Из чего сделан светодиод. Светоотдача, угол свечения и мощность светодиодов. Классификация: индикаторные и осветительные решения

Повсеместно происходит замена обычных ламп на светодиодные. На сегодняшний день это лучший способ освещения для автомобилей и домов, более долговечный и лёгкий в замене. Итак, в чем заключается принцип работы светодиода и как его правильно выбрать?

Светодиод и принцип его работы

Светодиод - это специальный электроприбор, который перерабатывает ток в некоторое свечение. На сегодняшний день светодиоды более известны как LED, что значит «светоизлучающий диод».

Прибор является полупроводниковым и состоит из кристалла-чипа, корпуса, контактных выводов и оптического устройства. Свет исходит от кристалла, а его цвет может быть различным и зависит от применяемого материала. Яркость светодиода, как и его цвет, также может быть различной. Так, например, для большего светового эффекта в одну лампу часто вставляют несколько кристаллов, вырабатывающих однотонный свет, который в комплексе образует яркое свечение.

Яркость устройства напрямую зависит от силы подаваемого на него электрического тока. В свою очередь, слишком мощный поток электроэнергии вызывает быстрый перегрев внутреннего кристалла и выводит его из строя. Ввиду этого конструкция светодиода несколько затратна по стоимости материалов, что несколько негативно сказывается на выборе таких ламп.

По яркости светодиоды принято делить на категории:

• ультраяркие, их минимальная мощность - 1 W;
• светодиоды повышенной яркости - достигают 20 mW;
• стандартные лампы.

На сегодняшний день широко применяется блок светодиодов, который встраивается в лампу. Благодаря ему возможна и выбор оптимального режима свечения.

Преимущество светодиодов перед другими типами освещения

Светодиод - это лучший на сегодняшний день выбор типа освещения, который имеет ряд преимуществ:

• Долговечность.
• Возможность регулировки цвета и яркости лампы.
• Цветовая насыщенность, возможность подобрать красный, синий, зеленый светодиод или заставить цвет меняться.
• Возможность электронного управления.
• Экологически чистые материалы, которые не содержат тяжёлых веществ, вредных для окружения и опасных при неправильной утилизации.
• Низкая потребляемая мощность, на 1 ватт вырабатывается в несколько раз больше света.
• Свет чистый и максимально приближён к естественному.
• Не перегреваются благодаря грамотному светоотводу.
• Надёжность и прочность.

Почему светодиоды стали популярны в автоиндустрии? Этот тип освещения идеально подходит для автомобилей, постепенно вытесняя галогенные и ксеноновые лампы. Его положительные качества:

• возможность направления освещения за поворотом руля - создание адаптивных фар;
• эстетически выглядит лучше других видов фар;
• повышение безопасности благодаря улучшению видимости на дороге;
• устойчивость к вибрации;
• зачастую светодиоды установлены в корпус, куда не проникает влага;
• достижение рабочего состояния происходит быстрее, по этой причине стоп-сигналы срабатывают лучше.

Конечно, эти преимущества присущи только действительно качественным продуктам, поэтому экономить на них не стоит, тем более, что период их эксплуатации значительно увеличен по сравнению с китайской продукцией. Дополнительно период эксплуатации светодиодных ламп, если сравнивать с обычными, также значительно больше.

Классификация светодиодов

Выделяют 2 основных вида светодиодов - для подсветки (индикаторные) и для освещения. Их сила и долговечность зависят от подачи электротока, ввиду этого второй вид светодиодов служит меньший срок, так как кристалл изнашивается быстрее. Тем не менее, эти осветительные устройства очень долговечны и служат несколько тысяч часов.

Осветительный светодиод - это устройство, обеспечивающее надёжный и мощный свет. Оно широко применяется в дизайне, создавая нужный уровень освещённости.

По типу корпуса принято выделять светодиод в форме «Звезды», «Пираньи» и SMD. Среди них самыми популярными являются «Пираньи», так как их световой поток представляется более качественным. Их конструктивной особенностью является форма прямоугольника с выводами по краям, с помощью них обеспечивается жёсткое сцепление с поверхностью. Кроме того, подложка устройства обладает отличной теплоотводностью. Эти приборы используют широко в автомобилях и в рекламе. Они разнообразны по размерам и цветам: красный, белый, зелёный, синий светодиод.

Индикаторные светодиоды имеют конструкцию попроще, их свет не такой сильный и используется для подсветки дисплеев и приборных панелей. По форме выделяют круглые, овальные и прямоугольные индикаторные светодиоды.

Линзы также отличаются друг от друга, они могут быть встроены и в осветительные, и в Некоторые предназначены для рассеивания света (этих устройств подавляющее большинство), другие - для фокусировки, благодаря направленному пучку производимого света. Причём во второй группе выделяют линзы плоские, конусообразные и круглые.

По цвету линзы светодиоды бывают:

• бесцветными прозрачными;
• окрашенными прозрачными;
• окрашенными матовыми.

Кроме того, цветовая гамма исполнения прибора сейчас очень разнообразна. Существует жёлтый, красный, синий, зеленый светодиод и т. д. Эти цвета умело комбинируются, создавая ещё более широкий спектр. Наиболее сложно, как ни странно, получить чистый белый цвет.

Белый светодиод получают тремя способами:

• одновременное использование в правильных пропорциях красного, синего и зелёного цветов даёт ощущение белого цвета;
• применение синего диода с примесью жёлтого;
• третий метод требует применения люминесцентных материалов, который преобразовывает ультрафиолет, действуя по принципу флуоресцентной лампы.

Белый светодиод наиболее распространён, хоть и получить его несколько сложно. Он бывает холодным и тёплым. На лампочке обычно этот параметр указан в кельвинах, чем меньше показатель, тем цвет будет желтее и теплее. Производители рекомендуют остановить свой выбор на усреднённом параметре, хотя и к холодному, синеватому свету также можно быстро привыкнуть.

Выбор лампы для дома

Выбор лампы для дома включает несколько этапов, где необходимо определиться с типом сети, диаметром цоколя и внешним видом самого осветительного прибора.

Светодиод 220 вольт выпущен в наиболее распространённых типах цоколя - Е27 и Е14. Цифры обозначают диаметр резьбы в миллиметрах. Первый вид ламп зачастую встречается в форме шара, второй - шара или кукурузы.

В чём же заключаются их главные преимущества? Во-первых, это возможность блокировки и настройки яркости свечения самостоятельно. Во-вторых, это выбор цветового освещения и возможность дистанционного управления им. В-третьих, долговечность эксплуатации и повышенная надёжность.

Выбирая форму, нужно обратить внимание на то, что лампы-кукурузы хоть и имеют достаточно неплохие характеристики, они всё же небезопасны. Их контакты выходят наружу, и производители отказываются в последнее время от выпуска устройств подобной формы.

Для освещения нежилых помещений или ванных комнат используются менее мощные лампы, поэтому если нет необходимости применять светодиод 220 вольт, можно обойтись маленькими плоскими приборами с цоколем G53 и GX53. Это круглые лампы, где используется несколько диодов.

Обратить внимание при приобретении лампы стоит и на следующие характеристики:

• количество диодов - от того, сколько светодиодов находится в лампе, зависит её яркость, особенно при длительном периоде использования, когда они начинают тускнеть и перегорать;
• режим рабочей температуры - нужно учитывать, что при выборе лампы для улицы она должна быть эффективной и при возможных морозах, это обычно указывается в паспорте устройства;
• возможность пульсаций - мигание встречается у дешёвых ламп, обычно при покупке дорогостоящей оно сводится к минимуму;
• условия эксплуатации иногда требуют повышенной защиты устройства, допустим, стойкость к влаге, необходимо об этом параметре поинтересоваться у продавца;
• при выборе производителя нужно обращать внимание на диаметр цоколя, так как не все импортные разработчики выпускают светодиод 220В;
• необходимый световой поток, который измеряют в Люменах, - осветительные или индикаторные лампы.

Выбор производителя

На рынке присутствует множество производителей, которые демонстрируют различный уровень качества. Соответственно, их ценовая политика поставщиков также значительно отличается.

Главным недостатком светодиодов является их стоимость. Поэтому, если уже платить немаленькие деньги за продукт, необходимо, чтобы он был действительно качественным. Поэтому стоит с ответственностью подойти к выбору производителя и поставщика.

Производителей условно можно разделить на 5 групп.

1. Китайские дешёвые никому не известные бренды.
2. Известные китайские и азиатские производители. Наиболее популярными являются Selecta, Camelion, LG. Они используют современное оборудование, и качество выпущенной продукции у этих компаний достаточно высокое, поэтому достаточно большой сегмент отечественного рынка занят товаром из Азии. Отдельно стоит отметить светодиоды LG, которые с 2016 года значительно уменьшили цену на свой товар благодаря использованию новых технологий в производстве. Причём качество остаётся на прежнем уровне. В этом можно не сомневаться. Специализируется компания на лампах средней мощности и достаточно неплохо себя проявляет относительно аналогов.
3. Отечественные производители, которые делают продукт высокого качества, но их технология достаточно дорогая, поэтому и цена на лампы соответственная. К сожалению, на территории России поздно узнали о широких возможностях светодиодов и отечественных производителей пока не так много. Это, к примеру, "Оптоман" и Gauss. Эти компании имеют свой модельный ряд продукции и доступны по всей стране.
4. Европейские производители представлены преимущественно немецкими фирмами Philips, Osram, Bioledex, которые имеют огромный опыт производства ламп. Пожалуй, Philips остаётся лидером в этом сегменте рынка, хотя и стоит он относительно дорого.
5. Китайско-российские проекты, такие как Ecola, Newera - также неплохие по качеству и цене бренды, которые значительно моложе фирм-конкурентов.

Таким образом, среди такого обилия производителей иногда достаточно сложно выбрать достойный бренд, поэтому особенно важно и нужно обращать внимание главным образом на характеристики продукта и условия его эксплуатации.

Приблизительный алгоритм действий при установке светодиода

Если есть хоть малейшие познания в электрике и был опыт установки любых ламп, можно светодиод попробовать установить и самому. Для начала нужно убедиться в работоспособности ламп. Последовательность действий должна быть следующей:

• изучение технических характеристик и подсчёт, сколько вольт потребляет один светодиод;
• составление схемы подключения с учётом напряжения;
• вычисление потребляемой мощности электроцепи;
• далее нужно подобрать блок питания, который бы подошёл по мощности, это также может быть и драйвер;
• на ножках светодиода указана полярность, к которым нужно припаять провода;
• подключение блока питания;
• установка диодов и их закрепление;
• если всё в порядке, необходимо измерить такие характеристики, как количество потребляемой энергии, нагрев, электроток;
• корректировка электротока;
• прогрев в течение получаса - чтобы ничего не случилось при первоначальной установке и для того, чтобы предупредить перегрев, светодиоды лучше покупать на подложке в форме звезды.

В процессе эксплуатации, особенно, если это продукция китайского производства, иногда необходима замена светодиодов. Чем обращаться к специалистам, замену можно выполнить самостоятельно при наличии нужных инструментов. Раскрутив лампу, с помощью цифрового мультиметра прозванивают диоды. Они, в свою очередь, слабо подсвечиваются, и некоторые из них могут не работать. Ненужные диоды отпаивают и меняют на новые. Конечно, это происходит, когда запасные светодиоды есть в наличии, для этого можно взять старую лампу.

На сегодняшний день популярным дополнением является программа "Ардуино". Светодиод, подключая к нему, можно заставить мигать. Плата "Ардуино" имеет много возможностей, вводы-выводы, а также к ней можно подключить практически любое устройство. Эта программа способна принимать сигналы от различных устройств, что и заставляет воздействовать на них. Это лёгкая и удобная среда для программирования, с которой несложно справиться даже обычному пользователю.

Выбор светодиодов для автомобиля

Автовладельцы всё чаще переходят на новый тип освещения в своей машине. Это действительно хорошее решение не только в плане режима работы, но и относительно внешнего вида автомобиля. Авто значительно преобразится, привлекая взгляды проезжающих мимо водителей. Освещением можно смело заменить все лампы, которые используются в автомобиле.

Как выбрать габариты и свет для передних стоп-сигналов?

Большая часть автопрома применяет лампы без цоколя, устанавливаемые в проёме между передними фарами. Преимуществом светодиодов является их стойкость к любым температурам, так как они находятся вблизи от главной осветительной лампы, возможен перегрев кристалла и преждевременный его выход из строя. Ввиду этого, при выборе освещения необходимо обратить внимание на дополнительную защиту светодиодов - наличие стабилизатора электротока.

При выборе ламп нужно обратить внимание на их серию, допустим, серия SF хоть и не имеет стабилизатора, вполне подходит для автомобиля, так как имеет большое количество диодов и работает в широком диапазоне, отлично освещая пространство.

Нужно также обратить внимание на размеры лампы, так, указанный пример SF - достаточно большое устройство. Нужно хорошо все продумать перед покупкой освещения.

Популярной также является серия для габаритов - СМД, которая имеет отличные характеристики, но и стоит немалых денег.

Заднее освещение автомобиля

Задние стоп-сигналы принято оборудовать цокольными двухконтактными светодиодами. Наиболее популярные серии: МСД, 14НР и 3х1W. Они имеют несколько различный режим работы, отличаются количеством диодов. Но все имеют достаточно высокие показатели. Эти светодиоды являются яркими, обеспечивают насыщенный свет и долговременный срок службы.

Самые доступные по стоимости - лампы серии SF.

Светодиоды для салона

Перед выбором ламп для салона необходимо определиться с типом его освещения и величиной плафона.

В салон нужно подбирать лампу фестонного типа - это продолговатые устройства, размером 31-41 мм. Выделяют 3 вида светодиодов для салона.

1. Устанавливаются в разъём плафона вместо старой обычной лампочки. По размеру такие светодиоды практически идентичны обычным осветительным приборам, они применяются при невозможности из-за небольшой величины плафона использовать другую лампу.
2. Светодиоды большего размера, чем стандартная лампочка. Перед установкой нужной убедиться, подойдёт ли такое устройство под плафон. Благодаря большему размеру, увеличивается и количество диодов в лампе. Таким образом, освещение становится значительно ярче обычного.
3. Матрицы, вмещающее большое количество диодов. Если плафон достаточно большой и может вместить прямоугольную матрицу, то этот тип освещения будет наиболее ярким и насыщенным.

В салонном освещении используются лампы типа SF или СМД.

Кроме того, в автомобилях широко применяется замена противотуманных фар на лампы со светодиодом. Особое внимание стоит обратить автолюбителям, желающим выделиться среди других, на подсветку светодиодной лентой и на «ангельские глазки».

Подводя итог

Светодиод - это отличная альтернатива старым лампочкам, которая помогает решить проблему недостаточного освещения помещения. Даже при большей стоимости, чем обычная лампа, это отличное капиталовложение, так как светодиод способен служить не один год и дарить яркий свет дому и автомобилю.

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

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

Устройство

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

Стандартный индикаторный светодиод выполнен из следующих частей;

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

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

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

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

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

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

Устройство светодиодов по технологии COB предполагает следующее:

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

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

Принцип действия

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

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

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

Разновидности

На текущий момент LED-диоды могут быть следующих видов:

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

Индикаторные LED-диоды по типу соединения делятся на:

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

По типу корпуса светодиодные элементы могут быть:

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

Применение

Область применений светодиодов условно можно разделить на две широкие категории:

• Освещение.
• С использованием прямого света.

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

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

Будущее светодиодов

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

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

Типичные характеристики

Светодиоды характеризуются следующими параметрами:

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

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

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

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

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

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

Достоинства и недостатки

Среди достоинств светодиодов можно отметить:

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

Недостатки:

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

Введение

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

История

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

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

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

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

В чем разница?

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

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

Характеристики светодиодов

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

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

Стоимость

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

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

Преимущества

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

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

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

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

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

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

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

Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов;

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

Безопасность — нет необходимости в высоком напряжении;

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

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

Применение светодиодов

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

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

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

В оптопарах;

Мощные светодиоды используются как источники света в фонарях и светофорах;

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

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

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

В светодиодных дорожных знаках;

В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.

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

В данной информационной статье мы постараемся в полной мере описать принцип работы светодиодов всех разновидностей, имеющихся в природе на сегодняшний день. Рассмотрим общее устройство LED и разберемся как получаются светоизлучающие диоды разных цветов.

Принцип работы

Наверное, каждый человек знает, что принцип действия светодиода заключается в его «свечении» при подключении к источнику питания. Однако за счет чего это достигается? Давайте разберемся более детально в этом вопросе.

Для создания видимого светового потока конструкция светодиода предусматривает наличие двух полупроводников, один из которых в своем составе должен содержать свободные электроны, а другой – «дыры».

Таким образом, между полупроводниками возникает «P-N» переход, в результате которого электроны от донора переходят в другой полупроводник (реципиент) и занимают свободные дыры с выделением фотонов. Эта реакция проходит только при наличии источника постоянного тока.

Принцип действия разобрали, однако благодаря чему происходит этот процесс? Для этого необходимо рассмотреть конструктивную особенность светодиода.

Как устроен светодиод

В независимости от модели светодиода (СОВ, OLED, SMD и т.д.) они состоят из следующих элементов:

1. Анод (подача положительной полуволны на кристалл);
2. Катод (подача отрицательной полуволны постоянного тока на кристалл полупроводника);
3. Отражатель (отражение светового потока на рассеиватель);
4. Чип или кристалл полупроводника (излучение светового потока за счет «P-N» перехода);
5. (увеличение угла свечения светодиода).

Теперь ознакомимся со способами получения различных цветов.

Получение светодиода определенного цвета

Ранее мы разобрали принцип работы светодиода и выяснили, что световой поток образуется при возникновении «P-N» перехода в полупроводнике с выделением фотонов видимых человеческому глазу. Однако каким же образом можно получить различное свечение светодиода? Для этого существует несколько вариантов. Рассмотрим каждый из них.

Покрытие люминофором

Данная технология позволяет получить практически любой цвет, однако зачастую используется для получения белых светодиодов. Для нее применяют специальный реагент – люминофор, которым покрывают красный или синий светодиод. После обработки синий светоизлучающий диод начинает светить белым.

RGB — технология

Подобный тип устройств способен излучать любой оттенок светового спектра за счет применения в одном кристалле 3-х светодиодов: красного, зеленого и синего. В зависимости от интенсивности свечения каждого из них, меняется излучаемый свет.

Применение различных примесей и различных полупроводников

Благодаря данной технологии, изменяется длина волны излучаемого светового потока в зоне «P-N» перехода. А как известно, в зависимости от длинны волны, ее цвет меняется. Более наглядно это можно увидеть на следующем фото:

Теперь давайте разберем следующий вопрос: какими электрическими характеристиками обладают данные устройства и что нужно для их надежной работы.

Электрические характеристики

Светодиоды – это устройства, излучающие световой поток при прохождении через них стабилизированного постоянного напряжения низкого номинала (3-5В). За счет создания разности потенциалов на аноде и катоде в кристалле возникает электрический ток, создающий световой поток.

Для полноценной работы LED, величина тока должна быть на уровне 20-25 мА. Однако для мощных светодиодов, ток потребления может достигать 1400 мА.

При увеличении напряжения источника питания, сила тока увеличивается по экспоненте. Это означает что при незначительном скачке напряжения питания сила тока увеличивается многократно, что может привести к повышению температуры и выходу из строя светоизлучающего диода(читайте, ). Именно по этой причине источник постоянного напряжения необходимо стабилизировать с помощью специальных микросхем.

Теперь рассмотрим основные разновидности LED, их достоинства и недостатки.

Устройство светодиода индикаторного типа (DIP)

Данный тип LED – это «первопроходцы» в сфере светодиодной техники. Они предназначаются для промышленности в качестве индикаторов.

Они состоят из 3-х или 5-и миллиметрового корпуса, анода, катода, кристалла, золотого (в бюджетных вариантах медного) проводника, соединяющего анод с кристаллом и рассеивателя.

На практике применяются очень редко, т.к. имеют ряд недостатков:

• большой размер;
• малый угол свечения (до 120 0);
• низкое качество кристалла (при длительной работе яркость излучения падает до 70%);
• слабый световой поток за счет малой пропускной способности кристалла (до 20мА).

Как устроен мощный светодиод

Мощные светоизлучающие диоды (например, фирмы ) предназначены для создания интенсивного светового потока за счет прохождения через кристалл большого тока (до 1400 мА).

На кристалле выделяется большое количество тепла, которое с помощью алюминиевого отводится от кристалла полупроводника. Также этот радиатор служит в качестве отражателя для увеличения светового потока.

Для надежной работы мощных LED необходимо наличие в схеме специального рассчитанного на прохождение большого потока электронов, который помимо стабилизации напряжения должен ограничивать ток, соответствующий номинальной работе устройства.

Устройство филаментного светодиода

Конструкция

Филаментные LED – это устройства, состоящие из сапфирового или обычного стекла диаметр, которого не превышает 1,5мм и специально выращенных кристаллов полупроводников (28 штук) соединённых последовательно на изолированной подложке.

Эти светодиоды помещаются в специальную колбу, покрываемую люминофором, за счет чего можно получить любой цвет. Основное достоинство LED устройств, разработанных по данной технологии – это угол свечения, достигающий 360 0 .

Филаментные светоизлучающие диоды некоторые источники относят к классу COB (смотрите раздел ниже), поскольку кристаллы выращиваются на стекле или сапфире по аналогичной технологии.

Устройство и принцип работы светодиода COB

Технология СОВ или же Chip-On-Board – это одна из современных разработок в сфере электроники, заключающаяся в помещении большого количества кристаллов полупроводника с помощью диэлектрического клея на алюминиевую подложку. Также изготовление светодиодов подобного типа возможно на стеклянной матрице (COG) однако принцип работы у них одинаков.

Полученная матрица покрывается люминофором. В результате удается достичь равномерного свечение COB светодиода любого оттенка по всей площади. Данные устройства широко применяются в разработке телевизоров, ноутбуков и планшетов.

Принцип работы

Несмотря на то, что СОВ светодиоды имеют специфическое название, принцип его действия полностью аналогичен обычным индикаторным светоизлучающим диодам разработанных в 1962 году. При прохождении тока через кристаллы полупроводника возникает «P-N» переход и как следствие – световой поток.

Отличительной особенностью данного типа устройств является наличие большого количество кристаллов, что позволяет получить более интенсивный световой поток.

Устройство и принцип работы органического светодиода OLED

Самое новое достижение в сфере производства – это технология OLED. Она позволяет производить высокотехнологические телевизоры с тонким дисплеем, миниатюрные смартфоны, планшеты и еще многие другие приборы, без которых не обойтись в современном обществе.

Устройство OLED

Светоизлучающий диод OLED состоит из:

• анода, изготовленного из смеси оксида индия с оловом;
• подложки из фольги, стекла или же пластика;
• алюминиевого или кальциевого катода;
• излучающей прослойки на основе полимера;
• токопроводящего слоя из органических веществ.

Как работает данная технология?

Принцип действия OLED аналогичен светодиодам СОВ, SMD и DIP и заключается в образовании «P-N» перехода в полупроводниках. Однако отличительной особенностью технологии ОЛЕД является применение специальных полимеров, из которых состоит светоизлучающая прослойка, за счет которой увеличивается светодиода, световой поток видимого спектра и угол свечения.

Достоинства

• минимальные размеры;
• низкое энергопотребление;
• равномерное свечение по всей площади;
• длительный срок эксплуатации;
• увеличенный срок службы;
• широкий угол свечения (до 270 0);
• низкая себестоимость.

Мы рассмотрели основные типы светоизлучающих диодов, которые применяются в современном мире, однако на ряду с ними, корейские ученые пошли дальше и разработали LED на основе волокон, которые по их обещаниям вытеснят все устаревшие типы устройств. Давайте рассмотрим, что они собой представляют.

Устройство и принцип работы светодиода на основе волокон

Для производства светодиодов данной ниши применяют нити терефталата полиэтилена обработанные раствором PEDOT:PSS polystyrene sulfonate. После обработки нить будущего светодиода просушивают при температуре 130 0 С.

После, заготовку обрабатывают по технологии OLED специальным полимером poly-(p-phenylenevinylene) polymer и полученные волокна покрывают тонким слоем суспензии литий-алюминиевого фторида.

Выводы

Мы рассмотрели основные типы светодиодов, которых как Вы можете видеть существует огромное количество. Однако по принципу работы они все одинаковы.

Также можно сказать, что благодаря применению современных материалов и можно добиться высоких технических показателей и более надежной и длительной работы светодиодов.

Содержание:

Светодиодное освещение приобретает все большую популярность и постепенно вытесняет традиционные осветительные приборы. Многие виды светодиодов, выпускаемых производителями, постоянно совершенствуются, их конструкция с каждым годом становится лучше. Увеличивается мощность, корпуса становятся более оптимизированными для использования в различных областях. Огромный выбор цветов дает возможность создавать нужное освещение в разных помещениях. Современные светодиоды, благодаря характерным признакам, могут легко классифицироваться по видам, что в значительной степени облегчает их выбор для тех или иных целей.

Какие бывают светодиоды

Самые первые светодиоды применялись в качестве индикаторов и продолжают использоваться в этой сфере до сих пор. Наибольшее распространение получили индикаторные светодиоды, которые являются элементами выводного монтажа. Они имеют прямоугольную или круглую линзу и встречаются, начиная с самых простых устройств, и заканчивая сложнейшим современным оборудованием. Используются не только для индикации, но и в качестве подсветки.

Наиболее характерные представители этой группы имеют круглые выпуклые линзы, диаметр которых составляет от 3 до 10 мм. Однако незначительный ток этих светодиодов не дает возможности получить большое количество света, делая их использование в качестве осветительных приборов нецелесообразным. Больше всего они подходят для таких приборов, как бегущая строка и световое табло. Они требуют незначительного тока и напряжения и почти не нагреваются.

Индикаторные светодиоды могут быть белыми или цветными в соответствии со стандартным цветовым спектром. Некоторые конструкции выпускаются в многоцветном варианте. В этом случае одна линза оборудуется тремя переходами, а нижняя часть - четырьмя выводами. Такие элементы получаются более функциональными, что дает возможность создания цветных светодиодных табло.

С развитием технологий, в выводном монтаже стали использоваться более современные яркие светодиоды. Сила света этих элементов значительно выше, чем у индикаторных светодиодов, поэтому они стали широко применяться для карманных фонариков.

Поверхностный монтаж на печатную плату все чаще выполняется с помощью светодиодов, совместивших индикаторные и осветительные функции. Известные под маркой SMD - Surface Mounted Device. Они заключены в корпуса со стандартной размерной линейкой. По мощности их можно сравнить с индикаторными светодиодами. Большое количество таких светодиодов может быть смонтировано на небольшой площади печатной платы. За счет этого удается получить светодиодные лампы, и панели практически любых размеров.

Отдельно стоит отметить группу сверхъярких светодиодов, широко используемых в наружной рекламе и тюнинге автомобилей. Они известны под названием «Пиранья», имеют прямоугольную форму и улучшенные рассеивающие свойства. Четыре вывода позволяют жестко закрепить элемент на плате или другой плоскости. Основные цвета - белый, красный, зеленый и синий, размеры составляют 3-7,7 мм.

В настоящее время светодиоды наиболее широко используются в помещений. Они представлены модельным рядом СОВ, что означает Ghip On Board. Данные источники света могут быть теплыми и холодными, белыми, желтыми и других оттенков. По цвету они похожи на обычные лампы накаливания, лампы дневного света и даже на естественный солнечный свет. Эти параметры напрямую зависят от характеристик полупроводников и нанесенного люминофора. Для нанесения покрытия используются в основном синие светодиоды, что дает возможность получения красного, зеленого, желтого и другого цвета. Световые качества максимально приближены к люминесцентному освещению.

Конструктивно светодиоды СОВ состоят из множества кристаллических полупроводников, смонтированных на общую подложку и покрытых люминофором. Таким образом, удается достичь высокой яркости за счет суммарного светового потока, создаваемого несколькими источниками света, расположенными очень плотно между собой. В случае необходимости такие светодиоды могут применяться как индикаторы.

В процессе эксплуатации данным элементам обязательно необходим отвод тепла, а устройства повышенной и высокой мощностью оборудуются радиаторами. В противном случае под влиянием тепла светодиодные кристаллы будут разрушаться. Если они окажутся частично разрушенными, потребуется замена всей подложки. Поэтому рекомендуется заранее позаботиться об охлаждении.

Сегодня все более популярными становятся источники света Filament, светодиоды у которых напоминают обычную нить накаливания. Световые свойства этого вида светодиодов заметно превосходят любые модели СОВ. Это достигается за счет большого количества кристаллов, смонтированных на стеклянную подложку. Далее вся конструкция заливается флуоресцентным составом. Данная технология получила название Chip On Glass, что означает чип на стекле.

Величина видимого телесного угла составляет 3600, поэтому световая отдача выше, чем у плоских матриц. Светодиодная лампа на 6 Вт по световому излучению равна обычной лампе накаливания на 60 Вт.

Параметры светодиодов

Одной из основных характеристик светодиодов является рабочий ток. Дело в том, что данные элементы могут работать лишь при определенной силе тока, обеспечивающей нормальную работоспособность. Поэтому даже незначительное превышение установленной величины тока, быстро приведет к выходу из строя светодиода - он просто перегорит.

Рабочий ток отличается у каждого типа источника света. Более мощным элементам требуется соответствующий более высокий ток. Для регулировки необходимой величины тока в каждой светодиодной лампе и светильнике установлены специальные драйвера. Если же светодиод подключается отдельно, необходимо знание его технических характеристик для ограничения тока с помощью нужного драйвера, конденсатора или резистора.

Не менее важным параметром светодиодов является рабочее напряжение. Его величина зависит от самих полупроводников и других материалов, применяемых при изготовлении. Таким образом, светодиоды с разными цветами отличаются различным рабочим напряжением. То есть, значение рабочего напряжения можно установить по цвету того или иного светодиода.

В большинстве случаев питание светильников и светодиодных лент осуществляется с помощью драйверов, с выходным постоянным током 12 В. То есть, в последовательной цепи может быть только 4 светодиода с рабочим напряжением 3 В. Если включить дополнительно пятый светодиод, такая цепь не будет работать. Данная характеристика называется также падением напряжения, составляющим в данном случае 3 вольта.

Нельзя забывать и о таком параметре, как мощность светодиода. На ее показатели оказывают влияние две предыдущие характеристики - рабочий ток и падение напряжения. Большой ток для мощных светодиодов должен совмещаться с качественной системой охлаждения. Для этого используются алюминиевые и медные радиаторы, а также вентиляторы-кулеры принудительного обдува.

Мощность любого светодиода определяется путем умножения значения напряжения на силу тока. При расчетах светодиодной сборки учитываются все используемые элементы. Например, общая мощность светодиода, включающего 100 кристаллов по 1 ватту, будет составлять 100 Вт.

Испускаемый осветительными светодиодами, отличается более высокой мощностью по сравнению с другими источниками - лампами накаливания, люминесцентными и другими светильниками с такой же, или более высокой мощностью. Следовательно, у них и более высокая световая отдача на каждый ватт мощности того или иного светодиода. Тем не менее, эти превосходные качества будут заметно отличаться, в зависимости от типа и качества изготовления конкретного элемента.

Немаловажное значение имеет угол рассеивания. У светодиодов он меньше, чем у других светильников. Для его расширения применяются специальные рассеивающие линзы. При необходимости создания узкого угла рассеивания используются собирательные линзы, сужающие световой луч. Яркость светодиодного пучка света будет неравномерной в границах угла рассеивания. Яркое свечение в центре постепенно снижается с приближением светового потока к краям этого угла.

Классификация