Светодиодные лампы устройство и принцип работы. Что такое светодиод

Светодиод - это разновидность диода, электронного прибора обладающего односторонней проводимостью электрического тока. Диод, или как его еще называют выпрямительный диод, обладая своими уникальными свойствами изменять электрическое сопротивление в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения, применяют для выпрямления переменного тока. Конструкция выпрямительного диода может строиться как на базе радиоэлектронных ламп, так и на базе полупроводниковых кристаллов.

В отличие от выпрямительного диода светодиод выполняется только на базе полупроводниковых кристаллов. Принцип действия у обоих электронных приборов основан на инжекции (диффузии) электронов и дырок в области p -n перехода, то есть области контакта двух полупроводников с разным типом проводимости. Под инжекцией подразумевается переход избыточных электронов из области n -типа в область p -типа, а также переход избыточных дырок из области p -типа в область n -типа, где существует их недостаток. В результате инжекции в обеих областях, возле границы перехода, образуются не скомпенсированные слои электронов и дырок. На стороне n -перехода слой дырок, а на стороне p -перехода слой электронов. Эти слои образуют так называемый запирающий слой, внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей инжекции (рисунок 1).

Рисунок 1. Запирающий слой p -n перехода

Наступает определенное равновесие. При подаче отрицательного напряжения к области кристалла с проводимостью n -типа и положительного напряжения к области кристалла с проводимостью p -типа под действием внешнего электрического поля направленного против запирающего поля открывается путь основным носителям через p -n переход. Запирающий слой становится тоньше и его сопротивление уменьшается. Происходит массовое перемещение свободных электронов из n -области в p -область и дырок из p -области в n -область. В цепи возникает электрический ток (рисунок 2).

Рисунок 2. Включение в прямом направлении

Если подать обратное напряжение, то запирающий слой становится толще и электрическое сопротивление значительно увеличивается. Электрический ток при подаче обратного напряжения практически отсутствует (рисунок 3).

Рисунок 3. Включение в обратном направлении

Нужно помнить, что допустимая величина обратного напряжения у светодиодов, при которой не происходит его пробоя, значительно ниже, чем у выпрямительных диодов. Зачастую эта величина равна максимальному значению прямого напряжения. Поэтому, включая светодиод в электрическую цепь переменного тока, не следует забывать про амплитудное значение напряжения. Для синусоидального напряжения частотой 50 Гц его амплитудное значение в 1,41 раза больше чем действующее. Такие включения используются редко, так как назначение светодиода все-же "светиться", а не "выпрямлять". Обычно светодиод включается на постоянное напряжение.

Видео 1. Полупроводники

При перемещении свободных электронов через p -n переход электроны и дырки излучают фотоны по причине их перехода с одного энергетического уровня на другой. Не все полупроводниковые материалы эффективно излучают свет при инжекции. Например, диоды, выполненные из кремния, германия, карбида кремния, свет практически не излучают. А диоды, выполненные из арсенида галлия или сульфида цинка, обладают наилучшими излучающими способностями.

Излучаемый свет не когерентен и лежит в узком спектре. В связи с этим у каждого светодиода свой спектр волн, со своей длиной и частотой, которые могут быть видны или не видны человеческому глазу. В качестве примера применения светодиодов с не видимым спектром излучения, можно привести светодиоды, применяемые в пультах дистанционного управления любой современной радио-электронной аппаратуры. Для того чтобы увидеть излучение возьмите пульт дистанционного управления и любой сотовый телефон имеющий фото-видео камеру. Переведите телефон в режим съемки видео, направьте объектив камеры на передний край пульта и нажмите на пульте любую из кнопок. При этом на экране телефона вы будете наблюдать свечение светодиода.

Спектр излучения зависит от химического состава кристалла полупроводника. Каждый спектр излучения имеет свой цвет. Поэтому светодиоды излучающие свет в видимом человеческому глазу спектре, воспринимаются разноцветными, красными, зелеными, синими.

Свечение твердотельного диода впервые обнаружил британский экспериментатор Генри Раунд (Henry Round). В 1907 году, проводя свои исследовательские работы он случайно заметил, что вокруг точечного контакта работающего диодного детектора возникает свечение. Однако вывода о практическом применении этого явления им сделано не было.

Через несколько лет, в 1922 году, Олег Владимирович Лосев во время своих ночных радиовахт, точно также как и Генри раунд, случайно стал наблюдать за возникающим свечением кристаллического детектора. Для получения устойчивого свечения кристалла, он подавал на точечный контакт диодного детектора напряжение от гальванической батарейки и тем пропускал через него электрический ток. Это была первая попытка найти практическое применение работы светодиода.

В 1951 году в США начались исследовательские работы по разработке "полупроводниковых лампочек", действие которых было основано на "эффекте Лосева". В 1961 году, была открыта и запатентована технология изготовления инфракрасного светодиода, авторами которой стали Роберт Байард и Гари Питтман. Через год, в 1962 году, Ник Холоньяк (Nick Holonyak), работающий в компании General Electric, изготовил первый в мире красный светодиод, работающий в световом диапазоне и нашедший впоследствии первое практическое применение. Он имел низкую энерго-эффективность, потреблял сравнительно большой ток, но при этом имел тусклое свечение. Тем не менее, технология получилась перспективной и получила дальнейшее развитие.

Следующим шагом в развитии светодиодной техники явилось изобретение желтого светодиода. Бывший ученик Ника Холоньяка - Джордж Крафорд, в 1972 году вместе с изобретением желтого светодиода, увеличил в 10 раз яркость свечения красных и красно-оранжевых светодиодов. Практически одновременно с этими изобретениями, в начале 70-х годов, были получены светодиоды зеленого цвета. Свое применение они нашли в калькуляторах, наручных часах, электронных приборах, световых указателях и дорожных светофорах. Значительного увеличения светового потока, до 1 люмена (Лм), красных, желтых и зеленых светодиодов смогли достичь только к 1990 году.

В 1993 году, японский инженер, работник компании Nichia, Суджи Накамура (Shuji Nakamura), смог получить первый светодиод высокой яркости который излучал синий цвет. Это изобретение стало революцией в развитии светодиодной техники, так как были получены светодиоды трех основных цветов, красного, зеленого и синего. С этого момента можно было получить свечение любого цвета, включая белого.

В 1996 году появились первые белые светодиоды. Они состояли из двух светодиодов – синего и ультрафиолетового с люминофорным покрытием.

К 2011 году были построены конструкции светодиодов белого свечения, которые обеспечивали светоотдачу до 210 Лм/Вт. Каким же образом ученые и инженеры добились таких успехов. Для этого рассмотрим известные на сегодняшний день способы получения светодиодов белого цвета.

Известно, что все цвета и оттенки складываются из трех основных цветов - красного, зеленого, синего. Белый свет не исключение. Существует четыре варианта получения излучения светодиодами белого цвета (рисунок 4).

Рисунок 4. Получение светодиодов излучающих белый свет

Первый вариант - использование в конструкции светодиода трех отдельных p -n переходов излучающих красный, зеленый и синий свет. При этом варианте для каждого p -n перехода требуется свой собственный источник питания. Регулируя напряжение на каждом p -n переходе добиваются создания белого свечения со своим оттенком (цветовой температурой).

Второй вариант - при этом варианте в конструкции светодиода используется один p -n переход синего свечения, покрытый желтым или желто-зеленым люминофором. Такой вариант применяется чаще всего, так как для работы светодиода требуется один источник питания. Однако цветовые характеристики этого светодиода уступают характеристикам светодиодов получаемых другими способами.

Третий вариант - здесь также используется один p -n переход синего свечения, но покрытый слоями люминофоров двух цветов - красного и зеленого. Конструкции светодиодов, изготавливаемые данным способом, позволяют получить лучшие цветовые характеристики.

Четвертый вариант - конструкция светодиода при этом варианте строится на основе ультрафиолетового светодиода покрываемого тремя слоями люминофоров красным, зеленым и синим. Конструкции таких светодиодов самые не экономичные, так как преобразование коротковолновых ультрафиолетовых лучей в длинноволновые видимые лучи, во всех трех слоях люминофора, сопровождается потерями энергии.

Значение светоотдачи сверхярких светодиодов белого цвета в 210 Лм/Вт пока было достигнуто только в лабораторных условиях. Максимальная же светоотдача ярких светодиодов доступных для общего применения не превышает 120 Лм/Вт. Такие светодиоды очень дороги и используются редко. Основная масса светодиодов имеет светоотдачу 60 - 95 Лм/Вт.

Светоотдача светодиода, так же как и любого другого источника света работающего под действием электрической энергии, зависит от величины проходящего через него тока. Чем больше ток, тем больше светоотдача. Но также как и любого другого источника света, большая часть энергии в нем превращается в тепло. Нагрев светодиодов сопровождается падением их светоотдачи. В связи с этим производители вынуждены использовать массивные металлические корпуса для охлаждения кристалла и рассеивания выделяющегося тепла в окружающую среду. Такие меры позволяют несколько повысить эффективность его использования.

Если сравнивать энергоэффективность различных источников света то выяснится, что светодиоды имея коэффициент полезного действия 40 - 45% являются самыми экономичными. К примеру, лапы накаливания имеют КПД равный 2 - 5%, - 15 - 25%, - 24 - 30%.

Режим работы светодиода, когда кристалл имеет температуру близкую к комнатной, несомненно, благоприятно сказывается на его сроке службы. При таких режимах работы светодиод способен работать до 50000 часов не теряя светоотдачи. Если ставится цель повысить светоотдачу увеличивая ток, то это само собой пагубно сказывается на его сроке службы. В первую очередь к концу срока службы значительно падает светоотдача. Падение происходит плавно и достигает 70% от начального значения. Во вторых увеличивается вероятность его полного выхода из строя.

Этот факт говорит о том, что выбирая светильники и лампы при разработке проектов освещения необходимо каждый раз оценивать какой из них более выгоден с экономической точки зрения.

Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.

Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.

Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.

Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: . Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.

Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:

Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.

На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.

Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.

Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.

За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан .

Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:

1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;

2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.

Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.

Влияние температуры

При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.

Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.

За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.

Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:

1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;

2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.

На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.

Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.

Виды цветовой передачи света

Современные светодиоды излучают:

• белый свет.

Желто-зеленый, желтый и красный спектр

В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.

Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.

Голубой спектр

Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:

1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;

2. высоких требований к содержанию примесей.

Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.

Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.

Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.

Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.

Белый спектр

Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;

3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.

У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.

Особенности технологий белого спектра

Методика RGB

Она позволяет:

задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;

вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;

создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.

Простым примером такой реализации служат . Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.

Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:

неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;

неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.

Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.

Светодиоды с люминофором

Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.

Для них характерны недостатки:

в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;

сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.

Особенности светодиодов разных конструкций

Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.

Способы питания

Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.

С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.

При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.

Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.

Способы управления

Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:

1. величиной подключаемого напряжения;

Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.

Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.

За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.

О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.

Производство

При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.

Физический ручной труд человека полностью исключен из производственного процесса.

Подготовленные специалисты осуществляют только контроль за правильным протеканием технологии.

Анализ качества выпускаемой продукции тоже входит в их обязанности.

С момента открытия красного светодиода (1962 г.) развитие твердотельных источников света не останавливалось ни на миг. Каждое десятилетие отмечалось научными достижениями и открывало для ученых новые горизонты. В 1993 году, когда японским ученым удалось получить синий свет, а затем и белый, развитие светодиодов перешло на новый уровень. Перед физиками всего мира стала новая задача, суть которой заключалась в использовании светодиодного освещения в качестве основного.

В наше время можно сделать первые выводы, свидетельствующие об успехах становления светодиодного освещения и продолжающейся модернизации светодиода. На прилавках магазинов появились светильники со светодиодами, изготовленными по технологии COB, COG, SMD, filament.

Как устроен каждый из перечисленных видов, и какие физические процессы вынуждают полупроводниковый кристалл светиться?

Что такое светодиод?

Перед разбором устройства и принципа работы, кратко рассмотрим, что светодиод из себя представляет.

Светодиод – это полупроводниковый компонент с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании электрического тока в прямом направлении.

В отличие от нити накала и люминесцентных источников света, испускаемый свет светодиодом лежит в небольшом диапазоне спектра. То есть кристалл светоизлучающего диода испускает конкретный цвет (в случае со светодиодами видимого спектра). Для получения определенного спектра излучения в светодиодах используют специальный химический состав полупроводников и люминофора.

Устройство, конструкция и технологические отличия

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

DIP

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

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

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

SMD

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

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

COB

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

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

Принцип работы светодиода

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

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

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

Читайте так же

Вопросы снижения потребляемой электроэнергии решаются не только на государственном уровне. Эта проблема актуальна и для рядовых потребителей. В связи с этим, в квартирах, офисах и других учреждениях, начинают широко внедряться не только мощные, но и экономичные источники света. Среди них все более широкое распространение получают светодиодные лампы. Устройство и принцип работы светодиодной лампы позволяет использовать ее со стандартным патроном и подключать в электрическую сеть напряжением 220 В. Для того чтобы сделать правильный выбор, нужно знать основные преимущества и особенности современных источников света.

Принцип действия светодиодных ламп

В работе светодиодных ламп используются физические процессы, которые значительно сложнее тех, что применяются в обычных лампах накаливания с металлической нитью. Суть явления заключается в появлении светового потока в точке соприкосновения двух веществ из разнородных материалов, после того как через них пропущен электрический ток.

Основной парадокс заключается в том, что каждый из используемых материалов, не является проводником электрического тока. Они относятся к категории полупроводников и способны пропускать ток лишь в одну сторону при условии их соединения между собой. В одном из них должны обязательно преобладать отрицательные заряды - электроны, а в другом - ионы с положительным зарядом.

Кроме движения электрического тока, в полупроводниках происходят и другие процессы. При переходе из одного состояния в другое происходит выделение тепловой энергии. Путем экспериментов удалось найти такие сочетания веществ, у которых наряду с выделением энергии появлялось световое излучение. В электронике все устройства, пропускающие ток лишь в одном направлении стали называться , а те из них, которые обладают способностью испускать свет, стали называться светодиодами.

В самом начале испускание фотонов полупроводниковыми соединениями охватывало только узкую часть спектра. Они могли испускать только красный, желтый или зеленый свет, с очень низкой силой свечения. Поэтому в течение длительного времени светодиоды использовались только в качестве индикаторных ламп. К настоящему времени были получены такие материалы, соединения которых позволили значительно расширить диапазон светового излучения и охватить практически весь спектр. Тем не менее, длина каких-то волн всегда преобладает в свечении. Поэтому светодиодные лампы разделяются на источники холодного света - синего и теплого свечения - преимущественно красного или желтого.

Устройство светодиодных источников света

Внешний вид светодиодных ламп практически не отличается от традиционных источников света с металлической нитью накаливания. Они оборудованы с резьбой, что позволяет использовать их с обычными патронами и не вносить изменений в электрооборудование помещений. Однако светодиодные лампы существенно отличаются сложным внутренним устройством.

В их состав входят контактный цоколь, корпус, выполняющий функцию радиатора, плата питания и управления, плата со светодиодами и прозрачный колпак. Планируя использование светодиодных ламп в сети 220 В, следует помнить, что они не смогут работать с таким током и напряжением. Для того чтобы исключить перегорание светильников, в их корпусах устанавливаются платы питания и управления, снижающие напряжение и выпрямляющие ток.

Устройство такой платы оказывает серьезное влияние на срок эксплуатации лампы. В некоторых моделях перед устанавливается лишь резистор, а в некоторых случаях недобросовестные производители обходятся без него. В результате, лампы дают очень яркое свечение, но очень быстро сгорают из-за отсутствия стабилизирующих устройств. Поэтому качественные светильники непременно оборудуются стабилизаторами, например, балластными трансформаторами. В наиболее распространенных управляющих схемах используются сглаживающие фильтры, в состав которых входит конденсатор и резистор. В наиболее дорогих моделях в блоках управления и питания используются микросхемы.

Каждый отдельно взятый светодиод излучает довольно слабый свет. Поэтому для достижения нужного светового эффекта, группируется необходимое количество элементов. С этой целью используется плата, изготовленная из диэлектрического материала, с нанесенными токопроводящими дорожками. Примерно такие же платы применяются в других электронных устройствах.

Светодиодная плата является еще и понижающим трансформатором. С этой целью все элементы включаются последовательно в общую цепь, и сетевое напряжение равномерно распределяется между ними. Единственным существенным недостатком такой схемы является обрыв всей цепочки в случае перегорания хотя-бы одного светодиода.

Защиту всей лампы от попадания влаги, пыли и других негативных воздействий обеспечивает прозрачный колпак. Некоторые свойства колпака позволяют усилить общее свечение. Дело в том что его внутренняя сторона покрыта слоем люминофора, который начинает светиться под действием энергии квантов. Поэтому снаружи поверхность колпака выглядит матовой. Люминофор обладает более широкий спектр излучения, в несколько раз превышающий аналогичный показатель у светодиодов. В результате, излучение становится сравнимо с естественным солнечным светом. Без такого покрытия светодиоды оказывают раздражающее действие на глаза, вызывая усталость и болевые ощущения.

Лучше всего изучать полезные качества, устройство и принцип действия светодиодных ламп на схемах при напряжении электрической сети 220 вольт. Чаще всего такие светильники применяются в промышленном и уличном освещении, а в бытовых условиях традиционные источники света заменяются светодиодными лампочками, работающими при низком напряжении, в основном от 12 вольт. Однако мощность лампы и ее светоотдача не имеют прямой зависимости между собой. Этот фактор следует учитывать при выборе светодиодных светильников.

В светодиодных лампах, рассчитанных на 220 вольт, в схеме отсутствует трансформатор. В связи с этим возникает дополнительная экономия при эксплуатации таких светильников. Данная особенность отличает их от светодиодных ламп с другими мощностями. Поэтому выбор светильников происходит не по мощности, а по степени освещенности, создаваемой ими.

Преимущества светодиодных ламп

В настоящее время большое значение придается экономичной и долговечной работе осветительных приборов. Поэтому на первый план выходят светильники, создающие яркое освещение с выделением минимального количества тепла и небольшим энергопотреблением. Они обладают низкой чувствительностью к перепадам тока и напряжения, могут выдерживать большое количество включений и выключений.

Всеми этими качествами в полной мере обладают светодиодные лампы. Они имеют несколько разновидностей, отличающихся по конструктивным и техническим характеристикам, что позволяет выбрать наиболее подходящий вариант. Все лампы отличаются наличием или отсутствием , степенью экологической безопасности, необходимостью в использовании выпрямителей тока и других дополнительных приборов.

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:

1. Освещение.
2. 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.