Как устроен и работает светодиод

Наиболее важные особенности

Рассматривая подробное устройство и принцип работы светодиода, нельзя не отметить некоторые особенности. Излучение приборов находится в прямой зависимости от угла направленности, который зависит от конструкции. Определенное влияние на интенсивность излучения оказывают:

• материал, применяющийся непосредственно для защиты кристалла;
• установленная линза.

Полупроводниковый прибор способен выделять не только узконаправленный, но и рассеянный свет. Температурный режим внешней среды может оказывать влияние на свойства светодиодов. От него зависит их яркость. При повышении температуры свечение становится тусклее, а при понижении – ярче. В связи с этим сфера эксплуатации имеет особое значение.

Высокие требования предъявляются к продукции, предназначенной для наружного применения. Она должна исправно функционировать при значительных колебаниях температур. Яркость света в ходе эксплуатации не должна заметно изменяться. Современные решения позволяют обеспечить нормальное свечение, независимо от температуры окружающей среды.

Принцип работы светодиода основывается на высокой скорости действия. Излучение появляется в течение нескольких секунд после прямого воздействия электрического тока непосредственно на полупроводник. Изготавливаемые приборы могут иметь технологические отличия, от которых будет зависеть сфера применения.

Разновидности светодиодов

Последовательное совершенствование открытой в 1962 году технологии привело к созданию разнообразных базовых элементов и моделей светодиодов на их основе. На сегодняшний день классификация проводится по расчётной мощности, типу соединения и типу корпуса.

В первом случае различаются осветительные и индикаторные варианты. Первые предназначены для использования в осветительных целях. Их уровень мощности приблизительно соответствует аналогичным вольфрамовым и люминесцентным лампам. Индикаторные светодиоды не излучают сильный поток света и используются в электронном оборудовании, приборных и навигационных панелях и т.д.

Индикаторные светодиоды между собой различают по типу соединения на тройные AlGaAs, тройные GaAsP и двойные GaP. Аббревиатуры, соответственно, означают алюминий-галлий-мышьяк, галлий-мышьяк-фосфор и галлий-фосфор. AlGaAs светят жёлтым и оранжевым в пределах видимого спектра, GaAsP- красным и жёло-зелёным, а GaP – зелёным и оранжевым.

По типу корпуса представленные в широком применении светодиодные светильники сейчас делятся на:

• DIP. Это старый форм-фактор из линзы, пары контактов и кристалла. Такие светодиоды применяются в световых табло и игрушках для подсветки;
• «Пиранья» или Superflux. Это доработанная модель DIP, которая имеет не два, а четыре контакта. Выделяет меньше тепловой энергии и, соответственно, меньше греется. Сейчас применяется в автомобильной подсветке;
• SMD. Самая популярная технология на современном рынке LED-светильников. Это универсальный чип, монтаж которого был произведён непосредственно на плате. Используется в большинстве источников света, осветительных линий, лент и т.п;
• COB. Это результат совершенствования технологии SMD. У таких светодиодов есть несколько чипов, монтированных на одной плате на алюминиевом или керамическом основании.

Технические характеристики и их зависимость друг от друга

Основными функциональными и эксплуатационными параметрами светодиодных светильников являются:

• интенсивность светового потока (яркость);
• рабочее напряжение;
• сила тока;
• цветовая характеристика;
• длина волны.

Светодиодное напряжение и яркость выступают прямо пропорциональными величинами – чем выше одна, тем выше другая. Но это не напряжение питающего тока, а величина падения напряжения на приборе. Кроме того, от напряжения зависит и цвет светодиода. Таким образом, между собой связаны яркость, длина волны, напряжение и цвет светодиода, а их соотношение представлено в следующей таблице.

Цвет	Длина волны	Напряжение
Белый	Широкий спектр	3,0-3,7 В
Ультрафиолетовый	10-400 нм	3,1-44 В
Фиолетовый	400-450 нм	2,8-4 В
Синий	450-500 нм	2,5-3,7 В
Зелёный	500-570 нм	2,2-3,5 В
Жёлтый	570-590 нм	2,1-2,2 В
Оранжевый	590-610 нм	2,3-2,1 В
Красный	610-760 нм	1,6-2,03 В
Инфракрасный	>760	<1,9 В

Принцип действия микроэлемента так устроен, что для стабильной работы в соответствии с номинальными характеристиками необходимо отслеживать не напряжение питания, а силу тока. Светодиоды работают от пульсирующего или постоянного тока, регулируя интенсивность которого можно изменять яркость излучения. Индикаторные светодиоды работают при токе в пределах 10-20 мА, а осветительные – от 20 мА и выше. Так, к примеру, элементы типа COB с четырьмя чипами требуют 80 мА.

Цветовая характеристика

Цвет свечения светодиодного элемента зависит от длины волны, которая измеряется в нанометрах. Для изменения цвета свечения в материал полупроводника на этапе производства добавляются активные вещества:

• полупроводники обрабатываются аллюминий-индий-галлием (AlInGaP) для получения красного цвета;
• оттенки зелёного и сине-голубого спектра получаются с использованием индий-нитрида галлия (InGaN);
• для получения белого свечения на базе синего светодиода его кристалл покрывают люминофором, который преобразует синий спектр в красный и жёлтый свет;
• для фиолетового свечения применяется индий-галлия нитрид;
• для оранжевого – галлия фосфид-арсенид;
• для синего – селенид цинка, карбид кремния или индий-галлия нитрид.

Аналогично методу получения белого свечения можно использовать люминофоры разных цветов для получения дополнительных оттенков. Так, красный люминофор позволяет выпускать розовые и пурпурные светодиоды, а зелёный – салатных оттенков. В обоих случаях люминофор наносит на основу в виде синего светодиода.

Читайте подробнее:индекс цветопередачи светодиодных ламп

Спектры излучения

Современные светодиоды имеют шесть основных спектров, т. е. их свечение может быть желтым, зеленым, красным, синим, голубым и белым. И самым сложным для ученых оказалось создание голубого светового элемента на кристаллах.

Вообще частота исходящих от светодиодов излучений лежит в узком направлении. Опираясь на все данные, ее можно назвать монохромной. И естественно, что она имеет кардинальное отличие от частоты солнечного излучения или ламп накаливания.

Уже не первый год ведутся споры по поводу влияния подобного излучения на зрение человека, равно как и на весь организм в целом. Но проблема заключается в том, что все подобные дискуссии так до сих пор ни к чему и не привели, потому как нет ни одного документального доказательства о проведении исследований в этой области.

Устройство и принцип действия

Светодиоды излучают свет благодаря наличию p-n-перехода. На этом участке контактируют носители заряда p- и n-типа. Катод (n-тип) – это полупроводник с отрицательным зарядом, а анод (p-тип) является носителем положительного заряда (дырки). То есть, в первом образуются дырки (участки, где нет электронов), а второй скапливает электроны. На их поверхности размещены контактные площадки из металла, к которым прикреплены выводы методом пайки.

Когда к полупроводнику р-типа поступает положительный заряд, а к электрону n-типа – отрицательный, то на границе между диодом и катодом начинает протекать ток. При прямом включении отрицательные и положительные электроны встречаются, и на участке перехода (p-n-переход) происходит их рекомбинация (обмен). При подаче отрицательного напряжения со стороны катода на область р-типа, то происходит прямое смещение. Свечение появляется при выделении фотонов в результате обмена.

Как проверить светодиод мультиметром

Один из способов проверки рабочего состояния светодиодов – тестирование мультиметром. Таким прибором можно диагностировать светодиоды любого исполнения. Перед тем как проверить светодиод тестером, переключатель прибора устанавливают в режиме «прозвонки», а щупы прикладывают к выводам. При замыкании красного щупа на анод, а черного на катод, кристалл должен излучать свет. Если поменять полярность, на дисплее прибора должна отображаться показание «1».

Схема проверки светодиода с помощью цифрового мультиметра

Тестирование LED-приборов можно произвести, не используя щупы. Для этого в отверстия, расположенные в нижнем углу прибора, анод вставляют в отверстие с символом «Е», а катод – с указателем «С». Если светодиод в рабочем состоянии – он должен засветиться. Этот метод тестирования подходит для светодиодов с достаточно длинными контактами, очищенными от припоя. Положение переключателя при таком способе проверки не имеет значения.

Как проверить светодиоды мультиметром, не выпаивая? Для этого необходимо припаять к щупам тестера кусочки от обычной скрепки. В качестве изоляции подойдет текстолитовая прокладка, которая укладывается между проводами, после чего обрабатывается изолентой. На выходе получается своеобразный переходник для подключения щупов. Скрепки хорошо пружинят и надежно фиксируются в разъемах. В таком виде можно подключить щупы к светодиодам, не выпаивая их из схемы.

Интересующие вопросы

Теперь принцип работы светодиодов стал понятен, однако многие пользователи задают различные вопросы по этой теме.

1. Какие параметры влияют на срок службы полупроводникового прибора? Есть утверждение, что светодиоды долговечны, но это не совсем так. При высокой силе тока в процессе эксплуатации увеличивается температура, поэтому более мощные устройства быстрее выходят из строя.
2. Ухудшается ли цветовая передача светодиодов со временем? При длительной эксплуатации приборов происходит определенное изменение оттенка, но в настоящее время не существует каких-либо стандартов, позволяющих выразить это в количественном отношении.
3. Не являются ли устройства вредными для человеческого глаза? Какие-либо сведения о негативном воздействии полупроводниковых элементов на данный момент времени отсутствуют.
4. Почему необходимо стабилизировать электрический ток, проходящий через LED-устройство? Даже небольшие изменения напряжения способны привести к колебаниям яркости.
5. Каким образом можно получить белый свет? Есть три основных варианта. Первый из них предполагает смешение компонентов палитры с применением технологии RGB. Второй вариант подразумевает нанесение три люминофора непосредственно на поверхность полупроводникового прибора, излучающего поток света в ультрафиолетовом диапазоне. В третьем способе люминофор наносится на голубой элемент.

Разновидности

Светодиоды отличаются по:

• Размеру внешнего корпуса
• Форме корпуса (круглые – самые популярные, но прямоугольные тоже часто встречаются)
• Типу линзы (направленная – прозрачная – или рассеивающая, матовая)

По форме светодиоды бывают самые разнообразные, но кристалл в основе не зависит от внешней оболочки. По размеру – от самых мелких светодиодов в корпусе типоразмера 0402 (0.5×1мм) до 100-ваттных светодиодов размером 50×50 мм. В зависимости от эффекта, ставят несколько кристаллов одного или разных цветов.

Одного – для повышения мощности, в таком случае они подключаются параллельно и в итоге фокусируются как единый светодиод. Разных – для многоцветного эффекта, например, для индикации (обычно синий-красный, встречается во многих аккумуляторных устройствах как индикатор работы/зарядки) или для отображения большого спектра цветов (как например RGB-светодиод, способный отобразить все возможные цвета – состоит из 3 кристаллов, красного (R), зелёного (G), синего (B)).

Параметры редких светодиодов представлены в таблице ниже:

Таблица основных параметров редких светодиодов.

Светодиоды отличаются по длине волны – они способны точно испускать свет определённого спектра, в частности, ультрафиолетовыми светодиодами можно засвечивать фоторезист, а фидосветодиоды ускоряют рост растений. Граничное напряжение светодиода меняется от 1.9 В (инфракрасный) до 3.7 В (белый). Часто светодиоды собирают в последовательные сборки (например, в дешёвых светодиодных лентах), чтобы запитать, например, 5 2.2-вольтовых светодиодов от 12В, потеряв всего 1В на резисторе.

Если Вы используете светодиоды на большой ток, то, скорее всего, придётся ставить мощные резисторы, на которых всё равно будет теряться большое количество тепла. В таком случае можно использовать импульсные стабилизаторы тока (на основе DC-DC преобразователей или самодельные) – при большом КПД они обеспечивают большой ток и практически не греются! Светодиоды от 100 мА желательно подключать уже именно так. Понятно, что все светодиоды имеют различные характеристики, но как же найти нужный номинал резистора для правильного подключения светодиода? В этом деле нам поможет давно забытый школьный курс физики, а именно закон Ома.

Контакты светодиода

Для примера, возьмём светодиод с падением напряжения 2В, который нам нужно запитать от 3.3 В. Ток возьмём по среднему для всех «мелких» светодиодов значению – 20 мА, а чтобы не убить его раньше времени – 15 мА. Разница в напряжении между напряжением питания и напряжением, нужным для светодиода, составляет 3.3 – 2 = 1.3 В. Вспоминаем закон Ома для замкнутой цепи – I = U/R. Преобразуем её относительно сопротивления . Поделим 1.3 на 0.015 (15мА в А), получим 86.7 Ом. Значение крайне нестандартное, поэтому возьмём ближайшее удобное (в большую сторону) – например, 100 Ом. Светодиоду по режиму будет только лучше, а ток изменится незначительно (13 мА) – невооружённым взглядом вы вряд ли заметите это изменение.

Устройство и принцип работы светодиодов

Светодиодом
называется прибор-полупроводник, способный преобразовывать электрический ток в
видимое световое излучение. Часто применяемое обозначение светодиода ЛЕД
является абберевиатурой light-emitting diode
– светоизлучающий диод.

В
отличие от ламп, излучение которых лежит в широком спектре, кристалл светодиода по внешнему полю излучает конкретный цвет. Диапазон освещения определяется
химическими особенностями полупроводников, используемых в каждом случае.

Все модели светодиодов содержат следующие элементы:

• катод, отвечающий за подачу отрицательной части волны постоянного тока на полупроводниковый кристалл;
• анод, осуществляющий подачу положительной части волны на кристалл;
• рассеиватель, увеличивающий угол свечения;
• рефлектор, который отражает световой поток на рассеиватель;
• кристалл или чип полупроводника, осуществляющий излучение светового потока, используя p-n переход.

Конструкция
диода включает два полупроводника, легированных разными примесями. Один из них
содержит свободные электроны, а второй – отверстия (дырки). Это обеспечивает
p-n переход между полупроводниками, когда электроны переходят от донора к
реципиенту, занимая свободные отверстия и выделяя фотоны. Данная реакция
возможна при наличии источника постоянного тока. На практике применяются
гетероструктуры – многослойные полупроводники, имеющие самый маленький вес.

Зная, какие бывают светодиоды по мощности и по внешнему виду, можно выбрать
прибор для разных случаев. Они делятся на две большие группы:

1. Индикаторные. Маленькие светодиоды относительно небольшой мощности с умеренной яркостью. Применяются для цветовой индикации, при подсветке приборных панелей и прочего.
2. Осветительные. Их мощность может доходить до нескольких десятков Ватт, за счёт чего достигается свечение высокой интенсивности. Используются в составе светодиодных лент и ламп для освещения помещений, в фарах и иных приборах.

Разновидности светодиодов

Последовательное совершенствование открытой в 1962 году технологии привело к созданию разнообразных базовых элементов и моделей светодиодов на их основе. На сегодняшний день классификация проводится по расчётной мощности, типу соединения и типу корпуса.

В первом случае различаются осветительные и индикаторные варианты. Первые предназначены для использования в осветительных целях. Их уровень мощности приблизительно соответствует аналогичным вольфрамовым и люминесцентным лампам. Индикаторные светодиоды не излучают сильный поток света и используются в электронном оборудовании, приборных и навигационных панелях и т.д.

Индикаторные светодиоды между собой различают по типу соединения на тройные AlGaAs, тройные GaAsP и двойные GaP. Аббревиатуры, соответственно, означают алюминий-галлий-мышьяк, галлий-мышьяк-фосфор и галлий-фосфор. AlGaAs светят жёлтым и оранжевым в пределах видимого спектра, GaAsP- красным и жёло-зелёным, а GaP – зелёным и оранжевым.

По типу корпуса представленные в широком применении светодиодные светильники сейчас делятся на:

• DIP. Это старый форм-фактор из линзы, пары контактов и кристалла. Такие светодиоды применяются в световых табло и игрушках для подсветки;
• «Пиранья» или Superflux. Это доработанная модель DIP, которая имеет не два, а четыре контакта. Выделяет меньше тепловой энергии и, соответственно, меньше греется. Сейчас применяется в автомобильной подсветке;
• SMD. Самая популярная технология на современном рынке LED-светильников. Это универсальный чип, монтаж которого был произведён непосредственно на плате. Используется в большинстве источников света, осветительных линий, лент и т.п;
• COB. Это результат совершенствования технологии SMD. У таких светодиодов есть несколько чипов, монтированных на одной плате на алюминиевом или керамическом основании.

Распиновка светодиода

Для решения вопроса существует всего 3 способа:

Согласно нормам, принятым во всем мире, на обычном светодиоде (не SMD типа), длинная ножка всегда является «+» или же анодом. Для работы светодиода на него должна подаваться положительная полуволна. А короткая – катодом.

Для проверки необходимо переключатель прибора поставить в режим «Прозвонка» и установить красный щуп мультиметра на анод, а черный – на катод. В результате светодиод должен засветиться. Если этого не произошло, необходимо поменять полярность (черный на анод, а красный на катод).

Если присмотреться к светодиоду, то можно увидеть 2 кончика возле кристалла. Тот, который больше – катод, тот, что меньше – анод.

Мир светодиодов: краткий обзор предложений современных производителей

Первые удачные эксперименты были проведены более ста лет назад. Но только в конце 70-х прошлого века удалось создать образцы, пригодные для коммерческого применения.

Разные комбинации полупроводниковых материалов создают волны определенной длины

Для зеленого цвета применяют AlGaInP (Алюминий-Галий-Фосфид индия). Красный получается с использованием AlGaAs (Алюминий-Арсенид галлия). Долгое время не могли найти комбинацию для синего. Только в 90-х годах был найден подходящий состав, за который авторы получили Нобелевскую премию. Сочетание перечисленных цветов позволило создать белый свет. С этого времени был дан старт массовому внедрению технологий данной категории в разные сферы человеческой деятельности.

Индикаторные светодиоды

Конструкция прибора DIP типа

Для концентрации светового потока функции отражателей выполняет опорная пластина и стенки. Такие приборы выпускают с выпуклыми линзами и прямоугольными торцами диаметром от 3 до 10 мм. Их подключают к источникам питания 2,5-5 В с ограничением по току до 20-25 мА. Угол рассеивания не превышает 140°. Яркость – до 1,1 люмен.

Индикаторные светодиоды ранее применяли для создания фонарей, светофоров, информационных стендов и рекламных табло. В наши дни появились новые модификации полупроводниковых приборов с большей силой света.

Оригинальная подсветка сценических костюмов

На практике пригодятся следующие преимущества индикаторных светодиодов:

• низкая стоимость;
• хорошая защищенность от влаги и других неблагоприятных внешних воздействий;
• безопасные токи и напряжение питания;
• небольшое потребление энергии.

Последний пункт надо дополнить низким выделением тепла. Такие устройства способны функционировать долгосрочно в широком температурном диапазоне без специальных охлаждающих радиаторов.

Осветительные светодиоды

Полупроводниковые приборы SMD, как наиболее распространенные изделия, подробно рассмотрены ниже. Их создают в стандартных размерах на специальной подложке, которая хорошо приспособлена для последующего монтажа на печатную плату.

Излучающее поле лампы, созданное из SMD светодиодов

Для улучшения защищенности полупроводники закрепляют на подложке внутри литого пластикового корпуса. Верхняя полусферическая часть образует линзу, что помогает сузить световой поток.

«Пиранья». Грозное название этой категории подчеркивает высокую эффективность приборов

Следующая группа изделий создана специально для освещения. На подложке размещают синие светодиоды. Сверху – слой люминофора. В данном случае применяют большее количество кристаллов на единицу поверхности по сравнению с технологией SMD. Это позволяет получить сильный световой поток.

Мощную матрицу категории COB (Chip On Board) надо охлаждать. Такие лампы устанавливают в автомобильные фары ближнего и дальнего светаТехнология Chip On Glass («Чип-на-стекле»)

На фото изображены основные стадии производственного процесса:

1. Создается подложка из стекла нужной формы.
2. На ней закрепляют последовательно полупроводниковые кристаллы.
3. Сверху устанавливают слой люминофора.
4. Далее – финишное защитное покрытие.

В цоколе лампочки размещают блок питания, который создает постоянное напряжение с нужной силой тока.

Плюсы и минусы осветительных светодиодов

Выяснив, какие бывают светодиоды, надо перечислить их преимущества по сравнению с альтернативными изделиями:

• Лучшие полупроводниковые приборы способны обеспечить более 200 люменов на 1 Вт энергии. Это потребление на 80-85 % меньше по сравнению с типовыми лампами накаливания.
• Качественные светодиодные светильники устойчивы к вибрациям, перепадам напряжения в сети. Долговечность лучших изделий приближается к 100 тыс. часов, что эквивалентно белее чем 11 годам непрерывной эксплуатации.
• Отсутствие ртутных и других вредных соединений вместе с прочной рассеивающей колбой повышает уровень безопасности.

Не забывайте, что в экономический расчет надо включать все сопутствующие расходы. Светодиодные источники, сделанные известными производителями, стоят дорого. Только через несколько лет получится окупить первоначальные инвестиции. Также надо отметить:

• Мерцание при недостаточно качественной сборке блока питания.
• Небольшой угол рассеивания.
• Различные технические характеристики в одной товарной партии.
• Узкий диапазон цветовой температуры, несоответствие параметра паспортным данным.

Как подключить светодиоды к сети переменного тока 220 В через блок питания

Существует несколько типов блоков питания:

• Стабилизированные источники постоянного напряжения для светодиодов на 5 Вольт и 12 Вольт. При колебаниях параметров сети напряжение на выходе такого источника питания остается постоянным и равным заявленной в паспорте величине. LED-светильники подсоединяют через резисторы.
• Драйвер – импульсный блок питания со стабилизированным током. Характеристики, которые учитывают при его выборе: максимальное и минимальное выходное напряжение, выходной (рабочий) ток. В драйвере присутствует схема, стабилизирующая ток при скачках входного напряжения 220 В. При подключении светодиодного излучателя к драйверу резистор не требуется.

Светодиод символ

Символ схемы для светодиода относительно прост. Символ СИД содержит диодный символ с двумя стрелками, указывающими наружу, чтобы обозначать, что свет исходит от диода.

Светодиод, схема светодиода.

Иногда символ светоизлучающего диода показан только как контур и без заполненных фигур. Форма контура одинаково приемлема.

Альтернативный вид светодиода, светодиодный индикатор цепи.

Также можно увидеть другие версии светодиодных символов. Иногда символ светоизлучающего диода может быть заключен в круги. Этот символ не так широко используется в наши дни, но все еще можно увидеть на многих схемах.