненно имеется в виду тоже или меньшее потреблении электрической энергии. В итоге освещенность лампами и светильниками на светодиодах какого-либо пространства выше. Разумеется по сравнению с освещенностью лампами накаливания. А также люминесцентными и другими, такой же или большей мощности. Естественно и световая отдача осветительных светодиодов лучше. То есть они дают большее количество люмен (единиц светового потока) на каждый ватт своей мощности.

С этими характеристиками светодиодных ламп и светильников могут поспорить немногие осветительные приборы.  Несомненно, к ним относятся натриевые газоразрядные лампы низкого и высокого давления. А также в какой-то мере, люминесцентные лампы. Но надо понимать, что все эти отличные качества имеют не все светодиоды. Поскольку все зависит от типа светодиодов и качества их изготовления.

К тому же существует такая характеристика светодиодов, как угол рассеивания света. Например, светодиоды, в отличии от других источников света, характеризуются меньшей величиной этого угла. Угол рассеивания различных ламп без отражателя – 360°. То есть они освещают окружающее пространство во все стороны более или менее равномерно. Угол же рассеивания одного осветительного светодиода может составлять всего 15-120°. Для расширения угла рассеивания применяется рассеивающая линза. С другой стороны, иногда требуется узкий угол рассеивания светодиода. К примеру, для точечного – акцентного освещения. Тогда, в свою очередь, применяется линза собирательная – сужающая луч света.

Пучок света, испускаемый светодиодом, неравномерен по яркости в пределах угла рассеивания. Он наиболее ярок в центре и снижает яркость, по мере приближения к краям этого угла. Для достижения угла рассеивания в 360°, делаются светодиодные сборки из множества светодиодов. Они равномерно светят во все стороны. К примеру, такие как светодиодные лампы типа «кукуруза».

Цвета светодиодов. Цветовая температура светодиодов

Цвета светодиодов могут быть самыми разнообразными – от основных цветов до их оттенков. Цветовая температура индикаторных DIP светодиодов не зависит от цвета корпуса светодиода. Цвет корпуса светодиода лишь показывает каким цветом будет светить данный светодиод. Цвет свечения, то есть цветовая температура, зависит от материалов, из которых изготовлен светодиод. При изготовлении светодиодов применяются различные полупроводники, легирующие добавки и другие химические элементы. А также используются разнообразные технологии производства. Это позволяет получить светодиоды с различной цветовой температурой. Есть множество видов светодиодов в прозрачном корпусе, цвет свечения которых можно определить, лишь включив светодиод.

Существуют также двухцветные светодиоды, с двумя контактами, как и у одноцветного светодиода – анодом и катодом. Смена цветов в них происходит при смене полярности питания. Трехцветные с двумя анодами и общим катодом объединяют в себя два кристалла разных цветов. В зависимости от того, на какие контакты подается питание, светодиод горит одним или другим цветом. А при включении обоих цветов от их смешения получается третий цвет. Чаще всего объединяют красный и зеленый кристаллы светодиодов. При смешении они дают желтый цвет.

Светодиоды RGB типа (Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий) состоят из трех кристаллов. По отдельности кристаллы дают красный. зеленый и синий цвета. При смешении этих цветов через линзу, получают белый свет, применяемый для освещения. Такие светодиоды могут, при управлении через контроллер, светит каждым цветом по отдельности. Или же, при смешении цветов, давать все другие оттенки спектра. К примеру, четырех-пиновый индикаторный светодиод. У него три катода отдельно для каждого кристалла и один общий плюсовой вывод – анодом. Такой светодиод работает именно по такому принципу.

Достоинства и недостатки светодиодов как источников освещения

Достоинства осветительных светодиодов

1. Главное и наиболее широко озвученное достоинство светодиодов — низкое энергопотребление. Такой же световой поток при меньших энергозатратах, чем у других источников света.
2. Соответственно высокая светоотдача.
3. Длительный срок службы.
4. Отсутствие ядовитых паров.

Недостатки осветительных светодиодов

1. Очень высокая цена у качественных светодиодов от известных производителей. Низкие фактические характеристики у некачественных светодиодов от неизвестных производителей и при этом недостаточно низкая цена по сравнению с лампой накаливания.
2. Гарантия известных производителей на качественные светодиоды от 3 до 5 лет. Заявленный срок службы – до 11 лет при постоянной работе. Срок же окупаемости качественной светодиодной лампы – 5 лет.
3. Эффект высокочастотного мерцания при использовании дешевых светодиодных сборок за счет экономии на системе электропитания.
   
4. Для питания светодиодов необходимо применять драйвера или другие источники питания. А для стабильной и долгой службы светодиодов необходимо применять качественные, а значит дорогие источники питания. Гарантийный срок службы этих источников питания может быть и ниже, чем срок службы светодиодов. В результате это значительно удорожает их обслуживание.
5. Применение диммеров -регуляторов для изменения освещенности возможно не для всех видов светодиодных ламп. Устройство этих регуляторов более сложно, чем устройство регуляторов для ламп накаливания. В итоге они более дорогие. Иногда значительно более дорогие.
6. Существуют светодиоды, излучающие белый свет с разной цветовой температурой. Например, от 3 500 – до 7 000 К. Маркетинговые названия – теплый белый свет, белый свет, холодный белый свет. Это не всегда точно соответствуют фактическим характеристикам. Поэтому многим людям реальный свет светодиодной лампы может быть неприятен и действует на них раздражающе.
7. Малый угол рассеивания. Светодиоды дают направленный свет и для получения привычной освещенности может понадобиться большее количество светильников.

Еще о недостатках светодиодов

8. Не существует двух одинаковых светодиодов, с одинаковыми характеристиками. Несколько десятков или даже сотен однотипных ламп накаливания при включении будут светить совершенно одинаково. В то время как, со светодиодными лампами все совсем не так. Все световые характеристики одинаковых светодиодов чуть-чуть различаются, соответственно различаются и собранные из них светодиодные лампы. В частности, характеристики света каждой отдельной лампы будут отличатся от остальных однотипных светодиодных ламп. Световой поток, освещенность, цветовая температура и другие характеристики будут немного различны. Безусловно, даже в одной партии ламп и одного производителя. Скорее всего, при замене будут использоваться лампы другой партии, а может и другого производителя. По всей вероятности, различия в их свечении будут еще более бросаться в глаза. Получается что добиться равномерного и одинакового освещения с помощью светодиодов очень проблематично.

9. По поводу нашумевшего отказа от ламп накаливания в пользу светодиодов можно заметить следующее. Что если повсеместно запретить лампы накаливания? То есть применять для освещения только светодиоды для экономии электроэнергии.  В этом случае электрокомпании просто повысят цену на электроэнергию, чтобы не терять прибыли. А мы будем потреблять меньше, и платить больше. А также покупать дорогие светодиодные лампы.

Светодиоды – чрезвычайно полезные и интересные источники света. Их применение в большинстве случаев оправданно, а в некоторых случаях просто необходимо. Но заменить все остальные осветительные устройства они не в состоянии. И несомненно, должны применяться в наших домах наряду с ними.

А вот и такое мнение существует о светодиодах.

Видео о светодиодах

Похожие записи

Светодиодные лампы для дома

Установка настенного светильника самостоятельно

Виды ламп для освещения помещений

Вы можете прочитать записи на похожие темы в рубрике – Освещение

Ваш Удобный дом

Также рекомендуем прочитать

Что такое светодиоды и где они могу применяться?

В зависимости от эффекта, ставят несколько кристаллов одного или разных цветов. Одного – для повышения мощности, в таком случае они подключаются параллельно и в итоге фокусируются как единый светодиод. Разных – для многоцветного эффекта, например, для индикации (обычно синий-красный, встречается во многих аккумуляторных устройствах как индикатор работы/зарядки) или для отображения большого спектра
цветов (как например RGB-светодиод, способный отобразить все возможные цвета – состоит из 3 кристаллов, красного (R), зелёного (G), синего (B)).

Светодиоды отличаются по длине волны – они способны точно испускать свет определённого спектра, в частности, ультрафиолетовыми светодиодами можно засвечивать фоторезист, а фидосветодиоды ускоряют рост растений.

Граничное напряжение светодиода меняется от 1.9 В (инфракрасный) до 3.7 В (белый). Часто светодиоды собирают в последовательные сборки (например, в дешёвых светодиодных лентах), чтобы запитать, например, 5 2.2-вольтовых светодиодов от 12В, потеряв всего 1В на резисторе.

Если Вы используете светодиоды на большой ток, то, скорее всего, придётся ставить мощные резисторы, на которых всё равно будет теряться большое количество тепла. В таком случае можно использовать импульсные стабилизаторы тока (на основе DC-DC преобразователей или самодельные) – при большом КПД они обеспечивают большой ток и практически не греются! Светодиоды от 100 мА желательно подключать уже именно так.

Понятно, что все светодиоды имеют различные характеристики, но как же найти нужный номинал резистора для правильного подключения светодиода? В этом деле нам поможет давно забытый школьный курс физики, а именно закон Ома.

Для примера, возьмём светодиод с падением напряжения 2В, который нам нужно запитать от 3.3 В. Ток возьмём по среднему для всех «мелких» светодиодов значению – 20 мА, а чтобы не убить его раньше времени – 15 мА. Разница в напряжении между напряжением питания и напряжением, нужным для светодиода, составляет 3.3 – 2 = 1.3 В. Вспоминаем закон Ома для замкнутой цепи – I = U/R.

Преобразуем её относительно сопротивления . Поделим 1.3 на 0.015 (15мА в А), получим 86.7 Ом. Значение крайне нестандартное, поэтому возьмём ближайшее удобное (в большую сторону) – например, 100 Ом. Светодиоду по режиму будет только лучше, а ток изменится незначительно (13 мА) – невооружённым взглядом вы вряд ли заметите это изменение.

Как работают светодиоды и их виды, полярность и расчет резистора

Светодиоды – одни из самых популярных электронных компонентов, использующиеся практически в любой схеме. Словосочетание “помигать светодиодами” часто используется для обозначений первой задачи при проверке жизнеспособности схемы. В этой статье мы узнаем, как работают светодиода, сделаем краткий обзор их видов, а также разберемся с такими практическими вопросами как определение полярности и расчет резистора.

Устройство светодиода

Светодиоды — полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

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.  

Виды светодиодов, классификация

По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды.  Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении.  

По типу исполнения выделяют: 

• Dip светодиоды. Они представляют собой кристаллы, заключенные в цилиндрическую линзу. Относятся к индикаторным светодиодам. Существуют монохромные и многоцветные устройства. Используются редко из-за своих недостатков: большой размер, малый угол свечения (до 120 градусов), падение яркости излучения при долгом функционировании на 70%, слабый поток света. Dip светодиоды

   

• Spider led. Такие светодиоды похожи на предыдущие, но имеют 4 выхода. В таких диодах оптимизирован теплоотвод, повышается надежность компонентов. Активно используются в автомобильной технике.  

• Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам. Smd

   

• Cob (Chip-On-Board) – кристалл установлен непосредственно на плате. К преимуществам такого решения относятся защита от окисления, малые габариты, эффективный отвод тепла и равномерное освещение по всей площади. Светодиоды такой марки являются самыми инновационными. Используются для освещения. На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов. Сверху светодиодная матрица покрывается люминофором. Активно используются в автомобильной индустрии для создания фар и поворотников, при разработке телевизоров и экранов компьютеров.   Cob
• Волоконные – разработка 2015 года. Могут использоваться в производстве одежды.  Волоконные
• Filament также является инновационным продуктом. Отличаются высокой энергоэффективностью. Используются для создания осветительных ламп. Важное преимущество – возможность осуществления монтажа напрямую на подложку из стекла. Благодаря такому нанесению есть возможность распространения света на 360 градусов. Конструкция состоит из сапфирового стекла с диаметром до 1,5 мм и специально выращенных кристаллов, которые соединены последовательно. Число кристаллов обычно ограничивается 28 штуками. Светодиоды помещаются в колбу, которая покрыта люминофором. Иногда филаментные светодиоды могут относить к классу COB изделий. Filament

   

• Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии.  Oled

• В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.  

Светодиоды могут быть:

• мигающими – используются для привлечения внимания;
• многоцветными мигающими;
• трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
• RGB;
• монохромными.

Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения.  

Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К). 

По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света.  

Полярность светодиодов

Полярность светодиодов

При неправильном включении светодиод может сломаться. Поэтому важно уметь определять полярность источника света.  Полярность – это способность пропускать электрический ток в одном направлении.  

Полярность моно определить несколькими способами: 

• Визуально. Это самый простой способ. Для нахождения плюса и минуса у цилиндрического диода со стеклянной колбой нужно посмотреть внутрь. Площадь катода будет больше, чем площадь анода. Если посмотреть внутрь не получится, полярность определяется по контактам – длинная ножка соответствует положительному электроду. Светодиоды типа  SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка, кольцевая полоска.  
• При помощи подключения питания. Путем подачи малого напряжения можно проверить полярность светодиода. Для этого нужен источник тока (батарейка, аккумулятор), к контактом которого прикладывается светодиод, и токоограничивающий резистор, через который происходит подключение. Напряжение нужно повышать, и светодиод должен загореться при правильном включении.  

• При помощи тестеров. Мультиметр позволяет проверить полярность тремя способами. Первый – в положении проверка сопротивления. Когда красный щуп касается анода, а черный катода, на дисплее должно загореться число , отличное от 1. В ином случае на экране будет светиться цифра 1. Второй способ – в положении прозвонка. Когда красный щуп коснется анода, светодиод загорится. В ином случае он не отреагирует. Третий способ – путем установки светодиода в гнездо для транзистора. Если в отверстие С (коллектор) будет помещен катод – светодиод загорится.  
• По технической документации. Каждый светодиод имеет свою маркировку, по которой можно найти информацию о компоненте. Там же будет указана полярность электродов.  

Выбор способа определения полярности зависит от ситуации и наличия у пользователя нужного инструмента.  

Расчет сопротивления для светодиода

Диод имеет малое внутреннее сопротивление. При подключении его напрямую к блоку питания, элемент перегорит. Чтобы этого не случилось, светодиод подключается к цепи через токоограничивающий резистор. Расчет производится по закону Ома: R=(U-Uled)/I, где R – сопротивление токоограничивающего резистора, U – питание источника; Uled – паспортное значение напряжения для светодиода, I – сила тока. По полученному значению и подбирается мощность резистора.  

Важно правильно рассчитать напряжение. Оно зависит от схемы подключения элементов.  

Можно не производить расчет сопротивления, если использовать в цепи мощный переменный или подстроечный резистор. Токоограничивающие резисторы существуют разного класса точности. Есть изделия на 10%, 5% и 1 % – это значит, что погрешность варьируется в указанном диапазоне.  

Выбирая токоограничивающий резистор, нужно обратить внимание и на его мощность. почти всегда, если при малом рассеивании тепла устройство будет перегреваться и выйдет из строя. Это приведет к разрыву электрической цепи.  

Когда нужно использовать токоограничивающий резистор: 

• когда вопрос эффективности схемы не является основным – например, индикация; 

• лабораторные исследования. 

В остальных случаях лучше подключать светодиоды через стабилизатор – драйвер, что особенно это актуально в светодиодных лампах. 

Онлайн – сервисы и калькуляторы для расчета резистора:

Светодиод, LED, LED-лампы

Интерес к светодиодам в последнее время заметно вырос. В СМИ появилось много информации об их замечательных эксплуатационных характеристиках и удивительной экономичности. Что же представляют собой данные конструкции? И так ли они хороши, как описывают их поставщики и производители?

Как устроен светодиод?

Эти приборы относятся к современному поколению осветительной техники. Они представляют собой полупроводники, принцип действия которых основан на непосредственном преобразовании электрического тока в световое излучение. Конструкция LED-лампы (по-английски светодиод звучит как light emitting diode) собирается из:

• полупроводникового кристалла, размещенного на подложке,
• корпуса с несколькими контактными выводами,
• оптической системы.

Поскольку в данном светотехническом устройстве нет ни стеклянных колб, ни нитей накаливания, ему не страшна ударная и вибрационная нагрузка. Но это далеко не единственное достоинство светодиодных конструкций.

В чем преимущества использования светодиодов?

Среди основных достоинств LED-приборов можно назвать:

• Экологическую безопасность (ввиду отсутствия в светодиодных элементах фосфора, свинца и ртути).
• Быстродействие (максимальная яркость с первых секунд).
• Долговечность (производители заявляют о 30-50 тыс. часов службы).
• Оптимальная цветопередача.
• Отсутствие «мигания» света во время работы.
• Устойчивость к перепадам напряжения.
• Приближенное к дневному мягкое освещение.

Можно ли сэкономить на светодиодном освещении?

Данная технология отличается особыми показателями энергоэкономичности. Современное светодиодное освещение не только позволяет избежать потерь энергии при включении, но и обеспечивает минимальное энергопотребление в течение всего срока службы приборов.

Качественная светодиодная лампочка мощностью в 7 Вт сопоставима по световой отдаче с лампой накаливания в 60 Вт. Соответственно, энергии она потребляет меньше в 8-9 раз. При условии ежедневного использования в течение 8 ч такая лампа прослужит вам около 15 лет! (Во всяком случае, так заявляют производители светодиодов). И все это время вы будете экономить на электроэнергии.

Есть ли у светодиодов недостатки?

Таковые тоже имеются. Первый – это цена. Стоят светодиодные лампы недешево. Но если учесть, сколько лет они прослужат и какую дадут экономию, то сумма не покажется такой уж большой. Поэтому высокая стоимость – недостаток относительный. Что интересно, со временем LED-лампы не перегорают, а просто теряют мощность освещения, тускнеют. К их минусам также относят небольшой световой поток, идущий от одного осветительного элемента, и повышенные требования, предъявляемые к питающему источнику.

Где целесообразно применение LED-ламп?

Этот тип осветительных конструкций сегодня применяется почти везде, где требуется светотехника. С их помощью организуется архитектурно-художественная подсветка зданий, устанавливается световая реклама, реализуются интересные дизайнерские решения. Все чаще светодиоды используются на транспорте, для освещения подъездов, световых указателей, освещения автодорог и улиц. При освещении внтурненних помещений и офисов так же довольно часто применяют светильники на основе LED.

Будущее, скорее всего, за LED-освещением, которое на сегодняшний день позволяет достигать максимальных показателей экономичности.

Светодиод — это… Что такое Светодиод?

Элемент — Светодиод

Тип — Активный электронный элемент

Принцип работы — Электролюминесценция

Изобретён — Олег Лосев (1927), Ник Холоньяк (1962)

Впервые создан — 1962

Символьное обозначение —

Пин конфигурация — Анод и Катод

Светодиодная лампа

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.

В 1907 году Генри Джозеф Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.

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

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

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа A^IIIB^V (например, GaAs или InP) и A^IIB^VI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

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

История

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т.Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, изобретя полупроводниковые материалы, специально адаптированные к передачам через оптические волокна.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

Вплоть до начала 1970-х годов американскими учёными светодиоды назывались «Losev Light» «Свет Лосева». В силу того, что в СССР в 1960-е годы такие науки, как кибернетика, генетика были в загоне, то таким мелочам, как светодиоды не уделялось должного внимания как со стороны академии наук, так и со стороны патентных организаций СССР. Постепенно название «Losev Light» упоминалось реже и реже, и постепенно забылось.

Вклад советских учёных

Хотя люминесценцию в карбиде кремния впервые наблюдал Раунд в 1907 году, Олег Лосев в Нижегородской радиолаборатории в 1923 г. показал, что она возникает вблизи спая^[1]. Теоретического объяснения явлению тогда не было.

Виды светодиодов

Светодиод с пластиковой оболочкой-корпусом.		Светодиодный фонарь (панель) для сценического направленного освещения.		Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом фонаре. Яркость свечения сравнима с яркостью лампы накаливания мощностью 15 Вт.		Современные мощные сверх-яркие светодиоды на теплоотводящей пластине с контактами для монтажа.

О. В. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.) формально закрепили за СССР приоритет в области светодиодов^[2], утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.

Характеристики

Обозначение светодиода в электрических схемах

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

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

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 26 апреля 2012.

Цвета и материалы полупроводника

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде, и материал:

	Цвет	длина волны (нм)	Напряжение (В)	Материал полупроводника
	Инфракрасный	λ > 760	ΔU < 1.9	Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
	Красный	610 < λ < 760	1.63 < ΔU < 2.03	Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs) Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
	Оранжевый	590 < λ < 610	2.03 < ΔU < 2.10	Галлия фосфид-арсенид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
	Жёлтый	570 < λ < 590	2.10 < ΔU < 2.18	Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
	Зелёный	500 < λ < 570	1.9[3] < ΔU < 4.0	Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN) Галлия(III) фосфид (GaP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
	Голубой	450 < λ < 500	2.48 < ΔU < 3.7	Селенид цинка (ZnSe) Индия-галлия нитрид (InGaN) Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата Кремний (Si) в качестве субстрата — (в разработке)
	Фиолетовый	400 < λ < 450	2.76 < ΔU < 4.0	Индия-галлия нитрид (InGaN)
	Пурпурный	Смесь нескольких спектров	2.48 < ΔU < 3.7	Двойной: синий/красный диод, синий с красным люминофором, или белый с пурпурным пластиком
	Ультрафиолетовый	λ < 400	3.1 < ΔU < 4.4	Алмаз (235 nm)[4] Нитрид бора (215 nm)[5][6] Нитрид алюминия (AlN) (210 nm)[7] Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) — (down to 210 nm)[8]
	Белый	Широкий спектр	ΔU ≈ 3.5	Синий/ультрафиолетовый диод с люминофором;

Стоимость

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

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

Преимущества

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

• Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами^[9] и металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт.
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
• Спектр современных светодиодов бывает различным — от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.
• Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30% до 100% за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
• Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
• Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж.
• Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 градусов Цельсия.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.

Применение светодиодов

Применение светодиодов

Комнатное освещение		В светофорах		В автомобильных фарах

• В уличном, промышленном, бытовом освещении (в т.ч. светодиодная лента)
• В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах)
• Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами
• В оптопарах
• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах
• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет^[10])
• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.)
• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
• В светодиодных дорожных знаках.
• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.

Органические светодиоды — OLED

OLED дисплей Основная статья: OLED

Многослойные тонкоплёночные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причём время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, для создания приборов ночного видения.

Производство

Наиболее^{[источник не указан 41 день]} крупным производителем светодиодов в мире является компания «Siemens» со своими дочерними предприятиями «Osram Opto Semiconductors» и «Osram Sylvania».

Также крупным производителем светодиодов является «Royal Philips Electronics», политика которого заключается в приобретении компаний, изготавливающих светодиоды. Так, «Hewlett-Packard» в 2005 году продал компании «Philips» своё подразделение Lumileds Lighting, а в 2006 были приобретены «Color Kinetics» и «TIR Systems» — компании с широкой технологической сетью по производству светодиодов с белым спектром излучения.

«Nichia Chemical» — подразделение компании Nichia Corporation, где были впервые разработаны белый и синий светодиоды. На текущий момент ей принадлежит лидерство в производстве сверхъярких светодиодов: белых, синих и зелёных. Помимо вышеперечисленных гигантов, следует также отметить следующие компании: Cree, Emcore Corp., Veeco Instruments, Seoul Semiconductor и Germany’s Aixtron, занимающиеся производством чипов и отдельных светодиодов.

Крупнейшими^[11] производителями светодиодов в России и Восточной Европе являются компании «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». «Оптоган» создана при поддержке ГК «Роснано». Производственные мощности компании расположены в Санкт-Петербурге. «Оптоган» занимается производством как светодиодов, так и чипов и матриц, а также участвует во внедрении светодиодов для общего освещения.
«Светлана-Оптоэлектроника» (г.Санкт-Петербург) — объединяет предприятия, которые осуществляют полный технологический цикл разработки и производства светодиодных систем освещения: от эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур до сложных автоматизированных систем интеллектуального управления освещением.
Также крупным предприятием по производству светодиодов и устройств на их основе можно назвать завод Samsung Electronics в Калужской области.

См. также

Примечания

Ссылки

Определение LED TV | PCMag

Плоский ЖК-телевизор, в котором в качестве источника подсветки используются светодиоды, а не люминесцентные лампы с холодным катодом более ранних версий (см. CCFL). Меньшие по размеру, более энергоэффективные и имеющие больший оптический диапазон, чем люминесцентные, светодиодные телевизоры обеспечивают более глубокий черный цвет и более насыщенные цвета. В 2005 году Sony представила первый светодиодный телевизор.

Хотя светодиодный телевизор на самом деле является ЖК-телевизором со светодиодной подсветкой, промышленность заклеймила их как светодиодные телевизоры, чтобы избежать таких прозвищ, как «телевизор со светодиодной подсветкой» или «ЖК-телевизор со светодиодной подсветкой».«Сегодня большинство телевизоров представляют собой светодиодные телевизоры.

White или RGB
Белые светодиоды дешевле, в то время как красные, зеленые и синие (RGB) светодиоды обеспечивают более богатую цветовую гамму.

Подсветка: Direct Lit, Edge Lit и Full Array
Существует три метода «локального затемнения» подсветки для светодиодных телевизоров, каждый из которых динамически затемняет свет за черными областями изображения, чтобы сделать их темнее.

Более экономичный метод прямого освещения использует светодиоды в разреженный массив на спине.Поскольку светодиоды расположены дальше от экрана, что позволяет каждому свету распространяться на большее количество пикселей, телевизоры с прямым освещением имеют такую ​​же толщину, как и более старые ЖК-телевизоры с люминесцентными лампами CCFL.

Светодиодные телевизоры с боковой подсветкой направляют свет на заднюю часть экрана с боков и позволяют использовать ультратонкие корпуса. Хотя в некоторых конструкциях предусмотрено выборочное затемнение, они не так эффективны, как полный массив. Кроме того, они имеют тенденцию быть ярче по краям, чем в центре.

Полный набор светодиодов покрывает всю заднюю часть экрана.Хотя корпус толще, чем конструкции с боковой подсветкой, полный массив обеспечивает лучшую детализацию в тенях и больший контраст, чем другие методы. См. ULED, LED, OLED, LCD, телевизор с плоским экраном и Dolby HDR.

A 55-дюймовый светодиодный телевизор Samsung

При использовании светодиодов с боковой подсветкой этот телевизор Samsung в 2008 году имел глубину всего 1,2 дюйма; удивительно тонкий по сравнению с предыдущими ЖК-телевизорами. (Изображение любезно предоставлено Samsung Electronics Company, Ltd., www.samsung.com)

Ширина более шести футов

В 2012 году Sharp представила самый большой в мире 90-дюймовый смарт-телевизор со светодиодной подсветкой.В набор 3D включены приложения для Netflix, Hulu и других сервисов со встроенным Wi-Fi. В 2013 году Samsung превзошла это, представив 95-дюймовую модель.

Светодиодное освещение | Министерство энергетики

Светодиоды

потребляют гораздо меньше электроэнергии, чем лампы накаливания, и декоративные светодиодные гирлянды, такие как огни рождественской елки, ничем не отличаются. Светодиодные праздничные светильники не только потребляют меньше электроэнергии, но и обладают следующими преимуществами:

• Безопаснее: светодиоды намного холоднее, чем лампы накаливания, что снижает риск возгорания или ожога пальцев.
• Более прочные: светодиоды изготавливаются с линзами из эпоксидной смолы, а не из стекла, и гораздо более устойчивы к поломке.
• Более длительный срок службы: та же светодиодная гирлянда может по-прежнему использоваться 40 праздничных сезонов.
• Простота установки: до 25 цепочек светодиодов можно соединить встык, не перегружая розетку.

Ориентировочная стоимость электроэнергии для освещения шестифутового дерева в течение 12 часов в день в течение 40 дней

Тип света	Стоимость
Лампы накаливания C-9	10 долларов США.00
Светодиодные фонари C-9	0,27 $
Мини-лампы накаливания	2,74 $
Светодиодные мини-фонари	$ 0,82

Ориентировочная стоимость * покупки и операционных фонарей для 10 праздничных сезонов

Тип света	Стоимость
Лампы накаливания C-9	$ 122,19
Светодиодные лампы C-9	$ 17.99
Мини-лампы накаливания	55,62 $
Светодиодные мини-лампы	33,29 $

* Предполагается, что 50 ламп C-9 и 200 мини-лампочек на дерево, с электричеством по 0,119 доллара за киловатт- час (кВтч) (AEO 2012 г. в среднем для жилых домов). Цены на светильники основаны на котировках цен на небольшие объемы закупок у крупных розничных продавцов товаров для дома. Все расходы дисконтированы по ставке 5,6% годовых. Предполагается, что срок службы не светодиодных огней составляет три сезона (1500 часов).

Что означает светодиодный индикатор и как он работает? | Домашняя страница Руководства

Даниэль Хольцер Обновлено 17 декабря 2018 г.

Энергоэффективность в моде не без оснований. Выбор энергоэффективного освещения снижает счета за коммунальные услуги и снижает нагрузку на невозобновляемые источники энергии, на которые приходится 89 процентов производства энергии в США (см. Ссылки 4). Светодиоды, самые эффективные светильники на рынке, начинают появляться вместе с лампами накаливания и компактными люминесцентными лампами в хозяйственных магазинах и магазинах товаров для дома.Однако они являются загадкой для многих, так как их внутреннее устройство несколько отличается от стандартных ламп.

Определение

LED означает «светоизлучающий диод». Диод — это электрический компонент с двумя выводами, которые проводят электричество только в одном направлении. Под действием электрического тока диод излучает яркий свет вокруг маленькой лампочки. Обычно диоды используются во многих технологиях, таких как радио, телевизоры и компьютеры, в качестве электрического компонента для проводимости.(См. Ссылки 1)

Как они работают

Подключение диода к электрическому току возбуждает электроны внутри диода, заставляя их испускать фотоны, которые мы видим как свет. Цвет света является прямым результатом энергетической щели в полупроводнике диода. Это означает, что светодиоды легко и ярко воспроизводят спектр цветов, потребляя при этом очень мало электроэнергии. (См. Ссылки 1)

Важность

В поисках энергоэффективного освещения светодиоды оказались наиболее эффективными из имеющихся ламп.По данным Министерства энергетики США, светодиоды с рейтингом Energy Star потребляют как минимум на 75 процентов меньше энергии, чем традиционные лампы накаливания, и служат в 25 раз дольше. Светодиоды даже превосходят лампы CFL (компактные люминесцентные лампы) по эффективности, прежде всего потому, что их срок службы вдвое больше, чем у CFL. Светодиоды более эффективны, чем лампы накаливания и КЛЛ, потому что они излучают свет в определенном направлении — вместо того, чтобы рассеивать его во всех направлениях — и они не требуют и не выделяют большое количество тепла. Лампы накаливания и КЛЛ выделяют большую часть своей энергии в виде тепла — 90% и 80% соответственно.(См. Ссылки 1)

Соображения

Самая большая проблема для потребителей при покупке светодиодов для освещения жилых помещений — это первоначальная стоимость. В зависимости от размера и марки лампы светодиоды могут стоить от двух до шести раз дороже КЛЛ. При замене лампочек на несколько осветительных приборов идея потратить сотни долларов на лампочки отпугивает многих потенциальных клиентов. Однако производство светодиодов не только улучшается, но и увеличивается, что означает большую доступность для потребителей в ближайшем будущем.(См. Ссылки 3)

Как работают светоизлучающие диоды

Диод — это простейший вид полупроводникового прибора. Вообще говоря, полупроводник — это материал с различной способностью проводить электрический ток. Большинство полупроводников сделано из плохого проводника, в который были добавлены примеси (атомы другого материала). Процесс добавления примесей называется легированием .

В случае светодиодов материалом проводника обычно является арсенид алюминия-галлия (AlGaAs).В чистом арсениде алюминия-галлия все атомы идеально связаны со своими соседями, не оставляя свободных электронов (отрицательно заряженных частиц) для проведения электрического тока. В легированном материале дополнительные атомы изменяют баланс, либо добавляя свободные электроны, либо создавая дыры, по которым электроны могут уходить. Любое из этих изменений делает материал более проводящим.

Полупроводник с дополнительными электронами называется материалом N-типа , поскольку в нем есть дополнительные отрицательно заряженные частицы.В материале N-типа свободные электроны перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную.

Полупроводник с дополнительными дырками называется материалом P-типа , поскольку он фактически содержит дополнительные положительно заряженные частицы. Электроны могут прыгать из отверстия в отверстие, перемещаясь из отрицательно заряженной области в положительно заряженную. В результате кажется, что сами отверстия перемещаются из положительно заряженной области в отрицательно заряженную.

Диод состоит из секции материала N-типа, прикрепленной к секции материала P-типа, с электродами на каждом конце.Это устройство проводит электричество только в одном направлении. Когда на диод не подается напряжение, электроны из материала N-типа заполняют отверстия в материале P-типа вдоль стыка между слоями, образуя зону обеднения. В зоне истощения полупроводниковый материал возвращается в исходное изолирующее состояние — все отверстия заполнены, поэтому нет свободных электронов или пустых пространств для электронов, и электричество не может течь.

Чтобы избавиться от зоны истощения, вы должны заставить электроны перемещаться из области N-типа в область P-типа, а дырки — в обратном направлении.Для этого вы подключаете сторону N-типа диода к отрицательному концу цепи, а сторону P-типа — к положительному концу. Свободные электроны в материале N-типа отталкиваются отрицательным электродом и притягиваются к положительному электроду. Отверстия в материале P-типа перемещаются в другую сторону. Когда разность напряжений между электродами достаточно высока, электроны в зоне обеднения выталкиваются из своих отверстий и снова начинают свободно перемещаться. Зона истощения исчезает, и заряд перемещается по диоду.

Если вы попытаетесь пропустить ток другим способом, когда сторона P-типа подключена к отрицательному концу цепи, а сторона N-типа подключена к положительному концу, ток не будет течь. Отрицательные электроны в материале N-типа притягиваются к положительному электроду. Положительные отверстия в материале P-типа притягиваются к отрицательному электроду. Через переход не протекает ток, потому что дырки и электроны движутся в неправильном направлении. Зона истощения увеличивается.(См. «Как работают полупроводники» для получения дополнительной информации обо всем процессе.)

Взаимодействие между электронами и дырками в этой установке имеет интересный побочный эффект — оно генерирует свет!

LED | Что такое светодиод | Светоизлучающий диод

LED или Light Emitting Diode — это источник света. Он излучает свет, когда через него проходит ток. Концепция светодиода основана на полупроводниковом устройстве, в котором дырки и электроны рекомбинируют, чтобы произвести энергию в виде фотонов. Символ светодиода показан ниже: Потребность в светоизлучающих материалах связана с необходимостью длины волны излучения. Светодиоды используются в различных приложениях, таких как декоративное освещение, схемы дистанционного управления и т. Д. Здесь мы обсудим изобретение светодиода, цветные светодиоды, типы светодиодов, преимущества, и т. Д. Здесь мы обсудим следующие темы: Работа светодиода С точки зрения электроники светодиод определяется как диод с p-n переходом с энергетической щелью в диапазоне, необходимом для получения видимого света. Полупроводник состоит из p-перехода, n-перехода и нейтральной области между ними. В p-переходе основные носители заряда дырки (положительно заряженные), а в n-переходе — электроны основных носителей заряда (отрицательно заряженные). Это показано ниже: Давайте обсудим работу светодиода. рабочий Когда на диод с p-n переходом подается достаточное прямое напряжение, большая часть переносит достаточно энергии для прохождения через нейтральную область. Эти электроны рекомбинируют с дырками других основных носителей заряда.Рекомбинация выглядит как частица, переходящая из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией. Таким образом, он производит электромагнитное излучение. Каждый раз, когда электрон рекомбинирует с дыркой, электростатическая потенциальная энергия преобразуется в электромагнитную энергию. Выделяемая энергия имеет форму фотонов, как показано ниже: Здесь важную роль играет напряжение прямого смещения. Электростатическая энергия, прикладываемая к электронам и дыркам, должна соответствовать энергетической щели для получения желаемого излучения. Большинство светодиодов работают при низких напряжениях от 1 В до 4 В.Он потребляет ток от 10 мА до 40 мА. Рассмотрим следующую структуру светодиода: Зазор между полосами Ширина запрещенной зоны определяется как разность энергий между верхом валентной зоны и дном зоны проводимости. Прямая запрещенная зона — это ширина запрещенной зоны, необходимая для излучения светодиода. Фотоны испускаются при рекомбинации, потому что во время рекомбинации отсутствует передача импульса. Всякий раз, когда происходит некоторая вибрация передачи импульса, мы получаем фонон вместо фотона. Более низкая ширина запрещенной зоны от 0,1 до 1,8 эВ требуется для инфракрасного и дальнего инфракрасного излучения, тогда как большая ширина запрещенной зоны около 2 эВ требуется для получения видимого излучения. Легирование материалов с большой шириной запрещенной зоны затруднено, поскольку такие материалы имеют высокую температуру плавления. Следовательно, светодиоды имеют ширину запрещенной зоны около 1,6 или 1,8 эВ. Компоненты светодиода Резистор последовательно подключен к светодиоду, чтобы предотвратить его чрезмерный ток. Это концепция, которая используется в большинстве проектов, чтобы предотвратить ее разрушение. Компоненты светодиода перечислены ниже: Линза Линза в светодиодах используется для равномерного распределения света. Светодиодный чип Светодиодный чип — это маленький желтый элемент, излучающий свет. Он прикреплен к металлу. Отражающая полость Отражающая полость — это полость на поверхности, которая обеспечивает направление света. Он объединяет свет, чтобы сохранить его яркость. Плоский край Плоский край светодиода предотвращает скручивание проводов.Ток проходит через провод, заставляя светодиод светиться. Следовательно, важно не допускать перекручивания проводов. Соединение проводов Соединение проводов является важной частью светодиода, соединяющего светодиодные чипы. Он также обеспечивает электрическое соединение между выводной рамкой и светоизлучающими микросхемами. Полупроводниковый диод Полупроводниковый диод представляет собой материал p-n-перехода, покрытый примесями. Примеси возбуждают электрон, который заставляет светиться светодиод.Способность светодиодов к сильному легированию является одним из важных факторов для их широкого применения. Материал, используемый для изготовления светодиодов и запрещенной зоны, определяет излучение, которое он может испускать. Например, GaAs (галлий-мышьяк) используется в качестве материала для инфракрасного излучения. Два вывода или вывода Светодиод имеет два вывода, которые называются катодом (отрицательный) и анод (положительный). Анод — это более длинный вывод, а катод — более короткий вывод светодиода. Компоненты маленького светодиода сильно отличаются от компонентов светодиодной лампы.Светодиодные лампы могут работать как при низком, так и при высоком напряжении. Чем выше мощность или напряжение, тем выше яркость светодиодной лампы. Компоненты светодиодной лампы Давайте обсудим компоненты светодиодной лампы. Линза светодиода используется для равномерного распределения света. Иногда в качестве внешней линзы светодиода используется пластик, чтобы предотвратить его повреждение. Радиатор и металл Это кусок металла, к которому прикреплен светодиод.Он обеспечивает путь для передачи тепла от светодиода к другим элементам. Светодиодный чип Светодиодный чип — это маленький желтый элемент, излучающий свет. Он прикреплен к металлу. Тепло проходит через контур, а затем охлаждается, что называется теплоотводом. Чип присутствует на печатной плате. Для нескольких светодиодов используется несколько микросхем. Драйвер Печатная плата подает светодиоду сигналы на изменение цвета, включение, выключение и т. Д. Драйвер получает энергию от розетки.Это также защищает устройство от любых колебаний тока или напряжения. Базовая конструкция Светодиодные лампы бывают разной конструкции цоколя. Он присутствует в нижней части светодиода. Корпус Для работы светодиода требуется подключение к корпусу. Обычно это пластиковый корпус с алюминиевым покрытием. При прикосновении он может быть немного горячим, но не слишком горячим, как люминесцентное освещение. Изобретение светодиода В 1907 году Генри Джозеф Раунд (один из первых исследователей радио) и Гульельмо Маркони (изобретатель радио) обнаружили явление люминесценции, когда они работали с карбидом кремния (полупроводник, состоящий из углерода и кремния). ) и детектор кошачьих ходунков (электронный компонент, используемый в радиоприемниках).Х.Дж. Раунд был также помощником Гульельмо Маркони. В 1927 году русский ученый и изобретатель по имени Олег Владимирович Лосев впервые исследовал и предложил первую теорию светодиода. В 1955 году американский физик и педагог по имени Рубин Браунштейн сообщил, что такой материал, как арсенид галлия (GaAs ) и другие сплавы полупроводника, могут излучать инфракрасное излучение. Он также сообщил о других материалах, ответственных за инфракрасное излучение, таких как фосфид индия (InP ) и антимонид галлия (GaSb ). В 1962 году американский педагог и инженер по имени Ник Холонояк-младший проиллюстрировал первый красный светодиод видимого спектра. В декабре американский инженер-электрик по имени Джордж Крафорд изобрел первый светоизлучающий диод (LED) желтого цвета. В 1976 году компания Pearsall изобрела первый светодиод, обладающий высокой эффективностью и яркостью. В то время были представлены полупроводниковые материалы, подходящие для оптоволоконной связи. Цветной светодиод светодиода доступны в разных цветах. Давайте обсудим светодиоды разного цвета и концепцию их цветных огней. Изменение концентрации люминофоров может вызвать изменение цветовой температуры. Люминофор определяется как вещество, присутствующее на полупроводниковом кристалле, используемое для отображения свойства люминесценции. Люминофор отвечает за цветную подсветку светодиода. Существует около 16 миллионов оттенков светодиодов. Итак, давайте обсудим разноцветные огни и концепцию их цветного освещения. Белый светодиод Белый свет может формироваться двумя способами. Один из способов — создать трехцветные огни (красный, зеленый и синий) и объединить их. Другой способ называется флуоресценцией, которая определяется как процесс, в котором люминофорное покрытие преобразует один цветной свет в другой. Например, от синего света до белого. Синий светодиод Флуоресцентное химическое вещество, присутствующее в лампе, используется для преобразования белого света в синий.Химическое вещество называется Нитрид галлия . Синий светодиод считается лучшим светом, обладающим антибактериальными свойствами. Красный светодиод Материал, используемый для красных светодиодов, называется фосфором арсенида галлия ( GaAsP ). Это полупроводниковый материал. Зеленый светодиод Некоторые производители используют люминофор для синего света, чтобы преобразовать его в зеленый свет. Люминофорные материалы используются для преобразования высокоэнергетического спектра в низкоэнергетический. RGB светодиод Светодиод RGB (красный, зеленый и синий) представляет собой комбинацию светодиодов трех разных основных цветов. Остальные цвета образуются только из этих трех основных цветов. Яркость и интенсивность этих трех цветов можно изменить, чтобы получить другой цвет. Светодиод, меняющий цвет Много раз мы видели одно и то же светодиодное освещение с разными цветами, одно за другим. Такие светодиоды чаще всего используются в декоративных целях. Мы должны быть сбиты с толку относительно того, как один источник света может отображать разные цвета.Ответ — разные материалы, которые излучают фотоны с разной длиной волны. Эти фотоны выглядят как цветные огни. Много раз мы видели одно и то же светодиодное освещение с разными цветами, одно за другим. Такие светодиоды чаще всего используются в декоративных целях. Мы должны быть сбиты с толку относительно того, как один источник света может отображать разные цвета. Ответ — разные материалы, которые излучают фотоны с разной длиной волны. Эти фотоны выглядят как цветные огни. В некоторых светодиодах используются разные материалы, которые излучают фотоны с разной длиной волны, которая выглядит как цветной свет.Все цвета создаются из трех основных цветов: красного, синего и зеленого. Давайте разберемся на примере. Желтый светодиод Две длины волны света комбинируются для получения разного цвета. Желтый цвет — это сочетание зеленого и красного цветов. При увеличении количества красного цвета образуется апельсин. Количество цветов меняется за счет изменения их интенсивности. Применение светодиодов Мы обсудили компоненты и различные цвета светодиода.Давайте обсудим различные применения светодиода. Декоративный свет Светодиоды или многоцветные светодиоды используются в качестве декоративных светильников с двумя проводами питания, которые могут быть вставлены в качестве переключателя, когда напряжение подается на двухпроводной провод, различные светодиоды загораются. Фонари Светодиоды широко используются в качестве фонарей в домашнем хозяйстве, промышленности и т. Д. Они также присутствуют на передних шлемах шахтеров. Для работы таких фонарей не требуется внешнего источника питания.Эти фонарики включают элементы питания, которые обеспечивают светодиоды энергией. Мы можем легко зарядить эти фонарики. Светофоры Светодиоды бывают трех основных цветов: красный, желтый и зеленый. Это идеальный цвет для светофоров. Такие цветные светодиодные фонари не требуют линз для фильтрации цветов. Это потому, что цвета подходят для светофоров. Медицинские устройства Светодиоды используются в различных медицинских устройствах, которые используются для лечения различных медицинских проблем, таких как уход за кожей, кератоз, заживление ран, стоматология и т. Д. Автомобильные фары Светодиоды используются в качестве фар в различных автомобильных устройствах, таких как автомобили, велосипеды, грузовики и т. Д. Это из-за способности светодиодов направлять свет в одном направлении. Он также обеспечивает улучшенный дизайн, повышенную безопасность и высокую светоотдачу. Вспышки для фотоаппаратов Смартфоны и камеры используют светодиодные вспышки для улучшения фотографий даже в условиях низкой освещенности. Это означает, что светодиодные вспышки работают как искусственный свет.Светодиоды в качестве вспышек предпочтительнее других источников света из-за низкого энергопотребления, более мягкого и лучшего освещения. Контроль изображений Автоматический контроль изображений в промышленности требует постоянного и яркого освещения. Следовательно, в таких приложениях предпочтительны светодиоды. Во многих сканерах для сканирования штрих-кода используются красные светодиоды, а не лазеры. Светодиоды — это компактный и надежный источник энергии для большинства промышленных приложений. Оптоволоконная связь Излучатель света в оптоволокне является важной частью системы.В оптоволокне используются светодиоды двух типов: светодиоды с поверхностным излучением и светодиоды с торцевым излучением. Светодиоды преобразуют электрическую энергию в световую энергию, передаваемую между двумя концами оптического волокна. Обмен данными Использование светодиодов может обеспечить высокую пропускную способность для передачи данных. По этой причине был представлен VLC. VLC или Visible Light Communication — это тип передачи данных, в котором для связи используется видимый свет. Он заменил использование полосы частот радиосвязи для передачи данных. Отличия Давайте обсудим некоторые различия между светодиодами, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Светодиодные и люминесцентные лампы Изначально для освещения использовались люминесцентные лампы. В настоящее время светодиоды заменили использование люминесцентного света в различных приложениях, начиная от домашнего хозяйства и заканчивая промышленностью. Давайте обсудим некоторые различия между светодиодными и люминесцентными лампами. Категория Светодиодные фонари Люминесцентные лампы Энергия, необходимая для производства света Электроэнергетика Тепловая энергия Потребляемая мощность Менее Больше, чем светодиод Жизнь длиннее короче Технологии внутри LED — это полупроводниковая технология Флуоресцентный газ состоит из инертного газа внутри стеклянного кожуха Стоимость Дороже люминесцентных ламп Дешевле светодиодов КПД На 50% эффективнее люминесцентных ламп. Менее эффективен, чем светодиоды. УФ-лучи Не производит УФ (ультрафиолетовых) лучей. Излучает очень мало УФ-лучей. LED против ламп накаливания Здесь мы обсудим некоторые различия между светодиодами и лампами накаливания: Светодиод Светодиод Светодиоды Категория Светодиодные фонари Лампы накаливания Тип света Диодный свет Лампа накаливания Энергопотребление потребляет на 75% меньше энергии, чем лампы накаливания. Он потребляет больше энергии. Световой поток требует мощности от 11 до 12 Вт для светоотдачи. Лампа накаливания требует мощности около 50 Вт для такой же светоотдачи. Необходимые лампы на 25000 часов работы 1 Около 21 Инертный газ или вакуум В светодиоде нет инертного газа или вакуума. Лампы накаливания состоят из инертного газа или вакуума, который заполняется внутри полупрозрачной стеклянной крышки. Направленная имеют однонаправленную ориентацию. Лампы накаливания всенаправленные. Энергоэффективность Отлично Плохо Преимущества и недостатки светодиодов перед другими источниками света Давайте обсудим некоторые преимущества и недостатки светодиодов перед другими источниками света: Преимущества Размеры Светодиоды бывают разных размеров, от маленьких до больших.Маленькие светодиоды можно легко прикрепить к печатной плате. Здесь PCB означает печатную плату. Большие светодиоды используются в быту, промышленности и т. Д. Низкое энергопотребление Светоизлучающие диоды потребляют примерно на 75% меньше энергии, чем люминесцентные лампы и лампы накаливания. Это потому, что светодиоды состоят из диодных ламп, в то время как другие огни состоят из ламп накаливания. Диодный свет намного эффективнее, чем лампы накаливания. Различные цвета Светодиоды могут излучать свет разных цветов без использования каких-либо цветных фильтров.Чаще всего используются светодиоды мягкого белого и ярко-белого цветов. Более длительный срок службы Срок службы светодиода может составлять до десяти лет, в зависимости от условий и использования. Это долговечный продукт, срок службы которого в 50 раз больше, чем у ламп накаливания, и в десять раз больше, чем у люминесцентных ламп. Менее подвержены повреждениям Светодиоды — это твердотельные устройства, которые менее подвержены повреждению при любом внешнем ударе. High Intensity Светодиоды имеют более высокую интенсивность, чем другие типы источников света, такие как люминесцентные, галогенные и лампы накаливания.Чем выше ток или напряжение, проходящие через схему светодиода, тем выше будет яркость светодиода. Резистор, включенный последовательно со светодиодом, используется для предотвращения сильного тока светодиода. Направленный Направленный означает, что светодиод излучает свет в одном направлении; Лампы накаливания и люминесцентные источники света излучают свет во всех направлениях. Возможность одиночного или определенного направления светодиода позволяет экономить энергию и свет. Эффект охлаждения Светодиод не излучает теплового излучения.Это увеличивает охлаждающую нагрузку внутри светодиода. Повышенная безопасность Повышенная безопасность светодиодов — одно из существенных преимуществ. Все источники света выделяют тепло, которое иногда может быть опасным. Светодиоды могут эффективно работать при низких напряжениях. Он не излучает прямого тепла или каких-либо загрязняющих излучений. Следовательно, безопасно использовать светодиод в домашних условиях или в проектах. Различные формы Светодиоды имеют разные формы. Мы можем выбрать светодиод в соответствии с нашими требованиями. КПД КПД светодиода намного выше КПД ламп накаливания и люминесцентных ламп. Размер, цвет и форма не влияют на эффективность светодиода. Немедленное включение Светодиод загорается на полную яркость сразу после включения питания. В то же время другим источникам света требуется больше времени, чтобы загореться с максимальной яркостью. Надежность Светодиоды намного надежнее других типов источников света.Светодиоды могут выдерживать вибрации, колебания, а также могут работать при более низких температурах. Это связано с отсутствием в светодиодах хрупких деталей и нити накала. Недостатки Высокая стоимость Светодиод имеет высокую стоимость по сравнению с другими типами источников света. Но в последние годы наблюдается постоянное падение цен. Следовательно, светодиоды заменили использование КЛЛ и ламп накаливания. Зимние эффекты Светодиод не излучает тепло по сравнению с другими источниками света.Светодиодные фонари, используемые в качестве сигнальных огней, не рассеивают туман или снег, что может привести к несчастным случаям из-за невидимости этих фонарей. Температурная чувствительность Чрезмерное использование светодиодов при высокой температуре окружающей среды может привести к сбою. Чтобы преодолеть такие проблемы, требуется радиатор. Радиатор определяется как процесс передачи избыточного тепла механического или электронного устройства воздуху или охлаждающей жидкости (жидкости). Он отводит излишки тепла от устройства, тем самым поддерживая его температуру. Влияние на дикую природу Некоторые ярко-синие и белые светодиоды могут мешать перемещению черепах по суше при использовании возле люков.

Что такое светодиод и как работают светодиоды?

Хотя большинство из нас знакомо с теплым свечением традиционных ламп накаливания, многие могут не знать, как на самом деле работает этот тип ламп. Вот немного предыстории: лампы накаливания излучают свет, нагревая нить накаливания до тех пор, пока она не начнет светиться — на самом деле, до 90% энергии, используемой для зажигания лампы накаливания, идет на производство этого тепла!

Их высокое потребление энергии — лишь одна из причин, почему многие правительства начали отказываться от традиционных лампочек в пользу энергоэффективных альтернатив, таких как КЛЛ и светодиоды.Но для тех, кто не знаком с современными вариантами освещения, такими как светодиоды, переход на новый стиль лампочки может показаться пугающей перспективой. Понимание того, что такое светодиоды и как они работают, может упростить процесс поиска подходящей лампы и перехода на энергоэффективное освещение. Продолжайте читать, чтобы узнать больше.

Что такое светодиод?

«LED» означает «светоизлучающий диод». Первые две части этого названия легко понять — «светоизлучающий» означает, что он излучает свет, — но что такое «диод» и для чего он нужен? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно немного научиться.

Все диоды излучают фотоны (частицы электромагнитной энергии), но только определенные типы диодов излучают эту электромагнитную энергию в виде света, а не тепла. Светоизлучающий диод — это тип технологии твердотельного освещения (SSL), что означает, что он излучает свет от куска твердого вещества. В данном случае этот кусок твердого вещества представляет собой двухпроводной полупроводник. Полупроводник. Полупроводник — это материал, способный проводить электрический ток. Два вывода означает, что имеется два полупроводниковых материала.. Мы объясним, как это работает, в следующем разделе.

Типы светодиодов

Есть два основных типа светодиодов:

• Индикатор — недорогое маломощное устройство, которое используется в качестве световых индикаторов в автомобилях, панелях и других электронных устройствах.

• Осветитель — мощное устройство, обеспечивающее освещение. Это тип светодиодов, которые вы покупаете для освещения комнат в вашем доме или офисе.Их можно найти во множестве стилей, форм и цветов, подходящих практически для любого применения.

Как работают светодиоды?

Светодиод способен генерировать свет благодаря расположению двух полупроводниковых материалов, расположенных между его электродами:

1. N-тип: Полупроводник с дополнительными электронами (также известный как дополнительные отрицательно заряженных частиц ).
2. Тип P: Полупроводник с дополнительными отверстиями (также известный как дополнительные положительно заряженных частиц ).

Подключение полупроводника N-типа к отрицательному электроду и полупроводника P-типа к положительному электроду активирует электроны, так что они могут течь через переход от отрицательного к положительному слою. Когда дополнительные электроны (отрицательно заряженные частицы) проходят через дополнительные отверстия (положительно заряженные частицы), они излучают свет.

Проводящим материалом, из которого состоят светодиоды, обычно является арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), но есть и другие виды.Материалы выбираются специально, потому что они производят фотоны, которые будут высвобождаться в видимой части светового спектра. Тип выбранного материала и его количество изменяют цвет света, потому что каждый материал генерирует фотоны с разной длиной волны, влияя на то, как он выглядит для человеческого глаза.

ОСВЕЩЕНИЕ: По-настоящему белого светодиода не существует. Они представляют собой либо комбинацию светодиодов разного цвета, либо они имеют желтое или оранжевое покрытие (люминофор), которое преобразует светодиод в белый свет.

Подробнее

Найдите ответы на все свои вопросы о светодиодах в оставшейся части нашего полного руководства по светодиодным светильникам:

Часть 1: Что такое светодиод и как работают светодиоды? (вы здесь!)
Часть 2: Преимущества светодиодов
Часть 3: Светодиоды против традиционных ламп накаливания
Часть 4: Переход на светодиоды за 5 шагов
Часть 5: Как сделать Купить светодиоды
Часть 6: История светодиодов
Часть 7: Расширенные функции

Что такое светодиод?

Кажется, что в наши дни все светится светодиодом.Но что такое светодиоды и почему они так популярны? Давайте взглянем.

Светодиоды или светодиоды — это особый тип диодов, преобразующих электрическую энергию в свет. По сути, это крошечные лампочки, которые можно использовать в электрической цепи. Два из многих преимуществ светодиодов по сравнению с традиционными лампочками заключаются в том, что они требуют намного меньше энергии для зажигания и более энергоэффективны, что означает, что они превращают большую часть энергии, которая проходит через них, в свет и меньше — в тепло.

Как работают светодиоды?

Если вы когда-нибудь смотрели на светодиод, то могли заметить, что «выводы» или ножки бывают двух разной длины. Более длинная ветвь — это положительная сторона светодиода, называемая «анодом», а более короткая ветвь — это отрицательная сторона, называемая «катодом».

Внутри светодиода ток может течь только от анода (положительная сторона) к катоду (отрицательная сторона) и никогда в обратном направлении. Это означает, что если подключить обратную схему, светодиод не загорится.Фактически, задний светодиод может помешать правильной работе всей схемы, блокируя прохождение тока через эту точку. Первое, что вы должны попробовать, если светодиод не загорается при включении в цепь, это перевернуть его.

Да будет свет

Яркость светодиода напрямую зависит от того, сколько тока он потребляет. Это означает, что сверхяркие светодиоды разряжают батареи намного быстрее, чем более тусклые светодиоды. К счастью, яркость светодиода можно регулировать, контролируя, сколько тока проходит через него.Фактически, управление током с помощью светодиода важно по нескольким причинам.

При прямом подключении к источнику тока светодиод будет пытаться рассеять столько энергии, сколько ему позволено потреблять. Когда для светодиода имеется слишком большой ток, он перегорает и умирает. По этой причине важно ограничить количество тока, протекающего через светодиод.

Сопротивляйтесь силе

Для управления мощностью, протекающей через светодиод, решающее значение имеют резисторы.Резисторы ограничивают поток электронов в цепи и предотвращают попытки светодиода потреблять слишком большой ток. Мы углубимся в резисторы в другом посте, но сейчас важно знать, что базовый шаблон для схемы светодиода включает последовательное подключение источника питания, резистора и светодиода, как показано ниже.

Для определения наилучшего номинала резистора можно использовать некоторую базовую математику, но для целей этого обсуждения и для большинства светодиодов 330 Ом — хорошее место для начала.Таким образом, вот удобная блок-схема, которая поможет вам разработать схему светодиода и выбрать правильное значение резистора методом проб и ошибок.

Самая простая схема

Самый простой способ зажечь светодиод — это подключить его к батарейке типа «таблетка». Этот метод работает без резистора, потому что батарейки типа «таблетка» не вырабатывают достаточно энергии, чтобы повредить светодиод. Это отличный способ продемонстрировать важность правильного размещения светодиода в цепи — если он расположен обратной стороной, светодиод не загорится.