Что такое светодиод. Виды светодиодов. Светодиоды что такое

Что такое светодиод. Виды светодиодов.

Всем привет. Сегодня мы поговорим с вами о светодиодах. Однажды я уже говорил вам, что болею светодиодной зависимостью… Да они такие маленькие, такие яркие, такие разные… В общем сейчас мы все это и обсудим. Кому неинтересно — могут закрыть эту статью и поискать что-нибудь более подходящее для себя, но я не рекомендовал бы этого, так как в данном посте будут затронуты некоторые весьма важные моменты, которые в будущем отнюдь не помешают.

Мы, народные умельцы, в своей творческом полете весьма часто обращаемся к использованию светодиодов, поэтому нам просто необходимо познакомиться с ними поближе.

Что же вообще такое светодиод и с чем его едят? Не стану выдумывать ничего нового — для ответа на этот вопрос есть Википедия, которая гласит, что:

«Светодиод — это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока«.

Неплохо звучит правда? но если вы ничего не поняли, скажу более кратко и своими словами: «Светодиод — полупроводник, который излучает свет при подключении электричества». Скорее всего первые светодиоды с которыми вы сталкивались, выглядели примерно так (хотя цвета, конечно могут быть разными):

Эти светодиоды использовались в основном в индикаторных целях (да и сейчас вполне успешно используются) и обладали весьма невысокой яркостью. Необходимый цвет придавался за счет цвета корпуса. Но прогресс не стоит на месте и в 90х годах мы стали замечать так называемые сверхъяркие светодиоды, которые обладают прозрачным корпусом и дают значительно больше света, нежели их младшие собратья.

Геометрия светодиодов

Чаще всего все эти светодиоды в цилиндрическом корпусе выпускаются согласно трех основных стандартных размеров — 3/5/10 мм. Но существуют и другие разновидности, например SMD-светодиоды, которые отличаются компактностью, производительностью и долговечностью. Очень популярны нынче светодиоды SMD 3528 и SMD 5050. Именно эти светодиоды используются при производстве светодиодных лент (о которых мы поговорим в ближайших постах). Цифры 3528 и 5050 обозначают размер светодиода. Растолковать это можно так: 3528 — светодиод размером 3,5 мм на 2,8 мм. Следовательно, 5050 это светодиод 5 х 5 мм. SMD светодиоды предназначены в основном для монтажа сразу на плату.

Также сейчас весьма популярны мощные (от 1 Вт) светодиоды с подложкой типа «звезда», которая служит своего рода радиатором для охлаждения светодиода.

Цветовая гамма светодиодов

Светодиоды бывают самых разных цветов. Цвет свечения светодиода обуславливается используемым полупроводником. Чаще всего в продаже встречаются светодиоды красного, белого, желтого, оранжевого, синего, зеленного, фиолетового цветов. Также существуют инфракрасные светодиоды, но их излучение не видно невооруженным глазом. Инфракрасные светодиоды используются в пультах дистанционного управления, для подсветки камер и других целях. Весьма интересными являются фиолетовые и ультрафиолетовые светодиоды потому, что они вызывают люминесценцию некоторых красителей. Фиолетовые слабо, ультрафиолетовые — значительно сильнее. Однако чаще всего нам впаривают обычные фиолетовые светодиоды, как ультрафиолетовые. Некоторое продавцы просто не знают о существующей разнице, а некоторое просто стремятся продать свой товар любыми средствами.

По количеству кристаллов

В одном корпусе может быть более одного кристалла. Чаще всего встречаются двухкристальные, трехкристальные и четырехкристальные светодиоды. Двухкристальные в основном служат в индикаторных целях, таким образом один светодиод способен издавать 2 вида свечения, например синее и красное. Трехкристальные светодиоды используются декоративном дизайне, в изготовлении телевизионных панелей и в других целях. Трехкристальные светодиоды популярны тем, что в одном корпусе мы получаем 3 основных цвета — синий, красный и зеленый. При смешивании этих трех цветов получается мягкий самый полезный и чистый белый свет. На этих трех цветах построено наши телевизоры и мониторы. Четырехкристальные светодиоды часто делаются одного цвета. Такие светодиоды обладают повышенной яркостью. Своего рода это четыре светодиоды одного цвета в одном корпусе. Бывают также другие вариации цветов и количества кристаллов, я лишь попытался рассмотреть наиболее востребованные с моей точки зрения варианты.

Немного о напряжении

Когда я только начинал увлекаться светодиодами, то нередко попадал в неприятные ситуации. Иногда светодиоды перегорали, иногда меняли свой цвет и я во всем винил свою неопытность в данном вопросе. Я и подумать не мог, что причина может быть в чем-то другом. Но, как выяснилось, дело заключалось в основном в наших продавцах. Каждый раз, покупая тот или иной светодиод (а в 90х это чаще всего были цилиндрические светодиоды диаметром 5 мм), я задавал вопрос продавцу: «Какое необходимо напряжение для работы данного диода». И каждый раз, каждый продавец мне отвечал — 3 вольта. Думаю, с вами тоже могло происходить нечто подобное. И вот только значительно позже я узнал, что напряжение каждого светодиода зависит от его цвета. Позже в интернете я встретил примерную таблицу напряжений для разный цветов светодиодов. Предлагаю вам с ней ознакомиться, поверьте, пригодится.

Цвет	Длина волны	Напряжение
Инфракрасный	от 760 нм	до 1,9 В
Красный	610-760 нм	от 1,6 до 2,03 В
Оранжевый	590-610 нм	от 2,03 до 2,1 В
Желтый	570-590 нм	от 2,1 до 2,2 В
Зеленый	500-570 нм	от 2,2 до 3,5 В
Синий	450-500 нм	от 2,5 до 3,7 В
Фиолетовый	400-450 нм	от 2,8 до 4,0 В
Ультрафиолетовый	до 400 нм	от 3,1 до 4,4 В
Белый	широкий спектр	от 3,0 до 3,7 В

Спектр применения светодиодов

Сегодня спектр применения светодиодов очень широк. Это и моддинг, и декоративный дизайн, и освещение помещений, подсветка экранов телевизоров и мониторов и многое другое. Светодиоды окружают нас повсюду. Скорее всего, что в ближайшем будущем мы откажемся от применения привычных для нас ламп накаливания, заменив их светодиодными. Ведь они потребляют значительно меньше напряжение (в 4-7 меньше) и обладают просто фантастическим ресурсом работы — около 50 000 часов. Весьма популярные светодиоды в автотюнинге и многих других сферах. Рассмотреть все области их применения в одном коротком абзаце — просто невозможно, поэтому пожалуй, на этом и закончим. В будущих постах мы еще неоднократно вернемся к светодиодам, а на данный момент я с вами прощаюсь.

Все изображения, используемые в данном посте, были взяты в интернете в свободном доступе

delaysam.net

Светодиод - это... Что такое Светодиод?

Элемент - Светодиод
Тип - Активный электронный элемент
Принцип работы - Электролюминесценция
Изобретён - Олег Лосев (1927), Ник Холоньяк (1962)
Впервые создан - 1962
Символьное обозначение -
Пин конфигурация - Анод и Катод

Светодиодная лампа

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

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

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

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

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

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

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

История

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

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

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

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

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

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

Вклад советских учёных

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

Виды светодиодов


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

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

Характеристики

Обозначение светодиода в электрических схемах

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

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

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

Цвета и материалы полупроводника

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

Цвет длина волны (нм) Напряжение (В) Материал полупроводника

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

Стоимость

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

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

Преимущества

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

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

Применение светодиодов


Комнатное освещение		В светофорах		В автомобильных фарах

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

Органические светодиоды — OLED

OLED дисплей Основная статья: OLED

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

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

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

Производство

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

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

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

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

См. также

Примечания

Ссылки

dic.academic.ru

Что такое светодиод?

1. Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации. Конструкция мощного светодиода схематически изображена на рисунке.

2. Как работает светодиод?

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

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему?

Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона.

Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения.

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

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

Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

4. Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и теоретически это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют.

Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы.

Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

5. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

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

В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо — не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

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

6. От чего зависит цвет светодиода?

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

7. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход.

Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться).

Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%. Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

8. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов.

Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.

Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.

И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

9. Какой из трех способов лучше?

Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать. Б

елые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО.

Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.

10. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод — низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА.

Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения. Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности.

Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

11. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

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

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

12. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

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

13. Для чего светодиоду требуется конвертор?

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

14. Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания — этого-то как раз делать нельзя, — а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы).

Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

15. Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20 — 100 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

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

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

17. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания.

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

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология — металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон.

Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок — в р-области. За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6 — 12 подложках диаметром 50 — 75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек.

Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5 — 2 млн. долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это — технология, требующая высокой культуры.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к п- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24x0,24 до 1x1 мм2.

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

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

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора — в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера.

Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе. Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов.

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

технология СОВ

Источник статьи: ООО "Фокус"

www.altie.ru

Все что нужно знать про светодиоды

Последнее время, в интернете на различных компьютерных форумах я замечаю людей, которые хотят применить светодиоды для моддинга, однако не обладают достаточными знаниями для этого. Вместо полезных советов, такие люди зачастую выслушивают на тех же форумах рассуждения различных дилетантов, которые не разбираются в теме, а даже самый просто вопрос порождает эпические споры с философскими рассуждениями. Большинство информация из таких тем не только не принесет никакой пользы, а зачастую может и навредит. Для того что бы снять все самые популярные вопросы и заблуждения, которые касаются применения светодиодов в моддинге, я и решил написать сей небольшой опус.

Что такое светодиоды

В последнее время ведется много разговоров о светодиодах, постоянно появляются новости о все более мощных светодиодах, новых разработках и новых товарах на основе светодиодов (стоит вспомнить хотя бы новые жк-мониторы со светодиодной подсветкой от компании Apple). Так что же такое светодиод? Светодиод – это прибор на основе полупроводника, который излучает свет при пропускании через него электрического тока. Существует большое количество различных полупроводниковых материалов из которых делают светодиоды, причем характеристики светодиодов (цвет свечения, яркость свечения и т.д.) зависят от химического состава данных материалов.

Светодиоды разных размеров, цветов и яркости

Применение светодиодов в моддинге

Светодиоды это одни из первых вещей, которые начали применять в моддинге, ведь еще в конце 1999 – начале 2000 года первые моддеры меняли в своих корпусах стоковые светодиоды наскучивших цветов на более яркие светодиоды интересных и необычных цветов. Кроме того, некоторые моддеры самостоятельно изготавливали вентиляторы со светодиодной подсветкой, светодиодные лампы подсветки для корпуса и прочие моддинг-аксессуары. С появлением оптических мышек, моддеры начали заменять в них стандартные светодиоды, а так же устанавливать дополнительные. Однако нельзя сказать что, с появлением серийных вентиляторов с подсветкой, применение светодиодов в моддинге ушло в историю, скорее оно перешло в разряд классики, как и раундинг проводов (который, как всем известно, вошел в метаболизм каждого моддера) и прорезка блоухолов. Действительно, в современных корпусах уже с завода стоят яркие светодиоды синего, белого и других цветов, но ведь мы же хотим сделать вещи уникальными и персонализированными, ведь для этого мы и занимаемся моддингом, а учитывая теперешнее распространение дешевых и мощных светодиодов, не использовать их в моддинге – грех =), посему их используют по полной программе: ими подсвечивают корпуса, клавиатуры, вентиляторы, гравировки, люминесцентные краски и так далее. Светодиоды отлично применимы там, где нужна локальная или компактная подсветка, яркая или наоборот тусклая, ими отлично подсвечивать систему водяного охлаждения и т.п.

Вентилятор со светодиодной подсветкой

гибкая LED лента

Гибкая светодиодная лампа

Светодиоды, в случае применения их в моддинге, обладают следующими преимуществами и недостатками.

Преимущества

Яркие и насыщенные цвета
Надежность (длительный срок службы)
Высокая эффективность
Практически не греются
Компактный размер

Недостатки

Легко перегорают при неправильном подключении
Далеко не plug-and-play, с точки зрения подключения

Разновидности светодиодов

Светодиоды разделяются на разные разновидности в зависимости от размеров, количества кристаллов в одном корпусе, яркости, мощности, по цвету излучения, а так же другим параметрам.

Пример светодиодов самых популярных размеров

Светодиоды различной формы и цвета

Свечение светодидов с диффузным (цветным) корпусом

Геометрические форма и размеры. Самыми популярными являются светодиоды в цилиндрическом корпусе стандартизированных размеров: 3/5/10 мм в диаметре, реже 8 мм, хотя иногда встречаются и до 20 мм в диаметре. Также существуют SMD-светодиоды, которые отличаются очень компактным размером – до 2 х 2 мм, предназначены они для припаивания прямо на плату и обычно используются для подсветки экранов. Существуют также светодиоды выполненные в корпусах квадратной или прямоугольной формы.

Количество кристаллов. В большинстве случаев, в корпусе одного светодиода находится один полупроводниковый кристалл, однако бывают случаи в которых в корпус одного светодиода устанавливают больше одного кристалла, например:

Многоцветные светодиоды

В случае необходимости сделать многоцветных светодиод, в корпусе одного светодиода устанавливается более одного полупроводникового кристалла, причем сами кристаллы сделаны из разных материалов и соответственно излучают разные цвета: синий, зеленый, красный, желтый и так далее. Двухцветные светодиоды чаще всего используют как индикаторы (обычно красный/зеленый цвет), трехцветные светодиоды чаще всего используют для подсветки дисплеев и постройки светодиодных экранов так как данные светодиоды могут отображать три базовых цвета (синий/зеленый/красный), при смешивании которых можно получить всю палитру цветов, необходимых для отображения фото и видеоматериалов с достаточным качеством. Четырехцветные светодиоды достаточно редкие и содержат кристаллы для отображения, как видно из названия, четырех цветов (синий/зеленый/красный/желтый) и применяются в основном для создания белого света с высокими качественными характеристиками CRI (Color rendering index).

Светодиоды повышенной мощности

Для повышения яркости (количества света) светодиода иногда в корпус одного светодиода устанавливают несколько светоизлучающих кристаллов одного цвета (обычно ставят четыре кристалла), чем кратно увеличивают яркость светодиода. Это можно сравнить с четырехъядерными процессорами =).

Яркость. Из-за большого спектра применения светодиодов, производители выпускают светодиоды с различной яркостью: от не очень ярких для индикаторных целей до суперякрих, в основном для подсветки чего-то. На показатель яркости также влияет диаграмма направленности светодиода, например светодиод одной мощности с углом излучения в 20 градусов кажется более ярким, чем светодиод такой же мощности но с более широким углом излучения, например 140 градусов.

Мощность. Для разных целей производятся светодиоды различных мощностей: от сотых долей ватта до серьезных 5 и более ватт на одном кристалле. Типичные моддерские, так называемые «ультраяркие», светодиоды имеют мощность примерно в 60 мВт (примерно 1/16 Вт), и если их использовать в подсветке корпуса среднего размера то их может понадобиться примерно от 15 до 25 штук. Среднестатистический четырехъкристальный суперяркий светодиод имеет мощность примерно в 240 мВт (1/4 Вт) и таких светодиодов для подсветки корпуса среднего размера нужно примерно от 4 до 8 штук, в зависимости от прочих особенностей. К классу супермощных светодиодов относятся светодиоды с мощностью от одного ватта, что на первый взгляд вроде бы и не много, однако это только на первый взгляд – такие светодиоды в среднем в 15-20 раз ярче, чем самые распространенные светодиоды! Одним или двумя такими светодиодами можно подсветить весь корпус!

Цвет. В зависимости от полупроводника, на основе которого выполнен светодиод, так же отличается цвет, излучаемый светодиодом . В продаже чаще всего можно встретить светодиоды таких цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый, ультрафиолетовый. Светодиоды всех цветов находят свое применение в моддинге, причем как для индикаторных целей, так и для подсветки. Существуют также светодиоды, работающие в инфракрасном диапазоне, но поскольку их излучение не видно невооруженному глазу – их применение ограничено пультами ДУ и видеокамерами ночного видения.

Особого внимания заслуживают синие, фиолетовые и ультрафиолетовые светодиоды – все они вызывают люминесценцию (флюоресценцию) некоторых красителей, но в разной степени. Синие светодиоды вызывают не очень яркую люминесценцию, а также немного искажают ее цвет задевая своим синим излучением. Фиолетовые светодиоды напротив – выглядят тусклыми, но вызывают сильную люминесценцию, обычно их продают под видом ультрафиолетовых светодиодов, но это не так. Ультрафиолетовые светодиоды довольно-таки редко встречаются в продаже, а те что встречаются обычно являются ультрафиолетовыми светодиодами длинноволнового диапазона ультрафиолета, так называемого УФ-А (UV-A) – самого безопасного, внешне эти светодиоды выглядят очень тусклыми из-за низкой чувствительности человеческого глаза к диапазону мение 400 нм, но эти светодиоды вызывают еще более сильную люминесценцию, чем фиолетовые – это связано с большей энергией этого диапазона излучения.

вечение светодиодов с прозрачным корпусом

Типичные характеристики светодиодов

Две главных характеристики светодиодов это напряжение и сила тока. Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА, но бывают и исключения, например четырехъкристальные светодиоды обычно рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА, в свою очередь одноватные светодиоды обычно потребляют 300-400 мА. Рабочее напряжение светодиода зависит от полупроводникового материала, из которого он сделан, соответственно есть зависимость между цветом свечения светодиода и его рабочим напряжением.

При использовании светодиодов, лучше уточнить сколько светодиоду необходимо вольт у продавца или изготовителя, но когда эта информация не доступна, можно воспользоваться следующей таблицей.

Таблица примерных напряжений светодиодов в зависимости от цвета

Цветовая характеристика	Длинная волны	Напряжение
Инфракрасные	от 760 нм	до 1.9 В
Красные	610 – 760 нм	от 1.6 до 2.03 В
Оранжевые	590 – 610 нм	от 2.03 до 2.1 В
Желтые	570 – 590 нм	от 2.1 до 2.2 В
Зеленые	500 – 570 нм	от 2.2 до 3.5 В
Синие	450 – 500 нм	от 2.5 до 3.7 В
Фиолетовые	400 – 450 нм	2.8 до 4 В
Ультрафиолетовые	до 400 нм	от 3.1 до 4.4 В
Белые	Широкий спектр	от 3 до 3.7 В

Правила подключения и расчет светодиодов

Светодиод пропускает электрический ток только в одном направлении, а это значит что для того чтобы светодиод излучал свет, он должен быть правильно подключен. У светодиода два контакта: анод(плюс) и катод (минус). Обычно, длинный контакт у светодиода – это анод, но бывают и исключения так что лучше уточнить данный факт в технических характеристиках конкретного светодиода.

Светодиоды относятся к таком типу электронных компонентов которому, для долгой и стабильной работы, важно не только правильное напряжение, но и оптимальная сила тока – так что всегда, при подключении светодиода, нужно их подключать через соответствующий резистор. Иногда этим правилом пренебрегают, но результат чаще всего один – светодиод или сразу сгорает, или его ресурс очень значительно сокращается. В некоторые светодиоды резистор встроен «с завода» и их сразу можно подключать к источнику 12 или 5 вольт, но такие светодиоды в продаже встречаются довольно-таки редко и чаще всего к светодиоду необходимо подключать внешний резистор.

Стоит помнить, что резисторы так же отличаются своими характеристиками и, для подключения их к светодиодам, вам необходимо выбрать резистор правильного номинала. Для того чтобы рассчитать необходимый номинал резистора следует воспользоваться законом Ома – это один из самых важных физических законов, связанных с электричеством. Данный закон все учили в школе, но практически никто его не помнит =).

Закон Ома – это физический закон с помощью которого вы можете определить взаимозависимость напряжения (U), силы тока (I) и сопротивления (R). Суть эго проста: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению между концами проводника, если при прохождении тока свойства проводника не меняются.

Этот закон визуально отображается при помощи формулы: U= I*R Когда вы знаете напряжение и сопротивления, с помощью этого закона можна найти силу тока по формуле: I = U/R Когда вам известно напряжение и сила тока, можно найти сопротивление: R = U/I Когда вам известна сила тока и сопротивление, можно вычислить напряжение: U = I*R

Теперь рассмотрим на примере. У вас есть светодиод с рабочим напряжением в 3 В и силой тока в 20 мА, вы его хотите подключить к источнику напряжения 5В из USB-разъема или БП, чтобы при этом он не сгорел. Значит у нас есть напряжение 5 В, но светодиоду нужно только 3 В, значит от 2 В нам необходимо избавиться (5В – 3В=2В). Чтобы избавится от лишних 2 В нам необходимо подобрать резистор с правильным сопротивлением, которое рассчитывается следующим образом: мы знаем напряжение от которого необходимо избавиться и знаем силу тока нужную светодиоду – воспользуемся формулой изложенной выше R = U/I. Соответственно 2В/0.02 А= 100 Ом. Значит вам необходим резистор на 100 Ом.

Иногда, в зависимости от характеристик светодиода, необходимый резистор получается с не стандартным номиналом, который нельзя найти в продаже, например 129 или 111.7 Ом =). В таком случае необходимо просто взять резистор немного большего сопротивления, чем рассчитанный – светодиод будет работать не на 100 процентов своей мощности, а примерно на 90-95 %. В таком режиме светодиод будет работать более надежно, а снижение яркости визуально не будет заметно.

Также можно рассчитать насколько мощный резистор вам нужен – для этого умножаем напряжение, которое будет задерживаться на резисторе, на силу тока, которая будет в цепи. В нашем случае это 2В х 0.02 А = 0.04 Вт. Значит вам подойдет резистор такой мощности или большей.

Светодиоды иногда подключают по несколько штук параллельно или последовательно, используя один резистор. Для правильного подключения следует помнить что при параллельном подключении суммируется сила тока, а при последовательном суммируется требуемое напряжение. Параллельно и последовательно можно подключать только одинаковые светодиоды с использование одного резистора, а если вы используете разные светодиоды с разными характеристиками, то лучше рассчитать каждому светодиоду свой резистор – так будет надежней. Светодиоды даже одной модели имеют небольшое расхождение в параметрах и, при подключении большого количества светодиодов параллельно или последовательно, это небольшое расхождение в параметрах может выдать результатом много сгоревших светодиодов =). Еще одним подводным камнем может стать тот факт, что продавец или производитель (намного реже) может дать немного не верные данные по светодиодам, а сами светодиоды могут иметь не четкое рабочее напряжение, а набор из параметров минимального/оптимального и максимального напряжения. Данный фактор не будет особо влиять при подключении небольшого количества светодиодов, а в случае подключения большого количества – результатом могут быть все те же сгоревшие светодиоды. Так что с параллельным и последовательным подключением не стоит чересчур увлекаться, надежней будет чтобы к каждому светодиоду или небольшой группе светодиодов (3-5 штук) подключался отдельный резистор. Рассмотрим несколько примеров подключения.

Схема параллельного подключения светодиодов

Схема последовательного подключения светодиодов

Пример 1. Вы хотите подключить последовательно три светодиода, каждый из которых рассчитан на 3 В и 20 мА, к источнику тока с напряжением 12 В (например из molex-разъема). Три светодиода по 3 вольта каждый будут вместе потреблять 9 вольт (3 В x 3=9 В). Наш источник тока обладает напряжением в 12 вольт, соответственно от 3 вольт надо будет избавиться (12 В – 9 В = 3 В). Так как подключение последовательное, то сила тока составит 20мА, соответственно 3 вольта (напряжение, от которого необходимо избавится) делим на 0.02 А (сила тока, необходимая каждому светодиоду) и получаем значение необходимого сопротивления – 150 Ом. Значит нужен резистор на 150 Ом.

Пример 2. У вас в наличии четыре светодиода, каждый из которых рассчитан на 3 вольта, и источник питания на 12 В. В такой ситуации можно подумать что резистор не нужен, однако это не так – светодиоды очень чувствительны к силе тока и лучше добавить в цепь резистор на 1 Ом. Резистор данного номинала не повлияет на яркость свечения, а будет чем-то на подобии «предохранителя» – светодиоды будут работать намного надежней. Без применения резистора, в данному случае, светодиоды могут попросту сгореть, быстро или не очень.

Пример 3. Вы хотите параллельно подключить три светодиода, каждый из которых рассчитан на 3 В и 20 мА, к источнику тока с напряжением 12 В. Поскольку при параллельном подключении суммируется сила тока, а не напряжение, трем светодиодам потребуется сила тока в 60 мА (20 мА x 3 = 60 мА). Наш источник тока обладает напряжением в 12 вольт, а светодиодам необходимо напряжение в 3 вольта, соответственно от 9 вольт необходимо избавиться (12 В – 3 В = 9 В). Так как подключение параллельное, то сила тока составит 60мА, соответственно 9 вольт (напряжение, от которого необходимо избавится) делим на 0.06 А (сила тока, необходимая всем светодиодам) и получаем значение необходимого сопротивления – 150 Ом. Значит нужен резистор на 150 Ом.

Так же в интернете существует большое количество разнообразных «калькуляторов для светодиодов», которыми вы можете воспользоваться. Достаточно зайти на соответствующий сайт, указать характеристики светодиодом и источника тока и вы получите все необходимые данные по резистору, а так же его цветовую маркировку. Пример такого калькулятора вы можете увидеть на сайте led-calculator.com.

Видео процесса выращивания светодиодов.

ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ!

About xXHelsinGXx

mozgochiny.ru

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества

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

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

Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions - часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен - не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?

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

2. Из чего состоит светодиод?

Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.

3. Как работает светодиод?

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

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

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

5. Чем хорош светодиод?

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

6. Чем плох светодиод?

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

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо - не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

8. От чего зависит цвет светодиода?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

10. Что такое квантовый выход светодиода?

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

Внешний квантовый выход - одна из основных характеристик эффективности светодиода.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

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

12. Какой из трех способов лучше?

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

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

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

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

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

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

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

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

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

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

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

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?

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

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?

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

18. Чем определяется срок службы светодиода?

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

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

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

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

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

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?

Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3. Схематическое представления светодиода.

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

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

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

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

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

23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?

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

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

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

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

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

25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

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

26. Возможности и применение

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

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

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

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

27. Преимущества

Экономично...

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

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

Удобно...

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

Надежно...

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

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

Красиво...

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

Представительно...

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

duray.ru

Что такое светодиод?

1. Из чего состоит светодиод?

2. Как работает светодиод?

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему?

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

4. Чем хорош светодиод?

Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

5. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

6. От чего зависит цвет светодиода?

7. Что такое квантовый выход светодиода?

8. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов.

9. Какой из трех способов лучше?

Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения.

10. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

11. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

12. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

13. Для чего светодиоду требуется конвертор?

14. Можно ли регулировать яркость светодиода?

15. Чем определяется срок службы светодиода?

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

17. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

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

технология СОВ

Источник статьи: ООО "Фокус"

www.altie.ru

Что такое светодиод и как он работает

Доброго времени суток, сегодня мы поговорим о светодиодах, расскажем, что такое светодиод из чего он состоит, как он работает, а также будут рассмотрены все его достоинства и недостатки.

Даже если вы далеки от сферы деятельности радиоэлектроники, то вы в своей жизни не однократно встречались с применением светодиодов в повседневно окружающей вас бытовой технике. Сегодня светодиоды применяются в компьютерах, телевизорах, стиральных машинах, фонарях, брелках и многих других повседневных устройствах.

Что такое светодиод

Начнём с термина из википедии:

Светодио́д — это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Говоря простым языком, светодиод как и обычная лампочка является источником света, который подключён к электрической сети. У светодиодов бывает разный цвет свечения, который очень часто применяется в целях индикации различного рода приборов, а также широко применяется в световом оформлении помещений.

Из чего состоит светодиод

Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на подложке, оптической системы и корпуса с контактными выводами. Современные светодиоды практически не похожи на свои первые прототипы, первых корпусных светодиодов, которые применялись для индикации. Из чего состоит современный, мощный светодиод, вы можете увидеть ниже.

Как работает светодиод

И так, как же работает светодиод? Свечение у светодиода возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Можно сделать вывод, что светодиоду просто необходим p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников, которые имеют разные типы проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.

Для того, чтобы p-n-переход стал излучать свет, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна стремится к энергии квантов света в видимом диапазоне. А также, полупроводниковый кристалл в светодиоде должен содержать крайне мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Чтобы выполнялись эти условия, как правило, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и производители светодиодов идут на изготовление многослойных полупроводниковых структур, которые называются гетероструктурами.

Достоинства и недостатки светодиода

В светодиоде, в отличие от ламп накаливания и люминесцентных ламп, электрический ток преобразуется непосредственно в световой поток фотонов, и теоретически это преобразование можно практически сделать без потерь, то есть с максимальной эффективностью энергозатрат. Одно из важных свойств светодиода, является его слабый нагрев корпуса, разумеется при должном теплоотводе, что делает его распространённым в применении для некоторых устройств.

А также светодиод излучает поток фотонов в узкой части спектра, из за чего излучаемый им свет чист, что в особенно ценится свето-архитектурном дизайне, а УФ (ультрафиолетовое) и ИК (инфракрасное) излучение, как правило, отсутствует.

Конструкция корпуса светодиода выполнена механически прочной и исключительно надежной. А его срок эксплуатации может достигать 100000 часов, что в 100 раз больше, чем у ламп накаливания, и приблизительно в 8 раз больше, чем у люминесцентных ламп. Ещё одним из немало важных факторов применения светодиодов, является его низковольтное потребление электро энергии, что делает его безопасным для жизни деятельности человека.

К единственному недостатку светодиода можно отнести его высокую стоимость которая в несколько раз выше обычных ламп.

Для спраки

Цвет свечения светодиода зависит исключительно от применяемого материала в полупроводнике и от легирующих примесей. Чем ближе свечение светодиода к синему цвету, тем выше энергия квантов, что значит ширина запрещенной зоны должна быть больше.

Ниже в таблице вы можете увидеть цветовые параметры светодиода.

Если вам понравилась статья, то оставляйте свои комментарии, а также вы можете подписаться на рассылку свежих новостей (справа под меню).