Светодиод, устройство, принцип работы.
Светодиод – это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, чья задача – трансформировать (преобразовывать) электрический ток непосредственно в видимое свечение.
Светодиод и его устройство:
Светодиод – это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, чья задача – трансформировать (преобразовывать) электрический ток непосредственно в видимое свечение. Его официальное название – light-emitting diod (кратко – LED), что в переводе на русский точно характеризует его назначение – «диод, излучающий свет». Состоит он из:
– чипа – полупроводникового кристалла;
– электродов (катода и анода),
– тонкого проволочного контакта, соединяющего анод (в некоторым конструкциях также и катод) с чипом (полупроводниковым кристаллом),
– подложки, на которой размещен сам чип (полупроводниковый кристалл);
– корпуса, оснащенного контактными выводами;
– оптической системы.
Оптическое излучение возникает в результате прохождения прямого электрического тока через кристалл, а излучаемый цвет зависит от материала (химического состава), из которого тот изготовлен, а также возможного включения в состав чипа (кристалла) различных добавок. Большинство светодиодов имеет один полупроводниковый кристалл, но существуют диоды с двумя и более чипами. Такие приборы изготавливаются, если требуется увеличить их мощность или получить разноцветное свечение.
Обычно светодиод подключается к электрической сети через резистор, устанавливаемый на вводе. Резистор предохраняет светодиод от скачков напряжения и высокой силы тока. В случае отсутствия резистора светодиод может перегореть.
Светодиоды нашли широкое применение благодаря своим характеристикам и преимуществам относительно других видов ламп. Они используются в таких устройствах, как: светодиодные ленты, переносные фонари, уличные светильники, специализированные светодиодные взрывозащищенные светильники, а так же в других устройствах, помимо задач освещения, например, в: светофорах, дорожных знаках, декоративном освещении, и пр.
Принцип работы светодиода:
Отличительной особенностью светодиода от более привычных нам осветительных устройств (лампы накаливания, люминесцентные лампы) считается отсутствие в нем нити накаливания и хрупкой колбы, заполненной газом.
Свет в светодиоде образуется благодаря p-n-переходу, пропускающему электрический ток. Так, полупроводниковые материалы p-типа обладают возможностью накапливать заряды с положительными частицами, а полупроводниковые материалы n-типа – с отрицательными. Материалы n-типа представляют собой «накопительный склад» электронов, тогда как в материалах p-типа появляются свободные пространства (дырки), где электронов нет. В тот момент, когда в диод через контакты поступает электрический ток, электроны начинают движение, устремляясь к электронно-дырочному переходу, где инжектируются непосредственно в p-тип. Одновременно в n-типе, представляющем собой отрицательный контакт, также возникает подобное движение.
При протекании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда (электроны и дырки) рекомбинируют, т.е. происходит исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда с выделением энергии в виде излучения фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Однако не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет (фотоны) при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам. Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников, свет практически не излучают.
Изменяя состав полупроводниковых материалов, можно создавать светодиоды, испускающие свет в видимой части спектра, а также в ультрафиолетовом и среднем инфракрасном диапазоне.
Характеристики светодиодов:
LED-приборы имеют несколько основных параметров. Это:
– потребляемый ток;
– мощность потребления;
– номинальное напряжение;
– цветовая температура;
– сила светового потока.
Практически все эти характеристики указаны на самом электроприборе, но есть и другие показатели, которые считаются специфическими.
Сила потребляемого тока. Сила потребляемого тока определяет яркость свечения светодиода. Ток потребления светодиода измеряется в амперах и чаще всего соответствует показателю 0,02 А. Это параметр одного кристалла. Если чипов несколько, то и показатель увеличивается: 0,04 А при двух кристаллах, 0,06 А при трех и т.д. Учитывать показатель потребляемого тока следует для выбора резистора, устанавливаемого на вводе. Если показатели не будут соответствовать друг другу, высокий ток преодолеет сопротивление светодиода и он перегорит, причем практически мгновенно. Также резистор защищает прибор от скачков тока в сети, возникающих при различных перепадах напряжения.
Сопротивление светодиода. Этот показатель способен изменяться, т.к. является нелинейным и колеблется в зависимости от включения в цепь. При включении в одну сторону он может достигать приблизительно одного килоома (кОм), в другую – увеличиваться до нескольких мегаом (МОм). Соответственно, чем более высокое напряжение испытывает диод, тем меньше оказываемое им сопротивление.
Номинальное напряжение. Данная характеристика светодиода напрямую зависит от его цвета, а последний параметр – от материала, выбранного для его изготовления и включения в его состав различных добавок.
Инфракрасное свечение характерно для арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия галлия (AlGaAs). В этом случае при силе тока в 20 мА диапазон напряжения составляет 1,1-1,6 В, а типовое значение напряжения – 1,2 В.
Красный, оранжевый и желтый цвета диода достигаются благодаря твердым растворам арсенида-фосфида галлия (GaAsP), фосфида галлия (GaP) и фосфида алюминия-галлия-индия (AlInGaP). Диапазоны напряжения при той же силе тока 20 мА составляют:
- красного светодиода – 1,5-2,6 В;
- оранжевого светодиода – 1,7-2,8 В;
- желтого светодиода – 1,7-2,5 В.
Типовое значение напряжение всех цветов равно 2,0 В.
Зеленый светодиод получают благодаря материалам фосфида галлия (GaP) и нитрида индия-галлия (InGaN). При тех же номинальных 20 мА диапазон напряжения составит 1,7-4,0 В, а типовое значение напряжения – 2,2 В.
Голубой оттенок диода позволяют получить бинарное соединение цинка и селена – селенид цинка (ZnSe) и нитрид индия-галлия InGaN. Для этого цвета при силе тока в 20 мА диапазон напряжения определяется в рамках 3,2-4,5 В, типовое значение напряжения составляет 3,6 В.
Для получения белого света используют синие или ультрафиолетовые диоды с покрытием из люминофора либо сочетание трех светодиодов основных цветов (красный, синий, зеленый). Их параметры напряжения при силе тока в 20 мА колеблются в пределах от 2,7 до 4,3 В, типовое значение напряжения соответствует 3,6 В.
Мощность потребления светодиодов. Данный параметр необходим для выбора блока питания электроприбора, оснащенного определенным количеством светодиодов. У каждого светодиода она индивидуальна и колеблется в диапазоне от 0,5 до 3,0 Вт.
Цветовая температура светодиода. Эта характеристика измеряется в Кельвинах (К) и имеет несколько показателей. Основное разделение представлено такими оттенками свечения:
- от 2700 К до 3500 К – теплый свет;
- 3500-5300 К – нейтральный;
- 5300-7000 К – холодное свечение.
Светоотдача и угол свечения светодиода. Яркость (интенсивность светового потока) светодиода прямо пропорциональна протекающему через него электрическому току, то есть чем напряжение будет выше, тем будет больше яркость светодиода. Единицей измерения светового потока служит люмен (лм).
Световая отдача источника света (светоотдача) – отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности. Измеряется светоотдача в люменах на ватт (лм/Вт). Она является показателем эффективности и экономичности источников света.
Сила и угол светового потока светодиода могут варьироваться, т.к. имеют зависимость от формы и материала, выбранных для изготовления светового прибора. Однако величина угла не может превышать 120 градусов. Для увеличения угла рассеивания могут применяться специальные линзы и/или отражатели. Так, при правильном подборе подобных устройств, увеличить силу светового потока светодиода мощностью в 3 ватта возможно до 300-350 люменов.
Виды светодиодов:
Светодиоды по назначению делятся на два основных типа:
– индикаторные;
– осветительные.
Индикаторные представляют собой слабые по яркости и мощности элементы, применяемые чаще всего в различных электронных приборах в качестве индикаторов включения/выключения той или иной функции: подсветка панели приборов в транспортном средстве, жидкокристаллическом телевизоре, компьютерном блоке питания и прочее. Их распространение весьма широко, т.к. эти маломощные LED-приборы не требуют дорогостоящего оборудования для изготовления, а потому их себестоимость мала.
Осветительные диоды – это элементы с высокой мощностью и яркостью, основная область применения которых – осветительные электрические приборы.
Также светодиоды различают по типу корпуса. К ним относят:
– DIP (Direct In-line Package) – один из самых первых изобретенных элементов. На сегодняшний день считающийся устаревшим. Основная область использования – игрушки с элементами электроники и световые табло;
– Superflux или «пиранья» – аналог предыдущего поколения, но имеющий четыре контакта. В них улучшен крепеж, что позволяет диодам надежнее держаться, снижена теплоотдача. Наиболее частое применение – оснащение приборной панели в автомобилях;
– SMD (Surface Mounted Device, что в переводе с англ. означает «устройство поверхностного монтажа») – самый популярный тип корпуса для использования в осветительных электроприборах;
– COB (Chip On Board) – усовершенствованная модель SMD.
Преимущества светодиодов:
– более доступная, экономная и безопасная альтернатива привычным лампам накаливания и люминесцентным лампам;
– работая в режиме прямого преобразования электрического тока в видимое излучение, светодиоды практически не выделяют тепло, что выгодно отличает их от классических ламп накаливания и люминесцентных ламп;
– выделяемое светодиодом видимое излучение возникает в узкой части спектра, благодаря чему сам цвет очень чистый, а инфракрасное и ультрафиолетовое излучения отсутствуют почти полностью;
– за счет плотного верхнего покрытия светодиод практически невозможно разбить или случайно сломать, что делает его безопасным, как и тот факт, что он низковольтный;
– срок службы же LED-приборов способен достигать 100 тысяч часов, что в десять раз превышает данный параметр у люминесцентной лампы, и в 100 раз – лампы накаливания.
К сожалению, светодиоды подвержены «старению»: они не перегорают моментально, а постепенно и довольно долго уменьшают яркость своего свечения, что считается отличным показателем того, как скоро прибор подлежит замене. По иронии, наименьший срок службы именно у белых диодов, являющихся самыми популярными для бытового потребителя. Проблема сниженной эксплуатация заключается в материале, используемом для получения диодов с белым свечением: на кристаллы наносится люминофор – специальный состав, снижающий тепловые характеристики диода, способствующий его более сильному нагреву и, соответственно, более быстрому сгоранию. Однако даже при таких параметрах эти LED-приборы способны служить 30-50 тысяч часов, что в среднем составляет 25-30 лет;
– светодиоды наносят минимальный вред экологии. В светодиодных лампах отсутствуют ртуть и свинец, в них практически нет стекла, что отражается на способах их утилизации;
– потребление электроэнергии светодиодами в десятки раз меньше, чем ламп накаливания.
Цвета и материалы светодиодов:
Ниже в таблице представлены цвета и материалы полупроводника светодиода.
| Цвет | длина волны, нм | Материал полупроводника светодиода |
| Инфракрасный | λ > 760 | Арсенид галлия (GaAs) Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) |
| Красный | 610 < λ < 760 | Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) Арсенид-фосфид галлия (GaAsP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Фосфид галлия (GaP) |
| Оранжевый | 590 < λ < 610 | Арсенид-фосфид галлия (GaAsP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Фосфид галлия (GaP) |
| Жёлтый | 570 < λ < 590 | Арсенид-фосфид галлия (GaAsP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Фосфид галлия (GaP) |
| Зелёный | 500 < λ < 570 | Нитрид индия-галлия (InGaN) / Нитрид галлия (GaN) Фосфид галлия (GaP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Фосфид алюминия-галлия (AlGaP) |
| Синий | 450 < λ < 500 | Селенид цинка (ZnSe) Нитрид индия-галлия (InGaN) Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата |
| Фиолетовый | 400 < λ < 450 | Нитрид индия-галлия (InGaN) |
| Пурпурный | Смесь нескольких спектров | Двойной: синий/красный диод, синий с красным люминофором, или белый с пурпурным пластиком |
| Ультрафиолетовый | λ < 400 | Алмаз (λ = 235 нм) Нитрид бора (ВN) (λ = 215 нм) Нитрид алюминия (AlN) (λ = 210 нм) Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) (λ < 210 нм) |
| Белый | Широкий спектр | Сочетание трех светодиодов основных цветов (красный, синий, зеленый),
Синий или ультрафиолетовый светодиод с покрытием из люминофора |
Примечание: © Фото //www.pexels.com, //pixabay.com