Устройство и принцип работы светодиода

Устройство и принцип работы светодиодов

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.

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.

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.

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

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

Принцип работы светодиода

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.

Как устроен и работает светодиод

С момента открытия монохромных красных светодиодов в 1962 году началось активное развитие полупроводниковых источников света.

Открытие синего и белого диодов перевело технологию на новый уровень.

С тех пор постоянно меняется устройство светодиода, его характеристики и конструкция. Сейчас они широко используются в светотехнике, электронике и других областях.

Что такое светодиод простыми словами

Светодиод – это полупроводниковое устройство, создающее излучение при прохождении через него электрического тока. Из чего состоит светодиод: из кристалла, заключенного в защитный корпус с выводами. Кристалл расположен на непроводящей подложке и излучает определенный цвет. Для получения нужного свечения используются химические составы из различных полупроводников и люминофоры.

Кристалл состоит из двух и более полупроводников разного типа проводимости. Принцип работы светодиода следующий – в прямом направлении через него пропускают электрический ток. В электронно-дырочном переходе на границе двух веществ происходит движение электронов и дырок, в результате чего выделяется энергия в виде кванта света и прибор начинает светить.

  • высокая светоотдача;
  • высокая механическая прочность и виброустойчивость;
  • долгий срок работы;
  • малый нагрев;
  • от количества циклов включения-выключения не зависит срок работы;
  • различный спектр белых светодиодов – от 2700 К до 6500 К;
  • спектральная чистота, полученная благодаря принципу устройства;
  • отсутствует задержка при включении;
  • широкий диапазон углов излучения (от 15 градусов до 180 градусов);
  • электрическая безопасность, так как не требуются высокие напряжения;
  • отсутствие чувствительности к низким температурам;
  • надежность;
  • разнообразие форм;
  • экономичность;
  • экологичность, ввиду отсутствия в конструкции светодиода ртути и других вредных компонентов в составе светоизлучающего диода.
  • нельзя допускать работы при высоких температурах – кристалл начинает деградировать;
  • высокая стоимость готового изделия.

Применение:

  • уличное, домашнее и производственное освещение;
  • индикация;
  • уличная реклама, бегущие строки;
  • фонари и светофоры;
  • подсветка экранов телефона, телевизора, компьютера и других жидкокристаллических дисплеев;
  • игрушки, значки и другие развлекательные элементы;
  • диодные дорожные знаки;
  • световые шнуры Дюралайт;
  • в фитолампах.

Осветительный прибор на основе светодиодов состоит из:

  • излучающего диода;
  • драйвера;
  • цоколя;
  • корпуса.

Из крупных производителей светодиодов можно выделить японскую фирму Nichia Corporation и ее подразделение Nichia Chemical. Они являются лидерами по изготовлению сверхъярких диодов синего, белого и зеленого цвета. Также изготовлением излучающих диодов занимаются компании Phillips, Cree, Seoul Semiconduction из российских можно выделить Оптоган и Светлана-Оптоэлектроника.

В Nichia Chemical впервые разработали белый и синий светодиод.

Как устроены и чем отличаются светодиоды разных типов

Светодиоды можно классифицировать по разным критериям. Основное отличие – в технологии и электрических параметрах.

Сокращение DIP пошло от слов Direct In-line Package. Такие светодиоды известны еще с конца прошлого века. Устройство представляет собой стеклянную или пластиковую прозрачную колбу размером 3 или 5 мм, в которой находится полупроводниковый кристалл. Колба является линзой и формирует направленный пучок света. Кристалл закрепляется на катоде, который с помощью провода соединяется с анодом. Из корпуса выходят контакты в виде металлических ножек, через которые светодиод и включается в схему.

По форме бывают круглые, овальные, прямоугольные. Напряжение питания – до 5 В при 25 мА.

Обычно внутри линзы располагается один кристалл, но есть модели с двумя и более разных цветов. Такие модели могут оснащаться тремя и четырьмя выводами. Принцип работы светодиода подобного вида задает микрочип.

Dip светодиоды являются малоточными, они используются в гирляндах, для индикации, в подсветке, уличном освещении. По сравнению с SMD диодами они имеют следующие преимущества:

  • яркость;
  • направленный световой поток;
  • долгий срок службы при работе на улице;
  • потребление электроэнергии.

Основной недостаток – большой размер, от 3 мм.

Важно! С течением времени яркость свечения может уменьшаться. Это связано с деградацией кристалла и материалов, из чего делают светодиоды.

Светодиоды SMD – это приборы для крепления на поверхность. В настоящее время этот тип диодов является самым востребованным. С их появлением расширились возможности создания осветительных систем. Начали уменьшаться размеры светильника, монтаж автоматизирован.

Как устроен светодиод SMD – излучающий кристалл закреплен на подложке, от которой отводится тепло. К ней вмонтированы выходы. Внутри размещен управляющий чип. Защитой является овальная или сферическая линза из стекла или пластика.

  • небольшая цена;
  • надежность;
  • срок службы;
  • высокая светоотдача.

SMD светодиоды в смеху включаются при помощи специального клея. Самые маленькие диоды имеют размер 0,6х0,3 мм. Максимальная яркость – 8000 кд/кв.м.

Существует технология, при которой кристалл наносится на проводящую подложку без использования корпуса. В качестве защиты используется специальный слой, который выбирается по назначению светодиодов.

Используются для подсветки интерьеров, уличных билбордов, рекламных экранов с широким разрешением.

Chip On Board (COB) светодиоды имеют большое количество кристаллов на одной подложке. Также их называют светодиодной матрицей. Сверху заливается люминофором.

  • простота монтажа;
  • хороший поток света;
  • высокий CRI;
  • разнообразие форм.

  • стоимость;
  • самый срок службы;
  • светоотдача ниже, чем у SMD.

КОБы активно используются в создании ярких прожекторов и в других светильниках, где требуется акцентированная подсветка.

Важно! Из-за высокого нагрева требуется силиконовая оптика. Она устойчива к высоким температурам. Перед подключением ее нужно подготовить, иначе подложка деформируется и кристалл повредится.

Как работают светодиоды: принцип действия

Электрический ток преобразуется в свет в кристалле. Он состоит из двух полупроводников различного типа проводимости – n и p. N-проводимость обеспечивается легированием электронов в полупроводник, p – дырок.

Принцип действия светодиода заключается в появлении свечения при рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе под действием тока, приложенного в прямом направлении. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой появляются фотоны.

Читайте также  Датчик освещенности bh1750

Не все полупроводниковые материалы способны давать свет при рекомбинации. Для создания светодиодов используются прямозонные полупроводники, в которых разрешен прямой оптический переход зона-зона. К таким материалам относятся A3B5 (InP, GaAs), A2B4 (CdTe). В зависимости от состава можно получать светодиоды от ультрафиолетовых до инфракрасных.

Как работает светодиод, зависит от электронно-дырочного перехода. Условия пропускания света p-n переходом:

  • близость ширины запрещенной зоны к энергии кванта света;
  • минимальное содержание дефектов в полупроводниковом кристалле.

Для реализации этих требований одного p-n перехода недостаточно. Нужно создавать многослойные структуры – гетероструктуры, состоящие из нескольких полупроводников.

Получение светодиода определенного цвета

Для получения светодиода того или иного цвета используется три технологии – покрытие люминофором, использование RGB светодиодов и применение разных полупроводниковых материалов.

Покрытие люминофором

Люминофором называется вещество, которое может преобразовать поглощаемую энергию в свет. Получение светодиодов путем нанесения люминофора на поверхность имеет свои преимущества:

  • простота конструкции;
  • низкая стоимость производства;
  • экономия.

К недостаткам относятся:

  • снижение светоотдачи из-за потери световой энергии;
  • влияние на цветовую температуру;
  • быстрее стареет при эксплуатации.

Люминофор используется в белых светодиодах. С помощью люминофорного покрытия создаются диоды с различной цветовой температурой.

RGB-технология

Смешивание цветов по RGB технологии также помогает получить светодиоды различного спектра (обычно используются для белого). На матрице устанавливаются 3 монокристалла, каждый из них дает свой спектр RGB. Путем конструирования оптической системы цвета смешиваются и дают нужный оттенок.

  • возможность поочередного включения того или иного цвета вручную или автоматически;
  • можно вызывать разные оттенки, меняющиеся по времени;
  • создание эффектных осветительных конструкций для рекламы и дизайна.
  • неравномерность светового пятна;
  • неравномерность нагрева и отвода тепла.

Отрицательные качества вызваны расположением кристаллов полупроводника на поверхности. Из-за этого качественно организовать RGB модель сложно.

Применение различных примесей и полупроводников

Работа светодиода напрямую зависит от материала, из которого он выполнен. Использование полупроводников с различной шириной запрещенной зоны можно добиться нужного света от диода. От ширины запрещенной зоны зависит длина волны.

Для получения приборов в инфракрасном и красном цветовом спектре используются твердые растворы на основе арсенида галлия. Оранжевые, желтые и зеленые цвета получаются при помощи фосфида галлия. Синие, фиолетовые и ультрафиолетовые изготавливаются на основе нитрида галлия.

Основные выводы

Светодиоды – это компоненты, которые активно используются во многих сферах деятельности. Их можно встретить в освещении улиц и домов, подсветке экранов мобильного телефона и компьютера, в качестве индикаторов. Строение элемента: полупроводниковый кристалл, подложка, линза и электроды.

Излучающие диоды бывают нескольких типов – SMD, DIP, COB, они различаются по конструкции и техническим характеристикам. Получить устройство нужного цвета можно с помощью RGB технологии, нанесения люминофора на поверхность и путем подбора полупроводников для кристалла. Производство светодиодов активно развивается, и появляются все новые приборы с улучшенными характеристиками.

Как работает светодиод и как устроен

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.

  1. Принцип работы
  2. Как устроен светодиод
  3. Получение светодиода определенного цвета
  4. Покрытие люминофором
  5. RGB — технология
  6. Применение различных примесей и различных полупроводников
  7. Электрические характеристики
  8. Устройство светодиода индикаторного типа (DIP)
  9. Как устроен мощный светодиод
  10. Устройство филаментного светодиода
  11. Конструкция
  12. Устройство и принцип работы светодиода COB
  13. Принцип работы
  14. Устройство и принцип работы органического светодиода OLED
  15. Устройство OLED
  16. Как работает данная технология?
  17. Достоинства
  18. Устройство и принцип работы светодиода на основе волокон
  19. Выводы

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. Рассеиватель (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, как проверить светодиод). 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 cree) 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 радиатора 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 драйвера рассчитанного на прохождение большого потока электронов, который помимо стабилизации напряжения должен ограничивать ток, соответствующий номинальной работе устройства.

Устройство филаментного светодиода

Светодиоды типа filament были изобретены еще в начале 2008 года. Однако пик их популярности приходится на 2014-2016 года. Они стали популярными у дизайнеров, поскольку напоминали обычные лампы накаливания и потребляли минимальное количество электроэнергии. Рекомендуем почитать интересную статью про филаментные светодиодные лампы.

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 срок службы светодиода, световой поток видимого спектра и угол свечения.

Читайте также  Фотореле с таймером на логике

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 технологий производства можно добиться высоких технических показателей и более надежной и длительной работы светодиодов.

Для наглядности рекомендуем просмотреть видео, в котором Вы подробно ознакомитесь с конструкцией LED:

Светодиоды – как работает, полярность, расчет резистора

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

Устройство светодиода

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

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

Светодиод состоит из нескольких частей:

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

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

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

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

Цвета светодиодов

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

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

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

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

Принцип работы светодиодов

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

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

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

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

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

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

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

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

Виды светодиодов, классификация

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

По типу исполнения выделяют:

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

  • Spider led. Такие светодиоды похожи на предыдущие, но имеют 4 выхода. В таких диодах оптимизирован теплоотвод, повышается надежность компонентов. Активно используются в автомобильной технике.
    • Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам. Smd

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

    • Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии. Oled
    • В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.

    Светодиоды могут быть:

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

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

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

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

    Полярность светодиодов

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

    Полярность моно определить несколькими способами:

    • Визуально. Это самый простой способ. Для нахождения плюса и минуса у цилиндрического диода со стеклянной колбой нужно посмотреть внутрь. Площадь катода будет больше, чем площадь анода. Если посмотреть внутрь не получится, полярность определяется по контактам – длинная ножка соответствует положительному электроду. Светодиоды типа SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка, кольцевая полоска.
    • При помощи подключения питания. Путем подачи малого напряжения можно проверить полярность светодиода. Для этого нужен источник тока (батарейка, аккумулятор), к контактом которого прикладывается светодиод, и токоограничивающий резистор, через который происходит подключение. Напряжение нужно повышать, и светодиод должен загореться при правильном включении.
    • При помощи тестеров. Мультиметр позволяет проверить полярность тремя способами. Первый – в положении проверка сопротивления. Когда красный щуп касается анода, а черный катода, на дисплее должно загореться число , отличное от 1. В ином случае на экране будет светиться цифра 1. Второй способ – в положении прозвонка. Когда красный щуп коснется анода, светодиод загорится. В ином случае он не отреагирует. Третий способ – путем установки светодиода в гнездо для транзистора. Если в отверстие С (коллектор) будет помещен катод – светодиод загорится.
    • По технической документации. Каждый светодиод имеет свою маркировку, по которой можно найти информацию о компоненте. Там же будет указана полярность электродов.

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

    Расчет сопротивления для светодиода

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

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

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

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

    Когда нужно использовать токоограничивающий резистор:

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

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

    Онлайн – сервисы и калькуляторы для расчета резистора:

    Устройство и принцип работы светодиода

    В лампах накаливания свет получается от раскаленной до бела вольфрамовой нити, по сути — от тепла. Словно раскаленные угли в печи, подогреваемой тепловым действием электрического тока, когда электроны быстро-быстро колеблются и сталкиваются с узлами кристаллической решетки проводящего металла, при этом излучают видимый свет, на который приходится, однако, всего менее 15 % всей затрачиваемой электрической энергии, питающей лампу.

    Светодиоды, в отличие от ламп накаливания, излучают свет вовсе не за счет тепла, а благодаря особенности своей конструкции, принципиально нацеленной на то, чтобы энергия тока шла именно на испускание света, причем определенной длины волны. В результате КПД светодиода, как источника света, превышает 50%.

    Ток здесь проходит через p-n-переход, при этом на переходе происходит рекомбинация электронов и дырок с излучением фотонов (квантов) видимого света с определенной частотой, а значит — с определенным цветом.

    Любой светодиод принципиально устроен следующим образом. Во-первых, как отмечалось выше, здесь присутствует электронно-дырочный переход, состоящий из контактирующих друг с другом полупроводников p-типа (основные носители тока — дырки) и n-типа (основные носители тока — электроны).

    Когда в прямом направлении через этот переход пропускается ток, то в месте контакта полупроводников двух противоположных типов происходит переход заряда (носители заряда перескакивают между энергетическими уровнями) из области с одним типом проводимости — в область с другим типом проводимости.

    При этом электроны со своим отрицательным зарядом соединяются с ионами положительно заряженных дырок. В этот то момент и рождаются фотоны света, частота которых пропорциональна разности энергетических уровней атомов (высоте потенциального барьера) между веществами с двух сторон от перехода.

    Конструктивно светодиоды бывают различных форм. Наиболее простая форма — пятимиллиметровый корпус — линза. Такие светодиоды часто можно встретить в качестве индикаторных на различной бытовой технике. Сверху корпус светодиода имеет форму линзы. Снизу внутри корпуса установлен параболический рефлектор (отражатель).

    На рефлекторе находится кристалл, который излучает свет в месте прохождения тока через p-n-переход. От катода — к аноду, с рефлектора — в сторону тонкой проволочки электроны движутся через кубик — кристалл.

    Этот полупроводниковый кристалл — главный элемент светодиода. Здесь он имеет размер 0,3 на 0,3 на 0,25 мм. Кристалл соединяется с анодом перемычкой из тонкой проволоки. Полимерный корпус представляет собой одновременно прозрачную линзу, которая фокусирует свет в определенном направлении, при этом получается ограниченный угол расхождения светового пучка.

    На сегодняшний день доступны светодиоды всех цветов радуги, начиная от ультрафиолетового и белого, заканчивая красным и инфракрасным. Наиболее распространены: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и белый цвета светодиодов. И цвет свечения здесь определяется отнюдь не цветом корпуса!

    Цвет зависит от длины волны фотонов, излучаемых на p-n-переходе. Например красный цвет красного светодиода имеет характерную длину волны от 610 до 760 нм. Длина волны, в свою очередь, зависит от материала, который использовался в производстве конкретного полупроводника для данного светодиода. Так, для получения цвета от красного до желтого, применяют примеси алюминия, индия, галлия и фосфора.

    Для получения цветов от зеленого до голубого — азот, галлий, индий. Для получения белого цвета, к кристаллу добавляют специальный люминофор, который преобразует синий цвет в белый при помощи явления фотолюминесценции.

    Что такое светодиод и как он работает — устройство и особенности

    Чтобы понять, что такое светодиод – сначала следует разобраться с его общепринятым обозначением, на английском языке представленном как LED. В переводе это дословно означает «излучающие маленькие светодиоды». С технической точки зрения они представляют собой полупроводниковые приборы, преобразующие электрический ток в видимое световое излучение. Это простейшее изделие по своему виду и устройству заметно отличается от типовых осветительных приборов: ламп накаливания и подобных им.

    1. История возникновения
    2. Устройство и принцип формирования излучения
    3. От чего зависит цвет светодиода
    4. Техника смешения цветов
    5. Особенности изготовления светодиодов
    6. Области применения и управление свечением

    История возникновения

    Устройство и принцип работы светодиодных излучателей проще понять, если ознакомиться с предысторией их возникновения. Впервые это излучающее изделие появилось на свет в 1962 году в виде монохромного диода красного свечения. Несмотря на целый ряд недостатков, технология его изготовления была признана перспективной. Спустя десятилетие после демонстрации красного образца широкой публике были представлены зеленые и желтые светодиоды. Из-за невысокой отдачи эти изделия в основном применялись в пределах дома в качестве индикаторов на лицевых панелях бытовых электронных приборов.

    Со временем интенсивность свечения увеличили в несколько раз, а в 90-х годах прошлого века удалось сделать образец со световым потоком, равным 1 люмену. В 1993 году японским инженером С. Накамурой был создан первый в истории синий диод, отличающийся повышенным уровнем светимости. С этого момента их разработчики научились получать любой цвет видимого спектра, включая белый.

    Благодаря замечательным характеристикам светодиодных изделий, они со временем составили серьезную конкуренцию привычным для многих лампочкам накаливания.

    Начиная с 2005 года, промышленностью освоен выпуск белых светодиодов с силой светового потока до 100 лм и более. Кроме того, научились изготавливать осветительные элементы с различными оттенками белого («теплое», «холодное» и другие свечения).

    Устройство и принцип формирования излучения

    Принцип работы светодиода

    Чтобы понять, как устроен светодиод – прежде всего, необходимо учесть ряд моментов, касающихся его конструкции:

    • основой светодиодного элемента является полупроводниковый кристалл, пропускающий ток только в одну сторону;
    • классическое устройство светодиода предполагает наличие изолирующей подложки;
    • стеклянный корпус диода надежно защищает кристалл от сторонних воздействий и одновременно является рассеивающим элементом;
    • с обратной стороны корпуса имеются два контакта, к которым подводится электрическое питание светодиода.

    Для повышения ресурса срабатываний излучающего прибора, пространство между рассеивающей линзой и самим кристаллом заполнено прозрачным силиконовым составом.

    В строении некоторых светодиодов предусматривается особая алюминиевая подложка, являющаяся основанием прибора и одновременно отводящая от него излишки тепла.

    Принцип работы светодиода проще понять, исследовав полупроводниковый переход, который профессионалы называют электронно-дырчатым. Его название связанно с различным характером основных носителей в пограничном слое двух структур. В одном полупроводнике на границе контакта имеется избыток электронов, а в смежном с ним материале – излишки дырок. В процессе изготовления полупроводникового перехода они проникают в смежный слой, образуя потенциальный барьер, препятствующий их обратному смещению. От ширины перехода зависит величина прямого напряжения на светодиоде при его работе.

    При подаче на диод потенциала заданной полярности и величины, формируемого источником постоянного тока, удается сместить переход в нужном направлении. Это приведет к его открыванию и появлению встречного потока противоположно заряженных частиц. При их столкновении в границах перехода испускаются кванты световой энергии – фотоны. В зависимости от частоты следования этих импульсов излучение приобретает определенную цветовую окраску.

    От чего зависит цвет светодиода

    Варианты получения излучения белого светодиода

    При изготовлении светодиодов применяются различные типы полупроводниковых материалов, выбор которых определяет излучаемый ими цветовой оттенок.

    Умение различать цвет – врожденное свойство человеческого глаза, способного с большой точностью улавливать его градации. Оно неразрывно связано с длиной волны квантового излучения, которое несут с собой электромагнитные волны определенной частоты. В данном случае световые импульсы формируются на границе полупроводникового перехода светодиода.

    При исследовании свойств различных полупроводников на ранней стадии их изучения учеными были выявлены такие материалы, как фосфид галлия, а также тройные соединения AlGaAs и GaAsP. При их использовании удавалось получать красное и желто-зеленое излучение. Сегодня с целью получения различных сочетаний цветов применяются более сложные по структуре комбинации алюминия с индием и галлием (AllnGaP) или индий-нитрид галлия (InGaN). Эти полупроводники способны выдерживать значительные по величине токи, что позволяет получать от них высокую световую отдачу.

    Техника смешения цветов

    Техника смешения цветов

    Современные диодные ленты и светодиодные модульные кластеры способны выдавать различные оттенки светового диапазона. С учетом того, что один переход формирует монохромное излучение, для создания многоцветного свечения потребуется многокристальное устройство. Это сложное изделие работает подобно монитору компьютера, на котором удается получить практически любой оттенок (для этого используется специальный модуль RGB).

    Воспользовавшись этим принципом формирования оттенка, удалось получить белое свечение, широко применяемое в светодиодных прожекторах, например. Для этого все три исходных или базовых цвета смешивались в равной пропорции.

    Получить его также удается соединением диодных структур ультрафиолетового или синего излучения с желтым покрытием люминофорного типа.

    Особенности изготовления светодиодов

    Чтобы понять, как делаются светодиоды, потребуется ознакомиться с особенностями структуры в части используемых при изготовлении технологий. Поэтому при рассмотрении специфики их производства в первую очередь учитываются следующие моменты:

    • конкретный способ формирования цвета излучения (матричный или люминофор);
    • на скольких вольт бывают рассчитаны светодиоды, и какой по величине ток они выдерживают;
    • какая из технологий позволяет получить лучшее качество свечения и обходится дешевле.

    Изготовление чипов по матричной схеме обойдется производителю дороже, что окупается высоким качеством излучения. К недостаткам люминофоров относят низкую светоотдачу, а также не совсем чистый цвет излучения. Кроме того, они имеют меньший рабочий ресурс и чаще выходят из строя.

    При изготовлении простых индикаторных диодов с прямым напряжением 2-4 Вольта их переход рассчитывается на небольшие токи (до 50 мА). Для создания полноценных осветительных приборов и светодиодных мостовых схем потребуются устройства с большими токовыми показателями (до 1 Ампера). Если в одном модуле диоды соединяются в последовательную цепочку – суммарное напряжение на их переходах достигает 12 или даже 24 Вольт. При изготовлении изделий плюс у каждого светодиода помечается особым образом (на соответствующей ножке делается небольшой выступ).

    Области применения и управление свечением

    Применение светодиодов в лампе

    Благодаря разнообразию модификаций светодиодные изделия широко применяются в различных областях:

    • при изготовлении энергосберегающих ламп, устанавливаемых в типовую люстру, например, или в обычное настенное бра;
    • для использования в качестве осветителей в широко распространенных миниатюрных фонариках, а также в более габаритных конструкциях типа «кемпинговые туристические лампы»;
    • при необходимости декоративной подсветкиа помещений в виде длинных лент с различной цветовой гаммой.

    Управлять уровнем светимости в обычном светильнике или люстре можно различными способами. Для этого чаще всего применяются особые электронные схемы, позволяющие модулировать амплитуду и другие параметры световых импульсов. Для удобства работы с бытовым оборудованием такой модуль изготавливается в виде типового пульта управления.